JP2018529538A - マイクロ流体デバイスのためのパッシブ型ポンプ - Google Patents

Abstract

パッシブ型マイクロ流体ポンプが本明細書で提供される。本ポンプは、流体入口、吸収領域、流体入口と吸収領域との流体接続させる抵抗領域、及び抵抗領域、吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込める蒸発バリアを備え得る。抵抗領域は、第１の多孔質媒体と、この第１の多孔質媒体を通した流体入口から吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界と、を備え得る。吸収領域は、抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備え得る。抵抗領域及び吸収領域は、流体入口が流体と接触しているときに、流体入口から抵抗領域を通って吸収領域へと前進する、毛細管によって駆動される流体正面を確立するように構成され得る。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年９月４日出願の米国仮出願第６２／２１４，３５２号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

連邦支援による研究又は開発に関する記載
本発明は、国立衛生研究所によって与えられた助成金番号ＵＬ１ＴＲ００１１１１の下、政府支援によってなされた。政府は、本発明において、ある特定の権利を有する。

多くの診断試験を使用場所に移すという望みに関して、マイクロ流体デバイスは、医療、環境モニタリング、食品安全、及び他の用途における幅広い使用に対する驚くべき可能性を有する。具体的には、少量の液体を処理するマイクロ流体システムの能力により、それらは、多くの生物学的分析用途によく適している多くによく適している。

それらの多くの利点にも関わらず、いくつかの深刻な技術的困難により、多くの用途に対するマイクロ流体デバイスの幅広い採用が阻まれている。例えば、ほとんどのマイクロ流体工学が、デバイス内で流体流動を方向付け、制御するために、大型で高価なポンプに依存する。かかる外部ポンプは、典型的に、流体流動の正確な制御により多くの用途に利点がもたらされるため必要とされる。例えば、流体流動を慎重に制御／最適化することで、試験（例えば、免疫アッセイ）の感度を上昇させ、分析用に細胞培養から産生物を移し、バイオセンサ中に固定した認識分子を標的とする結合を制限する枯渇領域の影響を最低限に抑えることができる。しかしながら、ポンプなどの複雑かつ／又は高価な外部設備を必要とすることにより、ポイントオブケア診断、食品及び水の試験、並びに特に資源の少ない環境における環境モニタリングのためのマイクロ流体試験の使用可能性が劇的に限定される。これらのマイクロ流体デバイスを簡単に使用できるようにし、より安価にし、動作の信頼性を高めるため、改善されたデバイス、及びマイクロ流体デバイス内で流体流動を制御するための方法が必要である。

マイクロ流体ポンプが本明細書で提供される。本ポンプ（本明細書に記載のハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）は、製造が単純であり、安価であり、取り付けられたマイクロ流体システムを通した流体流動の容易かつ正確な制御を提供する。更に、本ポンプは、パッシブ型であり（即ち、エネルギー入力を必要としない）、使い捨て、生分解性、及び／又は可燃性であるように設計することができる。

本パッシブ型マイクロ流体ポンプは、流体入口、吸収領域、流体入口と吸収領域との流体接続させる抵抗領域、及び抵抗領域、吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込める蒸発バリアを備える。抵抗領域は、第１の多孔質媒体と、この第１の多孔質媒体を通した流体入口から吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界とを備え得る。吸収領域は、抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備え得る。抵抗領域及び吸収領域は、流体入口が流体と接触しているときに、流体入口から抵抗領域を通って吸収領域へと前進する、毛細管によって駆動される流体正面を確立するように構成され得る。

抵抗領域及び吸収領域の寸法及び特性は、マイクロ流体デバイスへの流体接続時に所望の流体流量プロファイル（例えば、一定、段階的増加、段階的減少、振動、漸次的増加、又は漸次的減少）を生むように構成されるパッシブ型ポンプを提供するように選択され得る。例えば、ある特定の実施形態では、抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗は、吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を上回る（例えば、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、又は少なくとも２０倍上回る）。これらの実施形態では、抵抗領域の寸法及び特性を修正することで、ポンプがマイクロ流体デバイスに流体接続するときにポンプによって提供される流量を選択することができる。ある特定の実施形態では、抵抗領域は、毛細管によって駆動される流体が抵抗領域から第２の多孔質媒体を通って前進するときに、１ｎＬ／分〜１００μＬ／分の流体流量を提供するように構成される。同様に、吸収領域の寸法及び特性を修正することで、抵抗領域によって決定される流量でポンプによって送り込まれる流体の所定の体積を選択することができる。例えば、吸収領域は、抵抗領域から吸水された１μＬ〜１０ｍＬ（例えば、１０μＬ〜１０ｍＬ）の流体を吸収するようにサイズ決定され得る。ある特定の実施形態では、抵抗領域は、流体の所定の体積を吸収領域に１０秒〜７日（例えば、０．１分〜９０分）で送達するのに有効な流体流量を提供するように構成され得る。

所望の場合、本明細書に記載のポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素を更に備えることができる。例えば、本ポンプは、流体入口、抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置される溶解性溶質を更に備え得る。本ポンプはまた、ポンプの要素を通した流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備え得る。

この蒸発バリアは、抵抗領域、吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込め得る。一部の場合、蒸発バリアは抵抗領域を閉じ込め得る。一部の場合、蒸発バリアは吸収領域を閉じ込め得る。ある特定の実施形態では、蒸発バリアは、抵抗領域と吸収領域との両方を閉じ込め得る。蒸発バリアが吸収領域を閉じ込める場合には、本ポンプは、吸収領域に動作可能に連結した通気口を更に含むことができる（例えば、吸収領域が流体で満たされるときに均圧化を可能にするため）。

一部の実施形態では、本パッシブ型マイクロ流体ポンプは、第２の（又はそれ以上の）吸収領域を更に備えることができる。かかるポンプは、本明細書では「ハイブリッドポンプ」と称される。かかるポンプは、マイクロ流体デバイスへの流体接続時により複雑な流体流量プロファイルを誘発するように設計することができる。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域及び第２の吸収領域を更に備え得る。第２の吸収領域は、第１の吸収領域に並列に流体接続しても、直列に流体接続してもよい。

例えば、一部の実施形態では、第２の吸収領域は、第１の吸収領域に並列に流体接続することができる。これらの実施形態では、第２の抵抗領域は、第３の多孔質媒体と、第３の多孔質媒体を通した流体入口から第２の吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界とを備えてもよく、第２の吸収領域は、第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備えてもよい。ある特定の場合、本ポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に含み得る。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域に配置される溶解性溶質を更に備え得る。一部の実施形態では、本ポンプは、流体入口から第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

一部の実施形態では、第２の吸収領域は、第１の吸収領域に直列に流体接続することができる。これらの実施形態では、第２の抵抗領域は、第３の多孔質媒体と、第３の多孔質媒体を通した第１の吸収領域から第２の吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界とを備えてもよく、第２の吸収領域は、第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備えてもよい。ある特定の場合、本ポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に含み得る。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域に配置される溶解性溶質を更に備え得る。一部の実施形態では、本ポンプは、第１の吸収領域から第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

一部の実施形態では、このハイブリッドポンプは、３つ以上の吸収領域を含み得る。例えば、ハイブリッドポンプは、抵抗領域を介して並列に流体接続する３つ以上の吸収領域を含むことができる。ハイブリッドポンプはまた、抵抗領域を介して並列に流体接続する３つ以上の吸収領域を含み得る。一部の場合、ハイブリッドポンプは、並列と直列との両方で流体接続する吸収領域を含み得る。例えば、一部の実施形態では、ハイブリッドポンプは、抵抗領域を介して並列に流体接続する２つ以上の吸収領域と、抵抗領域を介して直列に流体接続する２つ以上の吸収領域とを備えることができる。

本明細書に記載のポンプの領域を構成する多孔質媒体は、任意の好適な多孔質材料から形成され得る。好適な多孔質材料は、ポンプによって輸送される流体の属性（例えば、水性流体又は有機流体）及びポンプによって誘発される流体流量の所望のプロファイルを含む、ある数の因子を考慮して選択され得る。例えば、水溶液の流動を駆動するように構成されるポンプの場合、多孔質材料は多孔質親水性材料を含むことができる。ある特定の実施形態では、多孔質材料は、セルロース基板（例えば、紙、セルロース誘導体、セルロース織材料、セルロース不織材料、又はそれらの組み合わせ）を含み得る。ある特定の実施形態では、本ポンプは、紙系ポンプであり得る（即ち、多孔質材料が紙を含み得る）。好適な紙の例には、クロマトグラフィー紙、カード用紙、濾紙、模造紙、印刷紙、包装紙、帳簿用紙、紙幣用紙、ボンド紙、吸い取り紙、画用紙、魚用紙（フィッシュペーパー）、ティッシュペーパー、ペーパータオル、蝋紙、及び写真用紙が挙げられるが、これらに限定されない。

一部の実施形態では、本明細書に記載のポンプの多孔質領域（例えば、第１の多孔質媒体及び第２の多孔質媒体）は、単体の基板材料内に形成され得る。他の実施形態では、本明細書に記載のポンプの多孔質領域（例えば、第１の多孔質媒体及び第２の多孔質媒体）は、互いに流体接触している基板材料の別々の部分（例えば、互いに当接している基板材料の別々の部分）を備える。これらの実施形態では、基板材料の別々の部分は、厚さが同じであるか又は異なる。一例では、第２の多孔質媒体を形成する基板材料の部分は、第１の多孔質材料を形成する基板材料の部分より厚くてもよい（即ち、吸収領域を形成する多孔質媒体は、抵抗領域を形成する多孔質媒体より厚くてもよい）。一部の場合、第２の多孔質媒体を形成する基板材料の部分と、第１の多孔質材料を形成する基板材料の部分とは、同一平面上にない。ある特定の場合、吸収領域は非平面である。例えば、所望の場合、吸収領域を３次元形状に折り畳むか又は折り曲げて、吸収領域のフットプリント（転じて、ポンプのフットプリント全体）を減少させることができる。

一実施形態では、吸収領域は、抵抗領域に着脱可能に接続され得る。そうすることで、吸収領域を取り外し（例えば、流体で満たされた後で）、新たな吸収領域で置き換えることができる（例えば、ポンプが別の体積の流体を吸水できるように）。所望の場合、着脱可能な吸収領域を使用することで、例えば、後続の分析用に流体の複数の画分を収集することができる。

所望の場合、本明細書に記載のポンプは、より大型のマイクロ流体デバイスの中に一体的に形成して、マイクロ流体デバイス内の流体制御を提供することができる。他の場合には、本明細書に記載のポンプは、モジュール構造であり、外部マイクロ流体デバイスに容易に取り付けられるように構成され得る。そうであることで、本明細書に記載のポンプを「プラグ・アンド・プレイ」様式で使用して、幅広い従来型マイクロ流体デバイスにおいて流体流動を制御することができる。ある特定の実施形態では、流体入口は、マイクロ流体チャネルと流体接続するように構成され得る。具体的には、流体入口は、ポンプとマイクロ流体デバイス（例えば、外部マイクロ流体デバイス）との取り付けを容易にする形状及び構造を有し得る。例として、流体入口は、第１の抵抗領域への流体流動路を定義する流体伝導性領域を備え得る。この流体伝導性領域は、例えば、第１の抵抗領域への流体流動路を形成する多孔質媒体を備え得る。流体伝導性領域はまた、第１の抵抗領域への流体流動路を提供する、外気で満たされたチャネル及び／又は伝導性材料（例えば、ガラスビーズ、繊維ガラス、及び／又はガラス綿）を備え得る。

複数の流体接続する本明細書に記載のハイブリッドポンプを備える複合ポンプ（複合型のポンプ）も本明細書で提供される。複数のポンプは、並列、直列、又は並列及び直列の両方で流体接続するポンプによって流体接続し得る。一部の実施形態では、複数のポンプは、直列に流体接続する２つ以上のポンプを備え得る。一部の実施形態では、複数のポンプは、並列に流体接続する２つ以上のポンプを備え得る。ある特定の実施形態では、複数のポンプは、直列に流体接続する２つ以上のポンプと、並列に流体接続する２つ以上のポンプとを備える。

複数のポンプは、任意の好適な様式で流体接続することができる。ある特定の実施形態では、複数のポンプは、平行面で積み重ねられる。任意に、複合ポンプは、複合ポンプを通した（例えば、複数の流体接続するポンプのうちの少なくとも１つへの）流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に備えてもよい。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、複合ポンプにおけるポンプの流体入口、複合ポンプにおけるポンプの抵抗領域、又はそれらの組み合わせに配置される溶解性溶質を更に備えてもよい。一部の実施形態では、本ポンプは、複合ポンプにおける複数のポンプのうちの２つの間の流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

本明細書に記載のパッシブ型ポンプのうちの１つ以上を含むマイクロ流体デバイスも提供される。例示的なマイクロ流体デバイスには、流体入口を流体出口に流体接続させるマイクロ流体チャネルと、マイクロ流体チャネルの流体出口に流体接続する（例えば、その結果、流体入口が流体と接触するときに、本ポンプがマイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発する）本明細書に記載のポンプ（例えば、ポンプ、ハイブリッドポンプ、及び／又は複合ポンプ）とを含み得る。一部の場合、ポンプの流体入口は、マイクロ流体チャネルの流体出口と直接接触し得る。ある特定の実施形態では、ポンプは、少なくとも０．１分（例えば、少なくとも０．５分、少なくとも１分、少なくとも５分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、実質的に継続した流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。他の実施形態では、ポンプは、少なくとも１０分（例えば、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、変動する流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。変動する流量は、例えば、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含み得る。

本明細書に記載のポンプ（ハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）の使用方法も提供される。本明細書に記載のポンプは、取り付けられたマイクロ流体デバイスを通した流体流動を誘発するために（例えば、設定された体積に対して制御された流量を達成するために、及び／又はデバイスを通した複数の所定の流量を達成するために）使用することができる。したがって、本明細書に記載のポンプをマイクロ流体デバイスの流体出口に流体接続させることと、マイクロ流体デバイスの流体入口を流体と接触させることとを含む、マイクロ流体デバイスを通した流体流動を誘発するための方法も提供される。一部の実施形態では、本ポンプは、マイクロ流体デバイスの流体出口に直接接続し得る。ある特定の実施形態では、ポンプは、少なくとも０．１分（例えば、少なくとも０．５分、少なくとも１分、少なくとも５分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、実質的に継続した流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。他の実施形態では、ポンプは、少なくとも１０分（例えば、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、変動する流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。変動する流量は、例えば、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含み得る。

本ポンプ（本明細書に記載のハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）は、プロセス制御用途に使用することもできる。例えば、本明細書に記載のポンプは、マイクロ流体チャネルの流体抵抗を決定するため、マイクロ流体チャネルの高さを測定するため、紙などの多孔質材料の特性（例えば、透過率）を定量化するため、及び／又は未知の流体の特性（例えば、粘度）を定量化するために、使用することができる。

本明細書に記載のポンプのモジュール的性質を所与として、個々のモジュールポンプは、容易に組み立てられて複合ポンプを形成し、マイクロ流体チャネル内で所定の流体流量を提供することができる。したがって、マイクロ流体チャネル内で所定の流体流量を提供するように構成されるパッシブ型複合ポンプの組立て方法も提供される。これらの方法は、流体との接触時に特定の流体流量を誘発するように成形される１つ以上の本明細書に記載のポンプ（この文脈においては「ポンプサブユニット」と称する）を流体入口に流体接続させて、パッシブ型複合ポンプを形成することを含み得る。各ポンプサブユニットは、第１の多孔質媒体、及びこの第１の多孔質媒体を通した流体入口から吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界を含む抵抗領域と、この抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える吸収領域とを備え得る。任意に、各ポンプサブユニットは、蒸発バリア内に閉じ込められてもよい。

一部の実施形態では、パッシブ型複合ポンプの組立て方法は、２つ以上のポンプサブユニットを流体接続させることを含み得る。一部の実施形態では、本方法は、２つ以上にポンプサブユニットを直列に流体接続させることを含み得る。一部の実施形態では、本方法は、２つ以上にポンプサブユニットを並列に流体接続させることを含み得る。ある特定の実施形態では、本方法は、２つ以上のポンプサブユニットを直列に流体接続させることと、２つ以上のポンプサブユニットを並列に流体接続させることとを含み得る。ある特定の実施形態では、ポンプサブユニットを流体接続させることは、ポンプサブユニットを積み重ねて流体入口を形成することを含み得る。これらの実施形態では、流体入口は、積み重ね中のポンプサブユニットを通って延在し、ポンプサブユニットの各々の第１の抵抗領域への流体流動路を定義する流体伝導性領域を備え得る。この流体伝導性領域は、例えば、流体流動路を形成する多孔質媒体を備え得る。流体伝導性領域はまた、流体流動路を提供する、外気で満たされたチャネル及び／又は伝導性材料（例えば、繊維ガラス又はガラス綿）を備え得る。一部の実施形態では、本方法は、複合ポンプにおけるポンプサブユニット間の流体流動に対するバリアを形成するように、積み重ねにおけるポンプサブユニット間の溶解性膜を（例えば、流体入口を横断して）位置付けることを更に含み得る。

例示的なパッシブ型マイクロ流体ポンプの概略図である。 第１の吸収領域に直列に流体接続する第２の吸収領域を含む例示的なハイブリッドポンプの概略図である。 第１の吸収領域に並列に流体接続する第２の吸収領域を含む例示的なハイブリッドポンプの概略図である。 既知の固有特性を有する多孔質材料の長方形ストリップを通した流体流動を予測するための１次元数値法モデルの段階的アプローチの概略的表現を示す。 図４Ａに示す段階的アプローチの対応する回路の概略的表現を示す。 図４Ａに示すアプローチの伝播方向に沿った各工程についての計算した抵抗Ｒ_ｔｏｔ、体積流量Ｑ、及び時間ｔ_ｔｏｔの例示的な結果を示す。 例示的な成形された組立体及び各形状に予想される液体正面の形状（左の列）、並びに濡れ正面位置の関数としての濡れ正面の有効幅（右の列）を示す。 一実施形態に従う成形された紙組立体の製造工程の概略図を示す。 空隙を流体不導性境界として使用する、図３に示す最終の成形された紙組立体の概略図を示す。 別の実施形態に従う複数のパッシブ型ポンプの製造工程の概略図を示す。 様々な流量での（例えば、シリンジポンプの使用による）ポイントオブケア試験の実験データを示す。蛍光強度は、マイクロチャネルの底部におけるマイクロアレイのスポットに結合する標的のものである。結果は、流量の増大により結合速度（蛍光強度対時間の勾配）が増大し、持続的な流動により診断試験の感度が増大することを示す。 一実施形態に従う伝統的マイクロ流体チャネルに取り付けたパッシブ型ポンプの概略図を示す。 類似の抵抗電気回路の概略図を示す。 パッシブ型ポンプへの予想される流体の流動を示し、ここでは、入口がまず湿潤され、次に流体が抵抗性ネックを下行し、最後に吸収領域に入る。 同じ多孔質材料から作製され、異なるネック抵抗を有するが、吸収領域における容積は同じである、４つのパッシブ型ポンプ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４）を示す。これらのポンプの各々は、吸収領域が全て同じサイズであるため、類似の容積を有する。図１１は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４についての体積流量プロファイル（それぞれ、４．５μＬ／分、２．３μＬ／分、１μＬ／分、及び０．５μＬ／分）のプロットも含む。 同じ多孔質材料から作製されるが、吸収領域のサイズは様々である３つのパッシブ型ポンプ（Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３）を示す。これらのポンプの各々は、抵抗性ネックが全て同じ寸法であるため、類似のネック抵抗を有する。図１２は、Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３についての体積流量のプロットも含む。 ポイントオブケア診断試験用の組立体に一体化されるパッシブ型ポンプの概略図である。分解立体図である。 ポイントオブケア診断試験用の組立体に一体化されるパッシブ型ポンプの概略図である。組み立てられた組立体の斜視図である。 一実施形態に従う、ある期間のある流量と、所与の時間のより少ない第２の流量と、最後に、所与の時間の更により少ない第３の流量とを有するポンプの概略図を示す。 一実施形態に従う、ある期間のある流量と、所与の時間のより少ない第２の流量と、最後に、所与の時間の更により少ない第３の流量とを有するポンプの概略図を示す。 ポンプに沿った様々な地点Ａ〜Ｆでの流量対時間を示す。様々な地点は図１４Ｂに示す。 一実施形態に従う段階的に減少する流量のためのハイブリッドポンプを示す。上部の吸収領域及び下部の吸収領域の方向での流動は加法的である。 図１５Ａに示すポンプについての流量対時間を示す。時間Ａでは、両方がポンプ運動している。時間Ｂでは、下部領域が飽和となりポンプ運動を停止するが、上部領域はポンプ運動を継続する。段階的に減少する体積流量がマイクロチャネルに確立される。 接続ポート（流体入口）と吸収領域のうちの１つとの間に遅延が延在する２つの吸収領域を有する、別の実施形態に従うハイブリッドポンプを示す。このポンプは、ある期間ある流量でポンプ運動し、その後、遅延が除去されると、ある期間より大きい流量でポンプ運動するように設計される。 接続ポート（流体入口）と吸収領域のうちの１つとの間に遅延が延在する２つの吸収領域を有する、別の実施形態に従うハイブリッドポンプを示す。このポンプは、ある期間ある流量でポンプ運動し、その後、遅延が除去されると、ある期間より大きい流量でポンプ運動するように設計される。 図１６Ａ及び１６Ｂに示すポンプについての時間Ａ〜Ｆでの流量対時間を示す。 一実施形態に従う、積み重ねるために入口パッドの両面に開口ポートを有するポンプの概略図を示す。 一実施形態に従う、共に積み重ねられ得る既知のポンプ運動プロファイルを有するポンプ形状を示す。 組み立てた構成の図１８Ａに示すポンプを示す。 図１８Ｂに示す構成についての時間Ａ〜Ｄでの例示的な流量対時間を示す。 マイクロ流体チャネルの端部で積み重ねて流動に相乗効果を与えることができる、図１８Ｂに示す複合ポンプに類似した積み重ねることができる複合ポンプを示す。 単一のマイクロ流体ポンプ及び積み重ねて複合ポンプを形成する２つのパッシブ型ポンプについて、体積流量を時間の関数として比較するプロットである。 各々が２つの積み重なったポンプサブユニット（Ｐ１＋Ｐ３スタック及びＰ２＋Ｐ４スタック）を含む２つの異なる複合ポンプについて、体積流量を時間の関数として比較するプロットである。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４は、各々、流体流動に対する異なる抵抗をもたらす抵抗領域を含む。図２１に示すように、これらを様々な様式で組み合わせることによって、複雑なプログラム可能な流体流量プロファイルを作り出すことができる。 積み重ねがマイクロ流体チャネルの端部にあるポート以外のポートで行われ得ることを示す。このアプローチを使用することで、着脱可能な吸収領域を含むポンプを製造することができる。これらのポンプでは、吸収パッドを容易に交換することができるため、抵抗領域（ネック）をマイクロ流体チャネルと接続したままにし、濡れたパッドを更に後続の分析に使用することができる。 積み重ねがマイクロ流体チャネルの端部にあるポート以外のポートで行われ得ることを示す。このアプローチを使用することで、着脱可能な吸収領域を含むポンプを製造することができる。これらのポンプでは、吸収パッドを容易に交換することができるため、抵抗領域（ネック）をマイクロ流体チャネルと接続したままにし、濡れたパッドを更に後続の分析に使用することができる。 異なる領域で厚さが異なる多孔質材料を有するポンプの製造工程の概略図を示す。この実施形態では、多孔質媒体の異なる層の表面は、抵抗領域よりも厚い吸収領域を創出するように流体に対して透過性がある。 ポンプの本来の特性を保ちながらポンプのフットプリントを減少させるためのポンプの製造工程の概略図を示す。この場合、多孔質媒体の異なる層の表面は、流体に対して不透過性がある。 複合ポンプの２つの流体接続するポンプサブユニットの流体入口間に配置される溶解性膜を含む例示的な複合ポンプを示す。流体が最初にポンプに（第１のポンプサブユニットの流体入口に）吸水されるとき、取り付けられたマイクロチャネルを通した流体流量はＱ１によって管理される（パネルＡ）。膜が破られると、流体は両方のポンプに吸水され得、取り付けられたマイクロチャネルを通した流体流量はＱ１＋Ｑ２によって管理される（パネルＢ）。 複合ポンプの２つの流体接続するポンプサブユニットの流体入口間に配置される溶解性膜を含む複合ポンプは、例えば、マイクロ流体チャネル又はポイントオブケア診断試験に流体接続し得ることを示す。パネルＡは、最終組立体の分解立体図を示す。パネルＢは、マイクロ流体デバイスを通した流体流動を時間の関数として示すプロットである。 ポンプの入口領域（Ｐ４）とポンプ状デバイスの入口領域（Ｐ９）との間に挿入された溶解性ＰＶＡ膜（Ｄ１）を含む複合ポンプの実験流量プロファイルを示す。Ｐ９は、入口領域及び吸収領域を有するが、抵抗領域を有しないため、ポンプ様である。 形状は同じであるが、異なる固有特性を有する多孔質材料で作製されるポンプ（Ｆ４、Ｆ５９７、Ｃｈｒ１、Ｆ１、Ｆ６、及びＦ５）の流量プロファイルを示す。 成形された多孔質材料をどのように使用してマイクロ流体チャネルの抵抗を測定することができるかの基本的な概略図を示す。 製造され得る流体抵抗が増加するマイクロチャネルの長さの例示的範囲の概略図を示す。 所与のパッシブ型ポンプについての仮定データ、及び較正適合を示す。この較正曲線は、一杯になるまでの時間を測定することによって所与のマイクロチャネルの抵抗を試験するために使用してもよい。 異なる抵抗（低、中、高）のマイクロチャネルに取り付けられた所与のパッシブ型ポンプについての仮定吸水データ、並びに各ポンプについての多孔質材料の毛細管圧及び透過率の最良適合を示す。

本明細書に記載の方法及びデバイスは、含まれる開示される主題、図面、及び実施例の特定の態様の以下の詳細な説明を参照することによって、より容易に理解され得る。

本デバイス及び方法を開示し説明する前に、以下に記載の態様は、例解であるように意図されている本明細書に記載の特定のデバイス及び方法によって範囲を限定されることを意図していないことを理解されたい。本明細書に示され、説明されるものに加えて、デバイス及び方法の様々な修正が、本明細書に記載されるものの範囲内に含まれることが意図される。更に、本明細書で開示されるある特定の代表的なデバイス及び方法工程だけが具体的に説明されているが、デバイス及び方法工程の他の組み合わせも、具体的に列挙されていなくても、本明細書に記載されるものの範囲内に含まれることが意図される。したがって、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書で明示的に、又はあまり明示的でなく言及され得るが、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせも、明示的に述べられていない場合であっても、本発明に含まれる。

本明細書で使用するときに、用語「備える（comprising）」及びその変形は、用語「含む（including）」及びその変形と同義的に使用され、開放型の非限定的な用語である。用語「備える（comprising）」及び「含む（including）」は、様々な例を説明するために本明細書で使用されているが、本発明のより具体的な例を提供するために、用語「から本質的になる（consisting essentially of）」及び「からなる（consiting of）」を「備える（comprising）」及び「含む（including）」の代わりに使用することができ、また、開示される。実施例以外、又は別途記述される場合以外において、本明細書及び特許請求の範囲で使用される成分や反応条件などの量を表す全ての数は、有効桁の数及び通常の四捨五入方法を踏まえて企図されることを理解されたい。

説明及び添付の特許請求の範囲において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、その内容について別段の明確な指示がない限り、複数の指示対象を包含する。このため、例えば、「組成物（a composition）」への言及は、２つ以上のかかる組成物の混合物を含み、「薬剤（an agent）」への言及は、２つ以上のかかる薬剤の混合物を含み、「構成要素（the component）」への言及は、２つ以上のかかる構成要素の混合物を含み、以下同様に続く。

「任意の」又は「任意に」は、引き続いて記載された事象又は状況が起こり得るあるいは起こり得ないこと、及び説明が、この事象又は状況が起こる場合の例及びそれが起こらない場合の例を含むことを意味する。

「複数（multiple）」又は「複数（plurality）」は、本明細書において使用されるとき、２つ又は２つ超として定義される。

本明細書全体において、「第１の」及び「第２の」という識別語は、開示の主題の様々な構成要素及び工程を区別するのを助けるために使用されるだけであることを理解されたい。「第１の」及び「第２の」という識別語は、これらの用語によって修飾される構成要素又は工程に対するいかなる特定の順番、量、選好、又は重要性を暗示することも意図していない。

また、本明細書全体において、様々な出版物が参照される。これらの出版物の開示全体が、開示内容が関連する技術分野の状態をより十分に説明するためにここに参照により本出願に組み込まれる。開示される参照文献も、その参照文献が依拠される文において考察されるそれらに含まれる資料について、参照により本明細書に個々に、かつ具体的に組み込まれる。

パッシブ型ポンプ
マイクロ流体ポンプが本明細書で提供される。本ポンプ（本明細書に記載のハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）は、製造が単純であり、安価であり、取り付けられたマイクロ流体システムを通した流体流動の容易かつ正確な制御を提供する。更に、本ポンプは、パッシブ型であり（即ち、エネルギー入力を必要としない）、使い捨て、生分解性、及び／又は可燃性であるように設計することができる。

例示的なパッシブ型マイクロ流体ポンプを図１に概略的に示す。本ポンプ（１００）は、流体入口（１０２）、吸収領域（１０６）、流体入口と吸収領域との流体接続させる抵抗領域（１０４）、及び抵抗領域、吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込める蒸発バリア（１０８）を備え得る。抵抗領域（１０４）は、第１の多孔質媒体（１１０）と、この第１の多孔質媒体を通した流体入口（１０２）から吸収領域（１０６）への流体流動路を定義する流体不導性境界（１１２）とを備え得る。吸収領域（１０６）は、抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体（１１６）の体積を定義する流体不導性境界（１１４）を備え得る。抵抗領域及び吸収領域は、流体入口が流体と接触しているときに、流体入口から抵抗領域を通って吸収領域へと前進する、毛細管によって駆動される流体正面を確立するように構成され得る。

抵抗領域及び吸収領域の寸法及び特性は、マイクロ流体デバイスへの流体接続時に所望の流体流量プロファイルを生むように構成されるパッシブ型ポンプを提供するように選択され得る。例えば、ある特定の実施形態では、抵抗領域は、抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗が、吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を上回るようにサイズ決定され得る。一部の実施形態では、抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗は、吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を、少なくとも５倍（例えば、少なくとも１０倍、少なくとも１５倍、少なくとも２０倍、少なくとも２５倍、又は少なくとも５０倍）上回り得る。ある特定の場合、抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗は、吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を、５倍〜１０００倍（例えば、５倍〜５００倍、５倍〜１００倍、５倍〜５０倍、５倍〜２５倍、５倍〜２０倍、又は１０倍〜２０倍）上回り得る。

これらの実施形態では、抵抗領域の寸法及び特性を修正することで、ポンプがマイクロ流体デバイスに流体接続するときにポンプによって提供される流量を選択することができる。ある特定の実施形態では、抵抗領域は、毛細管によって駆動される流体が抵抗領域から第２の多孔質媒体を通って前進するときに、１ｎＬ／分〜１００μＬ／分（例えば、１００ｎＬ／分〜１００μＬ／分、１μＬ／分〜１００μＬ／分、又は１μＬ／分〜１０μＬ／分）の流体流量を提供するように構成される。ある特定の実施形態では、抵抗領域は、流体の所定の体積を吸収領域に５秒〜７日（例えば、０．１分〜９０分）で送達するのに有効な流体流量を提供するように構成され得る。

ある特定の実施形態では、抵抗領域は、任意の好適な断面形状を有することができる。例えば、抵抗領域は、円形、正方形、又は長方形断面を有し得る。抵抗領域の断面積（例えば、長方形断面の場合、幅及び高さによって定義される）は、所望の通りに変化させることができる。一部の実施形態では、抵抗領域は、断面積が、少なくとも０．００５ｍｍ^２（例えば、少なくとも０．０１ｍｍ^２、少なくとも０．０５ｍｍ^２、少なくとも０．１ｍｍ^２、少なくとも０．５ｍｍ^２、少なくとも１．０ｍｍ^２、少なくとも１．５ｍｍ^２、少なくとも２．０ｍｍ^２、少なくとも２．５ｍｍ^２、少なくとも３．０ｍｍ^２、少なくとも３．５ｍｍ^２、少なくとも４．０ｍｍ^２、少なくとも４．５ｍｍ^２、少なくとも５．０ｍｍ^２、少なくとも５．５ｍｍ^２、少なくとも６．０ｍｍ^２、少なくとも６．５ｍｍ^２、少なくとも７．０ｍｍ^２、少なくとも７．５ｍｍ^２、少なくとも８．０ｍｍ^２、少なくとも８．５ｍｍ^２、少なくとも９．０ｍｍ^２、又は少なくとも９．５ｍｍ^２）であり得る。一部の実施形態では、抵抗領域は、断面積が、１０．０ｍｍ^２以下（例えば、９．５ｍｍ^２以下、９．０ｍｍ^２以下、８．５ｍｍ^２以下、８．０ｍｍ^２以下、７．５ｍｍ^２以下、７．０ｍｍ^２以下、６．５ｍｍ^２以下、６．０ｍｍ^２以下、５．５ｍｍ^２以下、５．０ｍｍ^２以下、４．５ｍｍ^２以下、４．０ｍｍ^２以下、３．５ｍｍ^２以下、３．０ｍｍ^２以下、２．５ｍｍ^２以下、２．０ｍｍ^２以下、１．５ｍｍ^２以下、１．０ｍｍ^２以下、０．５ｍｍ^２以下、０．１ｍｍ^２以下、０．０５ｍｍ^２以下、又は０．０１ｍｍ^２以下）であり得る。抵抗領域は、断面積が、上記の最小値のうちのいずれかから上記の最大値のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、抵抗領域は、断面積が、０．００５ｍｍ^２〜１０．０ｍｍ^２（例えば、０．１ｍｍ^２〜１０．０ｍｍ^２、又は１．０ｍｍ^２〜１０．０ｍｍ^２）であることができる。

抵抗領域は、様々な距離（抵抗領域の長さを定義する）、例えば、流体入口と吸収領域との間で伸長し得る。一部の実施形態では、抵抗領域は、長さが、少なくとも０．１ｃｍ（例えば、少なくとも０．２ｃｍ、少なくとも０．３ｃｍ、少なくとも０．４ｃｍ、少なくとも０．５ｃｍ、少なくとも０．６ｃｍ、少なくとも０．７ｃｍ、少なくとも０．８ｃｍ、少なくとも０．９ｃｍ、少なくとも１ｃｍ、少なくとも２ｃｍ、少なくとも２．５ｃｍ、少なくとも３ｃｍ、少なくとも４ｃｍ、少なくとも５ｃｍ、少なくとも１０ｃｍ、少なくとも１５ｃｍ、少なくとも２０ｃｍ、又はそれ以上）であり得る。一部の実施形態では、抵抗領域は、長さが、２５ｃｍ以下（例えば、２０ｃｍ以下、１５ｃｍ以下、１０ｃｍ以下、５ｃｍ以下、４ｃｍ以下、３ｃｍ以下、２．５ｃｍ以下、２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、０．９ｃｍ以下、０．８ｃｍ以下、０．７ｃｍ以下、０．６ｃｍ以下、０．５ｃｍ以下、０．４ｃｍ以下、０．３ｃｍ以下、又は０．２ｃｍ以下）であり得る。抵抗領域は、長さが、上記の最小寸法のうちのいずれかから最大寸法のうちのいずれかまでの範囲であり得る。例えば、抵抗領域は、長さが、０．１ｃｍ〜２５ｃｍ（例えば、０．１ｃｍ〜１０ｃｍ、又は０．５ｃｍ〜５ｃｍ）であることができる。本ポンプの抵抗領域は直線状である必要はなく、例えば、蛇状であってもよい。

同様に、吸収領域の寸法及び特性を修正することで、抵抗領域によって決定される流量でポンプによって送り込まれる流体の所定の体積を選択することができる。吸収領域は、任意の好適な形状で製造することができる。例えば、吸収領域は、円形、扇状、三角形、正方形、又は長方形のフットプリントであってもよい。吸収領域はまた、長方形ではない断面を有し得る。一部の実施形態では、吸収領域は、抵抗領域から吸水したされた１μＬ〜１０ｍＬ（例えば、１０μＬ〜１０ｍＬ）の流体を吸収するようにサイズ決定され得る。

一部の実施形態では、吸収領域は、抵抗領域に着脱可能に接続され得る。そうすることで、吸収領域を取り外し（例えば、流体で満たされた後で）、新たな吸収領域で置き換えることができる（例えば、ポンプが別の体積の流体を吸水できるように）。所望の場合、着脱可能な吸収領域を使用することで、例えば、後続の分析用に流体の複数の画分を収集することができる。一部の実施形態では、吸収領域（複数可）は、アッセイ試薬（例えば、抵抗領域から吸水された流体における目的の分析物の検出を促進するための試薬）を含み得る。他の実施形態では、吸収領域（複数可）は、アッセイ試薬を含まない。

本明細書に記載のポンプの領域を構成する多孔質媒体は、任意の好適な多孔質材料から形成され得る。好適な多孔質材料は、ポンプによって輸送される流体の属性（例えば、水性流体又は有機流体）及びポンプによって誘発される流体流量の所望のプロファイルを含む、ある数の因子を考慮して選択され得る。例えば、多孔質材料は、ポンプによって輸送されるためには実質的に流体に不溶性でなければならない。孔径及び特性（例えば、疎水性、汚染に対する抵抗性）は、個々の用途に適するように選択され得る。例えば、多孔質材料は、既製品であってもよく、所望の形状を達成するために切断することができ、これらは、流体不導性境界を創出するワックス又はインクによって印刷することができるか、あるいは型に導入して定位置で重合させることができる。

多孔質材料は、相互接続している孔によって透過される基質（即ち、骨格部分）として想定され得る。一般に、多孔質材料は、有効間隙率、毛細管圧、及び透過率という、本明細書に記載のパッシブ型ポンプにおけるそれらの性能に関する３つの主要な特性によって特徴付けることができる。これらは、所与の多孔質材料に固有であるか、又はその材料と吸収される流体との関係に固有であるかのいずれかである。一式の主要な特性は、所与の用途に有用である場合がある。所与の多孔質材料（一式の主要な特性を有するもの）は、その後、所望の機能に対して成形され得る。

有効間隙率：有効間隙率（φ）は、本明細書では、流体が満たすことができる体積のパーセントとして定義される。この値は、所与の多孔質材料を飽和状態にするために求められる流体の体積を測定することによって決定することができる。添加した流体の体積の、多孔質材料の元の総空間体積に対する割合が有効間隙率である。理想的な材料においては、これは、多孔質材料の空隙体積の総空間体積に対する割合と等しく、使用される流体とは無関係である。

毛細管圧：流体が多孔質材料を通して吸水されているときの濡れ正面での毛細管圧（Ｐ_ｃ）は、多孔質材料の平均孔径（ｒ_ｍ）、界面張力（γ）、及び吸水流体の濡れ角（θ）の関数である。前者は流体とは無関係であり、後者２つは流体に依存する。所与半径の毛細管についての毛細管圧は、方程式４によって説明されている。

透過率：透過率は、多孔質材料が流体の流動を可能にする能力の測定値である。これは、材料の間隙率に関係するが、孔の形状及び接続性にも依存する。所与の多孔質材料に固有の間隙率が存在し、材料の組成に応じて、流動方向に基づく透過率における異方性が存在する場合がある。

基質、平均孔径、及び多孔質材料における孔の密度を変化させて、所与の流体に対する所望の毛細管圧、間隙率、及び透過率を達成することができる。例として、セルロース紙は、典型的には、約６０％の間隙率、及び２μｍ〜３０μｍ（個別のセルロース紙に応じて）の平均孔径を有する。セルロース紙は、１０^−１２ｍ^２〜１０^−１６ｍ^２の透過率、及び１ｋＰａ〜１００ｋＰａの毛細管圧（紙に吸水される水に対する）を達成し得る。

多種多様な多孔質材料が原則として好適である。好適な多孔質材料は、当該技術分野で既知であり、例えば、多孔質ポリマーフィルム、ガラス繊維、フリットガラス、ガラスビーズ、エーロゲル、キセロゲル、連続気泡発泡体、及び様々なセルロース基板（例えば、紙、セルロース誘導体、セルロース織材料、セルロース不織材料、及びそれらの組み合わせ）を含む。一部の実施形態では、多孔質材料は可撓性であり得る。ある特定の用途に対しては、ポンプに３次元構造を付与するために、多孔質材料を折り畳むか、しわを付けるか、あるいは機械成形できることが望ましい。

一部の実施形態では、ポンプは、水溶液の流動を駆動するように構成され得、多孔質材料は、多孔質親水性材料を含み得る。ある特定の実施形態では、多孔質材料は、セルロース基板（例えば、紙、セルロース（例えば、綿繊維）、ニトロセルロース若しくは酢酸セルロースなどのセルロース誘導体、セルロース織材料、セルロース不織材料、又はそれらの組み合わせ）を含み得る。

ある特定の実施形態では、本ポンプは、紙系ポンプであり得る（即ち、多孔質材料が紙を含み得る）。紙は、安価であり、広く利用可能であり、パターニングが容易であり、薄く、軽量であり、かつ環境への影響を最小限に抑えて廃棄することができる。更に、様々なグレードの紙が利用可能であるため、個別の紙系デバイスの製造に望ましい重量（即ち、坪量）、厚さ及び／又は剛性、並びに特性（即ち、間隙率、疎水性、及び／又は透過率）を有する紙基板の選択を可能にする。好適な紙には、クロマトグラフィー紙、カード用紙、濾紙、模造紙、印刷紙、包装紙、帳簿用紙、紙幣用紙、ボンド紙、吸い取り紙、画用紙、魚用紙（フィッシュペーパー）、ティッシュペーパー、ペーパータオル、蝋紙、及び写真用紙が挙げられるが、これらに限定されない。

一部の実施形態では、本明細書に記載のポンプの多孔質領域（例えば、第１の多孔質媒体及び第２の多孔質媒体）は、単体の基板材料の中に形成され得る。他の実施形態では、本明細書に記載のポンプの多孔質領域（例えば、第１の多孔質媒体及び第２の多孔質媒体）は、互いに流体接触している基板材料の別々の部分（例えば、互いに当接している基板材料の別々の部分）を備える。これらの実施形態では、基板材料の別々の部分は、厚さが同じであるか又は異なる。一例では、第２の多孔質媒体を形成する基板材料の部分は、第１の多孔質材料を形成する基板材料の部分より厚くてもよい（即ち、吸収領域を形成する多孔質媒体は、抵抗領域を形成する多孔質媒体より厚くてもよい）。一部の場合、第２の多孔質媒体を形成する基板材料の部分と、第１の多孔質材料を形成する基板材料の部分とは、同一平面上にない。ある特定の場合、吸収領域は非平面である。例えば、所望の場合、吸収領域を３次元形状に折り畳むか又は折り曲げて、吸収領域のフットプリント（転じて、ポンプのフットプリント全体）を減少させることができる。

本明細書に記載のポンプ内の流体不導性境界は、例えば、ポンプによって輸送される流体の属性、及びポンプが製造される方法に応じて異なり得る。例として、水溶液の流動を駆動するように構成されるポンプの場合、流体不導性境界は、多孔質材料の部分を疎水性にすることにより多孔質材料を通した水溶液の輸送を抑止するように、多孔質材料上／内にパターニングした（例えば、多孔質材料内に含浸させた、かつ／又は多孔質材料上にコーティングした）疎水性材料を備えてもよい。好適な疎水性材料の例には、例えば、硬化性ポリマー、天然ワックス、合成ワックス、重合フォトレジスト、アルキルケテン二量体、アルケニル無水コハク酸、ロジン、シリコーン、フッ化試薬、フッ素重合体、ポリオレフィンエマルション、樹脂、及び脂肪酸、又はそれらの組み合わせが挙げられる。

例として、流体不導性境界は、疎水性材料（例えば、ワックス）を多孔質材料（例えば、紙）の層の上にパターニングすることによって形成することができる。例えば、インクジェットプリンタを使用して、ワックス材料を多孔質材料上にパターニングすることができる。多くの種類のワックス系固体インクが市販されており、これらは、インクが流体不導性境界の位置の視覚的特定を提供する方法などにおいて有用である。しかしながら、流体不導性境界を形成するために使用されるワックス材料は、インクが機能的であることを必要としないことが理解される。使用され得るワックス材料の例には、ポリエチレンワックス、炭化水素アミドワックス、又はエステルワックスが挙げられる。ワックスをパターニングしたら、多孔質材料を加熱し（例えば、材料を、ワックス面を上にして温度１２０℃のホットプレート上に置くことにより）、室温に冷却し得る。これにより、ワックス材料は、多孔質材料の厚さに実質的に浸透し、その結果、多孔質材料内に流体不導性境界を形成することができるようになる。

他の例では、流体不導性境界は、流体が流動できない空隙を備え得る。他の例では、流体不導性境界は、多孔質材料に当接する流体不透過性材料（例えば、ポリマー膜）を備え得る。他の実施形態では、多孔質材料は、流体不導性境界を形成するように選択的に修飾され得る（例えば、共有反応によって）。例として、水溶液の流動を駆動するように構成されるポンプの場合、多孔質材料の領域（例えば、紙内の領域）は、多孔質材料（例えば、紙）を疎水性シランなどの疎水性薬剤で共有的に修飾することによって、疎水性にする（即ち、疎水的に修飾する）ことができる。

任意に、本明細書に記載のポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素を更に備えることができる。流動遅延要素は、流体が実際にパッシブ型ポンプの入口領域に達した後の時点で所望の流量を開始するか、又は流動の継続を一時的に遅延させるために使用することができる。この制御レベルは、例えば、サンプルの充填又は試薬のインキュベーションのために更なる時間が必要である場合に望ましくてもよい。流動遅延要素の例には、流体入口、抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置される溶解性溶質、及びポンプの要素を通した流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜が挙げられる。

一部の実施形態では、本ポンプは、流体入口、抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置される溶解性溶質を更に備え得る。例えば、様々な量の溶質をポンプの流体入口及び／又は抵抗領域において乾燥させて、流体輸送を遅延させることができる。かかる流体入口及び／又は抵抗領域への流体の吸水時に、乾燥させた溶質が溶解し、溶質濃度に従って紙のその領域における溶液粘度を増大させることになる。多孔質材料の所与のセグメントの抵抗は、多孔質材料を通って流動する液体の粘度に比例するため、溶解した溶質は、抵抗の著しい増大、及びパッシブ型ポンプの体積流量の減少を生み得る。

抵抗領域は、典型的には、ポンプを通した流量の制御部であるため、抵抗領域における流体が濃縮された溶質を含有しなくなると、流量が増大し、ポンプが「オン（ＯＮ）になる」。溶解した溶質がパッシブ型ポンプの吸収領域に達すると、濡れ正面の断面積が増大することで、粘性プラグの長さが減少する。これにより、流体流動に対する全体的な抵抗が減少することで、溶質を含まない流体についての抵抗領域の抵抗によって設けられる限界に向けて流量が減少する。

様々な好適な溶質を使用することができる。適切な溶質は、例えば、ポンプへと流動する流体の属性を含む様々な設計検討事項に基づいて選択することができる。溶質は、吸収される流体に溶解する任意の固体であり得るが、保管条件下の乾燥形態で安定性である溶質が好ましい。例えば、一部の実施形態では、溶質は、有機小分子（例えば、スクロースなどの糖）又はポリマー（例えば、ポリビニルアルコール）であることができる。様々な量の溶質を配置することができ、配置する溶質量は、ポンプを通した流体流動に与える影響の程度に影響するものである。溶質は、例えば、溶質の溶液を、流体入口、抵抗領域、又はそれらの組み合わせに適用し、溶媒を蒸発させて乾燥した溶質を残すことによって、流体入口、抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置することができる。

一部の実施形態では、本ポンプは、ポンプの要素を通した流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備え得る。例えば、本ポンプは、ポンプ内の流体流動を横切って配置される溶解性ポリマー膜（例えば、ポリビニルアルコール膜）を含むことができる。例えば、ポンプは、ポンプの要素を通した流体流動に対する一時的なバリアを形成するために、流体入口及び抵抗領域、又はそれらの組み合わせの間に配置される流体入口を覆う溶解性ポリマー膜を含むことができる。

ポンプは、抵抗領域、吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込める蒸発バリア（例えば、不透過性ポリマー膜）を更に含み得る。一部の場合、蒸発バリアは抵抗領域を閉じ込め得る。一部の場合、蒸発バリアは吸収領域を閉じ込め得る。ある特定の実施形態では、蒸発バリアは、抵抗領域と吸収領域との両方を閉じ込め得る。蒸発バリアが吸収領域を閉じ込める場合には、本ポンプは、吸収領域に動作可能に連結した通気口を更に含むことができる（例えば、吸収領域が流体で満たされるときに均圧化を可能にするため）。

所望の場合、本明細書に記載のポンプは、より大型のマイクロ流体デバイスの中に一体的に形成して、マイクロ流体デバイス内の流体制御を提供することができる。他の場合には、本明細書に記載のポンプは、モジュール構造であり、外部マイクロ流体デバイスに容易に取り付けられるように構成され得る。そうであることで、本明細書に記載のポンプを「プラグ・アンド・プレイ」様式で使用して、幅広い従来型マイクロ流体デバイスにおいて流体流動を制御することができる。ある特定の実施形態では、流体入口は、マイクロ流体チャネルと流体接続するように構成され得る。具体的には、流体入口は、ポンプとマイクロ流体デバイス（例えば、外部マイクロ流体デバイス）との取り付けを容易にする形状及び構造を有し得る。例として、流体入口は、第１の抵抗領域への流体流動路を定義する流体伝導性領域を備え得る。この流体伝導性領域は、例えば、第１の抵抗領域への流体流動路を形成する多孔質媒体を備え得る。流体伝導性領域はまた、第１の抵抗領域への流体流動路を提供する、外気で満たされたチャネル及び／又は伝導性材料（例えば、繊維ガラス又はガラス綿）を備え得る。

ハイブリッドポンプ
一部の実施形態では、本パッシブ型マイクロ流体ポンプは、第２の（又はそれ以上の）吸収領域を更に備えることができる。かかるポンプは、本明細書では「ハイブリッドポンプ」と称される。かかるポンプは、マイクロ流体デバイスへの流体接続時により複雑な流体流量プロファイルを誘発するように設計することができる。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域及び第２の吸収領域を更に備え得る。第２の吸収領域は、第１の吸収領域に並列に流体接続しても、直列に流体接続してもよい。

直列に流体接続する第２の抵抗領域（２０４）と第２の吸収領域（２０６）とを含む例示的なハイブリッドポンプ（２００）を図２に示す。これらの実施形態では、第２の抵抗領域（２０４）は、第３の多孔質媒体（２１０）と、第３の多孔質媒体を通した第１の吸収領域（１０６）から第２の吸収領域（２０６）への流体流動路を定義する流体不導性境界（２１２）とを備えてもよく、第２の吸収領域（２０６）は、第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体（２１６）の体積を定義する流体不導性境界（２１４）を備えてもよい。ある特定の場合、本ポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に含み得る。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域に配置される溶解性溶質を更に備え得る。一部の実施形態では、本ポンプは、第１の吸収領域から第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

並列に流体接続する第２の抵抗領域（３０４）と第２の吸収領域（３０６）とを含む例示的なハイブリッドポンプ（３００）を図３に示す。これらの実施形態では、第２の抵抗領域（３０４）は、第３の多孔質媒体（３１０）と、第３の多孔質媒体を通した流体入口（１０２）から第２の吸収領域（３０６）への流体流動路を定義する流体不導性境界（３１２）とを備えてもよく、第２の吸収領域（３０６）は、第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体（３１６）の体積を定義する流体不導性境界（３１４）を備えてもよい。ある特定の場合、本ポンプは、ポンプを通した流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に含み得る。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、第２の抵抗領域に配置される溶解性溶質を更に備え得る。一部の実施形態では、本ポンプは、流体入口から第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

一部の実施形態では、このハイブリッドポンプは、３つ以上の吸収領域を含み得る。例えば、ハイブリッドポンプは、抵抗領域を介して並列に流体接続する３つ以上の吸収領域を含むことができる。ハイブリッドポンプはまた、抵抗領域を介して並列に流体接続する３つ以上の吸収領域を含み得る。一部の場合、ハイブリッドポンプは、並列と直列との両方で流体接続する吸収領域を含み得る。例えば、一部の実施形態では、ハイブリッドポンプは、抵抗領域を介して並列に流体接続する２つ以上の吸収領域と、抵抗領域を介して直列に流体接続する２つ以上の吸収領域とを備えることができる。

複合ポンプ
複数の流体接続する本明細書に記載のハイブリッドポンプを備える複合ポンプも本明細書で提供される。かかるポンプは、マイクロ流体デバイスへの流体接続時により複雑な流体流量プロファイル（プログラム可能な流量）を誘発するように設計することができる。複数のポンプは、並列、直列、又は並列及び直列の両方で流体接続するポンプによって流体接続し得る。一部の実施形態では、複数のポンプは、直列に流体接続する２つ以上のポンプを備え得る。一部の実施形態では、複数のポンプは、並列に流体接続する２つ以上のポンプを備え得る。ある特定の実施形態では、複数のポンプは、直列に流体接続する２つ以上のポンプと、並列に流体接続する２つ以上のポンプとを備える。

複数のポンプは、任意の好適な様式で流体接続することができる。ある特定の実施形態では、複数のポンプは、平行面で積み重ねられる。任意に、複合ポンプは、複合ポンプを通した（例えば、複数の流体接続するポンプのうちの少なくとも１つへの）流体流動に影響するための流動遅延要素（複数可）を更に備えてもよい。例えば、一部の実施形態では、本ポンプは、複合ポンプにおけるポンプの流体入口、複合ポンプにおけるポンプの抵抗領域、又はそれらの組み合わせに配置される溶解性溶質を更に備えてもよい。一部の実施形態では、本ポンプは、複合ポンプにおける複数のポンプのうちの２つの間の流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を更に備え得る。

マイクロ流体デバイス
本明細書に記載のパッシブ型ポンプのうちの１つ以上を含むマイクロ流体デバイスも提供される。例示的なマイクロ流体デバイスには、流体入口を流体出口に流体接続させるマイクロ流体チャネルと、マイクロ流体チャネルの流体出口に流体接続する（例えば、その結果、流体入口が流体と接触するときに、本ポンプがマイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発する）本明細書に記載のポンプ（例えば、ポンプ、ハイブリッドポンプ、及び／又は複合ポンプ）とを含み得る。一部の場合、ポンプの流体入口は、マイクロ流体チャネルの流体出口と直接接触し得る。

ある特定の実施形態では、ポンプは、少なくとも０．１分（例えば、少なくとも０．５分、少なくとも１分、少なくとも５分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、実質的に継続した流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。他の実施形態では、ポンプは、少なくとも１０分（例えば、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、変動する流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。変動する流量は、例えば、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含み得る。

使用方法
本明細書に記載のポンプ（ハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）の使用方法も提供される。本明細書に記載のポンプは、取り付けられたマイクロ流体デバイスを通した流体流動を誘発するために（例えば、設定された体積に対して制御された流量を達成するために、及び／又はデバイスを通した複数の所定の流量を達成するために）使用することができる。したがって、本明細書に記載のポンプをマイクロ流体デバイスの流体出口に流体接続させることと、マイクロ流体デバイスの流体入口を流体と接触させることとを含む、マイクロ流体デバイスを通した流体流動を誘発するための方法も提供される。一部の実施形態では、本ポンプは、マイクロ流体デバイスの流体出口に直接接続し得る。

ある特定の実施形態では、ポンプは、少なくとも０．１分（例えば、少なくとも０．５分、少なくとも１分、少なくとも５分、少なくとも１０分、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、実質的に継続した流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。他の実施形態では、ポンプは、少なくとも１０分（例えば、少なくとも３０分、少なくとも６０分、又はそれ以上）の期間、変動する流量で、マイクロ流体チャネルを通した流体流動を駆動するように構成され得る。変動する流量は、例えば、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含み得る。

本ポンプ（本明細書に記載のハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）は、プロセス制御用途に使用することもできる。例えば、本明細書に記載のポンプは、マイクロ流体チャネルの流体抵抗を決定するため、マイクロ流体チャネルの高さを測定するため、紙などの多孔質材料の特性（例えば、透過率）を定量化するため、及び／又は未知の流体の特性（例えば、粘度）を定量化するために、使用することができる。

複合ポンプの作製方法
本明細書に記載のポンプのモジュール的性質を所与として、個々のモジュールポンプは、容易に組み立てられて複合ポンプを形成し、マイクロ流体チャネル内で所定の流体流量を提供することができる。したがって、マイクロ流体チャネル内で所定の流体流量を提供するように構成されるパッシブ型複合ポンプの組立て方法も提供される。これらの方法は、流体との接触時に特定の流体流量を誘発するように成形される１つ以上の本明細書に記載のポンプ（この文脈においては「ポンプサブユニット」と称する）を流体入口に流体接続させて、パッシブ型複合ポンプを形成することを含み得る。各ポンプサブユニットは、第１の多孔質媒体、及びこの第１の多孔質媒体を通した流体入口から吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界を含む抵抗領域と、この抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える吸収領域とを備え得る。任意に、各ポンプサブユニットは、蒸発バリア内に閉じ込められてもよい。

一部の実施形態では、パッシブ型複合ポンプの組立て方法は、２つ以上のポンプサブユニットを流体接続させることを含み得る。一部の実施形態では、本方法は、２つ以上にポンプサブユニットを直列に流体接続させることを含み得る。一部の実施形態では、本方法は、２つ以上にポンプサブユニットを並列に流体接続させることを含み得る。ある特定の実施形態では、本方法は、２つ以上のポンプサブユニットを直列に流体接続させることと、２つ以上のポンプサブユニットを並列に流体接続させることとを含み得る。ある特定の実施形態では、ポンプサブユニットを流体接続させることは、ポンプサブユニットを積み重ねて流体入口を形成することを含み得る。これらの実施形態では、流体入口は、積み重ね中のポンプサブユニットを通って延在し、ポンプサブユニットの各々の第１の抵抗領域への流体流動路を定義する流体伝導性領域を備え得る。この流体伝導性領域は、例えば、流体流動路を形成する多孔質媒体を備え得る。流体伝導性領域はまた、流体流動路を提供する、外気で満たされたチャネル及び／又は伝導性材料（例えば、繊維ガラス又はガラス綿）を備え得る。一部の実施形態では、本方法は、複合ポンプにおけるポンプサブユニット間の流体流動に対するバリアを形成するように、積み重ねにおけるポンプサブユニット間の溶解性膜を（例えば、流体入口を横断して）位置付けることを更に含み得る。

非限定的な実例として、本開示のある実施形態の実施例が以下に与えられる。

材料及び方法
上で考察したように、本明細書に記載のパッシブ型ポンプの吸収領域及び抵抗領域は、多孔質材料から形成される。多孔質材料は、特定の用途に対して所望される流体流動の流量及び体積を提供するように成形することができる。流体入口は、同じ多孔質材料で構成されても、多孔質及び非多孔質両方の他の材料で構成されてもよい。これらの材料は、ポンプと外部流体源（例えば、マイクロ流体デバイス）との流体接続を促進するように選択することができる。流体入口は、原則として、ポンプを任意の流体源に接続するように適合され得、この流体源は、それから又はそれを通して流体流量を制御することが望まれるものであり、マイクロ流体チャネル又はチューブを含むがこれらに限定されない。複数の吸収領域を含むポンプ（本明細書では「ハイブリッドポンプ」と称する）及び複合ポンプ（複数の流体接続するポンプ及び／又はハイブリッドポンプを含む多ポンプ組立体）も調製した。以下で示すように、ハイブリッドポンプ及び複合ポンプは、設定した時間にかけての単一の流量での単純な連続流動よりも複雑な様々な事前にプログラムした流量で流体を送り込むために使用することができる。

原理証明実験のため、クロマトグラフィー紙（例えば、Ｗｈａｔｍａｎ＃１クロマトグラフィー紙）、濾紙、及び市販のニトロセルロース膜を、ポンプ構成要素の製造のため多孔質材料として使用した。以下の実施例は紙に言及するが、他の多孔質材料（上で考察した通り）を使用して本明細書に記載のポンプを製造することも可能であることが理解されるであろう。レーザカットは、Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ製のＶＬＳ３．６０レーザカットプラットフォーム上で行ったが、多孔質材料の他の成形方法も好適である。便宜上、多孔質材料のラミネート化は、Ｓｃｏｔｃｈ熱ラミネートパウチ（レターサイズ及び写真サイズ）を使用して行い、Ｓｃｏｔｃｈ熱ラミネータを使用した（２ローラ、最大幅９”）。ラミネータ設定を、使用する熱パウチの要件に応じて変更した（３ミル対５ミル）。使用したカッティングプロッタはＧｒａｐｈｔｅｃ（モデル＃ＣＥ６０００〜４０）製であった。透明の二軸配向ポリスチレンフィルム（１２５μｍ）はＧｏｏｄｆｅｌｌｏｗ，Ｉｎｃ製であった。３Ｍ製の薄い両面接着物を使用した。片面Ｓｃｏｔｃｈテープは３Ｍ製であった。他のラミネート化、切り取り、及び取り付け方法も適用可能である。

これらの実験で使用する吸水流体は、濡れ正面及び／又は流体の遅れ縁での視覚的対比を助けるために青色の食用着色料（Ａｃｉｄ Ｂｌｕｅ ９，Ｇｒｅａｔ Ｖａｌｕｅ Ａｓｓｏｒｔｅｄ Ｆｏｏｄ Ｃｏｌｏｒｉｎｇ）でスパイクした脱イオン水であった。多種多様な吸水流体を使用することができ、これらには、臨床流体、環境水サンプル、細胞培地、飲料、食品ホモジネート、及び多種多様な溶質又は粒子を含有する水性又は有機溶媒が含まれる。他の実施形態における使用のために、多種多様な好適な紙、多孔質材料、コーティング材料、機械、及び吸水流体を組み合わせることができる。

多孔質材料のセグメントを通したモデル化した流動
完璧な例えではないが、ポンプを通した流体流動は、回路に類似した様式でモデル化することができ、ここでは、所与の構成要素を通した体積流量（Ｑ）は、構成要素にわたる圧力差（ΔＰ）を流動に対するその抵抗（Ｒ_ｔ）によって割ったもの（方程式１）と等しい。紙及び多くの他の多孔質材料の場合、多孔質材料の孔を通して吸水される流体の表面張力に起因して、濡れた正面に毛細管圧が存在する。この毛細管圧は、流体に作用して、流体を多孔質材料の濡れていない領域に向けて引く（即ち、吸水）。濡れ正面の後ろでの流体と多孔質材料の基質との間の相互作用により、流動が妨げられる。したがって、完全に濡れたセグメントの長さが増大するにつれ、抵抗も増大する。所与の毛細管圧及び増大する抵抗について、流量は経時的に減少する。

図４Ａに示すように、この流動は、長方形セグメント全体を流体流動の方向に沿って個別のステップに分割し、各ステップの抵抗及び容積を概算することによって、１Ｄモデルにおいてモデル化し得る。この１次モデルにより、多孔質材料が濡れ正面の後ろで完全に飽和状態であることが仮定され、一式の流体及び多孔質材料について、濡れ正面の場所が時間の関数として予測される。完全に濡れている長方形セグメントの抵抗Ｒ_ｐは、方程式２を用いて説明しており、式中、Ｌ_ｐ、ｗ_ｐ、及びｈ_ｐは、長方形セグメントの長さ、幅、及び高さである。値μ及びＫは、それぞれ、流体の粘度、及び流動に対する透過率である。所与のセグメントの容積（有効空隙体積）Ｖ_ｃは、方程式３によって説明することができ、φは、紙又は他の材料の有効間隙率である。

濡れ正面までの紙の全抵抗は、濡れた紙の各セグメントの直列抵抗を合計することによって概算することができる。加えて、まだ濡れていない第１のセグメントの容積を概算し得る。濡れ正面の所与の位置における体積流量は、方程式１を用いて説明し、図４Ｂに示すように、計算した流体源と濡れ正面との間の圧力差及び抵抗を使用して計算することができる。圧力差（ΔＰ）は、毛細管圧（本明細書では所与の紙及び流体についての定数としてモデル化される）及び任意の更なる圧力源（静水圧、他のラプラス圧など）を含む。正面が事実上所与の場所に着く時間は、計算した体積流量を使用して次のセグメントの容積を満たすまでの時間を決定することによって、計算することができる。このため、体積流量（Ｑ）、全抵抗（Ｒ_ｔ）、及び圧力は、図４Ｃに示すように、各々、１Ｄの濡れ正面位置の関数である。このモデルは、図４Ｃに示すように、所与の紙の長方形ストリップについてのＷａｓｈｂｕｒｎ流動の特性曲線を予測することが示される。図５は、長方形及び非長方形の形状を通した吸水が、どのように１Ｄモデルのための濡れ正面位置の関数としての濡れ正面の有効幅として表され得るのかを示す。

パッシブ型ポンプの製造方法
図６は、成形しラミネートした紙ポンプを作製するための例示的なプロトコルを示し、図７は、図６で概説するプロトコルに従って組み立てた例示的なポンプを示す。まず、カッティングプロッタを使用してラミネートパウチの片面に穴（例えば、内径（ＩＤ）３ｍｍ）を切り抜く。これらの穴は、最終組立体に入口領域へのアクセスを提供する働きをする。Ｗｈａｔｍａｎ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ １紙の長方形シートを所与のラミネートパウチに適したサイズにし、パウチの中に置き、ラミネート機に通す（例えば、５ミル設定を使用）。ラミネートしたシートを冷却させた後、レーザカッターを使用して、設計した形状をこれらのラミネートしたシートから切り取る。切り取られる形状について入口領域の実際の中心が入口領域の意図した場所と一致するように、紙をカッターの中に位置付ける。次に、いかなる紙の焦げも最小限に抑える設定を使用して切り取りを行う。この段階で、これらのラミネートした形状の紙の縁は大気に開放されている。

流体が吸水されるときに、蒸発を最小限に抑えながら空気の逃げ道を与えるために、ある特定の改変を組立体に行い得る。例えば、空隙を紙の境界の周囲に維持してもよい。空隙を含む組立体中の紙を外気から被覆して、蒸発効果を最小限に抑えることができ、この封止には圧力平衡を可能にするための小さい通気口しかない。吸収領域及び抵抗領域からの蒸発を防止する他の方法も使用できる。通気の必要性は、同様に、特定のデバイス設計及び用途に応じ得る。

図８は、成形しラミネートした紙ポンプを作製するための代替的方法を示す。図８に概説するプロトコルは、図６に示すプロファイルに関して上で説明した６つの工程とは対照的に、３つの工程を含む。工程１に示すように、レーザカッターを使用して、紙又は他の多孔質媒体のシートからポンプアレイを切り取る。アレイ中のポンプを共に連結して、ポンプが共に動き、互いに対する間隔を維持するようにする。工程２では、切り取った紙をラミネート材料のパウチ（又は２枚のシートの間）に挿入し、ラミネート材料をラミネート機に通す。次に、工程３において、入口穴及び通気穴を各ポンプに切り開き、各ポンプを分割している格子線を切る。

工程１の間、紙のハロ（ｈａｌｏ）を、吸収領域及び抵抗領域の周囲にそれらから離間して定義し、流体不導性境界を形成する多孔質材料の周囲に空隙を提供する。通気開口部を切り取るときに、吸収領域に連結したハロの部分を除去することで、ハロがポンプの吸収領域と流体接続するのを防止する。空隙は通気開口部と通じている。図８に示すように、多孔質媒体材料の１枚のシートから切り取ったポンプは、面積が同じ又は異なる吸収領域と、面積及び／又は長さが同じ又は異なる抵抗領域とを有してもよい。

流量測定方法
入口領域で流体（例えば、４５μＬ）を添加し、吸水を時間の関数として追跡することによって、流動研究を行った。使用した流体は、この実施例では、Ａｃｉｄ Ｂｌｕｅ ９を含む脱イオン水であった。様々な形状への吸水の微速度撮影動画をｉＰｈｏｎｅ（登録商標）で撮り、ストップウォッチを動画に含めて時間の絶対測定とした。個々のフレームを、ＩｍａｇｅＪ（ｈｔｔｐ：／／ｉｍａｇｅｊ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｉｊ／）を使用して分析し、入口領域の中心から濡れ正面までの画素数を異なる時点で測定した。関連する形状の長さを知ることで、画素をミリメートルに変換した。各形状について、実際の位置をモデル化した位置対時間と比較した。別の方法では、ポンプをマイクロ流体チャネル及び／又はチューブに取り付け、流体上流の遅れ縁の位置を追跡することによって、所与のポンプについての流量プロファイルを決定した。

当業者であれば、多孔質媒体を通した流体の吸水を追跡することは、様々な、例えば、光学的又は電気化学的アプローチを使用して達成でき、これらのアプローチには、多孔質媒体において流体の代わりに色素を使用すること（上で考察した通り）、及び流体との相互作用時に信号を送信する電極を多孔質媒体内で使用することを含むがこれらに限定されないことを、容易に理解するであろう。

例示的なパッシブ型ポンプ
成形された多孔質材料の組立体は、マイクロ流体デバイス用のパッシブ型ポンプとして使用することができる。本パッシブ型ポンプは、マイクロ流体デバイスへの接続に外部電源又はチューブ類を必要としない。所望の場合、パッシブ型ポンプ組立体は、マイクロ流体デバイス上に製造され、かつ／又はその中に一体化されて、流体制御を提供し得る。あるいは、本ポンプは、別々のマイクロ流体デバイスに取り付けられるように構成されてもよい。例えば、本ポンプは、モジュール様式で（例えば、単一の使い捨てユニットとして）構築することができ、これは後でマイクロ流体デバイスに流体接続し得る。これらの場合、使用されたポンプは、例えば、長期間（例えば、数日）にわたるポンプ運動が必要であるか、又は連続的サンプルを経時的な更なる分析のために収集する場合に、新たなポンプと交換することができる。本ポンプは、使い捨て、生分解性、及び／又は可燃性であるように製造することができる。加えて、本ポンプは、極めて小さいフットプリントしか占有しないように設計することができる。

設計に応じて、ポンプは、ｎＬ／分〜μＬ／分の範囲の流量を提供することができ、決まった液量が送り込まれた後に停止するようにプログラムすることができる。これらのプログラム可能なポンプは、低コストであり、多種多様な従来型マイクロ流体デバイスと共に「プラグ・アンド・プレイ」様式で使用することができる。一例として、図９は、従来型シリンジポンプを使用して提供される様々な流量で行われる例示的なポイントオブケア蛍光系アッセイのために収集された実験データを示す。蛍光強度は、マイクロチャネルの底部における導波路に固定した抗体マイクロアレイの標的結合スポットによって生成した。図９に示すように、流量の増大により結合速度（蛍光強度対時間の勾配）が増大する。更に、持続的な流動により診断試験の感度が増大する。本明細書に記載のポンプは、ポイントオブケア試験においてマイクロ流体チャネルと一体化させて、シリンジポンプと同じ種類の流動を生成し、電力の必要、更なる費用、及び技術的複雑性なく感度の増大を提供することができる。

実施例１：マイクロ流体デバイス用の一定の流量を生成する単一ポンプ
本パッシブ型ポンプは、マイクロ流体チャネルの出口に接続し得る。多孔質材料における流体の陰の毛細管圧により、圧力差が生じ得、これが、マイクロチャネルの入口にある貯留部からマイクロチャネルを通ってポンプへと流体流動を駆動する。本パッシブ型ポンプは、紙などの任意の成形された多孔質材料から形成され得、最大で３つの定義された領域：（ａ）マイクロチャネルの出口に接続するための流体入口（例えば、入口領域）、（ｂ）抵抗領域（例えば、抵抗性ネック）、及び（ｃ）吸収領域を含み得る。入口領域（ａ）は、マイクロ流体チャネルの出口の再現可能な接続を提供するように設計される。所与の多孔質材料については、抵抗性ネック（ｂ）のサイズが流量を制御する。ネックの抵抗は、ネックの長さを増大させること及び／又はネックの断面積を減少させることによって増大させ得る。断面が長方形であるネックについては、これは、ネックの厚さを減少させること及び／又はネックの幅を減少させることによって行うことができる。吸収領域（ｃ）の空隙体積は、吸収され得る体積を制御する。ポンプが機能する時間は、吸収され得る体積及びネックによって定義される流量に対応する。図１０では、円形のフットプリントが吸収領域に使用されるが、三角形又は放射状セグメントを含むがこれらに限定されない他の形状も可能である。伝統的なマイクロ流体チャネルに取り付けた例示的なパッシブ型ポンプを図１０Ａに示し、ポンプのための類似の電気回路を図１０Ｂに示す。ポンプへの予想される流体の流動を図１０Ｃに示し、ここでは、入口がまず湿潤され、次に流体が抵抗性ネックを下行し、最後に吸収領域に入る。

典型的には、これらのパッシブ型ポンプの流量は、１ｎＬ／分〜１００μＬ／分超にプログラムし得る。この基本的なポンプ設計を使用して最小流量を達成するために、ネックの抵抗を高いレベルに増大させてもよい。このネックの抵抗が予想されるマイクロチャネルの抵抗より大きい限り、特定のポンプ設計は、異なる形状の様々なマイクロチャネルにおいて同じ流量を生むことになる。これにより、これは事実上、既知の流体のための「プラグ・アンド・プレイ」ポンプとなる。これらの場合、本ポンプは理想電流源に類似している。

基本的なポンプ設計を使用して最大流量を達成するためには、ネックの抵抗を最小限に抑え得る。マイクロ流体チャネルと吸収領域との間の最小限の抵抗領域では、パッシブ型ポンプの体積流量は、マイクロチャネルの抵抗に依存し得る。

ネック抵抗が体積流量に与える影響は図１１に見ることができる。実験的に、ネック抵抗が異なる４つのパッシブ型ポンプ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４）を、ラミネートしたＷｈａｔｍａｎ＃１クロマトグラフィー紙を使用して製造した。体積流量プロファイルをこれらのポンプの各々について測定した（それぞれ、４．５μＬ／分、２．３μＬ／分、１μＬ／分、及び０．５μＬ／分）。これらのポンプの各々は、吸収領域が全て同じサイズであるため、類似の容積を有する。各ポンプは同じ体積（同じ流量プロファイル下面積）を保持するため、様々な時間で（時間はネック抵抗と共に増大する）ポンプ運動した。ネックの抵抗は吸収領域の抵抗よりもはるかに大きかったため、体積流量は、流体正面が吸収領域に達すると、事実上一定のままであった。

吸収領域の面積を変化させることが体積流量に与える影響は図１２に見ることができる。これらのポンプの各々は、抵抗性ネックが全て同じ寸法であるため、類似のネック抵抗を有する。ネックの抵抗は、依然として吸収領域の抵抗よりもはるかに大きい。したがって、流体正面が吸収領域に達すると、体積流量は事実上一定のままである。図１２は、流量は各ポンプについて事実上同じであるが、各ポンプが吸収する体積（流量プロファイル下面積）、及びそれがポンプ運動する対応する時間は、吸収領域の増大する面積について増大することを示す。実験的に、図１２に示すものに類似したパッシブ型ポンプを、ラミネートしたＷｈａｔｍａｎ＃１クロマトグラフィー紙を使用して製造し、各ポンプは同じ抵抗サイズを有した。

図１３Ａ及び１３Ｂは、パッシブ型ポンプがどのようにポイントオブケア診断試験に含まれ得るかを示す概略図を示す。図１３Ａは、図１３Ｂに示す最終診断試験の分解立体図を示す。下から上に、上に捕捉試薬が並べられ得る平面導波路、マイクロ流体チャネルとして働く開口部を有する両面接着物の層、入口穴及び出口穴を有するマイクロ流体チャネルの上部として働くフィルム、フィルム上のマイクロチャネルの入口穴及び出口穴をそれぞれ入口貯留部（左）及びパッシブ型ポンプ（右）と接続する穴を有する両面接着物が存在する。

図１３Ｂの組立体により、サンプルを入口貯留部に充填することができるようになり、パッシブ型ポンプは、そのサンプルの、マイクロ流体チャネルを通り、固定された捕捉試薬を横切る、ポンプの設計によって定義される体積及び流量の流動を誘発することになる。この誘発された流動は、捕捉試薬の上の標的空乏層を最小限にし、診断試験の感度を最大限にするようにプログラムされ得る。類似の組立体を他の用途に使用してもよい。

実施例２：パッシブ型ポンプのためのプログラム可能な時間遅延
この実施例は、時間遅延をパッシブ型ポンプ組立体によって生成される流量プロファイルに誘発する方法を実験的に示す。かかる流動遅延は、流体が実際にパッシブ型ポンプの入口領域に達した時点の後の時間に所望の流量を開始するか、又は流動の継続を一時的に遅延させるために使用することができる。例えば、この制御レベルは、サンプルの充填又は試薬のインキュベーションのために更なる時間が必要である場合に望ましくてもよい。様々な量のスクロース又はポリビニルアルコール（又は機能的に同等の材料）をポンプの流体入口及び／又は抵抗領域において乾燥させて、流体輸送を遅延させることができる。流体入口及び／又は抵抗領域への水などの流体の吸水時に、乾燥させた溶質が溶解し、溶質濃度に従って紙のその領域における溶液粘度を増大させることになる（表１）。特に水以外の流体を使用する場合には、異なる溶質を選択し得る。この実施例ではポンプの抵抗領域において乾燥させたスクロースの使用を説明する。

濡れた紙の所与のセグメントの抵抗は、液体の粘度に比例するため（方程式２）、溶解したスクロースは、パッシブ型ポンプにおける抵抗の著しい増大、及び体積流量の減少を生み得る。

ネックは、流量の制御部であるように設計されるため、ネックが濃縮されたスクロースを含有しなくなると、流量が増大し、ポンプが「オンになる」。溶解したスクロースがパッシブ型ポンプの吸収セクションに達すると、濡れ正面の断面積が増大することで、粘性プラグの長さが減少する。これにより、流体流動に対する全体的な抵抗（方程式２）が減少することで、スクロースを含まない流体についてのネックの抵抗によって設けられる限界に向けて流量が減少する。

実施例３：段階的減少で流量を改変するためのハイブリッドポンプ組立体
一部の用途に対しては、所与の時間、所与の流量でポンプ運動し、その後、流量を、第２の所与の時間、別の流量に減少させることが望ましくてもよい。複数の連続的流量（減少又は増大いずれか）も、一部の用途には望ましい。複数の抵抗領域及び吸収領域を含むハイブリッドポンプを使用して、かかる流量を提供することができる。例えば、複数の吸収領域は、図１４Ａ及び１４Ｂに示すように抵抗領域を介して直列に流体接続し得る。この実施例では、正面がポンプ入口領域と第１の吸収エリアの遠位端部との間にあるときにポンプが作り出す流量は、セクションＣ、Ｄ、Ｅ、及びＦを有しないポンプと同様に見えることになる。

流体正面が第２の抵抗領域（Ｃ）に達すると、流量は、第１の吸収領域（Ｂ）に対して第２の抵抗領域からの抵抗の増大に起因して減少する。流体が第２の吸収領域（Ｄ）に達すると、流量は再び一定となる。この流動挙動は、直列に流体接続する更なる抵抗領域／吸収領域について発生し続けることになる。

ハイブリッドポンプ組立体は、抵抗領域を介して並列に流体接続する複数の吸収領域も含み得る。図１５Ａ及び１５Ｂは、経時的に流量の段階的減少を作り出すかかるハイブリッドポンプの例を示す。この実施例では、同一平面にある２つの抵抗領域が単一の流体入口（入口領域）から延在する。各抵抗領域は、吸収領域に流体接続する。流体がポンプの中へと流動し、吸収領域に達するとき、流体源からポンプへの時間依存性の流動は、事実上、吸収領域（Ｒ１及びＲ２）の各々における時間依存性の流動の合計である。図１５Ｂに示される流量対時間は、図１５Ａに示すポンプに関するものである。時間Ａでは、流体は、両方の吸収領域（Ｒ１及びＲ２）の多孔質材料に吸収される。時間Ｂでは、吸収領域１（Ｒ１）は、飽和状態となりポンプ運動を停止するが、他方の吸収領域（Ｒ２）は流体のポンプ運動を継続する。かかるポンプは、段階的に減少する体積流量を生み得、流体入口に流体接続するマイクロチャネルの中にある。

実施例４：段階的増大で流量を確立するハイブリッドポンプ
ハイブリッドポンプは、ある期間ある流量でポンプ運動し、その後、ある期間より大きい流量でポンプ運動するようにも設計され得る。かかる流量を生むことができるポンプは、抵抗領域を介して並列に流体接続する複数の吸収領域を含み得る。図１６Ａ〜１６Ｃは、経時的に流量の段階的増大を作り出すかかるハイブリッドポンプの例を示す。本ポンプは、単一の流体入口（入口領域）から延在する２つの抵抗領域（各々吸収領域に流体接続する）を含む。これら２つの抵抗領域が、元々、流体流動に対して異なる抵抗を呈するようにサイズ決定され、より低い方の抵抗領域に時間遅延（例えば、抵抗性ネックに配置される溶解性溶質、又は抵抗領域と流体入口との間に配置されるポリビニルアルコール膜などの溶解性ポリマー膜）が誘発される場合、ハイブリッドポンプは、まず、より少ない流量でポンプ運動することになる（流体流動への抵抗がより大きい抵抗領域を通して）。次に、遅延を作り出している溶解性溶質が溶解し、粘性プラグが第２の抵抗領域から出て吸収領域へと通過した後、流体は、より大きい流量で送り込まれる。

実施例５：完全にプログラム可能な流動を確立するための複合ポンプ
多孔質材料の連続したシート上に複数のポンプ運動エリアを設計するハイブリッドポンプによるプログラム可能な流量を作製する代わりに、複数のラミネートした同一平面上の抵抗領域及び吸収領域（本明細書ではポンプサブユニットと称する）を積み重ねて、単一の複合ポンプを形成することができる。各同一平面層における個々のポンプサブユニットは、図１７及び１８Ａ〜Ｃに示すように、積み重ねたサブユニットの高さにわたって、単一の流体入口によって流体接続し得る。

より複雑な流量プロファイルを作り出すために、これらのサブユニットポンプをマイクロ流体チャネルの遠位端部で積み重ね得る。これを使用することで、ポンプサブユニット間、あるいはポンプ全体を特定のマイクロ流体デバイスに一体化させる必要性のいずれかによる空間に対する物理的制約に起因して同一平面にあるポンプの一群を使用してでは不可能であり得る様式で、サブユニットポンプを取り付けることができる。時間遅延を作り出す溶質は、流動プロセスにおいて後に作動することになる適切なサブユニットポンプの抵抗領域の中に一体化させることができる。時間遅延は、溶解性材料の層（例えば、ポリビニルアルコール膜）をスタック中の２つのサブユニットポンプ間（例えば、積み重ねたポンプ組立体の同一表面層間の流体入口内）に挿入することによって作り出すこともできる。このアプローチでは、流体路における溶解性材料の層の後にある構成要素への流体の導入が遅延され得る。

各サブユニットポンプについての体積流量対時間は、マイクロ流体チャネルにおいて体積流量の変化を付与するため、このセットアップにおいては加法的である。図１８Ａ及び１８Ｂは、積み重ねたサブユニットポンプの例を示す。この実施例では、サブユニットポンプＢ、Ｃ、及びＤは、異なる時間に開始するためにネックに時間遅延を有する。流量対時間が加法的であるため、この積み重ねは図１８Ｃに示すプロファイルを作り出し得る。

ポンプ組立体も、最低限の空間で最大限の体積流動を達成するために積み重ねることができる。図１９は、例示的な紙ポンプがどのようにして流量に与える相乗効果（Ｎ倍）を得るためにマイクロ流体チャネルの端部で積み重ねられる（Ｎサブユニットポンプ）のかを示す。図２０は、単一のマイクロ流体ポンプ及び積み重ねて複合ポンプを形成する２つのパッシブ型ポンプについて、体積流量を時間の関数として比較するプロットである。図２１は、各々が２つの積み重なったポンプサブユニット（Ｐ１＋Ｐ３スタック及びＰ２＋Ｐ４スタック）を含む２つの異なる複合ポンプについて、体積流量を時間の関数として比較するプロットである。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、及びＰ４は、各々、流体流動に対する異なる抵抗をもたらす抵抗領域を含む。これらを様々な様式で組み合わせることによって、複雑なプログラム可能な流体流量プロファイルを作り出すことができる。

更に、図２２Ａ及び２２Ｂに示すように、ポンプは、一杯になり、単一のマイクロ流体チャネル上で交換され得る。この実施例では、吸収領域を容易に交換することができるため、一定の流動を維持するために抵抗領域（ネック）をマイクロ流体チャネルと接続したままにすることができる。収集された流体が目的のものである場合、一杯になったポンプは、所定の時間間隔で収集したサンプルの後続分析に更に使用することができる。

実施例６：ある特定の領域で異なる高さを有するポンプ
ポンプは、異なる厚さの領域を含むように製造することができる。多孔質材料の抵抗は流動方向に垂直である面積に反比例するため、多孔質材料のある特定の領域の高さを増大させることが有利であり得る。例えば、ポンプを、濡れたからが吸収領域にあるときに更により一定にすることが、ポンプの吸収領域の高さが抵抗領域の高さよりも高くあることに有用であり得る。図２３は、クロマトグラフィー紙を多孔質材料として使用する例を示すが、これは、いずれの平面の多孔質材料にも使用し得る。ここでは、設計を紙のシートに切り込み、吸収パッドフットプリントのコピーを互いに隣り合ってタイル状にする。タイル状にしたフットプリントの間で、レーザカッターによって多孔質材料に穿孔し、折り畳みを容易にした。折り目に沿って折り畳んだ後、フットプリントは、吸収パッドの更なるタイル状フットプリントがない場合の状態と同じであるが、吸収パッドは、ポンプにおける他の領域より厚い。この特定の実施例では、吸収パッドのタイル状フットプリントの前面間にバリアは存在しない。

実施例７：所与のポンプのフットプリントを減少させるための折り畳み式ポンプ
ポンプの吸収領域の３次元形状は、ポンプの輸送特性を変化させずに所与のポンプのフットプリントを減少させるように改変することができる。この場合、多孔質材料はクロマトグラフィー紙であり、流体不透過性層が多孔質材料の両面にある。これが有用であり得る１つの状況は、吸収領域が、それが中に収まるポンプ及び／又は容器の他の部分よりも著しく大きい場合である。このような場合及び他の場合には、吸収領域は、そのフットプリントを減少させるためにそれ自体の上に折り畳まれ得る（図２４）。流体の貫通が許容されない表面では、吸水流体は、折り畳まれていないかのように流動路に従い、同じ流量プロファイルで送り込まれる。

実施例８：溶解性膜を使用するプログラム可能な遅延
時間遅延は、溶解性膜を使用して誘発することもできる。これらの場合、溶解性膜は、ポンプ又は複合ポンプにおける多孔質又は非多孔質材料の隣接部分の間（例えば、複合ポンプにおける２つのポンプの流体入口パッド間）に位置付けられ得る。溶解性膜は、無傷のままである間は、ポンプ又は複合ポンプのこれらの隣接部分の間（例えば、複合ポンプにおける２つの流体接続するポンプの流体入口パッド間）の流体流動に対するバリアとして働くことができる。しかしながら、膜が破られると、流体はポンプ又は複合ポンプの隣接部分の間を流動できるようになる。

水性流体との使用に好適な溶解性膜は、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）から形成され得る。ＰＶＡは、フィルム／シートに成形することができる水溶性ポリマーである。これらのフィルムからディスクを製造し、積み重ねたポンプの入口領域間に挿入し得る。ＰＶＡが可溶性である溶媒（例えば、水）に露出するときに、フィルムは溶解し始める。フィルムが破られると、流体は、積み重ねたポンプの乾燥した領域に前進し得る。これにより、事実上、ある特定のポンプ（遅延の下流にあるもの）がオンになる前に時間遅延が生じる。この遅延時間は、フィルム厚の調整などの手段によって制御することができる。

図２５は、複合ポンプの２つの流体接続するポンプサブユニットの流体入口間に配置される溶解性膜を含む例示的な複合ポンプを示す。流体が最初にポンプに（第１のポンプサブユニットの流体入口に）吸水されるとき、取り付けられたマイクロチャネルを通した流体流量はＱ１によって管理される。膜が破られると、流体は両方のポンプに吸水され得、取り付けられたマイクロチャネルを通した流体流量はＱ１＋Ｑ２によって管理される。

図２６は、複合ポンプの２つの流体接続するポンプサブユニットの流体入口間に配置される溶解性膜を含む複合ポンプは、例えば、マイクロ流体チャネル又はポイントオブケア診断試験に流体接続し得ることを示す。パネルＡは、最終組立体の分解立体図を示す。パネルＢは、マイクロ流体デバイスを通した流体流動を時間の関数として示すプロットである。

図２７は、ポンプの入口領域（Ｐ４）とポンプ状デバイスの入口領域（Ｐ９）との間に挿入された溶解性ＰＶＡ膜（Ｄ１）を含む複合ポンプの実験流量プロファイルを示す。Ｐ９は、入口領域及び吸収領域を有するが、抵抗領域を有しないため、ポンプ様である。膜が破裂する前に、Ｐ４が流体を約１ｕＬ／分で駆動する。膜が破裂すると、Ｐ９が流体接続し、また流体を駆動する。この時点で、体積流量は著しく増大する。複合体は、Ｐ９が飽和状態となり流体の駆動を停止するまで、この増大した流量でポンプ運動を続ける。この時点で、Ｐ４は再び流体の唯一の駆動体であり、体積流量は約１ｕＬ／分の流量に戻る。

実施例９：様々な多孔質材料を使用して調製したポンプ
ポンプは、様々な特性（例えば、毛細管圧、間隙率、及び透過率）を有する多孔質材料から調製することができる。これらの特性は流量プロファイルに影響する。例えば、ポンプのフットプリントが決まったサイズでなければならない場合、これらの特性は、所与の流体／マイクロチャネルに対する所望の流量プロファイルを達成するように選択され得る。他の例では、材料は、詰まりを回避するために流体中にあることが予想される粒子よりも大きい平均孔径を有するように選択され得る。

図２８は、形状は同じであるが、異なる固有特性を有する多孔質材料で作製されるポンプの流量プロファイルを示す。この実施例では、これらは、異なる平均孔径及び厚さを有する異なる種類の紙である。様々なＷｈａｔｍａｎ紙を使用した（Ｆ４：濾紙＃４、Ｆ５９７：濾紙＃５９７、Ｃｈｒ１：クロマトグラフィー紙＃１、Ｆ１：濾紙＃１、Ｆ６：濾紙＃６、Ｆ５：濾紙＃５）。これらの紙の基質は同じ材料（セルロース）で作製される。しかしながら、これらの紙は、異なる平均孔径、間隙率、及び厚さを有する。その結果、これらは、異なる透過率を有し、固有の毛細管圧を生む。これらの多孔質材料を、図７に示すものに類似した断面を有するポンプに組み込んだ。同じポンプフットプリントについて、異なる種類の紙（それらの固有の特性を有する）は固有の流量プロファイルを生む。

プロセス及び品質管理におけるパッシブ型ポンプ組立体の使用
本ポンプ（本明細書に記載のハイブリッドポンプ及び複合ポンプを含む）は、プロセス制御用途に使用することもできる。例えば、本明細書に記載のポンプは、マイクロ流体チャネルの流体抵抗を決定するため、マイクロ流体チャネルの高さを測定するため、紙などの多孔質材料の特性（例えば、透過率）を定量化するため、及び／又は未知の流体の特性（例えば、粘度）を定量化するために、使用することができる。

実施例１０：未知の流体の粘度を定量化するための一式のマイクロ流体デバイス
本明細書に記載のパッシブ型ポンプは、単純なマイクロ流体デバイスと併用して、未知の流体の粘度を決定することができる。マイクロ流体デバイスは、流体入口を流体出口に流体接続するマイクロ流体チャネルを含み得る。マイクロ流体チャネルは、充填済み流体を含み得る。充填済み流体の吸水について十分に特性評価されているポンプの流体入口は、マイクロ流体デバイスの流体出口に流体接続し得る。未知の流体をマイクロ流体デバイスの流体入口に添加し、デバイスを作動させて、充填済み流体をパッシブ型ポンプと接触させ得る。

パッシブ型ポンプは、流体流動をマイクロ流体チャネルの中へと誘導することになる。ポンプが流体を流動させる速度は、流体流動に対する全抵抗（ポンプの抵抗、充填済み流体のプラグの抵抗、及び未知の流体プラグの抵抗の合計）に反比例することになる。流量を未知の流体の粘度に対して感受性にするために、全抵抗は、未知の流体が流動している領域によって決定すべきである。これは、ポンプ、充填済み流体、及びマイクロ流体チャネルの適当な設計によって行うことができる。抵抗は、未知の流体の粘度に直接比例することになる。したがって、ポンプ運動速度及び／又はポンプ運動時間を測定し、較正曲線と比較して、未知の流体の粘度を定量化することができる。

実施例１１：マイクロ流体デバイス用オーム計
マイクロ流体デバイスは、一般に、所望の流体力学を生むように一式の寸法を有するように製造される。しかしながら、流体力学は計算モデルによって予測され得る一方で、マイクロ流体デバイスを特性評価して、デバイスが元の指定された寸法で製造されたかどうかを決定することは一般に困難である。マイクロチャネルの流体抵抗を測定することは、その物理的寸法を決定するための１つの方法である。

本パッシブ型ポンプを使用して、費用効果の高い品質管理のためにマイクロ流体チャネルの抵抗を測定することができる。所与のポンプについては、ポンプが一杯になるのにかかる時間は、マイクロ流体デバイスの抵抗に依存する。マイクロ流体チャネルの抵抗は、図２９に概略的に示すセットアップを使用して測定することができる。

多様な定量法を有する一式のパッシブ型ポンプによってマイクロ流体チャネルを試験することができる。所与のポンプの定量法の下限は、その多孔質材料の実効抵抗／透過率に依存する。ポンプの抵抗がマイクロチャネルよりも著しく大きい場合、ポンプの抵抗が優位となるため、ポンプは抵抗を定量化できない可能性が高いことになる。チャネルの抵抗が濡れた組立体の抵抗よりも著しく大きい場合、チャネルの抵抗は、体積流量の優勢な制御因子となり得る。このため、パッシブ型ポンプが一杯になるのにかかる時間は、マイクロチャネルの抵抗に直接的に依存する（図２９の挿入図）。

図３０は、伝統的技法を用いて製造され得るマイクロチャネルの長さの例示的な範囲、及び対応する各マイクロチャネルの抵抗量を示す。チャネルの高さ（５０ｕｍ又は１００ｕｍ）及び幅（５０ｕｍ又は２５０ｕｍ）に応じて、図３０に示すマイクロチャネルの抵抗は、６×１０^１１Ｎｓｍ^−５〜４×１０^１５Ｎｓｍ^−５の範囲であり得る。マイクロチャネルの抵抗は、チャネルの長さ、幅、及び高さの関数であり、長さ及びおよその幅は、標準的な顕微鏡法を使用して決定することができるため、紙ポンプから計算される抵抗を使用して、チャネルの平均高さを定量化することができる。例えば、図３１は、所与のパッシブ型ポンプ組立体及び較正適合についてのデータを示す。較正曲線は、一杯になるまでの時間を測定することによって所与のマイクロチャネルの抵抗を試験するために使用し得る。

実施例１２：所与の多孔質材料の特性を定量化するための一式のマイクロ流体デバイス
紙などの多孔質材料における流体の流動は、３Ｄ形状、並びに有効間隙率（Ｐｏｒ）、毛細管圧（Ｐ_ｃ）、及び透過率（Ｋ）という、３つの特徴的な特性を知ることによって１次モデルによって説明することができる。毛細管圧及び透過率の結果は、単一のセグメントを通した流体流動を追跡することによって決定し得る。しかしながら、流動を十分に説明するためには個々の特性が必須である。

抵抗が分かっている一式のマイクロ流体チャネルを使用して、高速の簡易測定において多孔質材料の特性を定量化することができる。マイクロ流体チャネルの分かっている抵抗を使用していくつかの固有のセットの吸水データを生成することにより、紙又は他の多孔質材料についての２つの未知数（Ｐ_ｃ及びＫ）についての解を得ることができる。抵抗が分かっているマイクロ流体チャネルを貯留部と紙との間に配置して、流体回路に分かっている直列抵抗を付加し得る。次に、これらの固有のセットの吸水データを、最小二乗法を使用して適合させ、その所与の流体の紙への吸水を最もよく説明するＰ_ｃ及びＫ値を特定し得る。図３２は、異なる抵抗（低、中、高）のマイクロチャネルに取り付けられた所与のパッシブ型ポンプについての仮定吸水データ、並びに一式の抵抗器についての紙の毛細管圧及び透過率の最良適合を示す。

マイクロ流体抵抗を決定するためのこの方法は、紙系マイクロ流体工学への使用が意図されるものなどの紙基板のプロセス制御にも使用し得る。紙の抵抗よりもはるかに低いものから紙よりもはるかに高い抵抗まで様々である抵抗を有する一式のマイクロ流体チャネルを使用して、異なるバッチの紙を試験し得る。次に、収集した吸水データをモデルにおいて使用して、所与の流体及び紙についてのＰ_ｃ及びＫを予測し、紙の機能的能力を監視し得る。

添付の特許請求の範囲のデバイス、システム、及び方法は、特許請求の範囲のいくつかの態様の具体例として意図される、本明細書で説明される特定のデバイス、システム、及び方法によってその範囲を限定されない。機能的に均等である任意のデバイス、システム、及び方法が、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。本明細書に示され、説明されるものに加えて、デバイス、システム、及び方法の様々な修正が、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。更に、本明細書で開示されるある代表的なデバイス、システム、及び方法工程だけが具体的に説明されているが、デバイス、システム、及び方法工程の他の組み合わせも、具体的に列挙されていなくても、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。したがって、工程、要素、構成要素、又は構成成分の組み合わせは、本明細書で明示的に、又はあまり明示的でなく言及され得るが、工程、要素、構成要素、及び構成成分の他の組み合わせも、明示的に述べられていない場合であっても、本発明に含まれる。

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、開示される発明に属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に引用される刊行物及びそれらが引用される資料は、参照により具体的に組み込まれる。

Claims (72)

1. （ａ）流体入口と、
   （ｂ）抵抗領域と、
   （ｃ）吸収領域と、
   （ｄ）前記抵抗領域、前記吸収領域、又はそれらの組み合わせを閉じ込める蒸発バリアと、を備え、
   前記抵抗領域が、第１の多孔質媒体と、前記第１の多孔質媒体を通した前記流体入口から前記吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界と、を備え、
   前記吸収領域が、前記抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える、パッシブ型マイクロ流体ポンプ。
2. 前記第１の多孔質媒体及び前記第２の多孔質媒体が、多孔質親水性材料を含む、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記多孔質親水性材料が、セルロース基板を含む、請求項２に記載のポンプ。
4. 前記セルロース基板が、紙、セルロース誘導体、セルロース織材料、セルロース不織材料、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項３に記載のポンプ。
5. 前記抵抗領域及び前記吸収領域が、前記流体入口が流体と接触しているときに、前記流体入口から前記吸収領域へと前進する、毛細管によって駆動される流体正面を確立するように構成される、請求項１〜４のいずれかに記載のポンプ。
6. 前記抵抗領域が、前記毛細管によって駆動される流体が前記抵抗領域から前記第２の多孔質媒体を通って前進するときに、１ｎＬ／分〜１００μＬ／分の流体流量を提供するように構成される、請求項５に記載のポンプ。
7. 前記抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗が、前記吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を上回る、請求項１〜６のいずれかに記載のポンプ。
8. 前記抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗が、前記吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を少なくとも５倍上回る、請求項７に記載のポンプ。
9. 前記抵抗領域を通した流体流動に対する抵抗が、前記吸収領域を通した流体流動に対する抵抗を少なくとも１０倍上回る、請求項７又は８に記載のポンプ。
10. 前記流体入口が、マイクロ流体チャネルと流体接続するように構成される、請求項１〜８のいずれかに記載のポンプ。
11. 前記流体入口が、前記第１の抵抗領域への流体流動路を定義する流体伝導性領域を備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のポンプ。
12. 前記流体伝導性領域が、前記第１の抵抗領域への流体流動路を形成する多孔質媒体を備える、請求項１１に記載のポンプ。
13. 前記流体の所定の体積が１μＬ〜１０ｍＬである、請求項１〜１２のいずれかに記載のポンプ。
14. 前記抵抗領域が、前記流体の所定の体積を前記吸収領域に１０秒〜７日で送達するのに有効な流体流量を提供するように構成される、請求項１〜１３のいずれかに記載のポンプ。
15. 前記抵抗領域が、前記流体の所定の体積を前記吸収領域に０．１分〜９０分で送達するのに有効な流体流量を提供するように構成される、請求項１４に記載のポンプ。
16. 前記ポンプを通した流体流動に影響する流動遅延要素を更に備える、請求項１〜１５のいずれかに記載のポンプ。
17. 前記流動遅延要素が、前記流体入口、前記抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置される溶解性溶質を備える、請求項１６に記載のポンプ。
18. 前記流動遅延要素が、流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備える、請求項１６に記載のポンプ。
19. 前記蒸発バリアが、前記抵抗領域を閉じ込める、請求項１〜１８のいずれかに記載のポンプ。
20. 前記蒸発バリアが、前記吸収領域を閉じ込める、請求項１〜１９のいずれかに記載のポンプ。
21. 前記吸収領域に動作可能に連結する通気口を更に備える、請求項２０に記載のポンプ。
22. 前記第１の多孔質媒体及び前記第２の多孔質媒体が、互いに流体接触している基板材料の２つの別々の部分を備える、請求項１〜２１のいずれかに記載のポンプ。
23. 前記第１の多孔質媒体及び前記第２の多孔質媒体が、異なる厚さを有する、請求項１〜２２のいずれかに記載のポンプ。
24. 前記第２の多孔質媒体が、前記第１の多孔質材料より厚い、請求項１〜２３のいずれかに記載のポンプ。
25. 前記第２の多孔質媒体及び前記第１の多孔質材料が同一平面上にない、請求項２２〜２４のいずれかに記載のポンプ。
26. 前記吸収領域が非平面である、請求項１〜２５のいずれかに記載のポンプ。
27. 前記吸収領域が、前記抵抗領域に着脱可能に接続される、請求項１〜２６のいずれかに記載のポンプ。
28. 前記ポンプが、第２の抵抗領域及び第２の吸収領域を更に備える、請求項１〜２７のいずれかに記載のポンプ。
29. 前記第２の吸収領域が、前記第１の吸収領域と並列に流体接続する、請求項２８に記載のポンプ。
30. 前記第２の抵抗領域が、第３の多孔質媒体と、前記第３の多孔質媒体を通した前記流体入口から前記第２の吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界と、を備え、
    前記第２の吸収領域が、前記第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える、請求項２９に記載のポンプ。
31. 前記ポンプを通した流体流動に影響する流動遅延要素を更に備える、請求項３０に記載のポンプ。
32. 前記流動遅延要素が、前記第２の抵抗領域中に配置される溶解性溶質を備える、請求項３１に記載のポンプ。
33. 前記流動遅延要素が、前記流体入口から前記第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備える、請求項３１に記載のポンプ。
34. 前記第２の吸収領域が、前記第１の吸収領域と直列に流体接続する、請求項２８に記載のポンプ。
35. 前記第２の抵抗領域が、第３の多孔質媒体と、前記第３の多孔質媒体を通した前記第１の吸収領域から前記第２の吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界と、を備え、
    前記第２の吸収領域が、前記第２の抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第４の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える、請求項３４に記載のポンプ。
36. 前記ポンプを通した流体流動に影響する流動遅延要素を更に備える、請求項３５に記載のポンプ。
37. 前記流動遅延要素が、前記第２の抵抗領域中に配置される溶解性溶質を備える、請求項３６に記載のポンプ。
38. 前記流動遅延要素が、前記第１の吸収領域から前記第２の抵抗領域への流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備える、請求項３６に記載のポンプ。
39. 前記ポンプが、抵抗領域を介して並列に流体接続する３つ以上の吸収領域を備える、請求項１〜３８のいずれかに記載のポンプ。
40. 前記ポンプが、抵抗領域を介して直列に流体接続する３つ以上の吸収領域を備える、請求項１〜３９のいずれかに記載のポンプ。
41. 前記ポンプが、抵抗領域を介して並列に流体接続する２つ以上の吸収領域と、抵抗領域を介して直列に流体接続する２つ以上の吸収領域と、を備える、請求項１〜４０のいずれかに記載のポンプ。
42. 請求項１〜４１のいずれかに記載の流体接続するポンプを複数備える、複合型のポンプ。
43. 前記複数のポンプが、直列に流体接続する２つ以上のポンプを備える、請求項４２に記載のポンプ。
44. 前記複数のポンプが、並列に流体接続する２つ以上のポンプを備える、請求項４２又は４３に記載のポンプ。
45. 前記複数のポンプが、直列に流体接続する２つ以上のポンプと、並列に流体接続する２つ以上のポンプと、を備える、請求項４２〜４４のいずれかに記載のポンプ。
46. 前記複数のポンプが平行面で積み重ねられる、請求項４２〜４５のいずれかに記載のポンプ。
47. 前記複数の流体接続するポンプのうちの少なくとも１つへの流体流動に影響する流動遅延要素を更に備える、請求項４２〜４６のいずれかに記載のポンプ。
48. 前記流動遅延要素が、前記ポンプの前記流体入口、前記ポンプの前記抵抗領域、又はそれらの組み合わせの中に配置される溶解性溶質を備える、請求項４７に記載のポンプ。
49. 前記流動遅延要素が、前記複数のポンプのうちの２つの間の流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を備える、請求項４７に記載のポンプ。
50. 流体入口を流体出口に流体接続させるマイクロ流体チャネルと、前記マイクロ流体チャネルの前記流体出口に流体接続する請求項１〜４９のいずれかに記載のポンプと、を備える、マイクロ流体デバイス。
51. 前記ポンプの前記流体入口が、前記マイクロ流体チャネルの前記流体出口と直接接触している、請求項５０に記載のデバイス。
52. 前記ポンプが前記マイクロ流体チャネルの前記流体出口と流体接続し、その結果、前記流体入口が流体と接触するときに、前記ポンプが前記マイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発する、請求項５０又は５１に記載のデバイス。
53. 前記ポンプが、少なくとも１０分の期間、実質的に継続した流量で、前記マイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発するように構成される、請求項５２に記載のデバイス。
54. 前記ポンプが、少なくとも３０分の期間、実質的に継続した流量で、前記マイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発するように構成される、請求項５３に記載のデバイス。
55. 前記ポンプが、少なくとも１０分の期間、変動する流量で、前記マイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発するように構成される、請求項５２に記載のデバイス。
56. 前記ポンプが、少なくとも３０分の期間、変動する流量で、前記マイクロ流体チャネルを通した流体流動を誘発するように構成される、請求項５５に記載のデバイス。
57. 前記変動する流量が、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含む、請求項５５又は５６に記載のデバイス。
58. マイクロ流体デバイスを通した流体流動を誘発するための方法であって、
    請求項１〜４９のいずれかに記載のポンプを前記マイクロ流体デバイスの流体出口に流体接続させることと、
    前記マイクロ流体デバイスの流体入口を流体と接触させることと、を含む、方法。
59. 前記ポンプの前記流体入口が、前記マイクロ流体デバイスの前記流体出口と直接接触している、請求項５８に記載の方法。
60. 前記ポンプが、少なくとも５分の期間、実質的に継続した流量で、前記マイクロ流体デバイスを通した流体流動を駆動するように構成される、請求項５８〜５９のいずれかに記載の方法。
61. 前記ポンプが、少なくとも３０分の期間、実質的に継続した流量で、前記マイクロ流体デバイスを通した流体流動を駆動するように構成される、請求項６０に記載の方法。
62. 前記ポンプが、少なくとも１０分の期間、変動する流量で、前記マイクロ流体デバイスを通した流体流動を駆動するように構成される、請求項５８〜５９のいずれかに記載の方法。
63. 前記ポンプが、少なくとも３０分の期間、変動する流量で、前記マイクロ流体デバイスを通した流体流動を駆動するように構成される、請求項６２に記載の方法。
64. 前記変動する流量が、段階的に増加する流量、又は段階的に減少する流量を含む、請求項６２又は６３に記載の方法。
65. マイクロ流体チャネル内で所定の流体流量を提供するように構成されるパッシブ型ポンプを組み立てる方法であって、前記方法が、流体との接触時に特定の流体流量を誘発するように成形された１つ以上のポンプサブユニットを、流体入口に流体接続させて、前記パッシブ型ポンプを形成することを含み、
    各ポンプサブユニットが、第１の多孔質媒体、及び前記第１の多孔質媒体を通した前記流体入口から前記吸収領域への流体流動路を定義する流体不導性境界を含む抵抗領域と、前記抵抗領域から吸水された流体の所定の体積を吸収するようにサイズ決定される第２の多孔質媒体の体積を定義する流体不導性境界を備える吸収領域と、を備える、方法。
66. 各ポンプサブユニットが、蒸発バリア内に閉じ込められる、請求項６５に記載の方法。
67. 前記パッシブ型ポンプが、２つ以上の流体接続するポンプサブユニットを備える、請求項６５〜６６のいずれかに記載の方法。
68. 前記ポンプサブユニットを流体接続させることが、２つ以上のポンプサブユニットを直列に流体接続させることを含む、請求項６７に記載の方法。
69. 前記ポンプサブユニットを流体接続させることが、２つ以上のポンプサブユニットを並列に流体接続させることを含む、請求項６７又は６８に記載の方法。
70. 前記ポンプサブユニットを流体接続させることが、２つ以上のポンプサブユニットを直列に、２つ以上のポンプサブユニットを並列に流体接続させることを含む、請求項６５〜６９のいずれかに記載の方法。
71. 前記ポンプサブユニットを流体接続させることが、前記ポンプサブユニットを、それらが共有の流体入口を共有するように積み重ねることを含む、請求項６５〜７０のいずれかに記載の方法。
72. 前記積み重ねにおけるポンプサブユニット間の流体流動に対するバリアを形成する溶解性膜を位置付けることを更に含む、請求項７１に記載の方法。

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