(57)【要約】  積層プラスチックミクロ流体構造物において使用するための空気バルブ。このゼロまたはそれより低いデッドボリュームのバルブは、混合、希釈、粒子懸濁液および分析デバイスにおける流れ制御にとって必要な他の技術における使用のためのミクロ流体チャネルを介する流れを可能にする。従って、本発明の目的は、ミクロ流体系において使用するのに適した効率的なバルブを提供することである。本発明のさらなる目的は、多層積層体で構築されるカートリッジに組み込まれ得るミクロ流体バルブを提供することである。本発明のさらなる目的は、多層積層体で構築されるカートリッジに組み込まれ得るミクロ流体バルブのアレイを提供することである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミクロ流体デバイスにおける流れを制御するためのデバイスであって、以下：
内部に形成された少なくとも１つのミクロ流体構造を有する第一基板；
該ミクロ流体構造の少なくとも一部分の上面上に配置される、第一可撓性シート；および
該シートの一部が、該ミクロ流体構造に対して、該ミクロ流体構造における流体の抵抗を変更するように少なくとも１つの寸法で該ミクロ流体構造の断面を変更する関係で移動するように、該第１の可撓性シート上に圧力差を生じるための手段、
を備える、デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスであって、該デバイスは、前記ミクロ流体構造における該流体の抵抗が変更されるように、該ミクロ流体構造の断面積が少なくとも１つの寸法で変更されるように、前記第一可撓性シートの一部分が該ミクロ流体構造との関係で移動するように、空気または流体の流れを介して該第一可撓性シートの特定位置上に圧力を伝達するために、該第一可撓性シートの反対側に第二のミクロ流体構造をさらに備える、デバイス。
【請求項３】
ミクロ流体デバイスにおける流れを制御するためのデバイスであって、以下：
内部に形成された少なくとも１つのミクロ流体構造を有する第一基板；
該ミクロ流体構造の少なくとも一部分の上面上に配置される、第一可撓性シート；および
該ミクロ流体構造を通る流体の流れが方向付けられ得るかまたは変更され得るように、該ミクロ流体構造における該流体の抵抗が１つ以上の位置で変更されるように、該ミクロ流体構造の断面積が１つ以上の位置において少なくとも１つの寸法で変更されるように、該シートの１つ以上の部分が該ミクロ流体構造との関係で移動するように、該第一可撓性シート上の複数の、個々にアドレス可能な位置に対して圧力を生じるための手段、
を備える、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本特許出願は、２００１年４月３日に出願された米国仮特許出願番号６０／２８１，１１４からの利益を主張する。この仮出願は、本明細書中で参考として援用される。
【０００２】
（発明の背景）
（１．発明の分野）
本発明は、概して、分析試験を実施するためのミクロ規模デバイス（特に、積層ミクロ流体構造において使用するためのバルブ界面）に関する。
【背景技術】
【０００３】
（２．先行技術の説明）
ミクロ流体デバイスは、近年、分析試験を実施するのに一般的になっている。電子機器を小型化するために半導体産業により開発されたツールを用いることで、安価に大量生産され得る複雑な流体系を構築することが可能となった。医療分野の情報を得るために、種々の分析技術を実施するための系が開発されている。
【０００４】
ミクロ流体デバイスは、多層積層体構造で構築され得る。この積層体構造において、各層は、流体が流れる際にミクロ規模の空隙またはチャネルを形成するように、積層体材料から作られた、チャネルおよび構造を有する。ミクロ規模チャネルは、一般的に、５００μｍ未満（代表的に、約０．１μｍと約５００μｍとの間）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規定される。これらのチャネルを通る流体の制御および揚水は、この積層体へと向けられた外部加圧流体か、またはこの積層体内に位置する構造のいずれかによりもたらされる。
【０００５】
米国特許第５，７１６，８５２号は、拡散原理を使用して、フローセル中の小粒子の存在および濃度を分析するための方法を教示する。この特許（この開示は、本明細書中で参考として援用される）は、層状フローチャネルを用いて、サンプル流中の分析物粒子の存在を検出するためのチャネルセル系を開示している。この層状フローチャネルは、指示流およびサンプル流を提供する少なくとも２つの入口手段およびこのチャネルからの出口を有し、単一の混合流を形成する。この層状フローチャネルは、検出領域を形成するために、この流れが層状流れになるのを可能にするのに十分小さい深さと指示流中への分析物粒子の拡散を可能にするのに十分な長さを有する。Ｔ−Ｓｅｎｓｏｒとして知られているこのデバイスは、指示流の変化を検出するための外部検出手段を備え得る。この検出手段は、当該分野で公知の任意の手段（光学的手段（例えば、光学分光法、または蛍光の吸収分光法）を含む）により提供され得る。
【０００６】
米国特許第５，９３２，１００号（この特許もまた、本明細書中で参考として援用される）は、拡散原理を用いて、ミクロ流体チャネル内の粒子を分析するための別の方法を教示する。サンプル流に懸濁された粒子の混合物が、「Ｈ」形状のミクロチャネルを含む構造の一方の上部アームから抽出チャネルに侵入する。抽出流（希釈流が、抽出チャネルの同一側の下部アームから侵入する。このミクロ流体抽出チャネルの大きさに起因して、この流れは層状であり、混合しない。サンプル流は、抽出チャネルの末端の上部アームに副産物流として存在し、抽出流は、下部アームに生産物流として存在する。抽出チャネルにおいて、この流れが平行層状流れである間、より大きな拡散係数を有する粒子（アルブミン、糖、および小イオンのようなより小さい粒子）は、抽出流に拡散する時間を有し、より大きな粒子（血液細胞）はサンプル流中に留まる。存在する抽出流（ここでは、生産物流と呼ぶ）における粒子は、より大きな粒子から干渉されることなく分析され得る。一般的に「Ｈ−Ｆｉｌｔｅｒ」として知られているこのミクロ流体構造は、所望の粒子を、それらの粒子を含むサンプル流から抽出するために使用され得る。
【０００７】
いくつかの型のバルブが、流体系における流体管理のために一般的に使用さる。フラップバルブ、ボールインソケットバルブ（ｂａｌｌ−ｉｎ−ｓｏｃｋｅｔ  ｖａｌｖｅ）、およびテーパー状楔型バルブ（ｔａｐｅｒｅｄ  ｗｅｄｇｅ  ｖａｌｖｅ）は、流体制御の巨視的規模の領域において存在するバルブ型のうちのいくつかである。しかし、フローチャネルが、しばしば、人間の毛髪の大きさ（直径約１００ミクロン）であるミクロ規模分野において、ミクロ規模系（特に、種々の濃度の微粒子を懸濁物中に有する流体を取り込むミクロ流体デバイス）に特有のバルブに関する特別な必要性および用途が存在する。特別な苦労は、デバイス内のミクロ規模のチャネルを使用する場合の混合、希釈、流体回路の分離、および沈殿防止技術に関する。ミクロ規模デバイス内に簡素な小型ミクロ流体バルブを組み込むことにより、デバイス内での高密度の流体構造を維持し、そして多くの場合、能動バルブの始動の必要性を排除しつつ、これらの潜在的な問題に取り組む。
【０００８】
ミクロ規模デバイスにおいて流体を制御する上で使用するための多くの異なる型のバルブが開発されている。１９９０年１月２３日に発行された米国特許第４，８９５，５００号は、ミクロ流体構造のチャネル内で流体を制御するために移動され得るように、空洞にわたって延びそしてシリコンウエハと一体的に形成された片持ち梁で構成されるシリコン製ミクロ機械用非逆流バルブを記載する。
【０００９】
１９９５年８月２２日にＰｈａｒｍａｃｉａ  Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ＡＢに対して発行された米国特許第５，４４３，８９０号は、第１および第２の平坦表面部材を有し、互いに対して押し付けられた場合にそれらの間でミクロ流体チャネル系の少なくとも一部を規定するミクロ流体チャネルアセンブリにおける封鎖デバイスを記載する。
【００１０】
１９９７年１月１４日にＰｈａｒｍａｃｉａ  Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ＡＢに対して発行された米国特許第５，５９３，１３０号は、ミクロ流体構造において使用するためのバルブを記載する。このバルブにおいて、可撓性バルブ部材およびバルブ座の物質的な消耗は、２段階シート構造およびこの部材およびシートの両方が弾性材料から構築されるという事実により、最小限に抑えられる。
【００１１】
１９９９年８月３日にＹＳＩ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄに対して発行された米国特許第５，９３２，７９９号は、接着剤を使用せずに直接ひとつに結合された、積層を形成する複数のチャネルを有するミクロ流体分析モジュールを教示する。バルブは、このチャネル上に直接的に非接着結合された層を含み、このチャネルは、このネットワークの供給チャネルと感知チャネルとの間の連絡を開放および閉鎖するために、このバルブ層と一体となった層および可撓性バルブ部材を含む。
【００１２】
１９９９年１０月５日にＰｈａｒｍａｃｉａ  Ｂｉｏｔｅｃｈ  ＡＢに対して発行された米国特許第５，９６２，０８１号は、半導体製造技術を用いたポリマー回転沈着法と組み合わせることにより、バルブのようなポリマー膜含有ミクロ構造を製造する方法を記載する。
【００１３】
１９９９年１０月２６日にＸｅｒｏｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに対して発行された米国特許第５，９７７，３５５号は、複数の積層内に埋め込まれた積層体を形成する誘電材料から構成される、ミクロ電子−機械システム（ＭＥＭＳ）技術に基づくミクロデバイスのためのバルブアレイ系を記載する。
【００１４】
２０００年５月３０日に発行された米国特許第６，０６８，７５１号は、電力加速器を有するバルブにより移動される可鍛性材料の層により１つの表面に沿って包まれる細長キャピラリーを用いたミクロ流体送達系を記載する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（発明の要旨）
従って、本発明の目的は、ミクロ流体系において使用するのに適した効率的なバルブを提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、多層積層体で構築されるカートリッジに組み込まれ得るミクロ流体バルブを提供することである。
【００１７】
本発明のさらなる目的は、多層積層体で構築されるカートリッジに組み込まれ得るミクロ流体バルブのアレイを提供することである。
【００１８】
本発明のこれらおよび他の目的は、以下の説明および図面においてより容易に明らかとされる。
【００１９】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明に従う基本的なゼロデッドボリューム（ｄｅａｄ  ｖｏｌｕｍｅ）バルブを図１に示す。図１をここで参照すると、概して１０で示される、バルブは、一般的に、投入チャネル１４（フローチャネル１６に接続される）に結合され、かつ排出チャネル１８（フローチャネル２０に接続される）にも結合される、平坦な表面１３を覆う膜層１２からなる。層１２の上には、短い空気チャネル２６により空気（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ）供給源２４に結合される空気チャンバ２２がある。操作において、ゼロデッドボリュームバルブ１０は以下のように作動する：液体３０は、チャネル１６に入り、チャネル１４に移動し、そしてここで、膜層１２に接続する。空気チャンバ２２内部の大気状態下において、膜は、表面またはシート１３に対して平らに内側を覆い、チャネル１４に液体３０を留める。しかし、チャネル１４内の流体圧力が膜１３に含まれる弾性力を越える場合、図１の矢印よって示されるように、膜１３はチャンバ２２内に突き出し、液体３０が膜１３の下を通過し、そしてチャネル１８を通ってチャネル２０へ流出することを可能にする。図１に示されるバルブ１０は、十分な流体圧力がこの密閉位置から離れて膜を動かし、チャンバ２２内部の大気圧のみによって開放く、通常閉鎖したバルブなので、ゼロボリュームバルブとして操作され得る。
【００２０】
ミクロ流体回路内で操作される場合、チャネル２４内部の空気圧は、バルブ１０を開閉するために使用される。バルブ１０をその閉鎖位置に維持することが所望される場合、正の空気圧がチャネル２６に供給源２４を介して加えられ、これが空気チャンバ２２を満たす場合、この正の空気圧がシート１３に対して膜１２を押しつける。供給源２４内部に＋１０ｐｓｉ空気圧を加えることはバルブ１０を適切に閉鎖し続けることが見出された。バルブ１０を開放することが所望される場合、−５５ｍｍＨｇの負の圧力はチャンバ２２内部に真空を生じて、液体３０をチャネル１４から表面１３を横切ってチャネル１８の外に移動させるように、膜１２をシート１３から完全に離す。供給源２４からの圧力はまた、バルブ１０を通る流れを変化させるように変動され得る。
【００２１】
図２〜４は、バルブ４０が通常は開いているバルブとして構築される代替的な実施形態を示す。ここで、図２を参照すると、ラテックスゴムダイアフラム膜５０は、積層したミクロ流体構造である間隔を空けて配置された２つの層５４の間に保持される。バルブ４０は、一連の層を成すシート６０（これらは、好ましくはＭＹＬＡＲ（登録商標）または類似のプラスチックのシートである）から構成される。チャネルは、シート６０の間に間隔を空けて配置される層５４内部の切り抜かれた（ｃｕｔｏｕｔ）空間によってバルブ４０内部に構築される。図２は、弛緩状態であり、液体がフロー入口６２に入り、そしてチャネル６４を通過して、膜５０の下のより低いチャンバ６６に入ることを可能にする。この液体は、バルブ４０から出てチャンバ６６からチャネル６８を通って、そしてフロー出口７０を通って流出し得る。バルブ４０を通る流れは、空気圧（バルブ空気供給がチャネル７２により、チャネル７４を通って上部のチャンバ７６まで供給される）によって制御される。
【００２２】
バルブ４０の操作は図３に明確に示される。ここで、図３を参照すると、十分な空気圧力は、チャネル７２を介してチャネル７４を通り、そして上部のチャンバ７６に供給される。この圧力は、膜５０を下方のチャンバ６６内に下に向って押し曲げ、チャネル６４およびチャネル６８をブロックし、入口６２と出口７０との間の流体の流れを防ぐ。
【００２３】
図５および図６は、本発明のバルブの別の実施形態を示す。ここで、図５を参照すると、これは、バルブの通常の「オン」状態を示し、バルブ８０は、一連の間隔を空けて配置された層８４によって分離される一対の薄板状ＭＹＬＡＲ（登録商標）シート８２から構築される。チャネルは流れ構造を形成する切り抜き断面によって間隔を空けて配置された層８４内に形成される。プラスチックの膜８６は、弛緩状態において間隔を空けて配置された２つの層８４間に保持される。流体投入チャネル９０は、チャネル９２および上方チャンバ９４に接続される。流体流出チャンバ９６もまた、上方チャンバ９４に結合される。空気供給チャネル９８は、下方チャンバ１００に接続される。この通常の作動していない状態において、バルブ８０は「オン」であり、液体を入口９０から出口９６へ流す。バルブ８０を「オフ」にすることが所望される場合、十分な空気圧が供給チャネル９８に供給され、下方チャンバ１００を加圧された空気で満たし、そして膜８６を上方チャンバ９４に向って上向きに押し付け、スケーリングチャネル９２密閉し、図６において示され得るように、入口９０から出口９６への流れ通路を遮断するように、バルブ８０を閉じる。
【００２４】
図７は、複数のバルブ８０が構築され得るアレイ１１０を示す。アレイ１１０は、複数の投入流体ポート１１４に沿って複数の投入空気ポート１１２を備える。バルブ８０の各々は、ミクロ流体デバイスを通る流体の流れを制御するために選択的に操作され得る。ミクロ流体バルブのこのようなアレイは、多層積層体から構成されるカートリッジに一体化され得、そして複数の並行した流体プロセス、またはミクロ流体回路の複数の位置における単一プロセスを制御するために使用され得る。このようなシステムは薬物発見プロセス、または複数のサンプルの分析における用途を有し得る。
【００２５】
本発明は、その好ましい実施形態に関して示され、そして記載されているが、本発明は、いずれの特定の実施形態にも限定されず、変更および改変は、添付の特許請求の範囲に規定されるとおりの、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなくなされうることが理解される。      
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明に従うミクロ流体バルブの斜視図である。
【図２】図２は、本発明に従う代替のバルブの断片的な断面図である。
【図３】図３は、その作動位置で示される図２のバルブの断片的な断面図である。
【図４】図４は、図２のバルブの、部分的に想像の、断片的な頂面図である。
【図５】図５は、本発明に従う別の代替のバルブの断片的な断面図である。
【図６】図６は、その作動位置で示される図５のバルブの断片的な断面図である。
【図７】図７は、本発明に従うバルブを使用するアレイの斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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