JP5100748B2 - 体積可変材料を備えるマイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、液体を流通させるマイクロ流体デバイスに関する。より正確には、本発明は、化学、生物学、生化学、および医学の分野で用いられる小型のデバイス中の液体回路の使用に関する。

この種のマイクロ流体システムは、その小型さゆえに使用する液体の量が限られた量でよく、多くの利点があるため、近年利用が増えてきている。この種の小型の機器は、費用を抑えつつ大量生産することが比較的容易であり、小さい全体寸法の中に多数の機能を備え、信頼性が高い。特に、反応によって分析を行う場合には、こういった小型のデバイスは高感度で、迅速な分析を実現し、また容易に持ち運び可能である。

これらの目的を達成するマイクロ流体デバイスは、従来半導体業界で用いられてきた技術および材料を使用して作製されている。多数の選択肢の中からユーザが液体流通路を完成できるように、液体流通路を事前に完全には画定しないで、この種のマイクロ流体デバイスをより幅広く活用することが求められている。このように調整することは、同一のマイクロ流体デバイスで複数の要望に対応できるということである。

国際公開第２００４／０５０２４２号パンフレットには、外部コマンドによって、多数のマイクロ流体ネットワークのうちの１つをオンデマンドに作り出す、積層プレートを用いたマイクロ流体デバイスが提示されている。２つのキャビティまたは流路間に液体を連通させるために、その間の壁部に電磁輻射を向けて貫通させる。液体を移動させるために、液体に遠心力が加えられる。

しかしながら、この種の技術には欠点が多くある。遠心力発生のためにマイクロ流体デバイスを回転させる外部の手段が必要であり、それによって実施が非常に複雑になる。また、遠心力では、液体を一方向にしか移動させることができない。

活性化、特に熱活性化によって、体積を局所的に変えることができる、特には増加させることができる活性化可能材料がある。

たとえば、B.Samel、(P.Griss)、G.Stemmeの「Expandable microspheres incorporated in a PDMS matrix: a novel thermal composite actuator for liquid handling in microfluidic applications」、Transducers’０３、１５５８ １５６１、２００３年を参照されたい。この文献は、ポリマー、特にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、またはシリコーンに、膨張性マイクロスフェア、特にはエクスパンセル（Ｅｘｐａｎｃｅｌ）（登録商標）マイクロスフェアを混合することにより得られる複合材料から形成される層を積層体（ｓｔａｃｋ）内で使用することにより、マイクロ流体デバイス中の小さな空隙やそれより大きいリザーバを充填することを説明している。本特許出願において、このポリジメチルシロキサンとエクスパンセル（登録商標）マイクロスフェアとの混合物は、ＸＢＰＤＭＳと称する。

本発明の目的は、流路および／またはバルブおよび／またはキャビティから構成される３次元液体ネットワークを形成するために複数の選択肢を提供するマイクロ流体デバイスを提示することである。したがって、このマイクロ流体デバイスは、その製作という点では標準的なデバイスであって、エンドユーザが、デバイス中に存在する、活性化可能材料の一又は複数の領域を一又は複数のステップで活性化することにより、要望に応じて、上記選択肢の中から選択することが可能である。

「３次元液体ネットワーク」という表現は、デバイスを構成する積層体内の、高さが異なる液体通路を指し、これによって、デバイスの寸法を大きくせずに同時に使用する液体通路の数を増やせる。これらの液体通路は、異なる高さで交差しており、特に、それぞれ積層体の異なる層にあるため、互いに連通することなく交差することができる。

発明を解決するための手段

この目的のために、本発明は、基板を構成し、一又は複数の貫通孔を含む第１プレートと、前記第１プレートの各面側にあるように、２以上の位置にあって、流路部分を画定するように構成された材料とを備え、前記材料は、前記２以上の位置のうち一又は複数の位置では、熱的若しくは化学的に、または電磁刺激によって活性化されて体積を変えることができる活性化可能材料からなり、前記材料は、第１フェーズにおいて、前記活性化可能材料からなる一又は複数の位置を活性化することで第１形状（ｆｉｒｓｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）が第２形状（ｓｅｃｏｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）に変容し、これによって３次元液体ネットワークが改変されるように、前記２以上の位置に配置されており、前記３次元液体ネットワークは、前記第２形状では、前記第１フェーズで選択されて活性化された前記一又は複数の位置に応じて、前記第１プレートの平面に平行かつ互いに離れた複数の平面に位置する複数の流路部分を、前記第１プレートの各面側に少なくとも１つ有し、これらの流路部分の間に前記一又は複数の貫通孔が位置し、それにより、液体が前記複数の貫通孔の１つを通って互いに離れている平面に位置する複数の流路部分の間を移動する、互いに異なる複数の液体通路から構成されている、マイクロ流体デバイスを提示する。また、前記互いに異なる複数の液体通路は、前記第１プレートの各面側に位置する複数の流路部分であって、前記流路部分同士をつなぐ貫通孔が形成されていないために互いに連通することなく前記第１プレートの各面側において交差する複数の流路部分をさらに有している。

これによると、第１フェーズで活性化可能材料が活性化される位置を選択することで、第１プレートの片面または両面において第１プレートの貫通孔の付近で、一又は複数の流路部分を形成または遮断して、３次元液体ネットワークを改変できることは明らかである。活性化された領域は体積が変化する（体積が増加または減少する）ので、この改変は、形成または遮断する流路部分に対応する、またはその周囲の、選択した領域を活性化することで容易に実施される。したがって、一種類の初期デバイスから始めて、関心のある用途に必要な３次元ネットワークをオンデマンドに作製することができる。

「３次元ネットワーク」という表現は、デバイスを構成する積層体内で異なる高さにあり、ある量の液体を第１の位置から第２の位置へ移動可能な液体通路を指す。詳細には、多数の選択肢の中から１つの通路を形成することと、３次元液体ネットワーク内に共存する多数の液体通路を形成することとを合わせたものである。多数の液体通路を形成すると、デバイスの寸法を大きくすることなく同時に使う液体通路の数が増え、また、これらの通路は、積層体内の異なる層にあって交差しているので、互いに連通することはない。

この解決方法には、上述の実施の容易性に加えて、さらに利点がある。その利点とは、製作という点では標準的なデバイスを用い、一又は複数の液体通路を使用して異なる機能を実行することができるということである。活性化可能材料の体積の変化は、所望の方法で非常に容易に制御される。

第１プレートの各面側の材料は一部分だけが活性化可能材料であるか、第１プレートの各面側の材料の全てが活性化可能材料である。

一部分だけが活性化可能材料である場合は、活性化可能材料は、第１プレートの２つの面の一方の面側の全位置にあるか、そのうちのいくつかにある。

また、活性化可能材料は、第１プレートの各面側で一又は複数の位置に配置することもできる。

前記活性化可能材料は、活性化されるとその体積が増加する種類のもの、または、活性化されると体積が減少する種類のものである。

もちろん、同一のデバイス中に、１以上の種類および／またはカテゴリーの活性化可能材料を使用することができる。

基板を構成するプレートの各面側において活性化可能材料で覆われる位置は、このプレートの表面上で局部的であってもよいし、または、広い領域、特にはプレートの全面を覆ってもよい。全面を覆う場合は、活性化可能材料は、第１プレートを覆う一又は複数の層の形をとる。

本発明によると、小型のデバイスを用いて、液体を３次元的に流すことが可能になり、特に、互いに連通せずに交差することができる、はるかに多数の流路および／またはキャビティを形成することが可能になる。さらにユーザは、デバイスの製作後に、所与のデバイス構造から始めて、このデバイスを所望の配置に応じて改造することができる。

第１実施形態では、この材料を活性化することで、初期積層体中にはなかった流路を形成する。これは、活性化されると体積が減少する活性化可能材料の、流路に対応する部分を活性化する、あるいは、活性化されると体積が増加する活性化可能材料の、流路を形成したい部分の周囲の領域を活性化することで達成することができる。

この場合、第１フェーズでの第１形状から第２形状への変容中に、３次元ネットワークの改変によって、活性化された複数の位置の間に、複数の貫通孔とともに３次元ネットワークを構成する複数の流路部分が形成される。これらの流路を開通させることで、液体は、第１フェーズの変容前には行くことができなかったデバイス中の部分に到達することができるようになる。

有利には、それまで活性化されていなかった複数の位置が活性化される第２フェーズで、第１フェーズ中に形成された複数の流路部分が埋められ、それにより、３次元ネットワークの少なくとも一部分が遮断されるように、この活性化可能材料が配置されている。これらの流路または流路部分を遮断することで、これらの流路から、第２フェーズでの変容前は液体が入っていなかった、デバイスの別の部分に向けて流出させることが可能になる。

第１実施形態の第１変形例では、特に、このデバイスが、液体通路部分に関しては第１プレートとそれを覆う活性化可能材料とのみを使用する積層体から構成されている場合は、液体は、３次元ネットワーク内で第１プレートの平面に実質的に平行に移動する。

この場合、第１フェーズでの第１形状から第２形状への変容中に、３次元ネットワークの改変によって、第１プレートの各面側に、活性化した複数の位置の間に、貫通孔とともに３次元ネットワークを構成する複数の流路部分が形成される。液体は第１プレートを通過することができるので、これらの流路を開通させることで、液体は、第１フェーズの変容前は行くことができなかったデバイス中の部分に第１プレートの反対側の面から到達することができるようになる。

有利には、それまで活性化されていなかった複数の位置が活性化される第２フェーズで、第１フェーズ中に形成された複数の流路部分が埋められ、それにより、第１プレートの各面側で３次元ネットワークの少なくとも一部分が遮断されるように、活性化可能材料が配置されている。これらの流路が遮断されることで、そこから、第２フェーズへの変容前は液体が入っていなかった、第１プレートの反対側の面に配置されている、デバイスの別の部分に向かって流出させることが可能になる。

第１実施形態の第２変形例では、液体は、第１プレートの平面に平行に、また、第１プレートの平面に直角に、すなわち、積層体の様々な層を貫通して、３次元ネットワーク内を移動する。これは、このデバイスが積層体から構成され、その一部分が、第１プレートに加えて基板を構成する一又は複数の他のプレートを備える３次元ネットワークおよび／または液体ネットワークを含む場合に可能である。

第１実施形態の第２変形例では、このデバイスは、第１プレートの複数の貫通孔に対してずれている複数の貫通孔を含む基板である一又は複数の第２プレートをさらに備え、第１プレートと第２プレートの間に配置された活性化可能材料は、第１フェーズで活性化可能材料を活性化することにより第１プレートの貫通孔と第２プレートの貫通孔との間で液体の連通状態を確立する複数の流路が形成されるように、第１プレート複数の貫通孔の１つと位置合わせされている一又は複数の流路を含む。

連続する２枚のプレートの間で互いにずれていて液体リザーバを構成可能な複数の貫通孔を備える、少なくとも２枚、すなわち、２枚、３枚またはそれ以上の基板プレートが設けられ、これらのプレート間で液体を流通、特には、重力によって下方に流通させることができる。

たとえばこのデバイスは、第２プレートの複数の貫通孔に対してずれている複数の貫通孔を含む基板である一又は複数の第３プレートを備え、第２プレートと第３プレートの間に配置された活性化可能材料は、第３フェーズで第２プレートと第３プレートとの間に位置する活性化可能材料を活性化することにより第２プレートの貫通孔と第３プレートの貫通孔との間で液体の連通状態を確立する流路が形成されるように、第２プレートの複数の貫通孔の１つと位置合わせされている一又は複数の流路を含む。

このように、積層体中のある高さからそれより低い位置に向かう液体流路は、貫通孔での混合により、異なる液体を反応させることができる。

たとえば、このように液体を流通させることで２つ以上の異なる液体を混合することができる。

第１実施形態の代替実施態様では、デバイスが、第１プレートと複数の流路部分を形成するように構成された活性化可能材料との間に、活性化可能材料の複数の位置に対向して、非粘着層をさらに含む。

これにより、流路に変形された活性化可能材料の領域が、活性化可能材料の活性化中に、基板を構成するプレートに張り付くことを防ぎ、確実かつ容易にプレートと流路を形成する材料とを分離できる。

第２実施形態では、活性化されると体積が増加する活性化可能材料において流路に対応する領域を活性化する、あるいは、活性化されると体積が減少する活性化可能材料において流路を形成したい部分の周囲の領域を活性化することで、材料を活性化して、初期積層体中の既存の流路を遮断する。

この場合、第１形状では、第１プレートの平面に平行で互いに離れた複数の平面に位置する複数の流路から構成される複数の通路部分を、第１プレートの各面側に少なくとも１つ備え、これらの通路部分の間で液体が複数の貫通孔の１つを通過する液体通路から３次元ネットワークが形成され、活性化可能材料の一又は複数の位置を活性化して、第１フェーズで３次元ネットワークを改変することで一又は複数の対応する流路が遮断され、それにより、こうして遮断された流路から液体が強制的に排出されてネットワーク内を移動する、第２形状が形成される。

有利には、第１フェーズで、活性化可能材料の複数の位置が連続して活性化され、それによって、複数の流路が連続して遮断され、これにより、液体が強制的に遮断された複数の流路から連続して排出され、ネットワーク中を徐々に移動する。

このように、３次元ネットワークまたはある量の液体の通路を形成する３次元ネットワークの一部分に沿って位置する複数の流路を遮断することで、それにつれて、その液体を段階的に移動させることができる。

本発明はさらに、接触により反応、特に化学反応が起きるように２つ以上の異なる試薬液体の混合物を作製するための、上述の本発明のデバイスの使用に関する。

この場合、デバイスは、光学的、電気化学的、電磁的、または磁気的な検出による分析を可能にするキャビティに混合物を搬送するように適応したものとなっている。このデバイスは検出システムが備えられているか、これに接続されている。

このような検出システムの一例としては、光学的検出による分析では、光源（レーザ、発光ダイオード、またはスペクトルランプなど）と、センサ（光電子増倍管または半導体フォトダイオードなど）とを使用する。たとえば、光源が発する光の強度と混合物の上に配置されたセンサが検出する光の強度との比率を測定することで、得られた混合物が反応時に発した光の吸収を測定することができる。試薬液体の中には蛍光性のものがあり、この場合は光源による励起後に蛍光強度を測定することができる。

電気化学的検出による分析では、プラチナ、金、銀などの２つの電極を、たとえば液体混合物に浸して使用する。その原理は、これらの電極によって一定の電圧または電流を混合物に印加し、その結果生じる電流または電圧をこの電極を介して測定することである。

最後に、電磁的または磁気的検出による分析については、液体の中には、たとえば電磁場または磁場の影響を受けてこの液体混合物中を移動する小さなビーズ状の磁石を内蔵しているものがあり、これを使用することができる。

本発明の他の利点および特徴は、例として示す以下の説明を読めば明らかになる。以下の説明では添付の図面を参照する。

まず、図１から図１１を参照する。これらの図は、活性化可能材料を活性化することで初期積層体に存在していなかった流路が形成される、本発明の第１実施形態の様々な変形例を示す。

まず、図１から図４を参照する。これらの図は、液体が積層体の平面に実質的に平行に移動する３次元ネットワークを作製する、第１実施形態の第１変形例の複数の例を示す。

図１から図３は、第１プレート１１２と、第１プレート１１２の２つの面をそれぞれ１つずつ覆う、２つの活性化可能材料層１１４および１１６と、を含む積層体を形成しているデバイス１１０を示す。

基板を構成する第１プレート１１２は、様々な硬質の材料、特に、商標名パイレックス（登録商標）として市販されているガラスを含むガラス、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、またはシリコーンなどの不活性材料で作製することができる。

各図の第１プレート１１２には、プレートを貫通し、その表面全体に規則的に分布している複数の貫通孔１１３が設けられている。

活性化可能材料層１１４および１１６は、たとえばＸＢＰＤＭＳ、すなわち、ポリジメチルシロキサンとエクスパンセル（登録商標）マイクロスフェアとの混合物で作製される。これらの層１１４および１１６は、第１プレート１１２の片面ずつに順に、液体または粘性の状態で堆積させ、遠心分離によって一定に分散させて薄い層とし、その後乾燥させる。

活性化可能材料層１１４および１１６の製作の前に、まず、第１プレート１１２の各面側に、非粘着性材料が図２に見られるパターン１１８の形で堆積される。パターン１１８は、第１プレート１１２の複数の貫通孔１１３と位置合わせされた網を構成している。

この非粘着性材料は、たとえば金などの金属でよく、マスクを用いた標準的なフォトリソグラフィ技術によって第１プレート１１２に堆積される。

この段階で、一般に、この非粘着性材料は、第１プレート１１２に接して、および／または活性化可能材料層１１４および１１６に接して堆積することができることに留意されたい。この非粘着性材料が活性化可能材料層１１４および１１６に接して堆積されれば、非粘着性材料が貫通孔１１３を覆うことは明らかである。

パターン１１８は、ある広い領域で交差している複数の直交線による網の形をしており、第１プレート１１２の複数の貫通孔１１３が、交差領域以外の直交線に沿って位置している。

図１から図３に示す例では、非粘着性材料のパターン１１８は第１プレート１１２の複数の貫通孔１１３を覆っている。

パターン１１８として堆積された非粘着性材料の役割は、活性化可能材料のある領域が活性化されたときに、それに隣接する、パターン１１８の一部分に対向する活性化されていない領域が、第１プレート１１２に貼りつかずに確実に離れているようにすることである。

図３を参照すると、この図では、活性化可能材料層１１４および１１６の異なる領域を活性化することにより、互いに異なる流路１１７および１１９が設けられている。図３は、図１に第１形状を示したデバイス１１０の第２形状を示す。

より正確には、図３には、周囲の、活性化可能材料層１１４の２つの領域１１４１および１１４２を活性化することにより得られた、この図の紙面に対して直交する第１流路１１７の一部分の断面が見られる。

図３には、第１プレート１１２の両側を通る第２流路１１９の３つの部分１１９１、１１９２、および１１９３の縦断面も見られる。すなわち、上側活性化可能材料層１１４の２つの部分１１９１および１１９３は、領域１１４１、１１４２と、上側活性化可能材料層１１４の流路部分１１９１および１１９３の周囲の図示しない他の領域とを活性化することにより形成されている。

流路１１９の部分１１９２は、下側活性化可能材料層１１６の領域１１６１および１１６２と、この部分１１９２の周囲の図示しない他の領域とを活性化することにより得られる。

ここで、この部分１１９２は、その長手方向が溶着防止（ａｎｔｉ ｗｅｌｄｉｎｇ）網であるパターン１１８の線の１つに沿って延在しており、第１プレート１１２の貫通孔１１３１と貫通孔１１３２との間で、流路１１９の部分１１９２と部分１１９１および１１９３との間に液体を連通させる。

したがって、層１１４および１１６のうち、これらの流路部分の周囲の領域を活性化させることで、第１プレート１１２の各面側に、溶着防止網のパターン１１８の線に沿ったこれらの流路が形成されることが分かる。

同様に、図３に見られるように、収容している液体が混合することなく交差し、その交差箇所では第１プレート１１２の片面ずつにそれぞれ離れている、流路１１７および１１９を形成することができることが分かる。

この変形例では、当初は第１プレート１１２と活性化可能材料層１１４および１１６との間には空間がなく、活性化可能材料層１１４および１１６のうち構築される流路の位置の周囲の領域を活性化することにより、液体が流通する空間を画定する流路１１７および１１９が形成されることが分かる。

ここで図４を参照する。図４は、第１実施形態の別の変形例を示し、活性化可能材料の活性化前の第１形状である。第１プレート１１２は同様に、複数の貫通孔１１３を含むが、ここでは上側活性化可能材料層１１４および下側活性化可能材料層１１６は、それぞれ、デバイス１１０’の辺縁領域以外では第１プレート１１２と接触しないように配置され、積層体となっている。

この構成は、たとえば、プレート１１２に固定する前に、活性化可能材料層１１４および１１６を成型することで実現される。

３次元ネットワーク１０を形成するために、各活性化可能材料層１１４および１１６のうち、形成される流路の周囲となる領域が活性化される。これらの活性化された領域では、領域１１４、１１６を構成する材料の体積が増えるので、これらの領域が第１プレート１１２と接触することになり、領域１１４１、１１４２、１１６１、および１１６２が活性化された、図３と同様の３次元ネットワーク１０が形成される。

図４に示す第１実施形態のこの変形例では、非粘着性材料がないことに留意されたい。

以下では図５から図１１を参照する。これらの図は、デバイス１２０の形で、本発明の第１実施形態の第２変形例の一例を示す。

ここでは、液体通路、特に重力による下方通路が積層体中に形成されている３次元ネットワーク中に一又は複数種類の液体を流通させることが求められている。詳細な目的は、互いに異なる液体の吸引および混合、ならびにその混合物の利用を可能にする複数の流路および／またはキャビティのネットワークを構築することである。

これらの図に示す実施形態では、第１プレート１２１、第２プレート１２２、および第３プレート１２３から構成される、たとえばガラスなどの穿孔された３枚のプレートを備える積層体があり、そのそれぞれが基板を構成している。

これらのプレート１２１、１２２、および１２３はそれぞれ、比較的大きな貫通孔１２５１、１２５２、および１２５３を有しており、それにより小さなキャビティが形成される。これらのプレート１２１と１２２の間と、１２２と１２３の間とには、図６に見られる非粘着性材料のパターン１２８で覆われた活性化可能材料層がある。

より正確には、第１プレート１２１と第２プレート１２２との間には、第２プレート１２２の複数の貫通孔１２５２と垂直方向に位置合わせされた複数の流路１２６ａを含む活性化可能材料層１２６がある。

第１プレート１２１の複数の貫通孔１２５１は、第２プレート１２２の複数の貫通孔１２５２に対してずれているので、第１プレート１２１の貫通孔１２５１と第２プレート１２２の貫通孔１２５２との間で最初は流体が連通しないことが明らかである。活性化可能材料層１２６の上には、図６に示す、溶着防止材料のパターン１２８が設けられている。

この図は、デバイス１２０の平面内で、流路１２６ａと同心の第２プレート１２２の貫通孔１２５２の位置と第１プレート１２１の貫通孔１２５１の位置とがずれていることを破線で示している。

この非粘着性材料のパターン１２８は、プレート１２１、１２２、および１２３の貫通孔１２５１、１２５２、および１２５３に対応して交差する線を組み合わせて構成されている。

ここで、非粘着性材料のパターン１２８は、第１プレート１２１に接して堆積されている。パターン１２８は、活性化可能材料層１２６の流路１２６ａを覆わない。または、図示しないが、流路１２６ａを覆うように非粘着性材料のパターン１２８を活性化可能材料層１２６に接して堆積させるという選択肢もある。さらに、図示しないが、この非粘着性材料のパターン１２８を活性化可能材料層１２６と第１プレート１２１の両方に対して堆積させるという選択肢もある。

また、第２プレート１２２と第３プレート１２３との間には、第３プレート１２３の複数の貫通孔１２５３と垂直方向に位置合わせされた複数の流路１２７ａを含む活性化可能材料層１２７がある。活性化可能材料層１２７の上には、前述のパターン１２８と同様の非粘着性材料のパターンがある。

この例では、図５に示すように、第１プレート１２１の複数の貫通孔１２５１と第３プレート１２３の複数の貫通孔１２５３とはそれぞれ垂直方向に位置合わせされているが、これは全く特別なケースである。

最後に、積層体１２０を完成させるには、これらの貫通孔１２５３の底部を閉じる底面を形成する閉止プレート１２９を第３プレート１２３に密着させる。閉止プレート１２９は、商標名パイレックス（登録商標）として市販されているガラスを含むガラス製であり、プラズマボンディングなどの溶接技術によって第３プレート１２３に接合される。

以下図７から図１１を参照するが、これらの図は、混合物を作製するための、この種のデバイス１２０の使用のステップを示す。

図７は、図５のデバイス１２０を示す。デバイス１２０内には、第１プレート１２１上に配列された、貫通孔１２５１１、１２５１２、および１２５１３を含む貫通孔１２５１に、互いに異なる３つの液体１２４１、１２４２、および１２４３がそれぞれ配置されている。この状態では、３つの液体１２４１、１２４２および１２４３は、互いに混じり合う可能性はなく、分離している。

第１プレート１２１の貫通孔１２５１１、１２５１２、および１２５１３にこのように充填した後で、上部キャビティを形成する。すなわち、第１プレート１２１と第２プレート１２２との間の活性化可能材料層１２６の構造を改変して、液体１２４１、１２４２、および１２４３の一部または全部が下方に移動できるようにする。

そのために、図８に見られるように、複数の流路を形成する。具体的には、活性化可能材料層１２６の領域１２６１、１２６２、および１２６３を含むある複数の領域を活性化することにより、図８に見られるような流路１２６４、１２６５、および１２６６を形成する。より正確には、流路１２６４によって第１液体１２４１を収容する貫通孔１２５１１が活性化可能材料層１２６の流路１２６ａ１とつながり、この流路１２６ａ１は流路１２６５を介して貫通孔１２５１２との間に液体を連通させている。

この段階で、液体１２４１の一部が流路１２６４に入っており、液体１２４２の一部が流路１２６５に入っている。さらに、流路１２６６を形成すると、貫通孔１２５１３が活性化可能材料層１２６の流路１２６ａ２につながる。

この段階で、これらの液体が試薬液体であれば、液体１２４１と１２４２との混合物を生成することで液体１２４１と１２４２とが接触すると、反応、とりわけ化学反応が起こることに留意されたい。

結果を図９に示す次のフェーズでは、活性化可能材料層１２６のうち、前の段階での流路１２６４、１２６５、および１２６６の位置にそれぞれ対応していた領域１２６４’、１２６５’、および１２６６’を活性化する。

このように流路１２６４、１２６５、および１２６６を遮断することで、そこに収容されていた液体がそれぞれ以下のように下流に移動する。すなわち、図８に示す前の形状で流路１２６４にあった液体１２４１と、流路１２６５にあった第２の液体１２４２とが、影響を受けずに残っている活性化可能材料層１２６の流路１２６ａ１を通って第２プレート１２２の貫通孔１２５２１に移動し、図８の流路１２６６にあった液体１２４３は、影響を受けずに残っている活性化可能材料層１２６の流路１２６ａ２を通って、第２プレート１２２の貫通孔１２５２２に入っている。

当初の３つの液体１２４１、１２４２、および１２４３の混合は図１０および図１１に示す以下の２つのフェーズを行うことで完了する。

図１０に見られるように、第２プレート１２２と第３プレート１２３の間の活性化可能材料層１２７の領域１２７１および１２７２を活性化する。これにより、流路１２７３および１２７４が形成され、そこに液体１２４１と１２４２との混合物と、液体１２４３とがそれぞれ流れ込む。流路１２７３および１２７４によって、第２プレート１２２の貫通孔１２５２１および１２５２２がそれぞれ、下方に位置する活性化可能材料層１２７の流路１２７ａ１につながる。

最後に、混合物を作製するために、図１１に見られるように、層１２７のうち、それまで流路１２７３および１２７４を形成していた領域１２７３’および１２７４’を活性化し、これらの２つの流路にあった液体を、流路１２７ａ１を通して第３プレート１２３の貫通孔１２５３１に強制的に送り、その中で液体１２４１、１２４２、および１２４３の混合物が生成される。

明らかに、第３プレート１２３の貫通孔１２５３１にある３つの液体１２４１、１２４２、および１２４３の混合物は、この後、マイクロ流体デバイス１２０の図示しない別の部分で新たな反応のために使用することができる。また、たとえば、図１から図４を参照して説明した第１実施形態の第１変形例と同様の３次元ネットワークを特徴とすることもできる。

次に、図１２から図１４を参照する。これらの図は、活性化可能材料を活性化することでそれまで初期積層体中に存在していた流路を遮断し、それによって液体を前方に移動させる、本発明の第２実施形態の使用の例を示す。

図１２から図１４に示すデバイス２００は、最初、液体流路２１７および２１９を既に有する積層体を構成している。より正確には、デバイス２００を構成する積層体は、表面に複数の貫通孔２１３が規則的に分布した、たとえばガラスなどの第１プレート２１２を含む。

プレート２１２の２つの面はそれぞれ、活性化可能材料層で覆われており、各活性化可能材料層は、第１プレート２１２に固定される前に、流路２１７および２１９を形成するための空洞部を呈するように構成されている。

すなわち、図１２に見られるように、上側活性化可能材料層２１４は、第１プレート２１２に対向する面側に、流路２１９の部分２１９１および２１９３と、流路２１７とを含む凹部を備えている。このために、層２１４は、相補的な凸型の鋳型に入れて成型され、たとえば流路２１９の部分２１９１および２１９３と流路２１７とを含む、これらの陥凹領域が形成される。

同様に、図１２に見られるように、下側活性化可能材料層２１６は、第１プレート２１２の方向に向いた面側に、流路２１９の部分２１９２を含む複数の空洞部を有する。

したがって、これらの空洞部は、たとえば流路またはキャビティの形で液体を受けるためのものであり、積層体に組立てられる前にすでに活性化可能材料層内に形成されているので、非粘着性材料は使用されないことが分かる。

この第２実施形態では、デバイス２００を組み立てる時に注意が必要である。特に、第１プレート２１２の両面側で、３次元流体ネットワーク２０の同じ１つの流路となるべき流路部分２１９１、２１９２、および２１９３間で液体を連通させるために、２つの活性化可能材料層２１４および２１６の凹部が第１プレート２１２の貫通孔２１３に対向して正確に配置されるように、第１プレート２１２に２つの活性化可能材料層２１４および２１６を組み合わせるステップで注意が必要である。このステップは、たとえばプラズマボンディング技術（プラズマによって活性化して溶接する）を利用して実行可能である。

このように、この例では、流路２１９の部分２１９１は貫通孔２１３１を介して部分２１９２と連通しており、部分２１９２は貫通孔２１３２を介して部分２１９３と連通している。一方、図１２に見られる流路２１７の部分は、部分２１９２の上方にあり、貫通孔２１３のいずれもこれにつながっておらず、流路２１７と流路２１９とは、上方から見て交差している部分では第１プレート２１２によって完全に分離されている。

図１２から図１４は、デバイス２００の使用例を示す。図１２に見られるように、液体２０１が流路２１９の部分２１９１に配置され、別の異なる液体２０２が流路２１７に配置されている。

図１３に示す第１フェーズでは、上側活性化可能材料層２１４のうち部分２１９１に対応する領域２１４１が活性化され、それまでそこに位置していた液体２０１が貫通孔２１３１を通って下流方向に部分２１９２まで移動し、第１プレート２１２の反対の面側に移動する。

図１４に示す第２フェーズでは、上側活性化可能材料層２１４のうち、図１２および図１３では流路２１７の位置に対応していた領域２１４２が活性化され、液体２０２が図１４には見られない、流路２１７の別の部分に移動されている。また第２フェーズでは、下側活性化可能材料層２１６のうちそれまで部分２１９２の位置に対応していた領域２１６１も活性化され、前のフェーズでそこにあった液体２０１が、貫通孔２１３２を通過して、下流方向に移動され、第１プレート２１２の他方の面側の、活性化可能材料層２１４の流路２１９の部分２１９３に至っている。

したがって、活性化可能材料層のうち既存の流路部分の対応領域を活性化して、その流路部分を遮断することによってその流路部分から液体２０１または２０２を移動することが実現され、それにより、その液体がさらに下流の流路部分へと排出されることがわかる。

しかしながら、既存の流路部分を備えるこのようなデバイス２００を使用して、第１実施形態のように、同じ活性化可能材料層の流路としたい部分の周囲の領域を活性化することにより、他の新たな流路部分を形成することができることは明らかである。

上述のような、図１２から図１４に示す本発明の第２実施形態のデバイスは、第１実施形態に類似の、図１に対応するデバイスから構成することもできることに留意されたい。その場合は、前述の流路を形成するために、活性化可能材料層１１４および１１６のうち流路２１７および２１９に対応する位置の周囲の領域を、あらかじめ活性化しておく必要がある。

本発明のデバイスの第１実施形態の第１変形例の、第１形状での図２の線Ｉ−Ｉに沿った断面図である。 ＩＩ−ＩＩの方向について見た、図１のデバイスの部分平面図である。 第２形状を示す、図１と同様の図である。 第１実施形態の別の変形例に関する図１と同様の図である。 本発明のデバイスの第１実施形態の第２変形例の、第１形状での、図６の線Ｖ−Ｖに沿った断面図である。 ＶＩ−ＶＩの方向について見た、図５のデバイスの部分上面図である。 デバイスがどのように機能するかを示す、図５と同様の図である。 デバイスがどのように機能するかを示す、図５と同様の図である。 デバイスがどのように機能するかを示す、図５と同様の図である。 デバイスがどのように機能するかを示す、図５と同様の図である。 デバイスがどのように機能するかを示す、図５と同様の図である。 本発明の第２実施形態に対応するデバイスの、第１形状での断面図である。 図１２のデバイスがどのように機能するかを示す図である。 図１２のデバイスがどのように機能するかを示す図である。

Claims (16)

1. 基板を構成し、一又は複数の貫通孔（１１３；１２５１；２１３）を含む第１プレート（１１２；１２２；２１２）と、
   前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の各面側にあるように、２以上の位置にあって、流路部分を画定するように構成された材料とを備え、
   前記材料は、前記２以上の位置のうち一又は複数の位置では、熱的若しくは化学的に、または電磁刺激によって活性化されて体積を変えることができる活性化可能材料（１１４，１１６；１２６，１２７；２１４，２１６）からなり、
   前記材料は、第１フェーズにおいて、前記活性化可能材料からなる一又は複数の位置を活性化することで第１形状が第２形状に変容し、これによって３次元液体ネットワークが改変されるように、前記２以上の位置に配置されており、
   前記３次元液体ネットワークは、前記第２形状では、前記第１フェーズで選択されて活性化された前記一又は複数の位置に応じて、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の平面に平行かつ互いに離れた複数の平面に位置する複数の流路部分（１１７，１１９；１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４；２１７，２１９）を、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の各面側に少なくとも１つ有し、これらの流路部分の間に前記一又は複数の貫通孔（１１３；１２５１；２１３）が位置する、互いに異なる複数の液体通路から構成されており、
   前記互いに異なる複数の液体通路は、前記第１プレートの各面側に位置する複数の流路部分であって、前記流路部分同士をつなぐ貫通孔が形成されていないために互いに連通することなく前記第１プレートの各面側において交差する複数の流路部分（１１７，１１９；２１７，２１９）をさらに有している、マイクロ流体デバイス（１１０；１２０；２００）。
2. 前記活性化可能材料が、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の各面側で、一又は複数の位置に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のデバイス（１１０；１２０）。
3. 前記第１フェーズでの前記第１形状から前記第２形状への変容中に、前記３次元液体ネットワークの改変によって、前記活性化された複数の位置の間に、前記貫通孔（１１３；１２５１）とともに前記３次元液体ネットワークを構成する前記複数の流路部分（１１７，１１９；１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス（１１０；１２０）。
4. それまで活性化されていなかった複数の位置が活性化される第２フェーズで、前記第１フェーズ中に形成された複数の流路部分（１１７，１１９；１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）が埋められ、それにより、前記３次元液体ネットワークの少なくとも一部分が遮断されるように、前記活性化可能材料（１１４，１１６；１２６，１２７）が配置されていることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス（１１０；１２０）。
5. 前記第１フェーズでの前記第１形状から前記第２形状への変容中に、前記３次元液体ネットワークの改変によって、前記第１プレート（１１２）の各面側に、前記活性化した複数の位置の間に、前記貫通孔（１１３）とともに前記３次元液体ネットワークを構成する前記複数の流路部分（１１７，１１９）が形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のデバイス（１１０）。
6. それまで活性化されていなかった複数の位置が活性化される第２フェーズで、前記第１フェーズ中に形成された複数の流路部分（１１７，１１９）が埋められ、それにより、前記第１プレート（１１２）の各面側で前記３次元液体ネットワークの少なくとも一部分が遮断されるように、前記活性化可能材料（１１４，１１６）が配置されていることを特徴とする、請求項５に記載のデバイス（１１０）。
7. 前記第１プレート（１２２；２１２）の前記複数の貫通孔（１１３；１２５１；２１３）に対してずれている複数の貫通孔（１２５１；２１３）を含む基板である第２プレートをさらに備え、
   前記第１プレート（１２２）と前記第２プレートの間に配置された前記活性化可能材料（１２６，１２７）は、前記第１フェーズで前記活性化可能材料（１２６，１２７）の前記複数の位置を活性化することにより前記第１プレート（１２２）の貫通孔（１２５１）と前記第２プレートの貫通孔（１２５１）との間で液体の連通状態を確立する複数の流路（１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）が形成されるように、前記第１プレート（１２２）の前記複数の貫通孔（１２５１）の１つと位置合わせされている一又は複数の流路を含むことを特徴とする、請求項３または４に記載のデバイス（１２０）。
8. 前記第１プレート（１２２）と前記第２プレートの間に配置された前記活性化可能材料（１２６，１２７）の他の複数の位置を第２フェーズで活性化することで、前記第１フェーズで形成された複数の流路（１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）が遮断されて、前記第２プレートの前記貫通孔（１２５１）と前記第１プレート（１２２）の前記貫通孔（１２５１）の間の液体の連通が遮られることを特徴とする、請求項７に記載のデバイス（１２０）。
9. 前記第２プレートの前記複数の貫通孔（１２５１）に対してずれている複数の貫通孔（１２５１）を含む基板である第３プレートをさらに備え、
   前記第２プレートと前記第３プレートの間に配置された前記活性化可能材料（１２６，１２７）は、第３フェーズで前記第２プレートと前記第３プレートとの間に位置している前記活性化可能材料（１２６，１２７）の前記複数の位置を活性化することにより前記第２プレートの貫通孔（１２５１）と前記第３プレートの貫通孔（１２５１）の間で液体の連通状態を確立する流路（１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）が形成されるように、前記第２プレートの前記複数の貫通孔（１２５１）の１つと位置合わせされている一又は複数の流路を含むことを特徴とする、請求項７または８に記載のデバイス（１２０）。
10. 複数の流路（１２６４，１２６５，１２６６；１２７３，１２７４）を形成するように構成された前記活性化可能材料（１２６，１２７）の複数の位置に対向して、前記第１プレート（１１２；１２２）と前記活性化可能材料（１２６，１２７）との間に、非粘着層をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のデバイス（１２０）。
11. 前記第１形状では、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の平面に平行で互いに離れた複数の平面に位置する複数の流路（２１７，２１９）から構成される複数の通路部分を、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）の各面側に少なくとも１つ備え、これらの通路部分の間で液体が前記複数の貫通孔（１１３；１２５１；２１３）の１つを通過する液体通路を形成する３次元液体ネットワークが存在し、
    前記活性化可能材料の一又は複数の位置を活性化して、前記第１フェーズで前記３次元液体ネットワークを改変することで一又は複数の対応する前記流路（２１７，２１９）が遮断され、それにより、こうして遮断された流路から液体が強制的に排出されて前記ネットワーク内を移動する、第２形状が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のデバイス（２００）。
12. 第１フェーズで、活性化可能材料（１１４，１１６；１２６，１２７；２１４，２１６）の複数の位置が連続して活性化され、それによって、複数の前記流路（２１７，２１９）が連続して遮断され、これにより、液体が強制的に遮断された複数の流路から連続して排出され、ネットワーク内を徐々に移動することを特徴とする、請求項１１に記載のデバイス（２００）。
13. 前記活性化可能材料（１１４，１１６；１２６，１２７；２１４，２１６）が、前記第１プレート（１１２；１２２；２１２）を覆う一又は複数の層から構成されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス（１１０；１２０；２００）。
14. 前記活性化可能材料（１１４，１１６；１２６，１２７；２１４，２１６）が、活性化されると体積が増える種類の材料であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス（１１０；１２０；２００）。
15. 少なくとも２つの異なる液体から反応混合物を作製するための、請求項１〜１４のいずれかに記載のデバイス（１１０；１２０；２００）の使用。
16. 前記デバイス（１１０；１２０；２００）が、光学的、電気化学的、電磁的、または磁気的な検出による分析を可能にするキャビティに複数種類の液体の前記反応混合物を搬送するように構成されたものであることを特徴とする、請求項１５に記載の使用。

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