(57)【要約】  モジュール式で再構成可能な多段型マイクロ反応器カートリッジ装置は、マイクロ反応器などの複数のマイクロ流体構成要素を取外し可能に取り付けるためのマニホールドを提供する。マイクロ流体構成要素は、２つの入力／出力端子を有したマイクロ流体構成要素ポートに取り付けられており、マイクロ流体構成要素ポートは、マニホールドの内部の接続を介して他のマイクロ流体構成要素ポートに接続され、マイクロ流体回路を提供している。マイクロ流体構成要素は、マイクロ流体回路差込口、または、２つの入力／出力端子および締結開口を有した装着ブロックと、第１および第２の輸送部分ならびに本体部分を有した流体チューブとを有するカートリッジであることが可能であり、これらの３つの部分は、実質的に平行な平面内に配置され、本体部分は、スプールの周囲にコイル状に巻かれている。コイルは、エポキシ製のプロテクタまたはＬ形ブラケットによって装着ブロックに接続されている。カートリッジは、それぞれ、第１および第２の輸送ラインに接続された第１および第２の遠隔入力／出力端子を有している。
2009538734.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．マニホールドと、
ｂ．前記マニホールドの中に流体を受け、又は前記マニホールドから流体を供給するために前記マニホールド中に形成された複数の端子と、
ｃ．前記端子間に延び、前記端子間で流体を運ぶ複数の小口径接続通路であって、１つの小口径構成要素から端子を通じて流体を受け、前記流体を別の端子に、そして、別の小口径構成要素の中に移送すべく形成および接続された小口径接続通路と、
ｄ．前記端子に接続し、前記端子に流体を供給し、前記端子から流体を受ける小口径構成要素通路を有した複数の小口径構成要素であって、前記小口径接続通路および前記小口径構成要素通路は、それぞれ、約１から約２５００ミクロンの内径を有した小口径構成要素とを備え、
ｅ．前記小口径構成要素は、前記端間で流体を移送するように接続された前記小口径構成要素通路によって前記マニホールドに接続するように構成されているカートリッジ・システム。
【請求項２】
前記複数の小口径接続通路は、約１から約５００ミクロンの内径を有したマイクロ流体通路を備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項３】
前記複数の小口径構成要素通路は、約１から約５００ミクロンの内径を有したマイクロ流体通路を備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項４】
前記複数の小口径構成要素通路は、小口径チューブを備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項５】
前記複数の小口径構成要素通路は、約１から約５００ミクロンの内径を有したマイクロ流体チューブを備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項６】
前記複数の小口径接続通路は、小口径チューブを備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項７】
前記複数の小口径接続通路は、約１から約５００ミクロンの内径を有したマイクロ流体チューブを備えている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項８】
前記小口径接続通路は、前記マニホールド中に形成されている請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項９】
前記複数の小口径構成要素のうちの少なくとも１つは、チューブ状通路を有した毛細管差込口であり、該チューブ状通路は、最大５０００ｐｓｉ（約３４４７５ｋＰａ）の内部の圧力に耐えることが可能である請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項１０】
前記複数の小口径構成要素のうちの少なくとも１つは、マイクロ流体回路差込口、および該差込口に加熱または冷却の少なくとも一方を提供する源である請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項１１】
前記複数の小口径接続通路のうちの少なくとも１つで係合するように配置された少なくとも１つのスイッチをさらに備え、該スイッチは、前記少なくとも１つの通路を通過する前記流体の流れを阻害する請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項１２】
前記複数の小口径接続通路のうちの少なくとも２つは、流体合流部で交差している請求
項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項１３】
前記複数の小口径構成要素のうちの少なくとも１つは、カートリッジであり、前記複数の小口径構成要素通路は、
ａ．前記端子に接続するための第１の輸送部分と、
ｂ．前記端子に接続するための第２の輸送部分と、
ｃ．前記第１の輸送部分を前記第２の輸送部分に接続するための本体部分とを備える請求項１記載のカートリッジ・システム。
【請求項１４】
前記カートリッジの第１の輸送部分、本体部分、および第２の輸送部分は、実質的に平行な平面内に配置されている請求項１３記載のカートリッジ・システム。
【請求項１５】
マニホールドおよび該マニホールド中に形成された複数の端子と、
複数の小口径構成要素とを備え、該複数の小口径構成要素のそれぞれは、
ａ．前記端子に接続するための第１の輸送通路部分と、
ｂ．前記端子に接続するための第２の輸送通路と、
ｃ．前記第１の輸送部分を前記第２の輸送部分に接続する本体通路部分とを備え、該本体通路部分は、少なくとも部分的に小口径チューブによって形成されているカートリッジ・システム。
【請求項１６】
前記第１の輸送通路部分、前記本体通路部分、および前記第２の輸送通路部分は、実質的に平行な平面内に配置されている請求項１９記載のカートリッジ・システム。
【請求項１７】
前記本体通路部分は、実質的にコイル形状である請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項１８】
前記複数の小口径構成要素通路は、約１から約２５００ミクロンの内径を有した小口径チューブを備えている請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項１９】
前記複数の小口径通路は、約１から約５００ミクロンの内径を有したマイクロ流体チューブを備えている請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項２０】
前記複数の小口径構成要素通路は、ガラス製チューブを備えている請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項２１】
前記複数の小口径構成要素通路は、プラスチック製チューブを備えている請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項２２】
前記複数の小口径構成要素通路は、少なくとも実質的にプロテクタで覆われている請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項２３】
前記本体通路部分は、スプール、および該スプールによって支持された小口径チューブのコイルである請求項１５記載のカートリッジ・システム。
【請求項２４】
カートリッジ・システムにおいて使用する毛細管差込口であって、
ａ．前記カートリッジ・システムから流体を受けるかまたは前記カートリッジ・システムに流体を供給するための複数の構成要素端子を有した装着ブロックと、
ｂ．約１から約２５００ミクロンの内径を有した小口径チューブであって、該小口径チューブは、
ｉ．前記複数の構成要素端子のうちの１つに接続された第１の輸送部分と、
ｉｉ．前記複数の構成要素の端子のうちの１つに接続された第２の輸送部分と、
ｉｉｉ．前記第１の輸送部分を前記第２の輸送部分に接続するための本体部分と、前記本体部分が、実質的にコイル形状に巻かれ、前記第１の輸送部分、前記本体部分、および前記第２の輸送部分が、実質的に平行な面内に配置されていることとを備えていることと、
ｃ．前記マイクロ流体チューブを前記装着ブロックに締結する締結具とを備える毛細管差込口。
【請求項２５】
前記カートリッジ・システムは、複数のシステム端子をさらに備え、前記毛細管差込口は、前記構成要素端子に配置された複数のＯリングをさらに備え、該複数のＯリングは、前記毛細管差込口が前記カートリッジ・システムに接続されたときに、前記構成要素端子と前記カートリッジ・システムのシステム端子との間のシールを提供する請求項２４記載の毛細管差込口。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体による化学反応およびその分析の分野に関する。より詳細には、本発明は、モジュール式で再構成可能な多段型マイクロ反応器カートリッジ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体工学は、典型的には１ミクロンから５００ミクロンの範囲の高さおよび幅を有したチャネル内で流体を操作するために用いられてきた。流体は、ナノリットルまたはマイクロリットルの容積で移動される。「ラボチップ（Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）」技術では、少量の出発原料を消費する一方で非常に高速で化学反応および分析を実施するために、マイクロ流体工学が用いられてきた。様々な化学反応で、高圧および高温などの困難な条件が要求される。マイクロ流体システムでは、小型化された反応器、混合器、および化学反応を小規模で実施するための他の処理要素が使用される。そのようなシステムは、非常に少量で正確な量の化学物質が所望の生成物への到達を成功するのに必要な薬学的または実験的反応などの反応には有用である。さらに、マイクロ流体システムを使用すると、拡散時間および過剰な試薬の必要性が減じられることによって効率が増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マイクロ流体システムの用途は、一般に広範であるが、マイクロ流体装置は、製造するのが困難であり且つコストを要するために、商業的な成功は遅れており、進展は不十分なものとなっている。マイクロ流体工学におけるもう１つの重大な障害は、マクロスケールからミクロスケールへの境界に対処することである。他の重要な問題には、システムの目詰まり、および適切なマイクロ流体システムの動作を妨げる気泡の集積が挙げられる。このように、マイクロ流体システムに対する低コストな解決策が必要とされている。必然的ではないが、好ましくはそのような解決策により、特定の生成物を生成するのに必要な特殊な回路を設けるなど、マイクロ流体システムおよびマイクロ流体回路を特定の用途の要求に適するように構築する目的で、様々な種類のマイクロ流体構成要素を交換することが容易となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
少なくとも１つのマイクロ流体構成要素を接続するための少なくとも２つの入力／出力端子を有する少なくとも１つのマイクロ流体構成要素ポートを有するマニホールドと、システム入力およびシステム出力を有する接続ブロックとを有したカートリッジ・システムが開示される。カートリッジ・システムに取外し可能に取り付けられることが可能なマイクロ流体構成要素は、カートリッジとしても知られる毛細管差込口であり、この毛細管差込口は、少なくとも第１および第２の構成要素入力／出力端子ならびに締結開口を有した装着領域と、第１および第２の輸送部分を有した流体チューブと、締結具とを有している。第１の輸送部分は、装着ブロックの第１の構成要素入力／出力端子に接続され、第２の輸送部分は、装着領域の第２の構成要素入力／出力端子に接続されている。第１および第２の輸送部分ならびに本体部分は、好適には、実質的に平行な平面に配置されている。これに代えて、第１および第２の輸送部分は、本体部分が、第１および第２の輸送部分に対して実質的に垂直な平面に配置された状態で、実質的に平行な平面内に配置されることも可能である。
【０００５】
カートリッジ・システムは、複数のマイクロ流体構成要素が取外し可能に取り付けられた複数のマイクロ流体構成要素ポートを有することが可能である。マイクロ流体構成要素
のうちの一または複数が、マイクロ流体回路差込口であることが可能であり、また、マイクロ流体構成要素のうちの一または複数が、毛細管差込口またはカートリッジであることが可能である。さらに、入力継手および出力継手は、共通のマニホールド中に、または別々の接続ブロック（たとえば、ブロック３２）内に組み込まれることができる。
【０００６】
毛細管差込口またはカートリッジの流体チューブは、好適には、マイクロ流体チューブであるが、小口径チューブであることも可能であり、また、ガラスまたはプラスチックで構成されることも可能である。第１の輸送部分は、本体部分に接続されており、この本体部分は、第２の輸送部分に接続されている。好適には、本体部分は、スプールの周囲またはスプールの内部でコイル形状に巻かれている。さらに、カートリッジは、カートリッジがカートリッジ・システムにおいて使用されるときに第１の入力／出力端子および第２の入力／出力端子とカートリッジ・システムのマイクロ流体構成要素ポートとの間に密封をもたらすために、１つもしくは２つのＯリングまたは他の高圧シールを第１の入力／出力端子または第２の入力／出力端子に配置することも可能である。
【０００７】
これから、本発明の好ましい実施形態が図面を参照してより詳細に記述されるが、同様の参照符号は、幾つかの図面全体に亘って同様のまたは類似の要素を指定している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本開示は、カートリッジ・システムと呼ばれる、モジュール式で再構成可能な多段型マイクロ反応器カートリッジ装置を提供する。マイクロ流体工学に伴う難題の一部には、マイクロ流体反応過程の速度を増加させること、および、マイクロ流体システムに伴う死空間の量を減じることが挙げられる。このカートリッジ・システムは、これらのおよび他の問題に対して、マニホールド・カートリッジに取り付けられた個別のマイクロ流体流通反応器の組立体を使用することによって対処し、迅速で死空間の少ない接続、ならびに種々の工程段階および用途を支援するためのシステムの再構成を可能にしている。このことが達成されるのは、複数の反応器が、カートリッジ・システムにおいて緊密に近接しているからである。マイクロ流体工学に伴う他の問題には、高コストな試薬の損失量を最小化する一方で、不必要な廃棄物および残留物をシステムから除去すること、試薬が使用されるときにシステムに試薬を繰り返し入力する低コストの方法を設計すること、または、不要なマイクロ反応装置を、カートリッジ・システムの新たな用途に必要な種々の装置と交換することが挙げられる。もう１つの問題は、多段型マイクロ流体反応器内の中間生成物への接近手段がないことである。これらの問題は、マイクロ流体過程における様々な時点で反応物を投入する、または生成物を分取することを可能にする、カートリッジ・システムのマニホールド接続を利用することによって解決される。
【０００９】
ここで、図１を参照して、カートリッジ・システム１０が下から示されている。カートリッジ・システム１０のマニホールド２０は、マイクロ流体構成要素に対するコネクタとしての使用を含んだ複数の作用をなす。１つの実施形態において、マニホールド２０は、２つの比較的大きな表面（つまり、下面２２および図２に示す上面３４）を含んだ矩形である。複数のマイクロ流体構成要素１２が、マニホールド２０の下面２２に取外し可能に取り付けられることができる。マイクロ流体構成要素１２は、一種のカートリッジである毛細管差込口２４、２６、および２８、マイクロ流体工学回路差込口３０、ならびに／または接続ブロック３２であることが可能である。カートリッジ、毛細管差込口２４、２６、および２８、ならびにマイクロ流体工学回路差込口３０は、限定はしないが、試薬を供給すること、および一種の反応器として機能することを含めた多様な作用をなすことができ、複数の試薬を化合させ、且つ、実施されている反応のために必要に応じて熱供給するか、または熱除去することを可能にしている。そのような熱の供給または排出は、毛細管差込口２４、２６、および２８、ならびにマイクロ流体回路差込口３０に接続される、またはそれらを囲む外部の熱源によってなされることも可能である。
【００１０】
接続ブロック３２は、カートリッジ・システム１０を外部装置に接続するために使用される複数の端子５０、５２、５４、および５６を有している。１つの実施形態において、端子５０は、流体または試薬を入力するための入力端子であり、端子５２は、廃棄物を構成要素１２から遠隔でフラッシングするために、または中間生成物を試験または他の目的で分取するために、カートリッジ・システム１０内の或る位置に接続される。端子５４は、構成要素１２に試薬を遠隔で充填するために、カートリッジ・システム１０内の或る別の位置に接続され、端子５６は、システムの出力に接続される。端子５０、５２、５４、および５６のすべては、他の実施形態においては上記の例と異なって利用されることがある。
【００１１】
マニホールド２０の上面３４が、上方からのカートリッジ・システム１０の図である図２に示されている。この図から、マニホールド締結開口３６を、マニホールド２０の上面３４の側部に沿って見ることができる。図示のように、２つのマニホールド締結開口３６が、上面３４に形成されたそれぞれのマイクロ流体工学構成要素２４、２６、２８に対して設けられている。２つのマニホールド締結開口３６は、接続ブロック３２に対しても設けられている。マニホールド２０の上面３４からは、トレース面３８が僅かに窪んでいる。トレース面３８は、マニホールド２０内部の流体接続を表わす複数のノード４０、４２、４４、および４６と、トレース４８とを有している。トレース線４８およびノード４０は、マニホールド２０内部の接続を使用者に示している。
【００１２】
カートリッジ・システム内の様々な位置で、廃棄物（または中間生成物）は、遠隔で放出されることができ、また、試薬供給物は、毛細管差込口２４およびマイクロ流体工学差込口３０に配置された遠隔入力／出力端子６６（図４および図５に示す）を経由して遠隔で再充填されることができる。たとえば、毛細管差込口２４に収容された試薬供給物が使用を通じて枯渇した場合、ノード４０（図２）は、接続ブロック３２と毛細管差込口２４の入力／出力端子との間のマニホールド２０の内部の接続を表わしている。したがって、新たな試薬供給物が、接続ブロック３２を通じて入力されることができる。同様に、マイクロ流体工学回路差込口３０が清浄化を必要とした場合、ノード４２は、接続ブロック３２とマイクロ流体工学回路差込口３０の入力／出力端子６４（図４）との間の内部接続を表わしている。このように、マニホールド２０は、マイクロ流体回路差込口３０を通じて溶媒をポンプ移送することによって廃棄物を遠隔で除去するように構成されることができる。図２に示すトレース４８ならびにノード４０、４２、４４、および４６の構成は、例示を目的として含められたものであり、多数の内部接続構成が、特定の用途に対するカートリッジ・システムの効果を最大にする目的で使用されることが可能であることは理解されるべきである。たとえば、マイクロ流体構成要素が頻繁な再充填を必要とすることが既知である場合は、適した接続で遠隔入力／出力端子またはマニホールドを有するマイクロ流体工学構成要素が使用されるべきである。
【００１３】
１つの実施形態において、トレース面３８の左側のノード４４は、トレース線４８によって示されるように、ノード４２および４６に接続されている。ノード４４は、マニホールド２０の底面２２に取り付けられたブロック３２の内部接続を表わしている。このように、上で議論し且つ図１に示したポート５４などの接続ブロック３２上のポートは、トレース線４８でノード４２および４６に接続されたノード４４によって表わされることができる。この実施形態において、ノード４４、４２、および４６は、接続ブロック３２のポート５４への接続を表わしている。ノード４２および４４は、それぞれ、マイクロ流体回路差込口３０および毛細管差込口２８に接続されている。したがって、１つの試薬供給物が、ノード４２および４６によって表わされるような、マニホールド２０に固定された複数の流体構成要素１２（この例では構成要素３０および２８）に同時に再充填されることができる。
【００１４】
図３は、カートリッジ・システム１０の模式図である。この図の目的は、様々な流体構成要素１２がマニホールド２０に取り付けられるときの、それらの流体構成要素１２間の関係を、マニホールド２０の内部に形成された流体接続６０を示すことによって説明することである。マニホールド２０は、図の上部で矩形で表わされている。カートリッジ・システム１０の入力５１および５３は、マニホールド２０の左側に矢印で示されている。入力５１は、接続ブロックの端子５０、５２、５４、または５６（図１）であることが可能である。同様に、入力５３は、接続ブロックの端子５０、５２、５４、または５６であることが可能である。１つの実施形態において、入力５１および５３は、同じ接続ブロック端子５０、５２、５４、または５６（図１）である。入力５１および５３は、流体合流部５５で交差しており、この流体合流部５５は、さらに、マニホールド端子１１で毛細管差込口２４に接続されている。典型的な使用法において、入力５１および５３からの流体は、それらの合流部で結合し、毛細管差込口２４の中に流れ、この毛細管差込口２４で、通常、これらの流体は反応する。
【００１５】
毛細管差込口２４は、マニホールド端子１３で流体合流部５７に接続されており、また、流体合流部５７は、入力／出力４１に、そしてマニホールド端子１４で毛細管差込口２６に接続されている。１つの実施形態において、流体合流部５７は、該流体合流部５７に入るかまたは流体合流部５７から出る流体流れを通流させるかまたは阻止するスイッチ４９を有することが可能である。入力／出力４１は、接続ブロック端子５０、５２、５４、または５６（図１）であることが可能である。毛細管差込口２６は、マニホールド端子１５で流体合流部５９に接続されており、さらに、流体合流部５９は、流体合流部５９に入るかまたは流体合流部５９から出る流体流れを通流させるかまたは阻止するスイッチ４９を有することが可能である。流体合流部５９は、入力／出力４３に、また、マニホールド端子１６でマイクロ流体回路差込口３０に接続されている。同様に、マイクロ流体回路差込口３０は、マニホールド端子１７で流体合流部６１に接続されている。該流体合流部６１は、流体合流部６１に入るかまたは流体合流部６１から出る流体流れを通流させるかまたは阻止するスイッチ４９を有することが可能であり、流体合流部６１は、入力／出力４５に、また、マニホールド端子１８で毛細管差込口２８に接続されている。毛細管差込口２８は、マニホールド端子１９で出力４７に接続されている。出力４７は、接続ブロック端子５０、５２、５４、または５６（図１）であることが可能である。他の実施形態において、流体構成要素１２は、様々な組合せで、且つ、図３に示す順序とは異なる順序で配置されることができる。たとえば、２つの毛細管差込口２４および２６、ならびに２つのマイクロ流体回路差込口３０が使用されることができる。マニホールド端子１１、１３、１４、１５、１６、１７、１８、および１９は、構成要素１２の構成要素入力／出力端子６４（図４および図５）がカートリッジ・システム１０に接続されると、構成要素１２に接続される。マニホールド端子から入力／出力端子への接続により、カートリッジ・システム１０から構成要素１２への、および／または、構成要素１２からカートリッジ・システム１０への流体の流れが可能となる。スイッチ４９は、所望により除かれてもよく、また、流体流れは、入力に取り付けられた装置のポンプによって制御されることも可能である。たとえば、合流部５５を考えることにする。流体が、入力５１にポンプ移送され、静圧が入力５３において維持される場合、合流部５５は、ほぼスイッチのように機能する。入力５１からの流体のみが、毛細管差込口２４に移り、入力部５３は、スイッチを必要とすることなく、機能的に「スイッチ切り」される。
【００１６】
入力／出力４１、４３、および４５は、試薬入力として利用されることも可能である。たとえば、入力／出力４１、４３、および４５は、すべて、接続ブロック端子５４（図１）で接続されることも可能である。入力５１および５３は、それぞれ、接続ブロック端子５０および５２（図１）であることが可能である。さらに、出力４７は、接続ブロック端子５６（図１）であることが可能である。そのような実施形態においては、２つの別個の
試薬が、それぞれ、接続ブロック端子５０および５２（図１）を通じて入力５１および５３に供給されることができ、第３の別個の試薬が、接続ブロック端子５４（図１）を通じて入力／出力４１、４３、および４５に供給されることができ、システムの出力５６が、接続ブロック端子５６（図１）を通じて受けられることができる。
【００１７】
他の実施形態において、流体合流部５７、５９、および６１内のスイッチ４９は、システムから生成物を、出力４７に進む前に遠隔で受ける目的で操作されることも可能である。たとえば、流体合流部６１のスイッチ４９は、毛細管差込口２８との接続が阻害されるように操作されることも可能である。入力／出力４５は、接続ブロック端子５６（図１）であることが可能であり、この接続ブロック端子５６を通じて生成物が受けられることが可能である。多数のスイッチ構成の組合せおよび入力／出力シナリオが、かかるカートリッジ・システム１０で可能となることが理解されるべきである。また、流体の流れは、ポンプを使用して、入力および出力に正圧もしくは負圧を生じるか、または入力もしくは出力における一定体積を維持することによって、スイッチなしに合流部５７、５９、および６１を通じて制御されることも可能である。ここで使用されるように、用語「スイッチ」は、小口径弁またはマイクロ流体弁、ならびにその弁を作動させ且つ制御するために利用される機構を参照している。さらに、カートリッジ・システムを通じた流体流れは、いずれの方向に進んでもよく、つまり、出力４７は、システム入力用に試薬を受けてもよく、また、入力５１および５３は、生成物を供給してもよい。
【００１８】
また、様々な入力／出力が、洗浄のために特定の構成要素１２を溶剤で遠隔でフラッシングするように構成されることも可能である。そのような遠隔での洗浄は、該当する流体合流部５７、５９、および６１内の必要なスイッチ４９を操作することでなされることも可能である。模式的に示されているように、差込口２４などの毛細管差込口の各々には、冷却源７７または加熱源７８が設けられることが可能である。差込口２４における反応中に、差込口および反応物は、所望により、加熱または冷却されることも可能である。接続ブロック端子５０、５２、５４、５６（図１）の数、入力／出力４１、４３、および４５の数、ならびに構成要素１２の数および性質は、カートリッジ・システム１０の様々な実施形態において、増加、減少、または変更されることが可能である。図３は、カートリッジ・システム１０の特定の実施形態のみを表わすものであり、例示の目的を意図したものである。
【００１９】
接続ブロック端子５０、５２、５４、または５６であることに加えて、入力／出力４１、４３、および４５は、図４のマイクロ流体回路差込口および図５の毛細管差込口上に示されているような遠隔入力／出力であることが可能である。さらに、入力／出力４１、４３、および４５は、マニホールド２０のトレース面（図２に示す）３８上のノード４０、４２、４４、および／または４６によって表わされることも可能である。また、入力／出力４１、４３、および４５は、構成要素１２上の遠隔入力／出力６６と接続ブロック端子５０、５２、５４、または５６との双方であることが可能である。そのような構成、または他の実施形態の構成が、カートリッジ・システムのトレース面３８上に、トレース４８ならびにノード４０、４２、４４、および４６などのトレースおよびノードによって表わされる。或る出力からの流体は、典型的には、次の段への入力（たとえば、次の毛細管差込口）となるように接続されることが理解されるであろう。
【００２０】
図４は、マイクロ流体回路差込口３０の模式図である。殆どのエッチングされたガラス製のマイクロ流体装置は、図４に示す毛細管差込口３０と類似するように構成されている。不都合にも、シリコン薄膜のエッチングと類似した処理が、マイクロ流体回路差込口３０のカートリッジ６５内に含められるガラス製のマイクロ流体回路を施すために用いられるので、平坦な設計は、非常にコストを要する。この図は、マイクロ流体回路差込口３０をカートリッジ・システム１０のマニホールド２０に取り付けるために使用される２つの
構成要素締結開口６２を示している。構成要素締結開口６２は、ネジまたは他の種類の締結具に適応するように設計されることも可能である。マニホールド締結開口３６は、マニホールド２０への複数のマイクロ流体構成要素１２の取付けに適応するように離間されている。任意のマイクロ流体構成要素１２を全体的に参照して、マニホールド２０への取付けは、１つの実施形態において、図１および図２に示すように、構成要素装置１２の構成要素締結開口６２をマニホールド２０のマニホールド締結開口３６と位置合わせすることによって達成される。次いで、構成要素１２は、マニホールド２０に、ネジ、ペグ、または他の締結具に固定されることができる。
【００２１】
図３を参照して、マイクロ流体回路差込口３０がカートリッジ・システム１０のマニホールド２０に取り付けられると、構成要素入力／出力端子６４は、マニホールド２０の下面２２のポートと整列し、且つ、それらのポートと密封をなさなければならない。回路入力／出力端子６４は、カートリッジ・システム１０を通過する流体が、マイクロ流体回路差込口３０に入るための、ならびにマイクロ流体回路差込口３０から出るための、入力および出力を提供する。遠隔入力／出力６６は、マイクロ流体回路差込口３０の基部６８の構成要素入力／出力端子６４および構成要素締結開口６２に対して垂直である。構成要素入力／出力端子６４は、その端子が存在する構成要素の種類に拘わらず、同じ作用をなす。それらは、カートリッジ・システム１０のマニホールド２０の下面２２上のポートと、マイクロ流体構成要素１２内の回路との間の接続をもたらしている。
【００２２】
構成要素流体回路は、マイクロ流体回路差込口３０の構成要素流体回路など、エッチングされたカートリッジをベースとするガラス製回路からなっていてもよく、また、毛細管差込口２４のスプールなど、毛細管チューブのスプールからなっていてもよい。構成要素入力／出力端子６４は、基部の表面から窪んでおり、そのため、環状のＯリング９４（図６および図７）などの密封装置が、構成要素１２の基部６８とマニホールド２０の下側のポートとの間の端子６４の内部に配置されることができる。遠隔入力／出力６６は、鉛直の円筒開口として示されており、構成要素入力／出力端子６４と同じ位置でマイクロ流体回路に接続される。遠隔入力／出力端子６６は、流体Ｔ形合流部の作用をなし、この流体Ｔ形合流部は、流体が複数の供給源から、この場合は構成要素端子６４および遠隔端子６６から入力され得る流体回路における合流部である。実施形態において、各構成要素端子６４および遠隔入力／出力６６は、該構成要素端子６４および／または遠隔入力／出力６６中への、またはそれらの外への流れを通流させるかまたは阻止するための、対応するスイッチ６７を有している。遠隔入力／出力６６は、洗浄液でフラッシングすることによって、個々のマイクロ流体構成要素１２を遠隔で清浄化することができるため、さらなる使用法をもたらしており、この場合、一方の遠隔入力／出力６６が溶剤または他の清浄液のための入力として使用され、もう一方の遠隔入力／出力６６が出力として使用される。そのような場合、スイッチ４９（図３）は、構成要素端子６４からの流れは阻止するが、一方の遠隔入力／出力６６に入る流れ、およびもう一方の遠隔入力／出力６６から出る流れは通すように構成される。
【００２３】
ここで図５を参照して、毛細管差込口２４、２６、または２８の図がより詳細に示されている。毛細管差込口は、流体反応器としての作用をなし、高速な化学作用および迅速で且つ低コストの生成を促進することができる。しかしながら、毛細管差込口は、試薬を供給する作用をなすことも可能である。機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４（図１０〜図１２に示す）のコイルなどの水平に巻かれたコイルの入力および出力は、流体チューブのコイルまたは本体部分によって占められる実質的に平行な平面に対して垂直な平面内に配置されなければならない。したがって、少なくとも２つの湾曲部が、水平に巻かれたコイル内に存在しなければならず、１つは、コイルの入力の前の前端であり、もう１つは、コイルの出力の前の後端である。
【００２４】
図５に示した垂直な毛細管差込口について説明すると、毛細管差込口２４の装着ブロック７０は、該装着ブロック７０の全体を貫く複数の円筒開口を有している。構成要素締結開口６２、装着開口７２、および構成要素入力／出力端子６４は、毛細管差込口２４の装着ブロック７０の全体を貫く垂直な穴として描かれている。構成要素締結開口６２は、マイクロ流体回路差込口３０の構成要素締結開口６２と類似した作用をなす。つまり、それらは、ネジ、ペグ、または他の締結具などの締結具と結合されるときに、構成要素１２をカートリッジ・システム１０のマニホールド２０に接続する。
【００２５】
構成要素入力／出力端子６４は、たとえば、環状のＯリング９４（図６および図７に示す）またはポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）もしくはテフロン（登録商標）製の圧縮シール９８（図６、図７、および図９に示す）（もしくは他の材料でできたシール）または環状のＯリング９４と圧縮シール９８（図６および図７に示す）との双方の組合せなどの密封装置を、流体チューブの輸送部分７４および７５とカートリッジ・システム１０のマニホールド２０のマイクロ流体構成要素ポート１３４（図１１）との接続部の周囲に配置することを可能にする。流体チューブの輸送部分７４および７５は、流体チューブのコイル８２に接続され、好ましくは、構成要素入力／出力端子６４から本体部分、好ましくはコイル８２に流体を輸送するために使用されるチューブの長さである。流体チューブは、種々の実施形態において、ガラス、プラスチック、または他の材料からなる。さらに、流体チューブは、１つの実施形態において、約１ミクロンから約２５００ミクロンの内径を有する小口径チューブであるが、他の形の流体チューブが使用されることも可能である。好ましくは、流体チューブは、マイクロ流体チューブであり、これは、約１ミクロンから約５００ミクロンの内径を有する細口径チューブである。
【００２６】
好ましい実施形態において、流体チューブの本体部分、好ましくはコイル８２は、流通反応器を形成するのに十分な長さのものである。そのような流通反応器は、複数の化学物質を反応させること、および反応熱または外部熱をそのような反応に作用させることを含む様々な作用が可能である。流体チューブに接続された、該流体チューブを実質的に囲むかまたは流体チューブの近傍に配置された外部装置によって、熱が加えられるかまたは除去されることも可能である。たとえば、熱伝達装置が、スプールを通じて流体チューブの本体部分またはコイル７８に熱を伝達する目的で、スプール７８に（または外部スプールに）接続されることも可能である。本体部分またはコイル８２の各端部は、流体チューブの輸送部分７４および７５に接続され、それらの輸送部分は、毛細管差込口２４の装着ブロック７０を通過し、構成要素入力／出力端子６４に接続されている。コイル８２は、好ましくは、ガーデン・ホースがホルダ上に保たれることが可能な方式と同様にスプール７８の周囲に巻かれている。しかしながら、他の実施形態において、コイル８２は、何かの周囲に巻かれる必要はないが、むしろ、エポキシ製のプロテクタ９２またはエポキシ製の充填剤９２（図７に示す）によって支持されることも可能である。そのような場合、プロテクタ９２は、スプールと見なされる。他の実施形態において、スプールは、コイル８２の外部にあっても、さらにはコイル８２の側方にあってもよい。スプール７８およびコイル８２は、スプール７８の全体に亘って位置した円筒開口を有している。１つの実施形態においては、Ｌ形ブラケット７６が、該Ｌ形ブラケット７６の片側がスプール８２の外側の溝８４の中にスライドし、ネジ、ペグ、またはスプールの孔８０を貫く他の締結具によって取り付けられることが可能なように形成されている。Ｌ形ブラケット７６の反対側は、Ｌ形ブラケット７６の孔８８が装着ブロック７０の装着開口７２と対応し、ネジ、ペグ、または他の締結具によって取り付けられることが可能なように、毛細管差込口２４の装着ブロック７０の下側の溝８６の中にスライドする。
【００２７】
毛細管差込口２４の装着ブロック７０の側部に配置された遠隔入力／出力端子６６は、構成要素入力／出力端子６４に対して垂直に位置している。遠隔入力／出力６６は、マイクロ流体回路差込口３０上のものと同じ機能をなし、その機能は、流体Ｔ形合流部の機能
であり、その流体Ｔ形合流部は、上述のように、流体が、複数の供給源または入力から入力され、および／または遠隔での洗浄を目的として出力されることができる流体回路内の合流部である。遠隔入力／出力６６が、入力として使用される場合、流体の２つの供給源は、構成要素入力／出力端子６４および遠隔入力／出力６６からのものであることが可能である。遠隔端子６６は、さらに、個々のマイクロ流体構成要素を清浄液で遠隔でフラッシングする方策をもたらし、また、上述のように、構成要素端子６４は、構成要素１２がカートリッジ・システム１０に接続されているとき、カートリッジ・システムへの入力および出力として作用する。
【００２８】
図６（つまり、毛細管差込口２４の側面図）を参照して、図７の断面図が取られた平面が破線９０で示されている。図６および図７は、毛細管差込口２４の別の実施形態を示しており、この実施形態は、遠隔入力／出力端子６４を、図５の実施形態で示されるような流体Ｔ形合流部の一部として利用していない。また、図６および図７の実施形態は、コイル８２、スプール７８、ならびに流体チューブの輸送部分７４および７５を毛細管差込口２４の装着ブロック７０に固定するために、Ｌ形ブラケット７６とは対照的に、エポキシ製のプロテクタまたは充填剤９２を利用している。エポキシ製のプロテクタ９２を使用することで、エポキシ製のプロテクタ９２が使用されない実施形態においては露出されることがある、場合によっては破損することがある流体チューブが、保護されるという利点がもたらされる。さらに、エポキシ製のプロテクタ９２は、流体チューブのコイル８２がスプール７８の周囲に巻かれない実施形態ではますます有利となる。
【００２９】
加えて、図６の実施形態は、毛細管チューブの流体チューブの輸送部分７４および７５を囲むチューブ・スリーブ９６を利用している。チューブ・スリーブ９６の目的は、流体チューブの輸送部分７４および７５を保護すること、ならびに、マニホールド２０の下面２２上で装着ブロック７０とマイクロ流体構成要素ポート１３４（図１１）との間に密封を生じさせるのを支援することである。この密封は、毛細管差込口２４が、マイクロ流体構成要素ポート１３４のマニホールド入力／出力端子１３６（図１１）と嵌合するときになされる。Ｏリング９４は、押し下げられて、フレアレス管継手９８を圧縮する。フレアレス管継手９８は、Ｏリング９４上に圧力を与え、それによって密封をなす。他の実施形態において、密封は、フレアレス管継手９８を用いることなくＯリング９４によって、または、Ｏリング９４を用いることなくフレアレス管継手９８によってなされることも可能である。さらに、この実施形態は、１つの取付機構のみを提供しており、装着開口７２を装着ブロック７０の中央に配置しているが、他の実施形態は、複数の装着開口および締結具を使用することもできる。
【００３０】
図８は、カートリッジ・システム１０の別の実施形態を示している。流体連結ブロック１０２に接続された一群の４つの毛細管差込口２４の側面図が示されており、この流体連結ブロック１０２は、チューブ・コネクタ・ブロック１０４に接続されている。流体連結ブロック１０２は、マニホールド２０（図１）の１つの実施形態であり、つまり、マニホールド２０は、流体連結ブロック１０２であることが可能である。図８の実施形態は、複数の構成要素装置を有するカートリッジ・システム１０であり、それらの構成要素装置は、毛細管差込口２４である。断面線９−９は、図９に示す断面を規定している。図９に示すように、流体連結ブロック１０２は、２つの入力端子１０８と、１つの遠隔出力端子１１０とからなる流体交差合流部１０６を有しており、この流体交差合流部１０６は、毛細管差込口２４の流体チューブの輸送部分７４または７５の一方に接続される。流体交差合流部１０６は、入力端子１０８を通じて２つの入力流体を結合すること、ならびに、遠隔出力端子１１０を通じて毛細管差込口２４を遠隔で清浄化することを可能にしている。流体連結ブロック１０２は、また、チューブ・コネクタ・ブロック１０４に接続されており、このチューブ・コネクタ・ブロック１０４は、流体システムを他の構成要素１２、他のカートリッジ・システム１０、または図示しない外部システムに接続する状況をもたらし
ている。
【００３１】
図１０を参照して、図８および図９に示すカートリッジ・システム１０の実施形態が、前面から除去した断面９−９（図８）と共に示されている。上で議論したように、毛細管差込口２４は、流体連結ブロック１０２と、その下面２２上で係合してる。さらに、複数のチューブ・コネクタ・ブロック１０４が、流体連結ブロック１０２と、その上面３４上で係合している。毛細管差込口は、流体連結ブロック１０２およびチューブ・コネクタ・ブロック１０４に締結具１０１によって取り付けられている。この実施形態において、チューブは、差込口２４が、チューブのコストの外部に且つチューブのコストの側方にあるスプールと見なされることが可能なように、差込口２４の内部で巻かれている。
【００３２】
図１１を参照して、マニホールド２０（図１）の１つの実施形態である流体連結ブロック１０２が示されている。毛細管差込口２４およびチューブ・コネクタ・ブロック１０４は、図１０に関連して議論したように、締結具１０１によって流体連結ブロック１０２に取り付けられる。締結具１０１は、締結開口１０３において流体連結ブロック１０２を貫通する。コネクタ・ブロック・ポート１０５が、流体連結ブロック１０２の上面３４上に示されている。これらのポートは、流体コネクタ・ブロック・スルーウェイ１３６によって、流体連結ブロック１０２の下面２２上のマイクロ流体構成要素ポート１３４に接続されている。
【００３３】
この実施形態において、入力端子１０８（図９）は存在しないが、むしろ、端子１１０、１１１、および１１３が、流体の入力または出力のいずれかの作用をなすことが可能である。また、端子１１０は、流体Ｔ形合流部１２８でコネクタ・ブロック・スルーウェイ１３６の一部に接続されて、遠隔でシステムを充填するかまたはフラッシングする状況をもたらしている。また、流体連結ブロック１０２の上面３４は、下面２２と類似しており、したがって、他の実施形態においては、上面３４および下面２２は、相互置換可能であることを注記しておく。結果として、幾つかの実施形態において、コネクタ・ブロック・ポート１０５は、マイクロ流体構成要素ポート１３４と相互置換可能である。
【００３４】
ここで、図１２を参照して、カートリッジ・システム１０の別の実施形態が示されている。幾つかの機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４は、保持ブロック１１６に装着されている。図１３は、機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４の拡大図である。好ましい実施形態において、機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４は、プラスチックで構成されており、２つの入力ポート１１８および１２０（つまり、１つは試薬用１１８であり、１つは第２の試薬用１２０である）と、内蔵型の流体合流部（１１９で模式的に示す）と、水平に巻かれた毛細管チューブのコイル（破線１２１で模式的に示す）と、出力１２２とを含んでいる。図１２の保持ブロック１１６は、機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４に対する装着ステーションとして作用する。しかしながら、内部の流体回路などのマニホールドの機能は、好ましい実施形態において、機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４内に封じ込められるため、保持ブロック１１６は、図１および図１１に示すマニホールド２０と同じ目的を果たすものではない。この実施形態において、保持ブロック１１６は、流体回路に能動的に寄与するものとしてよりも、むしろ、機械加工されたマニホールド・カートリッジに対するアンカーとして作用する。また、機械加工されたマニホールド・カートリッジ１１４は、複数のチューブ貫通孔１２４を含んでおり、その結果、毛細管チューブおよびより太い入力／出力線が、カートリッジを通じて容易に配線されることができる。
【００３５】
上で詳述した幾つかの実施形態は、モジュール式で再構成可能な多段型マイクロ反応器カートリッジ装置およびその多数の使用法を示している。ここで記述されるカートリッジ・システム１０およびマイクロ流体構成要素１２は、最大で約３００℃の高温、および最
大で約５０００ポンド毎平方インチ（約３４４７５ｋＰａ）の高圧に耐えることが可能である。そのような能力により、マイクロカートリッジ・システム１０および構成要素１２は、他の反応機構では不可能な極限条件での反応に使用されることができる。さらに、マイクロ流体工学に伴う他の難題には、マイクロ流体反応過程の速度を増加させること、および、マイクロ流体システムに伴う死空間の量を減じることが挙げられる。このカートリッジ・システムの設計は、様々な実施形態を通じてこれらの問題に対処するものであり、それらの実施形態の１つは、マニホールドに取り付けられた個々の流通反応器の組立体を利用して、迅速で死空間の少ない接続を可能にする。また、様々な実施形態が、遠隔での廃棄物の除去および試薬の入力を実現する。さらに、毛細管差込口反応器に見られる、鉛直の巻き付けにより、低コストで故障の少ないカートリッジ・システム用の反応器が提供される。
【００３６】
この発明に対する好ましい実施形態についての先の記述は、図示および記述の目的で与えられている。本発明は、開示される正確な形態を包括する、または、開示される正確な形態に限定されることを意図するものではない。明白な修正または変形が上記の教示の観点から可能である。本実施形態は、本発明の原理およびその現実的な用途の最良の例示を提供するように図って選択および記述されており、したがって、当業者が、特定の予期される使用に適した様々な実施形態で且つ様々な修正をもって本発明を利用することが可能である。すべてのそのような修正および変形は、それらが適正に、法的に、および公正に権利を与えられる範囲に応じて解釈される場合には、添付の特許請求の範囲によって判断されるような本発明の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】接続ブロックと、第１のカートリッジと、第２のカートリッジと、マイクロ流体回路差込口と、第３のカートリッジとを有したカートリッジ・システムの構成要素のポート側の図。
【図２】接続ブロックと、３つの毛細管差込口と、マイクロ流体回路差込口とを有するカートリッジ・システムの上面図。
【図３】本システムの内部接続を示すカートリッジ・システムの模式図。
【図４】マイクロ流体回路差込口の図。
【図５】毛細管差込口の図。
【図６】毛細管差込口の側面図。
【図７】毛細管差込口の断面図。
【図８】４つの毛細管差込口を備えたカートリッジ・システムの側面図。
【図９】図８のカートリッジ・システムおよび毛細管差込口の断面図。
【図１０】流体干渉ブロックおよび幾つかの毛細管差込口を備えた図８および図９のカートリッジ・システム。
【図１１】流体干渉ブロックの図。
【図１２】保持ブロックおよび３つの機械加工されたマニホールド・カートリッジを有したカートリッジ・システム。
【図１３】機械加工されたマニホールド・カートリッジの拡大図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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