JP5650300B2 - 液体操作のための相ガイドパターン - Google Patents

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Description

本発明は、流体系、たとえばチャネル、チャンバ、およびフロースルーセルで使用するための相ガイドパターンに関する。この種の相ガイドパターンは広い適用分野に使用することが可能である。本発明は、流体チャンバおよびチャネルの少なくとも部分的な充填および／または排出を制御するために相ガイドをいかに効果的に使用するかという問題を解決する。本発明は相ガイドのオーバフローを制御するための技術ならびにいくつかの応用例を開示する。加えて、本発明は、オーバフロー構造をパターン化するための新しいアプローチと相ガイドの独自な形状とを含めた、大型流体構造における閉じ込め式液体パターン化技術を含んでなる。また本発明は、液体／空気メニスカスの前進を一定角度にわたって効果的に回転させる技術も開示する。
これまでのところ、液体は、液体／空気界面が工学的に制御されることなく、流体チャンバまたはチャネルに挿填されている。結果として、系の毛管圧ならびに加えられた作動力は不特定な形で使用される。これは設計のフレキシビリティーに厳しい制限をもたらす。実質的に任意の形状のチャンバまたはチャネルが湿潤可能なように、液体／空気メニスカスの前進を制御する相ガイドが開発された。また、相ガイドを援用して選択的湿潤を達成することも可能である。
相ガイドとは、前進面が相ガイドを越える前に相ガイドに沿って整列されるように、前進相面の全長に及ぶ毛管圧バリアとして定義される。一般に、この相面は液体／空気界面である。ただし、その効果はその他の相面たとえば油／液体界面のガイドにも使用することが可能である。
現在のところ、２つのタイプの相ガイド−すなわち、２次元（２Ｄ）相ガイドおよび３次元（３Ｄ）相ガイド−が開発されてきている。
２Ｄ相ガイドの相ガイド効果は湿潤性の急激な変化を基礎としている。このタイプの相ガイドの厚さは一般に無視することができる。この種の相ガイドの一例は、液体／空気相の前進または後退のために、高湿潤性の系（たとえばガラス）内において低湿潤性の材料ストライプ（たとえばポリマー）をパターン化することである。
他方、３Ｄ相ガイドの相ガイド効果は湿潤性またはジオメトリのいずれかの急激な変化を基礎としている。ジオメトリ効果は、高さ差による毛管圧の急激な変化に起因するか、若しくは、相面の前進方向の急激な変化に起因していてよい。後者の一例は、図１を参照して説明されるいわゆるメニスカス・ピン止め効果である。このピン止め効果は構造１００の端縁で生ずる。液体１０２の前進メニスカスはその前進方向を一定角度（たとえば図１では９０°）にわたって回転させる必要があるが、これはエネルギー的に不利である。かくして、メニスカスは上記構造の辺縁に“ピン止め”されたままとなる。
Ｐ．Ｖｕｌｔｏ、Ｇ．Ｍｅｄｏｒｏ、Ｌ．Ａｌｔｏｍａｒｅ、Ｇ．Ａ．Ｕｒｂａｎ、Ｍ．Ｔａｒｔａｇｎｉ、Ｒ．Ｇｕｅｒｒｉｅｒｉ、およびＮ．Ｍａｎａｒｅｓｉの論文、“Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｓａｍｐｌｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ＤＥＰ−ｓｅｐａｒａｔｅｄ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｂｙ ｐｈａｓｅｇｕｉｄｅ−ｃｏｎｔｏｌｌｅｄ ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ”、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．ｖｏｌ．１６，ｐ．１８４７−１８５３，２００６は、湿潤性の異なる一連の線による相ガイドの実現を開示している。材料たとえばＳＵ−８、Ｏｒｄｙｌ ＳＹ３００、テフロン（登録商標）、および白金がガラス塊状材料の上面に使用された。また、同一材料における幾何学的バリアとして若しくは当該材料における溝として、相ガイドを実現することも可能である。
以下、添付の図および図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図中の類似するもしくは対応する細目には同一の参照符号が付されている。
相ガイドの端縁におけるメニスカス・ピン止めの例を示す図である。 壁面と相ガイドとの間の接触面における液体／空気界面の相ガイド越えを示す図である。 相ガイドを多かれ（ｂ，ｄ）少なかれ（ａ，ｃ）安定化するさまざまな相ガイド形状を示す図である。 壁面との間に一方で大きな接触角、他方で小さな接触角を有する相ガイドにつき前進液面の超越を示す相ガイド平面図である。 相ガイドに沿った選択された点でオーバフローを惹起させる３種のストラテジーを示す図である：（ａ）鋭角の屈曲部の導入、（ｂ）鋭角を有した枝分かれ相ガイドの設置、（ｃ）鋭角を具えたオーバフロー構造の設置。 相ガイドを設けない場合（ａ）、（ｂ）と相ガイドを設けた場合（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）における死角充填を示す図である。 チャンバを液体で部分的に湿潤させるための閉じ込め式相ガイドを示す図であり、図７（ａ）は単一の相ガイドを使用して閉じ込められた液体スペースを示し、図７（ｂ）は２つの相ガイドを使用した体積閉じ込めを示している。 液体を徐々に操作して最終的に閉じ込められた形状とすべく支援相ガイドを使用した図７（ｂ）の構造を示す図である。 充填口と排出チャネルとを備えた方形チャンバを充填するための相ガイドパターンの一例を示す図である。 充填口に対して横方向に排出チャネルを備えた方形チャネル用の相ガイドパターンの一例を示す図である。 充填チャネルと同じ側に排出チャネルを備えた方形チャネル用の相ガイドパターンの例を示す図である。 チャンバの輪郭充填を示す図であり、図１２（ａ）は輪郭充填法による方形チャンバの充填例を示し、図１２（ｂ）は輪郭充填によって充填される複雑なチャンバジオメトリの例を示し、図１２（ｃ）は、図１２（ｂ）の複雑なジオメトリが死角充填法で充填されることを示している。 閉じ込め式相ガイドのオーバフローがオーバフローコンパートメントの組み込みによって防止される図７（ｂ）の構造を示す図である。 閉じ込め式相ガイドを使用した多重液体充填例を示す図であり、図１４（ａ）において第１の液体は問題なく充填され、図１４（ｂ）および（ｃ）は、第２の液体が第１の液体と接触する場合に生ずる充填形状の歪みを示している。 閉じ込め式相ガイドならびに輪郭相ガイドを使用した選択的多重液体充填例を示す図であり、図１５（ａ）において、第１の液体は問題なく充填され、図１５（ｂ）は最小限の形状歪みが生ずることを示している。 ２つの閉じ込め式相ガイドによって分離された２つの液体を合体させるための配置を示す図である。 ２つの閉じ込め式相ガイドによって分離された２つの液体を合体させるための別途配置を示す図である。 ２つの閉じ込め式相ガイドが後退液体メニスカスをガイドする場合の、閉じ込められた液体を排出する方式を示す図である。 ２つの閉じ込め式相ガイドが後退液体メニスカスをガイドする場合の、閉じ込められた液体の選択的排出を行う別途配置を示す図である。 閉じ込め式液体充填・排出に基づくバルブ化コンセプトを示す図である。 制御式気泡捕獲コンセプトを示す図である。 気泡捕獲構造の複数例を示す図である。 気泡ダイオードのコンセプトを示す図である。
以下、本発明により相ガイドパターンの設計に使用される本発明の原理および理論的基礎を、図面を参照して詳細に説明する。
相ガイド安定性
相ガイド−壁面角
いわゆる相ガイドの安定性とは、液体／空気界面がそれを越えるために必要とされる圧力のことである。高度親水系における前進液体／空気界面にとって、水平面における相ガイドとチャネル壁面との接触角はその安定性に決定的な役割を果たす。
これは、３Ｄ相ガイドにつき、図２に表されている。角度αが小さければ、相ガイド１００とチャネル壁面１０４との間の垂直方向の毛管力はより大きくなるため、液体相１０２は、より小さな角度に関して、より容易に前進する。相ガイドがチャネル壁面と同一の材料で構成されていれば、いわゆる臨界角は以下によって定義される。
αｃｒｉｔ＝１８０°−２θ （式１）式中、θは前進液体と相ガイド材料とがなす接触角である。
チャンバ壁面と相ガイドとが異なった材料で構成されていれば、臨界角は双方の材料との間になす接触角に依存して定義される。
αｃｒｉｔ＝１８０°−θ１−θ２ （式２）
この臨界角よりも大きな相ガイド−壁面接触角については、安定した相ガイド接触面がつくり出される。これは、外部圧力が加えられない限り、液体／空気メニスカスは容易には相ガイドを越えないことを意味している。上記角度がこの臨界角よりも小さければ、液体／空気メニスカスは外部から圧力が加えられなくても前進する。
図２に示した液体相が後退相であっても、同じ規則が当てはまる。つまり、αが小さいほど、オーバフローが生ずる可能性は高くなる。αが大きな場合には、相ガイド−壁面接触面でオーバフローが生ずる可能性は減少する。
２Ｄ相ガイドについても同様な設計規則が当てはまる。
相ガイド形状
同様な設計規則は相ガイドの形状にも当てはまる。相ガイド（２Ｄまたは３Ｄ）が前進液体メニスカスに対向する点で鋭角をなす場合には（相ガイドの平面図を示す図３（ａ）を参照のこと）、この点でオーバフローが直接生ずる可能性が高い。臨界角はまたも以下の通りである。
αｃｒｉｔ＝１８０°−２θ （式３）式中、θは前進液体と相ガイド材料とがなす接触角である。
上記角度点が前進液体メニスカスと同じ方向にあれば（図３（ｂ）を参照のこと）、非常に安定した相ガイドを構築することが可能である。この点でオーバフローが生ずると予測することはできない。この場合の臨界パラメータは相ガイドの角度αである。αが大きいほど、相ガイドの屈曲は安定的である。
実際には、図３（ａ）および（ｂ）に示したような鋭角の使用はほとんど無い。湾曲した相ガイドのほうがずっと普通である。この場合、曲率半径ｒが臨界パラメータとなる。屈曲が液体の前進方向に対向する場合には、半径ｒが大きければ相ガイドはいっそう安定する。屈曲が前進相と同じ方向を示していれば、小さな半径は屈曲点自体における安定性の高まりをもたらすが、大きな半径はより長い距離にわたって屈曲を示すことになり、こうして、相ガイドは全体としていっそう安定化される。実際に、相ガイドの全長に及ぶ僅かな屈曲は相ガイドをより安定化させるであろう。
図３に示した液体が後退する場合にも、同じ規則が当てはまる。図３（ａ）および（ｃ）では、相ガイドの屈曲部でオーバフローは遥かに生じやすいが、他方、図３（ｂ）および３（ｄ）ではその可能性は遥かに少ないと言える。
チャンバ壁面との間になす角度による相ガイドオーバフローの制御
両側でチャンバまたはチャンバ壁面と接する相ガイドを前提として、図４には、第１と第２の壁面１０４，１０６との間に一方で大きな接触角α１、他方で小さな接触角α２を有する相ガイド１００につき、前進液面の相ガイド越えが示されている。相ガイドは小さいほうの角度部で越えられる。チャネル壁面との間に形成される接触角が両側で同じであれば、高度親水系における前進液体相につきオーバフローがどこで生ずるかは予測不能である。そうではなく、上記２つの接触角のうちの一方が他方よりも小さければ、相ガイド−壁面接触角が小さいほうの側でオーバフローが生ずると予測することができる。
相ガイドの形状による相ガイドオーバフローの制御
相ガイドに沿った一定の点でオーバフローの制御が達成されるべき場合には、本発明により、いずれの相ガイド−壁面角度よりも小さい角度α３を有する点に屈曲部が導入される。図５は相ガイドに沿った選択された点でオーバフローを惹起させる３種のストラテジーを平面図で示したものである。これら３種のストラテジーとは−（ａ）鋭角の屈曲部、
（ｂ）鋭角を有した枝分かれ相ガイド１０８、（ｃ）鋭角を具えたオーバフロー構造−によるものである。いずれの場合にも、角度α３は相ガイド−壁面角度α１およびα２よりも小さくなければならない。
３Ｄ相ガイドについては、相のガイドがピン止め効果に大きく依拠している場合には、相ガイドの枝分かれによって不安定性も招来されることがある（図５（ｂ）を参照のこと）。枝分かれした相ガイドが相ガイド本体との間になす小さな角度α３も安定性の低減をもたらす。図５（ｃ）には、付加的な構造１１０の付加によって小さな角度が導入される別途構造が示されている。
死角充填および排出
相ガイドは、相ガイドを援用しない限り湿潤しないままであると考えられる死角を充填するのに不可欠のツールである。液体チャンバのジオメトリは、相ガイドがなければ空気が死角に捕獲されるものとする。死角の最奥の隅から発する相ガイドは、前進相が相ガイドを越える前に相ガイドの全長に沿って整列されるようにしてこの問題を解決する。
図６は、相ガイドがない場合（ａ）、（ｂ）と相ガイドが設けられた場合（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）における死角充填の効果を示している。相ガイドが設けられていない場合には、空気は液体前進中にチャンバ１１２の隅に捕獲される。相ガイド１１４が設けられている場合には、死角は、相面が前進する前に、最初に液体１０２で満たされる。
死角の排出についても同様な規則が当てはまる。つまり、死角から発する相ガイドは死角からのほとんどの液体の完全な回収を可能にする。
閉じ込め式相ガイド
本発明の趣旨において、いわゆる閉じ込め式相ガイド１１６は大型チャネルまたはチャンバ内に一定量の液体体積１０２を閉じ込める。これは、得られる液体体積に応じて、液体／空気境界の形状を決定する。図７は、単一の相ガイドによるか（図７（ａ）を参照のこと）または多重相ガイド（図７（ｂ）を参照のこと）による体積閉じ込めの２つの例を示している。相ガイドの形状は必ずしも直線状である必要はなく、任意の形状を有していてよい。
必須および支援相ガイド
死角の充填を支援する相ガイドならびに閉じ込め式相ガイドは、必須相ガイドの代表例である。これは、それらがなければ、デバイスのマイクロ流体機能が阻害されることを意味している。これらの必須相ガイドに加えて、支援相ガイドを使用することができよう。これらの相ガイドは、所要の方向への液体／空気メニスカスの前進を徐々に操作する。これらの支援相ガイドにより、液体／空気メニスカスは必須相ガイドのみによる場合と同様に、より連続的にコントロールされるため、系の信頼度は向上する。これは、小さな操作ステップが実施されるにすぎないために、相ガイド接触面における超過圧力の発生を防止する。超過圧力は液体がエネルギー的に不利な形で操作される場合に発生し得ると言えよう。支援相ガイドの使用例は図８に示されている。この場合、図７（ｂ）の構造に−最終的に閉じ込められる形状へと液体１０２を徐々に操作すべく−付加的に支援相ガイド１１８が設けられている。
また、図６に示した構造も、死角において液体を徐々に操作すると考えられる支援相ガイドを付加することによって向上させることができよう。
ほとんどの場合に、必須および支援相ガイドの機能性は後退液体相についても維持される。
死角法によるチャンバ充填
死角相ガイドを援用して、任意の形状の任意のチャンバ（コンパートメントとも称される）を、充填口および放出チャネルの位置にかかわりなく、充填することが可能である。排出チャネルは、充填中にチャンバ内の圧力発生が防止されるように、後退相を排出する。図９は方形チャンバ１２０の充填例を示している。まず、死角が定められ、次いで、相ガイドが当該死角から引き出され、ある時点において想定される前進液体／空気メニスカスの全長にわたって張り渡される。したがって、相ガイド同士が互いに重ならないようにすることが重要である。特別な相ガイド（遅延相ガイドと称されてもよい）が使用されて、チャネル全体が充填される前に液体相が排出チャネルに侵入することが防止される。これは、排出チャネルへの侵入が早すぎると圧力発生によって不完全な充填が招来されることになるために、重要である。支援相ガイドを追加することにより、充填挙動は著しく改善されよう。
図９において、角形チャンバ１２０は充填口１２２と排出チャネル１２４とを有している。図９（ａ）に示したように、まず、相ガイドがそこから発することになる死角１２６が定められる。次いで、死角相ガイド１２８としてならびに、排出チャネルをブロックする遅延相ガイド１３０としての相ガイドパターンが適用される。図９（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）は液体１０２の予測される充填挙動を示している。図９（ｈ）は支援相ガイド１３２を備えたさらに複雑な相ガイドパターンを示している。
相ガイドもまた、任意の方向へのメニスカスの回転を可能にする。それゆえ、充填口および排出チャネル１２４はチャンバの任意の箇所にポジショニングすることが可能である。図１０ならびに図１１はそれぞれ、排出チャネル１２４が充填チャネル１２２の横側にポジショニングされたかもしくは充填チャネル１２２と同じ側にポジショニングされた２つの例を示している。
特に、図１０は、充填チャネル１２２に対して横方向に排出チャネル１２４が設けられた方形チャネル１２０用の相ガイドパターンの一例を示している。まず、死角１２６が定められる。参照符号１３０は遅延相ガイドを表し、参照符号１３４は想定される液体メニスカスの回転を表している。図１０（ｂ）は考え得る相ガイドパターンの例を示し、図１０（ｃ）は同じ結果をもたらすと考えられる異なったパターンを示している。
図１０（ｂ）および（ｃ）は、１個以上の相ガイドパターンが所要の結果をもたらすことを示している。図１１（ｃ）は、相ガイドパターンならびに相ガイドと壁面間の角度の適切な選択によって遅延相ガイド１３０を不要とすることができる旨を示している。この場合、相ガイド−壁面角αの低下は排出チャネルから離れた側でオーバフローを引き起こす。特に、図１１は、充填チャネル１２２と同じ側に排出チャネル１２４を有する方形チャネルのための相ガイドパターン例を示している。図１１（ａ）に示したように、まず、死角１２６が定められる。参照符号１３４は想定される液体メニスカスの回転を表している。図１１（ｂ）は考え得る相ガイドパターン例を示している。遅延相ガイド１３０は先の相ガイドの相ガイド−壁面角αの低下によって省くことが可能であり、その場合、オーバフローが相ガイドの当該側で生ずることが保証される。
いずれの例にあっても支援相ガイドは充填性能を安定化すると考えられることは明らかである。
加えて、図１１のコンセプトは、長い閉端チャネルの充填コンセプトに向けて容易に拡大適用することが可能である。
図９、１０、１１に示した方形チャンバの排出も同じストラテジーにほぼ準ずるであろう。ただし、チャンバ充填口１２２がチャンバの排出にも使用される場合には、チャンバの入口に別の遅延相ガイドを付加することが必要である。これは液体全体を回収するために必要である。排出チャネル１２４がチャンバの排出に使用される場合には、排出チャネルにはすでに遅延相ガイド１３０が張設されているため、追加の相ガイドは不要である。
死角充填・排出コンセプトは任意の形状のチャンバに拡大適用することが可能である（たとえば図１１（ｃ）を参照のこと）。それは隅の丸められたチャンバにも適用可能である。
輪郭充填法
上述した死角法に係わる別途技術は輪郭相ガイドを援用して行われるコンパートメントの充填である。この場合、相ガイドは、図１２（ａ）および（ｂ）に示したように、チャンバがその輪郭全体に沿って薄い液体層で充填されるようにパターン化される。隣接する相ガイドは同一の輪郭を保ちながら、最終的な所要形状に向かって液体を徐々に操作する。特に、図１２（ａ）は輪郭充填法による方形チャンバの充填例を示している。図中、参照符号１２２は充填口を、参照符号１２４は排出口を、参照符号１３６は一連の輪郭相ガイドをそれぞれ表している。図１２（ｂ）は輪郭充填によって充填される複雑なチャンバジオメトリの一例を示している。図１２（ｃ）に示したように、死角相ガイド１２８、補助相ガイド１３２、ならびに遅延相ガイド１３０を設けることにより、同じ複雑なジオメトリを死角充填法で充填することも可能である。
輪郭充填法でチャンバを排出することも可能である。この場合、排出チャネルからチャンバを排出するのが望ましい。
輪郭充填・排出コンセプトは、図１２（ｂ）に示したように、任意の形状のチャンバに拡大適用することが可能である。
オーバフロー構造
図７に示した閉じ込め式液体充填のコンセプトは、過大な液体体積の注入は閉じ込め式相ガイドのオーバフローを引き起こすという問題を有している。これを防止するため、オーバフローコンパートメントを構造に付加することが可能である（図１３を参照のこと）。ただし、閉じ込めチャンバエリアが充填される前に液体相がオーバフローチャンバに達することが防止されなければならない。これは、オーバフローチャンバの入口に別のオーバフロー相ガイドを付加することによって実現可能である。任意の閉じ込め式相ガイドの前方でオーバフロー相ガイドが確実に越えられるようにするために、その安定性は、たとえばその相ガイド−壁面角を閉じ込め式相ガイドのいずれの相ガイド−壁面角よりも小さく選択することによって、低減されなければならない。
図１３に示したように、図７（ｂ）に示した構造において、閉じ込め式相ガイドのオーバフローは、排出構造１４２を含んだオーバフローコンパートメント１４０の組み込みによって防止される。このコンパートメントは、オーバフローチャンバ１４０へのオーバフローが生ずる前に、閉じ込めエリアの完全な充填を保証するオーバフロー相ガイド１４４によって閉じられる。オーバフロー相ガイドのオーバフローを確実にするために、それは閉じ込め式相ガイド１１６よりも低い安定性を有していなければならない。これは、その相ガイド−壁面角α２の１つを、閉じ込め式相ガイドのいずれの相ガイド−壁面角α１よりも小さく選択することによって行われる。
多重液体充填
閉じ込め式相ガイド構造、たとえば図７、８、図１３に示した構造は、液体の層状パターン化を可能にする。これは液体を互いに隣接させて順次挿填することができることを意味している。ただし、閉じ込め式相ガイドのみが使用される場合には、問題が生ずる。図１４にはこの問題が表されている。図１４は、閉じ込め式相ガイド１１６を使用した多重液体充填例を示している。図１４（ａ）に示したように、第１の液体１０２は問題なく充填されるが、第２の液体１０３が第１の液体１０２と接触すると、図１４（ｂ）および（ｃ）からわかるように、充填形状は歪み１４６を呈する。
第２の液体１０３が第１の液体１０２の隣に挿填されれば、ある時点に両者は接触することになる。その瞬間から、液体前面はなお相ガイドパターンによってコントロールされるが、ただし（実際には一体となった）２つの液体の分布はそうではない。したがって、第１の液体も変位するであろう。この変位を最小化するには、２つの液体ができるだけ長く互いに分離されていることが重要である。これは２つの液体が接触するに至った後に充填されるべきエリアを最小限化する輪郭相ガイド１３６の挿入によって行うことができる。この輪郭相ガイドは、オーバフローが先ず第２の液体の側で生じて、気泡の捕獲が防止されるように、パターン化されなければならない。
図１５は、閉じ込め式相ガイド１１６ならびに輪郭相ガイド１３６を使用した選択的多重液体充填例を示している。図１５（ａ）からわかるように、第１の液体１０２は問題なく充填される。第２の液体１０３は輪郭相ガイド１３６によってできるだけ長く第１の液体から隔てられている。こうして、図１５（ｂ）に示したように、最小限の形状歪み１４６が生ずる。輪郭相ガイドは、たとえば相ガイド−壁面角αを減少させることによって、２つの液体が接する側でオーバフローが生ずるように、パターン化されている。
２つの液体の合体
図１４の原理で、あらかじめ別々に注入された２つの液体を合体させることが可能である。この場合、圧力発生を防止するため、別の排出構造が付加される必要がある。図１６および１７は液体合体の２つのコンセプトを示している。図１６では、第３の液体１０５が２つの液体間のスペースに導入される。ひとたび他の液体と接触すると、閉じ込め式相ガイドバリアはその機能を喪失し、エアスロットは３つの液体のいずれか１つにかかる最小限の圧力によって充填可能である。図１７は、２つの別々の液体のいずれか一方にかかる過圧によって閉じ込め式相ガイドが越えられる別途アプローチを示している。エアスロットの完全な充填を保証するため、オーバフローは排出構造から離れたスロット端で生じなければならない。これは、たとえば相ガイド−壁面接触角の減少による、当該側の相ガイド安定性の低減によって行うことが可能である。
特に、図１６は、２つの閉じ込め式相ガイド１１６によって分離された２つの液体１０２および１０３を合体させるための配置を示している。図１６（ａ）に示したように、当該液体は、充填口１２２を通じてから第３の液体１０５を導入することによって合体可能である。最初の接触後、閉じ込め式相ガイドバリアは破壊され、充填口１２２からの液体フラックスによって（図１６（ｂ）を参照のこと）、または２つの側の少なくとも一方からの液体フラックスによって（図１６（ｃ）を参照のこと）完全な充填が達成可能である。
図１７は、２つの閉じ込め式相ガイド１１６によって分離された２つの液体１０２と１０３を合体させるための別途配置を示している。これらの相ガイドは、排出構造１２４とは反対側のエアスロット端部でオーバフローが生ずるように構成されている。これは、２つの相ガイド１１６の少なくとも一方の相ガイド−壁面角αの減少によって行うことが可能である。図１７（ｂ）からわかるように、過圧は相ガイドオーバフローを引き起こし、図１７（ｃ）に示したように、エアスロットの完全な充填がもたらされる。
選択的排出
図１４、図１５、図１６、図１７に示したコンセプトは逆転も可能である。つまり、これらのコンセプトは液体のコンパートメントからの選択的排出にも使用可能である。この場合には、所望されないメニスカスからの前進を防止する、より多くの閉じ込め式相ガイドが追加されなければならない。
図１８には、後退液体相につき、液体体積を２つの部分に分離するためのこのアプローチが概略的に示されている。
特に、図１８は、２つの液体体積を分離するために２つの閉じ込め式相ガイド１１６が前進空気相をガイドする場合の、閉じ込められた液体を排出する原理を示している。追加された２つの相ガイド１５０は側方からの空気メニスカスの前進を防止する。このアプローチは、半分だけが液体で満たされたままの図７（ａ）の同等物の排出のためにも機能することは明らかである。図１４と同様に、図１８の排出は選択的ではない。
回収を選択的とするには（すなわち、特定の液体充填が回収される必要がある場合には）、図１５と同様に、追加の相ガイドはパターン化される必要がある。図１９は、付加的な輪郭相ガイドの導入による、より大きな液体体積からの液体体積１５２の選択的回収を示している。この適用は、分離が液体内部で行われ、さまざまな分離生成物が回収される必要がある場合に、重要となろう。こうした分離の例は、電気泳動法、等速電気泳動法、誘電泳動法、等電点電気泳動法、音響的分離等である。
特に、図１９は、２つの閉じ込め式相ガイド１１６が後退液体メニスカスをガイドする場合の、閉じ込められた液体の選択的排出の原理を示している。付加的な２つの相ガイド１５０は両側方からの空気メニスカスの前進を防止する。付加的な輪郭相ガイド５は非選択的回収体積を最小限化する。図１９（ｂ）は非選択的排出中の液体メニスカスを示している。図１９（ｃ）は液体１５２のみの選択的排出を示している。
バルブ化コンセプト
図１８のコンセプトはバルブ化原理として使用可能である。液体で充填されたチャネルは、作動時にのみ、流体力学的な液体抵抗をもたらす。空隙が導入される場合には、液体／空気メニスカスの圧力は液体を交換するために克服される必要がある。この原理は、要求に応じて空気が導入・除去されて、液体の流れまたは流れの停止をもたらす、バルブ化コンセプトとして使用可能である。
第２の実施形態において、バルブをつくり出すために導入される空気は液体によって両側で封じ込められる。こうして、空気がチャンバをブロックする際に克服されるべき圧力バリアは増大される。この原理はスイッチもしくはトランジスタとしても使用可能である。後者は、流体力学的抵抗が増すようにチャンバをもっぱら部分的に空気で満たすことによって実現される。
上記原理は、気相に代えて油相でも機能することは明らかである。図２０からわかるように、このバルブ化コンセプトは閉じ込められた液体の充填・排出を基礎としている。図２０（ｂ）は、液体の排出は液体／空気メニスカス上方の圧力降下により、液体流れの停止をもたらすことを示している。図２０（ａ）に示したように、ひとたび中央のコンパートメントが液体で再充填されると、流れは連続的である。ブロッキング気相が液体によって両側でブロックされれば、図２０（ｃ）に示したように、ブロッキング圧力はまたさらに増大させられる。
制御式気泡捕獲
相ガイドは、チャネルまたはチャンバへの充填中における気泡１５６の捕獲に使用することができる。これは、気泡が導入される必要のあるエリア周囲で液体／空気界面をガイドすることによって行われる。図２１にはその種の構造例が示されている。相ガイド１５８の形状に応じて、気泡１５６は所定の位置に固定されるかもしくは一定の自由度を持つことが可能である。図２１において、気泡は流れの方向において妨害されず、かくして、その生成後、流れによって運ばれることが可能である。
図２１（ａ，ｂ）に示した制御式気泡捕獲のコンセプトにより、前進液体メニスカスは、後退相が前進相によって包囲されるように制御される（図２１（ｃ）を参照のこと）。図２１（ｄ）に示したように、生成した気泡が移動可能であれば、それは流れによって運ばれることができる。
図２２には、その他のタイプの固定・移動型気泡捕獲構造１５８が示されている。このコンセプトは相ガイドについてのみならず、チャンバ内でパターン化される疎水性または低親水性パッチについても機能する。
特に、図２２（ａ，ｃ）は、移動型気泡を生ずる気泡捕獲構造１５８の例を示しており、他方、図２２（ｂ，ｄ）は静止型気泡を生ずる構造を示している。図２２（ｃ，ｅ）は、静止型気泡生成をもたらす疎水性または低親水性パッチを示している。
気泡ダイオード
移動型気泡生成コンセプトは流体ダイオード１６０の創出に使用することができる。この場合、気泡は、それがチャネルの入口をブロックするまで、一方向に流動性を有する流体ダイオードチャンバ内で生成される。反対方向の流れについては、気泡は気泡捕獲相ガイド１５８によって捕えられる。この場合、気泡１５６はチャネル幅全体をブロックすることがないため、流体流れは持続可能である。このコンセプトは、疎水性または低親水性パッチについてだけでなく、その他の相、たとえば空気または水に代えて油相についても機能する。
図２３は気泡ダイオードの一般的なコンセプトを示している。図２３（ａ）に示したように、移動型気泡捕獲構造１５８は流体チャネル拡大部の内部につくり出される。図２３
（ｂ）は、充填時にチャネルをブロックする気泡１５６（図２３（ｃ））が形成され、こうして、流れは前方方向に生ずることを示している。逆方向の流れについては、気泡は捕獲構造によって再び捕獲され、こうして、流れを妨害することはない。図２３（ｅ）は、気泡捕獲に疎水性（または低親水性）パッチが使用される代替の実施形態を示している。これらのパッチの利点は、液体表面張力が減少するにつれて気泡の移動性が増大されることである。
用途
上述した相ガイド構造の用途は非常に多い。そもそも液体がチャンバ、チャネル、毛管またはチューブに導入される場合には、充填挙動を制御するために、本発明による相ガイドを使用することができよう。
方形チャンバの充填は、それによって小さなスペースに流体機能性を設定することが可能になるために、とりわけ興味深いものである。これは、たとえば表面積が重要なコスト要因であるＣＭＯＳチップまたはその他の微細加工チップ上にマイクロ流体構造を実装する場合に有用であろう。
また、インクジェットプリントヘッドのようなチャンバの充填・排出も、この導入によって、充填・排出挙動を損なうことなくチャンバの形状を自由に選択することができるために、著しく容易化される。
相ガイドはまたこれまで不可能であった充填技術も可能にする。実用例はカートリッジまたはカセットへのポリアクリルアミドゲルの充填である。古くより、これはカートリッジを垂直に保ち、重力を充填力として使用して行われる必要があるが、極めて慎重なピペット操作が求められる。相ガイドを使用すれば、この種の充填は遥かに楽になろう。加えて、充填は、たとえば充填用のピペットもしくはポンプの圧力を使用して水平に行うことが可能である。こうしたカセットタイプ充填は、再現性あるゲル厚さと共に制御されたゲル中電流密度または電圧降下をもたらすことになるために、アガロース・ゲルにとっても有用であると言えよう。試料ウェル用のくし形構造は、充填中に試料ウェルをゲル無しとする相ガイドを使用して試料ウェルをつくり出すことができるために、省くことができよう。
たとえば電気泳動分離、等速電気泳動分離、誘電泳動分離、超音波分離、等電分離後の試料回収のための選択的排出の重要性はすでに上述した。選択的回収の興味深い用途はフェノールまたはトリゾール抽出でもある。生物学ラボにおけるこの普及的な操作は、一般に、核酸を蛋白質および細胞残屑から分離するために使用される。核酸は水相中に残存するが、蛋白質および残屑は水相と有機相との間の境界に集積する。一般的に、水相のみを回収するには、慎重なピペット操作が求められる。適切な相ガイド構造によって、２つの相の計量ならびに、上述した選択的排出構造を使用した水相のみの選択的回収が可能になる。
国際公開第２００６／０４９６３８号において、微細構造への閉じ込め式ゲル充填の重要性はすでに論じられた。これは、ゲルが分離用母材として使用可能であるだけでなく、イオン伝導に影響を及ぼすことなく、塩橋またはほぼ無限の流体力学的抵抗としても使用可能であるために、一般的に興味深いものである。後者はチャネルおよびチャンバの選択的充填・排出に使用可能である。
上記の原理は、高度親水チャンバ／チャネル網における液体／気体界面について述べられた。こ
の原理はまた、第２の液体の湿潤特性が第１の液体の湿潤特性よりも著しく低い場合の液体／液体界面についても機能するであろう。この場合、この第２の液体は、上記の例および用途に述べたような、気相と同様の挙動を示すであろう。
この原理はまた、高度疎水系についても機能するであろう。ただし、上記２つの相（液体および気体）の機能性は上記のすべての例および用途につき逆転される。

Claims (24)

  1. コンパートメントを液体で部分的に湿潤させるための相ガイドパターンであって、
    前記コンパートメントに少なくとも一定量の液体体積の境界を形成するための少なくとも１つの閉じ込め式相ガイドが設けられ、前記液体体積の境界の少なくとも一部は前記コンパートメントの壁面によって閉じられておらず、
    前記相ガイドは、前進面が相ガイドを越える前に相ガイドに沿って整列されるように、前進相面の全長に及ぶ毛管圧バリアである、相ガイドパターン。
  2. 充填プロセス中のある時点に前進または後退液体を閉じ込める少なくとも２つの相ガイドを含む、請求項１に記載の相ガイドパターン。
  3. 前記相ガイドは、メニスカスが相ガイドを飛び越える前に少なくとも部分的に相ガイドに沿って整列するように、毛管圧境界として作用する、移動液体／気体、液体／油、または気体／油メニスカスの全長に亘り湿潤性の異なる材料の溝、隆起、または線を含んでなる、請求項１又は２に記載の相ガイドパターン。
  4. 超過液体を受けることによって、前記閉じ込め式相ガイドのオーバーフローを防止するためのオーバフローコンパートメントが設けられている、請求項１〜３のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  5. 排出チャネルを更に備える、請求項１〜３のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  6. １以上の支援相ガイドを更に備える、請求項１〜３のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  7. コンパートメント内に含まれた液体の流れをガイドするための相ガイドパターンであって、
    前記相ガイドは、前進面が相ガイドを越える前に相ガイドに沿って整列されるように、前進相面の全長に及ぶ毛管圧バリアであり、
    前記相ガイドパターンの少なくとも１つの相ガイドは、液体相による相ガイドのオーバフローが生ずる位置を制御すべく、前記相ガイドに沿って工学的な毛管力の局所的変化が生ずる形状とされ、
    液体による相ガイドの前記オーバフローが引き起こされる相ガイドに沿った前記位置は、毛管力が局所的に変化する位置にあると共に相ガイドの最も弱い点を表し、よって、相ガイドの安定性が規定される、相ガイドパターン。
  8. 前記液体が前進する場合において、前記毛管力の変化は毛管力の増大であり、
    前進液体相から離れた側で、前記相ガイドパターンは前記コンパートメントの第１の壁面との間に第１の角度を、前記コンパートメントの第２の壁面との間に第２の角度を、それぞれ形成し、前記第１の角度は前記第２の角度よりも小さく、よって、この小さいほうの角度部でオーバフローが引き起こされるか、または
    前進相とは離れた側に、相ガイドと前記コンパートメントの第１および第２の壁面とによって形成されたいずれの角度よりも小さい屈曲角を有する相ガイド屈曲部が導入されるか、または
    相ガイドの前進相から離れた側に、枝分かれ構造が設けられ、相ガイドと前記枝分かれ構造とによって形成される角度は、相ガイドと前記コンパートメントの第１および第２の壁面とによって形成されたいずれの角度よりも小さい、請求項７記載の相ガイドパターン。
  9. 前記液体が後退する場合において、前記毛管力の変化は毛管力の減少であり、
    後退液体相から離れた側で、前記相ガイドパターンは前記コンパートメントの第１の壁面との間に第１の角度を、前記コンパートメントの第２の壁面との間に第２の角度を、それぞれ形成し、前記第１の角度は前記第２の角度よりも小さく、よって、この小さいほうの角度部でオーバフローが引き起こされるか、または
    後退相とは離れた側に、相ガイドと前記コンパートメントの第１および第２の壁面とによって形成されたいずれの角度よりも小さい屈曲角を有する相ガイドの屈曲部が導入されるか、または
    相ガイドの後退相から離れた側に、枝分かれ構造が設けられ、相ガイドと前記枝分かれ構造とによって形成される角度は相ガイドと前記コンパートメントの第１および第２の壁面とによって形成されたいずれの角度よりも小さい、請求項７記載の相ガイドパターン。
  10. 前記相ガイドは、メニスカスが相ガイドを飛び越える前に少なくとも部分的に相ガイドに沿って整列するように、毛管圧境界として作用する、移動液体／気体、液体／油、または気体／油メニスカスの全長に亘り湿潤性の異なる材料の溝、隆起、または線を含んでなる、請求項７〜９のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  11. 充填プロセス中のある時点に前進または後退液体を閉じ込める少なくとも２つの相ガイドを含んでなり、前記相ガイドは、所定の順序による相ガイドの順次的オーバフローおよび／または選択的オーバフローを定めるために、安定性が相違している、請求項７〜１０のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  12. 少なくとも１つの閉じ込め式相ガイドが前記コンパートメント内で少なくとも１つの液体体積の境界を形成するために設けられ、前記液体体積の境界の少なくとも一部は前記コンパートメントの壁面によっては閉じ込められていない、請求項２〜１１のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  13. 超過液体を受容するためにオーバフローコンパートメントが設けられ、これによって、閉じ込め式相ガイドのオーバフローが防止される、請求項２〜１２のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  14. 前記オーバフローコンパートメントはいずれの閉じ込め式相ガイドよりも低い安定性を有する相ガイドによって閉鎖される、請求項１３記載の相ガイドパターン。
  15. 互いに隣接する液体体積を順次に挿填または排出するために閉じ込め式相ガイドが設けられる、請求項２〜１４のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  16. 充填または排出中の液体形状を維持するための少なくとも１つの輪郭相ガイドをさらに含んでなる、請求項１５記載の相ガイドパターン。
  17. ２つまたはそれ以上の液体が少なくとも２つの閉じ込め式相ガイドによって分離されており、前記液体は少なくとも１つの閉じ込め式相ガイドのオーバフローによって合体可能であるか、または
    前記輪郭相ガイド間の空のスペースへの付加的な液体の挿填によって合体可能である、請求項２〜１６のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  18. 液体は少なくとも２つの閉じ込め式相ガイドによって閉じ込められており、最初にオーバフローされる相ガイドの安定性は他方の相ガイドの安定性よりも低い、請求項２〜１７のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  19. 前記安定性を低減させるために、オーバフローされるべき相ガイドの相ガイド−壁面接触角の少なくとも１つは、他方の閉じ込め式相ガイドの相ガイド−壁面接触角のいずれよりも小さく選択されるか、または
    前記安定性を低減させるために、オーバフローされるべき相ガイドに、閉じ込め式相ガイドの相ガイド−壁面接触角のいずれよりも小さい屈曲角を有する屈曲部が導入されるか、または
    前記安定性を低減させるために、閉じ込め式相ガイドの相ガイド−壁面接触角のいずれよりも小さい角度が形成されるようにして枝分かれ構造が設けられる、請求項１８記載の相ガイドパターン。
  20. 少なくとも１つの相ガイドは、前記相ガイドが設けられなければ充填中に湿潤されなかったか、もしくは排出中に排出されなかったと考えられるスペースによって形成される少なくとも１つの死角から発している、請求項２〜１９のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  21. 排出チャネルは、想定されるマイクロ流体スペースが、前進液体の場合において完全に充填されるか、または、後退液体の場合において完全に排出されるまでメニスカスが排出構造に侵入することをブロックする遅延相ガイドによって閉鎖される請求項２０記載の相ガイドパターン。
  22. 充填または排出されるべきコンパートメントの境界から一定の距離を保ってコンパートメントの輪郭に追従する少なくとも１つの輪郭相ガイドが設けられる、請求項２〜２１のいずれか１項記載の相ガイドパターン。
  23. 請求項２２記載の相ガイドパターンを含んだコンパートメントを充填および／または排出する方法であって、最初にスペース全体の輪郭が充填され、続いて、付加的な輪郭相ガイドによって所要の形状に向かって徐々に操作されるか、または 最初にスペース全体の輪郭が排出され、続いて、付加的な輪郭相ガイドによってスペースが徐々に排出される、方法。
  24. 請求項１〜２３のいずれか１項記載の相ガイドパターンを１以上備える液体のコンパートメント。
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