(57)【要約】  マイクロ流体構造及びその作製方法。当該構造は、効率的で再現性のある製造及び組み合せを可能にする特徴を持たないガスケット層を有する。積層方法によって、様々な素子材料の利用及び容易な組み合わせが可能となる。
2009525443.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1層、
該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層、
該第2層と接する第3層、
前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネル、
前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホール、及び
前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように作動できる少なくとも1つのピン、
を有する流体用構造。
【請求項２】
前記第1、第2、及び第3層がモノリシック流体用構造を形成するように前記第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段をさらに有する、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項３】
前記の第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段が、前記第1、第2、及び第3層を貫通するねじとねじ穴を有し、
前記少なくとも1つの機械的手段はさらに、モノリシック流体用構造を形成するように前記ねじ穴へ前記ねじを挿入及び作動させる、
請求項2に記載の流体用構造。
【請求項４】
前記の第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段が留め具を有し、
該留め具が、モノリシック流体用構造を形成するように、前記第1、第2、及び第3層へ力を与える、
請求項2に記載の流体用構造。
【請求項５】
前記第1層が供給された流体を反応させる反応装置の凹部を有する、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項６】
前記第3層が、少なくとも1つのベント入力と出力に接続する少なくとも1つのベントチャネルを有する、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項７】
前記第1層が入力ポートをさらに有する、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項８】
前記少なくとも1つのピンが中空の金属ワイヤである、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項９】
前記第1層の流体チャネル内に隆起構造をさらに有する流体用構造であって、
前記隆起構造は前記バルブピンホールの方向であり、
それにより前記第2層が、該第2層が前記隆起構造に接するように作動することで、
封止が形成されて、かつ前記流体チャネルが塞がれる、
請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１０】
前記隆起構造が長方形ではない、請求項9に記載の流体用構造。
【請求項１１】
前記第1層は下側層で、
前記第2層は前記第1層の上に存在する中間層で、かつ
前記第3層は前記中間層の上に存在する上側層である、
請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１２】
前記第1層は上側層で、
前記第2層は前記第1層の下に存在する中間層で、かつ
前記第3層は前記中間層の下に存在する下側層である、
請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１３】
前記第1層は右側層で、
前記第2層は前記右側層の左に位置する中間層で、かつ
前記第3層は前記中間層の左に位置する左側層である、
請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１４】
前記第1層は左側層で、
前記第2層は前記左側層の右に位置する中間層で、かつ
前記第3層は前記中間層の右に位置する右側層である、
請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１５】
前記第2層が均一の厚さである、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１６】
前記第1層が、ジシクロペンタジエン、ガラス、金属、保護層がコーティングされた金属、セラミックス、ポリカーボネート、シリコン、及びグラファイトからなる群から選ばれる少なくとも1種類から作られる、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１７】
前記第3層が、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、ペルフルオロポリエーテル(PFPE)、メタセシス開環重合(ROMP)、デシルノルボルネン(DNB)、ヘキシルノルボルネン(HNB)、フルオロノルボルネン(FNB)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリビニルイデンジフルオライド(PVDF)、及びラテックス、並びにこれらの混合物からなる群から選ばれる少なくとも1種類から作られる、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１８】
前記第2層が、ジシクロペンタジエン、ガラス、ポリカーボネート、及び石英からなる群から選ばれる少なくとも1種類から作られる、請求項1に記載の流体用構造。
【請求項１９】
流体用構造の作製方法であって：
第1層を形成する工程；
該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層を形成する工程；
該第2層と接する第3層を形成する工程；
前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネルを形成する工程；
前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホールを形成する工程；
少なくとも1つのピンを供する工程；及び
前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように少なくとも1つのピンを作動させる手段を供する工程；
を有する方法。
【請求項２０】
前記第1、第2、及び第3層がモノリシック流体用構造を形成するように前記第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段を供する工程をさらに有する、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記第3層内に設けられた少なくとも1つのベントチャネルを形成する工程をさらに有する、請求項19に記載の方法。
【請求項２２】
前記第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段を供する前に、前記第1及び第3層を硬化する工程をさらに有する、請求項20に記載の方法。
【請求項２３】
犠牲鋳型を用いる工程をさらに有する、請求項19に記載の方法。
【請求項２４】
前記犠牲鋳型がワックス又はエラストマーである、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記犠牲鋳型が前記第1及び第3層の特徴部位を形成する、請求項23に記載の方法。
【請求項２６】
前記第1層の特徴部位が少なくとも1つの流体チャネル及び少なくとも1つの反応用凹部を有し、かつ
前記第3層の特徴部位が少なくとも1つのベントチャネル及び1つのピンホールを有する、
請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
化合物を合成するために請求項1に記載の前記流体用構造を用いる方法。
【請求項２８】
集積流体素子中で流体の流れを制御するために請求項1に記載の前記流体用構造を用いる方法。
【請求項２９】
前記第1及び第3層がコンピュータ数値制御によって作製される、請求項19に記載の方法。
【請求項３０】
請求項29に記載の方法によって組み合わせられる素子であって、当該素子の第1、第2、及び第3層は自己整合する素子。
【請求項３１】
前記第2層にわたって溶媒の蒸発を実行させるために請求項1に記載の前記流体用構造を用いる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示はマイクロ流体素子の加工及び組み立てに関する。より詳細には、エラストマー層が特徴部位を持たない通気性ガスケットである方法及び装置が開示されている。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体バルブの機械的動作についての最近の発展により、硬い表面に接するようにバルブの膜を閉じる方が、軟らかい表面に接するようにバルブの膜を閉じるよりも効率的であることが示されている。エラストマーからなるマイクロ流体素子のほとんどの部分はエラストマーが有する特性（弾性、通気性、透過性）を必要としない。一部分には化学的に不活性であることだけが必要である一方、他の部分には透明であることだけが求められることもあるだろう。よってマイクロ流体素子中のエラストマー層の厚さを減少させることによって、隣接する硬い層上で機械的な差動によってバルブを閉じることは、より効率的となる。さらにその結果、マイクロ流体素子は、強い力や高い圧力にも耐えうるものとなり、かつ漏れを起こさなくなる。硬い材料と軟らかい材料を組み合わせた素子が報告されているが（非特許文献1,2）、このような素子は、材料の要件という観点からは設計されておらず、かつ放射線合成(radiosynthesis)ほど厳しい用途では用いられてこなかった。
【０００３】
現在、マイクロ流体工学に必要な特性を有する複数の材料が存在する。しかしこれらの材料の硬化の特徴は、操作できるほど硬くなるとすぐに、その材料はすでに、結合される層の重合化が生じうる点を超えて硬化していることである。現状の方法は複数の硬化工程を必要とし、そのような繰り返しの硬化に耐えられる材料は多くないので、利用できる材料の数は限られている。マイクロ流体素子の最もよく知られた作製方法は、個々の層を型成形して、その後型成形された個々の層を1つに合わせる（非特許文献3）。エラストマー材料の微細加工は、プロセスの中間工程で部分的に硬化したポリマーを処理する必要があるため、さらに複雑となる。
【０００４】
現在開発中である、耐化学性の点で周知のPDMS（ポリジメチルシロキサン）を上回る複数の新たな材料が存在する。PDMSに代わってこれらの材料を用いることで、ある範囲の用途ではマイクロ流体工学の有用性が確実に広がる。しかし新たな材料には、硬化中のポリマーにおける特徴部位の厳密な微細加工及び層間接合を可能にする新規の処理方法の開発が必要となる。これら2つのパラメータ自体は些末な事項ではなく、マイクロ流体工学における多くの新たな用途を閉ざしてしまう。
【特許文献１】米国特許出願第60/765150号明細書
【特許文献２】米国特許出願第60/791778号明細書
【特許文献３】米国特許出願第11/514396号明細書
【特許文献４】米国特許第7040338号明細書
【特許文献５】米国特許出願第11/297651号明細書
【非特許文献１】レイ(Lai,S.M)他、化学通信(Chemical  Communications)、pp.218-219、2003年
【非特許文献２】ヤマモト(Yamamoto,T)他、ラボチップ(Lab  Chip)誌、第2巻、pp.197-202、2002年
【非特許文献３】サルティス(Psaltis,D)他、ネイチャー(Nature)誌、第442巻、pp.381-386、2006年
【非特許文献４】グローバー(Grover,W.H)他、センサとアクチュエータ（Sensors  and  Actuators  B）誌、2003年、第89巻、pp.315-323
【非特許文献５】リー(Lee,C.-C)他、サイエンス(Science)誌、第310巻、pp.1793-1797
【非特許文献６】ギリーズ(Gillies,J.M.)他、応用放射性同位元素誌（Journal  of  Applied  Radioactive  Isotope）、2006年、第64巻、pp.325-332
【非特許文献７】ユーエン(Yuen,P.K.)他、微小機械工学誌（Journal  of  Micromechanical  Microengineering）、2000年、第10巻、pp.401-409
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現状の技術について検討すると、必要なことは、層間の接合作業のみならず硬化中のポリマーにおける特徴部位の複雑で厳密な微細加工を不要とするマイクロ流体素子、及びしっかりと密閉して丈夫でありながら、再現可能なように作製できて、かつある範囲の反応化学物質に対して有用性を有するマイクロ流体素子の提供方法である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第1態様では、流体用構造が開示されている。当該流体用構造は、第1層、該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層、該第2層と接する第3層、前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネル、前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホール、及び前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように作動できる少なくとも1つのピンを有する。
【０００７】
本発明の第2態様では、流体用構造が開示されている。当該流体用構造は、第1層、該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層、該第2層と接する第3層、前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネル、前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホール、前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように作動できる少なくとも1つのピン、並びに前記第1、第2、及び第3層がモノリシック流体用構造を形成するように前記第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段を有する。
【０００８】
本発明の第3態様では、流体用構造の作製方法が開示されている。当該方法は、第1層を形成する工程、該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層を形成する工程、該第2層と接する第3層を形成する工程、前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネルを形成する工程、前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホールを形成する工程、少なくとも1つのピンを供する工程、及び前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように少なくとも1つのピンを作動させる手段を供する工程を有する。
【０００９】
本発明の第4態様では、流体用構造の作製方法が開示されている。当該方法は、第1層を形成する工程、該第1層と接し、平坦で、柔軟性を有し、通気性でかつ特徴部位を持たない第2層を形成する工程、該第2層と接する第3層を形成する工程、前記第1層内に設けられた少なくとも1つの流体チャネルを形成する工程、前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホールを形成する工程、前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように少なくとも1つのピンを作動させる手段を供する工程、並びに前記第1、第2、及び第3層がモノリシック流体用構造を形成するように前記第1、第2、及び第3層を組み合わせる少なくとも1つの機械的手段を供する工程を有する。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の利点の1つは、流体の制御が改善されることに加えて、開示されたマイクロ流体素子及びその作製方法が、有する材料の種類が限られた従来技術のマイクロ流体素子に関する問題を解決することである。
【００１１】
マイクロ流体素子の作製方法のほとんどは、個々の層を型成形して、その後型成形された個々の層を1つに合わせる。本明細書で提案された方法は、多数の硬化工程を1つに減少させることができる。エラストマーに関連する全ての機能は、特徴を持たない1層の層に限定される。特徴部位（たとえば流体チャネル、ベントチャネル等）は、当該方法を多少修正した方法により、ガラスやシリコンを含む様々な材料から作られることの可能な硬い層の内部に作製される。第3（上部）層は試薬と接しないので、第3層は化学的に耐性を有している必要はない。よって本発明は、従来技術のバルブを有するマイクロ流体工学に課せられた材料の制約を解決する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
薄いエラストマーガスケット層を有する剛性マイクロ流体素子は、効率的な流体チャネルの機械的作動を可能にする。それに加えて薄いエラストマーガスケットは、層間の接合を全く必要としない。ガスケットが、十分な力を以て2層の硬い層の間で固定されているとき、チップはモノリシック素子として機能し、40psiを超える流体圧力でかつ最大100℃にまで温度を上げても、漏れすなわち意図しないチャネル接続を許さない。
【００１３】
本明細書では、容易に再現可能で耐久性を有する密閉封止となるマイクロ流体素子の新たな作製方法が開示されている。このマイクロ流体素子は、化学的に接合されるのではなく機械的に1つに保持されて良い。本明細書に記載されたマイクロ流体素子は、少なくとも2層の硬い外側の層の間に位置する中間部の“ガスケット”層を有する。このガスケット層は、外側の層へ接する流体密閉封止を形成するのに十分な程度に変形可能（たとえば柔軟性又は弾性を有する）である。よって基本的には他の2層の間のOリングとして機能する。
【００１４】
本開示の方法は、機械的に作動するバルブを有する反応装置に基づいたマイクロ流体素子の作製に適する方法を有する。一の実施例では、当該マイクロ流体素子（“チップ”とも呼ばれる）は、少なくとも(1)内部にエッチング又は型成形によって作られた流体ネットワークを有する第1剛体層、(2)第1層の特徴部位と接しない通気性エラストマーからなる平坦な第2（中間）ガスケット層、並びに、(3)ベント特徴部位及び機械的バルブアクチュエータのスリーブを有する硬い第3層、の3層を有する（図1）。
【００１５】
本発明による素子の層は、周知の結合方法によって結合されて良いし、又は化学的手段とは対照的な機械的手段によって1つに保持されても良い。層をまとめるのに機械的手段と化学的手段の両方を用いることも可能である。たとえば機械的手段については、層はボルトで締められて1つになっても良いし、又は留め具で1つになっても良い。外側の2層は、機械的固定力をガスケット層と各外側の層との間の界面に移し、かつ表面に型成形された複雑なチャネル部位を壊さない程度に剛性を有していなければならない。また上述したように、当該素子の溶媒のやり取りに係る要件に対応するため、ガスケット層は平坦で、隣接層に接して流体を密閉する封止を形成するように変形可能（たとえば柔軟性又は弾性を有する）で、特徴を持たすに、かつ通気性でなければならない。
【００１６】
図2は、6つの対応する流体チャネルを備えた6つのバルブピンホールを有する流体用構造の上面を概略的に図示している。ベントチャネルにより、溶媒が第2ガスケット層の膜を通り抜けて蒸発可能となる。図1は中間部を介してとられた同一素子の垂直断面を図示している。図1は、如何なる特徴部位を有することなく、すなわちエラストマーの微細加工を必要とすることなく、動作チップに必要とされる全エラストマー特性を1層の平坦な薄膜内に集中させることができることを示している（この文章は正しいのか？）。下側（第1）層及び上側（第3）層は硬い剛体層である。中間の軟らかい“ガスケット”層は特徴部位を持たない。よって全ての特徴部位（流体チャネル、反応領域、ベント、流体貯蔵室等）は剛体の硬い層の内部に存在する。この設計によって、ガスケット層は特徴部位を持たないことが可能であるため、機能するのに必要とされるガスケット層の厚さが制限されない。
【００１７】
ガスケット層が薄いエラストマー製であるため、流体チャネルが開いた状態から閉じた状態へ変化する際に、ピンバルブが作動することで、エラストマーのガスケット層は流体チャネルの硬い曲面に接するように伸張する。流体貯蔵室はまた、組み合わせられた素子の特徴部位であり、かつガスケット層の下に存在する。下側の第1層がガラス又はシリコン中でエッチングされる場合、流体はガスケットを刺す針を介して導入されて良い。あるいはその代わりに、第1の下側の層が硬いポリマーで作られている場合、流体の流入口は、型成形中にポリマーに導入される中空の金属ピンによって形成されて良い。第3の上側の層内のベントは、通気性膜（ガスケット層）によって反応チャンバから隔離される。上述のように、エラストマー層が特徴部位を持たないとすると、このエラストマー膜は、破断しない程度に薄くすることが可能である。換言すると、ガスケット層の厚さは、層中に含まれる他の特徴部位によっては制限されない。
[バルブ]
従来技術のバルブ（図3A）は、45μmチャネルを閉じるため、ポリマーを200-600μmに圧縮する必要があった。このような設計の結果、過剰な応力が破断による故障を引き起こしてきた。さらにこのような設計はより高い圧力を必要とし、さらにはその設計は増大する圧力に耐えることができなかった。そのような厚さにする理由は、同一の層は反応チャンバとその上にベント膜を含むこと、及びそれ以上薄くできないためである。またこれらのバルブでは、ピンは、前者（新たな圧力を必要とし、かつさらに応力を発生させる幾何学構造）を圧縮することによって平坦な面にわたってその凹面を閉じなければならない。
【００１８】
本発明のバルブは、エラストマー層を〜45μmよりも伸張させて45μmチャネルを閉じることで、チャネルの凹面に接するようにエラストマー層を押す（応力のかかりにくい幾何学構造）（図3b）。作動圧力が低くなればなるほど、ガスケット層すなわち本発明のバルブ設計によって、より効率的にバルブを閉じることが可能となり、かつ弾性についての要件が緩和されうる。薄くなったエラストマーは、より厳密な制御にされうる。図3Bの例では、ピンの先端部は、“カップ”のバルブ設計に適合するように丸くなっている。このような図示されたカップのバルブ設計は円形ピンと呼ばれる。その円形ピンが作動すると、ガスケット層が作動して、そのガスケット層とピンとが一体となって、流体チャネルの幅にわたって動くことで、対向する第1層による封止が形成される。それにより流体チャネルが塞がれる。あるいはその代わりに、全エラストマー素子において同様の原理に基づいた圧縮空気作動が報告された。この空気作動では、全エラストマー素子の閉じる効率が顕著に低くなることが示された。
【００１９】
代替実施例では、第1層の流体チャネルは、バルブピンホールに対向して設けられた隆起部位すなわち台状構造(platform)を有する。ピンが作動することで、第2ガスケット層が、台状構造による封止を形成するように作動して、流体チャネルを塞ぐ。この種類のバルブの閉じ方は、“ギャップ”バルブと呼ばれる（図4）。
[ピン及びバルブピンホール]
当業者はピンとしての利用が可能な材料を多数想到できる。一の実施例では、ピンは金属ワイヤである（係るものの一例はガンビット社（Gambit  Corporation）から入手可能である）。当業者は、ピンが細くなればなるほど、そのピンは針として機能し、かつエラストマー層へ入り込むすなわち刺しやすくなる。よって本発明を小さなスケールで用いるときには、中空状のピン（たとえば中空状の金属ワイヤ）又は鋭くない形状であることが好ましいと考えられる。
【００２０】
本開示の流体構造は少なくとも1つのバルブピンホールを有する。一の実施例では、各バルブピンホールは1つの流体チャネルに対応する。つまり作動するピンの各々はバルブピンホールに対応する。それによりバルブピンホール内で作動するピンは対応する流体チャネルを塞ぐ。
[ピンの作動]
ピンは、印加圧力又はそのピンをソレノイド（エレクトロメカニズムス(Electro  mechanisms)社）と結合させることによって作動（変動）させることができる。ピンは圧縮空気によって作動して良い。これは、ピンを市販されている圧縮空気シリンダ（フェスト(FEsto)社）へ接続することによって実行されて良い。本明細書で開示されたピンを作動させる印加圧力は、0〜45ポンド/インチ2(psi)であって良い。
[層材料]
本発明の第1層を作製するのに用いられる材料は、比較的剛性であり、反応試薬との相性が良く、処理される反応が加熱及び/又は冷却を必要とする場合には伝熱性（小さな熱容量を有する）あれば、様々な材料が用いられて良い。本発明の第1材料に用いることのできる材料の例には、DCPD（ジシクロペンタジエン）、ガラス、金属（たとえばAl、Cu）、保護層がコーティングされた金属、セラミックス、ポリカーボネート、シリコン、グラファイト、又は上記若しくは当業者に既知の他の成分がドーピングされたDCPDが含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００２１】
本発明のガスケット層を作製するのに用いられる材料は、変形可能（つまり柔軟性を有し、弾性を有する）であり、通気性で、反応との相性が良く、機械的ピンによる作動に耐えられるだけの引っ張り強度を有しているのであれば、複数の種類の材料が用いられて良い。本発明の第2のガスケット層に用いることのできる材料の例には、PDMS（ポリジメチルシロキサン）、PFPE（ペルフルオロポリエーテル）、ROMP（メタセシス開環重合）、DNB（デシルノルボルネン）、HNB（ヘキシルノルボルネン）、FNB（フルオロノルボルネン）、DNBとHNBとFNBの様々な組合せ、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）、PVDF（ポリビニルイデンジフルオライド）、及びラテックスが含まれるが、これらに限定されるわけではない。
【００２２】
ガスケット層は、十分な厚さを有している場合には、硬い層におけるわずかな程度の不均一性を“吸収”することができる。他の剛性チップマイクロ流体技術（ガラス又はシリコンのみが含まれる）は、陽極結合のような方法による良好な密閉を得るため、結合界面で極端に平坦な面を必要とする。ガスケット層はこの要件を緩和し、かつ超平坦面とはなり得ない機械加工及び型成型のような製造プロセスの利用を可能にする。ガスケットの厚さは、たとえ相当な機械的圧力がチップに印加されても、各硬い層内のチャネルが塞がれることがないような設計であって良い。
【００２３】
本発明の第3層を作製するのに用いられる材料は、比較的剛性であり（最大で80psiの応力に耐えることができる）、かつたとえ透明である必要がないとはいえ透明であることが好ましければ、様々な材料が用いられて良い。この層に到達する全成分がベントを介して真空にされることで除去されるとすると、この第3層は反応との相性が良いことは必要ではない。本発明の第3材料に用いることのできる材料の例には、DCPD、ガラス、ポリカーボネート、及び石英が含まれるが、これらに限定されるわけではない。
[バルブの作動]
本発明のマイクロ流体素子のバルブは作動手段を必要とする。最も効率的でかつ漏れの起こらない動作を行うため、バルブは機械的手段によって作動される。つまり物体が、第2ガスケット層へ力を移す。よって作動することで流体チャネルを塞ぐ。そのような物体の例はピンである。そのピンは、バルブピンホール内に設けられた中空金属ピンであって良い。そのバルブピンホールは、ピンが誤った方向へ進まないように案内するように機能する。
[層の組合せ]
マイクロ流体素子の複数の層は、化学接合又は機械的手段によって1つに組み合わせられて良い。
【００２４】
機械的組合せ（非接合）：機械的手段（たとえばねじ又は留め具）は、複数の硬化工程の不一致を回避する。それに加えて機械的手段は装置の解体及び再利用を可能にする。図5Aは、ねじを用いて組み合わせられたガスケットチップの断面を図示している。図中、2本のねじが2つのねじ穴に供されている。またその2つのねじ穴は、3層の層を貫くことで、モノリシックマイクロ流体素子を形成する。あるいはその代わりに図5Bに図示されているように、マイクロ流体構造を機械的に組み合わせるのに少なくとも1つの留め具が用いられる。
【００２５】
機械的な組合せ手段を用いることで、新しいマイクロ流体チップ材料を迅速に評価することが可能となる。新しい材料の結合（化学接合）用の作製手順を開発するのに通常かなり長い時間が必要とされるが、機械的な組合せ手段は、そのような長い時間を必要としない。それに加えて所望の反応にとって好ましい材料を、その材料と結合しない他の層材料と併用することができる。たとえば化学結合用に改質できないとはいえ、テフロン（登録商標）、ガラス、ケムラッツ（登録商標）、PEEK、シムリッツ(Simriz)（登録商標）、ラーレッツ(Larez)等の、不活性であることが知られている市販の既製材料が用いられて良い。
【００２６】
接合を利用しない組合せはまた、4層以上の層の組合せをも可能にする。たとえば当業者は、(i)剛性を有する厚いバルブ案内層、(ii)バルブ膜として機能する柔軟性を有する薄いガスケット層、(iii)フローチャネルを含む剛性を有する薄い層、(iv)気体交換膜として機能する柔軟性を有する薄いガスケット層、及び(v)真空のベントチャネルを含む剛性を有する薄い層、を（上から下の順に）有する5層からなるチップを想到することができる。この構造は、ガスケット材料に係る要件を分離するという利点を有する。つまり上側のガスケットは靱性と柔軟性を有していなければならないが通気性を有する必要はない。他方上側のガスケットは通気性を有していなければならないが靱性と柔軟性を有する必要はない。これにより、素子作製に適した材料の範囲がさらに拡大する。
【００２７】
機械的組合せによると、処理方法は、部分的に硬化した状態である間に組合せを行わなければならないという制約を受けない。たとえば硬化中の軟らかいゲル状のガスケット層は、しわや損傷を防ぐため、処理中では基板によって支持されていなければならない。一般的には、他の製造方法では、ゲル状層の上に最初厚い層が積層されて、結合される。接合を用いないチップでは、十分な強度/靱性を有する十分に硬化したガスケット層を（たとえばピンセットによって）自身で処理するように使用することが可能となり、かつ処理の難しい硬化中の材料に大抵の場合生じる、不十分な粘性/粘着性も許される。
【００２８】
一の実施例では、機械的組合せは自己整合的である。剛性を有する第1及び第3層がCNC（コンピュータ数値制御）装置上で作製されるとき、ねじ穴は、チップが一通りの方法でしか1つにならないように、これらの層中の位置に厳密に設けられる。非機械的組合せ方法は、一般に部位の位置合わせズレを生じさせる手動での位置合わせを必要とすること、そしてそのような位置合わせズレは、チップの性能を減退させて、故障を招くことに留意して欲しい。
[図5A-B]
その方法は、剛性を有するDCPD（ジシクロペンタジエン）ベント（第3）層、剛性を有するDCPDフロー（第1）層、及び十分に硬化した弾性FNB/DNB（フルオロノルボルネン/デシルノルボルネン）ガスケット層を用いることによって、最近検証された。図5Aは、6つの穴からなる一致する組が各DCPD層内で作られる-つまりベント層内の貫通孔及びフロー層内のねじ式穴が作られる-様子を図示している。穴は、ねじが貫通する位置に対応する6つの位置で、ガスケット層を貫通するように開けられる。当該素子の3層は、組み合わせられて、かつ中程度のトルク（手）によって締められるねじによって保持された。封止は、少なくとも45psiの流体圧力を保持するのに十分であり、かつアセトニトリルをフローチャネルへ注入することによってテストされた。チップ内のバルブは正しく機能し、かつ接合法によって作製されたチップ内のバルブを作動させるのに必要な条件と同様の条件で動作した。
【００２９】
チップは、アセトニトリル（液体及び気体）が満たされた状態で、長時間（2時間）高温（100℃）で曝露された。
【００３０】
剛性を有する状態へ完全に硬化した後、ステンレス鋼の管をDCPD内に作られた穴へ挿入することによって、チップへの接続が作られた。穴の厳密なサイズ/品質及び厳密な管の径に依存するが、摩擦による適合は、複数の場合において、最大で少なくとも45psiの液体密閉封止を形成するのに十分であった。優れた封止であることを確認するため、FNB/DNB先駆体が、チップから突出した管の各部分周辺に堆積され、かつその場で硬化された。他の“接着”材料も適しているであろう。当業者は、チップへの機械加工によって形成されたはめ合い穴へねじ込むような特殊な適合法、又は他の様々な特別な適合法の利用を想到しうるだろう。DCPD又は硬い層が“ゲル状の”状態であるうちに穴を開けて、かつ管を挿入し、その後DCPDを硬化させて完成させることも想到しうるだろう。
【００３１】
一の実施例では、本明細書に記載されているような少なくとも3層を有するマイクロ流体構造は、ねじを用いて組み合わせられる（図5A）。代替実施例では、本明細書に記載されているような少なくとも3層を有するマイクロ流体構造は、少なくとも1つの留め具を用いて組み合わせられる（図5B）。
【００３２】
接合による組合せ：厚い層（たとえば第1及び第3層）は、後述しかつ図6-8に図示されているような型成形によって、又はホットエンボス加工、注入成型法、若しくは従来の機械加工などの他の方法によって作製されて良い。ガスケット層も同様に、スピンコーティング、型成形、又は注入成型のような様々な方法によって作製されて良い。結合方法は当業者には既知である（たとえば特許文献4及び5を参照のこと）。
[層の型成型]
図6A-6Fは、たとえば流体チャネルや反応領域のような特徴部位を第1層内に形成し、第1層内にベントチャネルを形成し、かつ第1層と第3層の間にガスケット層を有する3層全てを貫通するピンバルブ穴を供する工程からなる方法を段階毎に図示している。
【００３３】
硬い材料の中には、その硬化途中での中間状態が、エラストマーの特性に似たものがある。一の実施例では、硬い層は対応する鋳型上に設けられ、かつピンや軸さやを用いることなく中間状態（エラストマー状の）に硬化される。ガスケット層は、たとえばシリコンウエハ表面のような平坦面上に設けられ、つまりスピンコーティングされる。硬い層は、鋳型から取り外され（鋳型がワックス製モールドである場合には、そのワックスをこの地点で洗い流せばよい）、かつ流体の流入出(I/O)ポート用の穴及び層中に開けられたピンホールを有する。続いて層は、流体供給用の金属ピン及びアクチュエータピンによって組み合わせられる。層は底面によって接合されることで、層間にガスケットが設けられ、最終状態へ硬化される。その結果3層からなる素子となる。この方法（図6A-F）は、容易なピンの挿入及び層の接合を保証する。この方法は、組合せの過程でチップを1つになるように保持するのに十分であることが示された。
【００３４】
この作製工程は以下の通りである。ワックス製の鋳型上に設けられたベント層とフロー層がエラストマー状に硬化される（図6A）。軟らかいベント層及びフロー層は、穴を開けてピンを挿入した後に、鋳型から取り外される（図6B）。続いて薄いエラストマーのガスケット層が平坦な表面上に設けられて、ゲル状態よりわずかに硬い状態に部分的に硬化される（図6C）。その後第1の下側層はガスケット層上に設けられる。この工程では、フロー層とガスケット層との間の最小の粘着性は、ガスケット層と底部平坦面との間の最小の粘着性よりも強いことが必要である（図6D）。余分な薄い層を切断した後、2層の層が設けられた面から引っ張られ、かつ反転される（図6E）。2層ある第1層の上部にベント層を加えた後、集合体は完成状態に硬化される。その結果、2層の硬い層と、その硬い層の間に1層の軟らかい層を含む十分に接合した素子が形成される（図6F）。
[図7A-7F]
図7A及び7Bは、流体層とベント層の両方のための犠牲ワックス製鋳型を図示している。一の実施例では、これらの鋳型は、3DプリンタによってSiウエハ上にプリントされる。他の実施例では、これらのワックス製鋳型は、Siウエハ上又はワックスに弱くしか接合しない他の基板上に設けられたエラストマーの“反転鋳型”から作られて良い。その結合は、ワックスを定位置に保持するのに十分な程度の強さを有していなければならないが、基板が取り外されるときには鋳型部分へワックスが解放される程度には弱くなければならない。そのような条件は、当業者によって最適化可能である。
【００３５】
図7Cは反転鋳型の調製後の工程を図示している。この工程は、(a)閉じられた狭い空間内にプレポリマーを保持し、かつ(b)流体層の場合にはI/Oポートを保持する鋳型の周囲に境界を形成する。ここでもこれらの境界は、基板を十分に封止し、硬いプレポリマーを吸収しない、又は硬いプレポリマーと反応しないエラストマーで作られて良い。これらの境界の高さは、次の工程で作られる層の厚さを決定する。硬いポリマー層が硬化するときに軸さやが定位置に保持されるように、上部層は鋳型に取り付けられる（バルブ用の）ピンの軸さやを必要とする。軸さやはワックスを膨張させたものに取り付けられて、垂直に設けられ、かつ剛性を有する“ガイド”によって上から定位置に保持される。ベントI/Oポートも同じように接続される。第1の下側（流体）層は、エラストマー製の境界によって保持され、かつ流体チャネル部分の端部でワックスを膨張させたものと接続するピンによって、鋳型の面を介して接続する。
【００３６】
図7Dは、次に図7Cの集合体が硬いプレポリマーで埋められる様子を図示している。硬いプレポリマーは集合体内で硬化できる。流体層の場合では、プレポリマーはガラスカバー片によって覆われることで、最終状態である素子内の加熱素子と接しなければならない表面の平坦な性質が保持される。
【００３７】
図7Eは、支持されていない構造がその形状をと特徴を保持できるように、最初のゲル状態へ硬化させる。続いて境界、ガラスカバー片、及び基板が取り外されて、ワックスとピンを有するポリマーが残される（図7E）。硬い層は鋳型から取り外される。第1（流体）層が反転した状態で図示されている。
【００３８】
図7Fは、スペーサ部分が流体層上に設けられる（反転させた後に）ことで、エラストマー層の厚さを制御する様子を図示している。エラストマーのプレポリマーは、スペーサ部分を有する流体層の上部に注がれる。その後直ちにエラストマーのプレポリマーは、支持体上に存在する上部（ベント）層によって被覆される。続いて集合体全体が完成状態にまで硬化される（図7F）。
【００３９】
最終工程は、溶解及び有機溶媒によるチップの洗浄による犠牲ワックスの除去を含む。一旦ワックスが除去されると、多工程の組合せに必要な全構造を有するチップが得られる（図1）。ワックスは化学反応に対して不活性な材料で作られる。バルブは最小のピン圧力で曲がることのできる薄い膜を有する。反応装置は、効率的な蒸発及び溶媒のやり取りを可能にする薄い通気性膜によって、真空ベントから隔離されている。
[図8A-8D]
代替実施例では、図6及び7に対応する過程での3Dワックスのプリントでは、所望の滑らかさを有する部位が得られない場合、以下の“容器”鋳型が用いられて良い。
【００４０】
図8Aはエラストマー製の“容器”鋳型を図示している。流体層とベント層の両方に用いられるフォトレジスト製の鋳型からエラストマー製の鋳型を調製する。エラストマーは、硬い層のプレポリマーによって満たされる容器を形成しなければならない。この容器の壁の高さは最終的な層の厚さを決定する。流体I/Oポート（中空の金属ピン）は“容器”鋳型の側部を介して挿入され、かつ流体チャネル端部で貯蔵室と接続する。この鋳型をエラストマーで作る理由は、(a)軟らかい鋳型から密になった部位を有する硬い部分の除去を容易にするため、及び(b)I/Oポートの接続が、硬い部分の除去によって鋳型を壊さなくてはならないためである。
【００４１】
図8Bは硬い層を流し込む様子を図示している。触媒作用を及ぼすプレポリマーを“容器”へ流し込み、ガラスカバー片で覆うことで、最終素子の状態で加熱素子と接する平坦面が形成される（図8B）。
【００４２】
図8Cはゲル化した硬い層を図示している。硬いポリマーを“ゲル”状態にまで硬化させる（鋳型から取り外せる程度の剛性に過ぎず、一部だけが硬化される）。カバー片及び鋳型を除去して、プレポリマーが反転される（図8C）。
【００４３】
図8Dはエラストマーの封止を有するゲル化した鋳型へワックスを注入する様子を図示している。溶融ワックスを表面に加えて刃状のブレーディングツールによって余剰の分を取り除くことによって、又は接触表面でエラストマーの封止の平坦部分で鋳型を被覆して、I/Oポートを介して熱いワックスを満たすことによって、流体ネットワークを犠牲ワックスで満たす。冷却すると、ワックスは固化して、図6及び7で述べたこれまでの型成型法で示された作製中間状態が生成される。
[流体構造]
本開示は、第1層、該第1層と接していて柔軟性を有する第2層、該第2層と接する第3層、前記第2層に隣接して設けられた少なくとも1つの流体チャネル、前記第3層を貫通して前記第2層で終端する少なくとも1つのバルブピンホール、及び前記第2層を作動させて前記少なくとも1つの流体チャネルを塞ぐように作動できる少なくとも1つのピンを有する。
【００４４】
本発明の流体用構造は多くの配置を有して良い。垂直配置では、第1層は下側層であって良い。この場合、第2層は第1層の上に存在する中間層であり、第3層は第2の中間層の上に存在する上側層である。あるいはその代わりに第1層は上側層である。この場合、第2層は第1層の下に存在する中間層であり、第3層は第2の中間層の下に存在する下側層である。
【００４５】
水平配置では、第1層は、最も左側に位置している第3層の右側に位置する第2層の右に位置する右側層である。あるいはその代わりに、第1層は、第2の中間層の左側に位置する左側層である。ここで中間層は第3層の左側に位置して、第3層は中間層の右側に位置する。
[流体構造の大きさ]
本開示の流体用構造のサイズ及びスケール並びに対応するチャネルとピンのサイズは、所与の用途の必要に応じて変化して良い。ミクロン（小さな）サイズとミリメータ（大きな）サイズのいずれにも長所と短所が存在する、ということは当業者には明らかなことである。よって当業者は、所与の用途にとって最善に機能する流体用構造のサイズを最適化することができる。本開示の流体用構造は、直径が10μmから1mmの範囲のチャネルを有して良い。そのチャネルは、長さが0.25インチから12インチで、直径が100μmから1mmの範囲のピンを有する。当業者はまた、直径が1cmのピン、及び直径が1mmから1cmのピンをも検討することができる。
[温度制御]
本開示の流体用構造は、たとえばヒートシンク（たとえばペルチェ素子）やファンのような温度制御素子と併用されて良い。流体用構造は、合成チップの下に位置で取り付けられたヒートシンクを有して良い。温度制御素子のアレイは、特定の流体反応の必要に応じて、本開示と併用されて良い。当業者は、本開示の流体用構造へ温度制御素子を供することができる。
【００４６】
代替実施例では、流体用構造、より具体的には、反応領域を有する本開示の合成チップはまた、少なくとも1つのベントチャネルをも有する。係るベントチャネルは、反応領域からの溶媒の蒸発を促進し、かつ反応領域の減圧を可能にする限り、様々な形態のうちの1つであって良い。図5のベントチャネルは、反応領域に隣接する蛇行したパターンを形成する。このベントチャネルは入力と出力を有する。そのうちの一は塞がれ、他は真空と接続する。他の可能なベントチャネルパターンは、直角のU字形状であり、第2の柔軟な層内の反応領域の直上に存在する。それにより反応領域の上に位置するこの層を介した蒸発が可能となる。ベントチャネルは、第3層と接し、かつ反応領域に隣接することが好ましい。
[用途]
本開示の機械的に作動する流体用構造の有利な用途は多数ある。従って本発明は、特定の用途又はそれについての使用に限定されない。好適態様では、本発明について以下の使用及び用途が考えられる。
【００４７】
一般的な用途では、流体用構造は、集積流体用素子内での流体の流れを制御するのに用いられる。流体チャネル内での流体の流れは如何なる反応性流体であっても良い。最終的なプロセスは化合物の合成であって良い。最終的な流体化合物は、溶媒のやり取りであって良い。第1流体反応物は流体チャネルを介して供給される。溶質は捕らえられる（この用途はさらに、溶質を捕らえる選択膜を流体用出力チャネル内に有する）。後続の第2流体反応物は、同一の流体チャネルを介して供給される。それにより溶質は第2の流体反応物中で懸濁する。このようにして、本開示の流体用構造は、溶媒のやり取りをするための新たな方法を提供する。
【００４８】
バルブの密閉強度と膜の通気性の両方によって与えられる溶媒をやり取りする能力によって、上述の構造に基づいた素子は、同様の合成法に基づいた従来技術に係る素子では容易に合成することができなかった、たとえばPETプローブのような放射性医薬品の多段階合成を成功させることを可能にする。放射性医薬品を容易に合成することができなかった理由は、放射性医薬品は限られた材料でしか実現できなかったためである（非特許文献5）。他のマイクロ流体素子は放射線合成に用いられてきた。しかしこれらの素子は、高温かつ高圧の条件を供する必要がないので、バルブを有していない（非特許文献6）。たとえ同様のバルブが記載されているとしても（非特許文献7）、これらは、材料の多機能性なくしては係る素子へは適用されない。
【００４９】
当業者はまた、集積流体プロセスに上記プロセス（合成、溶媒のやり取り、濾過等）を組み込むことを想到することができる。
【００５０】
開示された流体用構造は、生体高分子の合成、細胞探索、DNA探索、治療上の合成、オプトフルイディクス(optofluidics)及び半導体プロセスのような用途に用いられて良いが、用途は上記に限定されるわけではない。
【００５１】
まとめると、マイクロ流体構造及び方法が開示されている。当該構造は特徴を持たないガスケット層を有する。そのガスケット層が、効率的で再現可能な構造の作製及び組合せを可能にする。積層方法により、様々な素子材料の利用及び容易な組み立てが可能となる。
【００５２】
上記説明には例示された実施例が示されかつ記載されているが、当業者は多数の変化型及び代替実施例が思いつく。係る変化型及び代替実施例が検討され、かつ「特許請求の範囲」で定義された本発明の技術的範囲から逸脱することなく可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本開示によるガスケットチップの垂直断面を図示している。
【図２】対称的な半径パターンで配置された6つのバルブピンホールを有する流体用構造の上面を概略的に図示している。ここで6つの対応する流体チャネルは、入力口及び出力口を有するベントチャネルをさらに有する。
【図３Ａ】従来設計の“厚い”ピンバルブを図示している。
【図３Ｂ】本開示の“薄い”ピンバルブを図示している。
【図４】“ギャップ”を有するバルブ設計を図示している。この設計では、流体チャネルは隆起構造を有し、その隆起構造は第2（ガスケット）層の作動の際にピンと接するバルブの反対側に位置する。
【図５Ａ】たとえばねじを用いた機械的手段によって組み合わせられたガスケットチップの断面を図示している。
【図５Ｂ】たとえば留め具を用いた機械的手段によって組み合わせられたガスケットチップの断面を図示している。
【図６Ａ】ワックスの鋳型上に設けられてエラストマー状に硬化したベント層とフロー層を図示している。
【図６Ｂ】穴を開けてピンを挿入した後に続いて、鋳型から除去された軟らかいベント層とフロー層を図示している。
【図６Ｃ】平坦面上に設けられて部分的に硬化した薄いエラストマーのガスケット層を図示している。
【図６Ｄ】ガスケット層の上部に設けられたフロー層を図示している。
【図６Ｅ】薄い層の余剰部分を除去した後の被型成型層を図示している。2層の層は設けられていた面から引き離されて、反転される。
【図６Ｆ】ガスケット層の上部にベント層を加えた後に、集合体が硬化されて完成する様子を図示している。
【図７】A-Fは、犠牲“反転”鋳型を用いたマイクロ流体素子の作製方法を段階毎に図示している。
【図８】A-Dは、エラストマーの“小型容器”鋳型を用いたマイクロ流体素子の作製方法を段階毎に図示している。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【国際調査報告】
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