(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を混合するための拡張可能な密閉ボリュームと、
前記拡張可能な密閉ボリュームにおける混合を可能にする可撓性メンブレンと、
を有するマイクロフルイディクスシステムであって、前記マイクロフルイディクスシステムが更に、
表面の第１の側を、該表面の第２の側の前記拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する複数のチャネルを具える該表面を有し、
前記複数のチャネルは、１の拡張可能な密閉ボリュームに結合され、
前記複数のチャネルの各々が、前記表面の前記第１の側を当該チャネルに流体工学的に結合する第１のチャネル開口と、当該チャネルを前記拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する第２のチャネル開口と、を有し、
前記拡張可能な密閉ボリュームは、前記拡張可能な密閉ボリュームに流体がない場合に前記第２のチャネル開口を閉じる前記可撓性メンブレンによって規定され、
前記複数のチャネルのうち少なくとも１つが指向性バルブを有し、前記指向性バルブは、流体が当該チャネルを通って前記拡張可能な密閉ボリュームに入ることを可能にし、流体が当該チャネルを通って前記拡張可能な密閉ボリュームから去ることを防ぐように構成される、マイクロフルイディクスシステム。
【請求項２】
前記可撓性メンブレンは前記第２のチャネル開口をカバーする、請求項１に記載のマイクロフルイディクスシステム。
【請求項３】
前記可撓性メンブレンが弾性である、請求項１又は２に記載のマイクロフルイディクスシステム。
【請求項４】
前記チャネルのジオメトリは、混合を改善するように適応されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロフルイディクスシステム。
【請求項５】
前記拡張可能な密閉ボリュームは、混合を改善するための構造を有する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のマイクロフルイディクスシステム。
【請求項６】
前記可撓性メンブレンは、混合を改善するように予め成形されている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のマイクロフルイディクスシステム。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のマイクロフルイディクスシステムを有する装置。
【請求項８】
前記装置がカートリッジであり、前記カートリッジは、該カートリッジと共に機能する器具に挿入可能である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記装置が、分子診断用の装置である、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
流体を混合する方法であって、
マイクロフルイディクスシステムを準備するステップであって、前記マイクロフルイディクスシステムが、表面の第１の側を、該表面の第２の側の拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する複数のチャネルを具える該表面を有し、前記複数のチャネルは、１の拡張可能な密閉ボリュームに結合され、前記複数のチャネルの各々が、前記表面の前記第１の側を当該チャネルに流体工学的に結合する第１のチャネル開口と、当該チャネルを前記拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する第２のチャネル開口と、を有し、前記拡張可能な密閉ボリュームが、前記拡張可能な密閉ボリュームに流体がない場合に前記第２のチャネル開口を閉じる可撓性メンブレンによって規定され、前記複数のチャネルのうち少なくとも１つが指向性バルブを有し、前記指向性バルブは、流体が当該チャネルを通って前記拡張可能な密閉ボリュームに入ることを可能にし、流体が当該チャネルを通って前記拡張可能な密閉ボリュームから去ることを防ぐように構成される、ステップと、
前記表面の前記第１の側から前記拡張可能な密閉ボリュームに流体を輸送して、前記拡張可能な密閉ボリュームを拡張するステップと、
前記輸送された流体を、前記拡張可能な密閉ボリュームから前記表面の前記第１の側に戻して、前記拡張可能な密閉ボリュームをその元のボリュームに戻すステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記流体の前記輸送及び戻しは、所望のレベルの混合を達成するのに必要な回数繰り返される、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
−流体を混合するための拡張可能な密閉ボリュームと、
−拡張可能な密閉ボリュームにおける混合を可能にする可撓性メンブレンと、
を有するマイクロフルイディクスシステムに関する。
【０００２】
本発明は更に、このようなマイクロフルイディクスシステムを有する装置に関する。
【０００３】
本発明は更に、このようなマイクロフルイディクスシステムを使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
上述したマイクロフルイディクスシステムの１つの具体例は、米国特許出願公開第２００５／００１９８９８Ａ１号明細書から知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この文書は、２つのダイアフラム領域を含むチャンバを有する流体混合装置を記述している。ダイアフラム領域は、チャンバ内の流体の動きを生成するために、２つの混合ブラダの膨張及び収縮によって、チャンバを出入りする。混合は、混合ブラダ及びダイアフラム領域を動作させることによって得られる流体の動きによってもたらされる。混合は改善されることができるが、混合ブラダ及び混合ブラダを膨張させ収縮させるための関連する手段がボリュームを占有することは、既知の装置の欠点である。流体は、別の流体（空気）と置き換わることを除いては、混合チャンバから除去されることができず、これは、別の流体源及び付加の密閉手段を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、混合特性を改善するマイクロフルイディクスシステムを提供することである。本発明によれば、この目的は、請求項１に記載のマイクロフルイディクスシステムによって実現される。
【０００７】
本発明は、１又は複数の流体が、可撓性メンブレンによって閉じられた拡張可能な密閉ボリュームに入るために通るチャネルを有することにより、混合されるべき流体がチャネルを通って拡張可能なボリュームに輸送される際、無秩序なフローパターンが、拡張可能なボリューム内のメンブレンの近傍に生成されるという認識に基づく。無秩序なフローパターンは、拡張可能なボリュームに入る流体の効果的な混合をもたらす。本発明は、拡張可能な密閉ボリュームに入る単一の流体を均質化し、又は２又はそれ以上の異なる流体を混合することを可能にする。本発明に関して、均質化及び混合は、混合という語によって示される単一の概念として考えられる。好適な実施形態において、拡張可能なボリュームが流体で満たされる際のメンブレンの拡張の結果として可撓性メンブレンに生じる張力は、流体が拡張可能なボリュームに入るために通るチャネルの方へ、流体を押し戻す傾向がある。流体を押し戻すこの傾向のため、外部アクチュエーションは要求されない。しかしながら、外部アクチュエーションは、可撓性メンブレンの有無にかかわらず適用されることができる。拡張可能なボリュームを充填すること及び空にすることは、混合の特定の品質のために要求されるのに必要な回数繰り返されることができ、充填の程度は必要に応じて変更されることができる。従って、同じ設計が、アプリケーションに依存して、それぞれ異なるボリュームについて使用されることができる。
【０００８】
その結果、本発明によるマイクロフルイディクスシステムは、上述の従来技術において得られる混合と比較して、改善された混合を提供する。更に、本発明は、リザーバ、流体を動かすことによって移動されるガスの排出、又は追加のボリュームを必要としない。密閉ボリュームを拡張可能にすることによって、追加のボリュームが要求されず、すべての流体が、排出なしに又は移動する流体を使用して、システムへ回復されることができる。
【０００９】
本発明の付加の利点は、本発明による装置がコンパクトであることである。流体が、拡張可能な密閉ボリュームにない場合、デッドボリュームは本質的にゼロである。
【００１０】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの一実施形態は、可撓性メンブレンが第２のチャネル開口をカバーするという点で特徴付けられる。
【００１１】
この実施形態は、拡張可能なボリュームが、可撓性メンブレンによって完全に規定され、それにより、本発明によるマイクロフルイディクスシステムの簡素で容易なアセンブリを可能にするという利点を有する。代替として、可撓性メンブレンは、第２のチャネル開口のチャネル内に位置しうる。
【００１２】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、可撓性メンブレンが弾性であるという点で特徴付けられる。
【００１３】
この実施形態は、メンブレンが拡張の際に、拡張可能なボリュームから液体を押し出す傾向をもつ力を生成するという利点を有する。これは、（単一サイクルの）混合の後、拡張可能なボリュームから流体を除去するために、流体の別個のアクチュエーションが絶対に必要というわけではないことを意味する。
【００１４】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、マイクロフルイディクスシステムが拡張可能な密閉ボリュームに通じる複数のチャネルを有するという点で特徴付けられる。この実施形態は、それが単一チャネルを用いて達成できるフローパターンとは異なる無秩序なフローパターンを可能にするという利点を有する。
【００１５】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、複数のチャネルのうち少なくとも１つのチャネルが指向性バルブを有するという点で特徴付けられる。
【００１６】
この実施形態は、指向性バルブを有する拡張可能な密閉ボリュームに表面の第１の側を流体工学的に結合する複数のチャネルのうちすべてではなく少なくとも１つが、流体が拡張可能なボリュームに入るために通った経路とは異なる経路に沿って、拡張可能なボリュームから流体を排出することによって、混合の改善を可能にするという利点を有する。
【００１７】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、チャネルのジオメトリが混合を改善するように適応されるという点で特徴付けられる。
【００１８】
この実施形態は、それが混合の改善を可能にするという利点を有する。混合を改善するためのよく知られた構造は、流れの向きに依存して、流動場の回転をもたらすいわゆるヘリングボーン構造である。
【００１９】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、拡張可能な密閉ボリュームが混合を改善するための構造を有するという点で特徴付けられる。
【００２０】
この実施形態は、それが混合の改善を可能にするという利点を有する。ヘリングボーン構造のような構造（上述の実施形態を参照）と任意に組み合わせられることができる可能性は、チャネルの拡張された開口として機能するチャンバの下部の１又は複数の溝によって形成される。
【００２１】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムの他の実施形態は、可撓性メンブレンが混合を改善するために予め成形されるという点で特徴付けられる。
【００２２】
この実施形態は、それが混合の改善を可能にするという利点を有する。予め成形された可撓性メンブレンの一実施形態は、蛇腹とも呼ばれる折り畳まれたバッグのように予め成形されたメンブレンである。更に、メンブレンは、それが、拡張可能な密閉ボリュームに流体を運ぶ１又は複数のチャネルの１又は複数の開口に関して非対称であるという意味において予め成形されることもできる。
【００２３】
本発明の目的は、更に、上述の実施形態の任意のものによるマイクロフルイディクスシステムを有する装置によって実現される。
【００２４】
本発明によるマイクロフルイディクスシステムを有する装置は、上述の実施形態の任意のものから利益を得る。
【００２５】
本発明による装置の実施形態は、装置がカートリッジであり、カートリッジが、カートリッジと共に機能する器具に挿入可能であるという点で特徴付けられる。
【００２６】
この実施形態は、カートリッジが例えば分子診断において使用される流体の混合を要求するという利点を有する。その結果、本発明によるマイクロフルイディクスシステムを有するカートリッジが、本発明の上述の実施形態の任意のものから利益を得る。
【００２７】
本発明による装置の他の実施形態は、装置が分子診断用の装置であるという点で特徴付けられる。
【００２８】
この実施形態は、分子診断用の装置が流体の混合を要求することができるという利点を有する。従って、上述の実施形態によるカートリッジを有する可能性のあるこのような装置は、本発明の上述の実施形態の任意のものから利益を得る。
【００２９】
本発明の目的は更に、流体を混合する方法であって、
−マイクロフルイディクスシステムを準備するステップであって、マイクロフルイディクスシステムが、表面の第１の側を、表面の第２の側の拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する少なくとも１つのチャネルを具える該表面を有し、チャネルが、表面の第１の側をチャネルに流体工学的に結合する第１のチャネル開口と、チャネルを拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合する第２のチャネル開口と、を有し、拡張可能なボリュームが、拡張可能なボリュームに流体がない場合に第２のチャネル開口を閉じる可撓性メンブレンによって規定される、ステップと、
−表面の第１の側から拡張可能な密閉ボリュームに流体を輸送して、拡張可能な密閉ボリュームを拡張するステップと、
−輸送された流体を、拡張可能な密閉ボリュームから表面の第１の側に戻して、拡張可能なボリュームをその元のボリュームに戻すステップと、
を含む方法によって実現される。
【００３０】
本発明による方法の実施形態は、流体を輸送するステップ及び戻すステップが、所望のレベルの混合を達成するために必要とされる回数繰り返されるという点で特徴付けられる。
【００３１】
この実施形態は、所望のレベルの混合が達成されるまで、混合が複数の混合サイクルを経験することによって繰り返されることができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示す図。
【図２】複数のチャネルを有する、本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示す図。
【図３】指向性バルブを有する、本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示す図。
【図４】本発明による方法の一実施形態を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示している。図１ａは、本発明によるマイクロフルイディクスシステム１の側面図を概略的に示している。マイクロフルイディクスシステム１は表面５を有し、表面５は、第１の側１０及び第２の側１５を有する。表面５は更に、チャネル２０を有する。チャネル２０は、表面５の第１の側１０をチャネル２０に流体工学的に結合する第１のチャネル開口２５を有する。チャネル２０は更に、チャネル２０を拡張可能な密閉ボリューム３５に流体工学的に結合する第２のチャネル開口３０を有する。メンブレン４０は、第２のチャネル開口３０をカバーし、拡張可能なボリューム３５を規定する。代替として、バルーンのように拡張することが可能であって、第２のチャネル開口３０のところに又は開口３０内（図示せず）に位置付けられるメンブレンが、無秩序なフローを生成するために適切である。マイクロフルイディクスシステム１は更に、混合されるべき流体を、チャネル２０及び拡張可能な密閉ボリューム３５の方へ輸送するためのチャネル４５を有する。図１は、流体がチャネル４５及びチャネル２０を通って拡張可能な密閉ボリューム３５の方へ輸送される時点でのマイクロフルイディクスシステム１を示している。拡張可能な密閉ボリューム３５に入った後、流体は、無秩序なフローパターンでフローする。これは、チャネル２０の通過及びメンブレン４０の影響の結果であり、それにより、流体が、拡張可能なボリューム３５によって占有されるボリュームに広がるようにする。無秩序なフローパターンは、矢印５０によって示される。無秩序なフローパターンは、チャネルから事実上無限のチャンバへ遷移する際の延伸的な流動場によってもたらされる。流体がチャネルを出て拡張可能なボリュームに一旦入ると、主なフロー方向が変えられると同時に、チャネル内の主なフロー方向に対し垂直な方向に拡張する、拡張可能なボリュームは、無秩序なフローパターンを生成するのに適している。これは特に、拡張可能なボリュームに通じるチャネルの開口が拡張可能なボリュームの対称軸に配されない場合にあてはまる。チャネルの直径の約１０倍の直径を有するメンブレンは、特に、拡張された状態の拡張可能なボリュームの高さがチャネル高さより５〜１０倍高い場合に無秩序なフローを生成するのに適している。本発明のすべての実施形態に当てはまるように、第１の側１０を拡張可能なボリューム３５に流体工学的に結合する１又は複数のチャネル２０は、混合を改善するために適応されうる。チャネル２０は例えば１又は複数の突出部（図示せず）を有することができる。チャネルを流れる流体は、突出部に沿って移動しなければならず、その結果、混合は、図１ａに示される本発明の基本的な実施形態と比べて、改善される。別のオプションは、表面上の拡張可能な密閉チャンバ内に、可撓性メンブレンと向き合う構造を有することである。このような構造は、流体フローに、ゆえに混合に影響を与える。このような構造は、可撓性メンブレンの拡張に関して非対称性を生じさせるために使用されることができる。更に、構造は、同様に使用されることができるヘリングボーン構造のようなものである。上述のオプションは、任意の組み合わせにおいて使用されてもよい。
【００３４】
図１ｂは、図１ａと同じ機構を示している。しかしながら、本図には、流体が、拡張可能な密閉ボリューム３５から出てチャネル２０及びチャネル４５を通って流れる時点でのマイクロフルイディクスシステム１が示されている。流体が、拡張可能なボリューム３５から流れ出るにつれて、ボリュームのサイズが低減される。図において、これは、メンブレン４０がほぼ直接的に第２のチャネル開口３０上にあるという事実によって説明される。これは、流体が拡張可能な密閉ボリューム３５にない場合に、ボリューム３５によって占有される空間が本質的にゼロであることを示す。従って、本発明による混合装置は、ほぼゼロのデッドボリュームを有する。それゆえ、装置はコンパクトである。更に、本発明によるマイクロフルイディクスシステム１は、高価な材料又はアクチュエーション手段を要求しない。その結果、本発明によるマイクロフルイディクスシステム１は、安価に製造されることができる。
【００３５】
図１ｃは、図１ａに示される機構の上面図を示している。混合されるべき流体は、チャネル４５及びチャネル２０を通って拡張可能な密閉ボリューム３５の方へ輸送される。拡張可能なボリューム３５内部の流体の影響下において、メンブレン４０は、矢印５５によって示されるように拡張する。メンブレン４０の機械的特性は、エラストマから粘弾性まで、要求に依存して変えられることができる。非エラストマの設計においては、拡張可能なボリューム３５に入ってくる流体の影響下においてメンブレン４０の拡張は、チャネル２０の方へ流体を押し戻す、流体に対するメンブレン４０の合成力を生じさせない。その場合、流体の別個のアクチュエーションが、拡張可能なボリューム３５から流体を除去するために必要とされる。しかしながら、メンブレン４が弾性である場合、メンブレン４０の拡張は、結果的に、メンブレン４０の合成力を流体に生じさせ、流体をチャネル２０の方へ押し戻す。その場合、拡張可能なボリューム３５から流体を除去するために、別個のアクチュエーションが絶対に必要というわけではない。
【００３６】
図２は、複数のチャネルを有する本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示している。本図のほとんどの構成要素は、図１に示される構成要素と同じである。同じ構成要素は、同じの参照符号を与えられている。しかしながら、本図において、本発明によるマイクロフルイディクスシステム１は、表面５の第１の側１０を、拡張可能な密閉ボリューム３５に流体工学的に結合する複数のチャネル２０ａ−ｄを有する。複数のチャネルを有することは、混合効果を向上させる。それぞれ異なるチャネル２０ａ−２０ｄは、任意には、（本図のチャネル４５のような）それぞれ異なる供給チャネルに接続されることができ、異なるソース（本図に示されない）から来る流体の混合を可能にする。その場合、本図のチャネル４５のような１又は複数のチャネルが、本発明による装置に存在し、それらのチャネルの１又は複数が、本図のチャネル２０ａ−２０ｄのように、拡張可能なボリュームに結合される１又は複数のチャネルに結合される。言い換えると、単一の供給チャネルは、拡張可能な密閉ボリューム（図示せず）に流体を運ぶ複数のチャネルに接続されることができる。その場合、単一の供給チャネルは、分岐して、拡張可能な密閉ボリュームに流体工学的に結合される複数のチャネルに入る。複数のこのような供給チャネルが存在しうる。要するに、１つの選択肢は、単一の供給チャネル４５が分岐して、拡張可能なボリューム３５に結合される複数のチャネル２０ａ−２０ｄに入る本図の「シャワーヘッド」構造を有することである。別のオプションは、複数の供給チャネル４５を有することである。それらの複数の供給チャネル４５の１又は複数が分岐して、複数のチャネル２０ａ−２０ｄに入ることができる。
【００３７】
図３は、指向性バルブを有する本発明によるマイクロフルイディクスシステムを概略的に示している。本図のほとんどの構成要素は、図２に示される構成要素と同じである。同じ構成要素は、同じ参照数字を与えられている。しかしながら、本図において、チャネル２０ａ及びチャネル２０ｄは、各々、指向性バルブを有する。チャネル２０ａは、指向性バルブ６０ａを有し、チャネル２０ｄは、指向性バルブ６０ｄを有する。本実施形態において、指向性バルブは、流体が拡張可能なボリュームに流入する際に開き、流体が逆方向に流れる際に閉じる、可撓性メンバ（フラップ）として設計されている。指向性バルブの別の例は、流体が一方向に流れることを可能にし、流体圧力が逆方向を向く際に閉じる、空洞内のボールによって形成される。指向性バルブのこれら及び他の例は、当業者に知られている。指向性バルブ６０ａ及び６０ｄの結果として、流体は、チャネル２０ａ及びチャネル２０ｄを通って拡張可能なボリューム３５に入ることができる。しかしながら、流体は、同じチャネルを通って拡張可能なボリューム３５を去ることができない。１又は複数のチャネル２０（図１及び図２参照）を使用することによって、及び／又はすべてではないが１又は複数のチャネル２０（本図を参照）の指向性バルブを使用することにより、それ自体の混合特性を各々が具えるそれぞれ異なるフローパターンが、達成されることができる。特定のアプリケーションの混合要求や複数のチャネル２０又は指向性バルブ６０の望ましさ又は入手しやすさに依存して、適切な設計が選択されることができる。
【００３８】
図４は、本発明による方法の実施形態を概略的に示している。ステップ６５において、本発明の実施形態の任意のものによるマイクロフルイディクスシステムが準備される。次に、ステップ７０において、混合されるべき流体が、拡張可能な密閉ボリュームの方へ及びその中に輸送される。拡張可能なボリュームに入ってくる流体の影響下で、拡張可能なボリュームが拡張する。流体がチャネルを通じて拡張可能なボリュームに入るので、拡張可能なボリュームを規定する可撓性メンブレンの存在のため、無秩序なフローパターンが、拡張可能なボリューム内部に構成され、その結果、流体の混合を生じさせる。可撓性メンブレンの弾性特性に起因する合成力の影響下で又は別個のアクチュエーションの影響下で、流体は、拡張可能なボリュームから戻される。これは、ステップ７５において行われる。この発明による方法の一実施形態により、ステップ７０及びステップ７５は、要求されるレベルの混合を達成するのに必要な回数繰り返されることができる。本図において、これは、破線の矢印８０によって示されている。
【００３９】
上述した実施形態は、本発明を制限するものではなく、説明するものであり、当業者であれば、添付の請求項の範囲を逸脱することなく多くの代替の実施形態を設計することが可能であることに注意すべきである。請求項において、括弧の中に置かれる任意の参照符号は、請求項を制限するものとして解釈されるべきでない。「含む、有する(comprising)」という語は、請求項に列挙されるもの以外の構成要素又はステップの存在を除外しない。構成要素に先行する「a」又は「an」という語は、このような構成要素の複数の存在を除外しない。幾つかの手段を列挙するシステム請求項において、これらの手段の幾つかは、コンピュータ可読ソフトウェア又はハードウェアの同じ１つのアイテムによって具体化されることができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。
【図１ａ】
0005551763.tif 000002
【図１ｂ】
0005551763.tif 000003
【図１ｃ】
0005551763.tif 000004
【図２】
0005551763.tif 000005
【図３】
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【図４】
0005551763.tif 000007