JP2022539651A - マイクロ流体検出ユニット及び流体検出方法 - Google Patents

マイクロ流体検出ユニット及び流体検出方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つの流体注入領域、流体貯蔵領域及び検出領域を含むマイクロ流体検出ユニットが提供される。各流体注入領域は流体出口を有し、流体貯蔵領域は大気環境に気体連通するとともに、流体入口を有する。検出領域は、流体出口に連通する第１端及び流体入口に連通する第２端を有する。流体出口と流体入口との間に重力方向に沿って高低差が形成されることで、流体出口での重力ポテンシャルエネルギが流体入口での重力ポテンシャルエネルギよりも大きい。少なくとも１つの流体注入領域から第１流体を注入し、第１流体は、重力作用によって検出領域を通過して流体入口で集まって液滴を形成し、このときに、流体出口から液滴の液面相と同じ高さの位置までの第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となる。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ流体検出ユニットに関し、特に流体を駆動して検出するために駆動装置を別途に設ける必要がないマイクロ流体検出ユニットに関する。本発明は、流体検出方法も提供する。
バイオテクノロジー又は医学の分野では、特定の成分、分子又は目標分析物を含む流体サンプルを検出する必要がある場合が多い。上記液体サンプルの検出は、ほとんど液体の特性及び発生する生化学又は化学反応によって判断される。科学技術の進歩に伴い、マイクロ流体技術は徐々に活発に発展し、流体サンプルの検出に広く使用されてきた。マイクロ流体技術を利用して流体サンプルを検出することにより、必要な流体サンプル及び測定設備の体積を大幅に減少できる。しかし、素子内のマイクロ流路に流体サンプルを流すために、一般的なマイクロ流体検出素子には、真空ポンプ、電源、その他の空気圧装置などの流体駆動源として外部駆動装置を増設する必要がある。外部駆動装置が作動できなくなると、マイクロ流体検出素子の機能を喪失し、使用に不便である。
また、現在、ほとんどのマイクロ流体検出素子は使い捨ての設計を採用している。このようなマイクロ流体検出素子は一度の検出が終われば、これ以上使用できなくなり、新しいマイクロ流体検出素子を頻繁に交換する必要があるため、流体検出コストと検出時間が大幅に増加する。
そこで、上記問題を改善できるマイクロ流体検出素子の開発は、課題となっている。
本発明は、駆動装置がない状態で重力作用により流体を駆動して検出できるとともに、複数回の流体注入検出を行うことができるマイクロ流体検出ユニットを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のマイクロ流体検出ユニットは、基材を含み、基材は、それぞれ流体出口を有する少なくとも１つの流体注入領域と、大気環境に気体連通するとともに、流体入口を有する流体貯蔵領域と、第１端連通至流体注入領域の流体出口に連通する第１端、及び流体貯蔵領域の流体入口に連通する第２端を有する検出領域と、を含み、流体注入領域の流体出口での重力ポテンシャルエネルギが流体貯蔵領域の流体入口での重力ポテンシャルエネルギよりも大きいように、流体注入領域の流体出口と流体貯蔵領域の流体入口との間には、重力方向に沿って高低差が形成され、少なくとも１つの流体注入領域から第１流体が注入され、第１流体が重力作用によって検出領域を通過して流体貯蔵領域の流体入口で集まって液滴を形成したときに、流体出口から液滴の液面と同じ高さの位置までの第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となる。
本発明の一実施例において、少なくとも１つの流体注入領域は、第１流体注入領域及び第２流体注入領域を含み、第１流体注入領域は、第１管路を介して検出領域の第１端に連通し、第２流体注入領域は、第２管路を介して検出領域の第１端に連通する。
本発明の一実施例において、第２流体注入領域の流体出口は、重力方向において第１流体注入領域の流体出口よりも高い。
本発明の一実施例において、第２管路の断面直径は、第１管路の断面直径よりも高い。
本発明の一実施例において、第２管路は、第１管路に連通し、第２流体注入領域は、第２管路及び第１管路を介して検出領域の第１端に連通する。
本発明の一実施例において、流体出口定義流体緩衝領域，流体緩衝領域位於流体注入領域與流体出口之境界。
本発明の一実施例において、流体緩衝領域は、柱状空間若しくは球状空間の少なくとも一部又は曲面構造である。
本発明の一実施例において、流体緩衝領域内に多孔質材料が設けられる。
本発明の一実施例において、多孔質材料は、ポリスルホン、セルロースエステル、再生セルロース、ポリエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸ナトリウム塩から選択される１種又は複数種の組み合わせである。
本発明の一実施例において、流体貯蔵領域内には、多孔質材料が設けられ、多孔質材料と、流体貯蔵領域の流体入口との間には、互いに接触しないように隔離領域が形成される。
本発明の一実施例において、多孔質材料は、ポリスルホン、セルロースエステル、再生セルロース、ポリエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸ナトリウム塩から選択される１種又は複数種の組み合わせである。
本発明の一実施例において、流体貯蔵領域には、流体収集領域がさらに設けられ、流体収集領域は、隔離領域と流体入口との間に位置し、流体貯蔵領域に流入する流体量を制御するためのものである。
本発明の一実施例において、流体貯蔵領域には、流体収集領域と隔離領域とを分離するバリア構造がさらに設けられる。
本発明の一実施例において、検出領域には、検出素子が設けられる。
本発明の一実施例において、検出素子は、光導波路素子である。
本発明の一実施例において、光導波路素子は、光ファイバである。
本発明の一実施例において、光ファイバの露出するファイバ芯線の表面にはナノ粒子層が塗布される。
本発明の一実施例において、検出領域には、反応材料が設けられる。
本発明の一実施例において、マイクロ流体検出ユニットは、少なくとも１つの通気管路をさらに含み、
流体貯蔵領域は、少なくとも１つの通気管路を介して大気環境に気体連通する。
本発明の一実施例において、マイクロ流体検出ユニットは、基材の少なくとも一側を覆う少なくとも１つの蓋体をさらに含む。
本発明の一実施例において、検出領域の第１端及び第２端は、重力方向において流体注入領域の流体出口よりも低い。
本発明の一実施例において、流体出口と流体入口との間に重力方向に沿って形成される高低差は０．５～１０ｃｍである。
本発明の流体検出方法は、検出領域、少なくとも１つの流体注入領域、及び流体貯蔵領域を含むマイクロ流体検出ユニットを提供するステップと、少なくとも１つの流体注入領域から第１流体を注入し、第１流体は重力作用によって検出領を通過し、流体貯蔵領域の流体入口で集まって液滴となったときに、少なくとも１つの流体注入領域の流体出口から液滴の液面と同じ高さの位置までの第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となるステップと、検出領域内の第１流体を検出するステップと、を含む。
本発明の一実施例において、流体検出方法は、少なくとも１つの流体注入領域から第２流体を注入することにより、液滴の蓄積量が減少し、第１流体が検出領域から離れるように駆動され、流体出口から液滴の液面と同じ高さの位置までの第２流体が反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となるまで、第２流体が検出領域を通過するステップをさらに含む。
本発明の一実施例において、流体入口に近い位置に多孔質材料が設けられ、多孔質材料が流体入口に接触せず、多孔質材料により液滴の過剰の蓄積量を吸収する。
本発明の一実施例において、流体入口に近い位置に流体収集領域が設けられ、液滴の蓄積量が流体収集領域の容積を超えたときに、液滴が流体収集領域から溢れ出ることで液滴の蓄積量を減少させる。
本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。 本発明のマイクロ流体検出ユニット用いて流体検出を実行するビーム強度変化の模式図である。 本発明の流体検出方法のフローチャートである。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の一である。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の二である。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の三である。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の四である。 本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の後である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の一である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の二である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の三である。 本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の四である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の一である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の二である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の三である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の四である。 本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図の五である。 本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。 本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の構造模式図である。
様々な態様と実施例は例示的であり、限定的ではないので、本明細書を読んだ後、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の態様と実施例を想到することができる。以下の詳細な説明及び特許請求の範囲により、これらの実施形態の特徴及び利点はより明確になる。
本明細書において、「一」又は「１つ」を用いて本明細書に記載の素子及び部品を説明する。これは説明の便宜上、本発明の範囲に一般的な意味を付与するためのものである。したがって、明らかに別の意図がない限り、このような記述は、１つ又は少なくとも１つを含み、単数も複数を含むものとして理解されるべきである。
本明細書において、用語「第１」又は「第２」といった類似の序数語は、主に同一又は類似の素子又は構造を区別し又は指し示すために使用され、空間的又は時間的にこのような素子又は構造の順序を明示するものではない。場合によって、序数語は本発明の実施に影響を与えることなく交換して使用され得る。
本明細書において、「含む」、「有する」、その他これらに類する用語は、排他的でないものを含むことを意図している。例えば、複数の要素を含む素子又は構造は、本明細書に記載されている要素に限定されるものではなく、明示的に記載されていないが、この素子又は構造に一般的に固有の要素を含むことができる。
本明細書において、用語「流体」は、主に特定の成分、分子又は目的分析物を含む流体サンプル、例えば、水サンプル、飲料、乳サンプル、血液、生体液、その他流体状の被検体を指すが、本発明はこれに限定されるものではない。「流体検出」とは、上記流体サンプル中の分析物を検出することを意味する。
図１は、本発明に係るマイクロ流体検出ユニットの実施例１の構造分解図である。図１に示すように、本発明のマイクロ流体検出ユニット１の実施例１において、マイクロ流体検出ユニット１は、基材１００を含む。基材１００は、変形しにくいとともに、製造されやすい硬質材料で作製される。例えば、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ），ＰＭＭＡ）などの塑性材料を使用してもよいが、他の硬質材料を使用してもよい。基材１００は、底面１０１を有する。本実施例において、底面１０１は、実質的に重力方向に垂直な平面、即ち、水平面である。これによって、本発明のマイクロ流体検出ユニット１が流体を検出する過程において、基材１００の底面１０１を別の水平面に置くことにより、本発明のマイクロ流体検出ユニット１の構造及び操作の安定性を保持することができる。底面１０１は、重力方向に非垂直な平面、曲面又は不規則な表面などの設計を採用してもよく、本実施例に限定されない。本実施例において、基材１００は立体的なブロック状基材、例えば、矩形ブロックであってもよく、その寸法が５０＊５０＊１０ｍｍ２であってもよいが、本発明の基材１００の形状及び寸法は上記実施例に制限されない。
本発明のマイクロ流体検出ユニット１は、基材１００の少なくとも片側に覆われる少なくとも１つの蓋体１９０をさらに含んでもよい。蓋体１９０は、基材１００と同じ材質で作製されてもよいが、他の硬質材料又は軟質フィルム材料（例えば、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ，ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ｃｈｌｏｒｉｄｅ，ＰＶＣ）又は類似の材料など）で作製されてもよい。本実施例において、基材１００における流体の流れ及び検出のための流体経路がほとんど基材１００の同一側に設けられ、対向側まで貫通しないため、蓋体１９０を覆蓋於基材１００における流体経路が設けられる側に覆うことができる。これによって、本発明のマイクロ流体検出ユニット１では、元々外部の大気環境に連通する流体注入構造及び通気構造以外、基材１００の流体経路は、ほぼ密閉経路を形成することができるため、流体の駆動及び検出に有利である。しかし、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明の別の実施例において、設置の需要に応じて、基材１００の流体経路を基材１００の片側から対向側まで連通させてもよい。この場合、基材１００の対向する両側を２つ以上の蓋体１９０でそれぞれ覆うことにより、同様に、基材１００の流体経路がほぼ密閉経路を形成する効果を保持することができる。勿論、本発明のマイクロ流体検出ユニット１では、組み合わせて用いられる流体検出装置に応じて蓋体１９０を含まない基材１００を使用してもよい。つまり、蓋体１９０を設けるか否か及び蓋体１９０の数は、基材１００の設置需要に応じて適宜に調整することができる。
図１及び図２を参照されたい。図２は、本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。図１及び図２に示すように、本実施例において、基材１００は、流体注入領域１１０、流体貯蔵領域１２０及び検出領域１３０を含む。検出領域１３０の両端は、それぞれ流体注入領域１１０及び流体貯蔵領域１２０に連通する。つまり、流体注入領域１１０は、検出領域１３０を介して流体貯蔵領域１２０に連通する。
流体注入領域１１０は、自外部から基材１００に注入する流体を受けて一時貯蔵するものである。流体注入領域１１０には、流体出口１１１及び開口部１１３が設けられる。開口部１１３は、基材１００の片側の表面に位置し、外部大気環境に連通する。流体注入領域１１０は、開口部１１３から基材１００の内部に向かって凹んで流体出口１１１まで延在する。流体注入領域１１０が開口部１１３から流体出口１１１に向かって断面積が徐々に小さくなる構造となるように、開口部１１３の断面積は流体出口１１１の断面積よりも大きいことで、流体注入領域１１０内の流体を流体出口１１１へ流動するようにガイドするのに有利である。流体は、流体出口１１１から流体注入領域１１０を離れた後に検出され得る。本実施例において、流体注入領域１１０は、柱状空間、錐状空間又は半球状空間の少なくとも一部（例えば、本実施例において、流体注入領域１１０は半円柱状空間）であってもよく、流体注入領域１１０における流体出口１１１に近い部分は漏斗状（ｆｕｎｎｅｌ ｔｙｐｅ）構造であるが、本発明はこれに限定されない。ここで、流体注入領域１１０における流体出口１１１から底面１０１までの最小距離は流体出口１１１から底面１０１までの垂直距離である。
さらに、本実施例において、流体出口１１１には、流体緩衝領域１１２が設けられる。流体緩衝領域１１２は、流体注入領域１１０と流体出口１１１との境界に位置する。流体緩衝領域１１２によって流体一時貯蔵空間が形成され、流体注入領域１１０に注入された流体は流体出口１１１の流体緩衝領域１１２を流れた後、流体注入領域１１０を離れる。流体注入領域１１０内に残留流体がある場合、残留流体は流体緩衝領域１１２に集まって液滴を形成する。本発明の一実施例において、流体緩衝領域１１２は柱状空間若しくは球状空間の少なくとも一部又は曲面構造（例えば、本実施例において、流体緩衝領域１１２は円柱状空間の一部）であることにより、残留流体の蓄積及び液滴の形成に有利である。
本発明の一実施例において、流体緩衝領域１１２内には、多孔質材料が設けられてもよい。多孔質材料により、可提供検出される流体を濾過するとともに、流体緩衝領域１１２での流体の集合及び一時貯蔵の機能を強化させることができる。ここで、多孔質材料は、ポリスルホン（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ，ＰＳ）、セルロースエステル（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｅｓｔｅｒ，ＣＥ）、再生セルロース（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ，ＲＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，ＰＥＳ）、ポリアリールエーテルスルホン（ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ，ＰＡＥＳ）、ポリビニルアルコール（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ，ＰＶＡ）及びポリアクリル酸ナトリウム塩（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓａｌｔ，ＰＡＡＳ）から選択される１種又は複数種の組み合わせである。
流体貯蔵領域１２０は、検出後の流体を受けて貯蔵するものである。流体貯蔵領域１２０は、外部大気環境と気体連通するように設計される。これによって、基材１００の内部の流体はスムーズに流動することができる。流体貯蔵領域１２０には、流体入口１２１が設けられる。検出後の流体は、流体入口１２１から流体貯蔵領域１２０の内部に入って貯蔵することができる。本実施例において、流体貯蔵領域１２０における流体入口１２１に近い部分は漏斗状の構造を形成し、これによって、流体入口１２１から流体貯蔵領域１２０に入った流体は流体入口１２１に近いところに集まりやすくなるが、本発明はこれに限定されない。流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１から底面１０１までの最小距離は、流体入口１２１から底面１０１までの垂直距離である。
本発明において、流体注入領域１１０の流体出口１１１と流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１との間に、重力方向に沿って高低差が形成される。例えば、底面１０１に対して、流体注入領域１１０の流体出口１１１から底面１０１までの最小距離は流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１から底面１０１までの最小距離よりも長いことで、流体注入領域１１０の流体出口１１１と流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１との間に、重力方向に沿って高低差が形成される。本発明の一実施例において、流体注入領域１１０の流体出口１１１と流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１との間に重力方向に沿って形成された高低差は約０．５～１０ｃｍである。このようにして、流体注入領域１１０の流体出口１１１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギは、流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギよりも大きい。
本発明の一実施例において、流体貯蔵領域１２０に流入した流体の吸収及び貯蔵を補助するために流体貯蔵領域１２０内には多孔質材料１２２が設けられてもよい。多孔質材料１２２は、同様にポリスルホン、セルロースエステル、再生セルロース、ポリエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸ナトリウム塩から選択される１種又は複数種の組み合わせである。さらに、本実施例において、多孔質材料１２２と流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１との間に隔離領域１２３が形成される。隔離領域１２３により、多孔質材料１２２と流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１とは互いに接触することなく、両者の間に一定の空間が保持され、流体入口１２１に近い箇所の蓄積可能な流体容積が増大される。
マイクロ流体検出ユニット１は、少なくとも１つの通気管路１８０をさらに含む。流体貯蔵領域１２０は、少なくとも１つの通気管路１８０を介して外部大気環境に気体連通する。本実施例において、マイクロ流体検出ユニット１に単一の通気管路１８０が設けられ、且つ通気管路１８０の一端が流体貯蔵領域１２０に直接連通し、他端が基材１００の片側の表面まで延在して外部大気環境に連通するが、通気管路１８０の配置位置及び数は異なる設計の必要に応じて調整することができ、本実施例に限定されない。
検出領域１３０は主に流体を検出するのに用いられる。検出領域１３０は、マイクロ流路構造である。本実施例において、検出領域１３０として直線状のマイクロ流路を使用するが、検出領域１３０の構造はこれに限定されない。検出領域１３０は第１端１３１及び第２端１３２を有する。第１端１３１は、入力管路１４０を介して流体注入領域１１０の流体出口１１１に連通することにより、検出される流体は、流体注入領域１１０から入力管路１４０に沿って検出領域１３０の第１端１３１を経て検出領域１３０に入ることができる。第２端１３２は、出力管路１５０を介して流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１に連通することにより、流体は検出された後に検出領域１３０の第２端１３２を経て検出領域１３０から離れ、出力管路１５０に沿って流体貯蔵領域１２０に入ることができる。本実施例において、基材１００の底面１０１を基準として、検出領域１３０の第１端１３１及び第２端１３２は、重力方向においていずれも流体注入領域１１０の流体出口１１１よりも低いため、流体注入領域１１０から離れた流体は重力により検出領域１３０に向かって流動することができる。
本発明において、検出領域１３０内には、必要に応じて異なる検出素子又は反応材料が設けられてもよい。これによって、検出領域１３０を流れた流体は、上記検出素子又は反応材料により検出される効果が得られる。上記検出素子は、光導波路素子、例えば、光ファイバ又は類似機能を有する素子であってもよく、検出領域１３０のマイクロ流路内に挿設される。例えば、本発明の一実施例において、使用される光ファイバは、外層である保護層が剥離されて露出したファイバ芯線であってもよく、ファイバ芯線の表面に金ナノ粒子層が事前に塗布されてもよい。上記金ナノ粒子層は、検出の必要に応じてさらに異なる識別ユニットで修飾されてもよい。上記識別ユニットは、特定の分析物を識別可能な複数の識別分子を含むユニットを指す。上記識別分子は、例えば、酵素、抗体、核酸、有機小分子などである。異なる識別ユニットを異なる物質に対する検出に適用することにより流体に対する検出効果が向上するが、本発明はこれに限定されない。光ファイバなどの光導波路素子の設置に応じて、検出領域１３０における第１端１３１に近い箇所にビーム入射部１３３を設け、検出領域１３０における第２端１３２に近い箇所にビーム出射部１３４を設けてもよく、これによって、ビームを容易に出射する及び受けることができる。此外，本実施例において、検出領域１３０の第１端１３１とビーム入射部１３３との間、及び検出領域１３０の第２端１３２とビーム出射部１３４との間にシーラントを充填することによって、流体は入力管路１４０及び出力管路１５０のみを介して検出領域１３０から出入りすることができるが、本発明はこれに限定されない。
図２及び図３を参照されたい。図３は、本発明のマイクロ流体検出ユニットを用いて流体検出を実行するときのビーム強度変化模式図である。図２に示すように、本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニット１を例とすると、検出領域１３０に識別ユニットで修飾された光ファイバを設けるとともに、外部光源を用いてビーム入射部１３３から検出領域１３０に向かってビームを入射し、光レシーバを用いてビーム出射部１３４で検出領域１３０から出射したビームを受けることで、検出領域１３０内を流れた流体を検出する。識別ユニットが検出領域１３０を流れた流体中の分析物分子と結合すると、金ナノ粒子層の粒子のプラズモン共鳴条件が変化することで、レシーバが受けるビームのビーム強度が変化する。以下の実験において、室温で本発明の実施例１に係る上記マイクロ流体検出ユニット１を用いて流体を検出し、光ファイバで修飾された識別ユニットは抗免疫グロブリンＧ（Ａｎｔｉ－Ｉｍｍｕｎｏｇｌｏｂｕｌｉｎ Ｇ）である。図３に示すように、検出初期に緩衝水溶液を流体としてマイクロ流体の検出ユニット１内に注入し、緩衝水溶液を検出領域１３０を通って流し、流体圧力平衡状態にし、このときに測定されたビーム強度は明らかな変化がなく、安定する。一定時間後、免疫グロブリンＧ（Ｉｍｍｕｎｏｇｌｏｂｕｌｉｎ Ｇ）を含む緩衝水溶液を流体としてマイクロ流体検出ユニット１内に注入し、同様にこの流体を検出領域１３０を通って流し、流体圧力平衡状態に到達させる。識別ユニット（抗免疫グロブリンＧ）と流体中の分析物分子（免疫グロブリンＧ）との結合に伴い、測定されたビーム強度は図３の矢印で示される箇所から激減し始め、分子同士の結合は徐々に動的平衡に達する。この特性により、上記検出結果は分析物の定量に適用できる。
さらに、本発明において、上記反応材料を検出領域１３０のマイクロ流路の表面に直接塗布又は形成することができる。反応材料と検出領域１３０を流れる流体とが発生する生化学又は化学反応により、流体を検出する効果を達成する。本発明のマイクロ流体検出ユニット１は、異なる流体検出の必要に応じて適切な反応材料を選択することができる。例えば、本発明の一実施例において、反応酸化鉄を材料として検出領域１３０のマイクロ流路の表面に塗布することができる。ルミノール（ｌｕｍｉｎｏｌ）試薬及び過酸化水素を含む混合溶液が検出領域１３０を流れる際に、鉄イオンの触媒作用により、過酸化水素は酸素と水に分解され、酸素はルミノール試薬を酸化して青色光が発生するため、血液分析のための過酸化水素検出に適用できる。上記反応は、いわゆる化学発光反応である。
また、本発明の別の実施例において、例えば、分析物と部分的に相補的なＤＮＡ断片を反応材料として検出領域１３０のマイクロ流路の表面に修飾し、検出される流体に金ナノ粒子溶液を添加し、金ナノ粒子の表面を官能基化し、分析物と部分的に相補的なＤＮＡプローブを接続することができる。分析物を含む流体が検出領域１３０を流れる際に、相補的なハイブリダイゼーション反応が発生することで金ナノ粒子は検出領域１３０に結合する。そのため、金ナノ粒子の結合前後の色の違いに基づいてＤＮＡの定量分析を行うことができる。上記定量分析法は、いわゆる比色法である。
以下、本発明の実施例に係る上記マイクロ流体検出ユニット１により本発明の流体検出方法を説明する。図２、図４から図５Ｅを参照されたい。図４は、本発明の流体検出方法のフローチャートである。図５Ａから図５Ｅは、本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図である。図４に示すように、本発明の流体検出方法は、主にステップＳ１からステップＳ３を含む。以下、この方法の各ステップを詳しく説明する。
ステップＳ１：検出領域、少なくとも１つの流体注入領域及び流体貯蔵領域を含むマイクロ流体検出ユニットを提供する。
まず、流体検出を行うために本発明のマイクロ流体検出ユニットを提供する。マイクロ流体検出ユニットは、検出領域、少なくとも１つの流体注入領域、及び流体貯蔵領域を含む。本発明の実施例１に係るマイクロ流体検出ユニット１を例とすると、図２に示すように、マイクロ流体検出ユニット１の基材１００は、検出領域１３０、流体注入領域１１０及び流体貯蔵領域１２０を含む。ここで、マイクロ流体検出ユニット１の基材１００の底面１０１を任意の水平表面（即ち、重力方向に実質的に垂直な表面）に置くことにより、マイクロ流体検出ユニット１はこの水平表面に実質的に垂直である。
ステップＳ２：少なくとも１つの流体注入領域から第１流体を注入し、第１流体が重力の作用下で検出領域を通過して流体貯蔵領域の流体入口に集まって液体となり、このときに、少なくとも１つの流体注入領域の流体出口から液滴の液面と同じ高さの位置までの第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となる。
上記ステップＳ１でマイクロ流体検出ユニット１を提供した後、マイクロ流体検出ユニット１の流体注入領域１１０から一度に十分量の第１流体Ａを注入し、又は第１流体Ａを持続的に注入する。図５Ａに示すように、流体注入領域１１０内の第１流体Ａは、重力作用下で流体出口１１１の流体緩衝領域１１２を通過し、入力管路１４０に沿って検出領域１３０の第１端１３１から検出領域１３０内に入る。そして、第１流体Ａは、引き続き検出領域１３０を通って流れた後、連通管の原理によって検出領域１３０の第２端１３２から検出領域１３０を離れ、出力管路１５０に沿って流体貯蔵領域１２０に向かって流れ、流体貯蔵領域１２０の流体入口１２１に集まって液滴Ｐ１となり、蓄積量の増加に伴って多孔質材料１２２がある位置に拡張する。流体入口１２１と多孔質材料１２２との間に隔離領域１２３が形成されているため、液滴Ｐ１は特定の蓄積量に集まることができる。マイクロ流体検出ユニット１内の第１流体Ａが十分な量に達することで流体注入領域１１０内に残留する第１流体Ａが流体出口１１１の流体緩衝領域１１２に集まって液滴Ｐ２を形成したときに、液滴Ｐ２（図５Ｂ示される位置Ｈ２）から液滴Ｐ１の上液面と同じ水平高さの位置（図５Ｂに示される位置Ｈ１）までの第１流体Ａに発生する反重力方向の毛細管力は、液滴Ｐ２から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置までの重力ポテンシャルエネルギエネルギと相殺する。これによって、マイクロ流体検出ユニット１内の第１流体Ａは流体圧力平衡状態になり、流動しなくなり、図５Ｂに示される状態となる。このときに、流体注入領域１１０からの第１流体Ａの注入を停止することができる。
ステップＳ３：検出領域内の第１流体を検出する。
上記ステップＳ２においてマイクロ流体検出ユニット１内の第１流体Ａが流体圧力平衡状態になると、検出領域１３０内には第１流体Ａが安定して満たされる。この場合、検出領域１３０内の第１流体Ａに対して検出を行うことができる。本実施例において、検出領域１３０内には、光ファイバが設けられてもよい。外部光源を用いて第１端１３１に近いビーム入射部１３３から検出領域１３０に向かってビームを入射し、レシーバを用いて第２端１３２に近いビーム出射部１３４により検出領域１３０から出射したビームを受ける。出射したビームを分析して第１流体Ａの検出結果を得る。なお、本発明に用いる流体検出メカニズムはこれに限定されない。
このようにして、本発明の流体検出方法に本発明のマイクロ流体検出ユニットを用いることによって、重力により流体の流動を駆動することができ、駆動装置を別途に設ける必要がないとともに、マイクロ流体検出ユニットの構造配置のみにより内部流体の安定的な圧力平衡を容易に達成でき、流体検出効率を向上できる。
さらに、本発明の流体検出方法は、複数回の流体追加注入及び検出にも適用できる。図４に示すように、本実施例において、本発明の流体検出方法は、ステップＳ３の後にステップＳ４をさらに含む。
ステップＳ４：少なくとも１つの流体注入領域から第２流体を注入し、液滴の蓄積量を減少させることにより、流体出口から液滴Ｐ１の液面と同じ高さの位置までの第２流体が反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となるまで、第１流体が検出領域から離れ、第２流体が検出領域を通過する。
ステップＳ３で第１流体Ａを検出した後、図５Ｃに示すように、マイクロ流体検出ユニット１の流体注入領域１１０から一度に十分量の第２流体Ｂを注入し、又は第２流体Ｂを持続的に注入することができる。第１流体Ａが流体出口１１１の流体緩衝領域１１２内で液滴Ｐ２を形成するため、注入された第２流体Ｂはこの液滴Ｐ２を介して第１流体Ａと迅速に連通し、気泡の発生が回避され得る。注入された第２流体Ｂにより、流体注入領域１１０内の圧力が増大され、マイクロ流体検出ユニット１内の第１流体Ａの流体圧力平衡状態が破壊される。第１流体Ａは全体として第２流体Ｂによって押し付けられて引き続き流体貯蔵領域１２０に向かって流れることで、液滴Ｐ１の蓄積量は多孔質材料１２２に接触するまで徐々に増加する。この場合、多孔質材料１２２に接触した液滴Ｐ１は多孔質材料１２２によって吸収されることで、液滴Ｐ１の蓄積量は迅速に減少する。このようにして、重力作用によって第１流体Ａが検出領域１３０から離れることが促進され、第２流体Ｂが検出領域１３０に入ってそこを通過し、図５Ｄに示される状態となる。この場合、検出領域１３０内の第１流体Ａは、第２流体Ｂによって完全に置き換えられている。
マイクロ流体検出ユニット１内の第２流体Ｂが十分量に達した場合、流体注入領域１１０内に残留する第２流体Ｂは流体出口１１１の流体緩衝領域１１２に集まって液滴Ｐ２を形成するとともに、過剰な液滴Ｐ１の蓄積量は、液滴Ｐ１が多孔質材料１２２に接触しなくなり、流体圧力平衡状態に回復するまで多孔質材料１２２によって吸収される。この場合、第２流体Ｂによって形成された液滴Ｐ２（図５Ｅに示される位置Ｈ２）から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置（図５Ｅに示される位置Ｈ１）までの第２流体Ｂは、同様に反重力方向の毛細管力を受けて液滴Ｐ２から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置までの重力ポテンシャルエネルギと相殺する。これによって、マイクロ流体検出ユニット１内の第２流体Ｂは流体圧力平衡状態となり、引き続き流動しなくなり、図５Ｅに示される状態となる。この場合、流体注入領域１１０からの第２流体Ｂの注入を停止することができる。
上記第２流体Ｂとして、必要に応じて異なる流体を選択することができる。例えば、第２流体Ｂは、別の検出される流体であってもよい。マイクロ流体検出ユニット１内の第２流体Ｂが図５Ｅに示される状態となったとき、上記ステップＳ３の流体検出を行うことができる。また、第２流体Ｂは、洗浄効果を提供する流体（例えば、水溶液又は他の洗浄溶液など）であってもよい。上記ステップＳ４のように第２流体Ｂを注入してマイクロ流体検出ユニット１の内部管路を洗浄することにより、次の流体検出のために準備をすることができる。
このようにして、本発明の流体検出方法に本発明のマイクロ流体検出ユニットを使用することにより、同じ又は異なる流体の注入を繰り返して行い、対応流体の検出及び洗浄効果を提供できるとともに、同一のマイクロ流体検出ユニットだけで複数回の流体検出を行うことができるため、検出コストが節約され、流体の検出効率が向上する。
図６及び図７を参照されたい。図６は、本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。図７は、本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットは、上記実施例１の変化形態であり、具体的には、主に流体注入領域の数及び管路配置を変更し、流体出口の流体緩衝領域をなくしたものであり、他の構造及び機能は上記実施例１と同じであるため、ここで説明を省略する。
図６及び図７に示すように、本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニット２は、基材２００と、基材２００の片側を覆う蓋体２９０とを含む。基材２００は、第１流体注入領域２１０ａ、第２流体注入領域２１０ｂ、流体貯蔵領域２２０、及び検出領域２３０を含む。第１流体注入領域２１０ａは、流体出口２１１ａから第１管路２４０ａを介して検出領域２３０の第１端２３１に連通し、第２流体注入領域２１０ｂは、流体出口２１１ｂから第２管路２４０ｂを介して検出領域２３０の第１端２３１に連通し、流体貯蔵領域２２０は、流体入口２２１から出力管路２５０を介して検出領域２３０の第２端２３２に連通する。本実施例において、第２管路２４０ｂが第１管路２４０ａに連通することで第２流体注入領域２１０ｂは、第２管路２４０ｂ及び第１管路２４０ａを介して検出領域２３０の第１端２３１に連通するが、第２管路２４０ｂの設置方式は本実施例に限定されない。第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａと底面２０１との間の最小距離は、流体出口２１１ａから底面２０１までの垂直距離であり、第２流体注入領域２１０ｂの自流体出口２１１ｂと底面２０１との間の最小距離は、流体出口２１１ｂから底面２０１までの垂直距離であり、流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１と底面２０１との間の最小距離は、流体入口２２１から底面２０１までの垂直距離である。
本実施例において、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａと第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂとの間には、重力方向に沿って高低差が形成され、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａ及び第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂと、流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１との間には、それぞれ重力方向に沿って高低差が形成される。例えば、底面２０１を基準として、第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂは重力方向において第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａよりも高いことにより、第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂと第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａとの間には、重力方向に沿って高低差が形成される。また、底面２０１を基準として、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａと底面２０１との間の最小距離、及び第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂと底面２０１との間の最小距離は、いずれも流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１と底面２０１との間の最小距離よりも大きいことにより、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａ及び第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂと、流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１との間には、それぞれ重力方向に沿って高低差が形成される。第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂに位置する流体の重力ポテンシャルエネルギは、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａに位置する重力ポテンシャルエネルギよりも大きく、第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａ又は第２流体注入領域２１０ｂの流体出口２１１ｂに位置する重力ポテンシャルエネルギは、流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギよりも大きい。
さらに、本実施例において、第２管路２４０ｂの断面直径が第１管路２４０ａの断面直径よりも大きいことにより、流体は第２流体注入領域２１０ｂに注入された後、重力作用によって第２管路２４０ｂに入り、第１管路２４０ａと第２管路２４０ｂとの連通箇所から検出領域２３０の第１端２３１までに存在する流体を押し付けるのに十分な押付力を生じるため、複数回の流体注入操作に有利である。
また、本実施例において、マイクロ流体検出ユニット２は、第１通気管路２８０ａ及び第２通気管路２８０ｂをさらに含む。第１通気管路２８０ａの一端は流体貯蔵領域２２０に直接連通し、他端は基材２００の片側の表面まで延在して外部大気環境に連通する。第２通気管路２８０ｂの一端は出力管路２５０に直接連通し、他端は同様に基材２００の片側の表面まで延在して外部大気環境に連通する。このような設計により、マイクロ流体検出ユニット２は、外部大気環境に連通する複数の経路を提供するため、１つの通気管路が詰まったときにマイクロ流体検出ユニット２の正常の流体検出機能に影響を与えることが回避されるとともに、マイクロ流体検出ユニット２内の流体圧力はより容易に平衡に達することができる。
図７から図８Ｄを参照されたい。図８Ａから図８Ｄは、本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図である。本発明の実施例２に係るマイクロ流体検出ユニット２を例とすると、図７に示すように、まず、流体の検出を行うために、マイクロ流体検出ユニット２の基材２００の底面２０１を、マイクロ流体検出ユニット２がこの水平表面に実質的に垂直となるように任意の水平表面に置く。
また、図８Ａに示すように、マイクロ流体検出ユニット２の第１流体注入領域２１０ａから一度に十分量の第１流体Ａを注入し、又は第１流体Ａを持続的に注入する。第１流体注入領域２１０ａ内の第１流体Ａは、重力作用下で流体出口２１１ａを通過して第１管路２４０ａに沿って検出領域２３０の第１端２３１から検出領域２３０内に入る。次に、第１流体Ａは引き続き検出領域２３０を通って流れた後、連通管の原理により検出領域２３０の第２端２３２から検出領域２３０を離れ、出力管路２５０に沿って流体貯蔵領域２２０に向かって流れる（第１流体Ａの一部が第２通気管路２８０ｂ内に流入する）ことで、第１流体Ａは流体貯蔵領域２２０の流体入口２２１で集まって液滴Ｐ１を形成し、蓄積量の増加に伴って多孔質材料２２２がある位置に拡張する。流体入口２２１と多孔質材料２２２との間に隔離領域２２３が形成されているため、液滴Ｐ１は一定の蓄積量まで蓄積することができる。マイクロ流体検出ユニット２内の第１流体Ａが十分量に達し、第１流体Ａが第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａに溢れ出た場合、第１管路２４０ａにおける第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａ（図８Ｂに示される位置Ｈ２）から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置（図８Ｂに示される位置Ｈ１）までの第１流体Ａに発生する反重力方向の毛細管力は、將會抵銷第１流体注入領域２１０ａの流体出口２１１ａから液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置に発生する重力ポテンシャルエネルギと相殺する。これによって、マイクロ流体検出ユニット２内の第１流体Ａは流体圧力平衡状態となって引き続き流動しなくなり、図８Ｂに示される状態となることができる。この場合、第１流体注入領域２１０ａからの第１流体Ａの注入を停止し、検出領域２３０内の第１流体Ａを検出することができる。
本発明のマイクロ流体検出ユニット２により第１流体Ａを検出した後、マイクロ流体検出ユニット２の第１流体注入領域２１０ａ又は第２流体注入領域２１０ｂから第２流体Ｂを注入することができる。図８Ｃに示すように、本実施例において、マイクロ流体検出ユニット２の第２流体注入領域２１０ｂから一度に十分量の第２流体Ｂを注入し、又は第２流体Ｂを持続的に注入する。注入された第２流体Ｂにより第２流体注入領域２１０ｂ内の圧力が増大されることで、マイクロ流体検出ユニット２内の第１流体Ａの流体圧力平衡状態が破壊される。第１管路２４０ａと第２管路２４０ｂとの連通箇所の下方に位置する第１流体Ａは、第２流体Ｂによって押し付けられることで引き続き流体貯蔵領域２２０に向かって流動した結果、液滴Ｐ１が多孔質材料２２２に接触するまで液滴Ｐ１の蓄積量が徐々に増加する。この場合、接触した多孔質材料２２２の液滴Ｐ１は多孔質材料２２２によって吸収することで、液滴Ｐ１の蓄積量は迅速に減少する。これによって、重力作用によって第１流体Ａが検出領域２３０から離れることが促進されるとともに、第２流体Ｂは検出領域２３０に入ってそこを通過することにより、検出領域２３０内の第１流体Ａは第２流体Ｂによって完全に置き換えられている。
マイクロ流体検出ユニット２内の第２流体Ｂが十分量に達した場合、過剰な液滴Ｐ１の蓄積量は、液滴Ｐ１が多孔質材料２２２に接触しなくなり、流体圧力平衡状態に回復するまで多孔質材料２２２によって吸収される（図８Ｄ）。これによって、マイクロ流体検出ユニット２内の第２流体Ｂは流体圧力平衡状態となり、引き続き流動しなくなる。この場合、第２流体注入領域２１０ｂからの第２流体Ｂの注入を停止し、第２流体Ｂにより洗浄効果を達成し、又は検出領域２３０内の第２流体Ｂを検出することができる。本発明のマイクロ流体検出ユニット２をにより引き続き流体を複数回注入しようとする場合、同様にマイクロ流体検出ユニット２の第１流体注入領域２１０ａ又は第２流体注入領域２１０ｂから同じ又は異なる流体を注入することができる。
図９及び図１０を参照されたい。図９は、本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。図１０は、本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットは、上記実施例１の変形であり、主に流体貯蔵領域の構造及び管路配置を変更し、流体出口の流体緩衝領域を省略し、他の構造及び機能は上記実施例１と同じであるため、ここで説明を省略する。
図９及び図１０に示すように、本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニット３は、基材３００及び基材３００の片側を覆う蓋体３９０を含む。基材３００は、流体注入領域３１０、流体貯蔵領域３２０及び検出領域３３０を含む。流体注入領域３１０は、流体出口３１１から入力管路３４０を介して検出領域３３０の第１端３３１に連通し、流体貯蔵領域３２０は、流体入口３２１から出力管路３５０を介して検出領域３３０の第２端３３２に連通する。流体注入領域３１０の流体出口３１１と底面３０１との間の最小距離は、流体出口３１１から底面３０１までの垂直距離であり、流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１と底面３０１との間の最小距離は、流体入口３２１から底面３０１までの垂直距離である。さらに、基材３００は把持部３６０をさらに含む。把持部３６０は基材３００の片側の表面に突設される。使用者は、手又はツールで把持部３６０を挟持することにより、本発明のマイクロ流体検出ユニット３を容易に取ることができる。
本実施例において、流体注入領域３１０の流体出口３１１と流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１との間には、重力方向に沿って高低差が形成される。例えば、底面３０１を基準として、流体注入領域３１０の流体出口３１１と底面３０１との間の最小距離は、流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１と底面３０１との間の最小距離よりも大きいことにより、流体注入領域３１０の流体出口３１１と流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１との間に重力方向に沿って高低差が形成される。これによって、流体注入領域３１０の流体出口３１１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギは、流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギよりも大きい。
流体貯蔵領域３２０内の多孔質材料３２２と流体入口３２１との間には隔離領域３２３が形成される。隔離領域３２３により、多孔質材料３２２と流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１とは互いに接触することなく、両者の間に一定の空間が保持される。此外，本実施例において、流体貯蔵領域３２０には、流体収集領域３２４がさらに設けられる。流体収集領域３２４は、隔離領域３２３と流体入口３２１との間に位置する。流体が流体入口３２１から流体貯蔵領域３２０に流入する際に、流体収集領域３２４により流体が集まって形成された液滴を一時的に収容することができる。液滴の蓄積量が流体収集領域３２４の容積を超えたら、液滴は流体収集領域３２４から溢れ出る。したがって、流体収集領域３２４により、流体貯蔵領域３２０に流入する液滴の蓄積量を制御することができる。
また、本実施例において、流体貯蔵領域３２０には、バリア構造３２５がさらに設けられてもよい。バリア構造３２５は、流体収集領域３２４と隔離領域３２３とを分離し、液滴が流体収集領域３２４から溢れ出ることを防止するためのダム（ｄａｍ）のような構造である。液滴の蓄積量が流体収集領域３２４の容積未満である場合、液滴はバリア構造３２５により流体収集領域３２４内に保持される。液滴の蓄積量が流体収集領域３２４の容積を超えると、液滴は流体収集領域３２４から溢れ出るとともに、バリア構造３２５を乗り越えて隔離領域３２３内に入る。
本実施例において、マイクロ流体検出ユニット３は、複数の通気管路３８０をさらに含む。各通気管路３８０の一端は流体貯蔵領域３２０に直接連通し、他端は基材３００の片側の表面まで延在して外部大気環境に連通する。このような設計により、マイクロ流体検出ユニット３は、外部大気環境に連通する複数の経路を提供し、１つの通気管路が詰まったときにマイクロ流体検出ユニット３の正常の流体検出機能に影響を与えることが回避されるとともに、マイクロ流体検出ユニット３内の流体圧力はより容易に平衡に達することができる。
図１０から図１１Ｅを参照されたい。図１１Ａから図１１Ｅは、本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニットの操作模式図である。本発明の実施例３に係るマイクロ流体検出ユニット３を例とすると、図１０に示すように、まず、流体の検出を行うために、マイクロ流体検出ユニット３の基材３００の底面３０１を、マイクロ流体検出ユニット３がこの水平表面に実質的に垂直となるように任意の水平表面に置く。
また、図１１Ａに示すように、マイクロ流体検出ユニット３の流体注入領域３１０から一度に十分量の第１流体Ａを注入し、又は第１流体Ａを持続的に注入する。流体注入領域３１０内の第１流体Ａは、重力作用下で流体出口３１１を通過して入力管路３４０に沿って検出領域３３０の第１端３３１から検出領域３３０内に入る。次に、第１流体Ａは引き続き流動して検出領域３３０を通過した後、連通管の原理により検出領域３３０の第２端３３２から検出領域３３０を離れ、出力管路３５０に沿って流体貯蔵領域３２０に向かって流動することで、第１流体Ａは流体貯蔵領域３２０の流体入口３２１及び流体収集領域３２４で集まって液滴Ｐ１を形成し、蓄積量の増加に伴って流体収集領域３２４外へ拡張する。液滴Ｐ１が流体収集領域３２４内に一時的に貯蔵するため、液滴Ｐ１は一定の蓄積量まで蓄積することができる。マイクロ流体検出ユニット３内の第１流体Ａが十分量に達し、第１流体Ａが第１流体注入領域３１０ａの流体出口３１１ａに溢れ出た場合、入力管路３４０における流体注入領域３１０の流体出口３１１（図１１Ｂに示される位置Ｈ２）から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置（図１１Ｂに示される位置Ｈ１）までの第１流体Ａに発生する反重力方向の毛細管力は、流体注入領域３１０の流体出口３１１から液滴Ｐ１の上液面と同じ高さの位置に発生する重力ポテンシャルエネルギと相殺する。これにより、マイクロ流体検出ユニット３内の第１流体Ａは流体圧力平衡状態となって引き続き流動しなくなり、図１１Ｂに示される状態となることができる。この場合、第１流体注入領域３１０ａからの第１流体Ａの注入を停止し、検出領域３３０内の第１流体Ａを検出することができる。
本発明のマイクロ流体検出ユニット３により第１流体Ａを検出した後、マイクロ流体検出ユニット３の流体注入領域３１０から一度に十分量の第２流体Ｂを注入し、又は第２流体Ｂを持続的に注入することができる（図１１Ｃ）。注入された第２流体Ｂにより流体注入領域３１０内の圧力が増大されることで、マイクロ流体検出ユニット３内の第１流体Ａの流体圧力平衡状態が破壊される。第１流体Ａは全体として第２流体Ｂによって押し付けられて引き続き流体貯蔵領域３２０に向かって流れ、液滴Ｐ１の蓄積量は徐々に増加する。液滴Ｐ１の蓄積量が流体収集領域３２４の容積を超えた場合、液滴Ｐ１は、流体収集領域３２４から溢れ出るとともにバリア構造３２５を乗り越え、隔離領域３２３内に入る。液滴Ｐ１の引き続きの拡張に伴い、液滴Ｐ１は隔離領域３２３を乗り越えて多孔質材料３２２に接触する。この場合、多孔質材料３２２に接触した液滴Ｐ１は多孔質材料３２２によって吸収されるため、液滴Ｐ１の蓄積量は迅速に減少し、図１１Ｄに示される状態となる。このようにして、重力作用によって第１流体Ａが検出領域３３０から離れることが促進され、第２流体Ｂが検出領域３３０に入ってそこを通過することにより、検出領域３３０内の第１流体Ａは、第２流体Ｂによって完全に置き換えられている。
マイクロ流体検出ユニット３内の第２流体Ｂが十分量に達した場合、過剰な液滴Ｐ１の蓄積量は、液滴Ｐ１の蓄積量が多孔質材料３２２に接触しなくなり、流体圧力平衡状態に回復するまで多孔質材料３２２によって吸収される（図１１Ｅ）。これによって、マイクロ流体検出ユニット３内の第２流体Ｂは、流体圧力平衡状態となり、引き続き流動しなくなる。この場合、流体注入領域３１０からの第２流体Ｂの注入を停止し、第２流体Ｂにより洗浄効果及び検出領域３３０内の第２流体Ｂに対する検出を達成することができる。引き続き本発明のマイクロ流体検出ユニット３により流体を複数回注入しようとすると、同様にマイクロ流体検出ユニット３の流体注入領域３１０から同じ又は異なる流体を注入することができる。
図１２及び図１３を参照されたい。図１２は、本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニットの構造分解図である。図１３は、本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニットの基材の側面図である。本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニットは、上記実施例２及び実施例３の変形であり、主に流体注入領域の数、流体貯蔵領域の構造及び管路配置を変更し、流体出口の流体緩衝領域を省略し、他の構造及び機能は上記実施例１と同じであるため、ここで説明を省略する。
図１２及び図１３に示すように、本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニット４は、基材４００及び基材４００の片側を覆う蓋体４９０を含む。基材４００は、第１流体注入領域４１０ａ、第２流体注入領域４１０ｂ、流体貯蔵領域４２０及び検出領域４３０を含む。第１流体注入領域４１０ａは、流体出口４１１ａから第１管路４４０ａを介して検出領域４３０の第１端４３１に連通し、第２流体注入領域４１０ｂは、流体出口４１１ｂから第２管路４４０ｂを介して検出領域４３０の第１端４３１に連通し、流体貯蔵領域４２０は、流体入口４２１から出力管路４５０を介して検出領域４３０の第２端４３２に連通する。本実施例において、第２管路４４０ｂが第１管路４４０ａに連通することにより、第２流体注入領域４１０ｂは、第２管路４４０ｂ及び第１管路４４０ａを介して検出領域４３０の第１端４３１に連通するが、第２管路４４０ｂの配置方式は本実施例に限定されない。第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａと底面４０１との間の最小距離は、流体出口４１１ａから底面４０１までの垂直距離であり、第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂと底面４０１との間の最小距離は、流体出口４１１ｂから底面４０１までの垂直距離であり、流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１と底面４０１との間の最小距離は、流体入口４２１から底面４０１までの垂直距離である。
本実施例において、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａと第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂとの間には、重力方向に沿って高低差が形成され、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａ及び第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂと、流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１との間には、それぞれ重力方向に沿って高低差が形成される。例えば、底面４０１を基準として、第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂは重力方向において第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａよりも高いことで、第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂと第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａとの間に重力方向に沿って高低差が形成される。さらに、底面４０１を基準として、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａと底面４０１との間の最小距離及び第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂと底面４０１との間の最小距離は、いずれも流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１と底面４０１との間の最小距離よりも大きいことで、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａ及び第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂと、流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１との間には、それぞれ重力方向に沿って高低差が形成される。これによって、第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂに位置する流体の重力ポテンシャルエネルギは、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａに位置する流体の重力ポテンシャルエネルギよりも大きく、第１流体注入領域４１０ａの流体出口４１１ａ又は第２流体注入領域４１０ｂの流体出口４１１ｂに位置する流体の重力ポテンシャルエネルギは、流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１に位置する流体の重力ポテンシャルエネルギよりも大きい。
流体貯蔵領域４２０内の多孔質材料４２２と流体入口４２１との間には隔離領域４２３が形成されている。隔離領域４２３により、多孔質材料４２２と流体貯蔵領域４２０の流体入口４２１とは互いに接触することなく、一定の空間が保持される。さらに、本実施例において、流体貯蔵領域４２０には、流体収集領域４２４がさらに設けられる。流体収集領域４２４は、隔離領域４２３と流体入口４２１との間に位置する。さらに、本実施例において、流体貯蔵領域４２０には、バリア構造４２５が設けられる。バリア構造４２５は、流体収集領域４２４と隔離領域４２３とを分離し、液滴が流体収集領域４２４から溢れ出るのを防止するためのダムような構造である。
本実施例において、マイクロ流体検出ユニット４は、複数の通気管路４８０をさらに含む。各通気管路４８０の一端は流体貯蔵領域４２０に直接連通し、他端は基材４００の片側の表面まで延在して外部大気環境に連通する。
本発明の実施例４に係るマイクロ流体検出ユニット４の操作原理及び使用方式は、上記実施例２，３と同様であるため、ここで説明を省略する。
以上より、本発明のマイクロ流体検出ユニット及び流体検出方法では、重力により流体の流動を駆動できるため、従来の駆動装置のコストが節約されるとともに、流体が内部において安定した圧力平衡に達することができる。さらに、本発明のマイクロ流体検出ユニット及び流体検出方法では、同一の装置を用いて同じ又は異なる流体を繰り返して注入できるため、複数回の流体検出又は洗浄効果が達成され、コストが削減され、流体の検出効率が向上する。
以上の実施形態は実質的に説明を補助するためのものであり、本発明の実施例又はこれらの実施例の応用若しくは用途を限定するものではない。さらに、上記実施形態において少なくとも１つの例示的な実施例が挙げられているが、本発明には様々な変化が含まれる。また、本明細書の実施例は、本願発明の保護範囲、用途又は構成を制限しない。逆に、上記実施形態は、当業者に上記１つ又は複数の実施例を実施するためのガイドを提供することができる。さらに、特許請求の範囲によって決定される範囲から逸脱しない限り、素子の機能及び配列に対して様々な変化を加えることができる。本願の特許請求の範囲には、既知の均等物及び本出願を提出するときの予見可能なすべての均等物が含まれる
１：マイクロ流体検出ユニット
１００：基材
１０１：底面
１１０：流体注入領域
１１１：流体出口
１１２：流体緩衝領域
１１３：開口部
１２０：流体貯蔵領域
１２１：流体入口
１２２：多孔質材料
１２３：隔離領域
１３０：検出領域
１３１：第１端
１３２：第２端
１３３：ビーム入射部
１３４：ビーム出射部
１４０：入力管路
１５０：出力管路
１８０：通気管路
１９０：蓋体
２：マイクロ流体検出ユニット
２００：基材
２０１：底面
２１０ａ：第１流体注入領域
２１０ｂ 第２流体注入領域
２１１ａ：流体出口
２１１ｂ：流体出口
２２０：流体貯蔵領域
２２１：流体入口
２２２：多孔質材料
２２３：隔離領域
２３０：検出領域
２３１：第１端
２３２：第２端
２４０ａ ：第１管路
２４０ｂ：第２管路
２５０：出力管路
２８０ａ：第１通気管路
２８０ｂ：第２通気管路
２９０：蓋体
３：マイクロ流体検出ユニット
３００：基材
３０１：底面
３１０：流体注入領域
３１１：流体出口
３２０：流体貯蔵領域
３２１：流体入口
３２２：多孔質材料
３２３：隔離領域
３２４：流体収集領域
３２５：バリア構造
３３０：検出領域
３３１：第１端
３３２：第２端
３４０：入力管路
３５０：出力管路
３６０：把持部
３８０：通気管路
３９０：蓋体
４：マイクロ流体検出ユニット
４００：基材
４０１：底面
４１０ａ：第１流体注入領域
４１０ｂ ：第２流体注入領域
４１１ａ：流体出口
４１１ｂ：流体出口
４２０：流体貯蔵領域
４２１：流体入口
４２２：多孔質材料
４２３：隔離領域
４２４：流体収集領域
４２５：バリア構造
４３０：検出領域
４３１：第１端
４３２：第２端
４４０ａ：第１管路
４４０ｂ：第２管路
４５０：出力管路
４８０：通気管路
４９０：蓋体
Ａ：第１流体
Ｂ：第２流体
Ｐ１、Ｐ２：液滴
Ｓ１～Ｓ４：ステップ
Ｈ１、Ｈ２：位置

Claims (26)

  1. 流体を検出し、及びユニット内で生化学又は化学反応が発生するためのマイクロ流体検出ユニットであって、
    前記マイクロ流体検出ユニットは、基材を含み、
    前記基材は、
    それぞれ流体出口を有する少なくとも１つの流体注入領域と、
    大気環境に気体連通するとともに、流体入口を有する流体貯蔵領域と、
    前記第１端連通至前記流体注入領域の前記流体出口に連通する第１端、及び前記流体貯蔵領域の前記流体入口に連通する第２端を有する検出領域と、
    を含み、
    前記流体注入領域の前記流体出口での重力ポテンシャルエネルギが前記流体貯蔵領域の前記流体入口での重力ポテンシャルエネルギよりも大きいように、前記流体注入領域の前記流体出口と前記流体貯蔵領域の前記流体入口との間には、重力方向に沿って高低差が形成され、
    少なくとも１つの前記流体注入領域から第１流体が注入され、前記第１流体が重力作用によって前記検出領域を通過して前記流体貯蔵領域の前記流体入口で集まって液滴を形成したときに、前記流体出口から前記液滴の液面と同じ高さの位置までの前記第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となる、マイクロ流体検出ユニット。
  2. 前記少なくとも１つの流体注入領域は、第１流体注入領域及び第２流体注入領域を含み、
    前記第１流体注入領域は、第１管路を介して前記検出領域の前記第１端に連通し、
    前記第２流体注入領域は、第２管路を介して前記検出領域の前記第１端に連通する、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  3. 前記第２流体注入領域の前記流体出口は、重力方向において前記第１流体注入領域の前記流体出口よりも高い、請求項２に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  4. 前記第２管路の断面直径は、前記第１管路の断面直径よりも大きい、請求項３に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  5. 前記第２管路は、前記第１管路に連通し、前記第２流体注入領域は、前記第２管路及び前記第１管路を介して前記検出領域の前記第１端に連通する、請求項４に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  6. 前記流体出口には、流体緩衝領域が設けられ、
    前記流体緩衝領域は、前記流体注入領域と前記流体出口との境界に位置する、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  7. 前記流体緩衝領域は、柱状空間若しくは球状空間の少なくとも一部又は曲面構造である、請求項６に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  8. 前記流体緩衝領域内には、多孔質材料が設けられる、請求項６に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  9. 前記多孔質材料は、ポリスルホン（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、セルロースエステル（ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｅｓｔｅｒ）、再生セルロース（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリアリールエーテルスルホン（ｐｏｌｙａｒｙｌｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）、ポリビニルアルコール（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）及びポリアクリル酸ナトリウム塩（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｉｃ ａｃｉｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓａｌｔ）から選択される１種又は複数種の組み合わせである、請求項８に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  10. 前記流体貯蔵領域内には、多孔質材料が設けられ、
    前記多孔質材料と、前記流体貯蔵領域の前記流体入口との間には、互いに接触しないように隔離領域が形成される、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  11. 前記多孔質材料は、ポリスルホン、セルロースエステル、再生セルロース、ポリエーテルスルホン、ポリアリールエーテルスルホン、ポリビニルアルコール及びポリアクリル酸ナトリウム塩から選択される１種又は複数種の組み合わせである、請求項１０に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  12. 前記流体貯蔵領域には、流体収集領域がさらに設けられ、
    前記流体収集領域は、前記隔離領域と前記流体入口との間に位置し、前記流体貯蔵領域に流入する流体量を制御するためのものである、請求項１０に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  13. 前記流体貯蔵領域には、前記流体収集領域と前記隔離領域とを分離するバリア構造がさらに設けられる、請求項１２に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  14. 前記検出領域には、検出素子が設けられる、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  15. 前記検出素子は、光導波路素子である、請求項１４に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  16. 前記光導波路素子は、光ファイバである、請求項１５に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  17. 前記光ファイバの露出するファイバ芯線の表面にはナノ粒子層が塗布される、請求項１６に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  18. 前記検出領域には、反応材料が設けられる、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  19. 少なくとも１つの通気管路をさらに含み、
    前記流体貯蔵領域は、少なくとも１つの前記通気管路を介して大気環境に気体連通する、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  20. 前記基材の少なくとも一側を覆う少なくとも１つの蓋体をさらに含む、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  21. 前記検出領域の前記第１端及び前記第２端は、重力方向において前記流体注入領域の前記流体出口よりも低い、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  22. 前記流体出口と前記流体入口との間に重力方向に沿って形成される高低差は０．５～１０ｃｍである、請求項１に記載のマイクロ流体検出ユニット。
  23. 検出領域、少なくとも１つの流体注入領域、及び流体貯蔵領域を含むマイクロ流体検出ユニットを提供するステップと、
    少なくとも１つの前記流体注入領域から第１流体を注入し、前記第１流体は重力作用によって前記検出領を通過し、前記流体貯蔵領域の流体入口で集まって液滴となったときに、少なくとも１つの前記流体注入領域の流体出口から前記液滴の液面と同じ高さの位置までの第１流体は、反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより流体圧力平衡状態となるステップと、
    前記検出領域内の前記第１流体を検出するステップと、
    を含む、流体検出方法。
  24. 前記少なくとも１つの流体注入領域から第２流体を注入することにより、前記液滴の蓄積量が減少し、前記第１流体が前記検出領域から離れるように駆動され、前記流体出口から前記液滴の液面と同じ高さの位置までの前記第２流体が反重力方向の毛細管力と重力ポテンシャルエネルギとが互いに相殺することにより前記流体圧力平衡状態となるまで、前記第２流体が前記検出領域を通過するステップをさらに含む、請求項２３に記載の流体検出方法。
  25. 前記流体入口に近い位置に多孔質材料が設けられ、前記多孔質材料が前記流体入口に接触せず、前記多孔質材料により前記液滴の過剰の蓄積量を吸収する、請求項２４に記載の流体検出方法。
  26. 前記流体入口に近い位置に流体収集領域が設けられ、前記液滴の蓄積量が前記流体収集領域の容積を超えたときに、前記液滴が前記流体収集領域から溢れ出ることで前記液滴の蓄積量を減少させる、請求項２４に記載の流体検出方法。
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