JP6083713B2 - 変形可能バルブを備えたマイクロ流体デバイス - Google Patents
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Description
− 第一変形状態および第二変形状態が、それぞれ、液体に対する第一毛細管圧および第二毛細管圧を誘起し、第一毛細管圧は、第二毛細管圧よりも実質的に、典型的には差が1000N/m2より高く、第一毛細管圧は、望ましくは、第一マイクロチャネルの上流の部分において誘起された毛細管圧と同じ桁を有し、前記上流部分は、望ましくは、デバイス中に液体を投入するための投入パッドを含む部分に相当する;
− 第一変形状態は実質的には非変形の状態であり、第二状態は実質的には変形した状態であって、空洞チャンバの変形方向沿いの平均寸法は、第二変形状態と第一変形状態との間の比率を示し、これは0.1と0.9との間、望ましくは0.5と0.75との間にあり、少なくとも部分的に変形可能な壁部は、望ましくは非永続的に変形可能であり、さらに望ましくは弾性的に変形可能である;
− 空洞チャンバの特性寸法は、第一および第二マイクロチャネルの各々の特性寸法よりも実質的に大きく、前記特性寸法は、変形方向に直角な同じ平面内で測定され、望ましくは、変形方向および流れ方向の両方に対し直角な方向で測定される;
− 変形方向に沿って測定された、マイクロチャネルの各々および空洞チャンバの深さはほぼ等しい;
− ポートのところの第一マイクロチャネルおよび第二マイクロチャネルの各々の少なくとも一部は、第一層の上面上に開口した溝であり、空洞チャンバは、第一層の上面上に開口した凹部によって画定され、これら溝および凹部は、第二層の下面によって閉じられており、第一層もしくは第二層またはその両方は、少なくとも部分的に変形可能であり、望ましくは1から60Mpaの間の、さらに望ましくは20からの60Mpaの間の抗張力を示す;
− 流れ方向と、流入ポートで空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、流入ポートのところでのチャンバの開口角度θaddは、90°から180°の間、望ましくは110°から160℃の間であり、さらに望ましくは、ほぼ135°に等しい;
− 流れの方向の反対方向と、流出ポートで空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、流出ポートのところでのチャンバの開口角度θoutは、0°から90°の間、望ましくは20°から70℃の間であり、さらに望ましくは、ほぼ35°に等しく、望ましくは、流れ方向沿いのバルブのプロフィールは、実質的には涙形である;
− 空洞チャンバの最小の長さ/幅比率は3/1から1/1の間にあり、該長さは流れ方向に沿って測定され、該幅は長さおよび変形方向の両方に直角に測定される;
− バルブは、少なくとも部分的に刻刻(ギザギザ)を有する側壁を含み、刻刻を有する側壁は外部に突き出た突起部を示す;
− バルブは、バルブの下部壁部から上部壁部に延在する濡れ性柱体をさらに含み、この柱体の分布は、実質的に、バルブの中央よりも、ポートの一つまたは望ましくはポートの各々のところの方が濃密である;
− マイクロ流体デバイスは、空洞チャンバに連結する一つ以上の貯留部をさらに含む;
− マイクロ流体デバイスは、第一マイクロチャネルの上流に投入パッドをさらに含み、望ましくは、バルブの下流に反応チャンバを含み、さらに望ましくは、第一マイクロチャネルおよび第二マイクロチャネルの液体流路の中にそれぞれ挿入された、試薬ゾーンおよび毛細管ポンプを含む。
− 第一マイクロチャネルを液体で満たすステップと、
− 少なくとも部分的に変形可能な前記一つ以上の壁部を、第一マイクロチャネルから空洞チャンバを通って第二マイクロチャネルに液体を引くように、変形するステップと、を含む。
− 熱感受性材料(例えば、ワックス)、
− 光感受性材料(光トリガ湿潤)、
− サンプル反応性物質(例えば、pH感受性ヒドロゲル)、または
− 疎水性バリアを濡れ性ゾーンに変換するためのサンプルの化学組成。
さらに、液体の注入によって空気が圧縮されないので、排気の必要がない。その上に、他の既知のソリューションに比べて作製の難度が低い。実際上、本実施形態は、相異なる深さおよび傾斜側壁、または相補的な合わせ形状を備えた構造体を設ける必要がない。また、これらは、流路を閉鎖するためのはめ合い部品を作製して組み立てる必要もない。最後に、本諸実施形態によるバルブのメカニズムは、シーリング、ボンディングなどが非常に重要である異質な要素からなる構造体に基づく既知のほとんどのバルブの概念と対照的に、実際上、粒子または塵埃などに対して大きな脆弱性はない。
− 液体は左側から注入される(すなわち、第一マイクロチャネル31から、図2、4、および5から13までを参照)、および
− 第二変形状態S2は変形された状態(図1Bのように実質的な圧力が印加される)であり、一方、第一状態S1は、実質的に変形されていない非変形状態(特定の圧力の印加がない、図1B)に相当する。2つの状態S1、S2によって対比される変形の程度は、(非変形の状態S1によって誘起される)第一毛細管圧P1が、バルブが変形状態S2のときに液体が受ける毛細管圧P2よりも必ず実質的に高くなるようにされる。これは、後記で例として数値化するものとする。
− 第一に、図2A(非変形状態S1、時間t1):液体Lがマイクロチャネル31から注入され、それがポート51に達する。そこで、液体は、非変形状態S1によって誘起された大きな毛細管圧P1のため、減速し、停止することもある。バルブのチャンバ53の内部は、この時点まで、例えば図1Aに示された状態である。この点に関し、バルブは、例えば、マイクロチャネル31からチャンバ53に進む際に濡れ性流路が(例えば急に)拡大するように、好適に構成される。この拡大は、少なくともチャンバが変形されていないときには、毛細管圧の増大(絶対項では低下)をもたらし、これが、液体を十分に減速させ、おそらく停止させる。液体の正確な挙動は、液体の性質、流入ポート51のところでのチャンバの正確な幾何学的形状、化学的な表面状態など多くのパラメータに左右され、これについては後記でさらに詳細に説明する。
− 第二に、図1B(状態S2、時間t2>t1)に示されるように、例えば、プッシュ・ロッドなどによって中央部で−yに向けて押されて、バルブが変形される。バルブの壁部が、流れ方向zと交差する軸である変形軸yに沿って変形されるので、チャンバの(yに沿う)局部寸法が低減され、これが毛細管効果を高める。しかして、バルブは、一方の状態において他方よりも毛管現象の活性が高いと見なすことができる。
− 変形の結果として(図2B)、毛細管圧が低下し、液体は流れ方向に沿って引っぱられ、すなわち、変形状態S2において、少なくとも当初の状態S1よりも実質的に多く引っぱられる。図1Bにおいて、2本の矢印は、チャンバが変形されたときであっても、中央部に比較してまだ高い毛細管圧を示す領域を指している。結果として、液体は、まず中央部に、すなわち、毛細管圧が最低(負の値を想定している)である最も変形された領域に向けて伝播する(時間t2)。
− 最終的には(状態S2、時間t2’>t2、図2C)、液体は、より高い毛細管圧を有する、チャンバの他の領域にも伝播する。変形を維持することによって、液体が、ポート51に向かい第二マイクロチャネル32(図示せず)に達するまで進むことが可能になる。
− デバイスの中に液体を投入するための投入パッド60(区域R1)と、
− 液体を狭細チャネルに移動させるための投入チャネル(区域R2)と、
− それ自体が第一マイクロチャネルにつながっている狭細チャネル(区域R3)と、
− 第一マイクロチャネル(区域R4)と、
− その後、バルブ50のチャンバに入ると急に大きくなり、最大幅(すなわち、その特性x寸法)に至る流路部分区域(R5)と、
− 次いで、おおむね一定の傾きで、下記のセクションに達するまで連続して幅が減少する流路部分(区域R6)と、
− 流路の幅はまだ減少しているが今や傾きが小さくなった、バルブのチャンバの次のセクション(53’)(区域R7)であって、かかるセクションは、区域R6と次の区域R8との間に有用な中間プロフィールを提供し、区域R7は流出マイクロチャネルに対応している、該セクションと、
− 流出マイクロチャネル(区域R8)と、
を含む。
− 図9Aでは、長方形棒体が入り口(流入ポート)に設けられている。半円状になった長方形棒体群が、液体を多くの滞留チャネルに分配している。棒体の寸法は、典型的には40×40μm2で、20μmの間隔取りである。
− 図9Bでは、円形棒体が、滞留円形棒体群の単一のライン(滞留ライン)に液体を分配する。円形棒体の直径は、例えば70μmである。
− 図9Cでは、前部を満たす液体を分配し留めるための構造体が設けられている。これは(追加角度を備えた)刻刻のある壁部と組み合わされて、液体がコーナに沿って徐々に伝わるのを防止する。
− 図9Dでは、長方形棒体が液体を滞留ラインに分配する。必要に応じ、チャネル壁部で液体が徐々に伝わるのを防止するために、追加角度を備えた、波形の壁部および刻刻のある壁部を加えることが可能である。
− 投入パッド60(図4、11、12)、すなわち第一マイクロチャネルの上流にあってデバイスに液体を投入するための投入パッド;
− バルブ50の下流の反応チャンバ70(図11);
− 例えば投入パッドと第一マイクロチャネルとの間に挿入された、試薬ゾーン82(図11);
− バルブ50の下流に挿入され、望ましくは反応チャンバ70の後に挿入される毛細管ポンプ(84);
− その他。
− 試薬ゾーンの下の加熱ステージ(一部のアッセイは、さまざまな温度を用いて検体を標識したり、検体分子を解離することが必要であるため);
− 投入パッドの下の冷却ステージ(例えば、蒸発を制限するため、特に、非常に少量のサンプルが用いられる場合、または試薬/検体の安定性を向上するため);
− 蛍光リーダ、例えば、(カバーを通してアッセイ信号を読み取るためには)反応チャンバの上側にあるか、または、プラスチック・チップの場合は、反応チャンバの下側にある)蛍光リーダ;
− ピストン(例えば、所与の時間にバルブ上に正確な圧力を加えるようプログラムが可能なソレノイド);
− (投入パッドもしくは試薬ゾーンまたはその両方へサンプルおよび試薬を自動投入するための)ピペット作業用ロボット。
Claims (14)
- 第一マイクロチャネルと、第二マイクロチャネルと、流入ポートおよび流出ポートを含むバルブと、を含むマイクロ流体デバイスであって、前記ポートはそれぞれ前記第一マイクロチャネル、前記第二マイクロチャネルに連結され、前記バルブは前記ポートによって定められた流れ方向に沿った液体の流量を制御するよう設計され、
前記バルブは、前記ポートを結合し、前記流れ方向と直角の方向で前記マイクロチャネルの各々より幅が広い空洞チャンバを画定する、一つ以上の壁部をさらに含み、前記壁部は、前記流れ方向と交差する変形方向(−y)に沿って少なくとも部分的に変形可能であり、前記壁部には、少なくとも第一変形状態と第二変形状態とを付与することができ、前記第二変形状態においては前記第一変形状態よりも、前記流れ方向に沿って多くの前記液体を引くことができ、
前記第一変形状態および前記第二変形状態が、それぞれ、前記液体に対する第一毛細管圧および第二毛細管圧を誘起し、前記第一毛細管圧は、前記第二毛細管圧よりも高く、前記第一毛細管圧は、前記第一マイクロチャネルの上流部分において誘起された毛細管圧と同じオーダーであり、前記上流部分は、前記デバイス中に液体を投入するための投入パッドを含む部分に相当する、デバイス。 - 前記第一変形状態は非変形の状態であり、前記第二状態は変形した状態であって、
前記空洞チャンバの前記変形方向沿いの平均寸法は、前記第二変形状態と前記第一変形状態との間の比率を示し、これは0.1と0.9との間にあり、
少なくとも部分的に変形可能な前記壁部は、弾性的に変形可能である、
請求項1に記載のデバイス。 - 前記空洞チャンバの特性寸法は、前記第一および前記第二マイクロチャネルの各々の特性寸法よりも大きく、前記特性寸法は、前記変形方向に直角な同じ平面(x,z)内で測定される、請求項1または2に記載のデバイス。
- 前記特性寸法は、前記変形方向および前記流れ方向の両方に対し直角な方向(x)で測定される、請求項3に記載のデバイス。
- 前記ポートのところの前記第一マイクロチャネルおよび前記第二マイクロチャネルの各々の少なくとも一部は、第一層の上面上に開口した溝であり、前記空洞チャンバは、前記第一層の前記上面上に開口した凹部によって画定され、前記溝および前記凹部は、第二層の下面によって閉じられており、前記第一層もしくは前記第二層またはその両方は、少なくとも部分的に変形可能であり、1から60Mpaの間の抗張力を示す、請求項1〜4のいずれか一つに記載のデバイス。
- 前記流れ方向と前記流入ポートで前記空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、前記流入ポートのところでの前記空洞チャンバの開口角度θaddは、90°から180°の間である、請求項1〜5のいずれか一つに記載のデバイス。
- 前記流れの方向の反対方向と、前記流出ポートで前記空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、前記流出ポートのところでの前記空洞チャンバの開口角度θoutは、0°から90°の間であり、前記流れ方向沿いの前記バルブのプロフィールは涙形である、請求項6に記載のデバイス。
- 前記空洞チャンバの最小の長さ/幅比率は3/1から1/1の間にあり、前記長さは前記流れ方向に沿って測定され、前記幅は、前記長さおよび前記変形方向の両方に直角に測定される、請求項1〜7のいずれか一つに記載のデバイス。
- 前記バルブは、少なくとも部分的に刻刻を有する側壁を含み、前記刻刻を有する側壁は外部に突き出た突起部を示す、請求項8に記載のデバイス。
- 前記バルブは、前記バルブの下部壁部から上部壁部に延在する濡れ性柱体をさらに含み、前記柱体の分布は、前記バルブの中央よりも、前記ポートのところの方が濃密である、
請求項1〜9のいずれか一つに記載のデバイス。 - 前記マイクロ流体デバイスは、前記空洞チャンバに連結する一つ以上の貯留部をさらに含む、請求項1〜10のいずれか一つに記載のデバイス。
- 前記マイクロ流体デバイスは、前記第一マイクロチャネルの上流に設けられた投入パッド、前記バルブの下流に設けられた反応チャンバ、あるいは、前記第一マイクロチャネルおよび前記第二マイクロチャネルの液体流路の中にそれぞれ挿入された、試薬ゾーンおよび毛細管ポンプのいずれか、または、これらの組み合わせをさらに含む、請求項1〜11のいずれか一つに記載のデバイス。
- n個(n≧2)のマイクロ流体デバイスを含む装置であって、前記マイクロ流体デバイスの各々が、請求項1〜12のいずれか一つである、装置。
- 請求項1〜12のいずれか一つに記載されたデバイス中の液体流を制御する方法であって、
− 前記第一マイクロチャネルを液体で満たすステップと、
− 少なくとも部分的に変形可能な前記一つ以上の壁部を、前記第一マイクロチャネルから前記空洞チャンバを通って前記第二マイクロチャネルに液体を引くように、変形するステップと、
を含む、方法。
Applications Claiming Priority (3)
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EP11189421.8 | 2011-11-16 | ||
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