(57)【要約】  前記微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部と、前記流入部に隣接するように配置されて、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記流入部でさらに界面の曲率が低下して、流動速度が減少するように前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、前記流動遅延部に隣接するように配置されて、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より断面積の小さい第３断面を有する所定区間の長さを有する流動回復部と、を備えることを特徴とする微細流体素子を提供する。これによって、毛細管力による自然的な流動で、流路の形状設計を通じて追加的な操作及びエネルギーを必要とせずに、極少量の流体の流れを定量的に調節でき、かつ製作が容易であり、使用が単純となる。
2007523355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細流体が流動する微細流路を有する微細流体素子において、
前記微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部と、
前記流入部に隣接するように配置されて、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記流入部でさらに界面の曲率が低下して、流動速度が減少するように前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、
前記流動遅延部に隣接するように配置されて、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より断面積の小さい第３断面を有する所定区間の長さを有する流動回復部と、を備えることを特徴とする微細流体素子。
【請求項２】
前記流動遅延部の前記所定区間の長さは、前記流動遅延部の幅より短いことを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項３】
前記流入部の第１断面、前記流動遅延部の第２断面、そして前記流動回復部の第３断面は、各区間の長さで各断面積がそれぞれ一定に維持されることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項４】
前記流入部の前記長手方向の壁部と前記流動遅延部の長手方向の横方向の壁部とがなす角度は、４５°ないし９０°であることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項５】
前記第２断面は、前記第１断面と、高さは同じであるが、幅が広いことを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項６】
前記第２断面の幅は、前記第１断面の幅より３倍広いことを特徴とする請求項５に記載の微細流体素子。
【請求項７】
前記第２断面は、前記第１断面と、幅は同じであるが、高さが高いことを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項８】
前記第２断面の高さは、前記第１断面の高さより２倍高く、前記第２断面及び前記第１断面の上面は、同一平面にあることを特徴とする請求項７に記載の微細流体素子。
【請求項９】
前記第１断面と前記第３断面とは、同じであることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項１１】
前記流動回復部から排出される微細流体が流動する第４断面を有する流入部と、
前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記第４断面から前記第４断面より大きい面積を有する第５断面まで所定の長さを持って次第に拡張される断面拡張部と、
前記第５断面と実質的に同じ断面を有する流動加速部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
【請求項１２】
前記流動加速部は、内部に前記微細流体が流動する長手方向の横側に所定間隔を空いて前記長手方向に沿って整列されて、内部に複数の流路を形成する少なくとも一つの加速壁を有することを特徴とする請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１３】
前記断面拡張部から前記流動加速部へ流入される前記微細液体が前記複数の流路に分離されて流動するように、前記加速壁の前記断面拡張部側の端部がとがっていることを特徴とする請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１４】
前記加速壁は、前記流動加速部の長手方向に長く形成された薄板であることを特徴とする請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１５】
前記流動加速部の流路の表面は、親水性処理が行われたことを特徴とする請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１６】
前記流入部は、前記微細流体が内部に存在する固定抗体と反応する検出部と連結された流路であることを特徴とする請求項１１に記載の微細流体素子。
【請求項１７】
請求項１１に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項１８】
微細流体が流動する微細流路を有する微細流体素子を備えた診断及び分析装置において、
前記微細流体が流動する主流路と、
前記主流路と連結されて、前記主流路から流入される微細流体を複数の前記微細流体素子に分岐する複数の分岐調節路と、を備え、
前記各分岐調節路は、
前記主流路に連結され、前記主流路の断面積より小さい断面積の第１断面を有する副流路と、
前記副流路に連結されて、前記副流路から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記副流路でさらに界面の曲率が低下して、流動速度が低下するように前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、
前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より小さい第３断面を有する流動回復部と、を備えることを特徴とする微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項１９】
前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記副流路の断面積が、前記微細流体の流動方向の下流にある前記副流路の断面積より大きいことを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２０】
前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記分岐調節路の数が、前記微細流体の流動方向の下流にある前記分岐調節路の数より多いことを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２１】
前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記副流路の所定区間の長さが、前記微細流体の流動方向の下流にある前記副流路の所定区間の長さより長いことを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２２】
前記主流路内を流動する前記微細流体が進行するにつれて毛細管力が向上して、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内には、長手方向に沿って配置される少なくとも一つの加速壁が設置されることを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２３】
前記微細流体素子と連結された排出微細流路と、前記排出微細流路と連結されて前記排出微細流路の末端で前記微細流体を停止させる流動停止路と、前記各流動停止路に連結されて、前記各微細流体素子の内部に存在する空気を前記排出微細流路を通じて外部に排出する排出管路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２４】
前記各微細流体素子は、
前記副流路から排出される微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部と、
前記流入部に隣接するように配置されて、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記流入部でさらに界面の曲率が低下して流動速度が低下するように、前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、
前記流動遅延部に隣接するように配置されて、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より小さい第３断面を有する所定区間の長さを有する流動回復部と、を備えることを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２５】
前記各微細流体素子は、
前記流動回復部から排出される微細流体が流動する第４断面を有する流入路と、
前記流入路から排出される微細流体が流入され、前記第４断面から前記第４断面より大きい面積を有する第５断面まで所定区間の長さを有して次第に拡張される断面拡張部と、
前記第５断面と実質的に同じ断面を有する流動加速部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１８に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【請求項２６】
前記流入路は、前記流動回復部から流入された微細流体が、内部に存在する固定抗体と反応する検出部と連結された流路であることを特徴とする請求項２５に記載の微細流体素子を備えた診断及び分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細流体素子及びそれを備えた診断及び分析装置に係り、さらに詳細には、毛細管力による自然的な毛細管の流動で極少量の流体の流れを定量的に調節できる微細流体素子及びそれを備えた診断及び分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
極少量の流体を移送及び制御する流動発生及び制御に関する微細流体技術は、診断及び分析装置の駆動を可能にする核心的な技術であって、このような技術は、多様な駆動原理で具現され得る。そのうち、流体注入部分に圧力を加える圧力駆動方式、微細流路間に電圧を印加して流体を移送する電気泳動法や電気浸透圧法、そして毛細管力を利用した毛細管流動方式などが主である。
【０００３】
人為的な圧力による圧力駆動方式の微細流体素子の代表的な例として、  特許文献１があるが、特許文献１は、疏水性の流体素子で流路断面積の調節、流路の疏水性の調節などの受動型バルブを利用した流体回路素子を開示している。また、その他にも、特許文献２は、圧力勾配を有する流路を設計して、複数の流路で流体を均一に分配する微細流体素子を開示している。
【０００４】
一方、毛細管流動方式は、微細流路から自然的に発生する毛細管現象を利用するので、追加的な装置なしに流体注入部分に置かれた極少量の流体が自然的かつ即刻に与えられた流路に沿って移動する長所を有する。したがって、現在、これを活用した微細流体システムの設計に関する研究が活発に行われている。特許文献３は、多孔性の物質を使用せずとも、微細流路での自然的な毛細管の流動のみを利用して試料を移送し、試料の反応を誘発して光学的な方法で試料内の特定の物質を検出する診断用のバイオチップを開示している。そして、  特許文献４は、診断装置から離れた二つの地点の間に、試料の移送のために六角形の柱を適切に配列して毛細管力を発生させる装置を開示している。
【０００５】
ところが、従来の微細流体素子及びそれを備えた診断及び分析装置においては、診断及び分析装置で全体的な所要時間を最小化しつつも、試料間の反応のための十分な反応時間を提供するために、反応が起こる区間に試料が到達した特定の時点でのみ流動速度を減少させるか、または反応の選別性のための洗浄効果のために、特定の時点でのみ流動速度を上昇させる形態の流路の設計が重要であるにもかかわらず、このような技術についての研究がほとんどされていないという問題点があった。このような問題点を考慮して、界面張力を部分的に強化または弱化させるか、または毛細管壁面の表面エネルギーを部分的に変化させて平衡接触角を変える方法などが考えられるが、このような方法は、追加装置や追加作業を必要とするという問題点がある。
【特許文献１】米国特許第６２９６０２０号明細書
【特許文献２】米国特許第６６３７４６３号明細書
【特許文献３】米国特許第６２７１０４０号明細書
【特許文献４】米国特許第６１１３８５５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来のそのような問題点を解決するために、毛細管力による自然的な流動で、流路の形状設計を通じて追加的な操作及びエネルギーを必要とせずに、極少量の流体の流れを定量的に調節できるだけでなく、製作が容易であり、その使用が単純な微細流体素子及びそれを備えた診断及び分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的は、本発明によって、微細流体が流動する微細流路を有する微細流体素子において、前記微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部と、前記流入部に隣接するように配置されて、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記流入部でさらに界面の曲率が低下して、流動速度が減少するように前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、前記流動遅延部に隣接するように配置されて、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より断面積の小さい第３断面を有する所定区間の長さを有する流動回復部と、を備えることを特徴とする微細流体素子により達成される。
【０００８】
ここで、前記流動遅延部の前記所定区間の長さは、前記流動遅延部の幅より短いことが望ましい。
【０００９】
そして、前記流入部の第１断面、前記流動遅延部の第２断面、そして前記流動回復部の第３断面は、各区間の長さで各断面積がそれぞれ一定に維持されるように構成できる。
【００１０】
また、前記流入部の前記長手方向の壁部と前記流動遅延部の長手方向の横方向の壁部とがなす角度は、４５°ないし９０°であることが望ましい。
【００１１】
そして、前記第２断面は、前記第１断面と、高さは同じであるが、幅を広く構成してもよいが、前記第２断面の幅を、前記第１断面の幅より３倍広く構成してもよい。
【００１２】
また、前記第２断面は、前記第１断面と、幅は同じであるが、高さを高く構成してもよいが、前記第２断面の高さは、前記第１断面の高さより２倍高く、前記第２断面及び前記第１断面の上面は、同一平面にあるように構成できる。
【００１３】
そして、前記第１断面と前記第３断面とは同じであることが望ましい。
【００１４】
また、前記流動回復部から排出される微細流体が流動する第４断面を有する流入部と、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記第４断面から前記第４断面より大きい面積を有する第５断面まで所定の長さを持って次第に拡張される断面拡張部と、前記第５断面と実質的に同じ断面を有する流動加速部と、をさらに備えるように構成してもよい。
【００１５】
そして、前記流動加速部は、内部に前記微細流体が流動する長手方向の横側に所定間隔を空いて前記長手方向に沿って整列されて、内部に複数の流路を形成する少なくとも一つの加速壁を有することが望ましい。
【００１６】
また、前記断面拡張部から前記流動加速部へ流入される前記微細液体が前記複数の流路に分離されて流動するように、前記加速壁の前記断面拡張部側の端部がとがっていることが望ましい。
【００１７】
そして、前記加速壁は、前記流動加速部の長手方向に長く形成された薄板であることが望ましい。
【００１８】
また、前記流動加速部の流路の表面は、親水性処理が行われたことが望ましい。
【００１９】
そして、前記流入部は、前記微細流体が内部に存在する固定抗体と反応する検出部と連結された流路でありうる。
【００２０】
また、本発明によれば、前述した微細流体素子を備えた診断及び分析装置が提供される。
【００２１】
一方、本発明の目的は、微細流体が流動する微細流路を有する微細流体素子を備えた診断及び分析装置において、前記微細流体が流動する主流路と、前記主流路と連結されて、前記主流路から流入される微細流体を複数の前記微細流体素子に分岐する複数の分岐調節路と、を備え、前記各分岐調節路は、前記主流路に連結され、前記主流路の断面積より小さい断面積の第１断面を有する副流路と、前記副流路に連結されて、前記副流路から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記副流路でさらに界面の曲率が低下して、流動速度が低下するように前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より小さい第３断面を有する流動回復部と、を備えることを特徴とする微細流体素子を備えた診断及び分析装置によっても達成される。
【００２２】
ここで、前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記副流路の断面積が、前記微細流体の流動方向の下流にある前記副流路の断面積より大きいことが望ましい。
【００２３】
そして、前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記分岐調節路の数が、前記微細流体の流動方向の下流にある前記分岐調節路の数より多いことが望ましい。
【００２４】
また、前記主流路内を流動する前記微細流体が、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内の前記微細流体の流動方向の上流にある前記副流路の所定区間の長さが、前記微細流体の流動方向の下流にある前記副流路の所定区間の長さより長いことが望ましい。
【００２５】
そして、前記主流路内を流動する前記微細流体が進行するにつれて毛細管力が向上して、前記各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、前記主流路内には、長手方向に沿って配置される少なくとも一つの加速壁が設置されることが望ましい。
【００２６】
また、前記微細流体素子と連結された排出微細流路と、前記排出微細流路と連結されて前記排出微細流路の末端で前記微細流体を停止させる流動停止路と、前記各流動停止路に連結されて、前記各微細流体素子の内部に存在する空気を前記排出微細流路を通じて外部に排出する排出管路と、をさらに備えるように構成できる。
【００２７】
そして、前記各微細流体素子は、前記副流路から排出される微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部と、前記流入部に隣接するように配置されて、前記流入部から排出される微細流体が流入され、前記微細流体が毛細管力による流動時、前記流入部でさらに界面の曲率が低下して流動速度が低下するように、前記第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、前記微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部と、前記流動遅延部に隣接するように配置されて、前記流動遅延部から排出される微細流体が流入され、前記流動遅延部の第２断面より小さい第３断面を有する所定区間の長さを有する流動回復部と、を備えることが望ましい。
【００２８】
また、前記各微細流体素子は、前記流動回復部から排出される微細流体が流動する第４断面を有する流入路と、前記流入路から排出される微細流体が流入され、前記第４断面から前記第４断面より大きい面積を有する第５断面まで所定区間の長さを有して次第に拡張される断面拡張部と、前記第５断面と実質的に同じ断面を有する流動加速部と、をさらに備えることが望ましい。
【００２９】
ここで、前記流入路は、前記流動回復部から流入された微細流体が、内部に存在する固定抗体と反応する検出部と連結された流路でありうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下では、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、毛細管効果で、流れる流体の速度を特定の領域で効果的に低下あるいは上昇させるものであって、まず、毛細管流動の根本的な原因である界面での圧力差及び接触角の現象についてのモデル方程式を整理し、これを利用した流動を遅延させる流動遅延モジュール及び流動加速モジュールの設計原理を説明する。
【００３２】
毛細管流動の発生は、気体−液体の界面で発生する圧力の不連続的な変化に起因し、界面が曲率を有して曲がった場合に発現される。界面曲率の原因は、気体−液体の界面と固体の壁面とが出合う三重点で、界面と壁面とがなす接触角（θ）である。一般的に、接触角は、壁面と界面とがなす液体方向への角度で定義するが、壁面が気体より液体とさらに親密な場合、０＜θ＜π／２であり、逆の場合、π／２＜θ＜πとして与えられる。流体が流れる流路の断面が直方形である場合についての管のコーナー効果を無視すれば、流動効果を除外した圧力の変化量は次のように表現できる。
【数１】
2007523355.tif 000003
【００３３】
図１は、一般的な微細流路の概略図であって、これに示すように、一般的な微細流路は、数十から数百μｍの深さ及び幅を有するように製作される。数式１で、深さをｂ、幅をｃで表現し、大部分の場合、ｂ＜ｃの条件で製作される。したがって、ΔＰの発生に対する寄与によって、ｂを１次長さ、ｃを２次長さと言える。界面で発生した圧力の変化は、界面の位置（ａ）と結びつき、ΔＰ／ａの圧力勾配を発生させ、これは、流体の動きを形成する。発生した流動は、層流の領域に含まれ、圧力勾配項及び流路壁面による抵抗力項（Π）と流速（ｖ）は、次の関係を有する。
【数２】
2007523355.tif 000004
【００３４】
流動通過の断面積が直方形である場合、抵抗力項は、図１の１次長さ（ｂ）及び２次長さ（ｃ）について次のように与えられる。
【数３】
2007523355.tif 000005
【００３５】
疑似正常状態を過程すれば、界面の位置についての次の常微分方程式が得られる。
【数４】
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【００３６】
図１のように、流動通過の断面積が直方形であり、一定の場合、界面位置、流動速度及び圧力分布に関する理論解が得られる。図２で、２ｂ＝５０μｍ、２ｃ＝２００μｍ、γ＝０.０７Ｎ／ｍ、θ＝π／３である場合に、毛細管流動の圧力分布の経時変化を表した。図２で、圧力の傾斜が負数である区間が液状領域であり、圧力の変化のない区間が気体状領域であり、傾斜が突然変わる地点が界面の位置に該当する。液状領域の圧力の変化に反応して発生した流動は、界面の位置を移動させ、界面の位置が移動すると、圧力変化の傾斜は少しずつ緩慢になり、したがって、界面の移動速度は経時的に低下する。
【００３７】
本発明の流動遅延モデルを構成する核心的なアイディアは、ΔＰを減少させる方法であって、１次長さあるいは２次長さに対して壁面に屈曲を与えることによって、界面の曲率を効果的に調節して流動を特定の領域で遅延させることである。図３は、界面の曲率変化を考慮した流動遅延モデルの概念図であって、図３に示すように、半球形の界面の場合、界面で発生する圧力（ΔＰ）の原因となる界面の曲率は、界面と壁面とが出合う接触地点で、界面に接する直線と界面の前進方向（ｅｉ）とがなす角度のコサイン値に比例する。このとき、壁面の形状が一定の単純直線型の壁面である場合、界面と壁面とがなす接触角（θ）と一致する。界面の曲率を変化させる方法、すなわち、接触地点で、界面に接する直線と界面の前進方向（ｅｉ）とがなす角度を変化させる方法は、図３で、δθｗに変化を与える方法と、δθｉに変化を与える方法とに分けて考えられる。このとき、δθｉを変化させる方法は、壁面の構成物質の熱力学的な状態を変化させるものであるので、このために、流路の設計時に特定の壁面に対する追加的な作業を行わねばならない。これに対し、壁面に屈曲を与えて、δθｗに変化を与えることは、フォトリソグラフィーなどの技術を利用して製作すれば、追加作業が不要である。また、δθｉを通じた界面の曲率変化は、壁面の物性に関係する制限的な範囲でのみ可能である一方、δθｗを通じた界面の曲率変化は、さらに広範な範囲で可能である。本発明では、後者の方法を採択した。
【００３８】
図４Ａは、本発明の第１実施形態に係る流動遅延モデルの微細流体素子の簡略図であり、図４Ｂは、本発明の第２実施形態に係る流動遅延モデルの微細流体素子の簡略図である。本発明の第１実施形態に係る流動遅延モデルの微細流体素子は、微細流路の２次長さを変化させた壁面の屈曲を有する流動遅延モデルであり、本発明の第２実施形態に係る流動遅延モデルの微細流体素子は、微細流路の１次長さを変化させた壁面の屈曲を有する流動遅延モデルである。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本発明の第１実施形態及び第２実施形態に係る微細流体素子１０、１０ａは、微細流体が流動する第１断面と所定区間の長さとを有する流入部１１、１１ａと、流入部１１、１１ａに隣接するように配置されて、流入部１１、１１ａから排出される微細流体が流入され、微細流体が毛細管力による流動時に流入部１１、１１ａでより界面の曲率が低下して、流動の速度が低下するように第１断面より大きい面積を有する第２断面を有し、微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部１３、１３ａと、流動遅延部１３、１３ａに隣接するように配置されて、流動遅延部１３、１３ａから排出される微細流体が流入され、流動遅延部１３、１３ａの第２断面より断面積の小さい第３断面と所定区間の長さとを有する流動回復部１５、１５ａと、を有する。
【００３９】
供給された毛細管の流動は、流入部１１、１１ａと流動遅延部１３、１３ａとの境界領域の遅延境界領域１２、１２ａで流動遅延効果を発生し、遅延境界領域１２、１２ａを通過する間、遅延効果は持続される。遅延境界領域１２、１２ａを通過した毛細管の流動は、流動遅延部１３、１３ａを通過し、流動遅延部１３、１３ａと流動回復部１５、１５ａとの間の境界領域である回復境界領域１４、１４ａと接しつつ、界面の曲率が上昇して、以前の流速を回復する。次第に回復される流速は、流動回復部１５、１５ａに移送されつつ、以前の流速で回復されて流動を持続する。
【００４０】
本実施形態では、壁面の屈曲が終わる位置に該当する流動回復部１５、１５ａにおいて、流体が通過する断面積が流入部１１、１１ａと同じく設計された。これにより、特定の位置、特定の時間に流動を一時的に遅延させる流動遅延モデルの目的に合わせて、流動遅延モデルを通過した毛細管の流動は通過前の速度で回復される。上記で強調したように、このような流動遅延効果は、壁面の角度の変化を通じて調節できる。
【００４１】
図４Ａ及び図４Ｂに例示したように、屈曲が直角である場合、流動が完全に停止することを防止するために、流体を取り囲んだ四面のうち、少なくとも１面以上で平面を維持して初めて毛細管流動を持続させうる。一方、一般的に、流動遅延部１３、１３ａの区間の長さは、流動遅延部１３、１３ａの幅より短くて初めて流動を持続させうるので、一般的に流動遅延部１３、１３ａの区間の長さが幅より短く構成される。また、流入部１１、１１ａの第１断面、流動遅延部１３、１３ａの第２断面、流動回復部１５、１５ａの第３断面は、各区間の長さで各断面積が次第に変わるように構成してもよいが、本実施形態では、各区間の長さでそれぞれ一定に維持されるように構成されている。そして、流入部１１、１１ａの長手方向の壁部と、流動遅延部１３、１３ａの長手方向の横方向の壁部とがなす角度は９０°に構成され、第１実施形態で第２断面は、第１断面と高さは同じであるが、第２断面の幅が第１断面の幅より約３倍さらに広く、第２実施形態では、第２断面が第１断面と幅は同じであるが、第２断面の高さが第１断面の高さより２倍さらに高いが、第２断面及び第１断面の上面は、同一平面にあるように構成されている。
【００４２】
特に、図４Ｂの１次長さを変化させた壁面屈曲の場合、一面にのみ屈曲を与え、残りの三面に平面を維持させたが、壁面が十分に親水性を確保して初めて持続的な毛細管の流動を保障できる。したがって、持続的な毛細管の流動を保障するためには、図４Ａのように、２次長さのみ変化させて壁面の屈曲を形成し、１次長さは維持して、流動遅延部を製作することが必要である。各領域のサイズを調節すれば、流動遅延効果を制御できるが、遅延境界領域１２、１２ａが長く持続される場合、流動通過の断面積の拡大の影響によって、流動遅延の効果が大きくなる。したがって、壁面の屈曲を形成するとき、流動遅延区間の長さを短くする代わりに、屈曲を周期的に形成させて、流動の遅延効果を反復的に発生させることが有利である。すなわち、流動遅延モデルの設計時に、壁面に大きい屈曲を与えるより、小さい屈曲を反復的に形成し、全体的な屈曲の数で流動遅延の定量的な効果を生成することが有利である。
【００４３】
図４Ｃは、本発明の第３実施形態に係る微細流体素子の簡略図であって、本発明の第３実施形態に係る微細流体素子は、二つの流動遅延モデルが連続的に連結されたものであって、第１実施形態に対応する構成要素には、‘ｂ’が付加されて指示される。したがって、流入部１１ｂから供給された毛細管の流動は、第１流動遅延モデル１６によって流動が遅延された後、再び第２流動遅延モデル１７によって流動が遅延される。このとき、第１流動遅延モデル１６の流動回復部１５ｂは、第２流動遅延モデル１７の流入部となる。このように、流動遅延モデル１６、１７を連続的に連結することによって、連結された流動遅延モデルの個数で流動遅延効果を調節する。
【００４４】
図４Ｄは、本発明の第４実施形態に係る微細流体素子の簡略図であって、本発明の第４実施形態に係る微細流体素子は、図４Ｂに示す流動遅延モデルが、２行２列の形態に配列されているものであり、第１実施形態に対応する構成要素には、‘ｃ’が付加されて指示される。各流動遅延モデルは、図４Ｄに示すように、六面体であるか、または円柱などの多様な形状が可能であり、各流動遅延モデルのサイズ、間隔、個数を調節することによって、流動遅延の効果を調節できる。
【００４５】
図５Ａないし図５Ｆは、本発明のさらに他の実施形態に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。四角形の微細流路に対して、遅延境界領域、流動遅延部及び回復境界領域の形状及び寸法を変化させることによって流動遅延の効果を調節する。図５Ａの流動遅延モデルは、前述した第１実施形態ないし第３実施形態の図４Ａないし図４Ｃのように、流入部の両壁面に遅延境界領域が垂直に連結された場合であり、流動遅延部の形状は四角形である。それに対し、図５Ｂの流動遅延モデルは、流入部の一壁面に遅延境界領域が垂直に連結されているので、流入部へ供給された毛細管の流動が遅延境界領域では遅延されるが、対向した壁面へは流動の流れを妨害せず、図５Ａの流動遅延モデルに比べて遅延効果が低い。図５Ｃの流動遅延モデルは、流入部の一壁面に遅延境界領域が連結されており、流入部と遅延境界領域とがなす角度が鋭角である場合であり、流動遅延モデルの形状は台形である。流入部と遅延境界領域とがなす角度が鋭角であるため、図５Ｂの流動遅延モデルに比べて遅延効果が優れている。図５Ｄないし図５Ｆの流動遅延モデルは、図５Ａないし図５Ｃの流動遅延モデルで流動遅延部の幅が狭い場合である。すなわち、流動遅延部の拡張した断面積が、図５Ａないし図５Ｃより縮小した場合であり、図５Ａないし図５Ｃの流動遅延モデルとそれぞれ比較したとき、拡張した断面積が縮小した図５Ｄないし図５Ｆの流動遅延モデルの流動遅延の効果が低い。
【００４６】
図６は、凹状に形成されたパターンが含まれた第１プレートを平坦な第２プレートに接合して製作した図５Ａの流動遅延モデルについての実施形態である。さらに詳細には、流動遅延モデルと対応する形状を含む凸状の鋳型板を製作した後、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）を鋳型板にキャスティングして、凹状のパターンが含まれた第１プレートを製作する。製作された第１プレートに、外部から流体を注入できる入口及び外部に流体が排出され得る出口のための穴を開ける。第１プレート及びＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）からなる第２プレートの表面を処理して親水性を調節した後、第２プレート及び第１プレートを接合する。表面処理以後、第１プレートは、水の接触角が５６°であり、ＰＭＭＡからなる第２プレートの水の接触角は、７５°である。
【００４７】
超純水にＰｒｏｃｉｏｎ Ｒｅｄ ＭＸ−５Ｂ（Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．）発色剤を溶解させて製作された流動遅延モデルに供給する。前述したように、流動遅延モデルに供給された流体は、それぞれの流動遅延モデルを通過しつつ遅延の効果を発生させる。図６のように、流動遅延モデルの流入部を通過して遅延境界領域に到達した流体は、流速が顕著に低下する（図６．開始）。流体は、遅延境界領域を通過する間に遅延効果を維持し（図６．１分４０秒、２分７.５７秒）回復境界領域１４、１４ａを接しつつ遅延効果を喪失し、流入部での流動に回復される（図６．２分７.６０秒、２分７.６３秒）。このとき、回復境界領域１４、１４ａを通過して流動回復部に移送された流体を見れば、図６の２分７.６３秒から２分１３秒に、時間が０.５秒かかった。これを流動遅延部での遅延時間、２分７.５７秒と比較すると、流動遅延部の効果を確認することができる。
【００４８】
図６の流動遅延モデルでは、流体が流動遅延部を通過せずに回復境界領域に移動して、屈曲内に空気が捕獲された。一般的には、捕獲された空気が流動に影響を与えないが、図５Ｄのような流動遅延モデルの場合、空気は捕獲されない。
【００４９】
本発明のさらに他の主な目的は、特定の領域で毛細管流動の流速を上昇させる流動加速モデルを提供することである。数式２から分かるように、界面の位置（ａ）が減少するにつれて、毛細管流動の速度は増大する。したがって、ΔＰが固定された場合、界面の移動速度は、経時的に低下して、これを再び加速させる方法は、ａが増大するのに合わせて、ΔＰを増大させる方法以外にはないが、これを具現する方法は、非常に制限的である。しかし、診断装置の流路設計で、界面の移動速度ではない流路内部の特定の位置の速度を加速させることが必要である場合、本発明で開発した流動加速モデルは、強力な効果を発揮する。本発明で活用した流動関係式は、流体が通過する断面が異なる二つの流路が連結された場合についての、次の質量保存式である。
【数５】
2007523355.tif 000007
【００５０】
数式５でＶ１は、加速させようとする領域（Ｄ１）の速度であり、Ｖ２は、界面が位置する領域（Ｄ２）の流動速度に該当する。数式５で、Ｖ１を増大させる方法は、Ｖ２を増大させるか、または毛細管１次長さの比（ｂ２／ｂ１）あるいは２次長さの比（ｃ２／ｃ１）を増大させるということであると分かる。このとき、Ｖ２は、数式２の支配を受ける変数であるので、これを増大させることは非常に制限的であるが、毛細管１次あるいは２次長さの比は、相対的に非常に自由に変化させうる。本発明の流動加速モデル設計の特徴は、Ｖ１に対するｂ２／ｂ１あるいはｃ２／ｃ１の影響に注目した点である。
【００５１】
図７Ａは、毛細管の１次長さは一定に維持し、２次長さの比を増大させた場合の流動加速モデルの概略図である。毛細管の１次長さを一定に維持した理由は、界面の位置が２次長さの増大領域に移動する瞬間に、界面が経験する流動遅延の効果を最小化するためである。このときに留意せねばならない点は、ｃ２／ｃ１の増加によって界面での毛細管の圧力が低下し、これは、流速減少の効果を誘発するということである。本発明では、これについての対策として、界面が位置した領域に内部壁を挿入した流動加速モデルを設計し、これを図７Ｂに例示した。このとき、図７Ｂで挿入された内部壁の個数の増加は、ΔＰの増加効果によって流速を上昇させるが、所定数以上の個数で挿入された内部壁は、壁面の抵抗力を向上させるので流速を減少させる。言い換えれば、挿入する内部壁の厚さ別にＶ１を最大化できる最適の壁数が存在する。このとき、数式５を利用すれば、挿入する壁の厚さによって壁の最適の数を理論的に予測できる。
【００５２】
図８Ａで、ａ１＝２０００μｍ、２ｂ１＝５０μｍ、２ｃ１＝２００μｍ、２ｂ２＝５０μｍ、２ｃ２＝２０００μｍ、γ＝０.０７Ｎ／ｍ、θ＝π／３である場合の圧力分布の経時変化を表した。すなわち、単純直線流路に対する図２の計算条件がａ１＝２０００μｍまで維持され、毛細管２次長手方向に１０倍長さが増加した条件に該当する。図８Ａで、流体通過断面積の小さい領域（Ｄ１）で圧力は急変し、断面積の大きい領域（Ｄ２）で緩やかな傾斜を有して変わるということが確認できる。二つの領域（Ｄ１、Ｄ２）の圧力変化の傾斜の比は、流体通過断面積の比及び抵抗力項の比に反比例する。図８Ａの計算条件は、抵抗力項の変化は相対的に少ない場合に該当するので、圧力変化の傾斜の比は、約１０：１として与えられる。二つの領域の速度比は、面積比に反比例するので、断面積の小さい領域（Ｄ１）の速度は、断面積の大きい領域（Ｄ２）の速度の１０倍を維持する。図２の結果と比較すると、図８Ａの条件で流体通過断面積の拡大によって界面圧力の大きさが小さくなり、Ｄ２で圧力変化の傾斜は緩やかになったが、むしろＤ１では、圧力変化の傾斜が急増したということが確認できる。
【００５３】
図８Ｂは、領域別速度の経時変化の結果である。図面で点線の部分は、流体通過断面積の変化のない図２の条件についての計算結果であり、実線の部分は、断面積を１０倍に拡大した図８Ａの条件についての結果である。したがって、断面積の拡大は、界面の移動速度（Ｖ２）を低下させるが、Ｄ１での速度（Ｖ１）は、相対的に大きい値に維持させる効果をもたらすことが分かる。すなわち、毛細管の流動で流動通過断面積の拡大効果は、小さい断面積領域の速度の低下を抑制するものであると言える。
【００５４】
図８Ｃは、流動加速モデルの内部に壁を挿入して界面圧力を上昇させた場合に対する、Ｄ１領域の速度の経時変化の結果を図すグラフである。計算条件は、図８Ａの場合と同じであり、Ｄ２領域に１０μｍの厚さの内部壁面がｎ個挿入された。図８Ｃで、内部壁の挿入は、界面発生の圧力を上昇させて、Ｄ１領域の速度（Ｖ１）を上昇させるということが確認できる。内部壁を過度に挿入する場合、壁面の抵抗力が向上するので、毛細管の流動速度が低下する。図８Ｃに示すように、内部壁２０個の挿入は、あらゆる時間区間の速度を上昇させるが、内部壁を４０個挿入する場合、流動加速モデルに界面が進入した初期の速度は上昇するが、内部壁面の抵抗力の向上によって速度は急減少して、ｔ＝１［ｓ］での速度は、内部壁のない場合よりさらに低い値を有する。
【００５５】
本発明では、使用した数式モデルを使用すると、所定の条件で挿入する内部壁の数の最適値を計算でき、これについての結果を図８Ｄに示した。使用された計算条件は、図８Ｃの場合と同じであり、ｔ＝１［ｓ］の結果に該当する。図８Ｄで内部壁面の厚さ別にＶ１を最大化できる最適の壁面の数が存在し、挿入された壁面が薄いほど、流速上昇の効果は大きくなるということが確認できる。本発明の理論結果から、可能なかぎり薄い内部壁の挿入は、界面圧力の発生量を増加させると共に、内部抵抗力を最小化するので、流動の加速に最も効果的であるということが分かる。但し、製作方法によって薄い壁の製作が制限されるので、本発明では、実際の微細流路の製作の容易性などを共に考慮して流動加速モデルを設計した。
【００５６】
図９Ａは、本発明の第１実施形態に係る流動加速モデルの微細流体素子の概略図であって、図９Ａに示すように、本発明に係る流動加速モジュールの微細流体素子２０は、微細流体が流動する第１断面を有する流入部２１と、流入部２１から排出される微細流体が流入され、第１断面から第１断面より大きい面積を有する第２断面まで所定の長さを持って次第に拡張される断面拡張部２２と、第２断面と実質的に同じ断面を有し、その内部に微細流体が流動する長手方向の横側に所定の間隔を空いて長手方向に沿って整列されて、内部に複数の流路を形成する少なくとも一つの加速壁２４を有する流動加速部２３と、を備える。
【００５７】
ここで、断面拡張部２２の微細液体が複数の流路に分離されて流動するように、加速壁２４の断面拡張部２２側の先端部２５はとがった形状を有し、毛細管力を向上させるための加速壁２４は、流動加速部２３の長手方向に長く形成された薄板である。そして、加速壁２４によって流動加速部２３は、少なくとも二つ以上の加速流路２６を形成する。一方、流動加速部２３の流路の表面に親水性処理を行える。
【００５８】
このような構成で流入部２１に供給された毛細管の流動は、断面拡張部２２を通じて複数の加速流路２６に移送される。一つの加速流路は、断面積が小さいため、毛細管力が大きく、複数の加速流路を配列することによって、全体流動が移動する断面積は大きくなり、かつ細管力が増大する。したがって、断面拡張部２２から加速流路２６に移送された流動は、加速流路２６のない場合に比べて流速が増大し、これは、流入部２１の流速を顕著に上昇させる。
【００５９】
一方、毛細管の流動に対する抵抗力を最小化するために、挿入された加速壁２４は薄いほど良く、断面拡張部２２と加速流路２６とが連結される地点での壁の先端部２５は、とがった三角形の形状を維持することが効果的である。また、毛細管の流動に抵抗を与えないために、流入部２１と断面拡張部２２とが連結される地点、断面拡張部２２と加速流路２６とが連結される地点は、曲線に製作する。
【００６０】
図９Ｂ及び図９Ｃは、毛細管力を増大させるために、多様な形状の構造物を備える本発明の第２実施形態及び第３実施形態に係る流動加速モデルの概略図である。図９Ａの第１実施形態に対応する構成要素には、それぞれ‘ａ’及び‘ｂ’が付加されて指示されるが、これらの図面に示すように、図９Ａの加速壁２４に代えて円形や四角形などの多様な構造物を挿入することによって、流動加速モデルの毛細管力を増大させる。このとき、構造物は、流路の底面から上面まで連結される柱状であるか、または流路の底面から上面の高さまでの適切な高さを選択して製作できる。
【００６１】
図１０は、本発明に係る流動遅延モデル及び流動加速モデルを応用した本発明の第１実施形態に係る診断及び分析装置の概略図であって、本発明の第１実施形態に係る診断及び分析装置１は、外部で診断しようとする試料が供給される試料導入部１０１と、反応部１０２と、流動遅延モデル１１０、１１１と、検出部１０３と、流動加速モデル１２０と、を備える。
【００６２】
反応部１０２には、検出抗体と蛍光発色剤との結合体が予め含まれ、検出部１０３には、固定抗体が予め表面に固定される。診断及び分析装置１の試料導入部１０１を通じて供給された試料は、微細流路を通じて反応部１０２に移送される。反応部１０２では、試料内の抗原が検出抗体及び蛍光発色剤と反応して、抗原−抗体−蛍光発色剤結合体を構成する。この時反応時間を確保するために流動遅延モデル１１０、１１１が導入されて、流動遅延モデル１１０、１１１の設計によって反応部１０２での反応時間を調節できる。反応部１０２にあらかじめ含まれた検出抗体−蛍光発色剤結合体は、この装置に固定されていないために、反応部１０２での抗原−抗体−蛍光発色剤の結合体は、微細流路を通じて検出部１０３に移送される。検出部１０３には、固定抗体が表面に固定されており、抗原−抗体−蛍光発色剤の結合体が、検出部１０３の固定抗体と反応して検出部１０３に固定される。このとき、流動遅延モデル１１０、１１１を利用して検出部１０３の反応時間を調節する。検出部１０３での反応が完了した後、試料は、流動加速モデル１２０に移動する。流動加速モデル１２０の作用によって流動加速モデル１２０以前の微細流路にある試料の流速が増加し、これにより、検出部１０３に存在する不要な物質や非特異的に結びついた抗原−抗体−蛍光発色剤の結合体が除去される。
【００６３】
本発明のさらに他の目的は、前述した流動遅延技術を利用して、極少量の流体を複数の微細流体素子に均一に分岐させる流動分岐モデルを提供することである。前述したように、微細流路に屈曲を挿入して毛細管の流動を定量的に遅延させうる。したがって、一つの流体を複数の微細流路に分岐するとき、流体が供給された地点から近いほど微細流路に分岐される流動の遅延時間を延長させれば、それぞれの微細流路に分岐される流動を均一に調節できる。
【００６４】
図１１は、流動遅延モデルを利用した流動分岐モデルを備えた本発明の第２実施形態に係る診断及び分析装置１ａの概略図であって、図１１に示すように、微細流体が流動する微細流路を有する微細流体素子を備えた診断及び分析装置１ａは、微細流体が流動する主流路３０と、主流路３０と連結されて主流路３０から流入される微細流体を複数の微細流体素子に分岐する複数の分岐調節路４０と、を備える。ここで、各分岐調節路４０は、主流路３０に連結されて主流路３０の断面積よりさらに小さい断面積の第１断面を有する副流路４１と、副流路４１に連結されて副流路４１から排出される微細流体が流入されて、微細流体が毛細管力による流動時に副流路４１でさらに界面の曲率が低下して流動速度が低下するように第１断面よりさらに大きい面積を有する第２断面を有し、微細流体が流動する方向に所定区間の長さを有する流動遅延部４２と、流動遅延部４２から排出される微細流体が流入され、流動遅延部４２の第２断面より断面積が小さい第３断面を有する流動回復部４３と、を備える。
【００６５】
このような構成によって、他の微細流体素子や外部から流入部３１を通じて供給された流体は、主流路３０に移送される。主流路３０に移送された流体は、主流路３０に連結されたそれぞれの分岐調節路４０に順次に分岐され、流動遅延モデルに基づいて構成された分岐調節路４０を通じて、微細流体素子２１０に流体が移送される。このとき、分岐調節路４０は、流入部３１から離れるほど遅延効果が大きいため、主流路３０を通じて流体が排出部３２に到達したとき、それぞれの副流路４１に供給された流体は、ほぼ同時に対応する微細流体素子２１０に移送される。したがって、本流動分岐モデルを使用して、流入部３１でから流入された一つの流体を複数の微細流路に均一に分岐する。すなわち、本実施形態では、主流路３０内を流動する微細流体が、各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、主流路３０内の微細流体の流動方向の上流にある分岐調節路の数が、微細流体の流動方向の下流にある分岐調節路の数よりさらに多く構成されている。しかし、主流路３０内を流動する微細流体が、各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、主流路３０内の微細流体の流動方向の上流にある副流路４１の断面積が、微細流体の流動方向の下流にある副流路４１の断面積よりさらに大きく構成してもよいということは言うまでもなく、また、主流路３０内の微細流体の流動方向の上流にある副流路４１の所定区間の長さが、微細流体の流動方向の下流にある副流路４１の所定区間の長さよりさらに長く構成できるということは言うまでもない。また、主流路３０内を流動する微細流体が進行するにつれて、毛細管力が向上して各微細流体素子にほぼ同時に到達するように、主流路３０内には長手方向に沿って配置される少なくとも一つの加速壁を設置できるということは言うまでもない。
【００６６】
図１２は、本発明の流動遅延モデル、流動加速モデル及び流動分岐モデルを利用した本発明の第３実施形態に係る多重診断及び分析装置の概略図であって、本発明の第３実施形態に係る診断及び分析装置１ｂは、試料が供給される試料導入部３０１と、主流路３３０と、主流路３３０に連結された副流路３４１と、微細流体素子に該当する診断ユニット３１０と、診断ユニット３１０と連結された排出微細流路５０と、副流路３４１と診断ユニット３１０との間に位置する流動遅延モデル３２０と、排出微細流路５０と連結されて排出微細流路５０の末端で微細流体を停止させる流動停止路６０と、各流動停止路６０に連結されて各微細流体素子の内部に存在する空気を排出微細流路５０を通じて外部に排出する排出管路７０と、を備える。
【００６７】
ここで、診断ユニット３１０に該当する各微細流体素子は、流動加速モデルを備え得る。すなわち、副流路３４１から排出される微細流体が流動する第４断面を有する流入路と、流入路から排出される微細流体が流入され、前記第４断面から前記第４断面積より大きい面積を有する第５断面まで、所定区間の長さを持って次第に拡張される断面拡張部と、第５断面と実質的に同じ断面を有し、その内部に微細流体が流動する長手方向の横側に所定間隔をおいて長手方向に沿って整列されて、内部に複数の流路を形成する少なくとも一つの加速壁を有する流動加速部と、を備えるように構成され得る。
【００６８】
このような構成で、試料導入部３０１を通じて供給された試料は、主流路３３０に移送される。主流路３３０に移送された試料は、副流路３４１を通じてそれぞれの微細流体素子の診断ユニット３１０に供給される。流動遅延モデル３２０から延びた微細流路３４３は、診断ユニット３１０の入口３１１に連結されており、診断ユニット３１０の出口３１２は、排出微細流路５０に連結されている。このとき、主流路３３０に移送された試料が主流路３３０の末端３３２に到達すれば、それぞれの副流路３４１に移送された試料が同時に対応する診断ユニット３１０に達し、複数の診断ユニット３１０に均一に供給される。一方、診断ユニット３１０の内部に存在する空気が排出されるように、排出微細流路５０には排出管路７０が連結されて、空気排出口７１を介して外部に空気が抜け出る。このとき、診断ユニット３１０の試料が排出管路７０に流入されることを防止するために、排出微細流路５０と排出管路７０との間に流動停止路６０を挿入する。排出微細流路５０の幅が狭く、流動停止路６０で断面積が急激に拡張されるため、試料は、流動停止路６０で停止する。
【００６９】
一方、複数の診断ユニット３１０が相異なる微細流体素子に代替されて、一つの流体から多様な機能、例えば、免疫反応、ポリメラーザ連鎖反応（ＰＣＲ）及びＤＮＡ混成化反応などを同時に行える多重微細流体素子の具現が可能である。
【００７０】
本発明で製作される微細流路は、凹状のパターンを含むプレートを平坦に、または凸状または凹状のプレートで覆って形成する。このプレートは、ポリマー、金属、シリコン、ガラス、ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）などの多様な素材が可能であり、望ましくは、ポリマー物質を備える。例えば、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＥ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＰＥ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ  ｅｔｈｅｒ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）、ＰＢＴ（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＦＥＰ（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ  ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）のようなプラスチックをいう。このような物質は、射出成形、ホットエンボシングまたはキャスティングのような鋳型の成形に多く利用されている。特に、このような物質は、一般的に不活性物質であり、かつ製作の容易性、低コスト及び使い捨て性に起因して前記微細流路に望ましい。
【００７１】
本発明によって微細流路を製作する方法は、微細流路と対応する形状の凸状に形成された鋳型板を製作し、鋳型板上に凹状のプレートの型を取った後、それぞれのプレート及び第２プレートの表面の親水性を調節して、凹状のプレートを第２プレートに接合する。
【００７２】
前述した実施形態では、流動加速部に加速壁が設置された場合について説明したが、流動加速部の断面積を流入部より拡張することによって、流入部の流速の上昇を十分に誘導できれば、流動加速部に加速壁を設置しなくてもよいということは言うまでもない。
【００７３】
また、前述した実施形態では、微細流体素子の断面積の形状が四角形である場合について説明したが、これは、例示的なものであって、微細流体素子の断面積の形状は円形など、多様な形状であってもよいということは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明によれば、毛細管力による自然的な流動で、流路の形状設計を通じて追加的な操作及びエネルギーを必要とせずに、極少量の流体の流れを定量的に調節できるだけでなく、製作が容易であり、使用の単純な微細流体素子及びそれを備えた診断及び分析装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】一般的な微細流路の概略図である。
【図２】毛細管の流動の圧力分布の経時変化を示すグラフである。
【図３】界面曲率の変化を考慮した流動遅延モデルの概念図である。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態に係る微細流体素子の簡略図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施形態に係る微細流体素子の簡略図である。
【図４Ｃ】本発明の第３実施形態に係る微細流体素子の簡略図である。
【図４Ｄ】本発明の第４実施形態に係る微細流体素子の簡略図である。
【図５Ａ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図５Ｂ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図５Ｃ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図５Ｄ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図５Ｅ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図５Ｆ】本発明に係る微細流体素子の多様な形状の断面を示す図面である。
【図６】図５Ａの流動遅延モデルで流動の変化を撮影した写真である。
【図７Ａ】毛細管の１次長さは一定に維持し、２次長さの比率を向上させた場合の流動加速モデルの概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａで界面が位置した領域に内部壁を挿入した流動加速モデルの概略図である。
【図８Ａ】流動通過断面積を拡大した場合の圧力分布の経時変化を示すグラフである。
【図８Ｂ】流動通過断面積を拡大した場合の区間別の速度の変化を示すグラフである。
【図８Ｃ】流動加速モデルの内部に壁を挿入して界面圧力の大きさを拡大した場合についてのＤ１領域速度の経時変化の結果を示すグラフである。
【図８Ｄ】挿入された内部壁の数が速度に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９Ａ】本発明の第１実施形態に係る流動加速モデルの微細流体素子の概略図である。
【図９Ｂ】毛細管力を向上させるために、多様な形状の構造物を含む本発明の第２実施形態に係る流動加速モデルの概略図である。
【図９Ｃ】毛細管力を向上させるために、多様な形状の構造物を含む本発明の第３実施形態に係る流動加速モデルの概略図である。
【図１０】本発明に係る流動遅延モデル及び流動加速モデルを応用した本発明の第１実施形態に係る診断及び分析装置の概略図である。
【図１１】流動遅延モデルを利用した流動分岐モデルを備えた本発明の第２実施形態に係る診断及び分析装置の概略図である。
【図１２】本発明の流動遅延モデル、流動加速モデル及び流動分岐モデルを利用した本発明の第３実施形態に係る多重診断及び分析装置の概略図である。
【図１】
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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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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図６】
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【国際調査報告】
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