JP6817968B2 - 表面機能化および検出デバイス - Google Patents

Description

本発明は、流体デバイスに関する。特に、本発明は、流路の内側表面をコーティングするとともに、流体サンプルの中の検体を検出する方法および流体デバイスに関する。

バイオセンサは、表面に結合した抗体などの分子をしばしば利用して、流体サンプル中の検体を検出する。抗体をその表面に結合させるために、その表面に結合する抗体を含むコーティング液が表面上に流される。このような表面は、機能化表面または機能化センサ領域と呼ばれる。次に、検体を含むサンプル流体は、検出を行うために、機能化センサ領域上を流れる。

センサ領域の機能化は、有利には、センシング領域に限定される。そうでなければ、機能化領域上にサンプル流体を流すことによって、サンプル流体中に存在する検体は、その領域全体に分布し、検体を喪失させる。これにより、アッセイ（assay）の感度が低下する。

センサ領域の機能化を正確に提供するための方法およびシステムが依然として必要とされている。

本発明の目的は、流体デバイスにおけるアッセイの感度を高めることである。本発明の実施形態の利点は、センサにおける機能化の正確な位置決めが得られることである。

上記の目的および利点は、本発明の態様の実施形態によって得られる。

本発明の第１態様では、流路の内側表面を局所的にコーティングする流体デバイスが提示される。流体デバイスは、共通合流点（common junction）で交差する、第１流路、第２流路および第３流路を含み、第１流路は、コーティング液容器に接続可能であり、第３流路は、サンプル流体容器に接続可能であり、共通合流点においてコーティング液のための流体流路を作り、これにより、コーティング時、コーティング液は、第１流路から第２流路に共通合流点を経由して伝播し、第３流路内には伝播しないように構成された流体制御手段を更に含むことを特徴とする。

本発明の実施形態の利点は、流体デバイスが形成された後に機能化を行うことができ、流体デバイスの製造プロセス中に機能化を行う必要がないことである。

本発明の一実施形態によると、流体デバイスは、共通合流点で交差する第４流路を更に含み、流体制御手段は、共通合流点にコーティング液のための流体流路を作り、これにより、コーティング時、コーティング液は、第１流路から第２流路に共通合流点を経由して伝播し、第３流路内と第４流路内には伝播しないように構成されている。

本発明の一実施形態によると、流体制御手段は、ポンプシステムである。本発明の一実施形態によると、ポンプシステムは、第３流路内と第４流路内に、共通合流点に向かう内向きの流れを作る。

本発明の一実施形態によると、流体制御手段は、毛細管システムである。

本発明の一実施形態によると、毛細管システムは、第２流路に連結された毛細管ポンプを含み、第１流路および第２流路の抵抗力と、毛細管ポンプおよび第３流路および第４流路内の毛細管圧力とは、コーティング液が第１流路から共通合流点を経由して第２流路へ伝播する際に、コーティング液が第３流路または第４流路の中に流入しないように適合される。

本発明の一実施形態によると、第３流路は、サンプル流体を受け取る入口を有し、第２流路は、入口から下流に流体を排出する出口を有し、流体制御手段は、共通合流点と入口との間の第３流路内に配置された第１流体構造を含み、第１流体構造は、コーティング液が第１流路から第２流路へ伝播する際に、コーティング液は、出口のみに伝播し、それによって、第２流路および共通合流点の内側表面を少なくとも部分的にコーティングする。

本発明の一実施形態によると、流体制御手段は、第１流路内に配置され、かつ、流体サンプルが入口から出口に伝播する際に第１流路を密閉し、それによって、流体サンプルが第１流路に入ることを防止するように構成された、第２流体構造を更に含む。

本発明の一実施形態によると、第１流体構造は、一方向性毛細管バルブである。

本発明の一実施形態によると、第２流体構造は、一方向性毛細管バルブである。

本発明の第２態様では、本発明の第１態様の流体デバイス、またはその実施形態のいずれかに係る流体デバイスと、流体デバイスを通って伝播する流体サンプルの中の検体を検出するように配置されたセンサとを含む、検体を検出する検出システムが提示される。

本発明の第３態様では、共通合流点で交差する、第１流路、第２流路および第３流路を有する流体デバイスを提供するステップと、第１流路から共通合流点を経由して第２流路まで、コーティング液を伝播させ、それによって、共通合流点および第２流路の少なくとも一部をコーティングするステップと、を含み、流路の表面を部分的にコーティングする方法であって、コーティング液を伝播させている間、コーティング液が第３流路内に伝播しないように共通合流点に流体流路を作ることを特徴とする方法が提示される。

本発明の一実施形態によると、流体デバイスは、共通合流点で交差する第４流路を更に含み、流体流路を作るステップは、第３流路内と第４流路内に、共通合流点に向かう内向きの流れを作ることを含む。

本発明の一実施形態によると、流体流路を作るステップは、第１流路の抵抗力と、第２流路の抵抗力と、第２流路内の圧力と、を適合させることを含む。

本発明の第４態様では、本発明の第３態様に係る方法またはそれらの実施形態のいずれかに係る方法の全てのステップを実行するステップと、その後、第１流路と、選択的に第２流路とを密閉するステップと、第３流路から流体デバイスを通してサンプル流体を伝播させるステップと、少なくともコーティングされた共通合流点において、検体の検出を実行するステップと、を含む、流体サンプル内の検体を検出する方法が提示される。

本発明の特定の好ましい態様は、添付の独立請求項と従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項の特徴と適宜組み合わせられてもよく、単に請求項に明示的に記載されているものだけではない。

本発明のこれらの態様および他の態様は、以下に記載する具体例を参照して明らかになる。

本発明の実施形態に係る流体デバイスを示す。 本発明の実施形態に係る相互接続された流体デバイスの列を含むシステムを示す。 本発明の実施形態に係る相互接続された流体デバイスのマトリクスを含むシステムを示す。 本発明の実施形態に係る毛細管流体デバイスを示す。 図４に示された実施形態と等価な流体抵抗ネットワークを示す。 本発明の実施形態に係る流体デバイスを示す。 本発明の実施形態に係る流体デバイスを示す。 図７に示された流体デバイスの断面を示す。 本発明の実施形態に係る流体デバイスを示す。 本発明の実施形態に係る検出システムを示す。 本発明の実施形態に係る毛細管流体デバイスを示す。

図は、概略的なものに過ぎず、非限定的なものである。図中では、図示目的のため、要素のいくつかのサイズは誇張され、縮尺通りに描かれていない場合がある。

特許請求の範囲の中の参照符号は、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。異なる図の中で、同一の参照符号は、同一のまたは類似の要素を示している。

本発明は、特定の具体例に関して、特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記載されている図は、概略的なものに過ぎず、非限定的なものである。図中では、図示目的のため、要素のいくつかのサイズは誇張され、縮尺通りに描かれていない場合がある。寸法および相対的な寸法は、本発明の実施の実際の縮図に一致しない。

更に、説明の中および特許請求の範囲の中における第１（first）、第２（second）などの用語は、同様の要素の間を区別するために使用されるものであり、必ずしも時間的に、空間的に、順位付けて、または他の方法で、順序を説明するためのものではない。そのように使用された用語は、適切な状況下で交換可能であること、および本明細書に記載された本発明の具体例は、本明細書に記載または図示されている順序以外の順序で操作可能であることが理解されるべきである。

特許請求の範囲の中で使用される「含む（comprising）」という用語は、その後に示される手段に限定されるものと解釈すべきではなく、他の要素や工程を排除するものではない。このように、この用語は、言及された特徴、整数（integers）、工程、または構成要素の存在を明確に述べるものとして解釈されるものであって、１つ以上の他の特徴、整数、工程または構成要素、またはそれらのグループの存在や追加を排除するものではない。したがって、「手段ＡとＢを含むデバイス」の表現の範囲は、構成要素ＡとＢのみを含む装置に限定されるべきではない。本発明では、単にデバイスに関連した構成要素がＡとＢであることを意味する。

この明細書を通じて参照される「１つの実施形態（one embodiment）」または「ある実施形態（an embodiment）」は、この実施形態に関係して記載された特定の長所、構造、または特徴が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。このように、この明細書の様々な場所にある「１つの実施形態で（in one embodiment）」または「ある実施形態で（in an embodiment）」の語句の表現は、必ずしも同一の実施形態を表すものではないが、表しても構わない。さらに、特定の長所、構造、または特徴は、この記載から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態において適当な方法で組み合わせられてもよい。

同様に、本発明の例示の記載中において、本発明の様々な長所は、能率的に開示して様々な発明の態様の１つ以上の理解を助ける目的で、時には１つの実施形態、図面、またはそれらの記載の中にまとめられていると評価されるべきである。しかし、この開示の方法は、請求項に記載の発明がそれぞれの請求項に記載されたものより多くの特徴を必要とすることを意図して表されていると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が表すように、発明の態様は、１つの記載された実施形態の全ての長所より少なくなる。したがって、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、これにより詳細な説明中に明確に含まれ、それぞれの請求項は、この発明の別々の実施形態としてそれ自身で成立する。

さらに、ここに記載されたいくつかの実施形態は、他の実施形態に含まれる特徴以外のいくつかの特徴を含み、異なった実施形態の長所の組合せは、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内に入ることを意味し、異なった実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲では、請求項に記載の実施形態のいくつかは、他の組合せの中でも使用することができる。

本明細書で与えられる説明の中で、多くの特別な詳細が示される。しかし、本発明の実施形態は、それらの特別な詳細がなくても実施できるものと理解される。他の例では、公知の方法、構造、および技術は、この説明の理解を不明瞭にしないために、詳細には示されない。

説明全体を通して、「コーティング液」について述べる。これは、基板表面（例えば、シリコンベースの、プラスチックの、金属のまたは他の適切な表面）に結合することができる成分を含む流体を指す。この成分は、特異的結合性または親水性／疎水性などの特性、または他の特性を有してもよい。成分は、表面への標的の部位特異的結合を可能にする任意の結合要素であってもよい。このような要素は、抗体または酵素であってもよい。

説明全体を通して、「流体サンプル」について述べる。「流体サンプル」は、個体の体から分離できる体液を指してもよい。このような体液は、血液、血漿、血清、胆汁、唾液、尿、涙、発汗を指してもよいが、これらに限定されない。流体サンプルはまた、流体またはマイクロ流体システム内の物体または成分を運ぶのに適した任意の流体を指してもよい。

説明全体を通して、「緩衝液」について述べる。「緩衝液」は、コーティング液によって作り出された表面コーティングと反応しない流体、または表面コーティングに流出しない流体、または検体と反応する流体、または検体が表面コーティングと結合することを防ぐ流体を指してもよい。緩衝液は、２つの分離した、場合によっては異なる液体であってもよい。

上記の技術目的の問題は、表面の特定の限定された領域（例えばセンサの検出面）に結合要素（例えば抗体）を局在化させることによって解決される。そうすることによって、抗体が局所的に存在するため、その領域を流れる流体サンプル中の検体の喪失が最小限に抑えられる。これにより、アッセイの感度が増す。しかし、閉じた流路を有するマイクロ流体デバイスの場合、その閉鎖性が原因で、流路の内側表面の特定の領域にのみ抗体を導入することは困難である。また、シリコン−ガラス陽極接合デバイスの事例では、抗体が必要な結合温度に耐えられないため、結合前に抗体を加えることはできない。したがって、流路の内側表面の特定の領域がコーティングされなければならない閉じた流路を扱う場合、技術目的の問題を解決することは更に困難である。

この問題は、合流点で交差する少なくとも３つの流路を含む交差流の流体デバイスを提供することによって解決される。一部の流路は、合流点に存在する流体デバイスの内側表面の特定領域をコーティングするために使用される。その特定の領域上に流体サンプルを流すために、他の流路が使用され、これにより、合流点で流体サンプル中の検体の検出を行うことができる。デバイスは、コーティング液が一の流路から合流点を経由して他の流路に流れる場合に、コーティング液が他の流路に伝播または漏出しないように構成される。流体の流れのこの制限は、例えば、ポンプシステム、毛細管システム、またはそのような効果を達成するように構成されたパッシブバルブ（passive valve）システムによって実現される。

本発明の実施形態の詳細な説明を以下に記載する。本発明の第１態様では、流路の内側表面を局所的にコーティングする流体デバイス１００が提示される。流体デバイス１００は、共通合流点１０５で交差する、第１流路１０１、第２流路１０２および第３流路１０３を含む。流路は、マイクロ流路であってもよい。共通合流点１０５は、流路１０１、１０２、１０３の全てに共通の、またはこれらの全てよって共有されるデバイスの内側領域として定義される。したがって、一の流路から他の流路への流体の流れは、常に、合流点１０５上を／合流点１０５を経由して、流れる。例えば、コーティング液が一の流路から他の流路に流れる場合、このコーティング液は、共通合流点１０５の少なくとも表面領域をコーティングする。したがって、例えば、抗原に結合できる抗体などの検体に結合するための成分で、流体デバイスの特定の領域をコーティングすることができる。

第１流路１０１は、コーティング液容器に接続可能であり、第３流路１０３は、流体サンプル容器に接続可能である。

流体デバイス１００は、コーティング中に、共通合流点１０５においてコーティング液のための流体流路を作るように構成された流体制御手段１１１を更に含む。流体流路を作ることにより、第１流路１０１から共通合流点１０５を経由して第２流路１０２まで伝播するコーティング液は、第３流路１０３内に伝播しない。この流体流路は、コーティング液を流すために使用されない流路を通して、緩衝液を共通合流点に向かって流すことによって形成されてもよい。この流体流路を作るために、流体制御手段は、ポンプシステムを含んでもよい。そのようなポンプシステムは、緩衝液を用いて共通合流点に向かう内向きの流れを作るように構成されている。

選択的に、流体制御手段１１１は、コーティングしない場合、少なくとも一時的な流体の流れのバリアを作るように更に構成されてもよい。少なくとも一時的な流体の流れのバリアを作ることにより、第３流路１０３内に提供されて流体デバイス内に伝播する流体サンプルは、第１流路１０１内に伝播しない。この目的のため、流体制御手段１１１は、適切な流路を遮断するのに適した１つ以上のバルブを含んでもよい。

言い換えれば、例えばコーティング容器を経由して流体デバイス１００に提供されたコーティング液は、デバイスを通して伝播し、それによって、デバイス１００の流路の内側表面を少なくとも部分的にコーティングすることができる。内側表面は、デバイスの１つ以上の内側表面であり、共通合流点１０５を形成する。その後、流体サンプルは、例えばポンプの使用によって、デバイスを通って伝播することができ、それによって、流体サンプルは、流路の部分的にコーティングされた内側表面上を流れる。

本発明の利点は、流路の全ての内側表面をコーティングする代わりに、流路の内側表面を部分的にコーティング液でコーティングすることができることである。

本発明の中で提示された流体デバイス１００は、コーティングに使用されない流路（例えば、図１の第１流路）内へのコーティング液の伝播を防止する。これは、重要な利点である。なぜなら、コーティング液内に含まれるコーティング材料（例えば、抗体）がコーティングに使用されない流路へ拡散することを制限するからである。一般的に、コーティング液と緩衝液を構成する流体は、同一である。コーティング液（コーティング材料）中に溶解されたものは、例えば検出ゾーン（例えば、バイオセンサ）から非常に遠い所に拡散してはならない。

本発明のさらなる利点は、流体デバイス１００の構造が、すべての流路が閉じた流路を可能にすることである。これは、流路の内側表面の特定の領域の（例えば外部スポッティング（external spotting）による）コーティングを可能にするために、流路が開放されなければならない従来技術のデバイスとは対照的である。

本発明の第１態様の実施形態によると、流体デバイスは、共通合流点１０５で交差する第４流路を更に含む。このような実施形態では、流体制御手段１１１は、共通合流点においてコーティング液のための流体流路を作り、これにより、コーティング時、コーティング液は、第１流路１０１から第２流路１０２に共通合流点１０５を経由して伝播し、第３流路１０３内と第４流路１０４内には伝播しないように構成される。選択的に、流体制御手段１１１は、少なくとも一時的な流体の流れのバリアを作るように更に構成され、これにより、コーティングしない場合、第３流路１０３から第４流路１０４へ伝播する流体サンプルは、第１流路１０１および／または第２流路１０２内に伝播しない。図１は、このような実施形態を示している。

図１は、本発明の実施形態に係る流体デバイス１００を示している。デバイス１００は、第１流路１０１と、第２流路１０２と、第３流路１０３と、第４流路１０４とを含む。４つの流路は全て共通合流点１０５で交差する。流体制御手段１１１は、第３流路１０３と第４流路１０４に連結される。コーティング液が第１流路１０１から第２流路１０２に伝播する場合、流体は、共通合流点１０５上を流れ、それによってその合流点１０５をコーティングする。コーティング中は、流体制御手段１１１が機能し、コーティング液は、第１流路１０１から第２流路へ伝播し、第３流路１０３と第４流路１０４内には伝播しない。コーティングの後、流体サンプルは、共通合流点１０５を通って、第３流路１０３から第４流路１０４へ伝播してもよい。

流体制御手段１１１は、コーティングに使用される流路を密閉する手段を含んでもよい。流路を密閉する手段は、１つ以上のバルブであってもよい。例えば、コーティングの後、流体制御手段１１１は、共通合流点に近接して、コーティングを行うために使用される１つ以上の流路を密閉することができる。利点として、これらの流路を密閉することによって、流体デバイスを通って伝播する流体サンプルは、これらのコーティング流路内に伝播しない。図１に示された実施形態によると、流体制御手段１１１は、第１流路１０１と第２流路１０２とを密閉する手段を含む。これらの流路を密閉することによって、流体サンプルは、第１流路１０１と第２流路１０２に伝播しない。利点として、流体サンプル中の検体の喪失は起こらず、流体デバイス中のアッセイの感度が増加する。

本発明の第１態様の特定の実施形態によると、図１に示された流体デバイスに相当する流体デバイス１００、１００’、１００’’のアレイが、流体的に相互接続される。

このアレイは、１Ｄアレイであってもよい。このような１Ｄアレイは、各流体デバイス１００の共通合流点１０５、１０５’、１０５’’をコーティングするために使用される流路１０１、１０２、１０１’、１０２’、１０１’’、１０２’’が流体的に接続された、流体デバイスの列を含む。これにより、コーティング流体の１つのサンプルは、流路１０１、１０２、１０１’、１０２’、１０１’’、１０２’’を通って伝播し、全ての共通合流点１０５、１０５’、１０５’’をコーティングすることができる。本発明の利点は、異なる共通合流点１０５、１０５’、１０５’’をコーティングするために、同一のコーティング液を使用することができることである。本発明の利点は、異なる共通合流点１０５、１０５’、１０５’’のコーティングを個別に行う必要がないことである。これは、コーティングの実行を単純化し、実行時間を短縮する。

図２のシステムは、このような１Ｄアレイを示している。これは、３つの流体デバイス１００、１００’、１００’’を含む。流路１０２は、流路１０１’に流体的に接続されている。流路１０２’は、流路１０１’’に流体的に接続されている。流路１０１内に供給されるコーティング液は、共通合流点１０５、１０５’、１０５’’を経由して、流路１０２’’に至るまで伝播することができる。伝播中、共通合流点１０５、１０５’、１０５’’は、同一のコーティング液によってコーティングされる。

アレイは、２Ｄアレイであってもよい。このような２Ｄアレイでは、共通合流点をコーティングするために使用される流路の各列は、流体的に相互接続される。これにより、各列の流体デバイスの共通合流点を、同一のコーティング液でコーティングすることができる。また、異なる列の共通合流点は、異なるコーティング液でコーティングされることができる。さらに、このような２Ｄアレイの各行（column）では、流体サンプルを伝播させるために使用される流路は、流体的に相互接続される。これにより、流体サンプルは、一の列から共通合流点を経由して他の列に流れることができる。この利点は、異なる列の共通合流点を異なるコーティング液でコーティングできることである。これにより、同一の流体サンプルの中の異なる検体を検出することができる。更なる利点は、異なる流体サンプルをデバイスに供給できることである。これらの異なる流体サンプルは、同一のまたは異なるコーティング液でコーティングされた異なる共通合流点上に個別に流れることができる。これにより、アレイに供給される異なる流体サンプルの中の異なる検体を検出することができる。

図３のシステムは、このような２Ｄアレイを示している。これは、６つの流体デバイス１００、１００’、１００’’、１００ａ、１００ａ’、１００ａ’’を含む。流路１０２は、流路１０１’に流体的に接続されている。流路１０２’は、流路１０１’’に流体的に接続されている。流路１０１内に供給されるコーティング液は、共通合流点１０５、１０５’、１０５’’を経由して、流路１０２’’に至るまで伝播することができる。伝播中、共通合流点１０５、１０５’、１０５’’は、同一のコーティング液によってコーティングされる。流路１０２ａは、流路１０１ａ’に流体的に接続されている。流路１０２ａ’は、流路１０１ａ’’に流体的に接続されている。流路１０１ａ内に供給されるコーティング液は、共通合流点１０５ａ、１０５ａ’、１０５ａ’’を経由して、流路１０２ａ’’に至るまで伝播することができる。伝播中、共通合流点１０５ａ、１０５ａ’、１０５ａ’’は、同一のコーティング液によってコーティングされる。流路１０４は、流路１０３ａに流体的に接続されている。流路１０４’は、流路１０３ａ’に流体的に接続されている。流路１０４’’は、流路１０３ａ’’に流体的に接続されている。流体サンプルは、流路１０３内へ導かれ、共通合流点１０５、１０５ａを経由して、流路１０４ａに至るまで伝播してもよい。他の流体サンプルは、流路１０３’内へ導かれ、共通合流点１０５’、１０５ａ’を経由して、流路１０４ａ’に至るまで伝播してもよい。更に他の流体サンプルは、流路１０３’’内へ導かれ、共通合流点１０５’’、１０５ａ’’を経由して、流路１０４ａ’’に至るまで伝播してもよい。したがって、図３に示されたデバイスにおいては、２つの異なるコーティング液がデバイス内へ導かれて共通合流点のコーティングを行うとともに、２つの異なる流体サンプルが導かれてもよい。各流体サンプルは、コーティングされた共通合流点を個別に流れることができる。

本発明の第１態様の実施形態によると、流体制御手段１１１は、ポンプシステムを含む。ポンプシステムは、共通合流点に向かって、流路内に内向きの流速を作るように構成される。この目的のため、緩衝液が使用されてもよい。流速は、共通合流点を通って流路１０１および１０２を経由して流れる流体のための流体流路を可能にしながら、異なる側部から内向きのものであってもよい。図１に示されているように、ポンプシステムは、第３流路１０３と第４流路１０４の中に、共通合流点１０５に向かう流速を作り出す。与えられる流速の量は、第１流路１０１から第２流路１０２へのコーティング液の伝播が可能であり、第３流路１０３または第４流路１０４の中のコーティング液の伝播が最小限になるように選択される。流速の量は、例えば、拡散流速が流体制御手段１１１によって作られた流速と釣り合った場合に観察することを可能にする、着色流体を使用することによって実験的に決定されることができる。

本発明の第１態様の実施形態によると、流体制御手段１１１は、毛細管システムであってもよい。このような実施形態では、毛細管力を用いてコーティングが行われる。図４にこのような実施形態が示されている。デバイスは、第１流路１０１と、第２流路１０２と、第３流路１０３と、第４流路１０４とを含む。これらの流路は、共通合流点１０５で交差する。第１流路１０１は、第１流路１０１の中にコーティング液を供給するための入口１０８に接続されている。第１流路１０１と第２流路１０２は、毛細管の寸法を有する流路である。したがって、これらの流路の典型的にはサブミクロンからミリメートルのスケールの寸法は、毛細管システムにおいて使用するのに適するように選択される。第２流路１０２は、第１流路１０１内に存在するコーティング液を第２流路１０２に吸引するように構成された毛細管ポンプ１０７に流体的に接続されている。第１流路１０１および第２流路１０２の抵抗力並びに毛細管ポンプ１０７および第３流路１０３および第４流路１０４の毛細管圧力は、例えば適切な流路直径を選択することによって、コーティング液が第１流路１０１から共通合流点１０５を経由して第２流路１０２まで伝播する際に、第３流路１０３または第４流路１０４の中に伝播しないように構成される。本発明の利点は、そのような実施形態が、バルブまたはアクティブポンプなどのアクティブな構成要素を必要としないことである。これは、デバイス全体の消費電力と電力コストを低減する。

本発明の第１態様の実施形態によれば、第１流路は高い抵抗を有し、第２流路は低い抵抗を有する。流体の粘性を１０^−３Ｐａ・ｓと仮定すると、第１流路１０１の抵抗率は、１０^８〜１０^２６Ｐａ・ｓ／ｍ^３／流路長のｍであってもよい。第２流路１０２の抵抗率も、１０^８〜１０^２６Ｐａ・ｓ／ｍ^３／流路長のｍであってもよい。流路１０１と１０２の相対的な抵抗は、式（４）を満たすものでなければならない。ポンプの毛細管圧力は、１００Ｐａ〜１ＭＰａであってもよい。流路１０３と１０４の中の毛細管圧力は、ポンプ内の毛細管圧力より低いことが重要である。例えば、本発明の特定の実施形態では、流体の粘性を１０^−３Ｐａ・ｓと仮定すると、第１流路１０１の抵抗は、１０^１９Ｐａ・ｓ／ｍ^３であってもよい。第２流路１０２の抵抗は、５×１０^１７Ｐａ・ｓ／ｍ^３であってもよい。ポンプの毛細管圧力は、約５ｋＰａである。流路１０３と１０４の中の毛細管圧力は、約２ｋＰａである。

本発明の第１態様の実施形態によると、第１流路１０１の少なくとも一部は、第１流路１０１の抵抗が増加するように成形される。例えば、第１流路１０１の抵抗を増加させるために、第１流路１０１は、第１流路１０１の抵抗を増加させるように構成された流体構造１１２を含んでもよい。流体構造１１２は、曲がりくねった形であってもよい。第２流路１０２の寸法は、第２流路１０２の抵抗が第１流路１０１の抵抗よりも低くなるように選択される。第２流路１０２の少なくとも一部は、第２流路１０２の抵抗率が第１流路１０１の抵抗率よりも低くなるように成形されてもよい。

コーティング液の液滴が容器１０８の中に提供された場合、毛細管力によって、液滴は、第１流路１０１（高抵抗）を通して共通合流点１０５内、第２流路１０２（低抵抗）内、およびコーティング毛細管ポンプ１０７内に引き込まれる。毛細管力を慎重に制御することによって、第３流路１０３および第４流路１０４へのコーティング液の伝播を避け、それによって、コーティング液が第３流路１０３および第４流路１０４に入ることなく、第２流路１０２および毛細管ポンプ１０７に直接的に吸い込まれることが可能になる。

図５は、図４に示された実施形態と等価な流体抵抗ネットワークを示している。コーティングプロセス中、毛細管ポンプ１０７の流量は、次のようになる。

第３流路１０３と第４流路１０４には流体が入らないこと、すなわち、Ｑ_SAMPLE≦０が望ましい。したがって、式（１）は、次のようになる。

圧力降下Δｐ、水力抵抗Ｒ、および流量Ｑの関係は、次のようになる。

したがって、式（２）は、次のように書くことができる。

ここで、Ｐ_ＣＨＡＮは、第３流路１０３および第４流路１０４の中の毛細管圧力であり、Ｐ_ＰＵＭＰは、毛細管ポンプ１０７および第２流路１０２の中の毛細管圧力であり、Ｐ_ＡＭＢ＝０は、環境圧力である。ここで、慣例により、Ｐ_ＣＨＡＮおよびＰ_ＰＵＭＰが負である（環境圧力を下回る）ことに注意せよ。このように、式（４）は、毛細管ポンピング中にコーティング液が第３流路１０３および第４流路１０４の中に伝播しないことを確実にするために充足されなければならない条件を与える。低抵抗流路に入る前に毛細管システムがコーティング液で満たされている間に、更なる条件が生じる。共通合流点１０５は、容易に濡れ、流体を第３流路１０３と第４流路１０４内に入れることなく、第２流路１０２に入れなければならない。これは、Ｐ_ＤＥＴ＜Ｐ_ＣＨＡＮ（すなわち、共通合流点１０５内の毛細管圧力は、第３流路と第４流路の中の毛細管圧力より強くなければならない）、かつＰ_ＰＵＭＰ＜Ｐ_ＣＨＡＮである場合に満たされる。長方形流路の中の毛細管圧力は、次の式によって与えられる。

ここで、σは表面張力であり、Ｗ_Ｃは流路幅であり、Ｈ_Ｃは流路の高さであり、θは気液界面と流路の壁の固体表面との間の接触角である。共通合流点１０５における流路と第３流路１０３と第４流路１０４とが同じ幅である場合、共通合流点１０５における流路は、Ｐ_ＤＥＴ＜Ｐ_ＣＨＡＮの基準を満足するために、より浅い深さを有さなければならない。代わりに、共通合流点１０５における流路と第３流路１０３と第４流路１０４とが同じ高さである場合、マイクロピラーまたは他の毛細管ウィッキング構造を検出器の内部に追加して、この領域の毛細管圧力を局所的に低下させることができる。Ｐ_ＰＵＭＰ＜Ｐ_ＣＨＡＮは、毛細管ポンプ１０７および第２流路１０２を、第３流路１０３および第４流路１０４より小さい流路幅にすることによって、容易に満たされる。

図１１に、全ての寸法を含む本発明の第１態様の特定の実施形態が示されている。この実施形態では、容器の直径は、２ｍｍである。第１流路１０１は、幅５μｍ、深さ２００μｍ、長さ２０ｍｍである。第２流路１０２は、幅５μｍ、深さ２００μｍ、長さ１ｍｍである。共通合流点１０５は、２４μｍの直径と３０μｍのピッチとを有するマイクロピラーを含む。第３流路１０３は、幅１００μｍ、深さ２００μｍである。第４流路１０４は、幅１００μｍ、深さ２００μｍである。毛細管ポンプ１０７は、２４μｍの直径と３０μｍのピッチとを有するマイクロピラーを備えたアレイを含む。アレイの寸法は、３ｍｍ×３ｍｍである。毛細管ポンプのマイクロピラーの下流には、直径１ｍｍの排水口がある。

本発明の第１態様の実施形態によると、第１および／または第２流路は、絞り（restriction）１１３、１１４を含む。このような絞りは、流路の一部であって、流路の残りの部分と比較して、より狭い。利点として、これらの絞りを正確に寸法決めし位置決めすることによって、共通合流点１０５に比べて、第３流路１０３および第４流路１０４への流体の流れおよびコーティング液の伝播が最小限に抑えられる。図６は、このような実施形態を示している。図６は、図１と同様の実施形態を示しているが、ここでは、第１流路１０１と第２流路１０２は、絞り１１３、１１４をそれぞれ特徴とする。

本発明の第１態様の実施形態によると、第３流路１０３は、流体サンプルを受け取るための入口１０８を備え、第２流路１０２は、流体サンプルを入口１０８の下流に排出するための出口１０９を含む。流体制御手段１１１は、共通合流点１０５と入口１０８との間の第３流路１０３の中に配置された第１流体構造１０７を含む。第１流体構造１０７は、コーティング液が第１流路１０１から第２流路１０２に伝播する場合に、コーティング液が出口１０９のみに伝播し、それによって共通合流点１０５をコーティングするとともに、第２流路１０２の内側表面を少なくとも部分的にコーティングするように構成される。言い換えれば、流体構造１０７は、流体が共通合流点１０５から入口１０８に向かって伝播するのを阻止するように構成される。したがって、流体構造１０７は、入口１０８に向かって共通合流点１０５から伝播する流体を阻止する一方向逆止弁として機能する。これにより、共通合流点１０５と第２流路１０２のみが、第１流路１０１内に設けられたコーティング液によってコーティングされる。図７は、このような実施形態を示している。

図７は、３つの流路１０１、１０２、１０３を含む流体デバイスを示している。３つの流路１０１、１０２、１０３は、共通合流点１０５で交差する。第３流路１０３は、第３流路１０３内に流体サンプルを提供するための入口１０８を有する。第２流路は、流体サンプルを排出するための出口１０９を有する。流体構造１０７は、入口１０８と共通合流点１０５との間の第３流路内に配置される。流体構造１０７は、流体が共通合流点１０５から入口１０８まで伝播するのを阻止するが、流体が入口１０８から共通合流点１０５に伝播することを許容する。したがって、流体構造１０７は、一方向の流体構造である。

本発明の第１態様の実施形態によると、流体構造１０７は、一方向性毛細管バルブである。一方向性毛細管バルブの実行は、第３流路１０３の内側表面の幾何形状の急激な変化であってもよい。幾何形状の急激な変化を含む内側表面に面する上壁は、疎水性であってもよい。代わりに、少なくとも一方向性毛細管バルブを含む流路は、開放されており、したがって、上壁またはカバーは存在しない。例えば、急激な変化は、第３流路１０３の内側表面の急激な高さの差であってもよい。このような急激な高さの差は、図７の断面Ａ−Ａ’を示す図８の断面図に示されている。

本発明の第１態様の実施形態によると、流体制御手段１１１は、流体サンプルが入口１０８から出口１０９まで伝播する際に第１流路１０１を密閉する手段を更に含み、流体サンプルが第１流路１０１に入り、流体サンプル中の検体が失われることを防いでもよい。このような手段は、例えばバルブであってもよい。本発明の特定の実施形態によると、第１流路１０１は、一方向性毛細管バルブを含む。この一方向性毛細管バルブは、第１流路１０１内に提供される流体（例えばコーティング液）が共通合流点１０５に伝播することができるように配置される。この一方向性毛細管バルブによって、入口１０８から出口１０９まで伝播する流体サンプルが、共通合流点１０５から第１流路１０１へと伝播することが阻止される。図９にこのような実施形態が示されている。

本発明の第２の態様によると、検出システムが提示される。検出システムは、流体サンプル中の検体を検出するために使用することができる。検出システムは、本発明の第１態様に提示されたような、またはその実施形態のいずれかによる、流体デバイス１００を含む。検出システムは、コーティングされ得る流体デバイス１００の内側表面に／内側表面の近くに配置されたセンサ１０６を更に含む。センサは、流体サンプル中の検体を検出することができる。センサ１０６は、バイオセンサ、例えば親和性に基づくセンサであってもよい。センサ１０６は、画像センサであってもよい。好ましくは、センサ１０６は、共通合流点１０５に配置される。センサ１０６は、流体デバイス１００の流路の内側表面の中に組み込まれてもよい。例えば、共通合流点１０５において、センサ１０６は、流体デバイス１００の内側表面の中に組み込まれ、それにより、第１ステップにおいて、センサ１０６の上面がコーティング液でコーティングされてもよい。第２ステップでは、流体サンプルをそのコーティングされた上面の上に流してもよく、コーティングされた上面に結合しまたは存在する検体の検出がセンサ１０６によって行われてもよい。代わりに、コーティングされた内側表面からの光（例えば蛍光信号）がセンサ１０６によって受け取られることができるように、センサ１０６が配置されてもよい。この目的のために、画像センサは、その検出側がデバイスのコーティングされた表面から発生する光信号にさらされるように配置されてもよい。センサ１０６は、光信号を受け取ることができるように、コーティングされた表面、例えば共通合流点に隣接して配置されてもよい。

本発明の利点は、流体デバイスの内側表面のどの領域がコーティング流体でコーティングされるかを正確に決定できることである。したがって、１つ以上のセンサが流体デバイス内に配置されるべき場所を正確に決定することができる。利点として、より正確な検出を行うことができる。閉じた流路を有するデバイスでは、これは非常に有利である。

図１０は、センサ１０６を含む本発明の実施形態を示している。図１０は、図１に示されたものと同様の実施形態を特徴とする。図１に加えて、このシステムは、共通合流点１０５に配置されたセンサ１０６を含む。図７および図９に示された実施形態では、第２流路１０２の内側表面は、第１流路１０１から第２流路１０２へ伝播するコーティング液でコーティングされる。したがって、センサ１０６は、共通合流点１０５におよび流路１０２の内側表面に配置されてもよい。

本発明の第３態様によると、流路の表面を部分的にまたは局所的にコーティングする方法が提示される。この方法は、第１ステップでは、共通合流点１０５で交差する第１流路１０１、第２流路１０２および第３流路１０３を有する流体デバイス１００を提供することを含む。第２ステップでは、コーティング液は、第１流路１０１から共通合流点１０５を経由して第２流路１０２へ伝播する。そうすることによって、少なくとも共通合流点１０５がコーティング液によってコーティングされる。言い換えれば、この共通合流点１０５を形成する流路の内側表面の領域がコーティングされる。コーティング液が伝播する間、共通合流点において流体流路が作られ、これによりコーティング液は第３流路１０３内に伝播しない。

本発明の第３態様の実施形態によると、流体デバイス１００は、共通合流点１０５において交差する第４流路１０４を更に含む。流体流路を作ることは、第３流路１０３および第４流路１０４の中に、共通合流点１０５に向かう内向きの流れを作ることを含む。内向きの流れを作ることは、共通合流点１０５に向かって緩衝液を流すことによって達成されてもよい。例えば、第３流路１０３および第４流路１０４の中に、共通合流点１０５に向かって、緩衝液を流す。

本発明の第３態様の他の実施形態によると、流体デバイス１００は、共通合流点１０５で交差する第４流路１０４を更に含み、流体流路を作るステップは、第１流路１０１の抵抗力と、第２流路１０２の抵抗力と、第２流路１０２内の圧力と、を適合させることを含む。

本発明の第３態様の実施形態によると、この方法は、コーティング液を伝播させるために使用される流路を密閉するステップを含んでもよい。

本発明の第４態様によると、流体サンプル中の検体を検出する方法が提示される。この方法は、第１ステップでは、本発明の第３態様に記載された方法またはその実施形態のいずれかに係る方法の全てのステップを実行することを含む。第２ステップでは、流体サンプルは、流体システムを通して第３流路１０３から伝播する。流体サンプルは、流体デバイスを通って伝播する間、共通合流点１０５上を流れ、コーティングされた共通合流点１０５の流体サンプル内の検体の検出が行われる。

本発明の第４態様に記載された方法は、本発明の第２態様に記載された検出システムまたはその実施形態のいずれかに係る検出システムを使用して実施されてもよい。

一態様では、本発明はまた、特定の領域（例えば検出領域）をコーティングするための、第１態様に記載された流体構造の使用に関する。

Claims (9)

1. 共通合流点（１０５）で交差する、第１流路（１０１）、第２流路（１０２）および第３流路（１０３）を含み、第１流路は、コーティング液容器に接続可能であり、第３流路は、サンプル流体容器に接続可能である、
   流路の内側表面を局所的にコーティングする流体デバイス（１００）であって、
   流体デバイス（１００）は、ポンプシステムを含み、
   ポンプシステムは、共通合流点（１０５）においてコーティング液のための流体流路を作るとともに、第３流路（１０３）内に、共通合流点に向かう内向きの流れを作るように構成され、
   これにより、コーティング時、コーティング液は、第１流路（１０１）から第２流路（１０２）に共通合流点（１０５）を経由して伝播し、第３流路（１０３）内には伝播しないことを特徴とする流体デバイス（１００）。
2. 共通合流点（１０５）で交差する第４流路（１０４）を更に含み、
   ポンプシステムは、共通合流点（１０５）にコーティング液のための流体流路を作るとともに、第３流路（１０３）内と第４流路（１０４）内に、共通合流点に向かう内向きの流れを作るように構成され、
   これにより、コーティング時、コーティング液は、第１流路（１０１）から第２流路（１０２）に共通合流点（１０５）を経由して伝播し、第３流路（１０３）内と第４流路（１０４）内には伝播しない、請求項１に記載の流体デバイス（１００）。
3. 共通合流点（１０５）で交差する、第１流路（１０１）、第２流路（１０２）および第３流路（１０３）を含み、第１流路は、コーティング液容器に接続可能であり、第３流路は、サンプル流体容器に接続可能である、
   流路の内側表面を局所的にコーティングする流体デバイス（１００）であって、
   流体デバイス（１００）は、第２流路（１０２）に連結された毛細管ポンプ（１０７）を含む毛細管システムを含み、
   毛細管システムは、共通合流点（１０５）においてコーティング液のための流体流路を作るように構成され、
   第１流路（１０１）および第２流路（１０２）の抵抗力と、毛細管ポンプおよび第３流路（１０３）内の毛細管圧力とは、コーティング液が第１流路（１０１）から共通合流点（１０５）を経由して第２流路（１０２）へ伝播する際に、コーティング液が第３流路（１０３）の中に流入しないように適合されたことを特徴とする流体デバイス（１００）。
4. 共通合流点（１０５）で交差する第４流路（１０４）を更に含み、
   第１流路（１０１）および第２流路（１０２）の抵抗力と、毛細管ポンプおよび第３流路（１０３）および第４流路（１０４）内の毛細管圧力とは、コーティング液が第１流路（１０１）から共通合流点（１０５）を経由して第２流路（１０２）へ伝播する際に、コーティング液が第３流路（１０３）または第４流路（１０４）の中に流入しないように適合された、請求項３に記載の流体デバイス（１００）。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の流体デバイス（１００）と、
   流体デバイスを通って伝播する流体サンプルの中の検体を検出するように配置されたセンサ（１０６）と、
   を含む、検体を検出する検出システム。
6. 共通合流点（１０５）で交差する、第１流路（１０１）、第２流路（１０２）、第３流路（１０３）およびポンプシステムを有する流体デバイス（１００）を提供するステップと、
   第１流路（１０１）から共通合流点（１０５）を経由して第２流路（１０２）まで、コーティング液を伝播させ、それによって、共通合流点（１０５）および第２流路（１０２）の少なくとも一部をコーティングするステップと、
   を含み、流路の表面を部分的にコーティングする方法であって、
   ポンプシステムは、共通合流点（１０５）にコーティング液のための流体流路を作るとともに、コーティング液を伝播させている間、コーティング液が第３流路（１０３）内に伝播しないように、第３流路（１０３）内に、共通合流点に向かう内向きの流れを作ることを特徴とする方法。
7. 流体デバイス（１００）は、共通合流点（１０５）で交差する第４流路（１０４）を更に含み、
   流体流路を作るステップは、第３流路（１０３）内と第４流路（１０４）内に、共通合流点（１０５）に向かう内向きの流れを作ることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 流体流路を作るステップは、第１流路（１０１）の抵抗力と、第２流路（１０２）の抵抗力と、第２流路（１０２）内の圧力と、を適合させることを含む、請求項６に記載の方法。
9. 請求項６〜８のいずれかに記載の方法の全てのステップを実行するステップと、その後、
   第１流路と、選択的に第２流路とを密閉するステップと、
   第３流路から流体デバイス（１００）を通してサンプル流体を伝播させるステップと、
   少なくともコーティングされた共通合流点（１０５）において、検体の検出を実行するステップと、
   を含む、流体サンプル内の検体を検出する方法。

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