JP7171739B2 - マイクロ流体デバイスおよび該マイクロ流体デバイスを運転する方法 - Google Patents

Description

先行技術
マイクロ流体システムは、小さな試料量の分析を高感度で可能にする。方法の自動化、小型化および並列化は、手動のステップの減少を可能にし、したがって、エラーを回避することに貢献することができる。さらにマイクロ流体システムの小型化は、実験室プロセスを直接に試料において実施することを可能にするので、一般的な実験室環境は必要とされない。その代わりに、プロセスは流体チップに限定することができる。したがって、マイクロ流体の使用は、「Lab-on-chip」と呼ぶこともできる。マイクロ流体のこの使用分野は、「Point-of-care（PoC）」とも呼ばれる。

マイクロ流体システムにおける１つの課題は、特に、マイクロ流体環境内へのマクロ的な試料の移送である。

発明の開示
本明細書では、マイクロ流体デバイスを運転する特に有利な方法ならびにこの方法のためのマイクロ流体デバイスが提案される。従属請求項は、方法の特に有利な変化形を記載している。

記載された方法により、特にマイクロ流体的に制限されたサンプル溶液を、マイクロ流体チャンバシステムおよびマイクロ流体チャンネルシステムを備えたマイクロ流体デバイス内で損失なしに動かすことができる。特に、記載された方法により、制限されたサンプル（たとえば少ない細胞の細胞ライセート、ｃｆＤＮＡ材料、サイトカイン濃度）を試料送入チャンバから検出法（たとえばＰＣＲ）を実施するためのチャンバ内に気泡なしにかつ損失なしに移送することができる。

試料供給により、希少な材料（たとえばセルフリーＤＮＡ、循環がん細胞、分泌サイトカイン、少ない細胞のライセート）をマイクロ流体デバイスの小さな容積内で濃縮することができ、したがって高い濃度で提供することができる。この試料送入チャンバは、記載された方法では、マイクロ流体デバイスの、評価および／または別の処理も実施される箇所と同一の箇所である必要はない。その代わりに試料は、記載された方法によりマイクロ流体デバイス内で搬送することができる。このような搬送は、先行技術では、しばしば水溶液内で層状の流れにより生じる。しかしこのことは、材料がチャンネル壁に堆積するか、またはより多い液体または拡散により希釈されるということにつながる。さらに、外界に対する接触面により、かつ／またはチャンバの予備湿潤のための可能性がないことにより、空気がシステム内に達してしまい、このことは続くプロセスにとって妨害となる気泡をもたらしてしまう。

「マイクロ流体」という概念は、本明細書では特に、マイクロ流体デバイスの大きさに関する。マイクロ流体デバイスは、当該マイクロ流体デバイス内に配置された複数の流体チャンネルおよびチャンバが、概してマイクロ技術に割り当てられる物理現象に関連することを特徴とする。この物理現象には、たとえば毛細管効果、流体の表面張力に関連する効果（特に機械的な効果）がある。さらには、テルモフォールおよびエレクトロフォールのような効果がある。これらの現象は、マイクロフルイディクスにおいて、重力のような効果に対して通常は優勢である。マイクロ流体デバイスは、当該マイクロ流体デバイスが、少なくとも部分的に層状の方法により製造されていて、層構造の複数の層の間にチャンネルが配置されていることを特徴としていてもよい。「マイクロ流体」という概念は、デバイス内の、流体をガイドするために働く横断面を介して特徴付けることもできる。通常は、横断面は、たとえば１００μｍ（マイクロメートル）×１００μｍ～８００μｍ×８００μｍの範囲である。これよりも著しく小さな横断面、たとえば１μｍ～２０μｍ（マイクロメートル）の範囲、特に３μｍ～１０μｍの範囲も可能である。

マイクロ流体デバイスは、特にいわゆる「Lab on a chip」もしくは「Point-of-care(PoC)」であってもよい。このような「Lab on a chip」は、生化学プロセスを実施するために規定されかつ調整されている。つまり、マクロ的な実験室の機能性がプラスチック基板内に統合される。マイクロ流体デバイスは、たとえばチャンネル、反応チャンバ、提供された試薬、弁、ポンプおよび／またはアクチュエータユニット、検出ユニットおよび制御ユニットを有していてもよい。マイクロ流体デバイスは、生化学プロセスを全自動で処理することを可能にすることができる。これにより、たとえば液状の試料におけるテストを実施することができる。このようなテストは、たとえば医学において使用することができる。マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体カートリッジとも呼ぶことができる。特にマイクロ流体デバイス内への試料の送入により、マイクロ流体デバイス内で生化学プロセスを実施することができる。試料を、生化学的な反応を引き起こし、加速し、かつ／または可能にする添加物質と混合することもできる。

記載された方法により、特に第１の媒体をマイクロ流体デバイスの第１の箇所からマイクロ流体デバイスの第２の箇所へと搬送することができる。

記載された方法のステップａ）において、少なくとも１つの第１の媒体がマイクロ流体デバイスの第１の箇所において提供される。

第１の媒体は、好適には液体であり、特に水溶液である。特に第１の媒体は、検査すべき試料であってもよい。

「提供」とは、本明細書では特に少なくとも１つの第１の媒体がマイクロ流体デバイスの第１の箇所に、たとえば少なくとも１つの第１の媒体を開口を通じてマイクロ流体デバイス内に注入することにより、もたらすことであると理解することができる。「提供」は、たとえば、マイクロ流体デバイスが、少なくとも１つの第１の媒体を記載された方法の開始前に既に含んでいることも含む。したがって、たとえば少なくとも１つの媒体が既に１つのチャンバ内に予め貯蔵されているマイクロ流体デバイスを供給事業者から受け取ることができる。少なくとも１つの媒体が、ステップａ）において、複数の物質の混合により得られ、その限りで提供されることも可能である。したがって、たとえば１つの溶媒がマイクロ流体デバイス内に予め貯蔵されていてもよい。試料がマイクロ流体デバイス内に加えられると、試料は溶媒と混合され得る。溶媒における試料の溶解が第１の媒体であってもよい。

記載された方法のステップｂ）において、少なくとも１つの媒体が、マイクロ流体デバイスの第１の箇所から第２の箇所へと搬送される。少なくとも１つの第１の媒体は、少なくとも１つの第１の媒体が少なくとも１つの第２の媒体およびマイクロ流体デバイスの流体規制部のみに接するか、または少なくとも１つの第２の媒体のみに接するように、少なくとも１つの第２の媒体により取り囲まれている。少なくとも１つの第１の媒体と、少なくとも１つの第２の媒体とは、互いに混合不能である。

ステップｂ）において、マイクロ流体デバイスによる第１の媒体の搬送が行われる。その際に、少なくとも１つの第１の媒体を、特に良好に保護することができる。特にこのためには、少なくとも１つの第１の媒体は、好適には少なくとも１つの第１の媒体が少なくとも１つの第２の媒体のみに、かつ任意には付加的にマイクロ流体デバイスの流体規制部にのみ接するように、少なくとも１つの第２の媒体により取り囲まれている。

流体規制部として、本明細書では特にマイクロ流体デバイスの、たとえばマイクロ流体デバイスのチャンネルまたはチャンバを画定する各壁部が考慮される。少なくとも１つの第１の媒体および少なくとも１つの第２の媒体のような媒体は、マイクロ流体デバイス内で特に流体規制部の内部に存在し、かつ移動することができる。流体規制部は、制限すべき流体に面した側において特にガラスおよび／またはプラスチックのような材料を有していてもよい。

少なくとも１つの第１の媒体は、ステップｂ）において特に別の物質と接触を防止されていてもよい。これは、少なくとも１つの第１の媒体が、当該少なくとも１つの第１の媒体が流体規制部に接触していない限り、少なくとも１つの第２の媒体にしか接触していないことにより達成することができる。少なくとも１つの第１の媒体と少なくとも１つの第２の媒体とが互いに混合不能であることにより、少なくとも１つの第１の媒体を、第２の媒体との接触による変化なしに搬送することができる。少なくとも１つの第２の媒体は、特に少なくとも１つの第１の媒体を搬送するための補助手段と解釈することができる。搬送後に、少なくとも１つの第１の媒体と少なくとも１つの第２の媒体とは互いに分離することができる。

少なくとも１つの第２の媒体は、好適には油である。少なくとも１つの第２の媒体が有機物質であっても好適である。特に、少なくとも１つの第１の媒体が極性であり、少なくとも１つの第２の媒体は非極性であると好適である。これはたとえば水が第１の媒体、油が第２の媒体である場合である。水溶液として、Ｔｗｅｅｎ、Ｔｒｉｔｏｎ－Ｘ、ＢＳＡおよび／またはカルシウムのような古典的な特性（Attribute）と混合された水を第１の媒体のために使用することができる。可能な第２の媒体として、特に不活性の鉱物油、シリコンオイルおよび／またはフッ化オイルを使用することができる。界面活性剤の使用は、好適には省略される。

記載された方法では、特に（少なくとも１つの第１の媒体としての）水相の規定された体積を（少なくとも１つの第２の媒体としての）油相内に封入することができ、制御して移動させることができる。たとえば、水相内にある分析物は限られた小さな量で存在することができ、損失なしかつ希釈なしにマイクロ流体デバイス内で処理することができる。

少なくとも１つの第２の媒体（特に有機相）の使用により、少なくとも１つの第１の媒体（特に水体積）を、たとえば限られた分析物が少なくとも１つの第１の媒体内で堆積または拡散により希釈されないように、封入することができる。したがって、特に（第１の媒体としての）限られた試料材料の損失のない搬送が可能である。したがって、たとえば局所的にマイクロ流体的に小さな体積で形成された、少ない細胞からのライセートを、生化学的に処理するために、送入チャンバからマイクロ流体デバイスの別の箇所に搬送することができる。

ＤＮＡ、蛋白質および／または個別の細胞のような限られた材料の損失のない搬送は、たとえばヒータまたは光学ユニットが試料送入部とは別の箇所に設けられているマイクロ流体プロセスユニットのデザインを可能にすることができる。これは、マイクロ流体デバイスの特別なユニバーサルデザインを可能にすることができる。

さらに、少なくとも１つの第２の媒体でマイクロ流体デバイスを最初に充填することにより、流体規制部（つまりチャンネル壁および／またはチャンバ壁）の湿潤を行うことができる。その際に第２の媒体の薄い層が流体規制部に堆積することができる。この薄い層は、たとえば流体規制部の材料としてポリカーボネートが使用されている場合に、ＤＮＡがこのポリカーボネートに（もしくは第２の媒体から成る層に）結合されないという利点を有していてもよい。これは、少なくとも１つの第１の媒体内のＤＮＡの損失のない搬送に寄与する。

マイクロ流体デバイスは、好適には、Point-of-careの形式で診断を可能にする逆流防止システムを含んでいる。マイクロ流体デバイスの構成要素は、ポリカーボネート射出成形部材内に製造することができる。

方法の好適な実施形態では、ステップａ）において、少なくとも１つの第１の媒体の所定の体積がマイクロ流体デバイスのチャンバ内に提供される。チャンバは、少なくとも１つの接続部を有していて、チャンバの外側で少なくとも１つの接続部の周囲を少なくとも１つの第２の媒体が流れることにより、少なくとも１つの第１の媒体の所定の体積がチャンバ内で分離されかつ測量される。

少なくとも１つの第１の媒体は、特に分析すべき試料であってもよい。これは、特に、たとえば分析のために少なくとも１つの第１の媒体の正確に規定された量（特に正確に規定された体積）を使用する場合に、有利であり得る。少なくとも１つの第１の媒体のこのような正確に規定された量を得るために、少なくとも１つの第１の媒体の所望の量を、この実施形態により分離しかつ測量することができる。したがって、特にこの実施形態で考察されるマイクロ流体デバイスのチャンバには、特に少なくとも１つの接続部を介して少なくとも１つの第１の媒体を充填することができる。チャンバに完全に第１の媒体が充填されると、少なくとも１つの媒体の体積は（有利には既知である）チャンバの容積に一致する。しかし、チャンバ内の容積と、特に少なくとも１つの接続部の領域におけるチャンバの外側との間を区切ることは困難である。なぜならば、チャンバの境界線が正確にはどこで少なくとも１つの接続部を通って延びているかは明瞭ではないからである。この実施形態では、この境界線は、少なくとも１つの第２の媒体により決定することができる。好適には、少なくとも１つの接続部は、（たとえば流れ速度のような好適には規定されたパラメータを備える）少なくとも１つの第２の媒体の流れが再現可能な形式で少なくとも１つの接続部の周囲を流れるように、形成されている。このような再現可能な周流では、特に少なくとも１つの接続部の領域に位置する、少なくとも１つの第１の媒体と少なくとも１つの第２の媒体との間の境界面が生じる。この境界線により、チャンバの容積を明確に規定することができる。

方法の別の好適な実施形態では、複数の第１の媒体がステップａ）において提供される。複数の第１の媒体はステップｂ）により、複数の第１の媒体がマイクロ流体デバイスの１つのチャンバ内で混合されるように、搬送される。

特に、複数の第１の媒体は、分析すべき物質の成分であってもよい。複数の第１の媒体は、たとえば、分析が実施されるまで互いに分離されたままであってもよい。したがって、たとえば複数の第１の媒体間の反応を、分析の実施まで阻止することができる。

（少なくとも１つの第１の媒体と少なくとも１つの第２の媒体とが使用される）２相技術は、特に、制限された（複数の第１の媒体としての）２つのサンプル体積または流体とを混合するために使用することができる。第１の媒体の好適には水性である両方の体積を、損失なしにチャンバへとガイドすることができ、チャンバ内で拡散により混合することができる。このような混合は、混合すべき体積が十分に小さい場合に、特に十分に迅速に行うことができる。

方法の別の好適な実施形態では、少なくとも１つの第１の媒体の少なくとも一部および／または少なくとも１つの第２の媒体の少なくとも一部が、ステップｂ）において少なくとも一時的に蠕動運動ポンプにより搬送される。

蠕動運動ポンプとは、本明細書では、液体を蠕動運動により送るポンプであると理解することができる。典型的なペリスタルティックポンプは、チューブポンプであり、蠕動型チューブポンプとも呼ばれる。ペリスタルティックポンプは、送るべき媒体を外的な機械的な変形によりチャンネルを通して押し通す押退けポンプである。マイクロ流体ペリスタルティックポンプは、複数の弁により構成されていてもよい。頻繁に使用されるマイクロ流体弁は、電気的な力または磁気的な力の結果としてのチャンネル壁の動きにより閉じることができるチャンネルを含んでいる。このような弁は、チャンネルの（内側の）容積変化を引き起こす。このような弁が直列にチャンネルに沿って配置されている場合、弁の適切な駆動により、液体の圧送を引き起こすチャンネルの蠕動運動が生じることを達成することができる。弁の開閉により、チャンネルの容積変化が生じる。この容積変化によりマイクロ流体デバイスのチャンネルを通った媒体の搬送が行われる。蠕動運動ポンプは、このために、弁の他の（別の）圧送エレメント（たとえば機械的または電気的に作動するポンプチャンバ）を必要としないという利点を有している。複数の弁が設けられていれば十分である。蠕動運動ポンプのために、弁が自動的に圧送のために適切な順序で駆動される（自動的な）弁切替えの可能性が生じると有利である。

オンチップポンプ（on-chip Pumpen）と固定的なチャンネル幾何学形状との組み合わせにより、容積の動的な調節を可能にすることができる。これは特に、（少なくとも１つの第１の媒体および少なくとも１つの第２の媒体を含む）２相システムにおいて特に良好に可能である。これに対して例えば単に１つの水相（つまりたとえば単に少なくとも１つの第１の媒体）が設けられている場合、容積はチャンバの固定的な幾何学形状により規定されるだろう。これに対して２相システムでは、チャンバ幾何学形状が、可能な容積の上限のみを形成する。水相と油相とは混合しないので、不活性の油が水相により必要とされない容積を補償することができる。これは、マイクロ流体デバイス内の付加的に動的な要素および容積の調整を可能にする。

別の好適な実施形態では、方法が、ステップｂ）の前に、ステップｂ）の間に、またはステップｂ）の後に実施される、
ｃ）少なくとも１つの気体封入物を除去する、
方法ステップを少なくともさらに有していてもよい。

気体封入物は、特に気泡の形でマイクロ流体デバイス内に存在することがある。気体封入物は、特にこの気体封入物により容積が不正確にしか特定することができず、かつ／または気体と、特に少なくとも１つの第１の媒体との間の反応が生じ得るので不都合であり得る。本実施形態では、気体封入物を除去することができる。気体は、特に空気であってもよい。気体は、化学反応からの産物であってもよい。

少なくとも１つの気体封入物は、特に媒体の搬送により除去することができる。したがって、特に少なくとも１つの気体封入物を取り囲む媒体を、マイクロ流体デバイスを通って、少なくとも１つの気体封入物が、（重力方向とは反対方向に）上方に向けられた、気体が漏れ出るための流路に少なくとも１つの気体封入物がアクセス可能である、マイクロ流体デバイスの１つの箇所に到達するように、移動させることができる。

少なくとも１つの気体封入物は、特に、気体がマイクロ流体デバイスから出るようにガイドされるか、または気体が少なくともマイクロ流体デバイスの一部からマイクロ流体デバイスの別の部分にガイドされるという点において、除去することができる。気体は、後者の部分においてあまり有害ではないか、または邪魔にならない。

しかし、少なくとも１つの気体封入物は、少なくとも１つの第１の媒体内に溶解している気体（つまり通常の条件下では気体状に存在している物質）が、少なくとも１つの第１の媒体から除去されることにより除去することもできる。したがって、（少なくとも１つの第１の媒体および少なくとも１つの第２の媒体を含む）２相システムは、マイクロ流体デバイスの脱気を特に良好に可能にする。なぜならば、（好適には少なくとも１つの第２の媒体として使用される）大量の油は、（好適には少なくとも１つの第１の媒体の主な成分として使用される）水よりも高い気体可溶性を有しているからである。したがって、水のなかに溶解した気体が、気相に移行し、次いで再び油内に溶解することを達成することができる。その限りでは、気体封入物は、準相抽出（Quasiphasenextraktion）によっても除去することができる。

少なくとも１つの気体封入物の除去は、少なくともステップｃ）の一部の間、少なくとも１つの気体封入物が除去される区分の面が水平面に対して傾斜されているように、方向付けされている方法の好適な実施形態において達成することができる。

好適には、マイクロ流体デバイスは、ステップｃ）の間中、少なくとも１つの気体封入物が除去される区分の面が水平面に対して傾斜されているように、方向付けされている。好適には、マイクロ流体デバイスは、少なくとも１つの気体封入物が除去される区分の面が水平面に対して２０°～４５°の範囲の角度、特に３０°の角度だけ傾斜されているように、方向付けされている。

マイクロ流体デバイスの傾斜より、少なくとも１つの気体封入物からの気体が上方に向かって（つまり重力方向とは反対方向に）漏れ出ることができることを達成することができる。

方法の別の好適な実施形態では、ステップｃ）において、少なくとも１つの気体封入物が封入されている流体の温度が変更される。

温度変更により、流体内への気体の可溶性を減じることができるので、気体は気体封入物からより容易に漏れ出ることができる。

方法の別の好適な実施形態では、少なくとも１つの気体封入物が、ステップｃ）において、少なくとも１つの第１の媒体および／または少なくとも１つの第２の媒体の搬送により除去される。

少なくとも１つの気体封入物を除去するための少なくとも１つの第１の媒体および／または少なくとも１つの第２の媒体の使用は、特に、少なくとも１つの第１の媒体および／または少なくとも１つの第２の媒体がいずれにせよマイクロ流体デバイス内に存在している、もしくはこれらの媒体が記載された方法によりいずれにせよ移動されるという点で有利であり得る。

方法の別の有利な実施形態では、シャトルポリメラーゼ連鎖反応（シャトルＰＣＲ）が実施される。少なくとも１つの第１の媒体は、シャトルポリメラーゼ連鎖反応の反応媒体である。

ＰＣＲは、酵素、つまりＤＮＡポリメラーゼが使用されるＤＮＡを複製するための方法である。ＰＣＲは、特に反応媒体の温度変化のもとで行うことができる。シャトルＰＣＲでは、この温度は、反応媒体が種々異なる温度を有する複数の箇所の間（特に種々異なる温度を有するチャンバ間）で搬送されることにより、変更される。したがって、温度変更を特に迅速に行うことができる。

記載された方法では、特に、シャトルＰＣＲを定義して、気泡なしに、かつ損失なしに実施することができるという利点を得ることができる。これに対して、１相システムでは、反応媒体の残りがチャンネル内に残る、かつ／または空気が反応チャンバ内に到達してしまう恐れが生じるだろう。

別の態様として、記載された方法を実施するために規定されかつ調整されているマイクロ流体デバイスが提案される。

方法の上述の特別な利点および構成の特徴は、上記のマイクロ流体デバイスにも使用可能かつ転用可能である。

本発明の別の特徴および本発明を制限するものではない実施例を図面につきより詳細に説明する。

ａ～ｄは、第１の媒体および第２の媒体を備えたマイクロ流体デバイスを示す４つの概略図である。 ａ～ｃは、第１の媒体の体積が分離され測量される、連続する３つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｅは、第１の媒体が形成され、第１の媒体の体積が分離され、測量されかつ搬出される、連続する５つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｅは、第１の媒体が２つの部分体積に分離され、測量されかつ搬出される、連続する５つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 チャンバが部分的に第１の媒体で満たされているマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｆは、２つの第１の媒体が互いに混合される、連続する６つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｆは、複数の弁を備えたマイクロ流体デバイスを示す概略図であり、これらの弁は、蠕動運動式の圧送のために連続する６つの時点で種々異なって切り替えられている。 ａおよびｂは、蠕動運動式の圧送のための２つの概略図である。 ａ～ｄは、蠕動運動式の圧送が実施される、連続する４つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｄは、気体封入物が除去される、連続する４つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 傾斜して配向されているマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｃは、気体封入物が除去される、連続する３つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 ａ～ｄは、シャトルＰＣＲが実施される、連続する４つの時点でマイクロ流体デバイスを示す概略図である。 上記図面に示した複数の実施例のうちの１つの実施例によるマイクロ流体デバイスを運転する方法を示す概略図である。

図１ａ～図１ｄには、マイクロ流体デバイス１内で第１の媒体２としての液相を第２の媒体３としての２つの油相の間にどのように封入することができるかが示される。第１の媒体２は、特に規定された体積で供給することができる。第１の媒体２の体積は、マイクロ流体デバイス１の正確に製造可能な固定的な幾何学形状により決定することができる。したがってこの形で、特に第１の媒体２が分析物である場合に、第１の媒体２の規定された濃度も提供することができる。

第１の媒体２内の分析物が拡散によって希釈されることなしに第１の媒体２の体積を動かすために、第１の媒体２は、（ここでは２つの油相により示される）第２の媒体３の間に封入される。油と水は混ざらないので、拡散による第１の媒体２の希釈は行われない。このことは、第１のチャンネル５を通る、または第１のチャンバ４からの第１の媒体２の規定された体積の損失のないマイクロ流体的な搬送を可能にする。第１のチャンバ４は、第１の接続部２５を介して第１のチャンネル５に接続され、第２の接続部２６を介して第２のチャンネル６に接続されている。第１の媒体２と第２の媒体３とは、流体規制部２４により取り囲まれている。

特に、第１の媒体２は、第１のチャンバ４内に供給されていてもよく（図１ａ）、第１の接続部２５を通ってこの第１のチャンバ４から第１のチャンネル５内に搬送することができる（図１ｂ）。第１のチャンネル５の続く経過において、第１の媒体２は、第２の媒体３の間に封入されていてもよい（図１ｃ）。図１ｄには、第１の媒体２がマイクロ流体デバイス１の第１のチャンバ４内に封入されている別の状況が示されている。

図２ａ～図２ｃおよび図３ａ～図３ｅは、第１の媒体２としての水相の規定された体積を、第２の媒体３としての不活性な２つの油相の間にもたらすことができるマイクロ流体デバイスの２つの構成を示している。

図２ａ～図２ｃに示した実施形態では、既知の容積を有する第１のチャンバ４が、第１のチャンネル５と、この第１のチャンネル５に対して平行な第２のチャンネル６との間に配置されている。第１のチャンバ４は、第１の接続部２５を介して第１のチャンネル５に接続されていて、第２の接続部２６を介して第２のチャンネル６に接続されている。（たとえば弁または圧力補償システムの使用による）適切な流体制御により、種々異なる方向かつ種々異なるチャンネル構成要素内への流れを（たとえば単にチャンネル５，６内への流れとして、または第２のチャンネル６から第１のチャンバ４を通じた第１のチャンネル５内への流れとして）形成することができる。第１のステップでは、当初は第２の媒体３で満たされた第１のチャンバ４（図２ａ）が第１の媒体２としての水相により貫流され、流れが停止されるので、第１のチャンバ４は完全に第１の媒体２で満たされている（図２ｂ）。隣接するチャンネル５，６は、次いで第２の媒体３としての油でフラッシングされるが、第１のチャンバ４はフラッシングされないので、第１のチャンバ４は、油で満たされた２つのチャンネル５，６により取り囲まれている（図２ｃ）。いま、第２のチャンネル６から第１のチャンバ４を通じて第１のチャンネル５へ流れる流れを形成することができる。この場合に、３つの相（つまり第２のチャンネル６内の第２の媒体３、第１のチャンバ４内の第１の媒体２および第１のチャンネル５内の第２の媒体３）は、混合することはなしに層状に動く。

図３ａ～図３ｅに示した第２の実施形態では、第１のチャンバ４は、単に（第１の接続部２５を介して）第１のチャンネル５のみに接しており、図２ａ～図２ｃに示した第１の実施例におけるように第１のチャンネル５および第２のチャンネル６に接しているのではない。第１のチャンバ４の一部は、開いているか、または（図示されているように）気体透過性の膜７によってマイクロ流体デバイス１の周囲から分離されているので、第１のチャンバ４と、周囲との間で空気を交換することができ、かつ/または圧力を補償することができる。気体透過性の膜７は、特に試料の単に小さな量をマイクロ流体デバイス内にもたらす用途のために、特に試料送入領域として使用することができる。

図３ａには、さらに、第１のチャンバ４内に（たとえば固体またはLyobeadとしての）試料８が存在していることを示している。試料８を溶解し、かつ／または第１のチャンバ４を満たすために、第１のチャンネル５がまず第２の媒体３としての油で満たされ、これによりシステム全体を脱気することができる。次いで第１のチャンバ４が、第１の媒体２としての液相で満たされる（図３ｂ）。チャンバが完全に満たされると、第１のチャンネル５には再び第２の媒体３としての油が通流させられ、したがって第１のチャンバ４は、完全に閉じられる（図３ｃ）。次いで、第１のチャンバ４が空になる（図３ｅ）まで第１のチャンバ４が第１のチャンネル５を介して汲み出される（図３ｄ）ことにより、第１の媒体２を再び第２の媒体３としての油相の間に封入することができる。

図４ａ～図４ｅには、マイクロ流体デバイス１の別の実施例が示されている。このマイクロ流体デバイス１により、第１の媒体２としての水相の規定された体積を、第２の媒体３としての不活性の２つの油相の間にもたらすことができる。図２ａ～図２ｃに示した実施例とは異なり、この図４に示した実施例では、第１の媒体２の２つの部分体積が相前後して第１のチャンバ４から取り出される。図４ａに示した送出点は、図２ｃに示した図面に十分に一致する。第２のチャンネル６から第１のチャンネル５内への第２の媒体３の流れにより、第１の媒体２の一部が第１のチャンバ４から取り出される（図４ｂ）。次いで、第１のチャンネル５は再び第２の媒体３により通流される（図４ｃ）。その後に、第１の媒体２の残りの部分が第１のチャンバ４から取り出される（図４ｄ）。図４ｅにおいて確認することができるように、第１の媒体２は第１のチャンネル５の続く経過において２つの部分で存在している。これらの部分はそれぞれ第２の媒体３により封入されている。したがって、図４ａ～図４ｅは、（第１の媒体２および第２の媒体３を備えた）２相システムも、マイクロ流体チャンバを単に部分的に気泡なしに（第１の媒体２としての）水相で満たすために、利用することができることを示す。チャンバの残りの容積は、対応して（第２の媒体３としての）不活性の油相で補償することができる。これは、反応容積の動的な適合を可能にすることができる。

図５には、図４ａ～図４ｅに示した実施例に基づく状態が示されている。この状態では、第１のチャンバ４は、部分的に第１の媒体２で満たされていて、部分的に第２の媒体３で満たされている。

図６ａ～図６ｆは、（第１の媒体２および別の第１の媒体９としての）２つの水相流体が混合される、マイクロ流体デバイス１の実施例が示されている。第１の媒体２は、規定された容積を有する第１のチャンバ４の半分を満たす（図６ａ）。第１のチャンバ４は、第１の接続部２５を介して第１のチャンネル５に接続し、第２の接続部２６を介して第２のチャンネル６に接続している。次いで、供給する第１のチャンネル５は、第２の媒体３としての油で再び完全に満たされる（図６ｂおよび図６ｃ）。次いで、第１のチャンネル５は、別の第１の媒体９で満たされる（図６ｄ）。次いで、別の第１の媒体９で、第１のチャンバ４が（好適には緩慢に）充填されるので、第１のチャンバ４全体は両方の第１の媒体２，９で正しい比率で満たされている。第１のチャンネル５は、次いで再び第２の媒体３で満たされるので、両第１の媒体２，９は、第１のチャンバ４内で再びチャンネル５，６内の第２の媒体３により取り囲まれている（図６ｅ）。特に、それぞれの体積が小さい場合に、両方の第１の媒体２，９は拡散によって第１のチャンバ４内で迅速に混合することができる。結果は、図６ｆに示されている。図６ｆでは、第１のチャンバ４内に両方の第１の媒体２，９から成る混合物１０が存在している。混合プロセスは、温度変更により加速することができる。所望される限り、混合時には、（生）化学反応も実施することができる。規定された圧送プロセスと、規定されたチャンバ幾何学形状との組み合わせは、第１の媒体２，９間の種々異なる比率を有する混合を可能にすることができる。

図７ａ～図７ｆには、マイクロ流体デバイスの線形または循環式のチャンネルシステム内で流体を複数の弁によって制御された速度でどのように動かすことができるかが示されている。マイクロ流体デバイス内の弁は、マイクロ流路を開閉するために利用することができるだけではなく、蠕動運動式ポンプとしても使用することができる。（線形または循環式であってもよく、図７では線形の第１のチャンネル５として示されている）所望のマイクロ流路に沿って、複数の弁が、その逐次の開閉により蠕動運動式ポンプを形成する。図７ａ～図７ｆは、相並んで位置する３つの弁１１，１２，１３の例において原理を示している。丸は、開いた弁を示唆しているのに対して、×印は、閉じた弁を示している。弁ステータスは、たとえば、「１」が開放、「０」が閉鎖を示すことにより、デジタル式に図示することもできる。１００（図７ｅ）、１１０図（図７ｄ）、０１０（図７ｃ）、０１１（図７ｂ）、００１（図７ａ）、１０１（図７ｆ）の弁ステータス順序は、示された図面において左側から右側に向かう動きｆを形成する。００１（図７ａ）、０１１（図７ｂ）、０１０（図７ｃ）、１１０（図７ｄ）、１００（図７ｅ）、１０１（図７ｆ）は、右側から左側に向かういわば層流の流れを形成する。

さらに図８ａおよび図８ｂには、弁１１，１２，１３が、相並んで配置されている必要はなく、第１のチャンネル５に沿って任意に配置されていてもよいことを示している。このことは、特殊なポンプ弁を配置する必要がなく、いずれにせよ存在する弁１１，１２，１３を使用することができるという利点を有している。流速は、連続する弁位置の間の休止の期間による規定された間隔で調節することができる。

図９ａ～図９ｄには、図２ａ～図２ｃに示した実施形態を、蠕動運動ポンプによって（第１のチャンバ４、第２のチャンバ１４および第３のチャンバ１５を含む）マルチチャンバシステム（Ｍｅｈｒｋａｍｍｅｒｓｙｓｔｅｍ）内でどのように実現することができるかが示されている。第１のステップでは、マイクロ流体デバイス１が、第２の媒体３としての油相で完全に満たされる（図９ａ）。これは、必ずしも蠕動運動ポンプにより行う必要はない。マイクロ流体デバイス１が満たされると、チャンバ４，１４，１５と、第１のチャンネル５との間の第５の弁１８および第６の弁１９が閉じられる（図９ｂ）。次いで、チャンバ４，１４，１５に対して側方に配置されたチャンネル５は、少なくとも部分的に第１の媒体２で満たされる。この状態が達成されると、チャンバ４，１４，１５に対する第５の弁１８および第６の弁１９が開かれ、第１のチャンバ４が第１の媒体２で完全に満たされるまで、弁１１，１２，１３により蠕動的に圧送が行われる（図９ｃおよび図９ｄ）。ポンプは、光学的なフィードバックシステムに連結されていてもよく、完全な充填時に自動的に停止することができる。代替的には、チャンバ容積を有する挟み込まれた水プラグを、第１のチャンバ４内に導入することができる。第１のチャンバ４が完全に満たされると、第１のチャンバ４に対する第５の弁１８が閉じられ、第１のチャンネル５は、（第４の弁１７の開放により）再び完全に第２の媒体３で洗浄されるので、第１の媒体２だけが第１のチャンバ４内に残っている（図９ｄ）。

図１０ａ～図１０ｄには、（第１の媒体２と第２の媒体３とを備えた）２相システムを、第１の媒体２内の気体封入物１６を除去するためにどのように使用することができるかを示している。邪魔な気泡のような気体封入物１６は、この構造では、温度勾配により除去される。このためには、３つのマイクロ流体チャンバ４，１４，１５が相前後して配置されていて、それぞれ小さなチャンネルにより互いに接続されている。３つのチャンバ４，１４，１５はそれぞれ、個別に加熱可能である。その際に第１のチャンバ４は最も高い温度に調節され、第２のチャンバ１４および第３のチャンバ１５はより低い温度に調節される。加熱された気体封入物１６は、第１の媒体２からより冷たい第２の媒体３へと移動する。（示されたような）チャンバ幾何学形状に沿ってさらに重力が作用すると、気体封入物１６は、より小さい密度に基づいて完全に上方へと上昇する。したがって、第１の媒体２が第１のチャンバ４内に存在し、第２のチャンバ１４および第３のチャンバ１５が第２の媒体３で満たされている流体システムが形成される。第３のチャンバ１５内には、気相を形成することができる。次いで第２の媒体３における温度をもう一度上昇させることができ、これにより、気体が完全に上方に定着することを確実にすることができる。この相システムは、それぞれ１つのチャンバだけ移動させることもでき、その際に第１の媒体２はたとえば第２のチャンバ１４内に位置し、気泡のない第２の媒体３は、第３のチャンバ１５内に位置する。次いで気泡を含む第１のチャンバ４は、次いでチャンバシステムから分離される。第１のチャンバ４は、閉じることができるか、第２の媒体３で後から満たすことができる。

図１１は、マイクロ流体デバイス１の勾配および図１０ａ～図１０ｄに示した気体封入物１６を除去するための熱的に互いに異なる領域をどのように利用することができるかを示している。重力は、完全に作用する必要はない。その代わりに、（たとえば３０°の）勾配も可能である。図１１には、水平面２１と、図１０ａ～図１０ｄに示したマイクロ流体デバイス１の１つの面２３と水平面２１との間の角度２２とが示されている。図１０ａ～図１０ｄに示された３チャンバシステムは、第１の媒体２を有する第１のチャンバ４が下側に位置している（図１１のｃ_１）ように、方向付けされていてもよい。各チャンバ４，１４，１５は、したがって固有の熱領域（Ｔ_１，Ｔ_２，Ｔ_３）に位置している。重力は、軽い気体が気体封入物１６から加熱により第３のチャンバ１５の上端へと移動する（図１１のｃ_３）ことを引き起こすことができる。

図１２ａ～図１２ｃは、図１０ａ～図１０ｄおよび図１１の気体封入物１６を除去することができる実施例を示している。図１２ａ～図１２ｃでは、気体封入物１６が、図１０ａ～図１０ｄに示した方法により、図１１に示した状態によって第１の媒体２から除去されている（図１２ａ）ことを基点とする。いま、気体封入物１６をマイクロ流体デバイス１から除去するために、第２の媒体３は、第１の媒体２が完全に第１のチャンバ４から第２のチャンバ１４内に移動されるまで、下方から３つのチャンバ４，１４，１５を通って後から押される。気体封入物１６は、第３のチャンバ１５から第１のチャンネル５内に押し退けられる（図１２ｂ）。次いで、（チャンバ４，１４，１５によってではなく）第１のチャンネル５により第２の媒体３を押すことにより、気体は、マイクロ流体デバイス１から導出されるので、完全に気泡のないマイクロ流体デバイス１が残る（図１２ｃ）。

図１３ａ～図１３ｄは、２相システムと、気体封入物１６の上述の除去の組み合わせとにより、気泡のないシャトルＰＣＲをどのように実施することができるかを示している。シャトルＰＣＲでは、サーマルサイクラーとは異なり、温度が加熱器により動的に変更されるのではなく、反応混合物が、一定の温度を有する種々異なる加熱器間で移動させられる。シャトルＰＣＲを実施するために、マイクロ流体デバイス１は、特に図７ａ～図７ｆ、図１０ａ～図１０ｄおよび図１１により形成されていてもよい。３つのチャンバ４，１４，１５および第１のチャンネル５の配置時に、好適には、３つの弁１１，１２，１３が設けられている。これらの弁１１，１２，１３は、蠕動運動ポンプを形成する。（第１の媒体２としての）ＰＣＲ反応混合物は、好適には気泡なしに第１のチャンバ４内に提供される一方で、第２のチャンバ１４および第３のチャンバ１５ならびに第１のチャンネル５は、第２の媒体３で満たされている（図１３ａ）。チャンバ４，１４，１５は、ＰＣＲのため必要となる対応する温度に調節される。次いで、ＰＣＲ混合物としての第１の媒体２は、蠕動運動式にチャンバ４，１４，１５のうちの次のチャンバ内に圧送される前に、それぞれ所定の時間だけ対応するチャンバ４，１４，１５内に保持することができる（図１３ｂ～図１３ｄ）。特に、２つの温度間でどのように往復（揺動、英語では「shuttled」）させられるのかを示している。図７ａ～図７ｆにつき記載されたように、ポンプ周波数の反転により、両方向で圧送を行うことができる。

図１４は、上述の図面に示した実施例によるマイクロ流体デバイス１を運転する方法を示している。方法は、以下のステップ、すなわち
ａ）マイクロ流体デバイス１の第１の箇所において少なくとも１つの第１の媒体２，９を提供するステップと、
ｂ）少なくとも第１の媒体２，９を、マイクロ流体デバイス１の第１の箇所から第２の箇所へと搬送するステップであって、少なくとも１つの第１の媒体２，９は、この少なくとも１つの第１の媒体２，９が少なくとも１つの第２の媒体３およびマイクロ流体デバイス１の流体規制部２４のみに接するか、または少なくとも１つの第２の媒体３のみに接するように、少なくとも第２の媒体３により取り囲まれており、かつ少なくとも１つの第１の媒体２，９および少なくとも１つの第２の媒体３は互いに混合不能である、ステップと
を含んでいる。

さらに、この方法は、好適には、ステップｂの間に、またはステップｂ）の後に実施される以下の（破線で示された）方法ステップを含んでいる：
ｃ）少なくとも１つの気体封入物１６を除去する方法ステップ。

図１４の例では、ステップｃ）はステップｂ）の後に実施される。

Claims (12)

1. マイクロ流体デバイス（１）を運転する方法であって、
   ａ）チャンバ（４）、および前記チャンバ（４）に接続部（２５、２６）を介して接続されたチャンネル（５，６）が、少なくとも１つの第１の媒体（２，９）により貫流され、弁または圧力補償システムの使用による流体制御により流れが停止されることにより、前記チャンバ（４）および前記チャンネル（５，６）は前記第１の媒体（２，９）で満たされている、ステップと、
   ｂ）前記チャンネル（５，６）が、次いで少なくとも１つの第２の媒体（３）でフラッシングされることにより、前記チャンバ（４）は前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）で満たされており、前記チャンネル（５，６）は前記少なくとも１つの第２の媒体（３）で満たされており、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）と前記少なくとも１つの第２の媒体（３）とは互いに混合不能である、ステップと、
   を少なくとも含んでいる、方法。
2. 前記チャンネル（５，６）は、第１のチャンネル（５）および第２のチャンネル（６）を含み、
   前記接続部（２５、２６）は、第１の接続部（２５）および第２の接続部（２６）を含み、
   前記第１のチャンネル（５）は、前記第１の接続部（２５）を介して前記チャンバ（４）に接続されており、
   前記第２のチャンネル（６）は、前記第２の接続部（２６）を介して前記チャンバ（４）に接続されており、
   ステップａ）において、前記チャンバ（４）、前記第１のチャンネル（５）、および前記第２のチャンネル（６）が、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）により貫流され、弁または圧力補償システムの使用による流体制御により流れが停止されることにより、前記チャンバ（４）、前記第１のチャンネル（５）、および前記第２のチャンネル（６）は前記第１の媒体（２，９）で満たされており、
   ステップｂ）において、前記第１のチャンネル（５）および前記第２のチャンネル（６）が、次いで前記少なくとも１つの第２の媒体（３）でフラッシングされることにより、前記チャンバ（４）は前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）で満たされており、前記第１のチャンネル（５）および前記第２のチャンネル（６）は前記少なくとも１つの第２の媒体（３）で満たされている、
   請求項１記載の方法。
3. ステップｂ）において、前記第２のチャンネル（６）から前記チャンバ（４）を通じて前記第１のチャンネル（５）へ流れる流れを形成することにより、前記第２のチャンネル（６）内の前記少なくとも１つの第２の媒体（３）、前記チャンバ（４）内の前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）および前記第１のチャンネル（５）内の前記少なくとも１つの第２の媒体（３）が、混合することなく層状に動く、
   請求項２に記載の方法。
4. マイクロ流体デバイス（１）を運転する方法であって、
   ａ）少なくとも１つの第１の媒体（２，９）の所定の体積を前記マイクロ流体デバイス（１）のチャンバ（４，１４，１５）内に提供するステップであって、該チャンバ（４，１４，１５）は、第１のチャンネル（５）との第１の接続部（２５）と、第２のチャンネル（６）との第２の接続部（２６）とを有しており、前記第１のチャンネル（５）および前記第２のチャンネル（６）を少なくとも１つの第２の媒体（３）が流れることにより、前記チャンバ（４，１４，１５）内の前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）の所定の体積を分離しかつ測量し、かつ前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）と前記少なくとも１つの第２の媒体（３）とは互いに混合不能である、ステップと、
   ｂ）前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）を前記マイクロ流体デバイス（１）の前記チャンバ（４，１４，１５）から前記第１のチャンネル（５）へと搬送するステップであって、前記第２のチャンネル（６）から前記第１のチャンネル（５）内への前記少なくとも１つの第２の媒体（３）の流れにより、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）の一部が前記チャンバ（４，１４，１５）から取り出され、次いで、前記第１のチャンネル（５）は再び前記少なくとも１つの第２の媒体（３）により通流され、その後に、前記第２のチャンネル（６）から前記第１のチャンネル（５）内への前記少なくとも１つの第２の媒体（３）の流れにより、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）の残りの部分が前記チャンバ（４，１４，１５）から取り出される、ステップと
   を少なくとも含んでいる、方法。
5. 前記チャンバ（４，１４，１５）の容積の一部を満たすように前記第１の媒体（２）を前記第２のチャンネル（６）から前記チャンバ（４，１４，１５）に提供し、次いで前記第２のチャンネル（６）を前記少なくとも１つの第２の媒体（３）が流れることにより、前記チャンバ（４，１４，１５）内の前記第１の媒体（２）の所定の体積を分離しかつ測量し、
   前記チャンバ（４，１４，１５）の残りの容積を満たすように別の前記第１の媒体（９）を前記第１のチャンネル（５）から前記チャンバ（４，１４，１５）に提供し、次いで前記第１のチャンネル（５）を前記少なくとも１つの第２の媒体（３）が流れることにより、前記チャンバ（４，１４，１５）内の別の前記第１の媒体（９）の所定の体積を分離しかつ測量し、
   これにより、前記第１の媒体（２）と別の前記第１の媒体（９）とが前記チャンバ（４，１４，１５）内で混合される、請求項４記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）の少なくとも一部および／または前記少なくとも１つの第２の媒体（３）の少なくとも一部を、少なくとも一時的に蠕動運動ポンプにより搬送する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 少なくとも、ステップｂ）の前に、ステップｂ）の間に、またはステップｂ）の後に実施される、
   ｃ）少なくとも１つの気体封入物（１６）を除去する方法ステップ
   をさらに含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記マイクロ流体デバイス（１）は、少なくともステップｃ）の一部の間に、前記少なくとも１つの気体封入物（１６）が除去される区分の面（２３）が水平面（２１）に対して傾斜されているように、方向付けされている、請求項７記載の方法。
9. ステップｃ）において、前記少なくとも１つの気体封入物が封入されている流体の温度を変更する、請求項７または８記載の方法。
10. 前記少なくとも１つの気体封入物（１６）を、ステップｃ）において、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）および／または前記少なくとも１つの第２の媒体（３）の搬送により除去する、請求項７から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの気体封入物（１６）を、準相抽出（Quasiphasenextraktion）によって除去する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. シャトルポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）を実施し、前記少なくとも１つの第１の媒体（２，９）が、前記シャトルポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）の反応媒体である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。

Images