JP2019520192A - ガス駆動型流体輸送 - Google Patents

Abstract

アクチュエータの正確な移動を必要とせずに、流路内でほとんどまたは全く検出されずに操作する流体輸送手法が記載される。特定の実施態様では、流体リザーバのガス相が圧力源によって圧縮され、バルブを中間導管に開くなどして圧力を解放すると、流体が中間チャンバに移動する。その流体経路を閉じ、周囲温度でチャンバへの異なる流体経路を開くと、流体がチャンバに移動される。【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、一般に、マイクロ流体および産業規模のシステムを含む流体システムに関し、より具体的には、このようなシステムの試薬などの流体を計量するためのシステムおよび方法に関する。

様々な研究において、化学的または薬理学的反応を促進するためなど、ある場所から別の場所への流体の計量に依存する医療、産業、および商業状況のシステムを用いることができる。例えば、液体の形態の流体は、正確に測定された増分または単位である場所から別の場所に移動される必要があり得るか、または正確な用量および正確な時間枠で反応チャンバに加えられる必要があり得る。このような操作の規模は、実験室または研究状況におけるマイクロ流体規模から、製造または生産状況などの産業規模に及び得る。

多くの場合、流体輸送（マイクロおよびマクロ寸法で）は、流体を機械的作用によって移動させる機械的ポンピングに依存する。状況が機械的ポンピングを好まない場合は、油圧誘導流またはガス圧力駆動流を使用することが可能である。しかし、油圧流体輸送は、典型的には、流体流路の高レベルの設計を必要とし、重力が存在しないマイクロ寸法を取り扱うためには適していない。ガス圧力駆動流は柔軟性があり、大部分はサイズに依存しないが、このようなガス駆動型の手法の制約は、容積計量が流れの制御バルブの流量の検出および／またはタイミング精度に依存することである。

国際公開第２０１３／１２６６８５Ａ１号

一実施態様では、流体輸送システムが提供される。この実施態様によれば、流体輸送システムは、圧力源と、液体およびガスの第１の画分で加圧される第１の容積を有するリザーバ圧力容器であって、第１の画分は、流体輸送システムが使用されているときに経時的に変化するリザーバ圧力容器と、液体およびガスの第２の画分で加圧される第２の容積を有する計量圧力容器であって、第２の画分は、流体輸送システムが使用されているときに経時的に変化する計量圧力容器と、出口とを含む。第１の遮断可能な流路は、開いたときにリザーバ圧力容器と計量圧力容器を接続する。第２の遮断可能な流路は、開いたときに計量圧力容器と出口を接続する。

さらなる実施態様では、流体を輸送するための方法が提供される。この方法によれば、加圧ガスが、リザーバ圧力容器に注入される。リザーバ圧力容器と計量圧力容器との間のアクセスを制御する第１のバルブが開かれると、リザーバ圧力容器からの流体の一部は、圧力がリザーバ圧力容器と計量圧力容器との間で平衡になるまで、または第１の目標圧力に達するまで計量圧力容器に流れる。第１のバルブが閉じられ、計量圧力容器からの出口へのアクセスを制御する第２のバルブが開かれると、計量圧力容器の流体の一部は、圧力が計量圧力容器と目標または周囲圧力との間で平衡になるまで、または第２の目標圧力に達するまで出口に流れる。第１のバルブおよび第２のバルブを開くステップは、流体の目標容積が出口を通って分配されるまで交互に繰り返される。

追加の実施態様では、チップベースの流体輸送システムが提供される。この実施態様によれば、チップベースの流体輸送システムは、入口接続部または圧力生成チャンバ、リザーバ接続部、および出口接続部の１つまたは複数を有する流体流路を備えるチップ基板と、リザーバ接続部と入口接続部または圧力生成チャンバとの間の流体流路に沿った流れを制御する第１のバルブと、リザーバ接続部と中間チャンバとの間の流体流路に沿った流れを制御する第２のバルブと、中間チャンバと出口接続部との間の流体流路に沿った流れを制御する第３のバルブとを含む。特定の実施態様では、リザーバ接続部および中間チャンバを介して接続されたリザーバの一方または両方は、チップ基板に対応するチップに、またはチップから離れて設けられてもよい。

本発明のこれらの、ならびに他の特徴、態様および利点は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解されよう。添付の図面では、図面の全体にわたって、類似する符号は類似する部分を表す。

本開示の態様による、流体輸送の第１のステップにおける流体輸送システムを概略的に示す図である。 本開示の態様による、流体輸送の第２のステップにおける流体輸送システムを概略的に示す図である。 本開示の態様による、流体輸送の第３のステップにおける流体輸送システムを概略的に示す図である。 本開示の態様による、並列流体流路を有する図１〜図３の流体輸送システムの代替の実施態様を示す図である。 本開示の態様による、第２の圧力源を有する図１〜図３の流体輸送システムの代替の実施態様を示す図である。 本開示の態様による、流体輸送システムの実験セットアップを示す図である。 本開示の態様による、ミアンダ形状の計量圧力容器（例えば、空気ばね）を有し、チップに製作される図１〜３の流体輸送システムの代替の実施態様を示す図である。 本開示の態様による、流体輸送システムのサイクル数に対する合計分配容積を示すグラフである。 本開示の態様による、流体輸送システムを使用した実際の分配容積に対する理論分配容積を示すグラフである。

以下で、１つまたは複数の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供しようと努力しても、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書に記載することができるというわけではない。エンジニアリングまたは設計プロジェクトなどの実際の実施態様の開発においては、開発者の特定の目的を達成するために、例えばシステム関連および事業関連の制約条件への対応など実施態様に特有の決定を数多くしなければならないし、また、これらの制約条件は実施ごとに異なる可能性があることを理解されたい。さらに、このような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それでもなお本開示の利益を有する当業者にとっては、設計、製作、および製造の日常的な仕事であることを理解されたい。

以下の例のうちの特定のものは、放射性医薬品生成に使用されるシステムを含むマイクロ流体システムの状況で提供されるが、本技術はこのような状況に限定されないことを理解されたい。実際に、このような放射性医薬品の状況における例および説明の提供は、現実の実施態様および用途の事例を提供することによって説明を容易にすることに過ぎない。しかし、本手法はまた、産業および製造環境、実験室および研究環境などの他の状況において利用されてもよい。一例として、１０μｌ〜２ｍｌ（またはそれ以上）の範囲の液体容積は、記載された方法で輸送されてもよく、以下に記載されるバルブ操作の正確なタイミング制御なしに２％〜５％の精度で計量されてもよい。

本技術の適切な使用の例は、限定はしないが、ポジトロン断層法（ＰＥＴ）用トレーサの合成のための放射性医薬品プラットフォームにおける用途、より一般的には、表面効果が質量効果より優位である（すなわち、結合数＜＜１＆ウェーバー数＜＜１である）チャネルおよび構造においてマイクロリットル〜数百μｌを取り扱う実施態様のような、一般的な「ラボオンチップ」の状況における用途を含む。適切な状況の２つの例は、超疎水性または親水性表面を有するラボオンチップの実施態様を含む。同様に、本手法は、１ｍｌ〜数百ｍｌの範囲の容積を計量することができる、現場分析機器での使用のための軽質液体炭化水素ポンピングおよび計量システムの分野での使用に適することができ、低エネルギー要求およびＡＴＥＸ１または同様の爆発リスクを有する用途での使用に適することができる。そのような用途では、開示される手法は、リットルから数千リットルの範囲の容積を計量するために使用する代わりにスケールアップされてもよい。他の用途は、直接エネルギー変換ならびに／または熱およびエネルギーハーベスティングにおける使用を含むことができる。さらに他の用途では、本手法は、容積式ポンプを使用して容積を計量する機械を浄化する必要性を回避するために（すなわち、容積式ポンプは不要）、食品または製薬業界での使用に適し得る。さらに、本手法は、血液もしくは泥のような多相組成物（例えば、液体−固体または液体ガス）、または液体−液体組成物の試料の移動を含む使用に適し得る。

前述を念頭において、本手法は、流体（例えば、液体）をある場所から別の場所にポンプ輸送する機械的ポンピングを利用しない流体輸送手法に関する。さらに、この手法は、流量検出を伴わずに流体の正確な計量を可能にするが、いくつかの実施態様では、圧力検出が用いられてもよい。したがって、流体は、特定の実施態様では、リザーバ圧力容器または計量圧力容器の一方または両方の圧力の監視に頼ることなく、時間依存制御なしに計量することができる。あるいは、圧力が計量操作の一部として平衡になるようにされる場合（例えば、バルブ作動事象の間）、圧力の平衡化後に各容器の圧力および流体の移動量が既知であるため、バルブタイミングも圧力監視も用いなくてもよい。一実施態様では、流体の正確な計量は、リザーバ圧力容器と出口との間の経路に配置された介在する計量圧力容器（すなわち、中間空気ばねチャンバ）の使用によるリザーバ圧力容器と出口の分離によって達成される。

一例として、この手法による流体輸送システムは、４つの異なる機能ブロックまたは構成要素、すなわち、圧力源、リザーバ圧力容器、計量圧力容器、および出口を含むことができ、これらのいくつかは、開位置と閉位置との間で作動可能なバルブを用いる経路のような遮断可能な流路によって接続される。１つのそのような実施態様では、リザーバ圧力容器は、出口から計量される液体の既知の初期充填率を有する。リザーバ圧力容器と計量圧力容器の両方は、既知の容積を有する。操作中、これらの圧力容器は、計量される液体およびガスの異なる画分で異なる時間に加圧される。実際には、圧力容器の各々の初期および動的圧力は既知であり、圧力源と出口の両方に関連する圧力もまた既知である。

例えば、以下により詳細に説明するように、部分的に液体で満たされたリザーバ（すなわち、リザーバ圧力容器）は、単一の個別の（例えば、初期の）加圧ステップを介して、または専用のもしくは別個の加圧ラインを介するような、連続的に制御された方法によりガスで加圧されてもよい。リザーバ内の加圧ガスは、目標または平衡圧力がリザーバと中間チャンバとの間に確立されるまで、リザーバから液体を計量圧力容器（すなわち、中間チャンバまたは空気ばね）に移動させる。一実施態様では、中間チャンバへの流入路を閉じ、中間チャンバから減圧または周囲圧力の領域への流出路を開くことによって、計量された量の液体が中間チャンバから出口を通って輸送される。このようにして、汚染を防止するような閉鎖システムとすることができる流体輸送を達成するために、複雑性の低い（潜在的に安価なまたは使い捨ての）プラットフォームを製造することができる。

一例として、図１〜図３は、１つの本手法による流体輸送システム１００の概略的な例を示す。図１〜図３に関して記載されたシステム１００は、産業規模の生産を含む、マイクロ流体またはマクロ流体レベルで操作することができる。図示のシステム１００は、閉鎖システム１００に加圧ガスを注入するかまたは他の方法で加えるように構成される空気圧力源１０２（または他のガス圧力源）を含む。ガス圧力は、不連続な間隔で（例えば、経路１３０を介して、その共有部分は、加圧ステップでのガス流入および流体流ステップでの流体流出に用いられる）、または連続的に（例えば、供給源１０２からのガス圧力を連続的にまたは必要に応じて容器１０４に加えることができる専用の別個のガスラインを構成する代替の経路１３２（点線で示される）を介して）リザーバ圧力容器１０４などに加えることができる。後述するように、圧力源１０２は、システム１００の外部にあってもよいし、またはガスの直接加熱、膜の移動、化学的または電気化学的反応などによって圧力を生成する内部機構など、システム１００の内部にあっても、もしくはシステム１００に備わっていてもよい。

リザーバ圧力容器１０４（例えば、バイアルまたは他の流体チャンバなどの流体リザーバ）は、最初に、反応または混合チャンバなどに、計量されてまたは他の方法で制御されて出力される流体１０６（例えば、液体）で完全にまたは部分的に満たされる。特定の実施態様では、流体１０６は、非線形およびヒステリシス挙動を有する液体である。リザーバ圧力容器１０４の充填率は、最初に分かっている。計量圧力容器１０８（すなわち、空気ばねまたは中間チャンバ）が、リザーバ圧力容器１０４と流体出口１１０との間に設けられる。リザーバ圧力容器１０４および計量圧力容器１０８は、各々既知の容積であり、本明細書で説明するように、操作中の異なる時間に、液体およびガスの異なる画分で各々加圧される（すなわち、各圧力容器のそれぞれの画分は、操作中に経時的に変化する）。さらに、単一のリザーバ圧力容器１０４および計量圧力容器１０８が、参照図において簡略化のために示されているが、実際には、これらの容器のいずれかまたは両方の複数が設けられてもよく、そのような状況で直列または並列構成で配置されてもよい。

これを念頭において、圧力源１０２および出口１１０に関連する圧力は、既知であり、同様に、圧力容器１０４、１０８の各々の初期および動的圧力は、本手法によって既知である。本明細書で説明されるように、圧力源１０２、リザーバ圧力容器１０４、計量圧力容器１０８、および出口１１０の各々は、異なる機能を果たし、別個の別々の機能ブロックと考えることができる。

中間チャンバ（すなわち、空気ばね）１０８および／または流体流路の接続配管の幾何学的形状（形状、寸法など）は、輸送される流体１０６の特性（例えば、表面張力）に基づいて、液体およびガス相の明確な分離をサポートするように構成または選択されてもよい。例えば、マクロ流体の実施態様の場合、重力の影響に適した配管および計量圧力容器１０８の一方または両方の寸法および／または幾何学的形状を選択することができる。逆に、マイクロ流体の実施態様の場合、毛管力の影響に適した配管および計量圧力容器１０８の一方または両方の寸法および／または幾何学的形状を選択することができる。一例として、一実施形態では、計量圧力容器１０８は、マイクロ流体特性（表面対容積比、液体の表面エネルギーの優位性、液体の非圧縮性、流体流路における浮力効果など）をサポートする幾何学的寸法を有する。

図示の例では、リザーバ圧力容器１０４と計量圧力容器１０８との間の１つの遮断可能な流路、および計量圧力容器１０８と出口１１０との間の１つの遮断可能な流路のような、少なくとも２つの遮断可能な流路が設けられる。圧力源１０２とリザーバ圧力容器１０４との間、および／または圧力源１０２（または別個の圧力源）と計量圧力容器１０８との間のような追加の遮断可能な流路もまた、２つ以上のチャネルが加圧ガスおよび／または計量された液体の移動のために存在することができるように、例えば並列に設けられてもよい。

一例として、参照図では、３つのバルブが上記の構成要素の間の流路に沿って配置される：圧力源１０２とリザーバ圧力容器１０４との間の第１のバルブ１２０、リザーバ圧力容器１０４と計量圧力容器１０８との間の第２のバルブ１２２、および計量圧力容器１０８と出口１１０との間の第３のバルブ１２４。いくつかの実施態様では、第１、第２、および第３のバルブ１２０、１２２、１２４の一部またはすべては、少なくとも作動および通常（または休止）位置の間で作動させることができる方向性バルブまたは方向制御バルブである（例えば、２つのポートと２つの位置を有する２／２バルブ）。加えて、図１は、別個の圧力ライン１３１が、流体１０６が流れる流体経路のいずれも共有することなく圧力源１０２とリザーバ圧力容器１０４を接続し、したがって流体流を妨害することなく圧力ライン１３１を離散的ではなく連続的に使用することを可能にする代替の構成を示す。適切なバルブの例は、限定はしないが、凍結バルブ、ピンチバルブ、圧力バリアバルブ、ロータリバルブ、バブルバルブ、静電バルブ、または圧電バルブを含む。

上述したように、参照図は、圧力源１０２からの加圧ガスおよびリザーバ圧力容器１０４からの液体が流れる共有流路セグメントを示すものとして示されており、リザーバ圧力容器１０４が計量操作中に１回（すなわち、最初に）加圧される実施態様に適し得る。しかし、他の実施態様では、ガスは、別個のライン（すなわち、別個の圧力ライン１３１）によってリザーバ圧力容器１０４に供給されてもよく、それによりリザーバ圧力容器１０４の圧力は、単一の離散的な初期加圧事象とは対照的に、連続的に制御（または複数回充填）することができる。

前述の構造を念頭において、図１は、測定された用量または量の流体１０６が出口１１０を介して反応または混合チャンバに出力される計量操作の例の第１のステップを示す。このステップでは、第２のバルブ１２２が閉じられている間は第１のバルブ１２０が開いており、あるいは、圧力が圧力ライン１３１を介して導入される。リザーバ圧力容器１０４は、規定または既知の液体または液体およびガスの容積で満たされており、これは既知の増分で計量された液体１０６により操作中に既知のままである。図示の例では、リザーバ圧力容器１０４およびリザーバ圧力容器１０４への入口は、重力などによって、液体１０６が操作中に入口を取り囲むかまたは覆うように配向される（例えば、直立する）。操作のこの段階で、計量圧力容器１０８および出口１１０は、周囲圧力（ｐ_ａ）においてガスで満たされる。

図１に示す操作ステップにおいて、ガス圧力源１０２は、周囲圧力ｐ_ａより大きい入口または初期リザーバ圧力（ｐ_ｉｎ）を生成するように作動される。第１のバルブ１２０が開いており、第２のバルブ１２２が閉じているので、加圧ガスは、圧力源１０２から第１のバルブ１２０を通ってリザーバ圧力容器１０４へと開いた流体経路（流路を矢印で示す、セグメント１３０として示される）を通って流れ、リザーバ圧力容器１０４のガス容積１２８を入口圧力ｐ_ｉｎに圧縮する。上述したように、他の実施態様では、加圧ガスは代わりに、別個の専用の圧力ライン１３１によって圧力源１０２からリザーバ圧力容器１０４に供給することができる。そのような実施態様では、リザーバ圧力容器１０４のガス圧力は、圧力源によって一定に保持されてもよいが、本明細書で説明される他の実施態様では、リザーバ圧力容器１０４のガス圧力は、圧力容器のガス容積が増加するにつれて減少してもよい。

図に戻って、図示の実施態様では、リザーバ圧力容器１０４への１つの配管のみが利用可能な場合に画分の流れ（すなわち、ある割合のガスと液体の両方の流れ）を防止するために、リザーバ圧力容器１０４は、所与の流体（すなわち、液体）移送操作のために１回だけ加圧され、ガス圧力源１０２への流体経路は、初期加圧事象の後に閉じられる。したがって、このような例では、リザーバ圧力容器１０４がｐ_ｉｎで加圧されると、第１のバルブ１２０が閉じられる。さらに、用いられる加圧ガスは、操作パラメータに関連し得る。例えば、高い溶解度を有するＣＯ_２のようなガスは、多くのガスプラグを低い溶解度を有するＮ_２よりも下流の流体経路に（圧力が低下するため）形成する。

この例では、図２を参照すると、第１のバルブ１２０が閉じられた後、第２のバルブ１２２が開かれる。第３のバルブ１２４は、第２のバルブ１２２を開く前は閉じたままである（または閉じている）。第２のバルブ１２２が開かれると、リザーバ圧力容器１０４のガス容積１２８は、開いた流体流路（流路を矢印で示す、セグメント１３２）を通して計量圧力容器１０８（すなわち、空気ばね）に流体１０６（例えば、計量される液体）を移動させることによって減圧することができ、それにより計量圧力容器１０８は、流体１０６の移動した容積１４０を収容する。計量圧力容器１０８のガス容積１４２は、リザーバ圧力容器１０４のガス容積１２８および計量圧力容器１０８のガス容積１４２が入口圧力ｐ_ｉｎよりも小さい同じ圧力ｐ_１で平衡状態に達するまで、移動した流体１４０によって捕捉および圧縮される。以下により詳細に説明するように、この相互接続は、リザーバ圧力容器１０４および計量圧力容器１０８のガス分子の初期量ｎによって、および等温減圧／圧縮の仮定に基づいて計算することができる。この関係はまた、計量圧力容器１０８内の液体の量（すなわち、容積１４０）を規定するために使用することができる。したがって、チャンバ間の液体輸送の際の液体輸送ベースのこのステップはまた、計量ステップでもある。理解されるように、この計量は、計量または流量センサを使用せずに実行されてもよい。ｐ_１における平衡状態に達すると、第２のバルブ１２２が閉じられる。

理解されるように、平衡圧力ｐ_１は、周囲圧力ｐ_ａより大きい。したがって、図３を参照すると、第２のバルブ１２２が閉じられ、第３のバルブ１２４が開かれると、計量圧力容器１０８（すなわち、空気ばね）のガス容積１４２が減圧され、流体１０６の容積１４０を開いた流体経路（流路を矢印で示す、セグメント１３４）を通して出口１１０から流出させる。減圧は、計量圧力容器１０８と出口チャンバとの間で、推定上、周囲圧力ｐ_ａでガス圧力が平衡になるまで行われる。示されているように、計量圧力容器１０８のガス１４２の減圧は、出口ライン１１０からの流体１０６の用量または量１４０を、反応または混合チャンバなどに推進させる。

第２のバルブ１２２を閉じて第３のバルブ１２４を開く１回の反復の後、リザーバ圧力容器１０４のガス圧力は、依然として周囲圧力ｐ_ａより大きいｐ_１のままである。これを念頭において、特定の実施態様では、周囲圧力が計量圧力容器１０８に戻された後、第３のバルブ１２４が再び閉じられ、第２のバルブ１２２が再び開かれ、リザーバ圧力容器１０４と計量圧力容器１０８との間の流体流路を回復させることができる。ｐ_１のリザーバのガス容積１２８は、周囲圧力ｐ_ａで中間チャンバに対して再び減圧することができ、それにより、新しい平衡圧力ｐ_２（ｐ_１未満であるがｐ_ａより大きい）がリザーバ圧力容器１０４と計量圧力容器１０８の両方において得られるまで、より多くの流体１０６を計量圧力容器１０８に押し込む。この例では、第２のバルブ１２２を再び閉じて、第３のバルブ１２４を開いて、次に計量圧力容器１０８の流体１０６を排出することができ、第２のバルブ１２２と第３のバルブ１２４を交互に開閉するこのプロセスは、周囲圧力または目標圧力（流体１０６の目標容積の輸送に関連する圧力など）のいずれかがリザーバ圧力容器１０４に達するか、または流体１０６の目標体積または質量が出口１１０から計量されるまで、設定された回数繰り返すことができる。

このようにして、リザーバ圧力容器１０４と計量圧力容器１０８との間の段階的な圧力減少（およびそれに伴う液体１０６のポンピング容積１４０の減少）は、出口に接続されたチャンバの単純な減圧のような同じ挙動に従うが、離散的なステップで行われる。この説明から、圧力源１０２からの加圧ガスによるリザーバの初期プライミングのたびに、流体１０６の放出の一連の反復またはサイクルは、第２のバルブ１２２と第３のバルブ１２４の交互の開放によって達成することができ、リザーバ内の初期圧力ｐ_ｉｎが周囲圧力ｐ_ａ、またはいずれかの他の目標圧力まで徐々に減少する（ｐ_１、ｐ_２、など）ので、反復ごとに流体１０６の輸送量が少なくなることが理解されよう。使用済みの液体、ガス容積の事前設定、初期圧力および温度測定値を知ることによって、分配容積を計算することが可能である。以下でより詳細に説明するように、第２および第３のバルブ１２２、１２４の開放が交互に反復されるごとに（単一の加圧事象のために）流体１０６の放出容積が減少することを考慮すると、各反復に関連する境界条件に影響を及ぼすことを考慮した式を採用することができる。

前述は、圧力平衡を用いて流体流量を制御し、流体流量を計量する実施態様に関する。このような手法では、バルブ操作の正確なタイミングなしに、流量センサを使用せずに、圧力センサを使用せずに、正確な計量を行うことができる。しかし、他の実施態様では、リザーバ圧力容器１０４および／または計量圧力容器１０８の一方または両方の圧力を測定し、測定された圧力に基づいてバルブ１２０、１２２、１２４の１つまたは複数の操作を制御するために圧力センサ１３６（図３に例として示す）を使用することが有用であり得る。そのような実施態様は、圧力センサ１３６を利用する点である程度の複雑さが加えられ得るが、平衡圧力以外の圧力に基づいて流体１０６の計量を制御する柔軟性などの特定の利点を提供することもできる。

前述は単一の流体流路を説明しているが、複数の流体流路をリザーバ圧力容器１０４の下流に設けて、交互の操作で出口１１０から流体１０６をより連続的に排出することができるようにしてもよいことが理解されよう。一例として、図４は、リザーバ圧力容器１０４と出口１１０との間の一対の並列流路（すなわち、ＡおよびＢ）の経路を示す。そのような実施態様では、リザーバ圧力容器１０４が周囲圧力にあるか、または所望の用量または量の流体１０６が出力されるまで、別個の並列流路を交互に操作することができる。

さらに、図５を参照すると、特定の実施形態では、圧力源１０２または第２のガス圧力源１０２Ｂ（図示）のいずれかが計量圧力容器１０８に接続されてもよい。そのような実施態様では、圧力源１０２、１０２Ｂからの圧力を加えて、計量圧力容器１０８からの流体１０６の排出を容易にすることができる。そのような加えられた圧力は、本明細書で説明される流れ機構に加えて、またはその代わりにしてもよく、および／または計量操作の終了時にパージ機構として使用されてもよい。

前述を念頭において、図６は、実現可能性を実証するために構成された実験セットアップの例を示す。この実験セットアップでは、バイアルをリザーバ圧力容器１０４として用いて、針をバイアルに挿入してセットアップの残りの部分と流体連通を確立した。ある長さの配管１５２が、計量圧力容器１０８（すなわち、空気ばね）として用いられた。圧力源、バイアル１５０、配管１５２、および出口を接続するために、手動で操作されるバルブおよび配管を使用した。

図７を参照すると、一実施態様では、本手法は、コンパクトなラボオンチップまたは他の使い捨て媒体構成物として製作することができる。図示の例では、使い捨ておよび／または取り替え可能なチップ１６０は、出口１１０を介して外部圧力源１０２、外部リザーバ圧力容器１０４、および／または外部反応または混合チャンバの１つまたは複数に接続するためのポートまたは他の接続インターフェースを提供する。あるいは、いくつかの実施形態では、圧力生成機構は、チップ１６０自体の一部として提供されてもよく、例えば、予め格納された圧力のチップ１６０の製作されたチャンバ内での供給、および／またはチップ１６０のチャンバまたは一部を加熱することによって提供される圧力生成、チップ１６０で行われる化学反応、チップ１６０で行われるポリマー膨潤反応などである。

さらに、このようなオンチップの実施態様では、計量圧力容器１０８は、示されているように閉じたチャンバとして、あるいは、蛇行またはミアンダ形状の閉じた経路１６２として設けられてもよい。一例として、オンチップセットアップの一実施態様では、チップ１６０に接続されたリザーバチャンバ１０４は、初期ガス容積（例えば、９００μｌ）を有するバイアルであってもよく、空気ばね１０８は、１００μｌの初期ガス容積を有するミアンダ形状の経路であってもよい。

前述は、異なる実施態様の様々な構造的態様に関するものであるが、以下の説明は、２つの解析的および実験的結果、ならびに本手法による流体輸送の性能に関する簡略解法の両方に関する。図８を参照すると、流体移送機構のサイクル数に対するμｌ（ｙ軸）での流体１０６の分配容積の合計を示すグラフ１７０が示されている（例えば、各サイクルは、第２のバルブ１２２と第３のバルブ１２４を交互に開くサイクルに対応する）。この例では、計量圧力容器１０８は、３０μｌの初期ガス容積１４２を有する配管であった。リザーバチャンバ１０４は、Ｈ_２Ｏで満たされ、５００μｌの初期ガス容積１２８を有するバイアル１５０であった。バイアル１５０は、最初に２バールのＮ_２ガスで（圧力源１０２によって）加圧された。グラフ１７０に示すように、加圧リザーバ圧力容器１０４と周囲圧力との間で圧力が平衡になるにつれて、分配された流体１０６の容積が先細になる。

これを念頭において、流体１０６の分配容積の合計は、以下の解析式によって表すことができる：
（１）

式中、ｎは、物質量（モル）であり、ｐは、圧力であり、Ｖは、容積であり、Ｓは、空気ばね（すなわち、計量圧力容器１０８）に対応する指数であり、Ｒは、リザーバ圧力容器１０４に対応する指数であり、ｄは、出口１１０から分配される流体の容積に対応する指標である。さらに：
（２）

式中、Ｔは、温度である。

これを念頭において、図９は、実験的に測定された分配容積（ｘ軸）に対する解析的に導出された（すなわち、理論的な）分配容積（ｙ軸）をプロットするグラフ１８０を示す。このプロットでは、「多項式」と示されるデータ点は、実験データの回帰曲線またはフィッティングに対応する。「解析式」と示されるデータ点は、１３１μｌの一定のオフセットを使用して、式（１）および（２）を用いて計算された値に対応する。ｘ軸上の４５０μｌのプロットされたデータでは、実験データに測定誤差が存在し、フィットが減少したことに留意されたい。しかし、一般的に、これらの測定誤差がなければ、理論的データおよび測定データは、フィットラインについて±５０μｌの範囲内に密接に適合する。

これらの結果は、本手法を使用して得られ、表１に示す他の流体輸送結果と一致する。これらの結果では、チップセットアップを用いた最終的な分配容積の精度を判定するために、異なる液体を試験した。対象の容積についての精度を、表１に示す。すべての境界条件を用いた後続の実験は、実際の値の２％〜５％内の精度を示した。

本発明の技術的効果は、アクチュエータの正確な移動を必要とせずに、流路内でほとんどまたは全く検出しない流体輸送を含む。特定の実施態様では、流体リザーバのガス相が圧力源によって圧縮され、バルブを中間導管に開くなどして圧力を解放すると、流体が中間チャンバに移動する。その流体経路を閉じ、周囲温度でチャンバへの異なる流体経路を開くと、流体がチャンバに移動される。

本明細書は、最良の様式を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実行を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１００ 流体輸送システム、閉鎖システム
１０２ ガス圧力源、外部圧力源、供給源
１０２Ｂ 第２のガス圧力源
１０４ リザーバ圧力容器、リザーバチャンバ
１０６ 流体、液体
１０８ 計量圧力容器、空気ばね
１１０ 流体出口、出口ライン
１２０ 第１のバルブ
１２２ 第２のバルブ
１２４ 第３のバルブ
１２８ ガス容積
１３０ 経路、セグメント
１３１ 圧力ライン
１３２ 経路、セグメント
１３４ セグメント
１３６ 圧力センサ
１４０ 流体、ポンピング容積、容量または量
１４２ ガス容積
１５０ バイアル
１５２ 配管
１６０ チップ
１６２ 蛇行またはミアンダ形状の閉じた経路
１７０ グラフ
１８０ グラフ
ｐ_ａ 周囲圧力
ｐ_ｉｎ 初期リザーバ圧力、入口圧力
ｐ_１ 平衡圧力
ｐ_２ 平衡圧力

Claims (20)

1. 流体輸送システム（１００）であって、
   圧力源（１０２）と、
   液体（１０６）およびガスの第１の画分で加圧される第１の容積（１２８）を有するリザーバ圧力容器（１０４）であって、前記第１の画分は、前記流体輸送システム（１００）が使用されているときに経時的に変化するリザーバ圧力容器（１０４）と、
   前記液体（１０６）および前記ガスの第２の画分で加圧される第２の容積（１４２）を有する計量圧力容器（１０８）であって、前記第２の画分は、前記流体輸送システム（１００）が使用されているときに経時的に変化する計量圧力容器（１０８）と、
   出口（１１０）と
   を備え、
   第１の遮断可能な流路は、開いたときに前記リザーバ圧力容器（１０４）と前記計量圧力容器（１０８）を接続し、
   第２の遮断可能な流路は、開いたときに前記計量圧力容器（１０８）と前記出口（１１０）を接続する、流体輸送システム（１００）。
2. それぞれの流体計量操作のために、前記リザーバ圧力容器（１０４）が、１回だけ加圧される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
3. それぞれの流体計量操作のために、前記リザーバ圧力容器（１０４）が、複数回または連続的に加圧される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
4. 前記第１の遮断可能な流路が、圧力平衡に達する前記リザーバ圧力容器（１０４）および計量圧力容器（１０８）に基づいて開閉される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
5. 前記第２の遮断可能な流路が、圧力平衡に達する前記計量圧力容器（１０８）および前記出口（１１０）に基づいて開閉される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
6. 前記リザーバ圧力容器（１０４）または前記計量圧力容器（１０８）の１つまたは複数の圧力が、１つまたは複数のそれぞれの圧力センサ（１３６）を使用して監視され、前記第１の遮断可能な流路または第２の遮断可能な流路の一方または両方の開または閉状態が、前記監視された圧力に基づいて判定される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
7. 前記計量圧力容器（１０８）が、前記圧力源（１０２）または二次圧力源（１０２Ｂ）によって加圧されたときに排出されるように構成される、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
8. 前記圧力源（１０２）が、化学またはポリマー膨潤反応、加圧ガスの密閉チャンバの開放、またはガスで満たされたチャンバもしくは容器の加熱の１つまたは複数によって圧力を生成する、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
9. 前記第１の遮断可能な流路および第２の遮断可能な流路の一方または両方が、方向制御バルブを備える、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
10. 前記第１の遮断可能な流路および前記第２の遮断可能な流路の一方または両方が、凍結バルブ、ピンチバルブ、圧力バリアバルブ、ロータリバルブ、バブルバルブ、静電バルブ、または圧電バルブを備える、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
11. 前記計量圧力容器（１０８）と並列に操作するように構成された１つまたは複数の追加の計量圧力容器（１０８）をさらに備える、請求項１に記載の流体輸送システム（１００）。
12. 流体（１０６）を輸送するための方法であって、
    加圧ガスをリザーバ圧力容器（１０４）に注入することと、
    前記リザーバ圧力容器（１０４）からの流体（１０６）の一部が、圧力が前記リザーバ圧力容器（１０４）と計量圧力容器（１０８）との間で平衡になるまで、または第１の目標圧力に達するまで前記計量圧力容器（１０８）に流れるように、前記リザーバ圧力容器（１０４）と前記計量圧力容器（１０８）との間のアクセスを制御する第１のバルブ（１２０）を開くことと、
    前記計量圧力容器（１０８）の前記流体（１０６）の一部が、圧力が前記計量圧力容器（１０８）と目標または周囲圧力（ｐ_ａ）との間で平衡になるまで、または第２の目標圧力に達するまで出口（１１０）に流れるように、前記第１のバルブ（１２０）を閉じ、前記計量圧力容器（１０８）からの前記出口（１１０）へのアクセスを制御する第２のバルブ（１２２）を開くことと、
    前記流体（１０６）の目標容積が前記出口（１１０）を通って分配されるまで、前記第１のバルブ（１２０）および第２のバルブ（１２２）を開く前記ステップを交互に繰り返すことと
    を含む、方法。
13. 加圧ガスを前記リザーバ圧力容器（１０４）に注入する前記ステップが、それぞれの流体計量操作のために加圧ガスを前記リザーバ圧力容器（１０４）に１回だけ注入することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 加圧ガスを前記リザーバ圧力容器（１０４）に注入する前記ステップが、前記それぞれの流体計量操作のために加圧ガスを前記リザーバ圧力容器（１０４）に複数回または連続的に注入することを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記出口（１１０）への前記計量圧力容器（１０８）の前記流体（１０６）の流出を容易にするために、追加の加圧ガスを前記計量圧力容器（１０８）に注入することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 加圧ガスを注入することが、外部圧力源（１０２）を作動させること、化学またはポリマー膨潤反応を開始すること、加圧ガスの密閉チャンバを開くこと、またはガスで満たされたチャンバまたは容器を加熱することの１つまたは複数を含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記第１のバルブ（１２０）と第２のバルブ（１２２）を交互に開く前記ステップが、前記リザーバのガス圧力が前記目標または周囲圧力（ｐ_ａ）と実質的に等しくなるまで繰り返される、請求項１２に記載の方法。
18. 入口接続部または圧力生成チャンバ、リザーバ接続部、および出口接続部の１つまたは複数を有する流体流路を備えるチップ基板と、
    前記リザーバ接続部と前記入口接続部または圧力生成チャンバとの間の前記流体流路に沿った流れを制御する第１のバルブ（１２０）と、
    前記リザーバ接続部と中間チャンバとの間の前記流体流路に沿った流れを制御する第２のバルブ（１２２）と、
    前記中間チャンバと前記出口接続部との間の前記流体流路に沿った流れを制御する第３のバルブ（１２４）と
    を備える、チップベースの流体輸送システム（１００）。
19. 前記圧力生成チャンバが、前記チップ基板に形成される、請求項１８に記載のチップベースの流体輸送システム（１００）。
20. 前記圧力生成チャンバが、加圧ガスの密閉チャンバ、または化学もしくは重合反応のための反応もしくは重合チャンバを備える、請求項１９に記載のチップベースの流体輸送システム（１００）。