JP5603879B2 - マイクロ流体デバイスおよびその製造方法、血液検体から血漿を分離し希釈する方法 - Google Patents
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Description
ここで、Qv(t)は体積流量、ΔPv(ω,t)は遠心力で誘起された圧力、Rhdは流体力学的流れ抵抗を表す。
ここで、ρlは液体密度を、rc(t)は液柱の質量中心の半径方向距離を、h(t)は液柱の半径方向長さを表す。
半径方向距離rcは次式で与えられる。
ここで、roは回転中心から導管の端までの半径方向距離を表す。
図3によると、液柱の半径方向長さh(t)は次式で与えられる。
ここで、hl(t)は容器内の時間依存の液体高さを、hcは傾いた出口流路の半径方向長さを表す。
容器内の液体の時間依存の半径方向長さhl(t)は、次式で計算することができる。
ここで、wは容器の幅を、dは容器の深さを表す。
ここで、Aは流路の断面積を、Axは流路のアスペクト比を、ηは液体の粘度を、lは流路長を表す。
二つの液体を混合比1(または液体特性によって定まる混合比)で混合することに加えて、離散化構造2a、2bへの流入速度を調節することによって、それぞれの液体特性を考慮した任意の混合比を実現することができる。図3を参照して上述したように、数式1〜6は、幾何的因子、回転周波数(または他の駆動力)、液体特性およびこれらにより生じる流速の間の関係を表している。したがって、各液体および対応する供給構造に対して、数式1〜6における幾何的因子を調整して所望の流速を実現することができる。
Claims (29)
- 軸の周りに回転可能に構成され、1mm未満の寸法を少なくとも一つ有する流体素子を備える、液体を収容するマイクロ流体デバイスであって、
マイクロ流体デバイスの回転による遠心力に応答して、第1離散化構造に第1流入速度で第1液体を供給する第1供給構造を備え、
第1出口と、前記遠心力に応答して前記第1出口を通して第1流出速度で第1液体を分配する前に第1液体で前記第1離散化構造が満たされる第1しきい値面と、を画成するように前記第1離散化構造が成形されており、
前記第1流出速度は前記第1流入速度よりも大きく、これにより前記第1離散化構造を周期的に空にして、前記遠心力に応答して前記第1出口からの前記第1液体の離散化流れを形成することを特徴とする、マイクロ流体デバイス。 - 前記第1離散化構造は、一端で前記第1供給構造と流体連通し他端で前記第1出口を画成する導管を備え、
前記導管は前記しきい値面を画成する二つの端部の間に屈曲部を備え、
前記一端は前記他端よりも前記屈曲部に近接していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記導管は、前記一端と前記屈曲部との間に別の屈曲部をさらに備え、
前記第1離散化構造は、前記供給構造と流体連通する容積であって、前記導管を通して前記容積を完全に空にできるように配置されたポートを通して前記導管の前記一端と流体連通する容積を備えることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記一端が前記屈曲部の半径方向外側にあり、前記他端が前記一端の半径方向外側にあることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記一端が前記屈曲部の半径方向外側にあり、前記他端および別の屈曲部が前記一端の半径方向外側にあり、前記ポートが前記容積の半径方向最外側に配置されることを特徴とする請求項3に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1出口は前記液体の流れに表面張力エネルギー障壁を与えるように構成され、これにより液体が前記第1しきい値面に到達するまで液体を前記離散化構造の中に保持することを特徴とする請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1出口を通って流れる液体が、前記出口の少なくとも一つの寸法で液体の正面を固定するための急変部を通るか、または前記出口内または出口に隣接する構造の表面特性を改質することによって液体の正面を固定することを特徴とする請求項6に記載のマイクロ流体デバイス。
- 少なくとも一つの寸法における前記急変部は急激な膨張であることを特徴とする請求項7に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記離散化構造は、前記第1出口内または第1出口に隣接する隣接表面領域とは表面特性が異なる改質表面領域を備えることを特徴とする請求項6、7または8に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記改質表面領域は疎水性であり、前記隣接表面領域は水性液体によって濡れることを特徴とする請求項9に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記遠心力に応答して、第2離散化構造に第2流入速度で第2液体を供給する第2供給構造を備え、
第2出口と、前記遠心力に応答して前記第2流入速度よりも大きい第2流出速度で前記第2出口を通して第2液体を分配する前に、第2液体で前記第2離散化構造が満たされる第2しきい値面と、を画成するように前記第2離散化構造が成形されており、
前記第1出口と前記第2出口は第1液体および第2液体を受け入れる混合室と流体連通し、これによって液体の混合が可能になることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。 - 使用時に前記第1および第2供給構造がそれぞれの液体で満たされるとき、前記第1および第2離散化構造は、共通室を通してのみ通気される共通容積の内部で互いに流体連通することを特徴とする請求項11に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1出口および前記第2出口と流体連通し、前記混合室と流体連通する単一の出口を有する中間室を備えることを特徴とする請求項11または12に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記中間室は前記第1出口に隣接する気泡除去機構を画成し、該気泡除去機構は、前記第2液体が前記中間室内に流れるとき、前記第1液体の流れの中断後に前記第1出口に形成される液膜を捕らえるよう構成されることを特徴とする請求項13に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記気泡除去機構は、前記第1出口から離れる方向に連続して形成される膜を捕らえることによって形成される気泡を導くようにさらに構成されることを特徴とする請求項14に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記気泡除去機構は前記第1出口と隣接する角部を有し、該角部は、前記第2出口から放出される液体と接触可能に配置され、前記第1離散化構造の前記第1出口と離れる方向に延び、前記角部から離れる方向に前記気泡を導くための流路を画成することを特徴とする請求項15に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記流路は前記角部からの距離とともに広がることを特徴とする請求項16に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1および第2流入速度が予め定められた混合比に対応する比率となるように、前記第1および第2供給構造が構成されることを特徴とする請求項11ないし17のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1液体が前記第1しきい値面に到達するときに前記第1出口から放出される液量と、前記第2液体が前記第2しきい値面に到達するときに前記第2出口から放出される液量とが、前記予め定められた混合比に対応する比率となるように前記離散化構造が成形されることを特徴とする請求項18に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1および第2供給構造は、各容器が前記対応する流入速度で空になるときにそれぞれの液頭が同一速度で変化するように成形された容器をそれぞれ備えることを特徴とする請求項18または19に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記遠心力に応答して、第3離散化構造に第3流入速度で第3液体を供給する第3供給構造を備え、
第3出口と、前記遠心力に応答して前記第3流入速度よりも大きい第3流出速度で前記第3出口を通して第3液体を分配する前に、第3液体で前記第3離散化構造が満たされる第3しきい値面と、を画成するように前記第3離散化構造が成形されており、
前記第1出口と前記第2出口は第4離散化構造と流体連通しており、
第4出口と、前記遠心力に応答して第4流入速度よりも大きい第4流出速度で前記第4出口を通して第1および第2液体を分配する前に、第1および第2液体で前記第4離散化構造が満たされる第4しきい値面と、を画成するように前記第4離散化構造が成形されており、
前記第3出口と前記第4出口は前記第1、第2および第3液体を受け入れる混合室と流体連通し、これによって液体の混合が可能になることを特徴とする請求項11ないし20のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記第1および第2供給構造は、液体に遠心力が付与されていないとき流体流れが界面で停止するような界面を対応する離散化構造とともにそれぞれ画成し、
前記第3供給構造は、前記液体に遠心力が付与されていないとき前記第3離散化構造への液体流れを解除可能に閉塞するための閉塞手段と、前記閉塞手段を前記第3離散化構造に接続する導管とを備え、
液体に遠心力が付与されているとき、前記閉塞手段から前記第3離散化構造への前記第3液体の移動時間が、前記界面から前記第4離散化構造への前記第1および第2液体の移動時間と実質的に同一となるように、前記導管が構成されることを特徴とする請求項21に記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記第2および第3供給構造は、共通の容器から前記第2および第3液体のそれぞれを一定分量与えるための共通分注構造を備えることを特徴とする請求項21または22に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記第1液体は血漿であり、前記第1供給構造は、血液検体を受け取り該血液検体から血漿を分離する手段を備えることを特徴とする請求項11ないし22のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 回転軸を定め該回転軸周りに回転して遠心力を与えることを特徴とする請求項1ないし24のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- ディスク形状であることを特徴とする請求項1ないし25のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 血液検体から血漿を分離し希釈する方法であって、
請求項11ないし26のいずれかに記載のマイクロ流体デバイスの前記第1供給構造内に血液検体を投入し、前記第2供給構造内に賦形剤を投入し、
前記マイクロ流体デバイスを回転させて血漿を分離し、マイクロ流体デバイスを再回転する前にマイクロ流体デバイスを停止して分離された血漿を前記賦形剤で希釈することを含む方法。 - 請求項11ないし26のいずれかに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法であって、
前記マイクロ流体デバイスは所与の遠心力、所与の第1液体および所与の第2液体に対して予め定められた第1流入速度および第2流入速度を有しており、
前記第1および第2供給構造は、容器と、該容器とそれぞれの離散化構造とを接続する導管とをそれぞれ備え、
対応する予め定められた流入速度にしたがって前記容器と前記導管の構成を設計し、該設計にしたがってマイクロ流体デバイスを製造することを含む方法。 - 前記導管の形状および寸法を適合させて対応する予め定められた流入速度にしたがった通水抵抗を持たせることを含む請求項28に記載の方法。
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