(57)【要約】本発明は、可動光ビームによって発生される泡により、マイクロチャネルシステムにおいて液体を処理するための方法及び装置を利用可能にする。特に、本装置は、マイクロチャネルシステムにおけるポンプ、バルブ、ミキサ及びサーマルリアクタに関し、また、より大きいシステムにするこれらの装置の組み合わせに関する。その方法は、これらの装置の製造及び操作に関する。
2005538287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を保持する少なくとも１つのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させるためのマイクロポンプシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームと上記基板との間に相対移動を引き起こすための移動手段とを備え、
上記移動手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクションの各々における液体に作用する少なくとも１つの蒸気泡が形成されることを特徴とするマイクロポンプシステム。
【請求項２】
上記光ビームは、上記第１の位置から上記第２の位置へ移動する際に上記マイクロチャネルを連続照射し、上記第１のセクションから上記第２のセクションへ進む少なくとも１つの蒸気泡を生成する請求項１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３】
上記第１の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成され、上記第２の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成される請求項１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４】
上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成される請求項３記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５】
上記マイクロチャネルは、上記光ビームによって順次照射される１つまたは複数の領域を有し、各領域は上記光ビームによって順次または連続して照射される複数のセクションを備える先行する請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項６】
領域は上記光ビームによって複数回照射される請求項５記載のマイクロポンプシステム。
【請求項７】
上記領域は順次または連続して複数回、何れの方向にも照射される請求項６記載のマイクロポンプシステム。
【請求項８】
上記システムは双方向的に作動する請求項６記載のマイクロポンプシステム。
【請求項９】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つの表面部分は光エネルギーを吸収するための吸光物質を備える先行する請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１０】
上記光エネルギーは照射セクションにおいて液体に直接吸収される請求項１乃至９のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１１】
上記蒸気泡は液体内に形成される先行する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１２】
上記蒸気泡は、光ビーム照射に応答して液体の少なくとも一部を膜沸騰することにより形成される請求項１１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１３】
上記蒸気泡は緩衝液内に形成される請求項１乃至７のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１４】
上記蒸気泡は、光照射に応答して上記緩衝液の一部を膜沸騰することにより形成される請求項１３記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１５】
上記蒸気泡は、光ビーム照射に応答して核生成により形成される請求項１３または１４記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１６】
上記緩衝液は上記マイクロチャネルに関連づけられるキャビティ内に保持され、上記マイクロチャネルの表面部分は上記キャビティの一表面部分である請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１７】
上記キャビティは上記マイクロチャネルへ向かって開口を有する請求項１６記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１８】
上記開口は上記マイクロチャネル内の液体によって運ばれる細胞より小さい請求項１７記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１９】
上記発生される流れは層状である請求項１３乃至１８のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２０】
上記緩衝液と上記液体とは上記マイクロチャネル内の層流液体である請求項１９記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２１】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つのセクションは上記緩衝液を含む請求項１３乃至２０のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２２】
上記マイクロチャネルの一方の端セクションは上記緩衝液を含む請求項２１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２３】
上記光ビームのパラメータを制御するための光ビーム制御手段をさらに備える先行する請求項１〜２２のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２４】
上記光ビーム制御手段は、上記マイクロチャネル内に液体の加熱を供給するように上記光ビームのパラメータを制御すべく適合される請求項２３記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２５】
上記光ビームは、上記液体の少なくとも一部を上記液体の沸点を下廻る温度まで加熱するに足るエネルギー密度を有する請求項２４記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２６】
上記相当量の液体を加熱するためのエネルギー密度は泡の形成を誘導するためのエネルギー密度より低い請求項２４または２５の何れかに記載されたマイクロポンプシステム。
【請求項２７】
液温を検出するためのサーモパイル素子をさらに備える請求項２４乃至２６のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２８】
上記サーモパイル素子は赤外線検出器を備える請求項２７記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２９】
上記光ビームと上記基板との間に相対運動を引き起こす手段を制御するための制御手段をさらに備える先行する請求項１〜２８のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３０】
上記制御手段は上記光ビーム制御手段を備える請求項２３及び２９記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３１】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は上記基板を移動させる手段を備える先行する請求項１〜３０のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３２】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は上記光源を移動させる手段を備える請求項１乃至３１のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３３】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は上記光ビームを移動させる手段を備える請求項１乃至３２のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３４】
上記光ビームを移動させるための手段は上記光ビームを偏向または回折させるための手段を備える請求項３３記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３５】
上記移動させるための手段はモータを備える請求項３１乃至３３のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３６】
上記移動させるための手段は圧電素子を備える請求項３１乃至３５のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３７】
上記光ビームを選択されたロケーションへ集束するためのフォーカス手段をさらに備える先行する請求項１〜３６のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３８】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネルの一表面部分である請求項３７記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３９】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネル内の一ロケーションである請求項３７記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４０】
上記フォーカス手段はフォーカス制御手段によって制御される請求項３７乃至３９のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４１】
上記制御手段は上記フォーカス制御手段を備える請求項２９または４０記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４２】
上記液体の速度は上記動作させるための手段の速度を制御することによって制御される先行する請求項１〜４１のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４３】
上記液体の速度は上記光源のエネルギー密度を制御することによって制御される先行する請求項１〜４２のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４４】
上記蒸気泡の大きさは、上記光源のエネルギー密度及び／または選択されたセクションの照射時間を制御することによって制御される先行する請求項１〜４３のいずれか一項に記載マイクロポンプシステム。
【請求項４５】
上記光源のエネルギー密度及び／または照射時間は、マイクロチャネルの大きさに対応する大きさを有する蒸気泡を形成するように選択される請求項４４記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４６】
揺動する２つの蒸気泡は上記マイクロチャネルの隣接する２セクションにおいて形成され、上記揺動は上記チャネル内に少なくとも１つの蒸気泡制限を持続させるように制御される請求項４５記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４７】
上記蒸気泡は、上記蒸気泡の第１及び第２の端部分の加熱と、上記マイクロチャネルの対応する表面部分の照射とを交互させることによって持続される請求項４５記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４８】
少なくとも１つの光源は上記動作させるための手段により幾つかのマイクロチャネル内に流れを発生させるように制御される先行する請求項１〜４７のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４９】
上記動作手段は、幾つかのマイクロチャネルの幾つかの表面部分を照射して上記幾つかのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させるように制御される先行する請求項１〜４８のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５０】
上記光源はレーザである先行する請求項１〜４９のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５１】
上記少なくとも１つのマイクロチャネル内に注入されるマーキング液を保持するための少なくとも１つのリザーバと、上記少なくとも１つのリザーバを上記少なくとも１つのマイクロチャネルの少なくとも１つのセクションに連結する接続穴とをさらに備える先行する請求項１〜５０のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５２】
上記マイクロチャネルは混合される少なくとも１つの第１の液体と第２の液体とを含み、少なくとも第１の蒸気泡は少なくとも１つの第１のセクションの第１の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第１の液体内に形成され、上記蒸気泡は上記第２の液体へと伸長するように適合化され、これにより上記第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大される先行する請求項１〜５１のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５３】
少なくとも第２の泡は少なくとも第２のセクションの第２の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第２の液体内に形成され、上記蒸気泡は上記少なくとも第１の液体へと伸長するように適合化され、これにより上記第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大される請求項５２記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５４】
駆動静水圧は、上記マイクロチャネルの上記少なくとも第１及び第２のセクション間の距離を制御することにより制御される先行する請求項１〜５３のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５５】
マイクロチャネル内の液体をポンピングするためのマイクロポンプシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に対して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、上記第２のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第２の蒸気泡が各々形成され、上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成され、よってポンピング作用が供給され、液体は上記第１のセクションから上記第２のセクションの方向へ移動されることを特徴とするマイクロポンプシステム。
【請求項５６】
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に対して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、上記第２のセクションにおける液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成され、上記第１及び第２の蒸気泡は、上記少なくとも２つの蒸気泡の形成または崩壊を変動することにより、上記チャネル内に流れ制限を持続するように適合されたことを特徴とするマイクロバルブシステム。
【請求項５７】
上記蒸気泡の大きさは、上記光源のエネルギー密度及び／または選択されたセクションの照射時間を制御することによって制御される請求項５６記載のマイクロバルブシステム。
【請求項５８】
上記光源のエネルギー密度及び／または照射時間は、マイクロチャネルの大きさに対応する大きさを有する少なくとも１つの蒸気泡を形成するように選択される請求項５７記載のマイクロバルブシステム。
【請求項５９】
上記第１及び第２の蒸気泡は、上記蒸気泡の第１及び第２の端部分の加熱と上記マイクロチャネルの対応する表面部分の照射とを交互させることによって持続される同じ蒸気泡である請求項５６乃至５８のいずれか一項に記載のマイクロバルブシステム。
【請求項６０】
マイクロチャネルにおける複数の液体を混合するためのマイクロミキシングシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に対して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける第１の液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成され、上記第２のセクションにおける第２の液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成され、これにより、上記第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大されることを特徴とするマイクロミキシングシステム。
【請求項６１】
マイクロチャネル内の液体を加熱するためのサーマルリアクタシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームのパラメータを制御するための光ビーム制御手段とを備え、
上記光ビーム制御手段は、上記マイクロチャネル内に液体の加熱を行うように上記光ビームのパラメータを制御するように適合されたことを特徴とするサーマルリアクタシステム。
【請求項６２】
液温検出のためのサーモパイル素子をさらに備える請求項６１記載のシステム。
【請求項６３】
上記サーモパイル素子は赤外線検出器を備える請求項６２記載のシステム。
【請求項６４】
上記液体は、プライマ、核酸、モノリン酸ヌクレオチド及びポリメラーゼ活性を有する酵素を含む核酸（ＮＡ）増幅混合物を含む請求項６１乃至６３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６５】
請求項１乃至６４記載の１つまたは複数のマイクロシステムを備えるマイクロシステム。
【請求項６６】
少なくとも１つのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させる方法であって、
少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する少なくとも１つの基板を供給する工程と、
少なくとも１つの光源から少なくとも１つの光ビームを放射する工程と、
上記少なくとも第１の光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射するとともに、第２の位置において第２の表面部分を照射するように、上記少なくとも１つの光ビームと上記少なくとも１つの基板との間に相対移動を誘発させる工程と、
上記第１の表面部分の照射に応答して少なくとも第１のセクションに少なくとも第１の蒸気泡を形成する工程と、
上記第２の表面部分の照射に応答して少なくとも第２のセクションに少なくとも第２の蒸気泡を形成する工程と、を含み、
上記少なくとも第１及び第２の蒸気泡は各々上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクション内の液体に作用して上記マイクロチャネル内に流れを発生させることを特徴とする方法。
【請求項６７】
上記第１の位置から上記第２の位置への移動に際して上記マイクロチャネルを連続照射し、上記第１のセクションから上記第２のセクションへ進む少なくとも１つの蒸気泡を生成するステップを含む請求項６６記載の方法。
【請求項６８】
上記第１の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成され、上記第２の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成される請求項６７記載の方法。
【請求項６９】
上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成される請求項６８記載の方法。
【請求項７０】
上記マイクロチャネルは上記光ビームによって順次照射される１つまたは複数の領域を有し、各領域は上記光ビームによって順次または連続して照射される複数のセクションを備える請求項６６乃至６９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７１】
領域は上記光ビームによって複数回照射される請求項７０記載の方法。
【請求項７２】
上記領域は順次または連続して複数回、何れの方向にも照射される請求項７１記載の方法。
【請求項７３】
上記システムは双方向的に作動する請求項７１記載の方法。
【請求項７４】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つの表面部分は光エネルギーを吸収するための吸光物質を備える請求項７１乃至７３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７５】
上記光エネルギーは照射セクションにおいて液体に直接吸収される請求項７１乃至７４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７６】
上記蒸気泡は液体内に形成される請求項７１乃至７５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７７】
上記蒸気泡は、光ビーム照射に応答して液体の少なくとも一部を膜沸騰することにより形成される請求項７６記載の方法。
【請求項７８】
上記蒸気泡は上記マイクロチャネル内の液体に関連づけられる緩衝液内に形成される請求項７１乃至７７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７９】
上記蒸気泡は、光照射に応答して上記緩衝液の一部を膜沸騰することにより形成される請求項７８記載の方法。
【請求項８０】
上記蒸気泡は、光ビーム照射に応答して核生成により形成される請求項７２または７８記載の方法。
【請求項８１】
上記緩衝液は上記マイクロチャネルに関連づけられるキャビティ内に保持され、上記マイクロチャネルの表面部分は上記キャビティの一表面部分である請求項７８乃至８０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８２】
上記キャビティは上記マイクロチャネルへ向かって開口を有する請求項８１記載の方法。
【請求項８３】
上記開口は上記マイクロチャネル内の液体によって運ばれる細胞より小さい請求項８２記載の方法。
【請求項８４】
上記発生される流れは層状である請求項７１乃至８３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８５】
上記緩衝液と上記液体とは上記マイクロチャネル内の層流液体である請求項７８乃至８４記載の方法。
【請求項８６】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つのセクションは上記緩衝液を含む請求項７８乃至８５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８７】
上記マイクロチャネルの一方の端セクションは上記緩衝液を含む請求項８６記載の方法。
【請求項８８】
光ビーム制御手段によって上記光ビームのパラメータを制御することをさらに含む請求項６６乃至８７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８９】
上記光ビーム制御手段は、上記マイクロチャネル内に液体の加熱を供給するように上記光ビームのパラメータを制御すべく適合化される請求項８８記載の方法。
【請求項９０】
上記光ビームは、上記液体の少なくとも一部を上記液体の沸点を下廻る温度まで加熱するに足るエネルギー密度を有する請求項８９記載の方法。
【請求項９１】
上記相当量の液体を加熱するためのエネルギー密度は泡の形成を誘導するためのエネルギー密度より低い請求項８９記載の方法。
【請求項９２】
サーモパイル素子による液温の検出をさらに含む請求項８９または９０記載の方法。
【請求項９３】
上記サーモパイル素子は赤外線検出器を備える請求項９２記載の方法。
【請求項９４】
核酸（ＮＡ）増幅プロセスを実行する方法であって、
ａ）請求項１乃至５６における任意の請求項に記載されたマイクロポンプシステムを供給するステップと、
ｂ）マイクロチャネルのセクションにＮＡ増幅混合物を供給するステップとを含み、上記ＮＡ増幅混合物はプライマと、核酸と、モノリン酸ヌクレオチドと、ポリメラーゼ活性を有する酵素とを含み、
ｃ）光源を使用して上記ＮＡ増幅混合物を加熱し、二重鎖ＤＮＡの溶融を達成するステップと、
ｄ）上記ＮＡ増幅混合物を冷却し、核酸へのプライマのアニーリングを達成するステップと、
ｅ）上記ポリメラーゼ活性を有する酵素にプライマを伸長させるステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項９５】
ステップｃ）乃至ｅ）を反復することをさらに含む請求項９４記載の方法。
【請求項９６】
制御手段により、上記光ビームを上記基板に関連して動作させるための手段を制御することをさらに含む請求項６６乃至９３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９７】
上記制御手段は上記光ビーム制御手段を備える請求項６６または９６記載の方法。
【請求項９８】
上記光ビームを上記基板に関連して動作させるための手段は上記基板を動作させるための手段を備える請求項６６乃至９７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９９】
上記光ビームを上記基板に関連して動作させるための手段は上記光源を動作させるための手段を備える請求項６６乃至９３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１００】
上記光ビームを上記基板に関連して動作させるための手段は上記光ビームを動作させるための手段を備える請求項６６乃至９３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０１】
上記光ビームを動作させるための手段は上記光ビームを偏向または回折させるための手段を備える請求項１００記載の方法。
【請求項１０２】
上記動作させるための手段はモータを備える請求項９８乃至１０１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０３】
上記動作させるための手段は圧電素子を備える請求項９８乃至１０２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０４】
フォーカス手段を調節することにより上記光ビームを選択されたロケーションへ集束することをさらに含む請求項６６乃至１０３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０５】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネルの一表面部分である請求項１０４記載の方法。
【請求項１０６】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネル内の一ロケーションである請求項１０４記載の方法。
【請求項１０７】
上記フォーカス手段をフォーカス制御手段によって制御することをさらに含む請求項１０４乃至１０６記載の方法。
【請求項１０８】
上記制御手段は上記フォーカス制御手段を備える請求項９７または１０７記載の方法。
【請求項１０９】
上記動作させるための手段の速度を制御することによって上記液体の速度を制御することをさらに含む請求項６６乃至１０８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１０】
上記液体の速度は上記光源のエネルギー密度を制御することによって制御される請求項６６乃至１０９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１１】
上記光源のエネルギー密度及び／または選択されたセクションの照射時間を制御することによって上記蒸気泡の大きさを制御することをさらに含む請求項６６乃至１１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１２】
上記光源のエネルギー密度及び／または照射時間は、マイクロチャネルの大きさに対応する大きさを有する少なくとも１つの蒸気泡を形成するように選択される請求項１１１記載の方法。
【請求項１１３】
上記マイクロチャネルの隣接する２セクション内に揺動する２つの蒸気泡を形成することをさらに含み、上記揺動は上記チャネル内に少なくとも１つの蒸気泡制限を持続させるように制御される請求項１１２記載の方法。
【請求項１１４】
上記蒸気泡は、上記蒸気泡の第１及び第２の端部分の加熱と、上記マイクロチャネルの対応する表面部分の照射とを交互させることによって持続される請求項１１３記載の方法。
【請求項１１５】
少なくとも１つの光源から放射された少なくとも１つの光ビームは幾つかのマイクロチャネル内に流れを発生させるように上記動作手段によって制御される請求項６６乃至１１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１６】
上記動作手段は、幾つかのマイクロチャネルの幾つかの表面部分を照射して上記幾つかのマイクロチャネル内に液流を発生させるように上記少なくとも１つの光ビームを制御している請求項６６乃至１１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１７】
上記光源はレーザである請求項６６乃至１１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１８】
少なくとも１つのリザーバからマーキング液を注入することによって少なくとも１つのマイクロチャネル内の少なくとも１つの位置をマーキングし、上記少なくとも１つのリザーバと上記少なくとも１つのマイクロチャネルの上記少なくとも１つの位置とを連結する接続穴を介して上記マーキング液を上記少なくとも１つのマイクロチャネルへと保持することをさらに含む請求項６６乃至１１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１９】
上記マイクロチャネルは混合される少なくとも１つの第１の液体と第２の液体とを含み、上記第１及び第２の液体は上記少なくとも第１及び第２の液体間の境界面の面積を増大することによって混合され、この場合、少なくとも１つの第１の蒸気泡は上記少なくとも１つの第１のセクションの第１の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第１の液体内に形成され、少なくとも１つの第２の蒸気泡は上記少なくとも第２のセクションの第２の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第２の液体内に形成される請求項６６乃至１１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２０】
複数の蒸気泡は、各々上記マイクロチャネルの予め決められた混合長さのセクションに沿って上記第１及び第２の液体内で順次形成される請求項１１９記載の方法。
【請求項１２１】
液体チャネルの上記少なくとも第１及び第２のセクション間の距離を制御することによって上記駆動静水圧を制御することをさらに含む先行する請求項１〜５５記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１２２】
マイクロチャネル内の液体をポンピングする方法であって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給するステップと、
光源から光ビームを放射するステップと、
上記光ビームが第１の位置において上記第１の表面部分を照射するとともに、第２の位置において上記第２の表面部分を照射するように、上記光ビームと上記基板との間に相対移動を誘発させるステップと、
上記第１の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第１のセクションに少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成するステップと、
上記第２の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成するステップと、を含み、
上記少なくとも第２の蒸気泡は、上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成されてポンピング動作が供給されることを特徴とする方法。
【請求項１２３】
上記相対動作は上記基板、上記光源及び／または上記光ビームを動作させることによって達成される請求項１２２記載の方法。
【請求項１２４】
マイクロシステム内のマイクロバルブを閉じる方法であって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給し、
光源から光ビームを放射し、
上記光ビームが第１の位置において上記第１の表面部分を照射するとともに、第２の位置において上記第２の表面部分を照射するように、上記光ビームと上記基板との間に相対運動を誘発させ、
上記第１の表面部分の照射に応じて少なくとも第１のセクションに少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成し、
上記第２の表面部分の照射に応じて少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成すること、を含み、
上記少なくとも第１及び第２の蒸気泡は、上記蒸気泡の形成または崩壊をそれぞれ変動させてバルブを閉じることにより、チャネル内に流れ制限を持続するように適合されたことを特徴とする方法。
【請求項１２５】
上記蒸気泡の大きさは、上記光源のエネルギー密度及び／または選択されたセクションの照射時間を制御することによって制御される請求項１２４記載の方法。
【請求項１２６】
上記光源のエネルギー密度及び／または照射時間は、マイクロチャネルの大きさに対応する大きさを有する少なくとも１つの蒸気泡を形成するように選択される請求項１２５記載の方法。
【請求項１２７】
上記第１及び第２の蒸気泡は、上記蒸気泡の第１及び第２の端部分の加熱と上記マイクロチャネルの対応する表面部分の照射とを交互させることによって持続される同じ蒸気泡である請求項１２３乃至１２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２８】
上記持続される蒸気泡を崩壊させることによって上記バルブを開放するステップをさらに含む請求項１２３乃至１２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２９】
マイクロチャネルにおける少なくとも１つの第１及び第２の液体を混合する方法であって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給し、
光源から光ビームを放射し、
上記光ビームが第１の位置において上記第１の表面部分を照射し、第２の位置において上記第２の表面部分を照射するように、上記光ビームと上記基板との間に相対運動を誘発させ、
上記第１の表面部分の照射に応じて上記第１のセクションにおける少なくとも１つの第１の液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成し、
上記第２の表面部分の照射に応じて上記第２のセクションにおける少なくとも１つの第２の液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成すること、を含み、
これにより、上記第１及び第２の液体間の境界面の面積を増大させ、上記少なくとも第１及び第２の液体の混合が達成されることを特徴とする方法。
【請求項１３０】
上記マイクロチャネルに沿った複数のセクションにおいて第１及び第２の蒸気泡を形成するステップを反復するステップをさらに含む請求項１２９記載の混合方法。
【請求項１３１】
マイクロチャネル内の液体を加熱する方法であって、
少なくとも１つの第１のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給し、
光源から上記少なくとも第１のセクションへ向けて光ビームを放射し、
上記光ビームのパラメータを制御すること、を含み、
これにより上記マイクロチャネル内の液体が加熱されることを特徴とする方法。
【請求項１３２】
上記光ビームを選択されたロケーションに集束するステップをさらに含む請求項１３１記載の方法。
【請求項１３３】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネルの一表面部分である請求項１３２記載の方法。
【請求項１３４】
上記選択されたロケーションは上記マイクロチャネル内の一ロケーションである請求項１３２記載の方法。
【請求項１３５】
上記フォーカス手段を制御するためのフォーカス制御手段をさらに含む請求項１３１乃至１３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３６】
液温を検出するステップをさらに含む請求項１３１乃至１３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３７】
上記液温は上記マイクロチャネルに関連づけられるサーモパイル素子によって決定される請求項１３６記載の方法。
【請求項１３８】
上記サーモパイル素子は赤外線検出器を備える請求項１３７記載の方法。
【請求項１３９】
請求項６６乃至１３８に記載された１つまたは複数の方法を含む、マイクロポンプシステム内の液体を処理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の高エネルギー光源からのエネルギーにより発生される蒸気泡によってマイクロチャネル（微小経路）内の液体を処理するためのシステムと方法に関する。本発明はさらに、本システム及び方法の様々なアプリケーションに関する。
【背景技術】
【０００２】
この１５年間で、所謂分析マイクロシステムにおける化学的及び生物学的分析を自動化することに対する関心及び取り組みが高まってきている。マイクロＴＡＳ（微小総量分析システム）、ラボ・オン・チップ、バイオチップ及びバイオＭＥＭＳ等、幾つかの重なり合う用語が、本技術を説明するものとして提唱されている。言い方は異なっても、これらは、高速かつ費用効果の高い化学的及び生物学的分析システムを作製するという目的を共有している。
【０００３】
これらのシステムの開発は多くの課題に直面してきたが、中でも最も基本的な課題は、マイクロシステムにおける液体試薬の反復可能でかつタイムリーに適正制御される処理である。幾つかのマイクロポンプ機構が、時を経て提示されている。
【０００４】
ポンプの１方式は電気浸透流／力（ＥＯＦ）を基礎とするものであり、まずはキャピラリ電気泳動に関連づけられた。ＥＯＦ現象は、溶液中のイオンとマイクロチャネル壁上の固定イオン・サイトとの相互作用から発生する。マイクロチャネルに沿って電界が印加されると、この相互作用により、マイクロチャネル内の液体の、壁電荷と同じ極性を伝える電極への正味の流れが生じる。酸化珪素表面の場合、壁電荷は酸性のシラノール基の電離に起因して陰イオンであり、ＥＯＦはマイクロチャネルのコンテンツを陰極へと運ぶ。ＥＯＦポンプを使用するマイクロシステムは、例えばＭａｎｚらによって記述されている。
【０００５】
ＥＯＦポンプは、電気泳動分離システムでは有益であるものの、移動対象である液体サンプルとの間で影響し合う傾向があることから、基本的なポンピングにとって必ずしも適切なものではない。また、ＥＯＦシステムはマイクロチャネルにおける液体の接触を外部電極の接続に依存することから、単一基板上に実装されるべきＥＯＦキャピラリの数が制限されることになる。ＥＯＦポンプの別の欠点は、電気分解に起因する気泡の形成である。電流経路内部の、即ち、マイクロチャネル液体内の望ましくない気泡は、電流が妨害的な気泡によって低減される、または中断される場合もあることから、ポンピングに重大な影響を与える、もしくは実際にポンピングを停止させる。
【０００６】
別のタイプのポンプは所謂容積式ポンプまたは膜ポンプであり、これを作動させると液体内、即ち、フロー内に圧力差が生じる。本作動は、圧電素子、気圧力学、磁力、静電力及びフォトサーマル作動等の幾つかの手段によって達成されている。
【０００７】
フォトサーマル作動はＵＳ  ２００３  ００２１６９４（Ｙｅｖｉｎ）に記述されており、この場合、レーザによる光ファイバを介する液体加熱によって生成される泡を使用して微小ポンピングが達成される。加熱サイトは離散的であり、カップリングは光ファイバの手動挿入により行われる。
【０００８】
フォトサーマル作動を使用する他のポンピング手法は、ＵＳ  ５，６０２，３８６、ＵＳ  ５，１８６，００１、ＵＳ  ５，６４９，４２３及びＵＳ  ６，０７１，０８１に記述されている。
【０００９】
ＵＳ  ５，６０２，３８６は光駆動アクチュエータに関するもので、ここでは光源からの光が光ファイバを介して媒体へと方向付けられ、上記光は上記媒体に吸収される。光エネルギーの吸収は媒体を拡張させ、これにより作動を駆動する。ＵＳ  ５，６０２，３８６は光導入手段の静的位置決めを包含し、また扱いにくい機械的バルブも必要とする。
【００１０】
ＵＳ  ５，１８６，００１は、光源による密室内でのガス加熱を基礎とするマイクロ・アクチュエータに関連し、上記壁は、ガスを加熱すると膨張し、かつ、ガスが冷却すると縮小するフレキシブルな部分を有する。フレキシブルな部分の動作は、作動のための手段として使用される。ＵＳ  ５，１８６，００１は先に述べた欠点と同様の欠点を提示し、また、一部は往復移動するピストンとして機能する可動部分である密室をも包含する。
【００１１】
ＵＳ  ５，６４９，４２３は、毛管力によるシーリングを使用するマイクロリニアアクチュエータに関連している。光ファイバからの光はマイクロリニアアクチュエータ内で吸収され、上記吸収によりアクチュエータ内部の液体は気化していく。気化はアクチュエータ内部の圧力を増大させ、上記圧力はアクチュエータのピストンを動かす。ＵＳ  ５，６４９，４２３は、機械的ピストンに作用する完全に密閉された作動流体を包含する。
【００１２】
ＵＳ  ６，０７１，０８１は、レーザによる脈動的な加熱によってポンプ室内の泡が膨張し縮小するマイクロポンプに関連している。泡の動きは圧力源として作用し、ポンプを通る流れはポンプ室出入り口のチェックバルブを介して調節される。ＵＳ  ６，０７１，０８１もまた静的（離散）加熱ソース及び機械的入口バルブ及び機械的出口バルブを包含する。
【００１３】
Ｊｕｎらは、電気ヒータ・アレイによって形成される泡の移動または膨張を使用してマイクロチャネルを介して液体を移動させるマイクロ加工されたポンプについて記述している。
【００１４】
ＵＳ  ６，２８３，７１８は泡ベースのマイクロポンプに関連し、該ポンプは円錐形チャンバを備え、例えば金属加熱素子から、または狭いマイクロチャネル内の導電液を介して流れる電流からのオーム加熱を使用する加熱により蒸気泡が円錐形チャンバの隣で形成される。
【００１５】
ＵＳ  ６，５１３，９６８は、光源等の離散熱源を使用して泡を発生させ、この泡を温度勾配により液体内で移動させることにより液体を混合する方法に関連している。泡の移動は、液体の混合を生じさせる。
【００１６】
【非特許文献１】Ｍａｎｚ他：A.Manz, C.S.Effenhauser, N.Burggraf, D.J.Harrison, K.Seiler, and K.Fluri "Electroosmotic pumping and electrophoretic separations for miniaturized chemical analysis systems," J.Micromech. Microeng., vol.4, pp.257-265, 1994.
【非特許文献２】Ｓａｍｂｒｏｏｋ他：Molecular cloning: a Laboratory Manual: 3nd edition, Volume 1 and 2, Sambrook et al., 2001, Cold Spring Harbor Laboratory Press
【非特許文献３】Ｊｕｎ他："Microscale pumping with traversing bubbles in microchannels", Thomas K.Jun and Chang-Jin Kim, ?
【特許文献１】米国特許公開 ＵＳ２００３ ００２１６９４
【特許文献２】米国特許 ５，１８６，００１号公報
【特許文献３】米国特許 ５，６０２，３８６号公報
【特許文献４】米国特許 ５，６４９，４２３号公報
【特許文献５】米国特許 ６，０７１，０８１号公報
【特許文献６】米国特許 ６，２８３，７１８号公報
【特許文献７】米国特許 ６，５１３，９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
要するに、先行技術において記述されているポンピング方式は幾つかの欠点を伴っている。新しい分析アプリケーションは新規設計とこれによる新規バイオチップの製造を要する場合が多く、これらは時間を要しかつ費用のかかるプロセスである可能性があることから、典型的には、これらは用途上の順応性の度合いが低い。開示されているポンプのアクチュエータ・コンポーネントと、検出システム、例えば離散熱源を接触させるための電子機器及びマイクロシステム内のバイオ試薬等のマイクロシステムの他のコンポーネントとの間に互換性がない、ということに遭遇する場合は多い。マイクロシステムの周辺機器の多くはダウンスケーリングに適さないことから、マイクロシステム周辺のスペースの欠如もまた問題である。マイクロシステムと外部制御手段とのインタフェースは大きな課題であって多大な手作業を必要とし、著しいエラー・ソースとなる。
【００１８】
最後に、マイクロシステムの１システムあたりの原価の高さは主たる障壁である可能性があり、使い捨てのマイクロシステムが最新の医療診断及び薬品選別にとって採算の合うソリューションとなることが阻まれる。
【００１９】
本発明は、マイクロシステムにおける液体処理の一般的方式に関し、本方式においては、例えばレーザである同じ可動光源がポンピング、温度調節、混合、マーキング、蛍光励起及び熱循環等の１つまたは複数のプロセスに使用される。
【００２０】
本発明の目的は、分析を目的とするフレキシブルな使い捨てのマイクロシステムを提供することにある。
【００２１】
本発明の別の目的は、駆動システムへの機械的及び／または電気的接続の必要のない、マイクロ液体を処理しかつ反応を促進させるシステムを提供することにある。
【００２２】
本発明のさらに別の目的は、１つのマイクロポンプシステムを幾つかの用途に使用することを許容するフレキシブルな構造を有するマイクロポンプシステムを達成することにある。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、１つのポンピング光源を使用して幾つかのマイクロチャネル内の液体を処理することができるマイクロポンプシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上述の目的及び他の目的は、本発明により、１つまたは複数の作動液を保持する少なくとも１つのマイクロチャネル内の１つまたは複数の作動液内に液体の流れを発生させるためのマイクロポンプシステムによって実現され、上記システムは、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合化された光源と、
上記光ビームと上記基板との間に相対移動を引き起こすための移動手段とを備え、
上記移動のための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合化され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクションの各々における液体に作用する少なくとも１つの蒸気泡が形成される。
【００２５】
本発明の第２の態様においては、上述の目的及び他の目的は、少なくとも１つのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させる方法によって実現され、上記方法は、
少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する少なくとも１つの基板を供給する工程と、
少なくとも１つの光源から少なくとも１つの光ビームを放射する工程と、
上記少なくとも第１の光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射し、第２の位置において第２の表面部分を照射するように、上記少なくとも１つの光ビームと上記少なくとも１つの基板との間に相対移動を誘発させる工程と、
上記第１の表面部分の照射に応じて少なくとも第１のセクションに少なくとも第１の蒸気泡を形成する工程と、
上記第２の表面部分の照射に応じて少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成する工程と、を含み、
上記少なくとも第１及び第２の蒸気泡は、各々上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクション内の液体に作用して上記マイクロチャネル内に流れを発生させる。
【００２６】
基板は、石英ガラスのようなガラス、シリコン、およびポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはシクロオレフィン・コポリマ（ＣＯＣ）のような高分子物質を含む基板等、１つまたは複数のマイクロチャネルを保持することに適する任意の基板であることが可能である。
【００２７】
対向するチャネル壁間の距離は、０．１μｍ乃至１μｍ間、１μｍ乃至１０μｍ間、１０μｍ乃至５０μｍ間、５０μｍ乃至１００μｍ間、１００μｍ乃至２００μｍ間、２００μｍ乃至５００μｍ間または０．５ｍｍ乃至１ｍｍ間等の０．１μｍ乃至１ｍｍ間であるように選択されることが可能である。
【００２８】
「蒸気泡」という用語は、マイクロチャネル内の液体を気化させることによって形成される泡を指す。気化された液体からの蒸気は、蒸気泡内の分子の少なくとも４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９７．５％、９９％または９９．５％、９９．９％等、少なくとも２５％を占めることができる。好適には、少なくとも蒸気泡内の分子の１００％が気化された液体からの分子である。
【００２９】
ある好適な実施形態では、蒸気泡は、蒸気泡が位置づけられるマイクロチャネルの断面を介する液体の流れを阻止し得るほどに膨張する。さらに、蒸気泡は、蒸気泡が光ビームに誘導されてマイクロチャネル内を絶えず移動するように意図されていない限り、それが形成された位置に対して相対移動しないことが好適である。
【００３０】
液体は、液体が実質上チャネル内に封じ込められるように、マイクロポンプシステムの１つまたは複数の部分に、例えばシステム内の１つまたは複数のマイクロチャネル内に存在することが可能である。
【００３１】
光ビームは、第１の位置から第２の位置へ移動する際に絶えずマイクロチャネルを照射し続け、第１のセクションから第２のセクションへ進む少なくとも１つの蒸気泡を生成することが可能である。マイクロチャネルの作動液は、光ビームの移動と同じ方向へ流れる。従って、光ビームの動作を操作することにより、マイクロチャネル内で双方向ポンピング等の双方向処理を達成することが可能である。
【００３２】
従って、マイクロチャネルまたは少なくともその表面部分を連続照射する光ビームは、マイクロチャネル内の液体を過熱状態にまで過熱する可能性があり、チャネル内に蒸気泡が形成される。光ビームをチャネルに沿って連続移動させれば、形成された蒸気泡内に温度勾配が形成され、光ビーム通過後のより冷たいエリアでは蒸気泡を縮小させかつ／または崩壊させ、光ビーム照射との関連で液体が気化され、よって膨張している過熱されたエリアでは蒸気泡を膨張させる。膨張する蒸気泡はチャネル内に圧力パルスを形成し、パルス前の液体容積が押しのけられる。
【００３３】
表面セクションを照射する光ビームのエネルギー密度は、好適には、液体の一部の気化を実質上即座に達成できるほど十分に高いものであるように選択される。高速かつ均質な気化は、チャネル・セクション内の液体の残りの部分が過熱されないようにする保護的な蒸気層を形成する。この現象は、「膜沸騰」としても公知である。
【００３４】
或いは、チャネルの離散セクションが照射され、第１の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、第２の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成されてもよい。従って、マイクロチャネル・セクションの逐次照射は、蒸気泡の逐次的形成をもたらす。また、チャネルの離散セクションが照射されると、光ビームの操作により双方向性が保証される。この実施形態は、第１の蒸気泡が崩壊する前に少なくとも第２の蒸気泡を膨張させ得るように実施されることが可能である。これにより、生成される流れの方向を制御することが可能になり、例えば、流れを制限するものとして第１の蒸気泡を使用すれば、逆流を抑制することが可能になる。これにより例えば、液体容積の例えば１つの容器から別の容器へのポンピングは、マイクロチャネルの連続照射を使用して達成可能であるポンピングの場合と同程度に促進されることが可能である。
【００３５】
本明細書に開示した構成は、マイクロチャネルの連続照射または不連続照射の使用により等しく達成され得ることは想定されるべきである。
【００３６】
本発明の別の実施形態または別の態様においては、マイクロチャネル内の液体をポンピングするためのマイクロポンプシステムが提供され、該システムは、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に関連して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、第２のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第２の蒸気泡が各々形成され、上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成され、よってポンピング作用が供給されて液体は上記第１のセクションから上記第２のセクションの方向へ移動される。
【００３７】
本発明のさらに別の実施形態またはさらなる態様においては、マイクロチャネルにおける液体のポンピング方法が提供され、該方法は、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給するステップと、
光源から光ビームを放射するステップと、
上記光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射しかつ第２の位置において第２の表面部分を照射するように、上記光ビームと上記基板との間に相対移動を誘導するステップと、
上記第１の表面部分の照射に応じて少なくとも第１のセクションに少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成するステップと、
上記第２の表面部分の照射に応じて少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成するステップと、を含み、
上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成されてポンピング作用が供給される。
【００３８】
マイクロチャネルは光ビームによって逐次的に照射されるべき１つまたは複数の領域を有する可能性があり、各領域は光ビームによって逐次的または連続的に照射されるべき複数のセクションを備える。これにより例えば、１つのチャネル内に互いに連続してより多くのポンピング領域を保有すれば、ポンピング効果を高めることができる。
【００３９】
さらに、光ビームは１つの領域を何度も照射することができる。これにより、例えば、チャネルから複数の液滴を放出することが可能であり、各液滴はそれぞれの領域の照射に応答して放出される。
【００４０】
マイクロチャネル内の領域は、連続的または逐次的にどちらの方向にも何度か照射されることが可能である。従って、本システムは双方向性であることが可能であり、よって、例えば、流れは、ある時点で一方向へ生成され、かつ、別の時点で反対方向へ生成されることが可能である。
【００４１】
さらには、別個の領域が照射される順序及びある特定領域においてプロセスが実行される順序は、ユーザにより、例えば、システムに接続された例えばコンピュータの形式である任意のプログラマブルメモリをプログラムすることによって設定され得ることが想定される。
【００４２】
特定のポンプ・チャネルを含むマイクロシステムにおける流れは、予め決められた距離に渡って発生されることが可能であり、よって、流れが発生される領域は、マイクロチャネルの１μｍ乃至１ｃｍの長さ、例えば１μｍ乃至１０μｍ間、１０μｍ乃至５０μｍ間、５０μｍ乃至１００μｍ間、１００μｍ乃至２００μｍ間、２００μｍ乃至５００μｍ間、５００μｍ乃至１ｍｍ間、１ｍｍ乃至５ｍｍ間または５ｍｍ乃至１ｃｍ間を包含することが可能である。さらに、特定のポンプ・チャネルを含むマイクロシステムにおける流れは、予め決められた距離に渡って発生されることが可能であり、よって、流れが発生される領域は、少なくとも１μｍの長さ、例えば少なくとも１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、５ｃｍまたは５０ｃｍ、少なくとも１００ｃｍ、を包含することが可能である。
【００４３】
同様に、液体容積が押しのけられるマイクロチャネルの一部は、少なくとも１μｍの長さ、例えば、少なくとも１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、５ｃｍまたは５０ｃｍ、少なくとも１００ｃｍ、を有することが可能である。
【００４４】
熱は、チャネル壁内のチャネル壁とチャネル内の液体との接合部に発生してもよいし、光源から放射される光ビームに対して光透過性であるチャネル壁を供給することにより、チャネルの液体内に直接発生してもよい。
【００４５】
ある好適な実施形態では、基板の少なくとも一部が光源から放射される光ビームの波長を透過させる。例えば、基板物質としてシリコンが使用される場合、光源には７００ｎｍ乃至３０００ｎｍの範囲の波長を有する赤外線レーザを使用することが好適である。基板物質が例えば可視波長範囲において透過性であるガラスまたはプラスチックであれば、光源には例えば中心波長が６３２ｎｍ、６３５ｎｍ、６７０ｎｍ、６８０ｎｍまたは７２０ｎｍである赤色光ダイオード・レーザを使用することが好適である。
【００４６】
光エネルギーの熱への変換を向上させるために、光ビームによって照射されるべきマイクロチャネルの少なくとも１つの表面部分は、光エネルギーを吸収するための吸光物質を備えることが可能である。吸光物質は、光源から放射される光エネルギーを即座に吸収しかつ同時に照射中の物質の温度上昇に対して不感受性である物質、例えば窒化アルミニウム、または特に基板物質としてシリコンが使用される場合にはホウ素ドープ・シリコンまたはリン・ドープ・シリコン等のドープ・シリコンまたは特定もしくは複数の波長の吸収を強化する添加剤を含むポリマ（例えば米国のＣｌｅａｒｗｅｌｄ社または米国のＥｐｏｌｉｎ社の市販製品）といったいずれかの物質であることが可能である。吸光物質はチャネル壁の一体部分を形成することが可能であり、チャネル壁の耐熱性が低いので、かなりの熱量をチャネルへと伝達できることが保証される。従って、吸光物質はチャネル内の液体を加熱するためのホットプレートとして作用することが可能である。吸光物質は狭い範囲の光スペクトルに対して吸収性である場合もあれば、ＵＶからＭＩＲ（中間赤外）までのあらゆる波長に対して完全に不透性かつ吸収性である場合もある。また、基板が吸光物質であり、かつ／または吸光物質が基板であることが可能である。
【００４７】
吸光物質はチャネル壁上へ塗布、噴霧、溶着またはスポットされることが可能であり、チャネル壁上で次の層を形成する場合もあれば、チャネル壁内へ吸収される場合もある。マイクロシステムのマイクロチャネルは第１及び第２の基板によって形成されることが可能であり、上記第１の基板は光ビームに対して透過性であり、上記第２の基板は上記光ビームの高レベル吸収を有する。
【００４８】
吸光物質は、チャネル壁を照射する光ビームの強度の少なくとも１％、例えば光ビームの強度の少なくとも２％、３％、４％、５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、９５％または９９％、少なくとも例えば９９．９９％が吸光物質に吸収されるように選定されることが好適である。
【００４９】
「液体」という用語は広義に解釈されるべきであり、非限定的な例として均質な液体、懸濁液、即ち、微粒子または微小細胞等の粒状物質を含む液体、小さい気泡を含む液体、水性液、有機液体、二相系及び疎水性の液体及び親水性の液体を含む。
【００５０】
ある好適な実施形態では、脱気された液体、即ち、最低量の溶解ガスを有する液体が使用されるが、これは、液体温度がその沸点まで上昇するとマイクロチャネル内では溶解ガスが気泡として沈着される可能性があるためである。本発明を作動させる場合、沈着された気泡は望ましくないものである可能性がある。気泡はチャネル壁に付着して時間と共に溜まっていく可能性があることから、疎水性のチャネル壁を有するチャネルシステム内に水性液を使用する場合には、使用される液体の脱気が特に重要である可能性がある。脱気の代替方法及び／または補足は、液体への洗剤添加であることが可能である。
【００５１】
蒸気泡は、液体内で核生成により形成される場合もあれば、蒸気泡を形成するためのチャネル壁から液体への移行において液体の一部を膜沸騰することによって形成される場合もある。
【００５２】
光ビームの光エネルギーは、チャネル壁近くの吸光物質なしに液体内で吸収される場合もあれば、光ビームは液体内及びチャネル壁に近い吸光物質内の双方において吸収される場合もある。液体だけが光ビームの光エネルギーを吸収するとすれば、上記光ビームの波長における上記液体の吸光度は少なくとも０．１であり、例えば、少なくとも０．５、１、２、３、４、５、６、８、９、１０、１５、２０であることが好適である。吸光度は、標準分光光度計によって測定することができる。吸光度の測定値が１．５を超えていれば、当業者には、液体を希釈して吸光度が０．１乃至１．５間である希釈液を作り、希釈したサンプルの吸光度に希釈係数を乗じて吸光度の計算値を求める方法が分かるであろう。
【００５３】
「作動液」という用語は、マイクロポンプシステム内の主要な液体を言い表すために使用するものであり、よって、例えば化学的または生物学的に活性である任意の液体、または特定の物質を含む任意の液体を指す。
【００５４】
「緩衝液」という用語は、マイクロチャネル内に存在するが、マイクロチャネルシステムにおいて実行されているどんな化学的または生物学的活動にも関係しない液体を言い表すために使用するものである。緩衝液は、蒸気泡を形成する液体として使用するように特に適合化された液体であることが可能であり、かつ／または上記液体のフロー特性に合わせて特に選定されることが可能である。緩衝液と作動液とは、混ざらないことが好適である。
【００５５】
多くの場合、特に生体系においては、マイクロチャネル内の液体は感熱性であり、よって核生成または膜沸騰の何れであれ、蒸気泡を形成するための加熱は行わないことが望ましい。従って本発明のある好適な実施形態では、蒸気泡は、上述のように光照射に応答して緩衝液の少なくとも一部を膜沸騰するか、光ビーム照射に応答する核生成の何れかによって緩衝液内に形成される。緩衝液は、マイクロチャネル内の少なくとも蒸気泡が形成される領域内に含まれることが可能である。
【００５６】
別の実施形態では、作動液であれ緩衝液であれ、液体の少なくとも加熱される部分はマイクロチャネルに関連づけられるキャビティ内に保持されてキャビティとマイクロチャネルとの間の接続を形成することが可能であり、マイクロチャネルの表面部分がキャビティの表面部分になる。これにより、キャビティの表面部分は光ビームによって照射され、熱は表面部分の吸光物質内に、または空洞における液体内に直接散逸される。例えば、マイクロチャネル内の作動液が予め決められた直径を有する感熱細胞の懸濁液を含む場合、キャビティの大きさは、これらの感熱細胞がキャビティへは一切進入しないことを保証するように選択されることが可能であり、これに対して蒸気泡はマイクロチャネル内の作動液にも作用するように形成される。または、キャビティ内の液体の少なくとも一部は緩衝液である場合もある。
【００５７】
従って、キャビティはマイクロチャネルへ向かう開口を有する可能性があり、上記開口はマイクロチャネル内の作動液によって運ばれる細胞より小さく、これらが熱によって損傷されることを、例えば摂氏３７度を超える温度によって損傷されることを防止する。代替として、キャビティは膜によってマイクロチャネルから分離されることも可能な緩衝液を含む場合もある。
【００５８】
マイクロシステムにおける流れは層流液体である場合が多く、よって生成される流れも同様に多くの場合層状になる。これは、各々が実質的に何ら混合を発生させることなくチャネル内を流れる作動液と緩衝液との層流を得るために使用されることが可能である。これにより、蒸気泡は、特別なキャビティを準備することなく、かつ作動液を加熱することなく、緩衝液内に形成されることが可能である。
【００５９】
ある好適な実施形態では、液体の流れのレイノルズ数は最大で１００であり、例えば最大で１０、５、１、０．５または０．０１であり、例えば最大で０．００１である。レイノルズ数Ｒｅは粘性応力に対する慣性応力の比であり、
2005538287.tif 000003
で定義される。但し、Vはマイクロチャネル内の液体の平均線速度であり、Ｄはマイクロチャネルの直径または平均断面サイズであり、νは動作温度における液体の動粘性係数である。
【００６０】
緩衝液を使用するさらなる優位点は、緩衝液の特性が、特定細胞の懸濁に対する液体の適合性等の液体の他の特性を考慮することなく、緩衝液の特定用途に合わせて適合化され得ることにある。これにより緩衝液は、例えば気化特性、蒸気泡形成特性、表面張力、熱伝導率、特定波長の吸収、等々に関連して設計されることが可能である。
【００６１】
緩衝液はマイクロシステム全体に存在することが可能であり、またはマイクロチャネルの少なくとも１つのセクションは緩衝液を含むことが可能である。マイクロチャネルのあるセクションは緩衝液及び作動液の双方を含む場合があり、別のセクションは緩衝液しか含まない場合がある。例えばマイクロチャネルの終わりのセクションは、緩衝液を含むことが可能である。
【００６２】
マイクロチャネルが１つまたは複数の緩衝液を含む別々のセクションを保有する優位点は、感熱性の液体に近接して緩衝液を加熱することが回避される点にある。ある好適な実施形態では、緩衝液を含むセクションのうちの１つまたは複数は終端セクションであり、緩衝液は作動液に対するピストンとして作用する。
【００６３】
特に化学的または生化学的液体を使用する場合、反応がマイクロシステムにおける所定温度への到達を介して監視される、または促進もされる場合、等々では、マイクロシステム内の作動液の少なくとも一部を加熱する必要のあることが多い。
【００６４】
従って、本発明の別の、またはさらなる態様においては、マイクロチャネルシステムは、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合化された光源と、
上記光ビームのパラメータを制御するための光ビーム制御手段とを備えることが可能であり、
上記光ビーム制御手段は、マイクロチャネル内に液体加熱を供給すべく上記光ビームのパラメータを制御するように適合化される。
【００６５】
本発明のさらに別の、またはさらなる態様においては、マイクロチャネル内の液体を加熱する方法が提供され、該方法は、
少なくとも１つの第１のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給することと、
光源から上記少なくとも第１のセクションへ向けて光ビームを放射することと、
上記光ビームのパラメータを制御すること、を含み、よって上記マイクロチャネル内の液体が加熱される。
【００６６】
従って、マイクロチャネル内の液体の加熱は、光ビームによる液体加熱を介してもたらされる。液体内に散逸される熱量は、光ビームのパラメータ、キャビティ壁及び／またはキャビティ壁の一部を形成する吸収手段の熱伝導率、加熱される液体の熱容量、等々の多数の要素に依存する。
【００６７】
液体及びマイクロシステムの詳細事項に従った適切な光ビームパラメータの選択により、加熱される液体において予め決められた温度を達成することができる。前述の通り、液体は、例えば光ビームの出力を蒸気泡の形成に必要な出力との関連で低減することにより、加熱されることが可能である。液体の少なくとも一部を加熱するために必要なエネルギー密度及び／またはパルス幅は、核生成または膜沸騰の何れによるものであれ、液体における蒸気泡形成に必要なエネルギー密度より何倍も少ない可能性がある。液体を気化または加熱するために必要な出力は、幾つかのパラメータ、例えばマイクロチャネルの実際の大きさ、マイクロチャネルを保持する基板、マイクロチャネル内の液体及び蒸気泡の形成及び／または加熱の実行方法に依存する。
【００６８】
一般に、光ビームのエネルギー密度は０．００１ｍＷ／μｍ２乃至１０Ｗ／μｍ２の範囲内である可能性があり、例えば、０．００１ｍＷ／μｍ２乃至０．１ｍＷ／μｍ２、０．１ｍＷ／μｍ２乃至１ｍＷ／μｍ２、１ｍＷ／μｍ２乃至５０ｍＷ／μｍ２、５０ｍＷ／μｍ２乃至２５０ｍＷ／μｍ２、２５０ｍＷ／μｍ２乃至５００ｍＷ／μｍ２、０．５Ｗ／μｍ２乃至１Ｗ／μｍ２または１Ｗ／μｍ２乃至１０Ｗ／μｍ２の範囲内である。光ビームのエネルギー密度は少なくとも０．００１ｍＷ／μｍ２である可能性があり、例えば少なくとも０．００１ｍＷ／μｍ２、０．０１ｍＷ／μｍ２、０．１ｍＷ／μｍ２、１ｍＷ／μｍ２、１０ｍＷ／μｍ２、５０ｍＷ／μｍ２、１００ｍＷ／μｍ２、２５０ｍＷ／μｍ２、５００ｍＷ／μｍ２、１Ｗ／μｍ２または少なくとも５Ｗ／μｍ２であり、例えば少なくとも１０Ｗ／μｍ２である。
【００６９】
所定のアプリケーションのための光エネルギー密度は、光エネルギー密度が変更される単純な実験セットをセットアップし、様々な光エネルギー設定の結果を観察しかつ適切な蒸気泡形成及び／または混合及び／または加熱が発生する光エネルギー密度を選定する作業により選定され得ることが想定される。さらに、光学顕微鏡または蛍光顕微鏡等の視覚化手段を使用して、光エネルギー密度設定の結果を評価することができる。さらにまた、蛍光液または着色液を使用して混合または蒸気泡形成を視覚化することも可能であり、かつ例えば蛍光液マーカのゾーンまたは蛍光微粒子を含む液体を使用してポンピング及び／またはバルブ機能及び／または混合及び／または加熱の結果を視覚化することができる。
【００７０】
異なる時点で、かつ／またはマイクロシステムの異なる部分で同じ光源により液体の加熱及び／または蒸気泡形成を達成するために、光ビーム制御手段を供給して光源のパラメータを制御することが可能である。これにより、出力、パルス幅、エネルギー密度及びマイクロチャネルに対する光ビームの速度等の光ビーム・パラメータが制御され、光ビーム制御手段はマイクロチャネル内の液体の加熱を供給すべく光ビームのパラメータを制御することができる。また光ビーム制御手段は、例えばマイクロチャネルの異なるセクションの異なる設計を見込んで、蒸気泡形成に使用される光ビームの光ビーム・パラメータを制御するためにも供給され得ることが想定される。
【００７１】
従って、光ビームのエネルギー密度、出力及び／またはパルス幅は、マイクロチャネルのそれぞれのセクションにおける液体の少なくとも一部を、液体内には実質上蒸気泡が全く形成されないように上記液体の沸点を下回る温度まで、しかも例えば反応が沸点未満の異なる３温度において発生するポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ：約９０乃至９５℃における変性／溶融、約５０乃至６５℃におけるアニーリング及び最後に７０乃至８０℃における重合）等の核酸増幅プロセスのような特定の反応またはプロセスが発生するに足る温度まで加熱できる十分なものであるように制御されることが可能である。
【００７２】
例えば、加熱される液体は、プライマ、核酸、モノリン酸ヌクレオチド及びポリメラーゼ活性を有する酵素を含む核酸（ＮＡ）増幅反応混合物を含むことが可能である。
【００７３】
ＮＡ増幅は、ポリメラーゼ連鎖反応技術（ＰＣＲ）、鎖置換増幅（ＳＤＡ）、結紮ローリング・サークル増幅（Ｌ−ＲＣＡ）及びこれらの組み合わせ／改良より成るグループから選択される技術を使用して実行されることが可能である。これらの方法は当業者には周知であり、例えばＳａｍｂｒｏｏｋらによって記述されている。
【００７４】
さらに、本発明によるマイクロポンプシステムにおいて核酸（ＮＡ）増幅プロセスを実行する方法は、
ａ）マイクロポンプシステムを供給するステップと、
ｂ）マイクロチャネルの１セクションにＮＡ増幅混合物を供給するステップとを含み、上記ＮＡ増幅混合物はプライマと、核酸と、モノリン酸ヌクレオチドと、ポリメラーゼ活性を有する酵素とを含み、
ｃ）光源を使用して上記ＮＡ増幅混合物を加熱し、二重鎖ＤＮＡの溶融を達成するステップと、
ｄ）ＮＡ増幅混合物を冷却し、核酸のプライマのアニーリングを達成するステップと、
ｅ）ポリメラーゼ活性を有する酵素にプライマを伸長させるステップとを含む。
【００７５】
ステップｃ）乃至ｅ）は、任意回数反復されることが可能である。
【００７６】
作動液の温度を監視するためには、赤外線検出器等のサーモパイル素子を供給して液温を検出することができる。ある好適な実施形態では、サーモパイル素子は、ビーム・スプリッタが透過されるＭＩＲ光の一部を光源でなくサーモパイル素子へ送る可能性のある場合を除いて、液体の加熱される部分から放射される例えば中間赤外（ＭＩＲ）光が光ビームを方向付けるために使用されるものと同じ物理光路を介してサーモパイル素子へ透過されるように位置決めされる。
【００７７】
光ビームと基板との間の相対運動を誘導するための運動手段は、基板を動かすための手段及び／または光源を動かすための手段及び／または光ビームを動かすための手段を備えることが可能である。基板は、例えばコンパクト・ディスクのようなシステム内に供給されることが可能であり、基板は回転方向を横断する方向、例えば半径方向に移動可能である光源の前で回転される。
【００７８】
光ビームを動かすための手段は、ミラー、プリズム、格子、ホログラム、等々の光ビームを偏向及び／または回折させる手段を備えることが可能である。
【００７９】
移動手段はさらに、または代替として、例えば偏向ミラーに接続していて検流計を形成するステップモータ等のモータを備えることが可能であり、または好適には、本移動手段は圧電素子を備えることが可能であり、よって圧電効果の使用により偏向及び／または回折手段内に動作が誘導される。或いは、磁気歪を使用して上記偏向または回折素子に対し上記動作が誘導される場合もある。或いは、上述の移動手段（ステップモータまたは圧電素子または磁気歪素子）は、光源とマイクロシステムの基板との間に相対変位を誘発させるために実装される場合もある。
【００８０】
チャネルの表面部分を照射する光ビームの制御を供給するために、光ビームによって横断される経路を制御できるように光ビームと基板との間の相対運動を引き起こす手段を制御するための制御手段を供給することが可能である。
【００８１】
移動手段を制御する制御手段は、さらに光ビーム制御手段を備えることが可能である。
【００８２】
さらに、光ビームを選択された位置へ集束するためのフォーカス手段を備えることが可能である。フォーカス手段は、同じ光源によってより多くのポンプチャネルが逐次的に駆動され得るように、光ビームを複数の面に集束させるべく適合されることが可能である。
【００８３】
光ビームが集束される選択された位置は、マイクロチャネルの表面部分である場合もあれば、マイクロチャネル内の１ロケーションである場合もある。フォーカス手段はフォーカス制御手段によって制御されることが可能であり、好適には、２つまたは３つの平面における焦点を制御すべく適合化されることが可能である。これにより、焦点は例えば何れかの平面においてチャネル長さ沿いに進んで液体を加熱する、または、蒸気泡をチャネル長さに沿って進行させることが可能である。
【００８４】
動作手段を制御するための制御手段は、さらにフォーカス制御手段を備えることが可能である。
【００８５】
マイクロチャネル内の液体の速度は、移動手段の速度を制御しかつ／または光源のエネルギー密度を制御することによって制御されることが可能である。但し、好適なエネルギー密度は、例えばマイクロポンプシステムの固有設計、チャネルの大きさ、等に依存する。
【００８６】
蒸気泡の発生は、液体に１０−１０ａｔｍ乃至５０ａｔｍの範囲の圧力、例えば１０−１０ａｔｍ乃至１０−６ａｔｍ、１０−６ａｔｍ乃至１０−５ａｔｍ、１０−５ａｔｍ乃至１０−４ａｔｍ、１０−４ａｔｍ乃至１０−３ａｔｍ、１０−２ａｔｍ乃至１０−１ａｔｍ、１０−１ａｔｍ乃至１ａｔｍ、１ａｔｍ乃至５ａｔｍ、５ａｔｍ乃至１０ａｔｍの範囲または１０ａｔｍ乃至５０ａｔｍの範囲の圧力をかける結果となる可能性がある。
【００８７】
本発明によるポンピングから結果的に生じる流量であるマイクロチャネルの断面を介する流量は、０．００１ｐＬ／分乃至１００ｍＬ／分の範囲、例えば０．００１ｐＬ／分乃至０．０１ｐＬ／分、０．０１ｐＬ／分乃至０．１ｐＬ／分、０．１ｐＬ／分乃至１ｐＬ／分、１ｐＬ／分乃至１０ｐＬ／分、１０ｐＬ／分乃至１００ｐＬ／分、１ｎＬ／分乃至１０ｎＬ／分、１０ｎＬ／分乃至１００ｎＬ／分、１００ｎＬ／分乃至１μＬ／分、１μＬ／分乃至１０μＬ／分、１０μＬ／分乃至１００μＬ／分、１００μＬ／分乃至１ｍＬ／分、１ｍＬ／分乃至１０ｍＬ／分の範囲または１０ｍＬ／分乃至１００ｍＬ／分の範囲である可能性がある。
【００８８】
さらに、蒸気泡の大きさは、特定のシステム及び／または目的に沿って適合させることが可能である。従って、蒸気泡の大きさは、光源のエネルギー密度及び／または選択されたセクションの照射時間を制御することにより制御され得る。蒸気泡の寿命は最長で１０時間、例えば最長で毎５時間、１時間、３０分、１０分、５分、１分、３０秒、１０秒、１秒、０．１秒、０．０１秒、１ミリ秒、０．１ミリ秒、０．０１ミリ秒、１μ秒または０．１μ秒であり、例えば最大で０．０１μ秒であることが可能である。
【００８９】
例えば、マイクロチャネル内でバルブ効果を達成するためには、例えば光ビームのパルス幅等の特定のセクションにおける光源のエネルギー密度及び／または照射時間を、マイクロチャネルの大きさに一致する大きさを有する蒸気泡が形成されるように選択することができる。これにより蒸気泡はチャネルを満たし、よってチャネル内に流れ制限がもたらされる。
【００９０】
従って、本発明の一実施形態またはさらなる態様において供給されるマイクロバルブシステムは、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクション及び第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合化された光源と、
上記光ビームを上記基板に対して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルのそれぞれの表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、第２のセクションにおける液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成され、上記第１及び第２の蒸気泡は、２つの蒸気泡の形成または崩壊を変動または交互にすることによりチャネル内に流れ制限を持続するように適合される。マイクロバルブの作用は、実質上チャネル内の液体の転位を引き起こさないことが好ましい。
【００９１】
本発明の別の実施形態またはさらなる態様においては、マイクロシステム内のマイクロバルブを閉じる方法が提供され、該方法は、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給することと、
光源から光ビームを放射することと、
上記光ビームと上記基板との間に相対運動を誘発させ、上記光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射するとともに第２の位置において第２の表面部分を照射することと、
上記第１の表面部分の照射に応じて少なくとも第１のセクションに少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成することと、
上記第２の表面部分の照射に応じて少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成すること、を含み、
上記少なくとも第１及び第２の蒸気泡は、蒸気泡の形成または崩壊を変動または交互にしてバルブを閉じることにより、チャネル内に流れ制限を持続するように適合される。
【００９２】
従って、マイクロチャネル内の隣接する２つのセクションには２つの変動する蒸気泡が形成される可能性があり、変動はチャネル内に少なくとも１つの蒸気泡制限を持続するように制御されることが可能である。
【００９３】
蒸気泡は、例えばマイクロチャネルの対応する表面部分を照射して蒸気泡の第１及び第２の端部分を交互に加熱することにより持続されることが可能である。
【００９４】
好ましくは、マイクロバルブの作用は、実質上チャネル内の液体の転位を引き起こさない。
【００９５】
好適には、バルブはノーマルオープン式のバルブであり、マイクロチャネルの同バルブを備える１つまたは複数のセクションの照射によって閉じられ、チャネル内に蒸気泡制限を形成させる。バルブは、持続された蒸気泡を崩壊させることにより開放されることが可能である。
【００９６】
少なくとも１つの光源は、多数のマイクロチャネル内に流れが発生するように移動手段によって制御されることが可能である。移動手段は、多数のマイクロチャネル内に液流を発生させるために、多数のマイクロチャネルの多数の表面部分を照射すべく制御されることが可能である。
【００９７】
少なくとも１つの光源は、ガスレーザ、レーザダイオード等の固体レーザ等のレーザであることが可能であり、また、光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）、キセノンランプまたは十分な輝度の任意のフィラメント球であることも可能である。レーザまたはＬＥＤはパルスモードまたは連続モードの何れかで運転されることが可能であり、キセノンランプまたはフィラメント球は機械的なブロックまたは偏向手段を使用して調節されることが可能である。
【００９８】
本発明の一実施形態においては、マイクロチャネル内の２つの蒸気泡の隣接する部分間の距離は少なくとも１マイクロメートルであり、例えば、少なくとも５マイクロメートル、１０マイクロメートル、１５マイクロメートル、２０マイクロメートル、２５マイクロメートル、３０マイクロメートル、４０マイクロメートル、５０マイクロメートル、７５マイクロメートル、１００マイクロメートル、１５０マイクロメートル、２００マイクロメートル、３００マイクロメートル、４００マイクロメートル、５００マイクロメートル、７５０マイクロメートル、１０００マイクロメートル、１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍまたは５ｍｍであり、例えば少なくとも１０ｍｍである。
【００９９】
本発明の別の実施形態においては、マイクロチャネル内の２つの泡の隣接する部分間の距離は最大１０ｍｍであるべきであり、例えば最大５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍ、７５０マイクロメートル、５００マイクロメートル、２５０マイクロメートル、１５０マイクロメートル、１００マイクロメートル、７５マイクロメートル、５０マイクロメートル、２５マイクロメートル、１０マイクロメートルまたは５マイクロメートルであるべきであり、例えば最大１マイクロメートルであるべきである。
【０１００】
多くの場合、例えばポンピングに関連して絶対容積変位を評価し、例えば蛍光チャネルまたはリザーバまたはプラグを介してマイクロシステムの位置決めを行い、またはマイクロチャネル内の液体の流量を測定するために、マイクロシステム内の特定場所にマーク付けを行うことができること重要である。従って、ある好適な実施形態では、マイクロポンプシステムはさらに、少なくとも１つのマイクロチャネル内に噴射されるマーキング液を保持するための少なくとも１つのリザーバと、上記少なくとも１つのリザーバを少なくとも１つのマイクロチャネルの少なくとも１つのセクションに連結する接続穴とを備える。マーキング液は、例えば蛍光液、着色液または蛍光微粒子を含む液体であることが可能である。好適なマーキング液は、実質的に作動液と同じフロー特性を有する。
【０１０１】
マイクロチャネル構造体における混合はほぼ拡散による混合にのみ依存するため、蒸気泡の形成はさらに、マイクロチャネル内を流れる複数の液体を混合するためにも使用されることが可能である。
【０１０２】
本発明の別の実施形態またはさらなる態様においては、マイクロチャネルにおける複数の液体を混合するためのマイクロミキシングシステムが提供され、該システムは、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に対して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルのそれぞれの表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける第１の液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、上記第２のセクションにおける第２の液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成され、これにより、上記第１及び第２の液体間の境界面面積が増大し、よって拡散による混合が増大する。
【０１０３】
本発明のさらなる実施形態またはさらに他の態様においては、マイクロチャネルにおける少なくとも１つの第１及び第２の液体を混合するための混合方法が提供され、該方法は、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給することと、
光源から光ビームを放射することと、
上記光ビームと上記基板との間に相対運動を誘発させ、上記光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射し、第２の位置において第２の表面部分を照射することと、
上記第１の表面部分の照射に応じて上記第１のセクションにおける少なくとも１つの第１の液体内に少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成することと、
上記第２の表面部分の照射に応じて上記第２のセクションにおける少なくとも１つの第２の液体内に少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成すること、を含み、
これにより、上記第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大され、上記少なくとも第１及び第２の液体の例えば拡散による混合が達成される。
【０１０４】
さらに、第１の液体内に形成される蒸気泡は、第１の液体から第２の液体へ拡張し、かつ、この逆に拡張するように適合されることが可能であり、これにより、さらに第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大される。このため、混合は比較的短いチャネル長さセクションに渡って達成されることが可能である。混合時間は、１μ秒乃至１０時間の範囲、例えば、１マイクロ秒乃至１０マイクロ秒、１０マイクロ秒乃至１００マイクロ秒、１００マイクロ秒乃至１ミリ秒、１ミリ秒乃至１０ミリ秒、１０ミリ秒乃至１００ミリ秒、１００ミリ秒乃至１秒、１秒乃至３０秒、３０秒乃至１分、１分乃至１０分、１０分乃至３０分、３０分乃至１時間、１時間乃至５時間または５時間乃至１０時間の範囲であることが可能である。
【０１０５】
さらに、混合時間は最大１０時間であり、例えば最大毎５時間、１時間、３０分、１０分、５分、１分、３０秒、１０秒、１秒、０．１秒、０．０１秒、１ミリ秒、０．１ミリ秒または０．０１ミリ秒であり、例えば最大１μ秒である。
【０１０６】
混合室の容積は少なくとも１０−１７ｍ３であり、例えば少なくとも１０−１６ｍ３、１０−１５ｍ３、１０−１４ｍ３、１０−１３ｍ３、１０−１２ｍ３、１０−１１ｍ３、１０−１０ｍ３、１０−９ｍ３、１０−８ｍ３、１０−７ｍ３であり、例えば少なくとも１０−６ｍ３である。
【０１０７】
混合室の容積は最大１０−６ｍ３であり、例えば最大１０−７ｍ３、１０−８ｍ３、１０−９ｍ３、１０−１０ｍ３、１０−１１ｍ３、１０−１２ｍ３、１０−１３ｍ３、１０−１４ｍ３、１０−１５ｍ３または１０−１６ｍ３であり、例えば最大１０−１７ｍ３である。
【０１０８】
サーマルリアクタの容積は少なくとも１０−１７ｍ３であり、例えば、少なくとも１０−１６ｍ３、１０−１５ｍ３、１０−１４ｍ３、１０−１３ｍ３、１０−１２ｍ３、１０−１１ｍ３、１０−１０ｍ３、１０−９ｍ３、１０−８ｍ３、１０−７ｍ３であり、例えば少なくとも１０−６ｍ３である。
【０１０９】
サーマルリアクタの容積は最大１０−６ｍ３であり、例えば最大１０−７ｍ３、１０−８ｍ３、１０−９ｍ３、１０−１０ｍ３、１０−１１ｍ３、１０−１２ｍ３、１０−１３ｍ３、１０−１４ｍ３、１０−１５ｍ３または１０−１６ｍ３であり、例えば最大１０−１７ｍ３である。
【０１１０】
複数の蒸気泡は、混合される第１及び第２の液体内で交互にマイクロチャネルに沿って形成され得ることが想定される。これにより、第１及び第２の液体の間に実質上の正弦形または鋸歯形を有するインタフェースが供給される可能性があり、より大きいインタフェース面積が達成されかつ維持され、よって少なくとも第１及び第２の液体の混合が促進される。
【０１１１】
駆動用静水圧は、マイクロチャネルの少なくとも第１及び第２のセクション間の距離を制御することにより制御されることが可能である。
【０１１２】
サーマルリアクタ内の混合及び加熱は、混合室またはサーマルリアクタを介して一定流量により連続モードで実行されることが可能であり、もしくは混合室２４における混合プロセスの間、及び／またはサーマルリアクタにおける加熱プロセスの間は流れが停止されるバッチ・モードで使用されることが可能である。混合及び温度調節のための時間期間は、実際のアプリケーションによって決定される。
【０１１３】
本明細書で記述した実施形態の何れも、任意の可能なマイクロポンプシステムを構築し得るように多くの方法で組み合わされる可能性があることは理解されるべきである。従って、幾つかのポンプシステム、混合システム及びバルブシステム等を備えるマイクロポンプシステムの達成が可能であり、かつ、同様に、流れの発生、混合、加熱、通気、等を含む液体処理方法の任意の組み合わせにより、マイクロポンプシステムにおいて任意の液体処理を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１１４】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【０１１５】
図１は、単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。光源１は光ビーム２を放射し、これはマイクロチャネル４の壁における吸光物質３へと方向付けられる。マイクロチャネル４を保持する基板はシリコンであることが可能であり、吸光物質３は窒化アルミニウムであることが可能である。マイクロチャネル４は水性液で満たされ、水性液は光ビームが吸光物質を加熱する場所で気化し、蒸気泡５を形成する。光ビーム２を吸光物質３上のＡからＢへ移動させることにより、蒸気泡５は光ビーム２と同じ方向へ移動し、よってマイクロチャネル１の液体は光ビーム２と同じ方向へ移動される。光源１の光ビーム２は、光ビームを移動させるように適合化された好適には圧電アクチュエータによって動作されかつコンピュータシステム（図示されていない）によって制御されるシリコンミラーである手段６によって方向づけられる。従って、コンピュータシステムにより、マイクロシステムの少なくとも一部の任意の場所を光ビーム２で照射することが可能である。
【０１１６】
図２ａ乃至２ｃは、図１に示すような単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理の発達過程を示す。図２ａでは、光ビームは点Ａの近くでマイクロチャネルの壁を加熱し、局部蒸気泡を形成させる。蒸気泡はまだ小さく、マイクロチャネルを介して一方向の液流を生じさせることはできない。図２ｂでは、光ビームは位置Ｂの方向へ移動されており、蒸気泡はもうかなり膨張してマイクロチャネルを介する液流を阻止している。蒸気泡は光ビームが移動する方向へ膨張し、よってマイクロチャネルの液体をその方向へ移動させる。図２ｃでは、光ビームは位置Ｂへさらに近づいて移動しており、引き続き液体を同じ方向へ押しやっている。その結果、大きい方の矢印は、液体中に生じる流れを示している。蒸気泡の位置Ａに最も近い部分では、マイクロチャネルの壁が冷めるにつれて凝縮により蒸気泡が縮小し始める。蒸気泡の収縮により、蒸気泡の左側の液体はＡからＢの方向へ引っ張られる。
【０１１７】
図３は、幾つかの個々の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。本図は、光源１の光ビームが位置Ａから位置Ｂまでの異なる４スポットを照射した後のマイクロチャネル４の縦断面のスナップ・ショットである。蒸気泡は、各スポットで形成される。左側の蒸気泡７は最も古い蒸気泡であって既に凝縮を始めており、よって縮小する。縮小の結果として、蒸気泡の左側の液体は蒸気泡の方へ引っ張られる。右隣の蒸気泡はその最大容積に到達していて、マイクロチャネルを塞いでいる。左から３番目の蒸気泡はまだ膨張を続けており、よってその右側の液体をＡからＢの方向へ移動させている。８に示す４番目の蒸気泡は形成されたばかりであり、その右側の液体をＡからＢの方向へ押しやり始めている。新たな蒸気泡は、マイクロチャネル４に沿って例えば位置Ａ、Ｂ間以外の新たなロケーションに形成される場合もあれば、位置Ａ、Ｂ間で再度形成される場合もある。
【０１１８】
図４は、一方のチャネル壁に吸光物質３を有するマイクロチャネル４の断面を示す。マイクロチャネル４は、第１の基板９と、やはり第２の基板１０によって所定位置に保持される吸光物質３との間に形成される。第２の基板１０は光ビーム２の波長を透過させるため、上記光ビームは第２の基板１０を通って伝搬し、マイクロチャネル４に隣接する吸光物質３に吸収される。吸光物質３内に形成されるエネルギーはマイクロチャネルの液体内へ導かれ、光ビームエネルギーが十分なものとなった時点で液体は気化し、蒸気泡を形成する（本図に蒸気泡は示されていない）。
【０１１９】
図５は感応細胞の処理に適するマイクロシステムの断面を示し、上記マイクロシステムは、隣接する２つの基板９及び１０内に画定されたキャビティまたはトレンチ１１を備えるマイクロチャネル４を有する。トレンチ１１を含むマイクロチャネル４は、生体細胞１２等の感熱粒状物質を含む液体で満たされる。液体内の細胞１２は、摂氏３７度を超える温度に曝されると損なわれる。従って蒸気泡５は、光ビーム２をトレンチに隣接する吸光物質３へ照射し、かつ、トレンチ内の液体を気化させて蒸気泡５を形成することにより、キャビティまたはトレンチ１３内で形成される。トレンチは、細胞１２を実質的にチャネル断面の広い方の部分に保持できるようにかなり狭く設計される。液体の細胞１２へ伝達される熱エネルギーは最小でなければならないことから、本実施形態では、蒸気泡５は膜沸騰によって生成されることが好適である。
【０１２０】
図６ａは、蒸気泡５が緩衝液１４内に形成されるマイクロシステム１３内のマイクロチャネル４の縦断面を示す。緩衝液１４は、例えば抗体、細胞または酵素等の感熱試薬を含む場合もある感熱液１５と層を成す（これと並行して流れる）。蒸気泡５は、光ビーム２を緩衝液１４に隣接する基板１０の吸光物質（図示されていない）に向けて照射し、これにより蒸気泡５を形成し、熱エネルギーの大部分を緩衝液１４内へ誘導することによって形成される。図６ａが示す蒸気泡５はまだマイクロチャネルを介する液体の流れを阻止していないが、チャネルのサイズに一致するサイズを有するまで膨張した時点で、液体の流れを阻止することができるようになる。
【０１２１】
図６ｂは図６ａに示した実施形態の代替例を示すもので、緩衝液１４が入口１６を介して蒸気泡形成位置の左側へ導入され、出口１７を介してマイクロチャネルから蒸気泡形成位置の右側へ出て行く。保護されている感熱液１５は緩衝液１４内に形成される泡によりポンピングされて大きい矢印の方向へ流れ続けるが、ポンピングされなければ実質上緩衝液１４内の蒸気泡形成により影響されない。
【０１２２】
図７は、緩衝液の１つのゾーンまたはセクション１９が如何にして緩衝液１４で満たされたリザーバ１８からマイクロチャネル４へ注入され得るかを示すもので、矢印は上記液流を示している。緩衝液７×１で満たされたリザーバ１８はマイクロチャネル４と流体により通じていて、緩衝液１４内に蒸気泡５が形成されると緩衝液の１つのゾーン１９が液流へと注入される。
【０１２３】
図８は、作動液２０で満たされたマイクロチャネル４内の緩衝液ゾーン１９における蒸気泡５の形成を示す。緩衝液のゾーン１９は、図７で説明したように緩衝液のリザーバ１８からマイクロチャネル４の作動液２０へと拍出されている。光ビーム２は緩衝液のゾーン１９内の所定の位置を照射しており、これにより緩衝液のゾーン１９内に蒸気泡５が形成される。この手法の優位点は、マイクロチャネルの作動液２０が高温に曝されないことにある。作動液２０には複数の緩衝液ゾーン１９を注入することが可能であり、緩衝液ゾーン１９は作動液を操作するハンドルとして使用可能である。
【０１２４】
図９は、マーカ液２１をマイクロチャネル４の作動液２０へ注入するメカニズムを示す。図７及び８で説明した緩衝液ゾーン１９の注入と同様に、マーカ液２１で満たされたリザーバ１８から作動液２０へマーカ液２１を注入することができる。マーカ液２１は、例えば蛍光分子または検出が容易な別の実体を含む液体である可能性がある。マーカ液２１は、例えばマイクロチャネル内の流れを視覚化するため、及び／またはマイクロチャネル内の流量を測定するため、及び／またはシステムの漏れを調べるために、作動液へ注入されることが可能である。マーカ液２１は、リザーバ１８内に、またはマイクロチャネル４と流体で繋がっていて作動液２０が存在するチャネル内に蒸気泡５を形成することにより、作動液２０へ注入される。蒸気泡５は、光ビーム２をチャネル壁の吸光物質３及びリザーバ壁の方向へ照射し、これにより照射されるチャネル壁セクションに隣接するマーカ液２１を気化させるに足る熱を生成することによって形成される。或いは蒸気泡は、透明基板によって保持されるマーカ液（図示されていない）を直接照射することにより、マーカ液内に形成される場合もある。マーカ液ゾーン２２に蒸気泡が形成されるにつれて、マーカ液は作動液２０へと押し込まれる。矢印が示す作動液の流れは、マイクロチャネル４を介してマーカ液ゾーン２２を移動させる。
【０１２５】
図１０ａ及び１０ｂは、時間ｔ＝ｔ１及びｔ＝ｔ２における、混合室２４で２つの液体を混合するためのチャネルシステム２３を示す。第１の液体２５は第１のリザーバ２７から流れ込み、第２の液体２６は第２のリザーバ２８から流れ込む。（矢印が示す）流れは、本発明によるポンプ及びポンピング方法を使用して、例えば光源からの光ビーム２を使用して蒸気泡を発生させることにより、もしくはピストン・ポンプ、ＥＯＦポンプ、静水圧、毛管流、他等の従来的なポンプ手段によって生成されることが可能である。第１の液体２５と第２の液体２６とは合流して層状になり、境界層２９を形成する。第１の液体からの分子は、この境界層を介して第２の液体内へ拡散し、その逆も発生する。混合室２４では、例えば液体の通過を制限して境界層２９の長さを増大させる４つの蒸気泡５の形成により、境界層２９の実効面積が増大される。ｔ＝ｔ２における混合室では、蒸気泡５のロケーションの変更により、ｔ＝ｔ１の場合に比べて混合効率はさらに向上されることが可能である。例えば図１０ａの位置及び図１０ｂの位置のような２つ以上の蒸気泡位置間でシフトを行うことは、好適である可能性がある。シフトは最大５分おきに、例えば最大１分、３０秒、１０秒、１秒、０．１秒、０．０１秒または０．００１秒おきに、例えば最大０．０００１秒おきに発生することが可能である。
【０１２６】
概して蒸気泡５は、混合室２４内のどこにでも形成されることが可能である。本発明の一実施形態では、蒸気泡５は混合室２４内の境界層２９の面積を最大にするように位置決めされることが好適である。
【０１２７】
図１１ａは、２つの蒸気泡３１及び３２が順次、即ち相次いで形成される、蒸気泡によって形成される液体バルブ３０の一実施形態を示す。作動液は、マイクロチャネルセクション３３を介して矢印の方向へ流れ、バルブが開いていれば作動液はマイクロチャネルセクション３４、３５の双方を介して流れる。液体バルブは、マイクロチャネルセクション３５内に少なくとも２つの蒸気泡３１及び３２を順次隣り合わせに形成することによって生成される。蒸気泡は、ダイオード・レーザ３６（光ビームを移動させるように適合化された手段は図示されていない）からの光ビーム２によってマイクロチャネルの壁を加熱し、これにより加熱されたマイクロチャネル壁に隣接する液体を気化させることによって形成される。光ビーム２は、蒸気泡３１に対応する位置と蒸気泡３２に対応する位置との間を離散モードで移動される。線形増加する時系列ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６を見ると、光ビーム２は時間ｔ１、ｔ３及びｔ５において蒸気泡３１に隣接するマイクロチャネル壁を加熱する。時間ｔ２、ｔ４及びｔ６では、光ビーム２は蒸気泡３２に隣接するマイクロチャネル壁を加熱する。図１１ａはバルブの一実施形態のスナップ・ショットであり、蒸気泡３１はまだマイクロチャネルセクション３５を介する流れを遮断し得るほどには膨張しているが、収縮を始めている。一方で蒸気泡３２は膨張を続けているが、流れを塞ぐまでには至っていない。両者の発達過程は、蒸気泡の一方が常に関連のマイクロチャネルセクションを介する流れを塞ぐようなものであることが好適である。当業者であれば、過度の実験を行うまでもなく、２つの蒸気泡間の距離等のバルブ作動における関連パラメータ及び蒸気泡を生成する時宜を得た発達過程を決定することができるであろう。
【０１２８】
図１１ｂは、蒸気泡５が連続して保持される、単一の蒸気泡５によって形成される液体バルブ３０の別の実施形態を示している。図１１ａに示したバルブ実施形態の代替例として、マイクロチャネルセクション３５を介する流れは、ダイオードレーザ３６（光ビームを移動させるように適合化された手段は図示されていない）からの光ビーム２によって連続的に保持されている単一の蒸気泡によって塞がれることが可能である。蒸気泡５は、光ビーム２を蒸気泡５が形成されて保持されるべきマイクロチャネル４の壁に沿って連続走査することにより保持されることが可能である。蒸気泡５に隣接する壁を走査する代わりに、光ビーム２はマイクロチャネル壁の同じ位置を連続して加熱することも可能であり、よってチャネル壁により十分なエネルギー量が吸収されれば、蒸気泡は常時マイクロチャネル４のそのセクションを介する流れを塞ぎ得る程度に膨張されたままになる。
【０１２９】
図１２ａ及び１２ｂは、ビーム拡大レンズ３８の使用またはリアクタ・エリアに渡る連続走査の使用の何れかによるサーマルリアクタ３７の２つの供給モードを示す。作動液２０は、リザーバ１８からサーマルリアクタ３７へ流れる。サーマルリアクタにおいて、作動液２０は、例えばビーム拡大レンズ３８と組み合わされたレーザダイオード３６（光ビームを移動させるように適合化された手段は図示されていない）を使用してレーザにより加熱される。ビーム拡大レンズ３８は、例えばマイクロシステム内に一体化されてマイクロシステムの一部である場合もあれば、マイクロシステムに取り付けられる場合もある。ビーム拡大レンズ３８の使用により、光ビーム２のエネルギーはより広い面積２ａに吸収され、その結果、光ビームの光エネルギー密度の低下に起因して、より少ない温度上昇が生成される。サーマルリアクタ３７の作動液２０が局部的に気化することになる代わりに、ここでは作動液２０のより大きい部分が適度に加熱される。
【０１３０】
図１２ｂはサーマルリアクタ３７の一実施形態を示すもので、光ビーム２によってサーマルリアクタ３７の高速走査３９を実行することにより光ビーム２のエネルギーがサーマルリアクタ中に分散される。
【０１３１】
本発明の一実施形態においては、加熱プロセスの間、作動液２０はサーマルリアクタ３７を介して流れ、よってサーマルリアクタ３７は連続モードで動作することができる。代替実施形態では、作動液２０はサーマルリアクタ３７において停止され、即ち加熱プロセスの間はサーマルリアクタ３７を介して流れず、よってサーマルリアクタはバッチモードで動作することができる。サーマルリアクタ３７を介する流れは、従来型のバルブを使用して、または本発明によるバルブ３０を使用して停止されることが可能である。
【０１３２】
温度の調節は再現性に優れた化学反応を達成する上で不可欠であることから、サーマルリアクタ３７は多くのアプリケーションを有する。ＰＣＲ混合物の熱循環は、サーマルリアクタの極めて興味深いアプリケーションの１つである。ＰＣＲ混合物はサーマルリアクタ３７へとポンピングされ、サーマルリアクタ３７は上述のようなバッチモードで使用されることが可能である。サーマルリアクタ３７では、所謂熱循環が実行される。１サイクルで、ＰＣＲ混合物はまず摂氏約９０乃至９５度まで加熱され、次に摂氏５５乃至６５度に冷却されるまで放置され、最後に温度が摂氏７５度まで上げられる。１つの熱循環で、典型的には選択されたＤＮＡ配列の濃度が倍増される結果となる。典型的には、熱循環は１５乃至３０回反復され、これにより選択されたＤＮＡ配列の濃度は１，０００，０００倍に増幅されることが可能である。
【０１３３】
図１３は、ミキサ及びサーマルリアクタを含む本発明によるシステムを示す。２つの作動液２５及び２６は、各々リザーバ２７及び２８から流れ出る。流れは、吸光物質３を使用する本発明のポンピングにより生成される場合もあれば、代替として２つの吸光物質４０及び４１を使用する個々のリザーバからのポンピングによって生成される場合もある。２つの作動液は層状になり、結果として両者間に境界層２９が形成される。層状になった両作動液は混合室２４へ流れ込み、上述のような混合が実行される。混合された液体はサーマルリアクタ３７へ流れ込み、光源としてのレーザダイオード３６（光ビームを移動させるように適合化された手段は図示されていない）及び例えばビーム拡大レンズ３８を使用して加熱される。図１３に示すマイクロシステムは一定の流量による連続モードで実行される場合もあり、混合室２４では混合プロセスの間に、かつ／またはサーマルリアクタ３７では加熱プロセスの間に流れが止められるバッチモードで使用される場合もある。混合及び温度調節に要する時間は、実際のアプリケーションによって決定される。
【０１３４】
本実施形態では、ダイオードレーザ３６からの光ビームは、２つの作動液２５、２６をポンピングするためと、液体を混合するためと、サーマルリアクタ３７において液体を加熱するために使用される。さらに、レーザダイオード３６の光ビーム２は、作動液における分子の検出に使用されることが可能である。蛍光検出の場合には、レーザダイオード３６は蛍光分子を励起するための光を供給することが可能であり、吸光度測定の場合には、レーザダイオード３６は作動液に吸収される光を供給することが可能である。
【０１３５】
概して、検出は、マイクロチャネル、混合室またはサーマルリアクタにおいて等しく実行されることが可能である。
【０１３６】
図１３は、ＤＮＡ等の核酸分子を増幅するプロセスであるＰＣＲプロセスを実行するために使用可能である。リザーバ２７はＰＣＲプロセスを実行するための関連試薬を含む作動液２５を包含することが可能であり、リザーバ２８は病原菌に感染している場合も感染していない場合もある患者からの液体試料を含む作動液２６を包含することが可能である。患者が感染者であれば、液体試料には病原菌のＤＮＡが存在する。液体試料及びＰＣＲプロセスを実行するための試薬は層状にされ、混合室２４で混合され、かつ、サーマルリアクタ３７で熱循環される。作動液２０は、Ｓａｍｂｒｏｏｋらが記述しているように、病原菌のＤＮＡを増幅するために有益であることが周知であるプライマ対、ポリメラーゼ酵素、３リン酸ヌクレオチド、塩及びｐＨバッファを含む可能性がある。
【０１３７】
図１４ａに示すように、同一のマイクロシステムに幾つかのチャネルシステムが存在する可能性がある。本図にはｎ個のそれぞれのチャネルシステムが提示されており、各チャネルシステムはキャピラリ電気泳動チャネル４２（チャネルシステム１にのみ図示されている）に結合されている。但し、ｎは整数である。図１３と同様に、チャネルシステムは混合室２４とサーマルリアクタ３７とを備える。２つの作動液２５及び２６はそれぞれのリザーバから流れ出して層状にされ、混合室２４へ流れ込む。混合室２４を出ると、これらはサーマルリアクタ３７へ流れ込み、続いて２つの液体の混合物がＣＥ−チャネル４２とマイクロチャネルとの間の装填交差部分４３へ流れ込む。装填交差部分における小容量の混合物は、キャピラリ電気泳動チャネル４３を使用して注入され、分離されることが可能である。例えば検出位置４４における蛍光検出は、励起光源としてレーザダイオード３６を使用して実行されることが可能である。実際の蛍光は、光電管、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオード、ＣＣＤカメラ及び／または等価装置等の光検出器によって測定されることが可能である。分離されない液体は、廃棄リザーバへ流れ込む。
【０１３８】
本発明の一実施形態においては、マイクロチャネルのＣＥチャネル４２と交わる部分では、例えば本発明による蒸気泡バルブまたは他のタイプのバルブを使用して流れを止めることが好適である。
【０１３９】
混合室２４と、サーマルリアクタ３７と、キャピラリ電気泳動（ＣＥ）との組み合わせは、概して遺伝分析に、特にはＰＣＲプロセスにとって極めて有益である。ＰＣＲプロセスの増幅産物はＣＥマイクロチャネル４２において分離されることが可能であり、蛍光ＰＣＲ産物、即ち増幅されたＤＮＡ配列は検出位置４４で検出されることが可能である。
【０１４０】
他のチャネルシステム１、２、．．．、ｎは、同じマイクロシステムにおけるそれぞれのチャネルシステムである可能性がある。概して、それぞれのチャネルシステムの数は少なくとも２個であり、例えば少なくとも３個、４個、５個、１０個、１５個、２０個、２５個、３０個、５０個、７５個、１００個、２００個、５００個、１，０００個、５，０００個、１０，０００個、２０，０００個または少なくとも３０，０００個であり、例えば少なくとも５０，０００個のそれぞれのチャネルシステムである。
【０１４１】
レーザダイオード３６は、マイクロシステムのためのそれぞれのチャネルシステムにおいてポンピング、混合、熱処理及び／またはバルブ作用（図１４ａには示されていない）を実行することができると思われる。
【０１４２】
図１４ｂは本発明によるシステムを示すもので、各々がキャピラリ電気泳動マイクロチャネルに結合され、かつ、全てが共通のマイクロチャネル４５に繋がっているｎ個のそれぞれのチャネルシステムを備える。このマイクロシステムは、例えば多数の薬剤候補が例えばある受容体との特定の相互作用に関して選別される、所謂ハイスループット・スクリーンに適している。試薬作動液２５は蛍光標識された受容体を備える可能性があり、例えば４６、４７及び４８である複数の試料作動液は、１つの作動液が１つの薬剤候補を含むようにそれぞれの薬剤を含む可能性がある。複数の試料作動液４６、４７及び４８はそれらのそれぞれの混合室において試薬作動液２５と混合され、それぞれのサーマルリアクタ内で培養するために放置される。最後に、それぞれの反応の産物がそれぞれのＣＥマイクロチャネル内に装填され、反応産物が分離され、蛍光標識された受容体に結合された薬剤候補の量が蛍光検出によって定量化される。
【０１４３】
また、それぞれのチャネルシステムの幾つかを作動液の検量に使用し、かつ残りのチャネルシステムを分析に使用することも可能である。
【０１４４】
本発明によるマイクロシステム及び方法は、例えば診断またはハイスループット・スクリーニング等の分析を目的とする、または例えば組み合わせ化学ライブラリの合成のためのアプリケーションに使用されることが可能である。
【０１４５】
本発明によるマイクロシステム及び方法は、例えば動物、植物または微生物からの遺伝物質における遺伝変種または遺伝的多型、即ち可変性のヌクレオチド配列を検出することにより遺伝病を検出するために使用されることが可能である。遺伝的多型は、単一ヌクレオチド多型（ＳＮＰ）、可変数縦列型反復配列多型、散在性反復配列ＤＮＡ、挿入、複製、欠失、増幅、再編成、ＳＮＰの組み合わせ、縦列反復配列多型、ジヌクレオチド反復配列、散在性反復配列ＤＮＡ及びこれらの任意の組み合わせより成るグループから選択される多型現象を含む。可変性のヌクレオチド配列は、例えば核酸の増幅及び多型に起因するヌクレオチドのサイズまたは配列の差異の観察によって識別し得る可能性がある。
【０１４６】
本発明によるマイクロシステム及び方法は、ｉ）人の細胞及び真核細胞を含む哺乳類細胞またはその一部、ｉｉ）哺乳類のウイルス、人のウイルス及び真核生物のウイルスを含むウイルスまたはその一部、及び／またはｉｉｉ）哺乳類寄生虫、人体寄生虫及び真核生物寄生虫を含む寄生虫、を含む任意の生物学的有機体のような任意の最先端の生体物質の診断に使用されることが可能であり、上記細胞、ウイルス及び／または寄生虫は、通常の生理学的状況下で、または疾病、疾患、症候群、欠損症として診断可能な状況下で、または他の任意の潜在的に治療可能な、特徴付けのできる、または診断可能な状況下で、人または動物の体の一部を形成している。さらに本発明によるマイクロシステム及び方法は、未だ先端技術の一部を形成していない他の任意の生体物質の診断に使用されることが可能である。以下、細胞、ウイルス及び寄生虫の例を挙げる。
【０１４７】
上記診断方法はまた、例えば、一般的には酵母／菌類、粘菌及び微生物等の細菌生物及び特には病原微生物といった標的物質にも向けられることが可能である。以下、微生物の例を挙げる。またこの場合も、当業者には、これらの標的細菌生物を上記標的生物に対して特異性を示す試薬に合わせる方法が認識されるであろう。
【０１４８】
当業者は概して、関心のある任意の標的物質に対して特異である試薬を使用または処方する方法を認識するであろう。当業者はまた、自由に使える医学及び生化学に関する概説本及び専門書及び参考文献コレクションを保有するであろう。
【０１４９】
本発明による好適な試薬は、対応する抗原の接触のための抗体及びモノクローナル抗体を含む抗体抗原及び／または免疫原決定基、またはその逆を含む。特定の抗原に対する抗体応答を分析する場合、または潜在的に致命的であるウイルス等の病原生物または病原微生物に関して人間をスクリーニングする場合、これは極めて興味深いものである可能性がある。
【０１５０】
本発明による診断方法は、例えば、重症複合型免疫不全、ディ・ジョージ症候群、ＭＨＣクラスＩ欠乏症、ＭＨＣクラス１１欠乏症、ヴィスコット−オールドリッチ症候群、分類不能型免疫不全、Ｘ染色体性無ガンマグロブリン血症、Ｘ染色体性高ＩｇＭ症候群、選択的ＩｇＡ及び／またはＩｇＧ欠乏症、食細胞欠損症、補体欠損症、ナチュラルキラー（ＮＫ）細胞欠乏症、Ｘ染色体性リンパ増殖症候群、毛細血管拡張性運動失調症及び様々な自己免疫性リンパ増殖疾患の診断において使用されることが可能である。当業者には、上述の状態の各々を直接的または間接的に診断することができる試薬の選択方法が認識されるであろう。
【０１５１】
また、本発明の別の好適な方法によれば、特定の細胞変化及び／または変質細胞分化を検出することも可能であると思われる。
【０１５２】
一例として、人間がヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）に感染している間のＣＤ４細胞数の変化を挙げることができる。多くの細胞及び亜細胞イベントは、皮質胸腺細胞、ランゲルハンス細胞、樹状細胞、Ｂ細胞及び慢性リンパ性白血病におけるＢ細胞を含むそのサブセット、Ｔ細胞及び活性化Ｔ細胞及びその前駆体、ヘルパーＴ細胞及び炎症性Ｔ細胞、細胞傷害性Ｔ細胞、胸腺細胞、単核細胞、白血球、リンパ球、大食細胞、多能性造血細胞、好酸球、好塩基球、好中球、ナチュラルキラー細胞、血小板、脳及び末梢神経細胞、血管平滑筋細胞、腸上皮細胞、平滑筋細胞、血管、骨髄間質細胞、骨髄性細胞、顆粒球、骨髄単球性細胞、濾胞性樹状細胞を含む様々な細胞によって発現される固有の細胞決定基またはＣＤ抗原を検査することによって監視されることが可能である。
【０１５３】
また、本発明の別の好適な方法によれば、例えば、アクロモバクタ・キシロスオキシダンス、アシネトバクタ・カルコアセチカス、イスラエル放線菌、アエロモナス細菌、アルカリゲネス、アリゾナ・ヒンシャウィ、炭疽菌、セレウス菌、バクテロイデス・フラジリス、バクテロイデス・メラニノゲニカス、百日咳菌、回帰熱ボレリア、ブルセラ菌、カリマトバクテリウム・グラヌロマチス、腸内カンピロバクタ・フィタス亜種、カンピロバクタ・フィタス亜種ジェジュニ、クラミジア、紫色クロモバクテリウム、シトロバクタ、ボツリヌス菌、ウェルシュ菌、クロストリジウム・ディフィシレ、破傷風菌、ジフテリア菌、コリネバクテリア、コクシエラ・バーネッティ、遅発性エドワードシエラ、エイケネラ・コローデンス、腸内細菌、ブタ丹毒菌、大腸菌、フラボバクテリウム・メニンゴセプチカム、野兎病菌、フソバクテリウム・ヌクレアトゥム、膣ガルドネレラ、デュクレー菌、インフルエンザ菌、肺炎桿菌、レジオネラ菌、レプトスピラ・インテロガンス、リステリア菌、モクラセラ、ウシ型結核菌、ハンセン菌、ヒト型結核菌、マイコプラズマ、淋菌、髄膜炎菌、ノカルジア、パスツレラ・ムルトシダ、ペプトコッカス・マグヌス、プレシオモナス・シゲロイデス、プロテウス、プロビデンシア、緑膿菌、シュードモナス・マレイ、偽鼻疽菌、リケッチア、サルモネラ菌、セラチア、シゲラ・ディゼンテリエ、スピリルム・マイナ、黄色ブドウ球菌、表皮ブドウ球菌、腐性ブドウ球菌、モニリホルム連鎖桿菌、連鎖球菌、ストレプトコッカス・アガラクティエ、肺炎連鎖球菌、化膿連鎖球菌、トレポネーマ・カラテウム、梅毒トリポネーマ、トレポネーマ・ペルテニュ、ウレアピアズマ・ウレアリティクム、コレラ菌、腸炎ビブリオ、腸炎エルシニア及びペスト菌等の種属に属する微生物のような望ましくない病原性微生物の存在を検出または診断することも可能である。
【０１５４】
本発明のマイクロシステム及び方法により試料内のその存在を検出することができるウイルスの例は、アデノウイルス、アレナウイルス、アストロウイルス、ブンヤウイルス（ハンターンウイルス）、サイトメガロウイルス、カリシウイルス、エプスタイン−バール・ウイルス、エボラウイルスを含むフィロウイルス、Ａ型肝炎ウイルス、Ｂ型肝炎ウイルス、Ｃ型肝炎ウイルス、ヒト単純ヘルペスウイルス１型及び２型を含むヘルペスウイルス、ミクソウイルス、パピローマウイルス、パポバウイルス、パルボウイルス、ピコルナウイルス、トガウイルス（風疹ウイルス）、パラミクソウイルス及びオルトミクソウイルス、ポリオウイルス、ポックスウイルス、レオウイルス、ラブドウイルス、ヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）、リンパ節症関連ウイルス（ＬＡＶ）及びＨＴＬＶ−Ｉ、ＨＴＬＶ−II及びＨＴＬＶ−IIIを含むその任意の誘導体を含むヒトＴリンパ球向性ウイルス（ＨＴＬＶ）を含むレトロウイルスである。
【０１５５】
従って、本発明によるマイクロシステムと方法を使用することにより、例えば、後天性免疫不全症候群、放線菌症、アデノウイルス感染症、炭疽病、細菌性赤痢、ボツリヌス中毒症、ブルセラ症、カンジダ症、峰巣炎、軟性下疳、コレラ、コクシジオイデス症、感冒、結膜炎、膀胱炎、皮膚糸状菌症、ジフテリア、細菌性心内膜炎、喉頭蓋炎、丹毒、類丹毒、胃腸炎、陰部ヘルペス、鼻疽、淋病、肝炎、ヒストプラスマ症、膿痂疹、感染性単核球症、インフルエンザ、レジオネラ症、ハンセン病、レプトスピラ症、ライム病、類鼻疽症、髄膜炎、おたふく風邪、ノカルジア症、非淋菌性尿道炎、ピンタ、ペスト、肺炎球菌性肺炎、ポリオ、原発性異型肺炎、偽膜性腸炎、産褥熱、狂犬病、回帰熱、レトロウイルス感染症、リウマチ熱、ロッキー山発疹熱、風疹、麻疹、猩紅熱、ブドウ球菌性熱傷様皮膚症候群、連鎖球菌咽頭炎、梅毒、破傷風、毒素性ショック症候群、トキソプラズマ症、結核、野兎病、腸チフス、発疹チフス、膣炎、水痘、疣、百日咳、イチゴ腫及び黄熱病等の感染症の原因である任意の細胞、ウイルスまたは寄生虫を検出することが可能である。
【０１５６】
当業者はまた、その抗体応答が予防接種に準じる個人から採取した試料を検査することにより、ワクチンの効力を試験する方法を認識するであろう。このようにしてその効力を容易に検査できるものは、ジフテリア・トキソイド、破傷風トキソイド、百日咳ワクチン、ポリオウイルス・ワクチン、麻疹ワクチン、おたふく風邪ワクチン、風疹ワクチン、インフルエンザ・ワクチン、カルメット・ゲラン桿菌またはＢＣＧ、狂犬病ワクチン、腸チフス・ワクチン、コレラ・ワクチン及び黄熱病ワクチンである。
【０１５７】
＜実施例＞
光駆動式マイクロポンプの請求の範囲に記載した機能性を検証するために、下記のような本発明の実施形態を構築した。
【０１５８】
限流回路を有するＳｏｎｙ製５００ｍＷ ８０８ｎｍレーザダイオード（ＳＬＤ３２２Ｖ）を配置し、正確なタイミングを可能にするように限流回路をコンピュータ制御システムに接続した。焦点距離ｆ＝８ｍｍ及び出射孔＝５ｍｍの標準コリメーティング・レンズを使用してレーザダイオードをコリメートし、平行ビームを（レーザダイオードの非対称的特性に起因して円形ではないが）直径５ｍｍに制限した。レーザ・グレードのメタルコート誘電ミラー（８０８ｎｍ−Ｆｅｒｒｏｐｅｒｍ Ｏｐｔｉｃｓ製、デンマーク）の上記平行ビームを４５度の角度で照らした。ミラーは、ギヤリングが１：２０である１．８度のステッパ・モータで構築されたガルバノメータの一部であり、よってこれは、０．０９度の解像度で何れの方向にも傾斜させることが可能であった。次に、ｆ＝２０ｍｍ及び直径ｄ＝１６ｍｍのレンズを使用して、コリメートされ、かつ、偏向されたレーザ・ビームをマイクロ流体チップ上へ集束した。
【０１５９】
焦点レンズをチップから２０ｍｍに位置づけて、傾斜ミラーをポリマ・チップから５０ｍｍの距離に置いた。上述のセットアップを介して、静止焦点でありかつ有効なレーザ・ビームにより１２ｍｍの長さに十分に対応することができた。
【０１６０】
レーザとステッパモータとの時間的連動はコンピュータ制御システムで駆動し、ステッパモータは、レーザが所定の時刻に所定の時間に渡って発射されかつ流体チャネルに沿って照射されることを可能にした。
【０１６１】
マイクロ流体システムは、スイスのＷｅｉｄｍａｎｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ社が供給する射出成形されたポリカーボネート・チップで製造した。チャネル構造体は幅２０−２００μｍ、深さ５０μｍ、長さ８ｍｍ及び１４ｍｍの陥凹チャネルで構成し、１０００μｍの円形リザーバで接続した。マイクロ流体回路は、本チャネル構造体へ（接着剤で）蓋を取り付けて製造した。蓋は、摂氏８１５度に耐える能力のある耐熱層（米国、ＰｌａｓｔｉＫｏｔｅ社製特殊スプレー「Ｈｏｔ Ｓｐｒａｙ」）を付着した厚さ２ｍｍのガラスで製造した。この層は１側面のみに装着してこれをポリマ・チャネル構造体に面する側面とし、こうして４番目のチャネル壁を形成した。ポリマ・チップを介する液体アクセスは、ポリマにドリルで開けた１０００μｍのリザーバへ通じる４００μｍの穴によって反対側から行った。
【０１６２】
チップに注射器でメタノールを入れた後、レーザ・ビームが下からガラス製の蓋を通って投射され、流体チャネルの選択された場所に直接に接するロケーションに装着された加熱層で吸収されるように、前述のレーザ・システムに連結して配置した。マイクロ流体チャネルを、内蔵ＩＲフィルタ付きデジタルカメラを伴って取り付けられた顕微鏡で観察した。
【０１６３】
試験はメタノールを使用して行い、使用可能な全光学出力である５００ｍＷは最低パルス幅１ミリ秒でも過剰であると思われることから、レーザの光学出力を約３００ｍＷに調節した。ガルバノメータは、１秒間のタイムフレームで２ｍｍの距離を進むように設定した。レーザは、３８ミリ秒毎に２ミリ秒のパルスを発射するように設定した。これは、デューティ・サイクルの５％であり、かつ事実上、幅１００μｍ、長さ２ｍｍのチャネル長さに沿って毎１００μｍに相当する。本明細書の記載に従った試験を実行したところ、明瞭かつ整合的な流れが検出され、カメラで補足された。レーザを発射する間、少量の封入された、または溶解した空気が放たれ、永続的な泡を生成した。これらの泡は明らかに周囲の液体と共にチャネルを不変流量で進み、よって連続した流れがレーザ・ビームの方向に従って進み、駆動システムがその開始点に戻ったり一時的に停止すると突然に止まることを実証した。さらなる試験は、本発明の明細書に記載したように、サイクルを逆転すれば逆方向のポンピングがうまく作動することを示した。
【０１６４】
捕捉された動画から、ポンピング速度は１５００μｍ／秒と計算され、よって相当する容積流量は７．５ｎＬ／秒と計算された。
【０１６５】
図１５は、記録された動画からのフレームのコレクションである。各々１００ミリ秒を隔てた５つのフレームは、閉じこめられた気泡が４００ミリ秒間に６００μｍ進んだことを示している。
【０１６６】
図１６は、動画カメラの記録から観測された動作をグラフで再現したものである。各々が１００ミリ秒を隔てた５つのフレームは、閉じこめられた気泡が４００ミリ秒間に６００μｍ進んだことを示している。
【０１６７】
図１７は、単位時間当たりの進行距離を表すプロットである。プロットされた点を結ぶと直線を描けるという事実は、流量が一定であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。
【図２】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理の動力学を示す。
【図３】幾つかの個々の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。
【図４】一方のチャネル壁に吸光物質を有するマイクロチャネルの断面を示す。
【図５】蒸気泡を形成するためのキャビティを有するマイクロチャネルの断面を示す。
【図６ａ】蒸気泡が緩衝液内に形成されるマイクロチャネルの断面を示す。
【図６ｂ】蒸気泡が緩衝液内に形成されるマイクロチャネルの断面を示す。
【図７】緩衝液ゾーンが如何にしてリザーバからマイクロチャネルへ注入され得るかを示す。
【図８】マイクロチャネル内の緩衝液ゾーンにおける蒸気泡の形成を示す。
【図９】マーカ液をマイクロチャネルの液体へ注入するメカニズムを示す。
【図１０ａ】混合室における２つの液体を混合するためのチャネルシステムを示す。
【図１０ｂ】混合室における２つの液体を混合するためのチャネルシステムを示す。
【図１１ａ】蒸気泡によって形成される液体バルブの一実施形態において、２つの蒸気泡は順次形成されることを示す。
【図１１ｂ】蒸気泡によって形成される液体バルブの一実施形態において、蒸気泡は連続して保持されていることを示す。
【図１２ａ】ビーム拡大レンズの使用によるサーマルリアクタ供給モードを示す。
【図１２ｂ】リアクタ・エリアに渡る連続走査の使用によるサーマルリアクタ供給モードを示す。
【図１３】ミキサ及びサーマルリアクタを含む本発明によるシステムを示す。
【図１４ａ】各々がキャピラリ電気泳動チャネルに結合されるｎ個の個々の分析システムを備える本発明によるシステムを示す。
【図１４ｂ】各々がキャピラリ電気泳動チャネルに結合されかつ全てが共通のチャネルに繋がっているｎ個の個々の分析システムを備える本発明によるシステムを示す。
【図１５】動作中のレーザ駆動ポンプの動画記録からのフレーム・コレクションである。
【図１６】図１５で観測された動作を略示したものである。
【図１７】マイクロチャネルの液体における単位時間当たりの泡の進行距離を表すプロットである。
【符号の説明】
【０１６９】
１  光源、    ２  光ビーム、    ３  吸光物質、    ４  マイクロチャネル、    ５，７，８  蒸気泡、    ６  ミラー、    ９，１０  基板
【図１】
2005538287.tif 000004
【図２】
2005538287.tif 000005
【図３】
2005538287.tif 000006
【図４】
2005538287.tif 000007
【図５】
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2005538287.tif 000009
【図７】
2005538287.tif 000010
【図８】
2005538287.tif 000011
【図９】
2005538287.tif 000012
【図１０】
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2005538287.tif 000014
2005538287.tif 000015
【図１３】
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2005538287.tif 000017
2005538287.tif 000018
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2005538287.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成17年4月18日(2005.4.18)
【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】
液体を保持する少なくとも１つのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させるためのマイクロポンプシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームと上記基板との間に相対移動を引き起こすための移動手段とを備え、
上記移動手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して、上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクションの各々における液体に作用する少なくとも１つの蒸気泡が形成されることを特徴とするマイクロポンプシステム。
【請求項２】
上記光ビームは、上記第１の位置から上記第２の位置へ移動する際に、上記マイクロチャネルを連続照射し、上記第１のセクションから上記第２のセクションへ進む少なくとも１つの蒸気泡を生成する請求項１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項３】
上記第１の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成され、上記第２の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成される請求項１記載のマイクロポンプシステム。
【請求項４】
上記少なくとも第２の蒸気泡は、上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成される請求項３記載のマイクロポンプシステム。
【請求項５】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つの表面部分は光エネルギーを吸収するための吸光物質を備える先行する請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項６】
上記光ビームのパラメータを制御するための光ビーム制御手段をさらに備える先行する請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項７】
上記光ビーム制御手段は、上記マイクロチャネル内に液体の加熱を供給するように上記光ビームのパラメータを制御すべく適合された請求項６記載のマイクロポンプシステム。
【請求項８】
上記光ビームは、上記液体の少なくとも一部を該液体の沸点を下廻る温度まで加熱するに足るエネルギー密度を有する請求項７記載のマイクロポンプシステム。
【請求項９】
上記相当量の液体を加熱するためのエネルギー密度は、泡の形成を誘発するためのエネルギー密度より低い請求項７または８の何れかに記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１０】
液温を検出するためのサーモパイル素子をさらに備えた請求項６〜９のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１１】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は、上記基板を移動させる手段を備える先行する請求項１〜１０のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１２】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は、上記光源を移動させる手段を備える請求項１〜１１のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１３】
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段は、上記光ビームを移動させる手段を備える請求項１〜１２のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１４】
上記光ビームを選択されたロケーションに集束するためのフォーカス手段をさらに備える先行する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１５】
上記光源のエネルギー密度及び／または照射時間は、マイクロチャネルの大きさに対応する大きさを有する蒸気泡を形成するように選択される請求項１４記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１６】
揺動する２つの蒸気泡は上記マイクロチャネルの隣接する２つのセクションにおいて形成され、上記揺動は上記チャネル内に少なくとも１つの蒸気泡制限を持続させるように制御される請求項１５記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１７】
上記光源はレーザである先行する請求項１〜１６のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１８】
上記マイクロチャネルは混合される少なくとも第１の液体と第２の液体とを含み、少なくとも第１の蒸気泡は少なくとも１つの第１のセクションの第１の表面部分の照射に応答して上記少なくとも第１の液体内に形成され、上記蒸気泡は上記第２の液体内へと拡張するように適合され、これにより上記第１及び第２の液体間の境界面の面積が増大される先行する請求項１〜１７のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項１９】
マイクロチャネル内の液体をポンピングするためのマイクロポンプシステムであって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板と、
光ビームを放射するように適合された光源と、
上記光ビームを上記基板に関して移動させるための手段とを備え、
上記移動させるための手段は、上記光ビームが上記第１の表面部分を照射する少なくとも１つの第１の位置と上記光ビームが上記第２の表面部分を照射する第２の位置との間を移動するように適合され、これにより、上記マイクロチャネルの各々の表面部分の照射に応答して、それぞれ上記マイクロチャネルの上記第１のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成されるとともに、上記第２のセクションにおける液体に作用する少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成され、上記少なくとも第２の蒸気泡は上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成されてポンピング作用が供給され、液体は上記第１のセクションから上記第２のセクションの方向へ移動されることを特徴とするマイクロポンプシステム。
【請求項２０】
上記マイクロポンプシステムは、マイクロミキシングシステム、マイクロバルブシステム、及びサーマルリアクタシステムより成るグループから選択されるシステムを更に備えた請求項１〜１９のいずれか一項に記載のマイクロポンプシステム。
【請求項２１】
少なくとも１つのマイクロチャネル内に液体の流れを発生させる方法であって、
少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する少なくとも１つの基板を供給する工程と、
少なくとも１つの光源から少なくとも１つの光ビームを放射する工程と、
上記少なくとも第１の光ビームが第１の位置において第１の表面部分を照射するとともに、第２の位置において第２の表面部分を照射するように、上記少なくとも１つの光ビームと上記少なくとも１つの基板との間に相対移動を誘起させる工程と、
上記第１の表面部分の照射に応答して少なくとも第１のセクションに少なくとも第１の蒸気泡を形成する工程と、
上記第２の表面部分の照射に応答して少なくとも第２のセクションに少なくとも第２の蒸気泡を形成する工程と、を含み、
上記少なくとも第１及び第２の蒸気泡は、それぞれ上記マイクロチャネルの上記第１及び第２のセクション内の液体に作用して上記マイクロチャネル内に流れを発生させることを特徴とする方法。
【請求項２２】
上記第１の位置から上記第２の位置への移動に際して上記マイクロチャネルを連続照射し、上記第１のセクションから上記第２のセクションへ進む少なくとも１つの蒸気泡を生成する工程を含む請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
上記第１の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第１の蒸気泡が形成され、上記第２の表面部分を照射する光ビームに応答して少なくとも１つの第２の蒸気泡が形成される請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
上記少なくとも第２の蒸気泡は、上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成される請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
上記液流は双方向的に作動する請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
上記マイクロチャネルの少なくとも１つの表面部分は、光エネルギーを吸収するための吸光物質を備える請求項２１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
上記光エネルギーは照射セクションにおいて液体に直接吸収される請求項２５〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
上記蒸気泡は、光ビーム照射に応答して液体の少なくとも一部を膜沸騰することにより形成される請求項２１記載の方法。
【請求項２９】
フォーカス手段を調節することにより、上記光ビームを選択されたロケーションに集束する工程をさらに含む請求項２１〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
上記光源はレーザである先行する請求項２１〜２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
マイクロチャネル内の液体をポンピングする方法であって、
第１の表面部分を有する少なくとも１つの第１のセクションと、第２の表面部分を有する少なくとも１つの第２のセクションとを有する少なくとも１つのマイクロチャネルを保持する基板を供給する工程と、
光源から光ビームを放射する工程と、
上記光ビームが第１の位置において上記第１の表面部分を照射するとともに、第２の位置において上記第２の表面部分を照射するように、上記光ビームと上記基板との間に相対移動を誘起させる工程と、
上記第１の表面部分の照射に応答して、上記少なくとも第１のセクションに少なくとも１つの第１の蒸気泡を形成する工程と、
上記第２の表面部分の照射に応答して、上記少なくとも第２のセクションに少なくとも１つの第２の蒸気泡を形成する工程と、を含み、
上記少なくとも第２の蒸気泡は、上記少なくとも第１の蒸気泡が崩壊する前に形成されてポンピング動作を供給することを特徴とする方法。
【請求項３２】
上記相対移動は上記基板、上記光源及び／または上記光ビームを移動させることによって達成される請求項３１記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６８】
【図１】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。
【図２ａ】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理の動力学を示す。
【図２ｂ】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理の動力学を示す。
【図２ｃ】単一の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理の動力学を示す。
【図３】幾つかの個々の蒸気泡の形成を基礎とするポンピングの一般原理を示す。
【図４】一方のチャネル壁に吸光物質を有するマイクロチャネルの断面を示す。
【図５】蒸気泡を形成するためのキャビティを有するマイクロチャネルの断面を示す。
【図６ａ】蒸気泡が緩衝液内に形成されるマイクロチャネルの断面を示す。
【図６ｂ】蒸気泡が緩衝液内に形成されるマイクロチャネルの断面を示す。
【図７】緩衝液ゾーンが如何にしてリザーバからマイクロチャネルへ注入され得るかを示す。
【図８】マイクロチャネル内の緩衝液ゾーンにおける蒸気泡の形成を示す。
【図９】マーカ液をマイクロチャネルの液体へ注入するメカニズムを示す。
【図１０ａ】混合室における２つの液体を混合するためのチャネルシステムを示す。
【図１０ｂ】混合室における２つの液体を混合するためのチャネルシステムを示す。
【図１１ａ】蒸気泡によって形成される液体バルブの一実施形態において、２つの蒸気泡は順次形成されることを示す。
【図１１ｂ】蒸気泡によって形成される液体バルブの一実施形態において、蒸気泡は連続して保持されていることを示す。
【図１２ａ】ビーム拡大レンズの使用によるサーマルリアクタ供給モードを示す。
【図１２ｂ】リアクタ・エリアに渡る連続走査の使用によるサーマルリアクタ供給モードを示す。
【図１３】ミキサ及びサーマルリアクタを含む本発明によるシステムを示す。
【図１４ａ】各々がキャピラリ電気泳動チャネルに結合されるｎ個の個々の分析システムを備える本発明によるシステムを示す。
【図１４ｂ】各々がキャピラリ電気泳動チャネルに結合されかつ全てが共通のチャネルに繋がっているｎ個の個々の分析システムを備える本発明によるシステムを示す。
【図１５】動作中のレーザ駆動ポンプの動画記録からのフレーム・コレクションである。
【図１６】図１５で観測された動作を略示したものである。
【図１７】マイクロチャネルの液体における単位時間当たりの泡の進行距離を表すプロットである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005538287.tif 000022
【図２ａ】
2005538287.tif 000023
【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
2005538287.tif 000039
【図１３】
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【図１４ａ】
2005538287.tif 000041
【図１４ｂ】
2005538287.tif 000042
【図１５】
2005538287.tif 000043
【図１６】
2005538287.tif 000044
【図１７】
2005538287.tif 000045
【国際調査報告】
2005538287.tif 000046
2005538287.tif 000047