(57)【要約】２つの蛇腹ポンプ（１０５、１１５）を備える、マイクロ流体混合デバイスと、それを備える、マイクロ流体カートリッジと、その使用方法とが、提供される。開示されるデバイスは、マイクロ流体規模におけるサンプルの効率的混合を可能にする。より具体的には、マイクロ流体混合デバイスは、第１の蛇腹ポンプ（１０５）と、第２の蛇腹ポンプ（１１５）と、第１のマイクロチャネルと、第２のマイクロチャネルと、第３のマイクロチャネルと、第１および第２の空気圧部材とを備え、第２の蛇腹ポンプ（１１５）の容積は、第１の蛇腹ポンプ（１０５）の容積を上回る。
2019515778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体混合デバイスであって、
チャンバが第１のエラストマ膜によって冠状平面において二分される第１の蛇腹ポンプと、
チャンバが第２のエラストマ膜によって冠状平面において二分される第２の蛇腹ポンプと、
前記第１の蛇腹ポンプとサンプル入口および試薬リザーバとを流動的に相互接続する第１のマイクロチャネルであって、前記第１のマイクロチャネルは、前記ポンプと前記入口との間に介在される弁と、前記ポンプと前記リザーバとの間に介在される弁とを備える、第１のマイクロチャネルと、
前記第１の蛇腹ポンプと前記第２の蛇腹ポンプとを流動的に相互接続する第２のマイクロチャネルであって、前記第２のマイクロチャネルは、前記第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第２のマイクロチャネルと、
前記第１の蛇腹ポンプと前記第２の蛇腹ポンプとを流動的に相互接続する第３のマイクロチャネルであって、前記第３のマイクロチャネルは、前記第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第３のマイクロチャネルと、
前記第１および第２の蛇腹ポンプに空気圧的に接続される第１および第２の空気圧部材と
を備え、前記第２の蛇腹ポンプの容積は、前記第１の蛇腹ポンプの容積を上回る、
マイクロ流体混合デバイス。
【請求項２】
前記第１、第２、および第３のマイクロチャネルは、交差し、前記第１の蛇腹ポンプと流体連通するウェブを形成する、請求項１に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項３】
前記ウェブのチャネルのそれぞれは、液体ビアと流体連通する、請求項２に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項４】
前記ウェブは、層流および乱流流体の流動の両方を可能にするように構成される、請求項２に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項５】
前記第２および第３のマイクロ流体チャネルは、前記第２の蛇腹ポンプと流体連通する垂直延在部を備える、請求項１に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項６】
前記延在部のそれぞれは、１つを上回るビアと流体連通する、請求項５に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項７】
前記延在部のそれぞれは、３つのビアと流体連通する、請求項６に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項８】
前記ビアは、前記第２の蛇腹ポンプの表面積の実質的全体にわたって、液体の分散流動を可能にするように構成される、請求項６に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【請求項９】
請求項１−８のいずれか１項に記載の混合デバイスを備える、マイクロ流体カートリッジ。
【請求項１０】
請求項９に記載のカートリッジを使用して、試験サンプルの連続アリコートを処理する方法であって、前記方法は、
前記試験サンプルの第１のアリコートを前記サンプル入口の中に導入するステップと、
前記第１のアリコートを前記第１の蛇腹ポンプの中に引き込むステップと、
前記第１のアリコートを前記第１の蛇腹ポンプから前記第２の蛇腹ポンプに引き込むステップと、
前記試験サンプルの第２のアリコートを前記サンプル入口の中に導入するステップと、
前記第２のアリコートを前記第１の蛇腹ポンプの中に引き込むステップと、
前記第２のアリコートを前記第１の蛇腹ポンプから前記第２の蛇腹ポンプに引き込むステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、サンプルの調製、処理、および／または分析のために、流体化された生物学的サンプルおよび試薬を混合するためのマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
臨床、生物学的、または環境試験に関連する生物学的検体は、頻繁に、複雑な流体混合物中に低濃度で見出される。検体検出アッセイの感度および／または特異性を限定し得る、背景の抑制または干渉基質成分から離れるように、具体的検体を捕捉、濃縮、および富化することが重要である。具体的検体は、限定ではないが、核酸、例えば、抗原または抗体、原核または真核細胞、およびウイルスを含む、タンパク質、ならびに薬物および代謝物等の小分子を含む。従来のサンプル調製方法は、遠心分離、固相捕捉、選択的析出、濾過、および抽出を含む。これらの方法は、概して、特に、診療現場試験の開発と互換性がある様式において、後続アッセイステップとの効率的自動化および統合に適していない。
【０００３】
マイクロ流体デバイスは、近年、分析試験を行うためにますます一般的となっている。電子機器を小型化するために半導体産業によって開発されたツールを使用して、安価に大量生産され得る、複雑な流体システムを加工することが可能となっている。システムが、情報の取得および処理のための種々の分析技法を行うために開発されている。
【０００４】
マイクロ流動的に分析を行う能力は、スループット、試薬消費、および自動化性の実質的利点を提供する。マイクロ流体システムの別の利点は、分析および／または合成のための反応物の処理を行うために、複数の異なる動作を単一「ラボオンチップ」デバイス内に統合する能力である。マイクロ流体デバイスは、多層積層構造内に構築されてもよく、各層は、積層された材料から加工されるチャネルおよび構造を有し、流体が流動するマイクロ規模空隙またはチャネルを形成する。マイクロ規模またはマイクロ流体チャネルは、従来、５００μｍ未満、典型的には、約０．１μｍ〜約５００μｍの少なくとも１つの内部断面寸法を有する、流体通路として画定される。
【０００５】
米国特許第５，７１６，８５２号（参照することによって全体として本明細書に組み込まれる）は、マイクロ流体デバイスの実施例である。第’８５２号特許は、指示薬流およびサンプル流を提供する少なくとも２つの入力チャネルを有する層流流動チャネルを使用して、サンプル流中の検体粒子の存在を検出するためのマイクロ流体システムを教示し、層流流動チャネルは、流れの層流流動を可能にするために十分に小さい深度と、指示薬流の中への検体の粒子の拡散を可能にし、検出面積を形成するために十分な長さとを有し、かつ単一混合流を形成するためのチャネルからの出口を有する。Ｔ−センサとして知られる、本デバイスは、拡散によって以外に混合せずに、チャネル内で相互に隣接する異なる流体層の移動を可能にする。全血等のサンプル流、指示薬溶液等の受容流、および既知の検体標準であり得る基準流が、Ｔ−センサ内の共通マイクロ流体チャネルの中に導入され、流れは、チャネルから退出するまで、相互に隣接して流動する。イオンまたは小タンパク質等のより小さい粒子は、流体境界を横断して急速に拡散する一方、より大きい分子は、よりゆっくりと拡散する。血液細胞等の大粒子は、２つの流動流が接触する時間内に有意な拡散を示さない。
【０００６】
マイクロ流体チャネルの層流レジーム特性では、混合は、拡散に限定されることが、一般的に認められている。拡散自由経路長がデバイス寸法とほぼ等しい、関与する寸法のため、拡散混合は、溶質のために非常に効果的であり得る。本条件は、リボン流動、Ｔ−センサ、および他の有用なマイクロ流体現象を可能にする。しかしながら、細胞、細菌、ウイルス粒子等のより大きい検体に関して、ならびにマクロ分子錯体および線形ポリマーに関して、拡散混合は、ゆっくりであって、これらの種の捕捉または枯渇のためのプロセスは、長期インキュベーションを要求する。混合における拡散限定は、したがって、マイクロ流体デバイスに問題を提示し、サンプルおよび試薬またはビーズのバルク混合または組み合わせが、要求される。本問題は、完全に解決されておらず、混合技術を改良するための方法、デバイス、および装置が、積極的に模索されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，７１６，８５２号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
要するに、本発明は、異なる物理的および化学的性質の試薬を用いて、流体化された生物学的サンプルを操作および混合するステップを伴う、マイクロ流体デバイス、装置、および方法に関する。特に、開示されるマイクロ流体混合器は、種々の構成に配列される、複数のマイクロ流体チャネル、ビア、弁、ポンプ、および他の要素を利用し、流体サンプルおよび試薬の流動および混合を操作し、後続分析のためにサンプルを調製する。
【０００９】
本明細書に開示される好ましい実施形態は、チャンバが第１のエラストマ膜によって冠状平面において二分される、第１の蛇腹ポンプと、チャンバが第２のエラストマ膜によって冠状平面において二分される、第２の蛇腹ポンプと、第１の蛇腹ポンプとサンプル入口および試薬リザーバを流動的に相互接続する、第１のマイクロチャネルであって、ポンプと入口との間に介在される弁とポンプとリザーバとの間に介在される弁とを備える、第１のマイクロチャネルと、第１の蛇腹ポンプと第２の蛇腹ポンプを流動的に相互接続する、第２のマイクロチャネルであって、第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第２のマイクロチャネルと、第１の蛇腹ポンプと第２の蛇腹ポンプを流動的に相互接続する、第３のマイクロチャネルであって、第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第３のマイクロチャネルと、第１および第２の蛇腹ポンプに空気圧的に接続される、第１および第２の空気圧部材とを含み、第２の蛇腹ポンプの容積は、第１の蛇腹ポンプの容積を上回る、マイクロ流体混合デバイスである。ある実施形態では、第１、第２、および第３のマイクロチャネルは、交差し、第１の蛇腹ポンプと流体連通するウェブを形成する。さらに他の実施形態では、マイクロウェブのチャネルはそれぞれ、液体ビアと流体連通する。さらに別の実施形態では、マイクロウェブのチャネルはそれぞれ、液体ビアと流体連通する。さらに別の実施形態では、マイクロウェブは、層流および乱流流体流動の両方を可能にするように構成される。別の実施形態では、第２および第３のマイクロ流体チャネルは、第２の蛇腹ポンプと流体連通する、垂直延在部を備える。さらに別の実施形態では、延在部はそれぞれ、１つを上回るビアと流体連通する。さらに別の実施形態では、延在部はそれぞれ、３つのビアと流体連通する。別の実施形態では、ビアは、第２の蛇腹ポンプの表面積の実質的全体にわたって、液体の分散流動を可能にするように構成される。
【００１０】
別の側面では、本発明は、本明細書に説明される混合デバイスのいずれかを含む、マイクロ流体カートリッジを提供する。
【００１１】
別の側面では、本発明は、本明細書に説明されるカートリッジのいずれかを使用して、試験サンプルの連続アリコートを処理する方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａ−１Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の代替実施形態の概略図を図示する。
【図１Ｂ】図１Ａ−１Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の代替実施形態の概略図を図示する。
【図１Ｃ】図１Ａ−１Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の代替実施形態の概略図を図示する。
【図２】図２は、本発明のマイクロ流体カートリッジの一実施形態の断面図である。
【図３】図３は、本発明のマイクロ流体混合器の一実施形態の断面図の詳細図である。
【図４Ａ】図４Ａ−４Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の一実施形態の詳細な断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａ−４Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の一実施形態の詳細な断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａ−４Ｃは、本発明のマイクロ流体混合器の一実施形態の詳細な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明をより深く説明する際の補助として、以下の定義が、提供される。本明細書に提供される任意の定義が、辞書の意味、当技術分野において一般に理解されるような意味、または特許もしくは文献引用に参照することによって組み込まれるような意味と矛盾する場合、本明細書に提示される定義が、優先するものとする。
（定義）
【００１４】
マイクロ流体カートリッジ：マイクロ流体寸法を有する流体構造および内部チャネルを伴う、「デバイス」、「カード」、または「チップ」。これらの流体構造は、例えば、チャンバ、弁、通気口、ビア、ポンプ、入口、ニップル、および検出手段を含んでもよい。概して、マイクロ流体チャネルは、約５００μｍ未満、典型的には、約０．１μｍ〜約５００μｍの少なくとも１つの内部断面寸法を有する、流体通路である。したがって、本明細書に定義されるように、マイクロ流体チャネルは、５００μｍ未満の少なくとも１つの内部断面寸法を有する、流体通路である。マイクロ流体レジームは、ポアズイユまたは「層流」流動によって特徴付けられる。
【００１５】
蛇腹ポンプ：エラストマダイヤフラムによって冠状区分において二分され、流動的に接続されない、第１および第２の半チャンバを形成する、多くの場合、円筒形形状の空洞として形成される、デバイスである。ダイヤフラムは、第１の半チャンバに接続される空気圧パルス発生器によって制御される。ダイヤフラムの上方の正圧は、それを膨張させ、第２の半チャンバの内容物を変位させ、負のゲージ圧力（吸引）は、それを後退させ、第２の半チャンバを拡張させ、流体を中に引き込む。半チャンバとは、ダイヤフラムの有効面積が、正圧下の容積変位および吸引圧力下の容積変位より少なく、したがって、第１および第２の半チャンバがダイヤフラムの上方および下方の容積内でほぼ対称または等しいとき、最適であることを理解されたい。第２の半チャンバは、流体流入ポートおよび流出ポートに接続される。流体流入ポートおよび流出ポートは、別個のポートまたは単一ポートであってもよいが、いずれの場合も、弁制御下にある。上記に説明されるように、空気圧パルス発生器が、概して、同様に弁付きである、マイクロチャネルによって、第１の半チャンバに空気圧的に接続される。完全な装置では、空気圧作動は、プログラム可能である。したがって、パルス発生器によって使用されるプログラム可能空気圧圧力論理は、信号に応じてダイヤフラムを作動させることと、信号に応じて弁を開閉することとの２つの機能を有する。パルス発生器が、カートリッジ外にあるとき、ニップルまたは入口、空気圧マニホールド、およびソレノイド弁が、提供される。
【００１６】
使用時、流体は、負圧がダイヤフラムに印加されると（または受動的に、流体が、第２の蛇腹ポンプによって押動されると）、入口弁を通して、蛇腹ポンプの第２の半チャンバに進入する。次いで、正圧が、ダイヤフラムに印加されると、チャンバの流体内容物は、出口弁を通して外に変位される。同様に、正および負圧信号は、弁開閉を制御する。正および負圧パルス列をダイヤフラムに供給することによって、流体は、蛇腹ポンプチャンバの内外に移動されることができる。本流体運動は、同期される弁論理の印加によって、指向性、したがって、圧送作用となる。
【００１７】
本明細書に開示されるように、対の蛇腹ポンプ、すなわち、「二重蛇腹ポンプ」は、入口および出口弁が閉鎖された後、２つの蛇腹チャンバ間で往復流動させるように、第１のダイヤフラム圧力作動性および第２のダイヤフラム受動性とともに構成されるとき、サンプル調製および／または分析のために、生物学的サンプルおよび試薬の懸濁液を混合することができる。往復流動はまた、交互または反転空気圧パルスを用いて両ダイヤフラムを同期して作動させることによって、得られることができる。同様に、複数の蛇腹ポンプが、混合機能を行うために流動的に直列に接続される。
【００１８】
試験サンプル：例えば、血液、血清、血漿、軟膜、唾液、創傷滲出液、膿、肺および他の呼吸器吸引液、鼻吸引液および洗浄液、瘻孔ドレナージ、気管支肺胞洗浄液、痰、中耳および内耳吸引液、嚢胞吸引液、脳脊髄液、便、下痢液、尿、涙、乳分泌液、卵巣内容物、腹水、粘液、胃液、胃腸管内容物、尿道分泌物、滑液、腹膜液、胎便、腟液または分泌液、羊膜液、精液、陰茎分泌物、または同等物を含む、代表的生物学的サンプルが、試験されてもよい。粘膜分泌および上皮を表す綿棒からのアッセイまたは洗浄液が、容認可能であって、例えば、喉、扁桃腺、歯肉、鼻腔、膣、尿道、直腸、下部結腸、および眼の粘膜綿棒であって、あらゆる種類の組織試料のホモジネート、溶菌液、消化液もまたそうである。哺乳類細胞は、容認可能サンプルである。生理学的流体に加え、水、産業廃棄物、食品製品、牛乳、空気濾過物等のサンプルもまた、試験試料である。これらは、食品、環境、および産業サンプルを含む。いくつかの実施形態では、試験サンプルは、直接、デバイス内に設置される。他の実施形態では、分析前処理が、検討される。例えば、略固体サンプルの流体化は、オフカートリッジで容易に遂行され得る、プロセスである。
【００１９】
試薬：広義には、酵素を含む、反応において使用される任意の化学的または生化学的薬剤を指す。試薬は、それ自体が監視され得る単一薬剤（例えば、加熱されるにつれて監視される物質）または２つもしくはそれを上回る薬剤の混合物を含むことができる。試薬は、生物（例えば、細胞）または非生物であってもよい。核酸増幅反応のための例示的試薬として、限定ではないが、緩衝剤、金属イオン（例えば、マグネシウム塩）、キレート剤、ポリメラーゼ、プライマー、テンプレート、ヌクレオチド３リン酸、標識、染料、ヌクレアーゼ阻害物質、および同等物が挙げられる。酵素反応のための試薬は、例えば、基質、色原体、補因子、結合酵素、緩衝剤、金属イオン、阻害剤、および活性化剤を含む。全ての試薬が、反応物、タグ、またはリガンドであるわけではなく、いかなる試薬も、標的検体ではない。
【００２０】
ビア：１つの基質層から上方または下方の別の基質層に流体路を提供する、マイクロ流体チャネル内のステップであって、層から構築される積層されたデバイスの特性である。
【００２１】
空気ポート：外部サーボ機構のプログラム可能制御下における空気圧マニホールドのアームを指す。空気圧マニホールドは、正または負のゲージ圧力で装填されてもよい。＋／−５〜１０ｐｓｉｇの動作圧力が、満足のゆくものであることが見出されている。空気および他のガスが、使用されてもよい。
【００２２】
「従来」は、本発明が関連する、特に、マイクロ流体混合デバイスに関する、先行技術において公知のものを示す用語である。
【００２３】
「約」、「およそ」、「概して」、および「ほぼ」は、「多少」、近似的、または大体である状態を説明する、不正確性の広義の表現であって、変動が、明白である、重要ではない、または有用性もしくは機能がわずかに下回る、もしくは同等であって、さらに、標準、規則、または限界に対する明白な例外の存在を示す。
（図面の詳細な説明）
【００２４】
前述のように、本発明の実施形態は、種々の構成に配列される、複数のマイクロ流体チャネル、入口、弁、膜、ポンプ、液体障壁、および他の要素を利用して、分析のためにそのようなサンプルを調製し、流体サンプルを分析するために、流体サンプルの流動を操作する、マイクロ流体混合デバイス、装置、および方法に関する。以下の説明では、本デバイスおよび方法のある具体的実施形が、記載されるが、しかしながら、当業者は、以下に説明される種々の実施形態および要素が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、組み合わせられる、または修正されてもよいことを理解するであろう。
【００２５】
図１Ａは、サンプル処理のための、本発明のマイクロ流体アッセイデバイスまたはカートリッジのマイクロ流体混合サブ回路１００Ａの概略を示す。サンプル、例えば、便、尿、全血、または血漿は、流体、固体、または両方の混合物であり得る。一実施形態では、流体サンプルは、サンプル入口または液体サンプルポートの中にピペット採取もしくは抜出される。別の実施形態では、サンプルは、最初に、流体化され、次いで、液体サンプルポートの中に導入される。さらに別の実施形態では、着目材料を有する、綿棒が、デバイス内のチャンバの中に挿入される。綿棒の縮径部が、次いで、折り取られ、デバイスは、シールされる。前処理が、必要に応じて、想起される。例えば、植物、粘膜、および望ましくない粒子状物質を除去するために、流体化されたサンプルは、随意に、例えば、ポリプロピレンファイバから作製されるデプスフィルタを通して事前に濾過され、次いで、溶解緩衝剤と混合され、標的核酸内容物を関連付けられた残骸および汚染物質から解放する。随意に、前置フィルタが、血液の細胞および血漿成分を分離するために使用されてもよい。
【００２６】
デバイスの中へのサンプルの導入に続いて、本発明の統合されたデバイス内において、残りのアッセイステップが、自動化または半自動化される。
【００２７】
溶解緩衝剤パウチ内の溶解緩衝剤は、例えば、洗浄剤と組み合わせたカオトロピックを含有し、細胞溶解をもたらし、核酸と付着分子との間の会合を低減させ、随意に、洗浄に先立った核酸劣化を低減させるためのヌクレアーゼ阻害剤およびＥＤＴＡ等のキレート剤を含有する。
【００２８】
我々は、チオシアン酸グアニジン（ＧＳＣＮ）、例えば、４．５Ｍ  ＧＳＣＮが、サルコシンおよびＴｒｉｔｏｎＸ−１００等の洗浄剤と組み合わせて、弱酸性緩衝剤とともに、ＰＣＲに好適な便からの核酸の抽出に成功することを見出した。本溶解緩衝剤はまた、ヘモグロビンを全血から除去し、グラム陰性菌を溶解するために十分である。
【００２９】
しかしながら、マイクロ規模におけるサンプルおよび溶解緩衝剤の混合は、精巧性を要求する。マイクロ規模流体アッセイデバイスに対する生化学的性質の適応は、新規エンジニアリングを要求している。我々の経験では、例えば、本発明のマイクロ流体デバイス内の好ましい混合機構は、層流および乱流流動間の流体動態を交互させることである。層流レジームにおける運動は、平行粒子軌道によって特徴付けられ、遷移性「噴出」における乱流運動は、半径方向における激しい混合を表す。従来のマイクロ流体構造内の流動は、概して、層流であって、境界層および界面に沿った拡散によって混合を可能にする。しかしながら、そのような現象は、例えば、異なる粘度の溶液のバルク混合が要求される、マイクロ流体デバイス内に問題を提示する。
【００３０】
本発明の実施形態は、流動制限チャネルの回路によって分離および接続される一対の蛇腹ポンプを含む、積層または成型された混合デバイスを提供することによって、マイクロ規模における異なる粘度の混合溶液の問題を解決する。本システムではチャネルを通して移動する溶液は、層流集束流動を被る。チャネルから蛇腹ポンプのチャンバの中への退出に応じて、溶液は、流体「噴流」を形成し、チャンバのバルク流体内に渦として分散する。これらの渦または「乱流噴出」は、乱流流動への遷移の特性である。乱流混合は、異なる粘度の溶液が相互作用し得る、表面積を増加させ、したがって、２つの溶液の混合を助長および加速させる。チャネルと比較したチャンバの表面積増加はまた、より高速で移動するあまり粘性ではない溶液がより低速で移動するより粘性の溶液に接触することを可能にする、プラットフォームを提供する。本デバイスでは、空気圧アクチュエータが、２つの蛇腹ポンプチャンバ間の２つの溶液の往復流動を可能にするように提供される。エラストマ膜は、順方向および逆方向隔離を確実にする。
【００３１】
図１Ａのマイクロ流体混合サブ回路の動作は、逆止弁および蛇腹ポンプの空気圧作動に基づき、流体移送および混合をもたらす、一連のステップを伴う。第１のステップでは、サンプルが、サンプル入口の中に導入され、弁Ｖ２が、例えば、吸引圧力を弁のダイヤフラムに印加することによって開放され、蛇腹Ｂ１が、サンプルを蛇腹の中に引き込むにつれて、そのダイヤフラム膜もまた、持ち上げられ得る。
【００３２】
第２のステップでは、弁Ｖ２は、閉鎖され、弁Ｖ１０が、開放され、蛇腹ポンプＢ１が、サンプルを蛇腹ポンプＢ２の中に圧送し、弁Ｖ１０は、閉鎖される。随意の第３のステップでは、サンプルが、再び、サンプル入口の中に導入され、弁Ｖ２が、開放され、蛇腹ポンプＢ１が、サンプルを蛇腹の中に引き込む。随意の第４のステップでは、弁Ｖ２は、閉鎖され、弁Ｖ１０が、開放され、蛇腹ポンプＢ１が、サンプルを蛇腹ポンプＢ２の中に引き込み、弁Ｖ１０は、閉鎖される。
【００３３】
第５のステップでは、弁Ｖ１は、開放され、弁Ｖ１１も、開放され、溶解緩衝剤が、蛇腹Ｂ１を横断後、蛇腹ポンプＢ２の中に導入される。
【００３４】
第６のステップでは、弁Ｖ１は、閉鎖され、弁Ｖ１０も、閉鎖され、蛇腹ポンプＢ２は、溶解緩衝剤およびサンプルをチャネルおよび弁Ｖ１１を通して蛇腹ポンプＢ１に押動させる。すなわち、弁Ｖ１１は、閉鎖され、弁Ｖ１０は、開放され、蛇腹ポンプＢ１は、混合物をチャネルおよび弁Ｖ１０を通して蛇腹ポンプＢ２に押動させる。ステップ６は、複数回繰り返され、チャネルおよび蛇腹ポンプによって形成される回路を通して流動するにつれて、２つのサンプルの混合をもたらす。チャネル内にある間、流体流動は、層流である。しかしながら、蛇腹チャンバの中への進入に応じて、流体流動は、乱流となる。マイクロチャネル内の層流流動および蛇腹チャンバ内の乱流流動の本繰り返される循環は、驚くべきことに、グアニジニウム等のカオトロピックに基づいて、異なる粘度の溶液、例えば、生物学的サンプルおよび溶解緩衝剤の混合に効果的である。
【００３５】
本発明のマイクロ流体混合サブ回路の１つの有利な特徴は、サンプルの連続アリコートが、前述のように、混合デバイスの中に導入されることを可能にすることである。本機能性は、蛇腹ポンプＢ２のサイズがより大きく、したがって、蛇腹ポンプＢ１より大きい容積を収容するように、２つのポンプを設計することによって達成される。動作の間、単一サンプルの連続アリコートを処理し、随意に、ポンプのいずれかをバイパスする、本混合デバイスの能力は、例えば、要求に応じて特定のアッセイをカスタマイズするために、有利な柔軟性をシステムのユーザに提供する。
【００３６】
図１Ｂは、本発明の代替実施形態の概略である。ここでは、サンプル処理のためのマイクロ流体混合サブ回路１００Ｂは、図１Ａにおけるように構成されるが、溶解緩衝剤リザーバは、蛇腹ポンプＢ１およびＢ２の両方と直接流体連通する。チャネル、ポンプ、サンプル入口、および緩衝剤リザーバのいくつかの代替構成が、異なる粘度の溶液の交互層流および乱流混合を達成可能であって、したがって、本発明によって検討されることを理解されたい。
【００３７】
図１Ｃは、本発明の代替実施形態の概略である。ここでは、サンプル処理のためのマイクロ流体混合サブ回路１００Ｃは、図１Ａにおけるように構成される。本例証は、蛇腹ポンプ１０５および１１５の内部流体作用を描写する。本実施形態では、より小さい蛇腹ポンプ１０５は、交差し、マイクロチャネルウェブを形成する、３つのマイクロチャネルと流体接続する。各チャネルは、流体入口および／または出口として機能し、流体が、チャネルおよび蛇腹ポンプに進入し、および／またはそこから退出することを可能にする、ビア１３１と流体接続する。３つのビアは、加えて、マイクロチャネルウェブ１２０を通して、相互に流体接触する。マイクロチャネルウェブ１２０は、有利には、チャネル内の層流流動と、流体流がウェブ内の３つのチャネルの合流点に衝突するにつれた乱流との両方によって、流体の混合を可能にする。加えて、乱流混合は、流体がビア１３１から退出し、ポンプのチャンバに進入するにつれて継続する。他の好適なマイクロチャネルウェブ構成も、本発明によって検討されることを理解されたい。例えば、蛇腹ポンプ１０５は、全てマイクロチャネルウェブによって相互接続される、２〜約１０のビアとともに構成されてもよい。
【００３８】
大蛇腹ポンプ１１５に目を向けると、本実施形態では、ポンプに接続されるチャネルはそれぞれ、複数のビアがポンプのチャンバに進入する液体の流動を分散させ得るように、垂直方向に延在される。図１Ｃに描写される例示的構成では、弁Ｖ１０をポンプ１１５に接続するチャネルは、垂直方向に拡張され、３つのビア１３３で終端する。同様に、弁Ｖ１１とポンプを接続するチャネルも、垂直方向に拡張され、３つのビア１３５で終端する（例証の便宜上、単一ビアのみが、図に示される）。他の例示的数のビアも、本発明によって検討され、例えば、各マイクロチャネルは、約３〜約１０のビアを蛇腹ポンプ１１５のチャンバ内に導入するように拡張されてもよいことを理解されたい。我々は、大蛇腹ポンプのチャンバの中への複数のビアの導入が、チャンバのより広い表面積にわたって、粘性溶液の流動を促進する、すなわち、チャンバを「流」ではなく「波」で充填する利点を有することを見出した。これは、有利には、より低い粘度の溶液との混合、例えば、カオトロピック溶解緩衝剤と液体サンプルの混合を向上させることが見出されている。
【００３９】
図２では、マイクロ流体デバイスまたはカートリッジ２００は、遠近法を用いた３次元ＣＡＤレンダリングとして提示される。デバイスを通した断面は、複数の層の積層によって加工されるカートリッジを示す。本実施形態は、薄いプラスチックコア（ＡＣＡ）上の両面接着剤の積層から成る中間層によってともに積層された立体成型されたプラスチックの２つの層を要求する。中間層は、デバイスの弁およびポンプを形成する、エラストマ膜またはダイヤフラムを提供する。カートリッジの混合デバイスは、より大きい蛇腹ポンプ２０５およびより小さい蛇腹ポンプ２１５の２つの蛇腹ポンプを含む。２つの蛇腹ポンプは、図１Ａ−Ｃを参照して説明されるように、マイクロチャネルおよび弁のネットワークによって流動的に接続される。大および小蛇腹ポンプによって形成される空洞はそれぞれ、中間積層層内に提供されるエラストマダイヤフラムによって冠状平面において二分される。前述のように、第２のポンプが第１のポンプより実質的に大きい、二重蛇腹ポンプ混合デバイスを提供する１つの利点は、サンプルの連続アリコートを混合サブ回路の中にサンプル入口２２５を通して導入する能力である。
【００４０】
本発明のマイクロ流体混合器の蛇腹ポンプの特徴は、図２における断面に描写されるポンプ構成の拡大図である、図３により詳細に示される。ここでは、混合デバイス３００は、より大きい（「第２の」）蛇腹ポンプ３０５およびより小さい（「第１の」）蛇腹ポンプ３１５の２つの蛇腹ポンプを含む。２つのポンプの相対的寸法は、より大きい蛇腹ポンプが、より小さい蛇腹ポンプを上回る容積を保定および混合可能である限り、具体的着目アッセイに好適な任意の値であってもよい。概して、２つのポンプによって形成される空洞の高さは、実質的に類似し、ホスト器具の中へのカートリッジの挿入容易性を助長するであろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、２つのポンプによって形成される空洞の高さは、異なってもよい。概して、より大きい蛇腹ポンプの直径は、より小さい蛇腹ポンプの直径を上回るであろう。いくつかの実施形態では、より小さい蛇腹ポンプの直径に対するより大きい蛇腹ポンプの直径の比は、約１を上回る値から約２になるであろう。他の実施形態では、より小さい蛇腹ポンプの直径に対するより大きい蛇腹ポンプの直径の比は、２を上回るであろう。一例示的実施形態では、各ポンプの高さは、約３．１５ｍｍである一方、より大きい蛇腹ポンプの直径は、約２２．５ｍｍであって、より小さい蛇腹ポンプの直径は、約１５．５ｍｍである。各ポンプの動作は、各蛇腹ポンプの上側チャンバと空気圧接続するビア３３０Ａおよび３３０Ｂ（例証の便宜上、単一ビアのみが各ポンプ内に示される）で終端する、上側成型体内に加工される空気チャネルの空気圧制御下にある。概して、各ポンプは、同一数の空気ビアを有するであろう。いくつかの実施形態では、各ポンプは、それぞれ、３つのビアによって空気圧的に制御される。
【００４１】
２つの蛇腹ポンプは、図１Ａ−Ｃを参照して説明されるように、マイクロチャネルのネットワークによって流動的に接続される。各マイクロチャネルは、液体ビア３５０Ａおよび３５０Ｂ（例証の便宜上、単一ビアのみが示される）によって、蛇腹ポンプの下側チャンバに流動的に接続される。図３Ｃを参照して議論されるように、より大きい蛇腹ポンプ３０５と流体連通する各マイクロチャネルは、１つを上回るビアで終端する。例示的実施形態では、より大きいポンプは、流体が、６つの液体ビアを通して、より大きいポンプに進入し、および／またはそこから退出するように、それぞれ、３つのビアで終端する、２つのチャネルと流体連通する。別の例示的実施形態では、より小さい蛇腹ポンプは、流体が、３つのビアを通して、より小さいポンプに進入し、および／またはそこから退出するように、それぞれ、単一液体ビアで終端する、３つのマイクロチャネルに流動的に接続される。より大きいおよびより小さいポンプに進入する、任意の他の数のビアが、本発明の実践に好適であり得、具体的着目用途によって判定されるであろうことを理解されたい。大および小蛇腹ポンプによって形成される空洞はそれぞれ、中間積層層内に提供されるエラストマダイヤフラム３６０Ａおよび３６０Ｂによって、冠状平面において二分される。
【００４２】
図４Ａは、デバイスの層状構造の例証を可能にするための透明特徴を伴う３次元ＣＡＤ図面として図３を参照して説明される、混合デバイスの実施形態４００を描写する。より小さい蛇腹ポンプ４１５およびより大きい蛇腹ポンプ４０５は両方とも、それぞれ、単一空気チャネル４２０Ａおよび４２０Ｂの空気圧制御下にある。各空気チャネルは、各ポンプの上側チャンバと空気圧接続する、３つのビア４３０Ａおよび４３０Ｂ（例証の便宜上、単一ビアのみが各ポンプ内に示される）で終端する。より小さい蛇腹ポンプ４１５の下側チャンバは、３つの液体ビア４５０Ｂと流体連通する一方、より大きい蛇腹ポンプ４０５の下側チャンバは、６つの液体ビア４５０Ａ（例証の便宜上、単一ビアのみが各ポンプ内に示される）と液体連通する。
【００４３】
図４Ｂは、混合デバイス４００の断面図を示し、より大きい蛇腹ポンプ４０５およびより小さい蛇腹ポンプ４１５によって形成される、内部チャンバの底部表面を描写する。図４Ａを参照して議論されるように、より大きいポンプ４０５は、６つの液体ビア４５０Ａと流体接続する一方、より小さいポンプ４１５は、３つのビア４５０Ｂと流体接続する。本明細書に議論されるように、ビア４５０Ｂの数および構成は、有利には、より大きいポンプの底部のより広い表面積にわたる粘性溶液の流動を促進する、すなわち、チャンバを「流」ではなく「波」で充填し、例えば、より低い粘度の溶液との結果として生じる向上された混合を伴うことが見出されている。
【００４４】
図４Ｃは、混合デバイス４００の断面図を示し、図４Ｂに描写される区分の下方の層内に形成されるマイクロ流体チャネルを描写する。本図は、より小さい蛇腹ポンプと流体接続する２つのマイクロチャネルによって形成される、マイクロチャネルウェブ４２５を図示する。マイクロチャネルウェブ４２５は、より小さい蛇腹ポンプの３つの流体ビア４５０Ｂ（例証の便宜上、単一ビアのみが各ポンプ内に示される）と流体連通する。本明細書に議論されるように、マイクロチャネルウェブ４２５は、有利には、チャネル内の層流流動後、流体流がより小さい蛇腹ポンプのウェブ内の３つのチャネルの合流点に衝突すると、乱流混合が続くことによって、流体の混合を可能にする。層流および乱流流動のこれらの改変は、異なる物理化学的性質を伴う溶液、例えば、異なる粘度を伴う溶液の混合のレートを向上させることが見出されている。より大きい蛇腹ポンプと流体連通する２つのマイクロチャネルはそれぞれ、垂直方向に延在し、延在部４３５および４３７を形成し、これは、順に、それぞれ、より大きい蛇腹ポンプが、６つの流体ビアを有し「波」におけるポンプのチャンバの中への流体流動を可能にするように、３つのビアと流体連通する。
本発明の実施形態として、限定ではないが、以下が挙げられる。
実施形態１．マイクロ流体混合デバイスであって、
チャンバが第１のエラストマ膜によって冠状平面において二分される第１の蛇腹ポンプと、
チャンバが第２のエラストマ膜によって冠状平面において二分される第２の蛇腹ポンプと、
第１の蛇腹ポンプとサンプル入口および試薬リザーバとを流動的に相互接続する第１のマイクロチャネルであって、該第１のマイクロチャネルは、ポンプと入口との間に介在される弁と、ポンプとリザーバとの間に介在される弁とを備える、第１のマイクロチャネルと、
第１の蛇腹ポンプと第２の蛇腹ポンプとを流動的に相互接続する第２のマイクロチャネルであって、該第２のマイクロチャネルは、第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第２のマイクロチャネルと、
第１の蛇腹ポンプと第２の蛇腹ポンプとを流動的に相互接続する第３のマイクロチャネルであって、該第３のマイクロチャネルは、第１および第２のポンプ間に介在される弁を備える、第３のマイクロチャネルと、
第１および第２の蛇腹ポンプに空気圧的に接続される、第１および第２の空気圧部材と
を備え、第２の蛇腹ポンプの容積は、第１の蛇腹ポンプの容積を上回る、マイクロ流体混合デバイス。
【００４５】
実施形態２．  第１、第２、および第３のマイクロチャネルは、交差し、第１の蛇腹ポンプと流体連通するウェブを形成する、実施形態１に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００４６】
実施形態３．  ウェブのチャネルのそれぞれは、液体ビアと流体連通する、実施形態２に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００４７】
実施形態４．  ウェブは、層流および乱流流体の流動の両方を可能にするように構成される、実施形態２に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００４８】
実施形態５．  第２および第３のマイクロ流体チャネルは、第２の蛇腹ポンプと流体連通する垂直延在部を備える、実施形態１に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００４９】
実施形態６．  延在部のそれぞれは、１つを上回るビアと流体連通する、実施形態５に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００５０】
実施形態７．  延在部のそれぞれは、３つのビアと流体連通する、実施形態６に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００５１】
実施形態８．  ビアは、第２の蛇腹ポンプの表面積の実質的全体にわたって、液体の分散流動を可能にするように構成される、実施形態６に記載のマイクロ流体混合デバイス。
【００５２】
実施形態９．実施形態１−８のうちの任意の１つに記載の混合デバイスを備える、マイクロ流体カートリッジ。
実施形態１０．実施形態９のカートリッジを使用して、試験サンプルの連続アリコートを処理する方法であって、該方法は、
試験サンプルの第１のアリコートをサンプル入口の中に導入するステップと、
第１のアリコートを第１の蛇腹ポンプの中に引き込むステップと、
第１のアリコートを第１の蛇腹ポンプから第２の蛇腹ポンプに引き込むステップと、
試験サンプルの第２のアリコートをサンプル入口の中に導入するステップと、
第２のアリコートを第１の蛇腹ポンプの中に引き込むステップと、
【００５３】
第２のアリコートを第１の蛇腹ポンプから第２の蛇腹ポンプに引き込むステップと
を含む、方法。
【００５４】
上記に説明される種々の実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。２０１６年２月１９日に出願された米国仮出願第６２／２９７，４９７号が、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。これらおよび他の変更は、前述の詳細な説明に照らして実施形態に行われることができる。一般に、以下の請求項では、使用される用語は、請求項を明細書および請求項に開示される具体的実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、そのような請求項が与えられる均等物の全範囲とともに、全ての可能性として考えられる実施形態を含むものと解釈されるべきである。故に、請求項は、本開示によって限定されない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【国際調査報告】
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