JP7175547B2 - プログラマブル・マイクロ流体ノードを備えたカスタマイズ可能なマイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、一般に、マイクロ流体デバイスの分野ならびにかかるデバイスの機能化および構成の方法に関する。

マイクロ流体は、マイクロ・スケールのチャネルに、通常、ミリメートル領域の量で、通常は閉封された少量の流体の正確な制御および操作で取り扱われる。マイクロ流体の顕著な特徴は、液体がマイクロ・スケールで呈する特異な挙動に由来する。マイクロ流体状の液体のフローは、通常、層状である。マイクロメートル領域の横寸法を有する構造体を作製することによって、１ナノリットルを十分に下回る体積を得ることができる。マイクロ流体デバイスは、一般にマイクロ加工されたデバイスを言い、これは、液体を送流し、サンプリングし、混合し、解析し、投与するために用いられる。

多くのマイクロ流体デバイスは、ユーザ・チップ・インターフェースおよび閉流路を有する。閉流路は、漏洩および蒸発に関する問題を最小化しながら、機能素子（例えば、ヒータ、ミキサ、ポンプ、ＵＶ検出器、バルブなど）の１つのデバイスへの統合を容易にする。多くの場合、液体サンプルの分析は一連のステップ（例えば、ろ過、試薬の溶解、加熱、洗浄、信号の読み取りなど）を必要とする。

一般に、マイクロ流体デバイスは、一組の限定された用途、通常、１つだけの用途を考慮して設計される。しかして、通常、各々の新しい用途に対してマイクロ流体デバイスの新規の設計が必要になり、これはデバイスのコストに影響する。

第一態様によれば、本発明はマイクロ流体デバイスとして具現化される。本デバイスは、インプット・マイクロチャネル、ｍ個の配流マイクロチャネルのセット、ｍ個のマイクロ流体モジュールのセット、およびｍ個のノードのセットを含む。ｍ個のマイクロ流体モジュールのセット（ｍ≧２）は、それぞれｍ個の配流マイクロチャネルのセットと流体連通している。ｍ個のノードのセットの１つ以上のノードは、インプット・マイクロチャネルから分岐し、インプット・チャネルから該ノードが分岐するｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つへの流体連通を潜在的に確実するために、該ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つにさらに分岐する。さらに、ｍ個のノードのセットのノードの一部であるサブセットが、ｍ個のノードのセット残りのノードと比べ変更される。この変更によって、ｍ個のノードのセット中の諸ノードは相異なる液体ピンニング力を有する。その結果、作動において、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が、ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上を通過する程度は、ノードの相異なる液体ピンニング力（これはノードの変更状態により決まる）に基づいて変わる。

言い換えれば、このマイクロ流体回路は、ノードの変更状態に基づいて設定することができる。結果として、ノードの設定の如何によって、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が（例えば、或る時間経過の後に）下流のマイクロ流体モジュールに到達したりしなかったりし得る。理解されるように、これは、ノードの一部を変更することによってマイクロ流体デバイスを「プログラム」することを可能にする。

最も単純な実施形態において、ノードは、バイナリ方式で作動するように変更される。例えば、ｍ個のノードのセットの１つ以上に対し、液体をそのノードに停止するか、もしくはそれを通って液体を通り過ぎさせるように、ｍ個のノードのセットのノードの一部が、そのセットの残りのノードと比べ変更される。

好適な諸実施形態において、本マイクロ流体デバイスは、液体が、モジュールの順序対を通過することを可能にするように設計される。上記ために、本デバイスは、ｍ個のノード第一セットに加え、ノードのｍ個の追加セットを含む。ノードのｍ個の追加セットは各々ｍ個のノードを含み、しかして、本マイクロ流体デバイスは、ｍ個のノードのｍ＋１個のセットを含む。本デバイスは、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットをさらに含み、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上は、ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットのそれぞれ１つ以上のアウトプットに連結している。このｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットはノードのｍ個の追加セットに関連付けられている。すなわち、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上は、ｍ個のノードのｍ個の追加セットの、それぞれ１つのｍ個のノードのセットの１つ以上に分岐する。さらに、ｍ個のノードのｍ個の追加セットの、それぞれ１つの１つ以上のノードは、配流マイクロチャネルのそれぞれ１つに分岐する。言い換えれば、ｍ個のノードのｍ個の追加セットのそれぞれ１つの、１つ以上のノードはアウトプット・チャネルを配流チャネルに連結する。さらに、ｍ個の追加セット少なくとも１つのｍ個のノードの一部が変更される。すなわち、ノードのｍ個の追加セットの少なくとも所与の１つに対し、ｍ個のノードの一部であるサブセットが、ｍ個のノードの当該セット残りのノードと比べ変更される。しかして、このセットのｍ個のノードは相異なる液体ピンニング力を呈する。その結果、作動において、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が、ｍ個のマイクロ流体モジュールの、１つ以上の２個による順序対またはセットを通過する程度は、ｍ個のノード第一セット、および前記ｍ個の追加セットの所与の１つ以上のノードの相異なる液体ピンニング力に従って変わる。すなわち、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体は、ｍ個のマイクロ流体モジュールの少なくとも１つの順序対またはセットを通過する。言い換えれば、液体は、これらノードの相異なる液体ピンニング力によって決まる順序でモジュールの２つ以上を通過する。さらに、作動において、モジュールの順序対が（液体が１つモジュールから次のモジュールに通過するために）効果的に流体的に連結されている程度は、第一セットおよびｍ個の追加セットの前記所与の１つの諸ノードの相異なる液体ピンニング力によって決まる。

したがって、たとえモジュールのいかなる順序対が相互連結ノードを介して潜在的に連結されていても、その相互連結ノードの実際の変更状態が相異なるピンニング力を生じさせ、それが次いで、インプット・チャネル中に導入された液体が、モジュールの順序対またはセットを有効に通過することになる程度を決める。効果的に有効化される順序対の実際の数、およびかかる対が有効化される程度は、ノードの全ての変更状態により決まる。

ここで、実際上は、モジュールの全ての潜在的な対を連結しておくことは必要ではないかもしれない。すなわち、ノードの各追加セットは、各々ｍ個より少ないノードを含んでもよい。例えば、各モジュールをそのモジュール自体に連結しているノードを除去できるとすれば、これらｍ個の追加セットは、各々ｍ－１個のノードを含むだけでよい。さらに一般的には、ノードのｍ個の追加セットの各々は、実際上、少数のノードだけ、またはさらには、単一のノードにまでも限定することが可能である。この原理を一般化すれば、諸実施形態において、本マイクロ流体デバイスは、少なくとも２つのマイクロ流体モジュールと、少なくとも２つのノードの第一セットと（前述の実施形態では、各ノードが、インプット・マイクロチャネルを、例えば配流チャネルを介してモジュールのそれぞれ１つに連結している）、少なくとも２つのノード（各々が、マイクロ流体モジュールの別個のモジュールの対を連結している）の第二セットと、を含む。例えば、ここでのノードの第二セットは、各々が少なくとも１つのノードを含む、ノードのｍ個の追加セットによって形成される上位セットに対応する。前述の原理と一貫して、第一セットおよび第二セットの各々のノードの一部であるサブセットが、相異なる液体ピンニング力を有するように、前記セットの残りのノードと比べ変更されてよい。その結果、作動において、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体がモジュールの１つ以上の順序対を通過する程度は、ノードのこれら相異なる液体ピンニング力に従って変わる。すなわち、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体は、マイクロ流体モジュールの少なくとも１つの順序対を通過するが、前述の例におけるように、モジュールの順序対が効果的に流体的に連結されている程度はノードの変更状態によって決まる。

好適な諸実施形態において、前に述べたように、いずれのセットの各ノードも、液体をそのノードに停止させるか、もしくはそれを通って液体を通り過ぎさせるように構成することができる。もっと精巧な別形において、第一セットのノードは、（当初、インプット・チャネルに導入された）液体が、それらの相異なるピンニング力によって、別個の諸モジュールに別々の時間に到達することを可能にできる。さらに、追加のノードは、前記別個のモジュールから排出された液体をその後他のモジュールに到達させることができるように構成されてよい。

ノードの追加のセットは低減された数のノード（すなわち、各々、少なくとも１つのノード、多くてもｍ個のノード）を含むことも可能であるが、但し、各ｍ個のノードのｍ＋１個のセットを含むマイクロ流体デバイスを設計する方が、特に多目的デバイスを達成しようとしているときは、より簡明である。各ｍ個のノードのｍ個の追加セットを有することは、各モジュールが「対角の」ノードを介してそれ自体に潜在的に連結可能なことを意味する。但し、かかるノードは、通常、或る所与のモジュールによって排出された液体が、その後にその同じモジュールに再浸入することを実効的に可能にするように構成され得ない。さらに、たとえ、かかる対角のノードが液体が該ノードを通過することを原理的に可能にするように変更されたとしても、ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つの中の液体の存在が、所与のモジュールによって排出された液体がその同じモジュールに再浸入することを実際上阻止することができる。さらに一般的には、理解されるように、ｍ個のノードのｍ個の追加セットのノードのそれぞれ１つ以上、およびｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つは、ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの所与の１つによって排出された液体が、その後ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの同じ１つ以上に再浸入することを効果的に阻止するように構成することができる。

諸実施形態において、本マイクロ流体デバイスはｍ個のノードのｍ＋１個のセットを含み、これらは、クロスバ・スイッチ構成で、ｍ×（ｍ＋１）個のノードのアレイとして配置され、これはデバイスを設計しプログラムするのをより容易にする。

好ましくは、本マイクロ流体デバイスは、別個の平行なレベル（第一レベルおよび第二レベルを含む）を含む。インプット・マイクロチャネルおよびｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットは第一レベル上に画定され、一方、ｍ個の配流マイクロチャネルのセットは第二レベル上に画定される。これは、非平行な３Ｄチャネル構成を可能にし、例えば、インプット・チャネルおよびアウトプット・チャネルの両方が、第一レベル上に、第一方向に平行して配置され、配流チャネルは、第二レベル上に、（第一方向を横断する）第二方向に平行して配置される。かかる横断構成は、設計対象のチャネルのよりコンパクトな配置を可能にし、それが、低減されたフットプリントのデバイスの達成を可能にする。

好適な諸実施形態において、３Ｄノードが依拠され、このノードは、前述したような横断型の３Ｄチャネル構成を可能にするために有利に用いることができる。例えば、ノードの少なくともサブセットの各ノードが、キャビティ、取入れポート、放出ポート、およびビアを含んでよい。このキャビティは第一レベルに形成され、上部側はオープンである。取入れポートもまた第一レベルに形成され、これは、前述した配置に合わせて、インプット・マイクロチャネル、またはｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つから分岐する。この取入れポートはキャビティの進入部を介してキャビティとさらに連通する。また一方、放出ポートは、第二レベル上のｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つに分岐する。ビアは、キャビティが放出ポートと連通するために、キャビティから（例えば、その底部側から）放出ポートに延びる。さらに、キャビティは、液体遮断素子を含み、（例えば、該素子を含むかまたはそれによって遮断される）、これは取入れポートを満たした水性液体がノードの放出ポートに到達するのを阻止するように構成される。

キャビティの上側面がオープンであることは、作製を容易にし、さらには、液体素遮断素子のピンニング力を変更するための、上側からキャビティへの容易なアクセスを可能にする。このようにして、多レベル・ノードが達成され、これは、前述した多レベル・マイクロ流体回路が、キャビティの遮断素子の変更状態に基づいて設定（およびおそらくは再設定）されることを可能にする。

好ましくは、ビアは、第一レベルと第二レベルとの間の、デバイスの中間レベルもしくは第三レベル上に延びる。さらに好ましくは、このビアは、キャビティの底部側（上部側の反対）から下方に放出ポートへ延びる。キャビティの底部側から延びるビアを有することは、ビアを上側からキャビティ中に開口できるのでノードの作製を容易にする。一方、外部レベル（その中にはチャネルが形成される）の間に中間レベル（その中にはビアが形成される）を組み込むことは、相横断するチャネル構成を備えるデバイスの設計を容易にする。例えば、この中間レベルは、相横断するチャネルの間の短絡を防止する。

諸実施形態において、この液体遮断素子は、キャビティの進入部に形成された液体ピンニング構造体である。このピンニング構造体は、水性液体の液体充填の最前部をキャビティの進入部で停止または阻止するよう構成される。かかる設計は、キャビティを活性化することをとりわけ簡単にする。実際上、ピンニング構造体がキャビティの進入部に配置されているので、キャビティ中に空いて残された空間が、ノードのピンニング力を変更するために、浸潤材料をスポットし、または別途にピンニング構造体を変更するために便利に利用することができる。さらに、このデバイスは、当該技術分野で通例のように、後の段階で、例えば、蓋を使って上面部の全てのオープンな構造体を被うことによって、シールすることができる。

好ましくは、この液体ピンニング構造体は、キャビティの開き角θ_１によっては形成され、この開き角は、９０°～１６０°の間である。例えば、この角度は事実上９０°にする、すなわち、取入れポートが導かれる（液体の取入れ方向に垂直に延びる）直壁によって形成することができる。もっと精巧な実施形態では、この角度は９０°よりも厳密に大きく、例えば、１３５°とすることができる。全ての場合において、液体が前進接触角で取入れポートを満たす状況を考えると、拡張、すなわち、キャビティの入口での拡がりが、キャビティの中へのメニスカスの伝搬に抵抗する角度成分を加える。諸別形において、この開き角は、この角度を維持しているキャビティの横壁が疎水性であることを条件として、９０°よりも小さくてよく、例えば６０°～９０°の間であってよい。

好適な諸実施形態において、キャビティの進入部はその深さよりも小さな幅を有する。進入部の各々の側にあるキャビティの壁は、進入部の幅に相当するギャップによって隔てられている。これにより、前記壁は、キャビティ中に２つの対向する開き角θ_１を形成し、前述したように、その開き角度はそれぞれ６０°～１６０°の間である。取入れポートは、進入部がキャビティ中の中心にあることができるように、例えば、キャビティの主軸に沿って延びてよい。このようにして、２つの横方向エッジが進入部に形成され、それが２つの開き角を形成しミニスカスのキャビティの中への伝搬に抵抗する。さらに、進入部の深さはその幅より大きいので、作動において、キャビティの進入部で外側に停止された液体は、取入れポートの低部とキャビティおよび反対側の蓋との両方の浸潤による、ピンニング・バリアに打ち勝つことができない。しかして、この例ではキャビティはデフォルトで無効にされていて（すなわちノーマリ・オフ）、これは（プログラミングのために）活性化される必要のあるノードだけが変更されることになり、これは、オープンなキャビティのおかげで簡単に達成される。横エッジのピンニング力を最大化するために、最も簡単なのは、進入部をキャビティの入口の中心に位置させることである。

諸別形において、この進入部は、横方向に多少は中心を外すことが可能である。進入部が完全に中心から外れた場合、液体は、キャビティの入口の１つのエッジだけを「見る」ことになり、これは部分的な液体ピンニングだけをもたらし得る。

上記で定義された（すなわち、１つまたは２つの開き角を形成する液体ピンニング構造体を備えた）液体ピンニング構造体に関わらず取入れポートを満たした水性液体が放出ポートに到達することを可能にするために、例えば、ノードは、該液体ピンニング構造体に配置された浸潤材料によって変更することが可能である。

かかる液体ピンニング構造体の諸別形において、遮断素子は、キャビティ中に配置された疎水性バリアなどの変更可能素子によって、またはキャビティを上部側の反対側の底部側をシールすることによって形成することができる。例えば、疎水性バリアを使用することができ、これは、キャビティ中に挿入された除去可能な物質（例えばワックス）である。変更可能素子は、他に、キャビティを下側からシールする薄いフィルムとすることが可能である。かかる設計は、（紙またはニトロセルロース材料などの繊維質／多孔性の媒体のような）ウイッキング媒体を、様々な流路を形成するベースとして用いる場合に、特に便利であることが判明した。

諸実施形態において、ノードの同じセットの２つのノード（すなわち、同じチャネルから分岐したノード）の取入れポートが、例えば、これら取入れポートに到達する液体の流速の違いを補償するために、相異なる流体力学的抵抗を有する。

好適な諸実施形態において、或るノードの放出ポートは、その放出ポートによって分岐された、ｍ個の配流マイクロチャネルのセット中の水性液体がノードに浸入しビアに到達するのを阻止するために、流体フロー絞りバルブを含む。このようにして、完全に一方向性のノードが達成され、これは、モジュールの順序対が一方向だけで流体連結されることを可能にする。

好ましくは、アウトプット・ポートは、該アウトプット・ポートを通して排出される水性液体を、接合部のレベルで１つの側から接合部のレベルで反対側に延びる方向に向けさせるように、１つの側に流体フロー絞りバルブを含むｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つに接合部のレベルで分岐する。しかして、配流マイクロチャネルの放出ポートとバルブとはダイオードとして機能し、これは、一方向ノードのカラムが同じ配流マイクロチャネルに分岐することを可能にする。

接合部のレベル上の、１つの側の流体フロー絞りバルブは、例えば、放出ポートによって分岐されたｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つの第一セクションおよび第二セクションによって形成することが可能である。第一セクションはテーパーにされ、第二セクションに導かれ、第二セクション中に開き角θ_２を設けるために、第二セクションは第一セクションより大きな平均直径を有し、この角は９０°～１６０°の間である。

本デバイスは好ましくは以下のように寸法設定される。インプット・マイクロチャネル、ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つ以上、およびｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上の各々は、１０～１００μｍの間の深さを有する。一方、インプット・マイクロチャネル、ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つ以上、および取入れポートの各々は、同じ深さを有し、取入れポートは５～５０μｍの間の幅を有する。他方、ビアは、第二レベルから第一レベルの中央プレーンに平行に測定して、２５～２００μｍの間の平均直径を有する。

好適な諸実施形態において、本デバイスは多層デバイスとして作製される。前述したように、各層は、例えば、本デバイスの１つ以上のレベルを収容する。諸別形において、次のセクションで詳しく説明するように、選択された作製技法の如何よって、各レベルは１つ以上の材料層を必要とし得る。例えば、本マイクロ流体デバイスは少なくとも２つの層を含んでよく、インプット・マイクロチャネル、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上、キャビティ、および取入れポートは、全て、該少なくとも２つの層のうちの第一層に形成され、一方、ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つ以上は、該少なくとも２つの層の第二層に形成される。諸別形において、本デバイスは、単一回のインジェクション・モールド・ステップで得ることが可能である。

諸実施形態において、本デバイスは少なくとも３つの層を含む。キャビティのビアは、例えば、デバイスの第一層と第二層との間の中間層の中に形成することができる。

マイクロ流体モジュールのセットは、通常、いろいろな機能を有する。ｍ個のマイクロ流体モジュールは、とりわけ、光学検出チャンバ（光学的検出を可能にするためにデバイス中に構成される）、流体混合チャンバ、および反応チャンバのうち２つ以上を含むことができる。次のセクションにおいて、とりわけ、様々なマイクロ流体応用を可能にする、ｍ＝２、３、４、８、または３６個の別個のモジュールのセットを含む諸実施形態を説明する、

別の態様によれば、本発明は、前述したようなマイクロ流体デバイスをプログラムする方法として具現化することが可能で、これは、前述の原理に合わせて、デバイスのノードのサブセットを、そのノードに相異なる液体ピンニング力を付与するように、変更するステップを中心に展開される。かかる方法の諸態様は、次のセクションにおいて、本デバイスの詳細な説明の中で展開される。

本発明を具現化するマイクロ流体デバイスおよび方法を、添付の図面を参照しながら非限定の例として以降に説明することとする。

諸実施形態のファースト・クラスで用いられる、横断チャネル構成、およびクロスバ・スイッチ構成のノードのプログラマブル・アレイを備えたマイクロ流体デバイスの上面図であり、本デバイスはシリコン中に３Ｄ作製される。 ３Ｄ型ノードの上面図を示し、これは、諸実施形態において、図１のデバイス中で有利に用いることができる。このノードは液体ピンニング構造体を含み、該構造体は、図３中に示されるように、ノードを活性化するために、ノードのキャビティ中にうまく配置された浸潤材料によって膜敷きすることができる。 ３Ｄ型ノードの上面図を示し、これは、諸実施形態において、図１のデバイス中で有利に用いることができる。このノードは液体ピンニング構造体を含み、該構造体は、図３中に示されるように、ノードを活性化するために、ノードのキャビティ中にうまく配置された浸潤材料によって膜敷きすることができる。 図１に示された構成を有する試作デバイスの上面図の写真（グレイレベルは、描写目的で高コントラスになっている）であり、その活性化されたノードが強調されている。 マイクロ流体デバイスの可能な作製方法を示す３Ｄ図であり、この作製方法は、インジェクション・モールド技法に依拠している。 マイクロ流体デバイスの可能な作製方法を示す３Ｄ図であり、この作製方法は、インジェクション・モールド技法に依拠している。 ３層のデバイス（またはその部分）の分解立体図であり、他の諸実施形態にも関わるように、その流路はウイッキング媒体（例えば紙）上に有利に実装することができる。 ３層のデバイス（またはその部分）の分解立体図であり、他の諸実施形態にも関わるように、その流路はウイッキング媒体（例えば紙）上に有利に実装することができる。 ３層のデバイス（またはその部分）の分解立体図であり、他の諸実施形態にも関わるように、その流路はウイッキング媒体（例えば紙）上に有利に実装することができる。 ３層のデバイス（またはその部分）の分解立体図であり、他の諸実施形態にも関わるように、その流路はウイッキング媒体（例えば紙）上に有利に実装することができる。 図７または図８によるデバイスの上面図を概略的に表す。 諸実施形態に関わるように、クロスバ・スイッチ構成に連結された８つのマイクロ流体モジュールを含む別のマイクロ流体デバイスの上面図である。 図２のノードの別形の上面図であり、諸実施形態に関わるように、この図ではノードは２つの配流チャネルに分岐している。

諸実施形態に関わるように、添付の図面は、デバイスまたはその部分の単純化された表現を示す。諸図面に描かれた技術的諸特徴は必ずしも正確な縮尺ではない。図中の類似のまたは機能的に類似の素子には、別途に示されたものを除き、同じ参照符号が割り当てられている。

以降において、参照符号に対し、ときにより簡易表記が使われる。例えば、参照符号１２０，・・・，６２０に換えて、表記「ｋ２０」、ｋ＝１，・・・，６が使われることがある。しかして、表記「ｋ２０」は、参照符号１２０、４２０、および６２０を包含し、これらは、それぞれ図１、７～１０、および１３中に描かれているように、相異なるマイクロ流体デバイス１、４、および６のマイクロ流体ノードに関連する。

以降において、参照符号に対し、ときにより簡易表記が使われる。例えば、参照符号に置き換えて、表記「ｋ１ｌ」、ｋ＝１，・・・，６、およびｌ＝１，・・・，８が使われることがある。また、例えば、表記「ｋ１ｌ」は、１１１～１１４、４１１～４１４、および５１１～５１８などの参照符号を包含することがあり、これらは、それぞれ図１、４、７～１０、および図１３中にそれぞれ表されているようなアウトプット・チャネルに関連する。同様に、例えば、表記「ｋ３ｌ」は、１３１～１３４、および４３１～４３４などの参照符号を包含することがあり、これらは、それぞれ図１、７～８、および１１中にそれぞれ表されているような配流チャネルに関連する。さらに、例えば、表記「ｋ４ｌ」は、１４１～１４４、および４４１～４４４などの参照符号を包含することがあり、これらは、それぞれ図１、４、７～８、および１１中にそれぞれ表されているようなマイクロ流体モジュールに関連する。

本発明の様々な実施形態の説明において、セット中の「各」素子への言及がされることがあるが（例えば「ｍ個のノードの各追加のセットがアウトプット・マイクロチャネルの所与の１つから分岐する・・・」）、単語「各」の使用は例示目的だけのためのものであり、特許請求の範囲に述べられているように、本発明の諸実施形態は、説明された各素子よりも少ない素子を用いて実践することも可能であることに留意すべきである。

図１、４～１２と関連させて、本発明の或る態様を最初に説明することとし、これはマイクロ流体デバイスｋ（このｋ＝１，・・・，６）に関する。かかるマイクロ流体デバイスは、マイクロチャネルおよび他のマイクロ流体機能を含み、それらの特性寸法（例えば、幅または深さ）マイクロメートル長さ領域、すなわち、通常、１μｍ～１００μｍの間である。さらに、かかるデバイスのいくつかの特定の構造は、ナノスケール領域、またはミリメートル領域にあってよく、本デバイスは、全体的には、通常、センチメートル領域にある。

かかるデバイスｋは、通常、以下の最小限の構成を有する。これらデバイスは、インプット・マイクロチャネルｋ１０、ｍ個の配流マイクロチャネルｋ３ｌのセット、ｍ個のマイクロ流体モジュールｋ４ｌのセット、およびｍ個のノードｋ２０のセットを含み、ｍ≧２である。

ｍ個のマイクロ流体モジュールｋ４ｌは、それぞれｍ個の配流マイクロチャネルｋ３ｌと流体連通している。本説明において、「流体連通」、「と流体連通している」、または「と流体連結している」などの用語は、１つの同じ概念を言い、この概念では、液体が、１つの部分から他の部分に、流路、チャネル、ビア、または任意の他の適切に設計された連結部を通って通過することが可能である。ここで、マイクロ流体ノードがこの流路上に挿入されていれば、それは「流体連通」（または「流体連結」）を潜在的に有する。但し、後記で述べるように、流体連通が有効となる程度は、ノードの変更状態の如何による。

ｍ個のノードｋ２０は、各々、インプット・マイクロチャネルｋ１０から分岐し、配流マイクロチャネルｋ３ｌのそれぞれ１つにさらに分岐する。しかして、ノードｋ２０は、インプット・マイクロチャネルからそれが分岐する配流マイクロチャネルへの流体連通を潜在的に確実にすることができる。なお、ノードは好ましくは一方向性なので、上記の逆は必ずしも成り立たない。

例えば、図１ではｍ＝４であり、該図は、それぞれ４つの配流チャネル１３１～１３４によって連結された、４つのマイクロ流体モジュール１４１～１４４を表している。４つのマイクロ流体モジュール１４１～１４４は、それぞれ、４つのアウトプット・チャネル１１１～１１４にさらに連結している。図１は、それと別に、ｍ個のノードの上部の（水平の）セットを示し、その各々は、インプット・チャネル１１０から分岐し、さらに、それぞれの配流チャネル１３１～１３４に分岐している。本デバイスは、通常、ノードの追加のセットを含むので、以降、上部のノードの水平なセットをノードの「第一セット」と言う。図１～３にさらに示されているように、インプット・マイクロチャネルｋ１０は、例えば、ｍ個の接合部１１０Ｊを含むことができ、ｍ個のノードの各々は、ｍ個の接合部１１０Ｊのそれぞれ１つで、インプット・マイクロチャネル１１０から分岐することができる。

ノードは、後記で図２～３および９、１０を参照して説明するように、例えば、取入れポート（または取入れチャネル）、キャビティ、液体ピンニング機構、ビア、および１つ以上の放出ポートなど様々な素子を含むことが可能である。例えば、いろいろな種類のノードを考えることができ、これらは流体連結を調整するように変更することができる。

しかして、本デバイスは、それらのノードの一部を変更することによって機能化（およびカスタマイズ）することが可能である。機能化の後、ノードｋ２０の一部によるサブセットが、それらそれぞれのセットの残りのノードに比べて変更される。この変更によって、ノードｋ２０は、相異なる液体ピンニング力を呈する。結果として、作動において、インプット・マイクロチャネルｋ１０に導入された液体がｍ個のマイクロ流体モジュールｋ４ｌの１つ以上に到達する程度は、これは、ノードの相異なる液体ピンニング力に従って変わる。

しかして、かかるノードが、液体がインプット・マイクロチャネルから下流のモジュールに通過することを効果的に可能にする程度は、そのノードの変更状態に左右される。ノードの液体ピンニング力が可変であることは、デバイスが設定可能であることを意味する。言い換えれば、ノードを変更できるという事実は、ノードの変更状態に基づいて、マイクロ流体回路を設定することを可能にする。結果として、下流のマイクロ流体モジュールｋ４ｌは、第一セットのノードのピンニング力の如何により、例えば、或る時間経過の後、接触され（すなわち、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体によって浸潤され）ことになり得る、あるいは全く接触されないことになり得る。

理解されるように、これはマイクロ流体デバイスをプログラムすることを可能にする。ちなみに、本発明の好適な実施形態は、ノードが、その作製の最終段階の過程で変更されること、またさらには、（デバイスが再プログラム可能になるように）再設定されることを可能にする。しかして、作製の中間段階では、デバイスのどのノードもまだ変更されなくてよい。だが、どのノードも変更されない場合、またはノードが全て同じように変更された場合、それらノードは、通常、全て同じ液体ピンニング力を有し、デバイスのいかなる特定の機能化も得られないことを念頭に置く。正確に言えば、デバイスのプログラミングは、モジュールを通る液体のダイナミクスに差異を生じさせ、しかしてマイクロ流体デバイスを機能化しカスタマイズするために、通常、ノードの或るサブセットだけが変更される（または、少なくとも、ノードが全てが同じようには変更されていない）結果をもたらす。

最も単純な実施形態では、ノードは、バイナリ方式で、すなわち液体を通させるかさせないかのスイッチとして作動するように変更される。この場合、マイクロ流体ノードは、トランジスタ・スイッチまたは論理ゲートと対比できる。すなわち、ノードｋ２０は、そこで液体を停止させるか、もしくはそれを通って液体を通過させるかのいずれかを行うように構成されてよい。また、ノードは、「ノーマリ・オン」に設計することも可能で、（しかして、オフになるためには変更される必要がある）、または、逆にノードは「ノーマリ・オフ」に設計し、オンになるために変更することもできる。諸別形において、ノードｋ２０は、液体が、相異なる時間でモジュールに有効に到達するように、それを通る液体が別な流速を取れるように変更することができる。

さらに、本マイクロ流体回路は、ハードコードとする、すなわち、非再設定可能な仕方で変更されたノードを用いることができる。但し、諸実施形態において、マイクロ流体デバイスは、少なくとも部分的に再設定可能であってよい。

本発明のコンテキストにおいて、例えば、複数の機能的に別個なモジュールを含み、デバイスが、諸モジュールに亘る任意の流体シーケンスを可能にするようにプログラムすることができる、複雑なマイクロ流体回路を可能することが理想的には望まれるかもしれない。しかしながら、これは通常、非常に複雑なアーキテクチャおよび大きなデバイス・フットプリントをもたらし得る。しかして、ノードのクロスバ・スイッチ様の構成に依拠することには顕著な利点がある。これは、デバイスの低減されたフットプリントを可能にするのみならず、加えて、これはノードのプログラミングを容易にする。これを達成するために、最善は、インプット／アウトプット・チャネルと配流マイクロチャネルとの相横断セットに依拠することである。ここで、相横断チャネルとは、デバイスの別個のレベル上に配置された非並列のチャネル、すなわち、それらそれぞれの、デバイスの平均プレーン上のプロジェクションが横断方向であるチャネルを意味する。

ここで、これを可能にするために、図１、５～１０に表されているような多レベル・デバイスに有利に依拠することができ、これでは、マイクロチャネルの相異なるセットがデバイスの別個のレベル上に設けられている。さらに、これらチャネルを相互連結するために、図２、３および７～１０を参照して後記で説明するように、例えば、デバイスの別個のレベル上に取入れ路および放出路を有する３Ｄノードに好ましくは依拠する。

このようにして、非平行なマイクロチャネルの複雑なアーキテクチャを達成することができ、これは設定可能（そしてでき得れば再設定可能）であり、同じ初期マイクロ流体テンプレートに基づいている。カスタマイズされたならば、一般に、マイクロ流体モジュールの或るサブセットだけが活性化されて残ることになる。さらに一般的には、異なるモジュールが異なる時間に活性化でき、不活性化されたまたは活性化されないモジュールは、液体が当初にインプット・マイクロチャネルに導入された後、無限の期間で活性化されるモジュールと見なしてよいことに留意する。換言すれば、モジュールが活性化される（すなわち、液体が到達する）時間は、モジュールに連結されたノードの液体ピンニング力によって決まる。

さらに、これらモジュールは、液体が到達することになるモジュールの所与の順序に関わるシーケンスを可能にするため、できるだけリンクすることができる。例えば、同じインプット・フローが、モジュールの所与の１つに次々と、モジュール群の所与の１つなどに到達することが可能である。

これは、理解されるように、多目的マイクロ流体デバイス・テンプレートが設計可能である点で製造に関し少なからぬ利点を有し、該テンプレートは、複数の応用（例えば、流体反応、流体混合、光学的検出など）を潜在的に可能にし、それら応用に対しては、モジュールの或るサブセットを、おそらくは所与のタイミングもしくは所与の順序またはその両方に従って活性化させる必要があるだけである。これは、本明細書の諸実施形態で提案しているように、適切なノードのアーキテクチャ、および適切に変更されたノードによって達成される。最後に、同じことであるが、多目的マイクロ流体デバイス・テンプレートを設計し大量作製することができ、少なからぬコスト削減を想定することができる。

諸実施形態において、マイクロ流体デバイスｋは、液体がモジュールの所与の順序対を通過することを潜在的に可能にするために、ｍ個のノードｋ２０の第一セットに加え、各ｍ個のノードｋ２０のｍ個の追加セットを含む。図１、４、１１、および１２の例の各々において、ｍ個のノードの第一セットは、インプット・マイクロチャネルｋ１０から分岐した上部の水平のノードのセットに対応する。さらに、各ｍ個のノードｋ２０のｍ個の追加セットが、（図１、４、および１１ではｍ＝４で、図１２ではｍ＝８で）該上部のセットの下に設けられている

かかるデバイスｋは、各々が、ｍ個のマイクロ流体モジュールｋ４ｌのそれぞれ１つのアウトプットに連結された、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルｋ１ｌ（ｌ＝１，・・・，ｍ）のセットをさらに含む。このｍ個のアウトプット・マイクロチャネルは、ノードのｍ個の追加セットに関連付けられている。すなわち、ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルｋ１ｌの各々は、ｍ個の追加セットのそれぞれ１つのｍ個のノードｋ２０の各々に分岐する。さらに、各追加セットの各ノードは、配流マイクロチャネルｋ３ｌのそれぞれ１つに分岐する。言い換えれば、各追加セットの各ノードは、アウトプット・チャネルｋ１ｌを配流チャネルｋ３ｌに連結する。

例えば、図１において、上部モジュール１４１のアウトプット中の第一ノードは第一配流チャネル１３１に連結し、該チャネルは同じモジュール１４１に連結している。モジュール１４１のアウトプット中の第二ノードは第二配流チャネル１３２に連結し、以下同様に続く。例えば、ｌ番目のノードはｌ番目の配流チャネルに連結する。類似の構成が図１１および１２中で（図１２中では下方のチャネルが隠れているが）想定されている。これらの例に見られるように、配流チャネルは、フットプリントを減らすために好ましくは入れ子にされる。

このとき、相異なるピンニング力を呈させるため、これら追加のノードもまた変更されてよい。例えば、ｍ個の追加セットの少なくとも１つのｍ個ノードのサブセット（全部ではない）が、当該セットのノードが相異なる液体ピンニング力を有するように、そのセットの残りのノードに比べて変更されてよい。その結果、（初期時に）インプット・マイクロチャネルｋ１０に導入された液体は、ｍ個のマイクロ流体モジュールｋ４ｌの少なくとも１つの順序対を通過する。作動において、ここで実際に有効化されるシーケンスは、（ｉ）ｍ個のノードの第一セット、および（ｉｉ）ｍ個の追加セットの前記少なくとも１つの諸ノードの相異なる液体ピンニング力によって決まる。当然ながら、もっと複雑なシーケンスを可能にするために、追加セットの他のセット中のノードもまた変更されてよい。

図１、４、１１、１２中に表されたような実施形態において、デバイスは、ｍ個のノードの第一セットを含め、どれも合計で各ｍ個のノードｋ２０のｍ＋１個のセットを含む。しかして、かかる事例では、合計ｍ×（ｍ＋１）個のプログラム可能なノードが存在する。同様に、かかるノードは、好ましくは、液体を停止させるかまたは通過させるように設定される。

例えば、図１に見られるように、各アウトプット・マイクロチャネル１１ｌ（ｌ＝１，・・・，ｍ）はｍ個の接合部１１ｌＪを含む。ｍ個のノードの各追加セットは、それぞれの接合部のレベルで、アウトプット・マイクロチャネル１１ｌの所与の１つから分岐する。すなわち、これら追加セットのどの１つの各ノードも、ｍ個の接合部１１ｌＪのそれぞれ１つで、アウトプット・マイクロチャネルの所与の１つから分岐する。類似の構成が、図４～１１のデバイスの各々に用いられている。

ｍ個の追加セットの各々の各ノードが、配流マイクロチャネルｋ３ｌのそれぞれ１つに分岐しているので、これらノードは、全体として、マイクロ流体モジュールｋ４ｌのｍ^２個の順序対の間の流体連通を潜在的に可能にすることができ、このことは以下のコメントによる。

潜在的に有効化が可能なｍ^２個の順序対は、インプット・マイクロチャネルが、第一セットのｍ個のノードの各々に分岐し、しかして第一モジュール（すなわち、順序対の第一素子）に対しｍの可能性を与えるという事実から来ている。ここで、どのモジュールのアウトプット・マイクロチャネルも、追加セットのそれぞれ１つのｍ個のノードの各々に分岐し、順序対の第二素子に対して、またこれは、ｍ個の第一素子の各々に対しても、ｍの可能性をもたらす。しかして、潜在的に、流体連通の中に配置が可能な、ｍ^２個の、モジュールの順序対が存在する（これらは、ｍセットの２－タプルの数として、繰り返しのある配置と見なすことができる）。

ここで、これら追加のノードは、モジュールの多くのシーケンスを可能にするようにさらに構成することが可能である。シーケンスは、順序付けられたモジュールのｎ－タプルに対応する。だが、実際上で効果的に有効化される流体シーケンスの配置の数は、通常は（ずっと）少ない。実際上、ノードの各セットは、通常、液体がそれらを通って通過し、低減されたモジュールのサブセット（通常、多くて１モジュール）に到達することを可能にするようにプログラムされることになる。加えて、およびノードおよび配流チャネルの正確な構造の如何によって、所与のモジュールによって排出された液体がその後にその同じモジュールに再浸入することは、相互連結ノードの存在にかかわらず、対応する配流チャネル中の液体の存在によって物理的に不可能であり得る。

例えば、１つのモジュールによって排出された液体がせいぜい或る別個のモジュール（液体が同じモジュールを通り２回通過することは決してなく、これは使われていない）に到達したことを想定すると、第一モジュールに液体が到達することに対してｍの可能性があり、第二モジュールに対してはｍ－１の可能性がある、等々となり、合計で、ｍ！の流体シーケンスの可能性がある。だが、実際上では、モジュールの全てを利用する必要はなく、通常はもっと単純なシーケンスが有効化される。

例として、例えば、反応目的のために１つ、および検出目的のために別の１つなどに、モジュールの１つの対が実際に必要であると仮定する。この場合、液体が反応モジュールに到達することを可能にするために、第一セット（すなわち、図１中の上部のセット）中の単一のノードが活性化される必要がある。次に、液体が検出モジュールに到達することを可能にするため、該反応モジュールのアウトプット中の単一のノードが活性化される必要がある。

別の例として、図４は、実際のマイクロ流体デバイス（これは、図１のデバイスと同じ構成を有する）の最上層の写真を示し、この写真では活性化されたノードが強調されている。このシーケンスは次のように有効化される。
－ 作動において、ノードの上部セットの第三ノードが活性化され、これが第三配流チャネル（図４では見えないが、図１中のチャネル１３３に対応するもの）への流体連結を有効化し、これにより、第三モジュール１４３に液体をもたらす。このモジュール１４３から排出された液体は、アウトプット・チャネル１１３に、次いでそこから分岐しているノードの第三追加セットに到達する。
－ ノードの第三追加セット（すなわち、上から数えて４番目のセット）では、第一ノードだけが活性化され、これは、第一モジュール１４１に、次いでアウトプット・チャネル１１１およびノードの第一追加セットに液体をもたらす。
－ 第一追加セット（上部のセットのすぐ下側）では、第四ノードだけが活性化され、これが第四モジュール１４４に液体をもたらす。
－ 第四追加セットでは、液体を第二モジュール１４２に到達させるため、第二ノードだけが活性化される。さらに、
－ 第二追加セットでは、第二モジュール１４２のアウトプット中では、該モジュールは液体が到達することになる最後のモジュールなので、どのノードも論理的には活性化されない。

このように、インプット・チャネル１１０に当初に導入された液体は、第三モジュール、第一モジュール、第四モジュール、そして最後に第二モジュールを継続して通過する。この事例では、４つの別個のモジュールの特定のシーケンスが、効果的に有効化され、ここでは全てのモジュールが有効に利用されている。諸別形では、モジュールの或るサブセットだけが、おそらくは異なった順序で利用されることもあり得たであろう。なお、図４の例において、短絡を回避するために、ほとんどのノードは活性化されず、配流チャネルは活性化されてもせいぜいで１回である（いずれかのセット中の第ｌノードがせいぜいで１回活性化される）。

ここで、本デバイスの設計およびその操作によって、たとえ相互連結ノードが活性化されていたとしても、液体が同じモジュールに再浸入することを物理的に不可能にすることができることに留意する。例えば、図１～３で想定されている設計はこれを防止する。モジュール１４１が、上部のセット中の第一ノードの活性化（これを第一活性化ノードと呼ぶ）によって、有効化されていると仮定する。このとき、液体が、第一配流チャネル１３１を介してモジュール１４１に再浸入するのを一時的に可能にするために、たとえモジュール１４１のアウトプット中の第一ノードが活性化されている（これを第二活性化ノードと呼ぶ）としても、第一活性化ノードによって既にチャネル１３１を満たしている液体が、特に、この例ではチャネル１３１中に絞りバルブが設けられているので、第二活性化ノードからの追加的液体の挿入を阻止する。しかして、デバイスは、液体の短絡を防止するように構成することが可能である。さりながら、この液体の最前部がチャネル１３１に再浸入する丁度そのときに、液体がチャネル１３１を既に去っている場合は、液体が同じモジュールに再浸入ことは可能であり得る。但し、これは液体区分の正確な制御を必要とする。

液体短絡の余地があるかどうかは、例えば、可能な漏出口、バルブなどの存在下で、ノードおよび配流チャネルの正確な構造により決まる。留意に値するのは、液体の短絡は、所与のモジュール中の液体を遮断するために有利に利用できることである。これは、場合によって、例えば検出目的のために有用であり得る。ちなみに、短絡の生成は、ウイッキング媒体に実装されたデバイスでは、該媒体の多孔性が本質的に通気を可能にするので、通常、問題とならない。

しかして、一般に、本デバイスは、短絡がノードを適切にプログラミングすることによってたとえ回避できても、または配流チャネル中の残存液体およびデバイスの構成によって防止できても、或るモジュールが、モジュール群のどれにでも（すなわち、別のモジュール、または同じモジュールにさえも）分岐することを可能にすることができる。

ここで、一般的状況では、短絡は必要でない。むしろ、図４のシナリオにおけるように、本デバイスは、通常、所与のモジュールが、前記所与のモジュールより前に活性化されることを意図されていない別個のモジュールに有効に分岐するように構成される。言い換えれば、本デバイスは、通常、モジュールのシーケンスに液体がうまく到着できるように構成（すなわちプログラム）される。これは、各配流チャネルがせいぜい１回だけ活性化されることに反映され、このことは液体の短絡に関する潜在的問題を排除する。

要約すれば、図１～１２に表されたようなデバイスは、初期時にインプット・マイクロチャネルｋ１０に導入された液体が１つ以上の順序対を通過することを可能にする。しかして、液体は、相別個のモジュールｋ４ｌのシーケンスを通過することができ、シーケンスは、マイクロ流体モジュールｋ４ｌの順序対を連鎖する。いずれの場合も、実際の液体パスは、ｍ×（ｍ＋１）個のノードの変更状態により決まる。繰り返すが、かかる実施形態は、文字通りに、マイクロ流体モジュールがプログラムされることを可能にする。

前にも述べたように、ノードｋ２０は、好ましくは、液体を停止させるか通過させるかのいずれか、すなわち、オン－オフ・スイッチとして効果的に作動するように構成される。好ましくは、本デバイスの各々のこれらマイクロ流体ノードは、それらがノードの第一（上部の）セットまたは追加セットのいずれに属するかに関わらず、（添付の図面で想定されているように）全てが同一ではないにせよ、全て機能的には類似である。これは、デバイスの設計およびプログラミングを簡明にする。ここで、ノードが差異化された別形を考えることができる。すなわち、ノードの一部はバイナリ・スイッチとして効果的に作動することができ、他のノードは、複雑な液体シーケンス生じさせるため、それらを通過する液体の相異なる流速を可能にするように、もっと精巧に構成することができる。さらに、図１３におけるように、或るモジュールは、２つの後続のモジュールに有効に分岐し、それを単一の相互連結ノードを介してできるように、２つ（以上）の放出ポートを有してよい。当然のことながら、多くの別形を考えることができる。

図１、４～１２に示されるように、本マイクロ流体デバイスｋは、好ましくは、クロスバ・スイッチ構成のノードを含む。すなわち、かかるデバイスは、ｍ個のノードｋ２０のｍ＋１個のセットを含み、これらは、ｍ×（ｍ＋１）個のノードのアレイとして配置され、クロスバ・スイッチ構成中の取入れチャネルと放出チャネルとの間に挿入される。つまり、このアレイは好ましくは矩形であり、しかして、図１および４～１２の例におけるように、ｍ個の列を形成する、各ｍ個のノードのｍ＋１個の認識可能な行のアレイを形成する。このアレイの各ノードは、ちょうど、電気クロスバ・スイッチが、相互接続線の交差パターンの各交差点にスイッチを含むように、水平のチャネルから垂直のチャネルに分岐する。かかるアレイに依拠することは、デバイスの設計を容易にし、さらに、それをより容易にプログラム可能にする。

ここで、図１～３の例において、前に述べたように、液体がインプット・チャネルｋ１０に中に途切れなく供給されているとすれば、ノードｋ２０のｍ個の追加セットおよび配流マイクロチャネルは、モジュールｋ４ｌの所与の１つによって排出された液体が、その後その同じモジュールに再浸入するのを通常は阻止する。だが、これは、マイクロ流体モジュールが、通常は一回使用されるように意図されているので、実際上はほとんど重要性はない。しかして、ノードが（図１または４で想定されているように）オン－オフ・スイッチとして作動するクロスバ・スイッチ構成において、これは対角のノードが実際上はほとんど使われず、事実上省略することが可能であろうことを意味する。

したがって、ｍ×（ｍ＋１）－ｍ＝ｍ^２の（すなわち、対角のノードが省かれている）クロスバ構成を含む実施形態を考えることができる。

同様に、一部のノードの連結は、特定の設計オプションに所以して、例えば、モジュールの特定の対を潜在的に連結しておくことが実際上は意味がないので、事前に除外することが可能である。この点に関し、マイクロ流体モジュールは、通常、相異なる機能を有することになる。マイクロ流体モジュールのセットは、とりわけて、光学検出チャンバ（デバイス中に、光学的検出を可能にするように構成される）、流体混合チャンバ、および反応チャンバの１つ以上を含んでよい。本デバイスは、少なくとも２つのモジュール、それどころか、これらは３、４、８個または、さらに多くのモジュールを含んでよい。

例えば、図１２のマイクロ流体テンプレートを考察すると、これは８つの別個のモジュールを含む。図１２の設計は、「万能型」マイクロ流体プラットフォームへの試みであり、これは、（上から下に）３つの直交のフロー・ミキサ５４１～５４３（例えば、米国特許出願公開第２０１６０２７９６３２（Ａ１）号で開示されている）、２つのマイクロ流体反応チャンバ５４４～５４５（それ自体周知）、ミキサ５４６（それ自体周知）、および２つの検出モジュール５４７～５４８（同様にそれ自体周知）を含む。かかるチップは、試薬組み入れステップの過程で、どの成分を用いるか選択して構成することが可能である。このチップ・テンプレートは、例えば、複合アッセイ、多段階反応などを実装するように構成することができる。

光学的検出のために、デバイスの（モジュールがある）片面は、好ましくは光透過性の（例えば透明な）カバーまたは蓋で被われる。但し、これらノードは、隠すことが可能である（透明なウィンドウの下ではない）。このようにすれば、ユーザは、目視の検査ではどのモジュールが活性化されているかを推測することができない。同様に、背面の（配流）チャネルも隠されてよい。

図１２の例に見られるように、モジュールの一部は、検出モジュール５４７～５４８など、類似の機能を有してよい。ここで、設計によって一部の連結を除外することが可能である（例えば、２つの検出チャンバを潜在的に連結するのは必要でないかもしれない）。さらに一般的には、モジュールの対の全てを潜在的に連結する必要はないかもしれない。この場合、ノードの追加セットは、各ｍ個より少ないノードを含めばよい。例えば、本デバイスが、各ｍ－１個のノードのｍ個の追加セットを含めばよく、前述したように、それで短絡を排除するようにすることが可能である。さらに一般的には、特定の対だけがノードによって潜在的に連結されてよい。

しかして、別の態様によれば、本マイクロ流体デバイスは、最小限、少なくとも２つのマイクロ流体モジュール、これに合わせて、少なくとも２つのノード（各々がインプット・マイクロチャネルをモジュールのそれぞれ１つ連結している）の第一セット、および少なくとも２つのノードの第二セットを含むデバイスとして具現化することができる。前記「第２セット」は、前述のｍ×（ｍ＋１）個のノード構成と比べて、低減されたノードの数（＜ｍ）のｍ個の追加セットによって形成された上位セットに対応する。第二セット中のノードは、別個のモジュールの順序対を潜在的に連結する。ここで、前述の実施形態と一貫して、第一および第二セットの各々の中のノードが相異なる液体ピンニング力を有するように、該第一セットおよび第二セット各々のノードのサブセットが変更されてよい。その結果として、インプット・マイクロチャネル中に導入された液体は、２つのマイクロ流体モジュールの少なくとも１つの順序対を通過する。実際に有効化されるシーケンスは、これも同様に、第一セットおよび第二セット各々のノード群の相異なる液体ピンニング力によって決まる。

しかしながら、本発明人らの観察では、潜在的連結の数の低減は、期待に反して、実際上はデバイスの設計を簡素化させるようにはならなかった。実際には、これは、万能型マイクロ流体チップの概念に問題を投げかけすらした。結局は、クロスバ・スイッチ構成におけるｍ×（ｍ＋１）個のノードによる設計を採用するのがおそらくはより簡明である。加えて、ｍ×（ｍ＋１）のクロスバ構成は、前に述べたように、例えば検出のために、短絡を利用しこれにより１つ以上のモジュール中の液体フローを停止させることが望まれることがある限りにおいて、より大きなフレキシビリティを可能にすることができる。

図１～３、７～１０に示されるように、本マイクロ流体デバイスｋのコンポーネントは、デバイスの別個の並列のレベルに沿って好ましくは配置される。レベルは、デバイスの一区画、すなわち、主プレーンに平行な区分部である。マイクロ流体デバイスがほぼ平行六面体の容積体であるとすれば、所与のレベルは、その容積の平行六面体の一区分部と見なすことができる。すなわち、デバイスがＮ（Ｎ＝２，３，・・・）のレベルを有する場合、そのデバイスは、高さｈの平行六面体の境界ボックスに適合すると見なすことができ、これは、Ｎ個の連続する高さｈ_ｉの平行六面体容積の区分部に、Σｈ_ｉ＝ｈになるように仕切ることが可能である。このデバイスのコンポーネントは、基本的には、これら容積区分部のどれか１つの中に延びることになる。

例えば、図１～３の破線および点線のパターンによって示されているように、インプット・マイクロチャネル１１０およびアウトプット・マイクロチャネル１１ｌはデバイスの第一（最上部）レベル上に画定され、配流マイクロチャネル１３ｌは第二（底部）レベル上に画定される。各レベルは、後記で図５～１０を参照して説明するように、それぞれの層によって、またはいくつかの層によって具現化することができる。さらに、後記で説明する理由によって、第一レベル（層）と第二レベル（層）との間には中間レベル（または層）が好ましくは含まれる。これらの配置は、横断型の３Ｄチャネル構成を可能にし、例えば、インプット・チャネルおよびアウトプット・チャネルの両方が、第一レベル上に、第一方向に平行して配置され、配流チャネルは、第二レベル上に、（第一方向を横断する）第二方向に平行して配置される。かかる横断チャネル構成は、設計対象のチャネルのよりコンパクトな配置を可能にし、それが、低減されたフットプリントのデバイスの達成を可能にする。横断チャネル構成は、ノードのクロスバ・スイッチ構成に依拠する実施形態において、とりわけ望ましい。

ここで、３Ｄ型ノードは、前に挙げた横断型の３Ｄチャネル構成を可能にするため、有利に依拠することができる。例えば、図２、３、９、および１０を参照すると、ｍ個のノードのｍ＋１個のセットのノードｋ２０の一部または（好ましくは）全部が、各々、取入れポート、キャビティ、ビア、および放出ポートを含む。

図２、３、または図９および１０に見られるように、デバイスｋの各ノードｋ２０のキャビティｋ２３は、キャビティｋ２３の上面をオープンにして、デバイスの第一レベル上に形成することができる。また取入れポートｋ２１もデバイスの第一レベル上に形成される。取入れポートｋ２１は、インプット・マイクロチャネルｋ１０（またはアウトプット・マイクロチャネルｋ１ｌの１つ）から分岐し、キャビティｋ２３にその進入部を介して連通する。放出ポートｋ２５は第二レベル上の配流マイクロチャネルｋ３ｌの１つに分岐する。次に、ビアｋ２４は、キャビティｋ２３が放出ポートｋ２５に連通するように、キャビティｋ２３から取入れポートｋ２１に延びる。ビアｋ２４は、通常、第一レベルと第二レベルとの中央プレーンに、すなわち、デバイスの第一レベルと第二レベルとの間の中間レベル内に垂直に延びる。放出ポートｋ２５は（図２、３、および１３におけるように）幾分複雑な構造を有してよく、あるいは、別形では、（図７～１０におけるように）ビアｋ２４の底部を区切る単なる開口として画定されてもよい。

さらに、キャビティｋ２３は、液体遮断素子ｋ２２を含むか、または別途に該素子によって閉切られる。この素子は、一般に、取入れポートｋ２１を満たした水性液体が、ノードの放出ポートｋ２５に到達するを阻止するように構成される。

キャビティｋ２３の上面がオープンであることは、作製を容易にし、例えば、図１の例におけるように、シリコン（Ｓｉ）基板の上部厚み中にキャビティ１２３およびインプット・マイクロチャネル１１０（図１～３）をエッチングすれば十分である。加えて、これは、上方からキャビティへの容易なアクセスを可能にし、これは、遮断素子を変更するのに必要な作業をやり易くする。例えば、（デバイスをカバーする前に）上部から、浸潤材料１２９をスポットしたり、または、ノードのピンニング力を低減するために液体遮断素子１２２を除去したりする（または別途に変更する）ことが可能である。単なるバイナリ・スイッチが望まれる場合、遮断素子は、単にキャビティ１２３を活性化してそれを通る液体の循環を可能にするように変更することができる。これは、最終的に水性液体がキャビティｋ２３に流入し、その後ノードｋ２０の放出ポートｋ２５に到達することを可能にする。

このようにして、変更可能な（例えば、活性化可能な、または不活性化可能な）多レベル・ノードが達成され、これは、キャビティｋ２３の遮断素子（群）変更状態に基づいて、３Ｄマイクロ流体回路を設定（および、おそらくは再設定）することを可能にする。図１または１１におけるようなノードのこの３Ｄ構成は、これを、横断チャネルを含む多レベル回路中での使用に適したものにする。

簡明化のため、図１～１２の例では、１つのノードは、一般に、１つのインプット・ポートおよび１つのアウトプット・ポートだけを有している。しかしながら、図１３に示されるように、１つのノードが、例えば、２つのアウトプット・ポートを有するもっと精巧な別形を考えることもできる。この場合、単一のノードの活性化が、２つのモジュールが同時に活性化をされることを可能にする。

図２～１２でさらに想定されているように、ビアｋ２４は、第一レベルと第二レベルとの間のデバイスの中間レベル上に延びる。ビアは、キャビティｋ２３の底部側（上部側の反対）から下方に放出ポートｋ２５へさらに延びる。かかる設計は、横断チャネルを備えたデバイスの作製を容易にする。実際上、このビアは、キャビティの底部側から開口すれば十分である。一方、外部レベルの間に中間レベルを組み込むことは、この中間レベルが相横断するチャネルの間の短絡を防止するので、相横断するチャネルを備えるデバイスの設計を容易にする。すなわち、この中間レベルは外側のレベルの間に延び、その上にチャネルｋ１０、ｋ１ｌ、およびｋ３ｌが設けられる。それぞれのレベルの相横断するチャネルは、通常、上部がオープンなので（これらは、材料層の上方厚み部に、例えば、エッチングし、作溝し、または別途に形成することができる）、中間レベルは、下部レベル上に画定されたチャネルを閉じ、上部レベル上に画定されたチャネルとの短絡を防止することを可能にする。

前述したようなノードの構造は、容易な複製が可能であり、しかして、複数のかかるノードを容易に得ることができ、デバイスの別個の諸レベル上の非平行チャネルとともにクロスバ・スイッチ構成で実装するのに特に適している。結局は、かかるノードは、相横断するチャネル構成とともに、本デバイスのフットプリントを低減することを可能にする。

図１～３および１３に表されたような実施形態において、液体遮断素子は、キャビティ１２３の進入部に形成されたピンニング構造体１２２である。ピンニング構造体１２２は、水性液体の液体充填の最前部をキャビティ１２３の進入部で停止させる（または少なくとも進入に抵抗する）ように構成される。これは、キャビティを活性化することをとりわけ簡単にする。実際は、ピンニング機能１２２が丁度キャビティの進入部に配置されているので、キャビティ中に空いて残された空間を、ノードのピンニング力を変更するために、浸潤材料１２９をスポットしたり、または別途にピンニング構造体１２２を変更したりするために便利に利用することができる。このピンニング構造体は、通常、その上方から変更することが可能である。さらに、このデバイスは、当該技術分野で通例のように、後の段階で、例えば、蓋を使って上側部の全てのオープンな構造体を被うことによって、シールすることができる。

図２、３または１４に示されているように、液体ピンニング構造体１２２は、キャビティ１２３の開き角θ_１によって好ましくは形成され、この角度は、好ましくは９０°～１６０°の間である。さらに、前述したように、疎水性の壁が使われるという条件で、この角度は６０°～９０°の間としてもよい。この開き角は、インプット・ポートでの液体の平均フロー方向（すなわち－ｙ沿い）と、キャビティ１２３の進入部の周辺の１つ以上の壁との間で測定され、図２に見られるように、かかる壁は、（ｘ，ｚ）に平行なプレーン中に延びる。例えば、この角度は９０°にする、すなわち、取入れポートが導かれる（液体の取入れ方向－ｙに垂直に延びる）直壁によって形成することができる。

もっと精巧な実施形態において、この角度は厳密に９０°より大きい（例えば、１１０°～１６０°の間）。全ての場合において、液体が前進接触角で取入れポートを満たす状況を考えると、拡張、すなわち、キャビティの入口での拡がりが、キャビティの中へのメニスカスの伝搬に抵抗する角度成分を加える。この角度に対してとりわけ適した値は１３５°である。

図２、３、および１３の例において、キャビティ１２３の進入部は、その深さ（ｚ沿いに測定）よりも小さい幅（ｘ軸沿いに測定）をさらに有する。進入部の各々の側方のキャビティの壁は、該進入部の幅に相当するギャップによって隔てられている。これにより前記壁は、キャビティ中に２つの対向する開き角θ_１を形成し、その各々の角度は、６０°～１６０°の間である。取入れポート１２１は、進入部がキャビティ中の中心に位置するように、例えば、キャビティ１２３の主軸（ｙ軸に平行）に沿って延びてよい。このようにして、２つの横方向エッジ１２２が、ギャップの各側に形成され、それが次に２つの開き角θ_１をもたらす。さらに、進入部の深さはその幅より大きいので、作動において、キャビティの進入部の外側に停止された液体は、毛細管作用による、すなわち、取入れポートのおよびキャビティの底部と反対側の蓋との両方の浸潤によっては、ピンニング・バリアに打ち勝つことができない。

最善は、進入部をキャビティ１２３の入口の中心に位置させることである。だが、諸別形において、この進入部横方向に（ｘに沿って）中心を外すことがあり、これは部分的な液体ピンニングだけをもたらし得る。他の別形では、液体を停止するために他のピンニング構造（柱状または他のマイクロ流体構造など）を含めてもよい。

図３に示されるように、図２のノードは、例えば、液体ピンニング構造体１２２にスポットされた浸潤材料１２９によって、容易に変更することができる。作動において、この浸潤材料は、液体ピンニング構造体１２２があっても、取入れポート１２１を満たしている水性液体が、放出ポート１２５に到達することを可能にする。浸潤材料１２９には、例えば、ピンニング構造体１２２の位置にスポットされた、浸潤化学材、浸潤マイクロ粒子、液体、ダイ、塩、または界面活性剤が含まれてよい。さらに一般的には、これは、（一旦乾燥された）残存材料が、水または水性溶液などの水性液体によって浸潤可能な任意の材料とすることができよう。

諸別形において、液体ピンニング構造体１２２は、液体が放出ポート１２５に到達することを可能にするために、（化学的変更の代わりに）物理的に変更することが可能である。例えば、キャビティの対向する進入部のエッジ１２２は、液体充填の最前部が進入部を通過しキャビティ１２３を浸潤できるように、開き角を滑らかにするための物理的変更をすることが可能である。但し、これは、通常、ノードの設計をより難しくする。

図２、３および１３の例において、キャビティはデフォルトで無効にされている（すなわちノーマリ・オフ）。この場合、（所望の、モジュールの順序対を有効にするために）活性化される必要のあるノードだけが変更されることになり、これは、上部がオープン（シーリングの前）になっているキャビティによって簡単に達成される。

図１～３に表されたような実施形態において、ノードの同じ（例えば水平方向になった）セット１２０のノードの取入れポート１２１は、相異なる流体力学的抵抗を有してよい。取入れポート１２１の幅、したがってキャビティの進入部の幅は、ノードのピンニング力に影響する。相異なる流体力学的抵抗の取入れポートを有することは、しかして、インプット・チャネル１１０から分岐しているか、またはアウトプット・チャネル１１ｌのどれかから分岐しているかどうかにかかわらず、同じセットのノードの変更された取入れポートに到達する液体の流速の違いを補償するために利用することが可能である。例えば、流体力学的抵抗は、とりわけ導管の幾何形状に依存するので、取入れポート１２１の幅もしくは長さまたはその両方を変えることができる。

図２、３および１４にさらに示されているように、ノード１２０の放出ポート１２５は、放出ポート１２５によって分岐された配流マイクロチャネル１３ｌ中の水性液体がビア１２４に到達するのを阻止するため、オプションとして液体フロー絞りバルブ１２６を含んでよい。このバルブ１２６は、配流チャネル中の液体がこのノードに浸入するのを阻止するために設けられる。すなわち、放出ポート１２５のバルブ１２６のピンニング力はフローの方向の如何による。入来フローに対しては、該バルブは、放出ポート１２６が分岐する接合部１３ｌＪのレベルに在るマイクロチャネル１３ｌの部分よりも高いピンニング力を有する。バルブ１２６は、例えば、キャビティの進入部にある液体ピンニング構造体１２２と同様に、分岐元の配流チャネル１３ｌから到来する液体フローに対し、２つの対向する開き角を形成することが可能である。

図２または３に見られるように、アウトプット・ポート１２５は、接合部１３ｌＪのレベルに在る配流チャネル１３ｌに分岐し、接合部は、好ましくは該接合部１３ｌＪの片側に流体フロー絞りバルブ１３ｌＣを含む。この追加バルブは、放出ポート１２５を通って排出される水性液体を方向－ｙに向かわせる。また一方、図２に見られるように、接合部の他の側から到来した水性液体はバルブ１３ｌＣを通り過ぎることが可能である。しかして、放出ポート１２５と第二マイクロチャネル１３ｌのバルブ１３ｌＣとはダイオードとして機能する。これは、ノードのカラムが同じ配流マイクロチャネルに分岐することを可能にする。一方で、バルブ１２６は、そのカラム中に既に存在する液体（これはおそらくより高い、活性化されたノードから来たもの）が、ノードに浸入するのを阻止する。

流体フロー絞りバルブ１３ｌＣは、図１３に表されているように、チャネル１３ｌの異なって形作られたセクションＳ１、Ｓ２によって形成される。第一セクションＳ１はテーパーされて第二セクションＳ２に導かれ、第二セクション中に開き角θ_２を設けるためにＳ２は第一セクションより大きな平均直径を有し、この角も同様に６０°～１６０°の間であってよい。開き角θ_２は、絞りバルブ辺りの放出チャネル１３ｌの長手方向主軸（ｙに平行）と、テーパー状のセクションＳ１が導かれる第二セクションＳ２の１つ以上の壁との間で測定される。しかして、第一セクションＳ１から来る流体フローは、第二セクションＳ２の進入部で停止され、反対方向から来る液体フローは、絞りバルブ１３ｌＣを通過することが可能である。

図１は、マイクロ流体構造体がシリコン・チップ中にエッチングされることを想定している。他の実施形態において、図５および６に示されるように、インジェクション・モールド技法を用いてポリマ・チップを作製することが可能である。さらに他の実施形態では、図７～１０で想定されているように、必要な様々な流路を形成するためのベースとして、ウイッキング媒体を用いてもよい。

図１および４は、シリコン中に作製され、４つのマイクロ流体モジュール（すなわち、この事例では空チャンバ、だが図４では、見易さのため黒の食用染料が堆積されている）を含む３Ｄマイクロ流体チップを表している。チャネルは、コア・シリコン・チップの各々の側にパターン取りされ、これらは、片側に、インプット・チャネル１１０、モジュール１４１～１４４および４つのアウトプット・チャネル１１１～１１４を、他方の側に、４つの配流チャネル１３１～１３４を含む。スルー・ビア１２４、１３１Ｖ～１３４Ｖは、片側から他方の側への流体連通を確実にする。２０個のルーティング・ノードが、流路に対する完全な制御を提供するために挿入されている。流路の表面は、浸潤表面を得るために、例えば、シラン処理（トリクロロ（オクチル）シラン）することができる。マイクロチャネルの深さは、約２０μｍである。このマイクロ流体構造体は、チップの両側を被うＰＤＭＳでカバーされる。かかるデバイスは、通常、１．５μｍ／分の流体流速を可能にする

図５～１０に示された実施形態において、マイクロ流体デバイスｋ（ｋ＝２、３、４）は、２つ、３つまたはそれ以上の層ｋ１～ｋ３を含み、これらの層は、前述したように、デバイスの２つ以上のレベルを具現化する。すなわち、デバイスの複数のレベルは、複数の層によって裏付けられる。但し、デバイスに含まれるレベルの数（通常は３つ）は、使われる材料層の実際の数と異なることがあり、後者の数は、実際に使われる作製方法の如何によってより多くも少なくもなり得ることに留意する。

詳しく言えば、図５～１０に示されたデバイスの各々は、同一構造を持つノードを有する。図６および７～１０において、インプット・チャネルｋ１０、ノードのアウトプット・チャネルｋ１ｌ、キャビティｋ２３、および取入れポートｋ２１は全て第一層ｋ１中に形成され、配流マイクロチャネルｋ３ｌは、第二層ｋ２中に形成される。図７～１０の設計では、付加的な中間層が必要である。さらに、図５におけるように、マイクロ流体チップは、単一回のインジェクション・モールド・ステップで形成することも可能である。しかして、本デバイスは、可能なカバー／キャッピング層は言うまでもなく、１つ、２つ、３つ（またはもっと多くの）材料の層を効果的に含むことができる。これと対照に、図１のデバイスは、基本的に、適切に構造化され、その後各々の側にキャップされた１つのシリコン層を含む。

図５では、２つのモールド・コンポーネントｍ１、ｍ２が依拠され、これらは適切に構造化され、これによれば、ポリマ・チップ２の直接作製を得るために単一回のインジェクション・モールド・ステップで十分である。すなわち、２つのモールド挿入体ｍ１、ｍ２はモールドのため同時に用いられる。モールド挿入体の１つｍ１は、２つの深さレベル、すなわち、マイクロチャネルを作製するための１つと、ビアを作製するための他の１つとを有する。

図６において、２つの層コンポーネント３１、３２は、２回のモールド挿入体ｍ１、ｍ２ａによって得られた合成のポリマ層である。図６のモールド挿入体ｍ１は、基本的には、図５の挿入体ｍ１と同じであり、ｍ２ａはｍ２の鏡面称対である。この例では、２回のインジェクション・モールド・ステップが必要となる。すなわち、底部層３２と上部層３１とは、モールド・コンポーネントの各対、ｍ１とｍ１ａと、およびｍ２ａとｍ２ｂとの間に材料を注入することによって、別々に作製される。次いで、合成層３１と３２とが接合される。すなわち、一方では上部層とビアとが、および他方では底部層が、２回の別個のモールド・ステップで、各単一のモールド挿入体を用いて別個に作製される。

図７～１１に示されたような実施形態において、（紙またはニトロセルロース材料などの繊維質／多孔性の媒体のような）ウイッキング媒体が、流路を形成するベースとして用いられる。流路の境界は、例えば、ワックス（すなわち、流路がワックス・プリントされる）などの疎水性材料によって形成すればよい。すなわち、インプット・チャネルおよびアウトプット・チャネル、ノード・キャビティおよび取入れポートは、上部層４１に画定され、配流チャネルは、下部層４２に画定される。

ここでは、ノード４２０のビア４２４は、第一層４１と第二層４２との間に配置された中間層４３Ａ、４３Ｂ中に形成される。中間層４３Ａ、４３Ｂは、第一層４１と第二層４２とを隔てる薄いポリマ・フィルムとして設けられてもよい。ビア４２４を画定し、しかして流体連通を可能にするために、このフィルム中のキャビティ４２３に対応する位置に開口を開けることができる。図７および８中でそれぞれ探求されているように、２つの異なるアプローチを考えることができ、これによれば、ノード４２０は、ノーマリ・オフにするか（図７、該図では薄いフィルム４３Ａが各キャビティ４２３のほとんどを下からシールしている）、またはノーマリ・オンにする（図８、該図では薄いフィルム４３Ｂがここでは各キャビティ４２３を開通させるためにパンチされている）ことが可能である。

たとえ、図１のシリコンまたは図５～６のポリマ材料に対して、図７～１１の例ではウイッキング媒体４１、４２が使われていても、図１、５～６と図７～８との比較は、それでも、デバイス１～４Ｂに対して、マイクロチャネルおよびキャビティの同様なパターンを達成することが可能であることを示している。例えば、図７～１１において、各キャビティ４２３は、デバイスの最上部レベル（層４１によって具現化されている）上に設けられている。また、キャビティ群は、最上層４１中にスルー・ホールとして（上側がはっきりとオープンするように）形成されている。取入れポート４２１は、第一層４１上の取入れマイクロチャネル４１０～４１４とそれぞれのキャビティとの間の接合部を形成する（図９、１０も参照）。放出マイクロチャネル４３１～４３４は、図７～１０中の層４２によって具現化される底部レベル中に設けられる。適切なポリマの薄いフィルム４３Ａ、４３Ｂが２つの層４１、４２の間に挿入される。パンチされた穴４２４、４３１Ｖ～４３４Ｖは、ビアの役割を果たす。ビア４２４の下部エッジは、キャビティの放出ポート４２５の役割を果たし、これらは、下部のマイクロチャネル４３１～４３４への流体連通を可能にする。

挿入されたフィルム４３Ａ、４３Ｂは、対応するノードを活性化するため（図７におけるように）選択された位置にだけパンチされてよい。すなわち、このデバイスはノーマリ・オフであり、この場合は選択されたノードが活性化される。図７の実施形態において、おいて、フィルム４３Ａの除去されない諸部分は、液体遮断素子の役割を果たし（図１１参照）、それらは対応するノードで液体を遮断する。

逆に、図８の実施形態では、フィルム４３Ｂは、デバイスがノーマリ・オンになるように、全てのノードの位置でパンチされている。これは、この例では、ノードのサブセットが不活性化される必要があることを意味する。この目的のため、液体遮断素子４２２をキャビティ中に加えることが可能である。この素子４２２は、例えば、キャビティ中に配置された変更可能な素子、例えば疎水性バリア４２２によって、またはキャビティを下からシールすることによって形成されてよい。この疎水性バリアは、例えば、キャビティ中に挿入された除去可能な物質（例えばワックス）とすることができる。

このとき、作製段階の過程で、自動化工程によって全てのキャビティを、かかる疎水性バリア４２２で組織的に満たすことが可能である。このようにして、デバイスをノーマリ・オフに作製することができる。その後で、マイクロ流体テンプレート・デバイスをカスタマイズしようとする技術者は、しかして、オンであることが実際に必要なノードだけがユーザによって変更される必要があるように、疎水性バリアの選択されたものを除去するだけでよい。一般に、例えばワックスなど容易に溶解、または適切な化学溶剤中で簡単に希薄化でき、その後に吸引できる、容易に除去可能な液体遮断素子４２２の使用を探求すればよい。

図１１は、図８によるデバイスの上面図を示す。また、図１１は、図７の設計から得られたと見なしてよく、この図では、黒色のディスクが、中間フィルム４３Ａの除去されなかった部分に対応する。目的とする用途、使われる材料、および不活性の（または不活性にされた）ノードに対する活性のノードの必要な比率に応じて、図７および８に示された２つのアプローチのうちの一方が、他方よりも適切となり得る。

図７および８のアプローチの両方とも、ワックス・パッチを随意に挿入でき、除去できるので、ノードの再設定を可能にする。図７のデバイス中では追加の穴を容易にパンチすることができ、必要な場合、ワックスを使ってそれらの穴の一部をシールすることも可能である。また、図１または４のデバイス中では、スポットされた化学材１２９を除去したり、位置変更したりすることができる。だが、図４中のチップの再設定は、図７および８に示されたデバイスを再設定するよりも難しい。

寸法に関しては、図１、４～６に描かれたデバイスは、好ましくは以下のように寸法設定される。インプット・マイクロチャネル、配流マイクロチャネル、およびアウトプット・マイクロチャネルの各々は、１０～１００μｍの間の深さを有する（この深さは図１の中の軸ｚ沿いに測定される）。全てのチャネル（取入れポートを含む）は、例えば約２０μｍであってよい。さらに、インプット・マイクロチャネル、配流マイクロチャネル、および取入れポートは同じ深さを有する。

（図１中の軸ｘまたはｙ沿いに測定された）諸チャネルの幅は、通常、１０～２００μｍ（好ましくは１０～２５μｍ）の間である。但し、流体連結においてチャネルの幅が重要な役割をするわけではない。取入れポートは、好ましくは５～５０μｍの間の幅を有する。さらに、ビアは、（ｘ，ｙ）に平行なプレーンで測定して、通常、２５～２００μｍ（好ましくは５０～１００μｍ）の間の平均直径を有する。
ビアのレベルでいかなる追加的な流体力学的抵抗も加わらないよう、そして流体連結を損なわないように、比較的大きなビアの直径が付与される。また、これは、付随してビアの作製を容易化する。ビアがその中に形成される中間層（群）の厚さは、機械的ロバストネスのため、通常、１ｎｍよりも大きくする必要があり、好ましくは１μｍよりも大きい。

かかる寸法は、通常、チップ、すなわち、そのコア・チップがシリコンまたはインジェクション・モールドの中に作製されるデバイスに適用される。ウイッキング媒体に依拠するデバイス（図７～１１）は、通常、寸法が異なることになろう。例えば、ワックス・プリントされたデバイスは、好ましくは、以下のように寸法設定される。ワックス・プリントされた横チャネル壁の（プレーン内）最小幅は、（プリントの後で）３００μｍ、および（熱処理の後はワックスが拡散するので）８５０μｍのオーダーであってよい。この深さは、ウイッキング媒体の厚さ（通常、１００μｍよりも大きい）によって決まる。チャネルの幅（すなわち、ワックス・プリントされた横壁の間のプレーン内間隔）は、例えば、熱処理の後で典型的には５０μｍの標準偏差で、１００μｍ～１０００μｍの間であってよい。モジュールのチャンバは、必要な場合、もっと広くてよい。

単純に作製されたノードのアレイが、どのような順序で液体が１つ以上のマイクロ流体モジュールを通過したかを判断する諸実施形態を説明してきた。好適な諸実施形態において、ノードのアレイは、固定されたノードの幾何学的配置を組み合わせることによって、およびノードのサブセット中に化学材を堆積することによって、フレキシブルな仕方でプログラムされる。かかるノードは、チップ作成の後で、例えば、単に化学材をスポットすることによって、有効な液体の流路が設定されるようにマイクロ流体チップを機能化するためにプログラムされる。しかして、相異なるマイクロ流体モジュールを包含する万能型マイクロ流体チップを考えることができる。特定のノードを活性化することによって、特定の必要のために用いることになるモジュールが決まる。

諸実施形態において、本明細書で説明したマイクロ流体デバイスは、テスト・デバイス、すなわち診断テスト用に一般的に構成されたデバイスとして実装することができる。すなわち、ｍ個のマイクロ流体モジュールの少なくとも１つは、前記診断テストを可能にするための試薬を含む流路を有する。診断テストは、医療診断に関し、さらに一般的には、問題または状態の原因または性質の判断または分析に関する。かかるテスト・デバイスは、例えば血中グルコース・メータなどのハンドヘルド・デバイス、とりわけ、１つまたは複数の検体（例えば、ホモシステイン、Ｃ反応性タンパク質、糖化ヘモグロビンまたはＨＢＡ１Ｃ、ＨＩＶ唾液アッセイ、心臓マーカに対するテスト、アレルゲンまたは遺伝子組み換え有機体を検出するためのテスト、殺虫剤および汚染物質を検出するためのテストなど）を検出するためのまたは妊娠テスト用の、ディップスティックまたはテスト・キットなど、携帯型とすることができる。さらに一般的には、これは、迅速診断テスト（ＲＤＴ：ｒａｐｉｄ ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｔｅｓｔ）デバイス、すなわち、迅速且つ容易な医療診断テストに用いられるデバイスの任意の種類であってよい。ＲＤＴデバイスは、通常、数時間以内またはそれ以下で結果を得ることを可能にする。これは、とりわけ、看護点（ＰＯＣ：ｐｏｉｎｔ－ｏｆ－ｃａｒｅ）テスト・デバイス、および市販（ＯＴＣ）のテスト具を含む。さらに、本明細書で理解されるテスト・デバイスは、医療診断を超えた、例えば、水中の毒素を検出するための分析などを行うためにも用いることができる。当業者なら理解できるように、かかるテスト・デバイスに対しては潜在的に数多の応用分野がある。

本発明を、限られた数の実施形態、別形、および添付図面を参照しながら説明してきたが、当業者には当然のことながら、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることが可能であり、等価物で置き換えることが可能である。具体的に、所与の実施形態、別形において述べられ、図面に示された（デバイス様のまたは方法様の）特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、別の実施形態、別形、または図面中の別の特徴と組み合わせまたはこれと置き換えることができる。上記の諸実施形態または別形のいずれかに関連して説明した特徴の様々な組み合わせは、したがって、添付の特許請求の範囲内に留まると考えることができる。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるため、本発明の範囲から逸脱することなく、多くのマイナーな修改を加えることが可能である。したがって、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことになると意図されている。さらに、上記で明示で触れたもの以外の多くの別形を考えることができる。例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ガラス、または金属ウエハなど、様々な材料をこれらマイクロ流体チップに用いることができよう。別の例として、当該技術分野で知られているように、受動型または能動型マイクロバルブを含む、他の種類のバルブを考えることもできよう。

Claims (23)

1. インプット・マイクロチャネルと、
   ｍ個の配流マイクロチャネルのセット（ｍ≧２）と、
   前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットとそれぞれ流体連通しているｍ個のマイクロ流体モジュールのセットと、
   ｍ個のノードのセットであって、前記ｍ個のノードのセットの１つ以上は、前記インプット・マイクロチャネルから分岐し、前記インプット・マイクロチャネルから前記ノードが分岐する前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つへの流体連通を確実にするために、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つにさらに分岐し、前記ｍ個のノードのセットがｍ個のノードの第一セットであり、前記ｍ個のノードの第一セットの１つ以上が、前記インプット・マイクロチャネルから分岐する、前記ノードのセットと、
   ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットであって、前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上が、前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットのそれぞれの１つ以上のアウトプットに連結する、前記アウトプット・マイクロチャネルのセットと、
   各ｍ個のノードのｍ個の追加セットであって、これによって、前記マイクロ流体デバイスは少なくともｍ個のノードのｍ＋１個のセットを含む、前記追加セットと、
   を含むマイクロ流体デバイスであって、
   前記ｍ個のノードのセットの一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なり、液体を導入する動作中に、前記ｍ個のノードのセット中の前記ノードが、前記液体連結の状態が異なることによって、前記インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上を通過する程度が異なる液体ピンニング力に基づいて変わるように、前記異なる液体ピンニング力を有し、
   前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの前記１つ以上が、ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットのそれぞれ１つ以上の前記ｍ個のノードのセットのそれぞれ１つ以上に分岐し、
   ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットの前記それぞれ１つ以上のｍ個のノードは、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つに分岐し、
   前記ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットの前記それぞれ１つ以上の前記ｍ個のノード一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なり、液体を導入する動作中に、前記ｍ個のノードのセット中の前記ノードは、前記液体連結の状態が異なることによって、前記インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上を通過する前記程度が、前記ｍ個のノードの前記第一セットおよびｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットのそれぞれ１つ以上の、異なる液体ピンニング力に基づいて変わるように、前記異なる液体ピンニング力を有する、
   マイクロ流体デバイス。
2. 前記ｍ個のノードのセットの前記サブセットが、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードと比べ変更され、前記ｍ個のノードのセットの前記１つ以上が、液体をそのノードに停止するか、もしくはそれを通って液体を通り過けさせる、
   請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記ｍ個のノードのセットの前記１つ以上が、液体をそのノードに停止するか、もしくはそれを通って液体を通過させるように設定される、
   請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
4. ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットの前記それぞれ１つ以上、および前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記それぞれ１つが、前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上によって排出された液体を、前記液体がその後に前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの同じ１つ以上に再浸入するのを効果的に阻止するように構成される、
   請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。
5. ｍ個のノードの前記ｍ＋１個のセットが、クロスバ・スイッチ構成で、ｍ×（ｍ＋１）個のノードのアレイに配置される、
   請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
6. 前記マイクロ流体デバイスが、第一レベルおよび第二レベルを含む、別個の平行なレベルを含み、
   前記インプット・マイクロチャネルおよび前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの両方が前記第一レベル上に画定され、一方、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットは前記第二レベルに画定される、
   請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
7. ｍ個のノードの前記ｍ＋１個のセットの前記ノードの少なくともサブセットが、各々、
   前記第一レベル上に形成されたキャビティであって、前記キャビティは上部側がオープンである、前記キャビティと、
   前記第一レベル上の取入れポートであって、前記取入れポートは、前記インプット・マイクロチャネル、または前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つから分岐し、前記キャビティの進入部を介して前記キャビティと連通している、前記取入れポートと、
   前記第二レベル上の前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つに分岐している放出ポートと、
   前記キャビティが前記放出ポートと連通するために、前記キャビティから前記放出ポートに延びているビアと、
   を含み、
   前記キャビティは、前記取入れポートを満たした水性液体が、前記放出ポートに到達するのを阻止するように構成された液体遮断素子を含む、
   請求項６に記載のマイクロ流体デバイス。
8. 前記ビアが、前記キャビティの底部側から下方に前記放出ポートへ、前記第一レベルと前記第二レベルとの間の前記マイクロ流体デバイスの第三レベル上に延び、前記キャビティの前記底部側は前記キャビティの上部側の反対側である、
   請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
9. 前記液体遮断素子は、前記キャビティの前記進入部に形成された液体ピンニング構造体であり、前記ピンニング構造体は、前記キャビティの前記進入部で前記水性液体の充填最前部を阻止するように構成される、
   請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
10. 前記液体ピンニング構造体は、前記キャビティの開き角θ_１で形成され、前記開き角が６０°～１６０°の間である、
    請求項９に記載のマイクロ流体デバイス。
11. 前記キャビティの前記進入部は、前記キャビティの深さより小さな幅を有し、
    前記進入部の各々の側の前記キャビティの壁は、前記幅に相当するギャップによって隔てられており、前記壁は、前記キャビティ中に２つの対向する開き角θ_１を形成し、前記開き角は、それぞれ６０°～１６０°の間である、
    請求項１０に記載のマイクロ流体デバイス。
12. 前記キャビティが、前記液体ピンニング構造体に関わらず、前記取入れポートを満たした前記水性液体が前記放出ポートに到達することを可能にするために、前記液体ピンニング構造体に配置された浸潤材料を含む、
    請求項９に記載のマイクロ流体デバイス。
13. 前記液体遮断素子は、前記キャビティ中に配置された変更可能な素子であるか、または、前記キャビティの前記上部側の反対側の前記キャビティの底部側のシーリングである、
    請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
14. ノードの同じセットの２つのノードの取入れポートが異なる流体力学的抵抗を有する、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
15. 前記放出ポートが、前記放出ポートによって分岐された前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセット中の、水性液体が前記ビアに到達するのを阻止するために、流体フロー絞りバルブを含む、
    請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
16. 前記放出ポートは、接合部のレベルで前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記それぞれ１つに分岐し、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記それぞれ１つが、前記放出ポートを通して排出される水性液体を前記接合部の前記レベルで１つの側から前記接合部の前記レベルでその反対側に延びる方向に向けさせるために、前記接合部の前記レベルで前記１つの側に流体フロー絞りバルブを含む
    請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
17. 前記接合部の前記レベルの１つの側の前記流体フロー絞りバルブは、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記それぞれ１つの、第一セクションおよび第二セクションによって形成され、
    前記第一セクションはテーパー状にされ前記第二セクションに導かれ、前記第二セクションは、前記第二セクション中に開き角θ_２を設けるために、前記第一セクションより大きな平均直径を有し、この角度は６０°～１６０°の間である、
    請求項１６に記載のマイクロ流体デバイス。
18. 前記インプット・マイクロチャネルと、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記１つ以上と、前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの前記１つ以上とが、１０～１００μｍの間の深さを有し、
    前記インプット・マイクロチャネルと、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記１つ以上と、前記取入れポートとが、同じ深さを有し、
    前記取入れポートが、５～５０μｍの間の幅を有し、且つ
    前記ビアが、前記第二レベルから前記第一レベルの中央プレーンに平行に測定して、２５～２００μｍの間の平均直径を有する、
    請求項１４に記載のマイクロ流体デバイス。
19. 前記マイクロ流体デバイスが少なくとも２つの層を含み、
    前記インプット・マイクロチャネルと、前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの前記１つ以上と、前記キャビティと、前記取入れポートとが、全て、前記少なくとも２つの層の第一層中に形成され、一方、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの前記１つ以上は、前記少なくとも２つの層の第二層に形成される、
    請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
20. 前記ビアが、前記少なくとも２つの層の前記第一層と前記少なくとも２つの層の前記第二層との間の、前記マイクロ流体デバイスの中間層の中に形成される、
    請求項１９に記載のマイクロ流体デバイス。
21. インプット・マイクロチャネルと、
    ｍ個の配流マイクロチャネルのセット（ｍ≧２）と、
    前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットとそれぞれ流体連通しているｍ個のマイクロ流体モジュールのセットと、
    ｍ個のノードのセットであって、前記ｍ個のノードのセットの１つ以上は、前記インプット・マイクロチャネルから分岐し、前記インプット・マイクロチャネルから前記ノードが分岐する前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つへの流体連通を確実にするために、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つにさらに分岐する、前記ノードのセットと、
    を含むマイクロ流体デバイスであって、
    前記ｍ個のノードのセットの一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なり、液体を導入する動作中に、前記ｍ個のノードのセット中の前記ノードが、前記液体連結の状態が異なることによって、前記インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上を通過する程度が異なる液体ピンニング力に基づいて変わるように、前記異なる液体ピンニング力を有し、
    前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットが、
    光学的検出を可能にするための光学的検出チャンバと、
    流体混合チャンバおよび反応チャンバの一方または両方と、
    を含む、マイクロ流体デバイス。
22. インプット・マイクロチャネルと、
    ｍ個の配流マイクロチャネルのセット（ｍ≧２）と、
    前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットとそれぞれ流体連通しているｍ個のマイクロ
    流体モジュールのセットと、
    ｍ個のノードのセットであって、前記ｍ個のノードのセットの１つ以上は、前記インプット・マイクロチャネルから分岐し、前記インプット・マイクロチャネルから前記ノードが分岐する前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つへの流体連通を確実にするために、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つにさらに分岐する、前記ノードのセットと、
    を含むマイクロ流体デバイスであって、
    前記ｍ個のノードのセットの一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なり、液体を導入する動作中に、前記ｍ個のノードのセット中の前記ノードが、前記液体連結の状態が異なることによって、前記インプット・マイクロチャネル中に導入された液体が前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上を通過する程度が異なる液体ピンニング力に基づいて変わるように、前記異なる液体ピンニング力を有し、
    ｍ≧３である、前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの各々が、
    光学的検出モジュール中の検体の光学的検出を可能にするため、前記マイクロ流体デバイス中に構成された前記光学的検出モジュールと、
    １つ以上の流体混合モジュールと、
    反応モジュールと、
    を含む、マイクロ流体デバイス。
23. マイクロ流体デバイスをプログラムする方法であって、
    マイクロ流体デバイスを用意するステップであって、前記マイクロ流体デバイスが、
    インプット・マイクロチャネルと、
    ｍ個の配流マイクロチャネルのセット（ｍ≧２）と、
    前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットとそれぞれ流体連通しているｍ個のマイクロ流体モジュールのセットと、
    前記インプット・マイクロチャネルから分岐し、前記インプット・マイクロチャネルからノードが分岐する前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットへの流体連通を確実にするために、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットの１つの配流マイクロチャネルにさらに分岐し、ｍ個のノードの第一セットであり、前記ｍ個のノードの第一セットの１つ以上が、前記インプット・マイクロチャネルから分岐する、ｍ個のノードのセットと、
    ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットであって、前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの１つ以上が、前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットのそれぞれの１つ以上のアウトプットに連結する、前記アウトプット・マイクロチャネルのセットと、
    各ｍ個のノードのｍ個の追加セットであって、これによって、前記マイクロ流体デバイスは少なくともｍ個のノードのｍ＋１個のセットを含む、前記追加セットと、
    を含み、
    前記ｍ個のノードのセットの一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なり、
    前記ｍ個のアウトプット・マイクロチャネルのセットの前記１つ以上が、ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットのそれぞれ１つ以上の前記ｍ個のノードのセットのそれぞれ１つ以上に分岐し、
    ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットの前記それぞれ１つ以上のｍ個のノードは、前記ｍ個の配流マイクロチャネルのセットのそれぞれ１つに分岐し、
    前記ｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットの前記それぞれ１つ以上の前記ｍ個のノード一部であるサブセットと、前記ｍ個のノードのセットの残りのノードの液体連結の状態が異なる、前記用意するステップ、および
    液体を導入する動作中に、前記液体連結の状態が異なることによって、前記インプット・マイクロチャネルに導入された液体が前記ｍ個のマイクロ流体モジュールのセットの１つ以上に到達する程度が、異なる液体ピンニング力に基づいて変わるように、前記ｍ個のノードのセットが前記異なる液体ピンニング力を有し、前記ｍ個のノードの前記第一セットおよびｍ個のノードの前記ｍ個の追加セットのそれぞれ１つ以上が異なる液体ピンニング力を有するように、前記ｍ個のノードのセットの一部であるサブセットを変更するステップ、
    を含む、方法。

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