JP2023545641A - 容積式ポンプを有するマイクロ流体デバイス - Google Patents

Abstract

マイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させるためのマイクロ流体デバイスが開示される。デバイスは、マイクロ流体チャネルを備える。デバイスはさらに、マイクロ流体チャネルに接続されたチャンバを含む容積式ポンプを備える。容積式ポンプは、作動時にチャンバ内の流体をマイクロ流体チャネル内に移動させるように構成される。デバイスは、容積式ポンプに接続された流体リザーバを更に備える。この流体リザーバは、容積式ポンプの作動後に容積式ポンプのチャンバを再充填するための流体源を提供する。流体リザーバは、リザーバ内の流体がデバイス内に密封されるように構成される。【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロ流体チャネルを通じて流体試料を移動させるためのマイクロ流体デバイス及び方法に関する。

マイクロ流体カセット等のマイクロ流体デバイスは、ポイントオブケア（ＰＯＣ）で患者によって提供される流体試料に対して化学的及び／又は生化学的分析を行うために使用することができる。このようなマイクロ流体デバイスは、「ラボオンチップ（lab on a chip）」デバイスと呼ばれることもあり、周知である。

マイクロ流体カセットの作動中は、カセットのマイクロ流体チャネルに沿って、試料に対して異なる処理ステップが実行される一連の「区域」を通じて、流体試料を移動させる。試料に対して実施される試験に応じて、処理ステップは、処理の中でもとりわけ、試料を加熱又は冷却するステップ、試料を１つ以上の試薬と組み合わせるステップ、及び／又は試料をフィルタに通すステップを伴う場合がある。

試料に対して様々な処理ステップを正確に実行できるように、マイクロ流体カセットを通る流体試料の移動を制御することが必要である。

マイクロ流体カセットを通る流体試料の移動を制御する既知の方法の１つは、マイクロ流体チャネルに入ることができるようにするカセットの開口部に、外部ポンプ（シリンジ、空気圧又は蠕動ポンプ等）を接続することである。作動時には、外部ポンプは、カセットを通るように試料を移動させる。

しかしながら、外部ポンプを使用する欠点は、カセットが、外部ポンプをマイクロ流体チャネルに接続するための開口部を必要とすることである。マイクロ流体チャネル内にそのような開口部を有することには、いくつかの欠点がある。第１に、流体試料の汚染につながる可能性がある。これにより、試料に対して実施される試験の精度が低下するおそれがある。さらに、流体試料、又はカセット内の他の潜在的に有害な化学物質（試薬等）がカセットから漏出するリスクが増加する可能性がある。これにより、デバイスのユーザに危害が生じるおそれがある。またこれにより、カセットが別のカセットから漏出した流体と接触するときに汚染を引き起こし、その結果、カセットで診断アッセイが行われたときに偽陽性結果をもたらすおそれがある。さらに、外部ポンプ及びその関連する制御構成要素は、大型且つ高価な場合がある。

本発明の特定の実施形態の目的は、上述の欠点のうち１つ以上を除去又は軽減することである。

本発明の第１の態様によれば、デバイスのマイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させるためのマイクロ流体デバイスが提供される。デバイスは、マイクロ流体チャネルと、マイクロ流体チャネルに流体接続されたチャンバを含む容積式ポンプと、を備える。容積式ポンプは、容積式ポンプを作動したときにチャンバ内の流体をマイクロ流体チャネル内に移動させるように構成される。デバイスはさらに、容積式ポンプのチャンバに流体接続された流体リザーバを備える。この流体リザーバは、容積式ポンプの作動後にチャンバを再充填するための流体源を提供する。流体リザーバは、リザーバ内の流体をデバイス内に密封するように構成される。

任意選択で、デバイスはさらに、容積式ポンプのチャンバとマイクロ流体チャネルとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第１の弁と、容積式ポンプのチャンバと流体リザーバとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第２の弁と、を備える。

任意選択で、第１の弁及び第２の弁のうち少なくとも一方は、外部から作動可能である。

任意選択で、流体リザーバは、デバイスの流体貯蔵チャンバを備える。

任意選択で、流体貯蔵チャンバは、使用前に大気圧を上回るように予圧される。

任意選択で、流体貯蔵チャンバは、デバイスにおける廃液を貯蔵するように構成された廃棄物チャンバである。

任意選択で、デバイスは、マイクロ流体チャネルと容積式ポンプとの間に連続流体流路を提供する流体ループを備える。

任意選択で、流体貯蔵チャンバは、連続流体流路の一部を形成するように接続される。

任意選択で、流体貯蔵チャンバは第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートを備え、第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートを介して、流体貯蔵チャンバが連続流体流路に接続される。

任意選択で、第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートは、流体貯蔵チャンバ内で第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートの高さより下方に液体を貯蔵できるように、流体貯蔵チャンバの底面より上方に延在する。

任意選択で、流体リザーバは、容積式ポンプのポートに隣接する、マイクロ流体チャネルの特大部分を備える。

任意選択で、容積式ポンプはベローズポンプである。

任意選択で、ベローズポンプのチャンバは弾性変形可能である。

任意選択で、マイクロ流体デバイスはマイクロ流体カセットである。

本発明の第２の態様によれば、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させる方法が提供される。方法は、容積式ポンプのチャンバ内の流体をマイクロ流体チャネル内に移動させ、それにより流体がマイクロ流体チャネルを通じて移動するように、マイクロ流体デバイスの容積式ポンプを作動させるステップと、デバイスの流体リザーバによって提供される流体源から容積式ポンプのチャンバを再充填するステップと、を含み、流体リザーバは、リザーバ内の流体がデバイス内に密封されるように構成される。

任意選択で、デバイスはさらに、容積式ポンプのチャンバとマイクロ流体チャネルとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第１の弁と、容積式ポンプのチャンバと流体リザーバとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第２の弁と、を備える。

任意選択で、方法はさらに、容積式ポンプを作動させる前に、第２の弁を閉じ、第１の弁を開くステップと、チャンバを再充填する前に、第１の弁を閉じ、第２の弁を開くステップと、を含む。

有利なことに、本発明の実施形態によれば、マイクロ流体カセット等のマイクロ流体デバイスを通じて流体試料を移動させる効果的な方法が提供される。

有利なことに、本発明の実施形態は、ベローズポンプ等の搭載型容積式ポンプを再充填（本明細書では「再膨張」とも呼ばれる）するために使用可能な流体源を提供する搭載型流体リザーバを備えるマイクロ流体デバイスを提供する。流体リザーバは、リザーバ内の流体がデバイスから漏出することを防止するために、流体的に密封される。

有利なことに、デバイスに流体リザーバを設けることにより、ポンプの１回の「行程」又は「圧縮」でカセット全体を通るように流体試料を移動させることができるようにする必要がないため、容積式ポンプの容積を低減させることができる。その代わり、作動した後で、流体リザーバ内に貯蔵された流体を利用して、容積式ポンプを１回以上再充填することができる。このようにして、容積式ポンプのポンピング容積を、カセットを通じて流体試料を移動させるのに必要なポンピング容積よりも小さくすることができる。デバイスは、デバイスを通る流体の流れを選択的に制御するための弁構成を備えてもよい。

有利なことに、容積が低減した容積式ポンプを設けることにより、デバイスの全体的な「占有領域」をより小さくすることができる。これは、デバイスを製造するコストを低減することを含むいくつかの利点を有する。

有利なことに、本発明の実施形態は、流体的に密封されたデバイスを提供する。有利なことに、外部ポンプをデバイスに接続するための開口部を設ける必要はない。有利なことに、これにより、デバイス内で処理される試料の汚染を防止するのに役立てることができる。加えて、これにより、デバイスのユーザが、試薬、生物学的流体試料又は増幅されたＤＮＡ等の、デバイス内部の有害物質と接触することを防止することができる。

有利なことに、本発明の実施形態は、搭載型の容積式ポンプ及び流体リザーバを備えるデバイスを提供する。すなわち、容積式ポンプ及び流体リザーバは、デバイス上に一体化されている。こうすることで、外部ポンプを有することに伴う全体的なサイズ、コスト及び複雑さを低減することができる。

有利なことに、本発明の特定の実施形態によれば、廃液チャンバ等の、マイクロ流体デバイス上の既存の流体チャンバの一部は、容積式ポンプを再充填するための流体源を提供するための流体リザーバとして使用することができる。有利なことに、こうすることで、マイクロ流体デバイスの占有領域をさらに低減することができる。

有利なことに、本発明の特定の実施形態によれば、連続流体流動回路内で、流体チャンバを容積式ポンプと接続することができる。さらに、こうすることで、デバイスを通る流体試料の移動させやすさを改善することができる。なぜなら、容積式ポンプを作動させることにより、流体試料の後方に正圧が発生するのに加えて、流体試料の前方に負圧も発生するからである。

有利なことに、本発明の特定の実施形態によれば、容積式ポンプは、機械的に付勢されることによって最初の作動前位置に戻るように、弾性的である。有利なことに、これにより、マイクロ流体チャネルの一部に負圧を発生させることができる。このように負圧を発生させることは、ＤＮＡ抽出プロセスにおけるフィルタ乾燥等の、マイクロ流体工学における多くの用途にとって特に有用な場合がある。

有利なことに、本発明の特定の実施形態によれば、デバイスによって、マイクロ流体チャネルを通る流体の流れを制御する正確な方法を提供することができ、この方法は、例えば流体計量において有用な場合がある。

本発明の更なる様々な特徴及び態様は、特許請求の範囲において定義されている。

ここで、添付の図面を参照して本発明の実施形態を単なる例として説明する。同様の部品には対応する参照番号が付されている。

本発明の特定の実施形態によるマイクロ流体デバイスの簡略化された模式図である。 本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。 本発明の特定の実施形態による流体貯蔵チャンバの断面を示す図である。 本発明の特定の実施形態によるマイクロ流体デバイスにおいて使用可能な弁の断面図を示す図である。 使用中の図６の弁の更なる断面図を提示する。 使用中の図６の弁の更なる断面図を提示する。 本発明の特定の実施形態によるマイクロ流体デバイスにおいて使用可能なベローズポンプを示す図である。 本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。

図１は、本発明の特定の実施形態によるマイクロ流体デバイスの簡略化された模式図である。

マイクロ流体デバイス１００は、マイクロ流体カセット（その一部のみが示されている）である。カセットは、典型的には撮影装置、電源、制御回路及びアクチュエータ等の要素を収容可能なベンチトップ型又はポータブル型分析器（「ホストデバイス」）と組み合わせて、ヒト患者から得られた血液、血漿、又は尿試料等の液状生体試料に対してカセット上で診断処理を実行するために使用することができる。診断処理は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によって試料中のデオキシリボ核酸（ＤＮＡ）を増幅することを伴う場合がある。

本文書全体を通じて、「マイクロ流体」への言及は、少なくとも１つの寸法が１ミリメートル未満であり、且つ／又はマイクロリットル以下の分量の液体を取り扱うことことを意味する。

カセットは、処理用のホストデバイスに挿入されるように構成される。典型的に、ホストデバイスは、例えば、機械式アクチュエータ、加熱／冷却構成要素及び撮像構成要素等のカセットと相互作用する機器を含み、試料に対する診断処理をカセットに実行させる。典型的に、カセットは使い捨ての構成要素であり、カセット内に収容された試料に対して処理が行われた後で廃棄される。

典型的に、試料の処理（本明細書では「アッセイ」とも呼ばれる）は、デバイス１００のチャネル及び／又はチャンバ内で実行される１つ以上の処理ステップで、試料を試薬と相互作用させることによって実行される。典型的に、処理ステップは、試料中の分析物の有無を示す検出可能な産物が形成する時間及び温度で実施される。

カセットは、マイクロ流体チャネル１０１を備える。チャネル１０１は、試料に対して処理動作が行われるカセットの１つ以上の「区域」を通じて液状生体試料（及び／又は試薬）が流れることができるように構成された密封流体流路である。

簡単のために、図１では単一の概略的なマイクロ流体チャネルの一部が示されている。しかし、特定の実施形態において、デバイス１００は、アッセイを実施するために必要な更なるマイクロ流体チャネル、弁、チャンバ及び／又は分岐等を含む種々の更なる構成要素を備えることを理解されたい。そのような更なる構成要素は、混合、洗浄、除去、及び特定のアッセイの必要性に応じて生じる他の行為を行うことを可能にするために使用することができる。

さらに、マイクロ流体チャネルにおいてある範囲の適切な長さ及び断面形状を使用することにより、試料及び／又は試薬の所望の輸送及び処理が可能になることを理解されたい。

デバイス１００は容積式ポンプを備える。この実施形態において、容積式ポンプはベローズポンプ１０２である。

容積式ポンプとは、ある体積の流体をチャンバから変位させることによって流体を移動させるように構成されたデバイスであることを理解されたい。

ベローズポンプ１０２は、弾性変形可能なチャンバを備える。ベローズポンプ１０２は、第１及び第２のポート１０３、１０４を備える。第１及び第２のポート１０３、１０４によって、ベローズポンプ１０２とデバイス１００の他の構成要素との間で流体連通することができる。マイクロ流体チャネル１０１内で正圧が生じることによってチャネル１０１に沿って流体を移動させるベローズポンプ１０２の作動の主方向において、第２のポート１０４は流体出口として機能し、この流体出口を介して、ベローズポンプ１０２のチャンバからマイクロ流体チャネル１０１に沿って流体が押し出される。第１のポート１０３は、ベローズポンプ１０２を作動した後でベローズポンプ１０２のチャンバを再膨張させるための、流体リザーバ側からの流体入口として機能する。

ベローズポンプ１０２は、機械的な力を加えて変形可能チャンバを変形させることによって作動するように構成される。これは手動で行うことができるが、カセットは、ベローズポンプ１０２と嵌合し又はベローズポンプ１０２の外面に適切な外圧を加える自動アクチュエータを有するホストデバイスに挿入されることが好ましい。こうすることで、変形可能チャンバの容積が減少する。変形可能チャンバの容積が減少すると、変形可能チャンバ内の流体（典型的には空気）の圧力が増加する。この圧力の増加を利用して、第２のポート１０４からマイクロ流体チャネル１０１に沿って流体を押し出すことができる。

本発明の特定の実施形態に従って使用できるベローズポンプの構成の一例を図８に示す。

デバイス１００は、第１及び第２の弁１０５、１０６を備える。特定の実施形態において、弁１０５、１０６は、容積式ポンプ１０２の一部を形成する。

第１の弁１０５は、第１のポート１０３に隣接して配置されて、変形可能チャンバと流体リザーバとの間の流体の流れを（第１のポート１０３を介して）選択的に制御する。第２の弁１０６は、第２のポート１０４に隣接して配置されて、変形可能チャンバとマイクロ流体チャンネル１０１との間の流体の流れを（第２のポート１０４を介して）選択的に制御する。

特定の実施形態において、弁１０５、１０６は、例えば、弁１０５、１０６に機械的な力を加えて弁１０５、１０６を開構成から閉構成に動かすことによって、外部から作動させることができる。

図６及び７Ａ～７Ｂに、本発明の特定の実施形態に従って使用可能な弁の構成の一例を示す。

デバイス１００は流体リザーバ１０７を備える。流体リザーバ１０７は、ある体積の流体（典型的には空気）をデバイス１００内に貯蔵する。流体リザーバ１０７は、流体リザーバ１０７内の流体がデバイス１００から漏出することを防止するように、流体的に密封される。このようにして、流体リザーバ１０７は、デバイス１００の局所環境から流体的に密封されたある体積の流体を貯蔵する。

流体リザーバ１０７は、ベローズポンプ１０２に流体源を提供するために、ベローズポンプ１０２の第１のポート１０３に（第１の弁１０５を介して）接続される。以下でより詳細に説明するように、ベローズポンプ１０２が作動した後で、第１の弁１０５を開き、第２の弁１０６を閉じ、流体リザーバ１０７からの流体を利用することにより、変形可能チャンバに流体を供給することによってベローズポンプ１０２を再充填することができる。

この実施形態において、流体リザーバ１０７はデバイス１００の流体貯蔵チャンバである。流体貯蔵チャンバは、ベローズポンプ１０２の各作動後にベローズポンプ１０２のチャンバを再膨張させるための流体源として使用できる専用体積の流体を供給する。

特定の実施形態において、流体貯蔵チャンバは、ベローズポンプ１０２を最初に作動する前に流体貯蔵チャンバ内の流体が大気圧を上回るように、デバイス１００の使用前に予圧される。こうすることで、流体貯蔵チャンバ内に貯蔵される流体の量が増加し、それにより、ベローズポンプ１０２を再膨張させるための流体貯蔵チャンバの容量が増加する。このような実施形態では、予圧された流体貯蔵チャンバは、加圧された流体が使用前にチャンバから出ることを防止するために、流体的に密封される。特定の実施形態では、使用前に第１の弁１０５を閉じることによって、予圧された流体貯蔵チャンバを流体的に密封することができる。

代替的に又は追加的に、流体貯蔵チャンバは、変形可能な材料から構成してもよい。このような実施形態では、ベローズポンプ１０２を再膨張させるために流体貯蔵チャンバ内の流体が使い尽くされるので、流体貯蔵チャンバは、流体貯蔵チャンバの内部容積を減少させるように変形することができる。これは、相対的に「低い」圧力の領域が流体貯蔵チャンバ内に蓄積することを防止するのに役立つことができる。

ここで、使用中のデバイス１００について説明する。図１に示すように、液状生体試料等の流体試料１０８が、マイクロ流体チャネル１０１の中に配置されている。

第１の弁１０５は閉じられ、第２の弁１０６は開かれている。

次に、ベローズポンプ１０２に機械的な力が加えられる。これは図１に示されている。

ベローズポンプ１０２を作動させると、変形可能チャンバの容積が減少する。これにより、ベローズポンプ１０２内の流体が第２ポート１０４から排出される。このため、流体試料１０８がマイクロ流体チャネル１０１に沿って押し出される。

次に、第２の弁１０６を閉じ、第１の弁１０５を開く。ベローズポンプ１０２から機械的な力が取り除かれ、それにより、変形可能チャンバが流体貯蔵チャンバから来た流体で満たされたときに、変形可能チャンバが元の容積に戻ることができる。これにより、変形可能チャンバ及び流体貯蔵チャンバの圧力が等しくなる。

有利なことに、試料に対して特定の処理を実行するための要件に応じて、その後、上述のステップを繰り返して、ベローズポンプを１回以上さらに作動させることにより、マイクロ流体チャネルを通じて流体試料を移動させ続けることができる。

このようにして、流体リザーバ１０７（この実施形態では、流体貯蔵チャンバ）は、各作動後にベローズポンプ１０２を「再補充」（本明細書では「再充填」又は「再膨張」とも呼ばれる）するための流体源を提供する。これにより、ベローズポンプ１０２の１回の作動でマイクロ流体チャネル１０１全体を通るように流体試料を移動させることができるようにする必要がないため、ベローズポンプ１０２の容積、したがってカセットに対するベローズポンプ１０２の占有領域も、より小さくすることができる。

典型的な試料処理プロセスでは、複数の別個のステップで、マイクロ流体チャネルを通じて、複数の区域に通って、所定のアッセイプロセスに基づいて、流体試料を移動させることを理解されたい。このような試料の移動は、ベローズポンプの適切な選択的作動によって行うことができる。

さらに、特定のステップは、試料１０８を、上記のものとは逆方向にマイクロ流体チャネル１０１を回るように移動させることを伴う場合がある。これは、第１の弁１０５が開き第２の弁１０６が閉じた状態で、ベローズポンプ１０２を作動させることによって達成できることを理解されたい。

本発明の実施形態はベローズポンプを参照して説明されているが、特定の実施形態では、シリンジポンプ、マイクロシリンジポンプ、又はダイヤフラムポンプ等の他のタイプの容積式ポンプを使用できることを理解されたい。

シリンジポンプは、シリンジチャンバ内で移動可能なピストンを備える。シリンジポンプを作動させると、ポンプに加わる機械的な力によってピストンがシリンジチャンバ内で移動し、それにより圧力が増加する。

特定の実施形態において、流体リザーバ１０７は、第１のポート１０３に隣接して接続された、マイクロ流体チャネルの特大領域を備える。

特定の実施形態は、生体試料に対して実施される診断アッセイの場合について説明されているが、特定の実施形態において、マイクロ流体デバイスは、生化学アッセイ等の他のタイプのアッセイも実施できることを理解されたい。

図２は、本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。デバイスは、別途説明及び描写している場合を除き、図１を参照して説明したデバイスとほぼ一致する。

デバイス２００は、マイクロ流体チャネル２０１と、容積式ポンプ２０２と、第１及び第２のポート２０３、２０４と、第１及び第２のポート２０３、２０４を通る流体の流れを制御するための第１及び第２の弁２０５、２０６と、を備える。また、デバイス２００は流体リザーバを備える。図１を参照して説明したデバイスと同様に、流体リザーバは、デバイス２００の流体貯蔵チャンバ２０７である。

概略的な試料処理領域２１０も図２に示されている。試料処理領域２１０は、デバイス２００によって実行されるアッセイに応じて、任意の適切な構成をとることができることを理解されたい。例えば、試料処理領域２１０は、試料の一部及び／又はカセットの加熱／冷却領域を分離するために使用される１つ以上のフィルタを含むことができる。

デバイス２００は、容積式ポンプ２０２の第１のポート２０３と第２のポート２０４の間に延在する連続流体流路によって提供される流体ループを備える。流体経路は、連続流体流路の長さに沿って設けられる。

この実施形態において、流体ループは、第２のポート２０４と試料処理領域２１０とを接続するマイクロ流体チャネルの第１の部分２０１、試料処理領域２１０自体、試料処理領域２１０と流体貯蔵チャンバ２０７とを接続するマイクロ流体チャネルの第２の部分２０９、流体貯蔵チャンバ自体２０７、及び流体貯蔵チャンバ２０７と第１のポート２０３とを接続するマイクロ流体チャネルの第３の部分２１１を備える。

しかし、デバイスの構成及び実施されるアッセイ（又は複数のアッセイ）に応じて、流体ループ用の他の様々な適切な構成を使用してもよいことを理解されたい。

このように、流体貯蔵チャンバ２０７は、流体リザーバとして機能して容積式ポンプ２０２を再充填するための流体源を提供し、容積式ポンプ２０２との連続的な流体ループの一部を形成する。

有利なことに、この構成は、容積式ポンプ２０２を繰り返し作動したときに流体貯蔵チャンバ２０７内の背圧が上昇することを防止するのに役立つことができる。これは、容積式ポンプ２０２が作動する毎に、圧力が流体ループの周りで実質的に又は部分的に等しくなるからである。有利なことに、これにより、容積式ポンプ２０２を繰り返し作動させるための容量が増大する。

特定の実施形態において、連続流体ループの総容積は約１１ｍｌである。

特定の実施形態において、流体貯蔵チャンバ２０７の総容積は約５ｍＬである。

特定の実施形態において、容積式ポンプ２０２のチャンバの総容積は約４ｍＬである。

図３は、本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。デバイスは、別途説明及び描写している場合を除き、図２を参照して説明したデバイスとほぼ一致する。

デバイス３００は、マイクロ流体チャネル３０１と、容積式ポンプ３０２と、第１及び第２のポート３０３、３０４と、第１及び第２のポート３０３、３０４を通る流体の流れを制御するための第１及び第２の弁３０５、３０６と、を備える。また、デバイス３００は流体貯蔵チャンバも備える。試料処理領域３１０も図３に示されている。

この実施形態において、流体貯蔵チャンバは、デバイス３００の廃棄物貯蔵チャンバ３０７である。廃棄物チャンバ３０７は、デバイス３００における廃液を貯蔵するように構成される。このような廃液は、典型的にはマイクロ流体カセットの作動中に生成され、また、試料の処理済部分を含むことがあり、試料の処理済部分は、１つ以上の試薬と混合されている場合がある。

廃棄物貯蔵チャンバの適切な構成の例を図５に示す。

廃棄物貯蔵チャンバ３０７は、第１のポート３０８及び第２のポート３０９を備える。第１及び第２のポート３０８、３０９により、廃棄物貯蔵チャンバ３０７とデバイス３００の他の構成要素との間で流体連通することができる。

廃棄物貯蔵チャンバ３０７は、容積式ポンプ３０２との連続流体流路の一部を形成するように、第１及び第２のポート３０８、３０９を介して接続される。このように接続した場合、流体連通通路が、容積式ポンプ３０２から、マイクロ流体チャネル３０１を回り、廃棄物貯蔵チャンバ３０７を通って容積式ポンプ３０２に戻るように設けられる。

流体貯蔵チャンバ３０７内で第１及び第２のポート３０８、３０９の高さより下方に液体を貯蔵し、且つ液体より上方にある廃棄物貯蔵チャンバ３０１の残りの部分にガス（典型的には空気）を貯蔵できるように、第１及び第２のポート３０８、３０９は、（使用のためにデバイス３００の向きを合わせたときに）廃棄物貯蔵チャンバ３０１内に向かってチャンバ３０７の底面の高さより上方に延在する。

このようにして、容積式ポンプ３０２を再補充するために使用可能なある体積の流体（典型的には空気）を貯蔵することによって、廃棄物貯蔵チャンバ３０７は、廃液を貯蔵することに加えて、流体リザーバとして機能するように構成される。

したがって、廃棄物貯蔵チャンバ３０７は、二重貯蔵能力を提供する。これにより、デバイス３００の全体的なサイズを縮小することができる。またこのため、容積式ポンプを再充填するための別個の専用の液体貯蔵チャンバは必要でない。

ここで図４Ａ～図４Ｆを参照して、流体試料がマイクロ流体チャネルを通じて移動するときの、使用中のデバイス３００について説明する。

図４Ａ～４Ｆは、使用中の図３のマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。分かりやすさのために、一定の参照符号は、図４Ａ～図４Ｆから省略されている。

典型的に、容積式ポンプを作動させて弁を開閉する動作は、予めプログラムされた手順に基づいて、ホストデバイスの機械式アクチュエータによって自動的に実行される。

図４Ａは、使用前のマイクロ流体デバイス３００を示す。

図４Ａに示すように、最初は、第１の弁が閉じており、第２の弁が開いている。生体試料４００は、マイクロ流体チャネル内に存在する。

次に、図４Ｂに示すように、容積式ポンプが作動される。容積式ポンプに機械的な力が加わることでポンプチャンバの容積が減少し、それにより、チャンバ内の圧力が増加し、チャンバ内の流体が第２のポートからマイクロ流体チャネル内に押し出される。これにより、試料４００がマイクロ流体チャネルを回るように押し出される。

次に、図４Ｃに示すように、第１の弁を開き、第２の弁を閉じる。この構成では、容積式ポンプのチャンバは再充填される準備ができている。

次に、図４Ｄに示すように、容積式ポンプから機械的な力を取り除く。チャンバが再充填されるときに流体が流体リザーバから容積式ポンプのチャンバ内に引き込まれ、元の（すなわち、非作動時の）容積に戻る。

次に、図４Ｅに示すように、第１の弁が閉じられ、第２の弁が開かれて、容積式ポンプ及び弁が、図４Ａに示す開始構成に戻される。

次いで、時間４Ｂ～時間４Ｅのステップを１回以上さらに繰り返すことにより、マイクロ流体チャネルを回るように試料を移動させることができる。

図４Ｆは、容積式ポンプの更なる１回の作動を示す。容積式ポンプに再び機械的な力が加わる。容積式ポンプを作動させることによって発生した圧力により、流体試料４００はマイクロ流体チャネルを通じて廃棄物チャンバ内に移動する。

廃棄物チャンバ内に入ると、流体試料４００はチャンバの下部に貯蔵される。

必要であれば、弁の動作を逆にすることによって（すなわち、第１の弁が開き、第２の弁が閉じた状態で容積式ポンプを作動させることによって）、マイクロ流体チャネルを反対方向に回るように流体試料４００を移動させることができることを理解されたい。

特定の実施形態において、デバイス３００は、連続流体流路に沿った箇所における液体の有無を検出できる１つ以上のセンサを備える。例えば、液体センサを、廃棄物チャンバの第１のポートに隣接して配置することができる。そのような実施形態では、液体の有無を利用して、デバイス内の流体試料の位置を求めることができる。この情報を分析器等のホストデバイスによって利用することにより、例えば流体試料の全てが廃棄物チャンバ内に移動していない状態で、容積式ポンプを作動させ続けるかどうかを決定することができる。

図５は、本発明の特定の実施形態による流体貯蔵チャンバの断面を示す図である。

流体貯蔵チャンバ５００は、廃液をマイクロ流体カセットに貯蔵するように配置された廃棄物チャンバである。このような廃液は、典型的にはマイクロ流体カセットの作動中に生成され、生体試料の処理済部分を含む場合があり、生体試料の処理済部分は、１つ以上の試薬と混合されている場合がある、

流体貯蔵チャンバ５００は、第１及び第２のポート５０１、５０２を備える。ポート５０１、５０２は、ポート開口部が流体貯蔵チャンバ５００の底面より上方に位置するように、流体貯蔵チャンバ５００内に向かって延在する。このようにして、使用時に、廃液が流体貯蔵チャンバに（典型的には第１のポート５０１を介して）入ることができ、また、ポート開口部の高さより下側に形成される流体貯蔵チャンバ５００の液体貯蔵領域５０３に廃液を貯蔵することができる。

ポート開口部の位置が流体貯蔵チャンバ内の液体の高さより上方にあることにより、第１のポート５０１と第２のポート５０２との間に流体経路が設けられる。流体貯蔵チャンバが容積式ポンプとの連続的な流体ループの一部を形成する場合の使用時に、流体経路は、第１のポート５０１と第２のポート５０２との間で交換されるガス（典型的には空気）の経路を提供する。このため、容積式ポンプを作動するたびに、容積式ポンプの後方で負圧が増大し続けることはない。

この実施形態において、ポート５０１、５０２は中空スパイクとして成形されている。しかしながら、異なるポート形状及び配置を使用してもよいことを理解されたい。

図６は、本発明のある実施形態によるマイクロ流体デバイスにおいて使用可能な弁の断面図を示す図である。

弁は、マイクロ流体カセット本体６００の一部の中で、カセットのマイクロ流体チャネルに沿って形成される。

弁は、マイクロ流体チャネルと流体連通する入口６０１ａ及び出口６０１ｂを備える。

弁は弁座６０２を備える。弁座６０２は、入口６０１ａに隣接する材料の隆起部分である。

また、弁は可撓性膜層６０３を備える。膜層６０３は、弁に隣接するカセットのマイクロ流体チャネルから流体が漏出することを防止する流体密封シールを提供するように、マイクロ流体カセット本体６００に固定される。

膜層６０３は、シート６０２の上に重なり、また、外部弁アクチュエータによって歪むことによりシート６０２と接触して、シート６０２と膜層６０３との間に流体密封を形成するように配置される。

典型的に、このような外部弁アクチュエータは、弁を組み込んだマイクロ流体カセットが挿入されたホストデバイスの機械式アクチュエータである。

特定の実施形態において、膜層６０３は、弁座６０２と重なる位置に表面くぼみを備え、この位置で外部弁アクチュエータが膜層６０３と接触する。

特定の実施形態において、膜層６０３は熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）材料で構成される。

図７Ａ及び７Ｂは、使用中の図６の弁の更なる断面図を提供する。

図７Ａは、開位置にある弁を示す。また、図７Ａは機械式弁アクチュエータ７００を示す。図７Ａでは、弁アクチュエータ７００が膜層６０３と接触しておらず、そのため、弁を通る流体流路が提供されている。

図７Ｂは、閉位置にある弁を示す。図７Ｂでは、弁アクチュエータ７００が膜層６０３と接触して膜層６０３を歪ませ、それによって弁座に対して密封する。閉位置では、流体が弁を通って流れることが防止される。

図８は、本発明の特定の実施形態による、複数のベローズポンプを備えるマイクロ流体カセットの一部を示す図である。

マイクロ流体カセット８００は、ベローズポンプ８０１を備える。ベローズポンプ８０１は、カセット８００の流体回路を回るように流体を駆動するために使用される。また、図８に示すカセットは、第１のベローズポンプ８０１とほぼ一致する第２のベローズポンプ８０２を備える。第２のベローズポンプ８０２は、カセット８００の異なる流体回路を回るように流体を駆動するように設けることができる。

ベローズポンプ８０１は、入口及び出口ポートを介して、各マイクロ流体回路に流体接続される。

ベローズポンプ８０１は、ほぼ半球状のチャンバを備える。チャンバは、機械式アクチュエータによって変形されることによりチャンバの容積を減少させるように構成される。こうすることで、チャンバ内の流体（典型的には空気）がチャンバから押し出され、それにより、カセット８００のマイクロ流体チャネルを回るように流体が流れる。

ベローズポンプ８０１のチャンバは、弾性変形可能な材料で構成される。チャンバは、作動後に非作動時の形状（及び容積）に戻るように、弾性的に付勢される。特定の実施形態では、他の適切な形状のベローズポンプを使用してもよいことを理解されたい。

図９は、本発明の特定の実施形態による更なるマイクロ流体デバイスを示す簡略化された模式図である。

デバイス９００は、別途記載及び描写しているものを除き、図１を参照して記載されたデバイスとほぼ一致する。

デバイス９００は、容積式ポンプ９０３と、第１のポート９０４と、流体リザーバ弁９０５と、流体リザーバ９０６と、を備える。流体リザーバ９０６は、デバイス９００の流体貯蔵チャンバである。

デバイス９００は、容積式ポンプ９０３に流体接続された２つ以上のマイクロ流体チャネルを備える点で、図１に示すデバイスと異なる。この実施形態において、デバイス９００は、容積式ポンプ９０３に接続されたマイクロ流体チャネルの３つのセクション９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃを備える。しかしながら、特定の実施形態では、デバイス９００が、容積式ポンプ９０３に接続された２つ、３つ、又は３つ以上のマイクロ流体チャネルを備えてもよいことを理解されたい。

マイクロ流体チャネルの各セクション９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃは、容積式ポンプ９０３と各チャネルとの間の流体の流れを制御するように構成された、対応する弁９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃを備える。

また、デバイス９００は、容積式ポンプ９０３が備えるポート９０４が単一である点で、図１に示すデバイスと異なる。弁の構成に応じて、ポート９０４は、流体入口又は流体出口として作動することができる。より詳細には、マイクロ流体チャネル弁９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃが閉じ、流体リザーバ弁９０５が開いている状態では、ポート９０４は流体入口として作動し、それにより、流体が容積式ポンプ９０３を再充填することができる。流体リザーバ弁９０５が閉じ、マイクロ流体チャネル弁９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃのうちの１つ（又は複数）が開いた状態では、流体が容積式ポンプ９０３から押し出され、マイクロ流体チャネル９０１ａ、９０１ｂ、９０１ｃのうちの１つ以上に入ることによって流体がチャネルに沿って移動するとき、ポート９０４は流体出口として作動する。

有利なことに、このようにして、単一の容積式ポンプ及び関連する流体リザーバ９０６を使用して、複数のマイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させることができる。こうすることで、デバイス９００の占有領域をさらに低減することができる。

本明細書（任意の添付の請求項、要約及び図面を含む）に開示されているすべての特徴、及び／又はそのように開示される任意の方法又はプロセスのすべてのステップは、そのような特徴及び／又は工程の少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組み合わせることができる。明細書（任意の添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）に開示されている各特徴は、別段の明示的な記載がない限り、同じ、同等又は類似の目的を果たす代替的特徴によって置き換えることができる。したがって、別段の明示的な記載がない限り、開示されている各特徴は、一般的な一連の同等又は類似の特徴の一例に過ぎない。本発明は、上述の実施形態の詳細に限定されない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約及び図面を含む）に開示されている特徴のうち任意の新規な特徴又は任意の新規な組み合わせ、あるいはそのように開示されている任意の方法又はプロセスの工程のうち任意の新規な特徴又は任意の新規な組み合わせに及ぶ。

本明細書における実質的に任意の複数形及び／又は単数形の用語の使用について、当業者は、文脈及び／又は用途に適切であるように、複数形から単数形に、及び／又は単数形から複数形に翻訳することができる。明確にするために、様々な単数形／複数形の置換が本明細書に明示的に記載されていることがある。

本明細書、特に添付の特許請求の範囲に使用される用語は一般に、「オープン」な用語として意図されることが当業者によって理解されるであろう（例えば、用語「含み（including）」は「含むが限定されず（including but not limited to）」と解釈すべきであり、用語「有する（having）」は「少なくとも有する（having at least）」と解釈すべきであり、用語「含む（includes）」は「含むが限定されない（includes but is not limited to）」と解釈すべきである）。導入された請求項において特定の数が意図されている場合、そのような意図は請求項に明示的に列挙され、またそのような列挙がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者によってさらに理解されるであろう。例えば、理解を助けるために、以下の添付の特許請求の範囲は、特許請求の範囲の列挙を導入するために、導入句「少なくとも１つ（at least one）」及び「１つ以上（one or more）」の使用を含むことがある。しかしながら、そのような語句の使用は、同じ請求項が導入句「１つ以上」又は「少なくとも１つ」及び「a」又は「an」等の不定冠詞（例えば、「a」及び／又は「an」は「少なくとも１つ」又は「１つ以上」を意味すると解釈すべき）を含む場合であっても、不定冠詞「a」又は「an」による請求項の列
挙の導入が、そのような導入された請求項の列挙を包含する特定の請求項を、そのような列挙を１つのみ含む実施形態に限定することを意味すると解釈すべきではなく、同じことは、請求項の引用を導入するために使用される定冠詞の使用にも当てはまる。加えて、導入されている請求項において特定の数が明示的に列挙されているとしても、当業者であれば、そのような列挙は少なくとも列挙されている数を意味すると解釈すべきであると認識するであろう（例えば、他の修飾語がない「２つの列挙」の単なる列挙は、少なくとも２つの列挙又は２つ以上の列挙を意味する）。

説明目的のために本開示の様々な実施形態が本明細書に記載されており、本開示の範囲から逸脱することなく様々な変形を行うことができることを理解されたい。したがって、本明細書に開示されている様々な実施形態は限定を意図するものではなく、真の範囲は以下の特許請求の範囲によって示される。

Claims (17)

1. マイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させるためのマイクロ流体デバイスであって、前記デバイスは、
   マイクロ流体チャンネルと、
   前記マイクロ流体チャネルに流体接続されたチャンバを含む容積式ポンプであり、作動したときに前記チャンバ内の流体を前記マイクロ流体チャネル内に移動させるように構成される、該容積式ポンプと、
   前記容積式ポンプのチャンバに流体接続された流体リザーバであって、前記容積式ポンプの作動後に前記チャンバを再充填するための流体源を提供すると共に、該リザーバ内の流体を前記デバイス内に密封するように構成された、該流体リザーバと、
   を備える、マイクロ流体デバイス。
2. 請求項１に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記デバイスはさらに、前記容積式ポンプのチャンバと前記マイクロ流体チャネルとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第１の弁と、前記容積式ポンプのチャンバと前記流体リザーバとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第２の弁と、を備える、マイクロ流体デバイス。
3. 請求項２に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記第１及び第２の弁のうち少なくとも一方は、外部から作動可能である、マイクロ流体デバイス。
4. 請求項１～３のうちいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体リザーバは、前記デバイスの流体貯蔵チャンバを備える、マイクロ流体デバイス。
5. 請求項４に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体貯蔵チャンバは、使用前に大気圧を上回るように予圧される、マイクロ流体デバイス。
6. 請求項４又は５に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体貯蔵チャンバは、前記デバイスにおける廃液を貯蔵するように構成された廃棄物チャンバである、マイクロ流体デバイス。
7. 請求項４～６のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記デバイスは、前記マイクロ流体チャネルと前記容積式ポンプとの間に連続流体流路を提供する流体ループを備える、マイクロ流体デバイス。
8. 請求項７に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体貯蔵チャンバは、前記連続流体流路の一部を形成するように接続される、マイクロ流体デバイス。
9. 請求項８に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体貯蔵チャンバは第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートを備え、該第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートを介して、前記流体貯蔵チャンバが前記連続流体流路に接続される、マイクロ流体デバイス。
10. 請求項９に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートは、前記流体貯蔵チャンバ内で前記第１の及び更なる流体貯蔵チャンバポートの高さより下方に液体を貯蔵できるように、前記流体貯蔵チャンバの底面より上方に延在する、マイクロ流体デバイス。
11. 請求項１～１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記流体リザーバは、前記容積式ポンプのポートに隣接する、マイクロ流体チャネルの特大部分を備える、マイクロ流体デバイス。
12. 請求項１～１１のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記容積式ポンプはベローズポンプである、マイクロ流体デバイス。
13. 請求項１２に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記ベローズポンプのチャンバは弾性変形可能である、マイクロ流体デバイス。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、前記マイクロ流体デバイスはマイクロ流体カセットである、マイクロ流体デバイス。
15. マイクロ流体デバイスのマイクロ流体チャネルを通じて流体を移動させる方法であって、
    容積式ポンプのチャンバ内の流体をマイクロ前記流体チャネル内に移動させ、それにより流体が前記マイクロ流体チャネルを通じて移動するように、前記マイクロ流体デバイスの容積式ポンプを作動させるステップと、
    前記デバイスの流体リザーバによって提供される流体源から前記容積式ポンプのチャンバを再充填するステップと、
    を含み、
    前記流体リザーバは、前記リザーバ内の流体が前記デバイス内に密封されるように構成される、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、前記デバイスはさらに、前記容積式ポンプのチャンバと前記マイクロ流体チャネルとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第１の弁と、前記容積式ポンプのチャンバと前記流体リザーバとの間の流体の流れを選択的に制御するように構成された第２の弁と、を備える、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記方法はさらに、
    前記容積式ポンプを作動させる前に、前記第２の弁を閉じ、前記第１の弁を開くステップと、
    前記チャンバを再充填する前に、前記第１の弁を閉じ、前記第２の弁を開くステップと、
    を含む、方法。

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