(57)【要約】ミクロ流動システムのミクロ流動部品統合のためのシステム及び方法は、ミクロ流動システムが選択されたミクロ流動機能を実行することを可能にする。キャッピングモジュールは、ミクロ流動機能を実行するためのミクロ流動要素を含んでいる。キャッピングモジュールは、ミクロ流動機能をシステムに組み込むためのミクロ流動配管を有するミクロ流動基板上に重ねられる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された第１のミクロチャンネルと、
前記第１のミクロチャンネルを前記基板表面に連結する第１の連結ポートと、
ミクロ流動機能を実行するためのミクロ流動要素を有するキャッピングモジュールと、を含むミクロ流動システムであって、
前記キャッピングモジュールが、前記基板上に重ねられ、かつ前記ミクロチャンネルに連結して設置されるようにし、ミクロ流動システムにミクロ流動機能を導くように適合されることを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項２】
第２のミクロチャンネルを前記基板の表面に接続する第２の連結ポートを、さらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記キャッピングモジュールは、前記第１のミクロチャンネルを前記第２のミクロチャンネルに連結するためのチャンバを含む請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ミクロ流動要素は膜を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ミクロ流動要素は、前記ミクロチャンネルを介して流量を調整するためのバルブを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ミクロ流動要素は圧力センサを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ミクロ流動要素はミクロ流動ポンプを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記キャッピングモジュールは、選択的に前記連結ポートを遮断するための膜と、前記膜の位置を制御するためのアクチュエータ・アセンブリと、をさらに含む請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
基板と、
基板上に配置され、ミクロ流動機能を実行するためのミクロ流動要素と、を含むキャッピングモジュールであって、
前記キャッピングモジュールは、前記ミクロチャンネルを内部に形成するミクロ流動システム上に重ねられるように適合され、前記ミクロ流動システムにミクロ流動機能を導くために、前記ミクロ流動要素が前記ミクロチャンネルに連結して配置されるようにしたことを特徴とするミクロ流動システムのためのキャッピングモジュール。
【請求項１０】
前記基板に形成されたチャンバをさらに含み、前記チャンバは、前記キャッピングモジュールがミクロ流動システム上に重ねられた際に、前記ミクロチャンネルに流体連結して配置される請求項９に記載のキャッピングモジュール。
【請求項１１】
前記ミクロ流動要素は膜を含む請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ミクロ流動要素はバルブを含む請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ミクロ流動要素は圧力センサを含む請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ミクロ流動要素はミクロ流動ポンプを含む請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
基板に形成されたミクロチャンネルと、
前記ミクロチャンネルを前記基板表面に連結する連結ポートと、
凹部、及びその凹部を覆ってチャンバを形成する膜を有するキャッピングモジュールと、を含むミクロ流動システムであって、
前記キャップは、前記膜が前記連結ポートを覆うようにして基板上に組み立てられるように適合されることを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項１６】
第１の基板に半チャンネルをエッチングするステップと、
前記半チャンネルを囲むために第２の基板を接着し、前記第１及び第２の基板のうちの１つに連結ポートを作製するミクロチャンネルを形成して、前記ミクロチャンネルを前記第１及び第２の基板のうちの１つの外部表面に接続するステップと、
前記第１及び第２の基板のうちの１つへのミクロ流動要素を有するキャッピング構造を接着するステップと、を含むことを特徴とするミクロ流動システムの製造方法。
【請求項１７】
基板内部に形成されるミクロチャンネルと、前記ミクロチャンネルを基板の外部表面に接続する１つ以上の連結ポートとを有する基板を提供する段階と、
前記連結ポートを覆うために、基板上にミクロ流動要素を有するキャッピング要素を重ねる段階と、を含むことを特徴とする流体回路の作製方法。
【請求項１８】
基板内部に形成される複数のミクロチャンネルを備え、各々のミクロチャンネルが前記ミクロチャンネルを前記基板表面に接続するための１つ以上の連結ポートを含むようにした基板と、
複数のミクロ流動キャッピングモジュールであって、それらの各々がミクロ流動機能を実行するための関連するミクロ流動要素を有し、前記ミクロ流動キャッピングモジュールの１つ以上が、関連するミクロ流動機能をシステムに組み込む１つ以上のミクロチャンネルに流体連結して基板上に設置するためのミクロ流動キャッピングモジュールと、
を含むことを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項１９】
物質を第１及び第２の成分に分離する膜と、
物質を移動させる第１の流路と、
前記膜の上に配置され、かつ物質を受け取るための第１の流路に連結して配置された第１の貯留槽と、
物質の第１の成分を受け取るために前記膜の下に配置された第２の貯留槽と、
物質の第２の成分を受け取るための第２の流路と、
物質中の流れを促進するための第１の流体経路に連結した第１の流体源と、
を含むことを特徴とするミクロ流動システムにおけるミクロ作製された濾過システム。
【請求項２０】
基板と、
物質を運搬するための基板内の第１の流路と、
前記第１の流路に交差して物質の濾過された成分を受け取って運搬するための第２の流路と、
基板内で前記第２の流路に連結して形成された凹部と、
前記凹部の上に配置されて濾過チャンバを規定し、物質を濾過された成分と残留成分とに分離するための膜と、
前記膜の上に配置され、濃縮液チャンバを規定するキャップと、
物質の残留成分を受け取って運搬するための第３の流路と、
を含むことを特徴とするミクロ流動システムにおけるミクロ作製された濾過システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミクロ流動レベルにおける流体試料を取り扱うミクロ流動システムに係わり、特に、本発明は、ミクロ流動システムにおけるミクロ流動機能を実行するためのシステム及び方法に関する。本願は、2002年12月23日に出願された米国出願第10/329,018号明細書に基づいて優先権を主張する。2002年9月9日に出願された米国仮出願第60/409,489号明細書、及び2002年9月13日に出願された米国仮出願第60/410,685号明細書については、その内容が参考としてこの中に組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
ミクロ流動装置及びシステムは、化学、生化学、及び生物学的な分析及び総合についての改良された実施方法を提供する。ミクロ流動装置及びシステムは、チップベースのミクロ化学分析における多段階で、多種類の化学操作を実行することを可能にする。一般に、チップベースのミクロ流動システムは、従来からの「ミクロ流動」要素を特に、化学的及び生物学的な標本を扱ったり、分析したりできるものを含む。通常、当技術分野におけるミクロ流動という用語は、チャンネルによって接続された処理結節(node)、チャンバ、及び貯留槽のネットワークを有するシステムまたは装置のことを言い、そこでは、チャンネルが、約１．０μｍから５００μｍの範囲の典型的な断面サイズを有している。この技術分野では、これらの断面サイズを有するチャンネルは、「ミクロチャンネル」と呼ぶ。
【０００３】
化学、生物医学、生命科学、製薬の産業では、高度に同時進行の方式での反応や、分離や、それに続く検出段階などの大変多くの化学操作を実行することが益々要求されてきた。高度な処理量の統合、（生物的）化学的化合物の選別と分析は、新薬と薬の候補の実用的な発見、及び精巧な医療診断装置の実装を可能にしている。これらの用途に要求される化学処理の改良のための主要な重要性は、速度の増大、再現性の強化、高価な試料と試薬の消費の減少、及び廃棄物の減少である。
【０００４】
バイオテクノロジー、特に細胞学及び薬剤スクリーニングの分野において、高処理能力の粒子の濾過が必要である。濾過を必要とする粒子の例は、血小板や、白血球や、腫瘍細胞や、胚細胞などのような多様な種類の細胞である。これらの粒子は、特に細胞学の分野で興味が持たれている。他の粒子はタンパク質や、酵素や、ポリヌクレオチドなどの（マクロ）分子の種類である。この粒子の一群は、新薬が開発される際に、特に薬剤スクリーニングの分野で興味が持たれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ミクロ流動システムにおけるミクロ流動部品のためのシステム及び方法を提供し、ミクロ流動システムが選択されたミクロ流動機能を実行することを可能にする。本発明は、ミクロ流動機能を実行するためのミクロ流動要素を含んだキャッピングモジュールを利用する。そのキャッピングモジュールは、ミクロ流動機能をシステムに組み込むためのミクロ流動配管を有するミクロ流動基板上に重ねられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの局面によると、本発明は、毛細血管サイズの閉じたチャンネルシステムを通して異なった成分に移動する化合物のような物質を分離するためのミクロ流動チップ中に濾過システムを供給する。本発明の濾過システムは、単位時間当たりの大量の化合物を正確に濾過する手段を提供しながら、わずかなコストで組み立て可能な濾過モジュールを提供する。濾過システムは、従来の膜濾過技術を、ガラス、プラスチック、または他の適当な材質で形成されたミクロ流動システムに統合する。ミクロ作製された濾過システムは、標準的な細流動システムに挿入されるよう設計されたサブシステムを含むことができ、オン・チップの濾過を提供する。例示した濾過システムは、膜によって分離された２つの流路を含み、その膜は第１の流路を通してサイズ別に流れる物質を分離する。貯留槽は流路に連結した膜のいずれかの側に形成される。ミクロ作製されたキャップは、膜の上面で貯留槽を規定するために膜に付けられる。
【０００７】
他の側面によると、内部に形成された電磁バルブ部材を有するキャッピング構造を使用して、電磁バルブをミクロ流動システムに組み込むことができる。電磁バルブ部材は、基板での１つ以上の連結ポートを通した流れを選択的に遮断するための膜、及びその膜の位置を制御するアクチュエータ・アセンブリを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、試料のオン・チップ濾過、精製または分離を可能にするためのミクロ作製された濾過システムを提供する。ミクロ作製された濾過システムは、他の血液分離や濾過に限らず、濾過や透析のサブシステム、及び他のミクロ流動用途を必要とするミクロ透析、微量化学分析、およびその他の統合用途を含んだ様々な用途に使用できる。本発明は、例示された実施形態に対して以下で説明されるであろう。この技術分野の当業者は、本発明が多くの異なった用途と実施形態を実装でき、ここに表現された特定の実施形態に対する用途に特に制限されないということを正しく認めるであろう。
【０００９】
ここで使用される「ミクロ流動」という用語は、ミクロスケール寸法を有する少なくとも１個のチャンネルを含み、流体試料を取り扱い、処理し、排出し、及び／または分析するシステムまたは装置のことをいう。
【００１０】
ここで使用される「チャンネル」及び「フローチャンネル」という用語は、液体やガスのような流体の移動を可能にする媒体を通して形成された経路のことをいう。ミクロ流動システムのチャンネルは、約１．０μｍと５００μｍの間の範囲の断面寸法を有することが望ましく、約２５μｍと２５０μｍの間がさらに望ましく、約５０μｍと１５０μｍの間が最も望ましい。この技術分野の通常の当業者ならば、フローチャンネルの適切な体積と長さを決定できるであろう。この範囲は、上述した値を上限及び下限として含んでいることを意味する。フローチャンネルは、何らかの選定された形状や配列を有することができ、その例として、直線的な構成、あるいは非線状構成でＵ型構成を含む。
【００１１】
ここで使用される「ミクロ流動要素」という用語は、パッシブ逆止バルブ、アクティブバルブ、圧力センサ、接続チャンネル、膜濾過ユニット、外部の接続チューブへのねじ式タップ（蛇口）、圧縮チャンバ、ポンプ、及びこの技術分野における当業者にとって周知の他のもの、を含むがそれらに限定されないような、ミクロ流動機能を実行するミクロ流動システムにおける構成要素のことをいう。
【００１２】
ここで使用される「膜」または「フィルタ」という用語は、大きさによる排除または他の基準により物質を分離あるいは濾過するのに使用される何らかの適当な構成とサイズの材料のことをいう。
【００１３】
ここで使用される「基板」という用語は、流体を運搬するために形成されるチャンネルを有する支持構造のことをいう。
【００１４】
ここで使用される「キャップ」または「キャッピングモジュール」という用語は、基板と同じサイズか、またはそれより小さく、何らかの選択されたサイズあるいは形状を有し、何らかの選択された材料で形成され、ミクロ流動要素を有している構造のことをいう。キャッピングモジュールは、基板に重ねるか連結して、完全に、または部分的に流路を完成するように構成される。
【００１５】
ここで使用される「物質」という用語は、ミクロ流動処理で使用される何らかの材料であって、ミクロ流動処理で使用される化合物、分子、ウイルス、細胞、粒子、ビーズ(beads)、緩衝液、または何らかの他の材料を含むがそれらに限定されないような材料のことをいう。
【００１６】
ここで使用される「ミクロ流動機能」という用語は、ミクロ流動システムにおける流体または試料に実行または表現される操作、機能あるいは処理であって、濾過、透析、ポンプ流送、流体流動調整、流体流動制御、およびそれらと同様のことを含むがそれらに限定されないようなもののことをいう。
【００１７】
「ポート」という用語は、２つの要素間に流体連結を与える構造のことをいう。
【００１８】
「ポンプ」という用語は、流体の吸入及び放出に適した装置のことをいい、ここで「マイクロポンプ」と言っているミクロスケールの寸法を含んだ異なるサイズを有することが可能である。
【００１９】
本発明は、ミクロ流動機能を実行するためのミクロ流動要素を有したキャッピングモジュールを使用しながら、ミクロ流動チップに異なったミクロ流動機能の実装を可能にする。図１に示されるように、本発明の実施形態の実施に適したミクロ流動チップ１０は、ミクロチャンネルとして示された１つ以上のフローチャンネル３が内部に配置された基板１１を含む。フローチャンネルは、ミクロ流動システム１０を通して液体試料上での何らかの適切な機能を処理し、取り扱い、及び／または、実行する流体を輸送する。ミクロ流動システム１０は、ミクロ流動システム１０を通して流体を輸送するための、適切ないくつかのフローチャンネル３を含むことができる。
【００２０】
図１に示されるように、フローチャンネル３は基板１１に形成され、１つ以上の連結ポート１３ａを介して基板の表面に接続可能となっている。ミクロ流動機能を実行するためのフィルタ、１つ以上のバルブ、圧力センサ、または他の部品などのミクロ流動要素１８を含むキャッピングモジュール１５は、基板１１上に配置され、閉じた流路を形成する。他の実施形態によれば、キャッピングモジュールは他の構成をまわるミクロチャンネルを通した別の経路の流体流動のための連結チャンネルを含むことができる。示された基板１１は、２つの連結ポート１３ａ、１３ｂを含み、それぞれが、フローチャンネル３の無関係な部分３ａ、３ｂを基板表面に接続しているが、この技術分野の当業者ならば、連結ポート及びフローチャンネルのサイズや、数量や形状の変化が可能であることを認めるであろう。
【００２１】
例示したキャッピングモジュール１５は、基板の連結ポート、及び／または、チャンバ１２またはチャンネルに接続するためのコネクタポートを含むことができ、第１のコネクタポートと第２のコネクタポートの間の流路を提供する。この技術分野の当業者ならば、キャッピングモジュールが他の構成を有することができ、図１に示された実施形態に限定されない、ということを認めるであろう。
【００２２】
キャッピングモジュール１５を使用しながら、濾過、透析、ポンプ駆動、流量制御などのようなミクロ流動機能を、基板１１に大掛かりな修正を必要とせずにミクロ流動システム１０に統合できる。基板、即ち、チップ上の機能的なミクロ流動要素１８を有する１つ以上のキャッピングモジュール１５を選択し、配置することによって、流体輸送のための導管またはチャンネル３の何らかの数量と配列を含んだ基板は、機能的な流体回路へと変えることができる。例示した実施形態によれば、同様の自動化された「ピックアンドプレイス」表面実装装置技術であって集積回路を作るのに使用される技術は、様々なキャッピング構造を使ったミクロチャンネルを有する基板上に、流体回路を形成するために使用できる。適切なピックアンドプレイス装置は、特に、マンコープ有限会社（Ｍａｎｎｃｏｒｐ  Ｉｎｃ．）（ペンシルベニア州ハンティンドン・バレー）によって製造されている。
【００２３】
流体回路を作製するために、基板１１におけるチャンネル３はチップのミクロ製作によって製造できる。チャンネルまたは配管は、第１の基板に半チャンネルをエッチングし、その後第２の基板を接合及び／または貼り合わせして半チャンネルを取り囲み、ミクロチャンネルを形成することによって作ることができる。さらに複雑な流体ネットワークが必要であるならば、エッチングされたチャンネルを含む１つ以上の層で基板を形成できる。そして、連結ポートを基板中に作って、基板の外表面へミクロチャンネルを接続することができる。連結ポートを作るのに適した技法は、穴あけ、レーザーエッチング、パウダーブラスティング、または当技術分野で知られている他の技法を含む。基板及び連結ポートの成形後に、必要な機能性を有するキャッピングモジュールが基板に接着され、一層大きなミクロ流動回路におけるミクロ流動部品が形成される。
【００２４】
様々なキャッピングモジュールの数量とサイズが、基板に接着でき、ミクロ流動システムを形成するための様々なミクロ流動機能を与えることができる。キャッピングモジュールは移動可能で、取替え可能であるため、基板を再使用できる。
【００２５】
例示した実施形態によれば、キャッピングモジュールは、約１ミリメートルから約５センチメートルの断面積規模を有するが、当業者ならば、本発明がこの範囲に限られないことを認めるであろう。キャッピングモジュールは、プラスチック、ガラス、シリコン、および当技術分野で知られている、他の材料を含むがそれらに限定されないような、何らかの適当な材料で形成できる。
【００２６】
図２は、本発明の教示によって作ることができるミクロ流動診断チップの構造の一例を示す。診断チップ２０は、試料の処理を容易にするために単独または組み合わせで構成された１つ以上のミクロ流動部品を含むことができる。例えば、図示のように、診断チップ２０は、溶液中の物質を分離するため、例えば懸濁液中で細胞または他の粒子群から選択された粒子を分離するためのミクロ濾過システム１００を含む。診断チップ２０は、試料、試薬または他の化合物をシステムに格納したり、提供したりするための１つ以上の貯留槽９０や、また試料の廃棄物を集めるための１つ以上の廃棄物貯留槽９１をさらに含むことができる。診断チップは、特定量の試料と試薬の混合を行なうことなどの、試料処理のためのオン・チップ試料希釈システムのような、１つ以上のアリコート用部品、混合用部品、および培養部品をさらに含むことができる。例えば、例示したシステムは混合用部品６０及び培養領域６１を含む。チップは、ミクロ濾過システム１００からの濾過された生成物を分析するための検出器７０をも含むことができる。検出器７０は、蛍光、電気化学分析、誘電泳動、表面プラズマ共鳴（ＳＰＲ）、放射振動、熱分析、及びそれらの組み合わせ、を含むがそれらに限定されないような、何らかの適当な検出様式を利用できる。チップ１０は、チャンネルを通した流体の流れを選択的に制御するバルブ、及びチップ上あるいはチップ外に配置され、チップのチャンネル３を通して流体の移動を駆動するための１つ以上の駆動ユニットを使用することができる。この技術分野の当業者ならば、ミクロ流動システムを図２の診断チップに制限せずに、様々なミクロ流動の成分の構成、位置、数、および組み合わせの様々な変化を、本発明に従って作り出すことができることを認めるであろう。
【００２７】
本発明の濾過システム１００は、キャッピングモジュールを使用しながら、ミクロ流動チップに従来の膜濾過技術を統合する。濾過システムは、既存のミクロ流動チップに挿入でき、チップ構造の大掛かりな、あるいは高価な修正を必要とせずに、懸濁液中の粒子、細胞、または他の物質の濾過を可能にする。
【００２８】
図３、４、及び６は、本発明の一実施形態による図２のミクロ流動システムに実装するのにふさわしい、ミクロ作製された濾過サブシステム１００を示す。図５は、本発明の一実施形態による濾過システム１００を作るために使用されるキャッピングモジュール１５を示す。濾過サブシステムは、粒子と流体の混合物を有する試料などの物質を、膜１１０を通して分離し、引き続いて分離された成分を集めるのに利用される。例示した実施形態によると、濾過サブシステムは、漿液から血球を分離するのに使用されるが、この技術分野における当業者ならば、他の用途も本発明に含まれているということを認めるであろう。他の用途によれば、濾過システムは、細胞からウイルスを分離したり、細胞、化合物、分子、または分離に膜を使用できる他の物質からからビーズを分離したりするのに使用できる。示されたように、濾過サブシステム１００は、直接ミクロ流動チップに形成され、大掛かりな修正または費用を必要とせずにチップに濾過性能を付加する。
【００２９】
濾過サブシステム１００は、基板１１内で２つの流路を分割する従来の薄膜フィルタ１１０を利用して、試料の小体積制御が可能な濾過機能を提供する。例示した濾過システムは、横向きの４ポートのフィルタであり、濾過システムに粒子と流体の混合物などの物質を供給する第１流体流路１２０と、濾過システムから濾過された生成物（即ち上澄み）を受け取り輸送する第２流体流路１３０とを含んでいる。第１流体流路１２０は、第１の入口１２１ａで濾過システムと交差する第１入口チャンネル１２１として示される第１連結ポートを含む。第１流体経路１２０は、濾過システムから物質の濃縮液を受け取って運搬する濾過チャンバからの出口１２２ａを含んだ第１出口チャンネルとして示される第２連結ポートを含む。第２流体流路は、第２の入口における膜１１０の下の上澄みチャンバに交差する入口チャンネル１３１と、濾過システムからの濾過された生成物を運搬する第２の出口チャンネル１３２とを含む。第２流体流路１３０は、濾過された生成物を運搬するキャリヤ流体を含むことができる。流体源は濾過システムを通した混合物の流れを駆動し、膜を通した成分分離をもたらす。流体源は、オフ・チップ・シリンジポンプ、ミクロ作製されたぜん動ポンプ、ミクロ作製された注射器、あるいは、当技術分野で知られている適切な流体源を含むことができる。そのような流体源は、「ミクロ流動システムと部品」という名称の米国仮特許出願第60/391,868（代理人事件番号CVZ-019-2）に記載され、その内容は参考として本発明に組み入れられている。
【００３０】
例示のミクロ作製された濾過システム１００は比較的小さい設置面積（約１ｍｍ２）を有し、その結果、コンパクトな構造、低コスト、及び比較的簡単な製作性をもたらす。さらに、分子分離手段は、ひずみ速度にほとんど、または全く妨害をもたらさない。必要に応じて残留流体は充分な量にでき、その設計に際しては、必要に応じてさらなる構造分析段階のために拡大縮小可能で、再現可能である。
【００３１】
本発明の濾過サブシステムは、２つのフローチャンネル１２０、１３０の交差部１０１を含むミクロ流動チップを提供することによって、形成できる。組み立て過程は、簡単な一まとまりで作られた部品を統合し、大きな体積でも比較的簡単で低コストである。例示した実施形態によれば、交差部１０１において第２フローチャンネル１３０に連結する凹部１４０を、チップは形成する。第１フローチャンネル１２０は、始めに、凹部１４０と切り離され、分離される。適切な膜１１０がミクロ流動チップに取り付けられ、適切な接着剤または他の適切な締結機構を使用して凹部を覆い、そして第２のフローチャンネル１３０を通して濾過された生成物を受け取って、濾過生成物を運搬するために膜の下の貯留槽を規定する。その膜は当技術分野で知られている何らかの適当な濾過膜も含むことができる。
【００３２】
図４に示されるように、例示のミクロ作製されたキャッピングモジュール１５は、膜１１０の上に取り付けられ、第１フローチャンネル１２０に連結した濾過チャンバ１６１を規定する。キャップ１５は、適切な接着剤または他の適当な締結機構を使用して取り付けることができる。例示したキャッピングモジュール１５は、濾過チャンバに連結する入口１６２と出口１６３を含んでおり、濾過チャンバ１６１を有する第１フローチャンネル１２０に接続され、流動組成物が膜上の濾過チャンバで濾過されることを可能にする。あるいは、膜１１０は直接キャッピングモジュール１５に取り付けられ、そしてキャッピングモジュールは、基板上への濾過システムの統合に適するように基板に取り付けられる。この技術分野における当業者ならば、キャッピングモジュールが例示した実施形態に限られず、本発明の教示に従って変化させることができるということを認めるであろう。
【００３３】
図７は、膜１１０を含むキャッピングモジュール１５の組み立てに先立ってそこに前もって形成されたチャンネル３を含んだミクロ流動システム１０を示す。図８は、濾過能力を組み込み、キャッピングをされたミクロ流動システム１０の上面図である。
【００３４】
濾過処理される組成物は、入口チャンネルから濾過サブシステムに導入され、濾過チャンバの中、及び膜１１０の上に通される。物質の成分は膜１１０によって漿液などのさらにミクロな成分に分画され、膜を通り、第２フローチャンネル１３０を通って貯留槽１４０に通される。血球などのような残存部分は濾過チャンバを介して第１フローチャンネル１２０の出口に通される。
【００３５】
例示した実施形態によれば、ミクロ流動チップの基板は、ガラス、プラスチック、シリコン、水晶、セラミック、あるいは何らかの他の適当な材料で形成できる。ガラスから製造されたミクロ流動チップにおいては、チップは２つの層、即ちチップと、チップに取り付けられて濾過サブシステムを規定するキャップの層を有することができる。プラスチックで形成されたミクロ流動チップにおいては、部品をプラスチック基板中に区分することができる。
【００３６】
図９ａ及び９ｂに示された他の実施形態によれば、ミクロ濾過サブシステムは、流体流路１８１に挿入された膜１１０を有する２ポートのダイレクトフィルタ１８０を含むことができる。示されたように、２ポートのダイレクトフィルタ１８０は、ミクロ流動基板で形成された流体流路１８１を有し、流体流路は２つのセクション１８１ａ、１８１ｂに分割される。第２セクション１８１ｂは凹部１８２を規定し、そして膜１１０は凹部の上に付着されて、濾過生成物を受け取るための上澄みチャンバを規定する。濾過チャンバを規定する凹部１８６を含むミクロ作製されたキャップ１５は、膜上の基板に取り付けられ、流路１８１に接続される。濾過されるべき物質は、流体流路１８１を通って濾過チャンバ１８６に運ばれ、膜１１０に通される。膜１１０は、より大きな分子群を捕獲することによって物質を分離し、そして残留分子を含む濾過生成物は流体流路１８１に沿って膜を介して凹部１８２に通され、さらなる解析、回収処理などのために濾過システムから流出する。
【００３７】
さらに他の実施形態によれば、図１０ａ及び１０ｂに示すように、ミクロ濾過システムは、３ポートのダイレクトフィルタ１９０を含むことができる。３ポートのダイレクトフィルタ１９０は、２つの試料を濾過チャンバ１９５に流入させるための２つの入口フローチャンネル１９１、１９２と、フィルタ１９０からの濾過された生成物を運搬するための単独の出口チャンネル１９３とを含む。３ポートのダイレクトフィルタは、濾過チャンバを規定するミクロ作製されたキャップ１５と、出口チャンネル１９３から濾過チャンバを分離する膜１１０を含む。動作中には、入口チャンネル１９１、１９２を通して２つの試料が供給できる。それらの試料は濾過チャンバ１９５で混合され、そして試料の混合物は膜を通して濾過され、その膜は試料の混合物の成分を分離する。膜を通して濾過された生成物は、さらなる処理、分析、回収などのために出口チャンネルを介して運搬される。
【００３８】
膜ベースの分離技術における当業者ならば、膜が備え付けられ、サイズによって分子を、または分子からビーズを、または大きな粒子から小さな粒子を、または細胞からウイルスを分離すること、またはこの技術分野の当業者にとって公知の分離をも含む、あらゆるタイプのオン・チップ分離を実施するのに、ここで説明された濾過システムが使用できる、ということを認めるであろう。
【００３９】
本発明の他の実施形態によれば、ミクロ流動システムに電磁バルブを組み込むためにキャッピングモジュール１５を使用できる。本発明の教示によるミクロ流動システムの実行のためにキャッピング構造に組み込まれる電磁バルブ部材の一例が、図１１に示されている。示されるように、電磁モジュール１５０は内部チャンバ１５１を規定するキャップ１５と、膜１５４を有し、膜１５４は、基板内の連結ポートと、膜１５４を変形させるためのアクチュエータ・アセンブリ１６０のうち一方または両方を通した流れを選択的に遮断する。例示した実施形態によれば、アクチュエータ・アセンブリはコイル１６２と磁石１６４を有する。この技術分野における当業者ならば、膜を変形させる圧電アクチュエータを含んだ他の適当な手段を使用できることを認めるであろう。
【００４０】
電磁キャッピングモジュール１１０は基板１１上に重ねることができ、膜が変形させられると連結ポート１３ａ及び１３ｂうち１つ以上を遮断する。その結果、電磁キャッピングモジュール１１０は、ミクロ流動流路においてチャンネル３を通した流れを遮断するためのバルブを統合する。上述のように、自動化された「ピックアンドプレイス」装置を使用する基板上に、またはこの技術分野で公知の何らかの適当な手段を通して、電磁キャッピングモジュールを配置することができる。
【００４１】
この技術分野における当業者ならば、キャッピングモジュールが例示した実施形態には限られず、他のミクロ流動機能や、追加的または置換的に濾過制御及び流量制御を付加するために他の要素の実装が可能である、ということを認めるであろう。
【００４２】
本発明の濾過システムは、ミクロ作製された／ミクロ構造の、ミクロ流動システムに固有の小体積の動的流量制御を有する、従来の膜技術の能力と範囲を有利に結合する。本発明は、何らかの適当な高分子膜とミクロ流動ネットワークとの、費用効率のよい混合を提供する。ミクロ流動チップにおけるミクロ濾過システムの組み立て費用のうち、ミクロ流動システム自体のコストを超える増分は比較的低いので、ミクロ濾過システムは簡単かつ安価にミクロ流動システムに追加される。
【００４３】
本発明によるミクロ流動システムは、単独で、または他の部品と組み合わせて、１つ以上の上述の部品を有することができる。
【００４４】
本発明を、例示した実施形態に対して説明してきたが、上記構成において、本発明の範囲から逸脱しないで一定の変更を行うことができ、従って、上記の説明に含まれ、または添付図面に示されたすべての事柄は、例示として解釈され、限られた意味では解釈されないものである、ということを意味する。
【００４５】
また、添付の特許請求の範囲が、ここに説明され、言葉の問題として発明の範囲に収まると言える発明の全体と特定の特徴をカバーする、ということを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ミクロ流動機能をミクロ流動システムに統合するためのキャッピング構造を含むミクロ流動システムを示す。
【図２】本発明に示した実施形態によるミクロ濾過システムを含めるのに適した診断用のミクロ流動チップを示す。
【図３】本発明に示した実施形態による図２のチップにおける濾過システムの断面斜視図である。
【図４】図３の濾過システム上における膜の詳細図である。
【図５】図３の濾過システムのミクロ作製されたキャップを示す。
【図６】図３の濾過システムの上面図である。
【図７】濾過システム組み立て前の図２の診断チップの上面図である。
【図８】濾過システム組み立て後の図２の診断チップの上面図である。
【図９ａ】本発明の他の実施形態による２ポートの直接濾過システムの上面図である。
【図９ｂ】図９ａの濾過システムの断面斜視図である。
【図１０ａ】本発明の他の実施形態による３ポートの直接濾過システムの上面図である。
【図１０ｂ】図１０ａの濾過システムで、ミクロ作製されたキャップを取り除いた状態の断面斜視図である、
【図１１】本発明の実施形態によるミクロ流動システムに組み込まれた電磁バルブを示す。
【符号の説明】
【００４７】
３  フローチャンネル
１０  ミクロ流動チップ（ミクロ流動システム）
１１  基板
１２  チャンバ
１３ａ  連結ポート
１５  キャッピングモジュール（キャップ）
１８  ミクロ流動要素
２０  診断チップ
６０  混合用部品
６１  培養領域
７０  検出器
９０  貯留槽
９１  廃棄物貯留槽
１００  濾過サブシステム（ミクロ濾過システム）
１０１  交差部
１１０  薄膜フィルタ
１２０  フローチャンネル
１４０  凹部（貯留槽）
１５０  電磁モジュール
１５１  内部チャンバ
１５４  膜
１６０  アクチュエータ・アセンブリ
１６２  コイル
１６４  磁石
１８０  ダイレクトフィルタ
１８１  流体流路
１８２  凹部
１８６  凹部（濾過チャンバ）
１９０  ダイレクトフィルタ
１９１  入口フローチャンネル
１９３  出口チャンネル
１９５  濾過チャンバ
【図１】
2005537923.tif 000002
【図２】
2005537923.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005537923.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年10月20日(2004.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された第１のミクロチャンネルと、
前記第１のミクロチャンネルを前記基板表面に連結する第１の連結ポートと、
基板に形成された第２のミクロチャンネルと、
基板に形成された第３のミクロチャンネルと、
内部に形成された凹部と、大きさによる排除によって物質を分離するとともに凹部を覆ってチャンバを形成する半透過性の膜とを備え、前記膜が前記チャンバの壁を形成するようにしたキャッピングモジュールと、
を含み、
前記キャッピングモジュールがチャンバへの入口とチャンバへの出口を内部に備えるようにし、前記キャッピングモジュールが前記基板上に重ねられることによって、前記チャンバへの入口が第１のミクロチャンネルに連結して配置されるとともに前記チャンバへの出口が第２のミクロチャンネルに連結して配置され、前記膜が第３のミクロチャンネルに連結して配置されることによって、膜を通して濾過されたものを第３のミクロチャンネルに導入し、
これによってミクロ流動システムにミクロ流動機能を導入することを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項２】
第２のミクロチャンネルを前記基板の表面に接続する第２の連結ポートを、さらに含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
表面に形成された凹部を有する基板と、
基板上に配置され、大きさによる排除によって物質の濾過を実行し、凹部を覆ってチャンバを形成する半透過性の膜と、
基盤に形成されたチャンバへの入口と、
基盤に形成されたチャンバへの出口と、
を含み、
チャンバがミクロチャンネルに前記入口を介して連結して配置されることにより濾過機能がミクロ流動システムに導入されるように、前記キャッピングモジュールは、内部にミクロチャンネルが形成されるミクロ流動システム上に重ねられるように適合されることを特徴とするミクロ流動システムのためのキャッピングモジュール。
【請求項４】
前記チャンバは、前記キャッピングモジュールがミクロ流動システム上に重ねられる際に、前記基板内の第２のミクロチャンネルと膜によって流体連結して配置され、かつ分離される請求項３に記載のキャッピングモジュール。
【請求項５】
基板に形成されたミクロチャンネルと、
前記ミクロチャンネルを前記基板表面に連結する連結ポートと、
前記基板内に形成され前記ミクロチャンネルから分離される第１の凹部と、
第２の凹部と、大きさによる排除によって物質を分離するとともに凹部を覆って第１のチャンバを形成する膜と、を有するキャッピングモジュールと、
を含み、
キャップは、前記膜が前記第１の凹部を覆って、膜により第１のチャンバと分離される第２のチャンバを形成するように、基板上に組み立てられるように適合されることを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項６】
複数のミクロチャンネルが基板内部に形成され、各々のミクロチャンネルが前記ミクロチャンネルを前記基板表面に接続するための１つ以上の連結ポートを含むようにした基板と、
複数のミクロ流動キャッピングモジュールであって、それらの各々がミクロ流動機能を実行するための関連するミクロ流動要素を有し、第１の前記ミクロ流動キャッピングモジュールが、前記１つ以上のミクロチャンネルに関係する連結ポートを介して、１つ以上のミクロチャンネルに流体連結して基板上に重ねられることによって、第１のミクロ流動機能をシステムに組み込み、第２の前記ミクロ流動キャッピングモジュールが、他の前記１つ以上のミクロチャンネルに関係する連結ポートを介して、他の１つ以上のミクロチャンネルに流体連結して基板上に重ねられることによって、第２のミクロ流動機能をシステムに組み込むようにしたミクロ流動キャッピングモジュールと、
を含むことを特徴とするミクロ流動システム。
【請求項７】
物質を第１及び第２の成分に分離する膜を含むキャッピングモジュールと、
物質をミクロ流動システムを介して移動させる第１の流路であって、前記キャッピングモジュールが基板上に重ねられた際に前記キャッピングモジュールが前記第１の流路に交差するようにした第１の流路と、
膜上の前記キャッピングモジュール中に形成された第１の貯留槽であって、物質を受け取るために第１の流路に連結する入口を有するとともに、第１の貯留槽からの第１の成分を運搬するために第１の流路に連結された出口を有する第１の貯留槽と、
物質の第２の成分を受け取るために基板中に規定された第２の貯留槽と、
物質の第２の成分を受け取るために第２の貯留槽に流体連結する第２の流路と、
物質中の流れを促進するために前記第１の流路に連結する第１の流体源と、
を含み、
第１の貯留槽が第２の貯留槽に連結し、かつ膜によって第２の貯留槽から分離されるように、前記キャッピングモジュールが基板上に重ねられ、第１の流路に沿って運搬された物質が第１及び第２の成分に分離されて、第１の成分が第１の貯留槽を通って第１の流路を通過し、第２の成分が膜を通って第２の流路を通過するようにしたことを特徴とするミクロ流動システムにおけるミクロ作製された濾過システム。
【請求項８】
基板と、
物質を運搬するための基板内の第１の流路と、
基板内に形成され、物質の濾過された成分を受け取って運搬するための第２の流路と、
基板内に前記第２の流路に連結して形成された凹部と、
濃縮液チャンバを規定し、濃縮液チャンバが第１の流路に連結して配置されるように前記基板上に重ねられたキャップと、
キャップに付けられ濃縮液チャンバを覆う膜であって、前記膜は物質を濾過成分と残留成分に分離するためにサイズが決められ、キャップが前記基板上に重ねられて膜の下に濾過チャンバが規定される際に凹部の上に配置され、これによって第２の流路を膜により第１の流路と接続して配置し、かつ分離するようにした膜と、
基板に形成され、濃縮液チャンバに連結して濃縮液チャンバからの物質の残留成分を運搬するための第３の流路と、
を含むことを特徴とするミクロ流動システムにおけるミクロ作製された濾過システム。
【国際調査報告】
2005537923.tif 000013
2005537923.tif 000014
2005537923.tif 000015