(57)【要約】複数の区画を有する増殖チャンバを備えており、区画のそれぞれを、１つ以上の駆動可能なバルブによって当該増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離することができるケモスタット（図１）。さらに、このケモスタットは、増殖チャンバへと増殖培地を供給するための栄養供給ライン、および増殖チャンバから流体を取り去るための出口ポ−トを備えることができる。また、ケモスタットの増殖チャンバにおけるバイオフィルムの形成を防止する方法も提示される。この方法は、増殖チャンバのうちの隔離された一部分へと溶解剤を加え、前記隔離された部分を、増殖チャンバの残りの部分へと再び結合させる工程を含むことができる。
2007517523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下：
複数の区画を有する増殖チャンバであって、各区画を１つ以上の駆動可能なバルブによって該増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離することができる、増殖チャンバ；
該増殖チャンバへと増殖培地を供給するための、栄養供給ライン；および
該増殖チャンバから流体を取り去るための、出口ポ−ト
を備える、ケモスタット。
【請求項２】
前記区画のうちの少なくとも１つが、該区画へと溶解剤を供給するための供給チャネルに流体的に接続される、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項３】
駆動可能な供給バルブが、前記供給チャネルに接続された区画への溶解剤の送達を制御する、請求項２に記載のケモスタット。
【請求項４】
前記区画のうちの少なくとも１つが、該区画から物質を取り去るための出口チャネルに流体的に接続される、請求項２に記載のケモスタット。
【請求項５】
前記区画から取り去られる物質が、溶解した細胞成分を含んでいる、請求項４に記載のケモスタット。
【請求項６】
駆動可能な排出バルブが、前記区画からの前記物質の取り去りを制御する、請求項４に記載のケモスタット。
【請求項７】
前記増殖チャンバの前記区画が、ル−プをなして接続されている、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項８】
前記増殖チャンバが、シリコ−ン・エラストマ−を含む、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項９】
前記シリコ−ン・エラストマ−が、ポリヂメチルシロキサンである、請求項８に記載のケモスタット。
【請求項１０】
請求項１に記載のケモスタットであって、前記増殖チャンバ内で流体を循環させるための蠕動ポンプを備える、ケモスタット。
【請求項１１】
前記増殖チャンバが、約５０ナノリットル以下の体積を備える、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項１２】
前記増殖チャンバが、約１６ナノリットル以下の体積を備える、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項１３】
前記増殖チャンバが１６個の区画を有している、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項１４】
運転時に、１日あたり約４０μＬ以下の速度で増殖培地を消費する、請求項１に記載のケモスタット。
【請求項１５】
ケモスタットのアレイを備えるケモスタット・チップであって、該ケモスタットのそれぞれが、以下：
複数の区画を有する増殖チャンバであって、各区画を１つ以上の駆動可能なバルブによって該増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離し得る、増殖チャンバ；
該増殖チャンバへと増殖培地を供給するための、栄養供給ライン；および
該増殖チャンバから流体を取り去るための、出口ポ−ト
を備える、ケモスタット・チップ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のケモスタット・チップであって、該チップが６つ以上のケモスタットを備える、ケモスタット・チップ。
【請求項１７】
請求項１５に記載のケモスタット・チップであって、該チップが約５ｍｍ以下の厚さを有している、ケモスタットチップ。
【請求項１８】
ケモスタットの製作方法であって、該方法は、以下：
流通チャネルを備える流通層を形成する工程であって、該ケモスタットの増殖チャンバが流通チャネルを備える工程、および
第１制御層と第２制御層との間に、該流通層を組み合わせる工程であって、該制御層のそれぞれが、駆動されて該流通チャネルの区画を流体的に隔離し得る、１つ以上の制御チャネルを備える工程
を包含する、方法。
【請求項１９】
前記流通層が、フォトリソグラフィによってパタ−ン形成されたモ−ルドの上へと引き延ばされた材料から形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記モ−ルドがシリコン・ウエハからなる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
材料がシリコ−ン・エラストマ−を含有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
ケモスタットの増殖チャンバにおけるバイオフィルムの形成を防止する方法であって、該方法は、以下：
該増殖チャンバのうちの隔離された部分へと溶解剤を加える工程、および
該隔離された一部分を、該増殖チャンバの残りの部分へと再び結合させる工程
を包含する、方法。
【請求項２３】
前記増殖チャンバのうちの前記隔離された部分が、該増殖チャンバの残りの部分から、該部分を流体的に隔離する駆動可能なバルブを閉じることによって隔離される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記増殖チャンバのうちの前記隔離された部分へと溶解剤を加えるため、前記駆動可能な供給バルブが開かれる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
溶解させられた細胞が、出口チャネルを通じて前記増殖チャンバのうちの前記隔離された部分から取り除かれる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記増殖チャンバのうちの前記隔離された部分へと、増殖培地を加える工程
を包含する、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、「微流体ケモスタット」という題目の、２００４年１月１６日に出願された、米国特許仮出願第６０／５３６，８６３号の優先権を主張し、この出願の全体の内容は、本明細書中で参考として援用される。
【０００２】
（連邦政府に資金援助された研究開発の下でなされた発明に対する権利に関する陳述）
この物質は、高等研究計画局（助成金第Ｎ６６００１−０２−１−８９２９号）および助成金第ＣＴＳ．００８８６４９号により支援された業務に基づく。連邦政府はこれにより、本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
医薬タンパク質は化学的に複雑であるため、それらを医療用として合成的に作り出すことが困難である。これらのタンパク質の多くについては、唯一の現実的な製造経路が、適切な量で当該タンパク質を生み出すように設計された細菌培養物を増殖させることである。したがって、とりわけ医薬品製造者は、細菌培養物の研究のための装置および方法の開発に、活発な関心を有している。細菌培養物のサイズおよび増殖速度を測定するための１つの技法は、プレイティング（ｐｌａｔｉｎｇ）を使用して細菌コロニ−を数えることを含んでおり、これは、生きている細胞のコロニ−生成能力に依拠している。適切に希釈された培養物のサンプルが、固体の媒体上に分散され、それらが形成するコロニ−の数が割り出される。残念なことに、プレイティングによってもたらされる測定は、培養物がプレイティングの準備における希釈の期間の間に未知の速度で増殖を続けるため、不正確である可能性がある。他の技法においては、計測チャンバ（中央に既知の深さのくぼみを有しているガラス製スライドであって、底部が既知の面積の正方形へと線引きされている）内の単位面積あたりの細胞の数を割り出すことで、細胞の総数を顕微鏡によって割り出すことができる。しかしながら、この技法は、人的誤差に左右されやすい手作業の連続的なプロセスである。
【０００４】
計数の誤差は、既知の体積のサンプル培養物中の細菌のサイズの分布ならびに数を割り出すことができるコ−ルタ−・カウンタ（ｃｏｕｌｔｅｒ  ｃｏｕｎｔｅｒ）など、電子式の計数装置を使用することによって少なくすることができる。コ−ルタ−・カウンタは、既知の体積の懸濁液が送り込まれて通過する孔に依拠している。このカウンタは、高速かつ正確であるが、高価でもあり、人為的複雑さにさらされている。さらに、懸濁液が送り込まれて通過する孔は、媒体および希釈液が注意深く準備されないと、詰まりを生じやすい。
【０００５】
細菌培養物を研究および測定するための他の技法は、既知の体積の懸濁液中の細胞の乾燥重量を割り出すことを含んでいる。この技法は時間を要し、かつかなりの量の培養物を犠牲にする必要がある。したがって、増殖速度の定常的監視には適していない。光学密度も、細胞の密度を使用して増殖速度を割り出すために使用される。しかしながら、培養物について細胞の密度と光学密度との間の相関が、凝集して封入体を形成するタンパク質の生成の間に変化する可能性がある。
【０００６】
ケモスタット（ｃｈｅｍｏｓｔａｔ）も、細菌培養物の研究および測定のために使用可能である。これらの装置は、活動的な増殖の状態において細菌の一定の個体群を維持することができる。これは、細菌培養物の一部分を等しい体積の新鮮な、無菌の、化学的に規定された増殖培地で、定期的に置き換えることによって行うことができる。流入組成物は、その含有物が、濃度が充分に低く保たれる増殖抑制因子を除き、最適な量であるようなものであってよい。適切な流量において、増殖抑制因子の低い濃度が増殖チャンバ内で自動的に確立される。
【０００７】
増殖抑制因子の濃度が充分に低いとき、細菌の増殖速度は、増殖抑制因子の濃度に直接比例し、他の栄養因子ならびに細菌代謝産物とは無関係である。細菌の群集は、おそらくは増殖の定常状態に向かって自動的に進み、そこでは細胞密度が一定に保たれ、増殖速度が、流出物中に失われる細胞を置き換えるために充分である。定常状態の細胞濃度は、希釈率または流入物中の増殖抑制因子の濃度を変化させることによって、変化させることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来からのケモスタットにおいては、デ−タ採取の自動化が容易ではなく、細胞培養物の研究および測定を、労働集約的なものにしている。さらに、このような装置は、大量の増殖培地を消費し、特には高価な試薬を使用しなければならない場合に、実験費用が高くなる。
【０００９】
ケモスタットに関する他の困難性は、それらが増殖チャンバの壁面およびプロ−ブ表面にバイオフィルムを形成しがちである点にある。バイオフィルムは、ケモスタット作業の経過において微生物（例えば、培養物からの細菌）が壁面またはプロ−ブ表面に付着したときから始まる。ひとたび始まると、バイオフィルムは除去が難しく、基質のかなりの量を消費しうる。これは、ケモスタットの固定のバイオマスの基礎的な保存原理を損なって、混成のバッチ／バイオスタットの特徴を生じさせる可能性がある。この作為の重要性は、体積に対する表面積の比が大である研究室規模のケモスタットにおいて、おそらくは大きくなる。したがって、他の特徴の中でもとりわけ、バイオフィルムの成長を抑制または防止し、増殖培地の消費量を少なくするケモスタット技術について、ニ−ズが存在している。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の簡単な概要）
本発明の実施形態は、ケモスタットを含んでいる。このケモスタットは、複数の区画を有する増殖チャンバを備えることができ、区画のそれぞれを、１つ以上の駆動可能なバルブによって当該増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離することができる。さらに、このケモスタットは、増殖チャンバへと増殖培地を供給するための栄養供給ライン、および増殖チャンバから流体を取り去るための出口ポ−トを備えることができる。
【００１１】
また、本発明の実施形態は、ケモスタット・チップを含むことができる。このケモスタット・チップは、ケモスタットからなるアレイを備えることができ、各ケモスタットが、複数の区画を有する増殖チャンバを備えており、区画のそれぞれを、１つ以上の駆動可能なバルブによって当該増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離することができる。さらに、このケモスタットが、増殖チャンバへと増殖培地を供給するための栄養供給ライン、および増殖チャンバから流体を取り去るための出口ポ−トを備えてもよい。
【００１２】
さらに、本発明の実施形態は、ケモスタットの製造方法を含むことができる。この方法は、流通チャネルを有する流通層を形成する工程を含むことができ、ケモスタットの増殖チャンバが、この流通チャネルを含んでいる。この方法は、流通層を第１の制御層と第２の制御層との間に組み合わせる工程をさらに含むことができ、制御層のそれぞれが、流通チャネルの或る区画を流体的に隔離すべく駆動することができる１つ以上の制御チャネルを有している。
【００１３】
また、本発明の実施形態は、ケモスタットの増殖チャンバにおけるバイオフィルムの形成を防止する方法をさらに含むことができる。この方法は、増殖チャンバのうちの隔離された一部分へと溶解剤を加える工程、および前記隔離された一部分を、増殖チャンバの残りの部分へと再び結合させる工程を含むことができる。
【００１４】
さらなる実施形態および特徴は、一部は以下の説明において記載され、一部は本明細書を検討することによって当業者にとって明らかになり、あるいは本発明を実践することによって習得できるであろう。本発明の特徴および利点は、本明細書に記載される手段、組み合わせ、および方法によって実現および達成が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
本発明のケモスタットは、２つ以上の区画へと分割された増殖チャンバを有するマイクロ流体ケモスタットを備えている。これらのケモスタットは、少量の増殖試薬／培地で動作でき、ケモスタット実験の費用を低減する。それらを、実験を実行しつつ、個々のケモスタット区画の清掃が生じるように動作させることができ、装置の壁面へのバイオフィルムの形成を軽減または防止できる。
【００１６】
本発明のマイクロ流体ケモスタットはサイズが小さいため、体積に対する表面積の比が大きい（体積に対する表面積の比が、例えば従来のケモスタットの約１００倍）。この大きな比ゆえ、増殖チャンバ表面の多くの割合（例えば、表面の約５５％、またはそれ以上）を、酸素（Ｏ２）および二酸化炭素（ＣＯ２）などの気体の拡散のための拡散界面として機能させることができる。気体の拡散を、高い気体透過性を有する材料（例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＲＴＶ  ６１５として市販されているポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコ−ン・エラストマ−）から増殖チャンバを構成することによって、さらに向上させることができる。ケモスタットに気体透過性の高い材料を使用することで、高レベルの曝気の提供を助けることができ、高い細胞密度における炭素源の不完全な酸化に起因すると考えられる培地の酸性化および有害な代謝産物の濃度を、軽減できる。細菌増殖培地の酸性および代謝産物濃度を軽減することによって、細菌細胞の増殖の抑制を、従来のケモスタットまたはバッチ培養に比べて少なくできる。
【００１７】
本発明のケモスタットは、希釈を個別の段階にて実行できるよう、不連続モ−ドで運転できる。個別の溶解段階においては、区画のうちの１つが、増殖チャンバの他の部分から流体的に隔離され、区画内の細胞をバイオフィルムを成長させうるチャンバ壁面に付着した細胞をも含めて殺す溶解剤を含んでいる溶解バッファにさらされる。次いで、溶解バッファを取り除き、この区画を増殖チャンバの他の部分へと再び接続する前に、区画に新鮮な増殖培地を加えることができる。溶解段階において区画を隔離することで、増殖チャンバ内のすべての細胞が一度に溶解バッファへとさらされることが防止される。代わりに、個別の溶解段階において生じる清浄化および希釈が、細胞の数を、増殖チャンバの全体積に対する清浄化されるチャンバの体積の比にほぼ等しい割合で減少させる。例えば、増殖チャンバが体積の等しい１６個の区画に分割されている場合には、溶解段階で１つのチャンバを清浄化することで、細胞の総数が１／１６だけ希釈される。このサイズまたはより大きい希釈分であっても、マイクロ流体細菌分流システムは、定常状態に達するに相違ない。
【００１８】
本発明のケモスタットは、細菌微生物の研究を含む種々の細菌培養用途に使用することができる。研究としては、とりわけ細菌代謝産物、調節プロセス、適応および変異の検査および測定が挙げられる。さらに、細菌微生物が環境の変化にどのように応答するのかを研究することも可能である。ケモスタットは、増殖および産物の生成のための一定の環境条件を提供することによって、さらには医薬タンパク質の生成などの生化学的プロセスを最適化する増殖条件の割り出しを容易にすることによって、特定の環境因子の変化に対する細菌の応答の特徴付けを容易にする。このような研究から、自然の状況における微生物の全般的挙動を再現することが可能である。さらに、本発明のケモスタットによってもたらされる良好に管理された増殖条件、および数千の細菌からなる自立した群集についてその場で光学的研究を行うことができる能力は、他の用途の中でもとりわけ、遺伝的調節ネットワ−ク、細菌エコシステム、および人工生物学的回路の研究にも有用である。
【００１９】
さらに、本発明のケモスタットは、例えば医薬タンパク質の生成および生化学的な生体内変化を含む生物学的プロセスの生産性または収量を向上させる増殖条件の割り出し、ならびに維持を可能にする。マイクロ流体ケモスタットの小さな占有面積、並列なア−キテクチャ、および少ない試薬の消費ゆえ、マイクロ流体ケモスタットは、遺伝生化学から医薬品発見までの範囲にわたる高速かつ大量処理のスクリ−ニング用途のための効果的なツ−ルとなることができる。
【００２０】
バイオフィルムの成長を抑える小規模かつ安価なケモスタットが、細胞集団の選択−圧力−駆動のスクリ−ニングを容易にすることができる。ケモスタット内の均一な環境が、ケモスタットの細菌集団を強力な選択圧力にさらし、これが、自然突然変異によって、祖先よりも優れた性質（例えば、より優れた増殖速度、栄養の摂取、難溶性有毒化合物の分解能力、など）を有する突然変異体の出現をもたらしうる。さらにケモスタットを、生の炭化水素、殺虫剤、および汚水などの複合基質の毒性、発がん性、および分解性を理解するための産業分野の細菌研究に使用することも可能である。さらに、このような装置から得られた動的デ−タを、壁増殖効果が顕著ではない大規模のバイオリアクタ−実験へと拡大可能である。本発明によるケモスタットの実施形態のさらなる詳細を、以下で説明する。
【００２１】
（典型的なケモスタット）
ここで図１を参照すると、本発明の実施形態によるケモスタットが示されている。ケモスタットは、１６個の区画１０４を有する増殖チャンバ１０２を備えており、区画１０４のそれぞれを、駆動可能なバルブ１０６によって増殖チャンバ１０２の残りの部分から、流体的に隔離することが可能である。増殖培地を、増殖培地をよく混合された状態に保つための蠕動ポンプ１０８の助けにより、増殖チャンバ１０２を通って循環させることができる。
【００２２】
この実施形態においては、増殖チャンバ１０２が、数十ナノリットル程度（例えば、約１６ｎＬ）の総体積を有する平面ル−プ流体チャネルである。このナノリットル級の体積の増殖チャンバ１０２ゆえ、細菌培養物を、光学顕微鏡（図示されていない）によってその場で監視することができる。この監視は、細菌培養物の細胞密度および形態学的特性について、単一細胞の分解能で自動化されたリアルタイム測定をもたらすことができる。このケモスタットは、従来のバッチ式リアクタよりも数百万倍も小さいリアクタ体積内に約１０５の細胞を有し、かつ１日あたりの培地の消費が約４０マイクロリットル以下である安定した定常状態の細菌培養物を生成しつつ、１週間またはそれ以上にわたって独立して動作するように、自動化可能である。この自動装置は、細菌培養物の細胞の総数および細胞の形態学など、細菌の特性についてリアルタイムかつ非侵襲のサンプリングおよび文書化をもたらす自動の顕微鏡読み取り器（図示されていない）を備えることができる。
【００２３】
ケモスタットの増殖チャンバの体積が小さくなると、その体積に対する表面積の比は大きくなる。これに比例し、結果としてバイオフィルムの成長が、動力学により大きな影響をもたらすようになる。本発明においては、ケモスタットを、個々に指定可能であってバイオフィルムの形成を妨げるべく定期的に溶解バッファで清浄化することができる区画へとセグメント分けすることによって、バイオフィルムの成長を防止（または、抑制）できる。バイオフィルムの形成を防止すること（すなわち、ゼロの壁増殖）によって、ケモスタット状の挙動の分析を簡略化するケモスタットの増殖方程式の理想的な単調システムへの基本的還元が可能になる。
【００２４】
図１に示したケモスタットの実施形態においては、増殖チャンバ１０２が、個々に指定可能であって体積が等しい１６個の区画１０４で構成されている。区画１０４のうちの１つを、駆動可能なバルブ１０６を閉じることによって、チャンバ１０２の残りの部分から隔離することができる。溶解バッファを、溶解バッファ源導入口１０９へと流通可能に接続された供給チャネル１１０を通じて、区画１０４へと供給することができる。さらに、増殖培地を、増殖培地導入口１０７から区画１０４へと供給することができる。廃棄物を、廃棄物排出口１１４ａ〜ｃのうちの１つを通じて増殖チャンバ１０２から取り去ることができる。
【００２５】
実施形態は、増殖チャンバ１０２の内壁へのバイオフィルムの成長を防止するため、定期的に隣接する区画を順次に清掃および洗浄することを含んでいる。区画１０４が増殖チャンバへと再び復帰するとき、チャンバ１０２内の細菌培養物は１／１６だけ希釈される（増殖チャンバ１０２の総体積に対する区画１０４の体積の比）。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態によるケモスタット清掃方法の各工程を含んでいるフロ−チャ−トを示している。この方法は、ケモスタットの増殖チャンバの個々の区画の個別の溶解を含んでいる。個別の溶解は、工程２０２において、区画の両側のバルブを閉じることによって、個々の区画を増殖チャンバの残りの部分から流体的に隔離することを含んでいる。流通を隔離した区画を、供給チャネルおよび排出チャネルへと接続することができ、工程２０４において、区画へと溶解バッファを導入すべく供給バルブが開かれる。溶解バッファは、或る時間期間（例えば、６０秒間）にわたって区画を流れて細胞懸濁液を流し出し、壁面に付着しているであろう細胞を解消（溶解）させる致死細菌タンパク質抽出試薬（イリノイ州ＲｏｃｋｆｏｒｄのＰＩＥＲＣＥ社から市販されている溶解剤）を含むことができる。次いで、工程２０６において、区画に新鮮な無菌の増殖培地を或る時間期間（例えば、約６０秒間）にわたって流すことによって、溶解バッファを細胞の残りとともに取り去ることができる。ひとたび区画が洗浄されて新鮮な増殖培地で満たされると、工程２０８において、当該区画を増殖チャンバの残りの部分に再び結合させるため、供給チャネルおよび排出ポ−トを閉じて、駆動可能なバルブを再び開くことができる。流入物を増殖チャンバの全体にわたって迅速かつ均一に分散させるため、工程２１０において、回転混合（ｒｏｔａｒｙ  ｍｉｘｉｎｇ）を再開させることができる。
【００２７】
個別の流通／順次溶解の清掃方法を、連続する区画を希釈施設として使用して、実験の最中に定期的に繰り返すことができる。増殖チャンバの各区画の順次溶解は、チャンバの表面へのバイオフィルムの形成を抑制または防止する或る時間期間にわたる定期的（例えば、３時間ごとに１回）な増殖チャンバの化学清掃をもたらすことができる。増殖チャンバを個々に指定できることが、有効な流体の隔離に組み合わせられることで、所与の区画について、増殖チャンバの残りの部分の細菌の増殖に実質的に害をもたらすことなく、初期の壁増殖の除去が可能になる。
【００２８】
（典型的なケモスタット・チップ）
本発明は、ケモスタット・チップ３００に取り入れられた２つ以上のケモスタットのアレイを含んでいる。図３は、マイクロ流体ケモスタット・チップ３００上の２×３のアレイに組織化された６個のケモスタット３０２を示している。動作時、複数のケモスタット実験を、ケモスタット・チップ３００上で並列に（すなわち、時間的に重なり合って）行うことができ、自動化された顕微鏡読み取り器（図示されていない）によって、各実験について細菌の特性（例えば、細胞の総数）のリアルタイムのサンプリングおよび文書化を行うことができる。この種の自動化されたデ−タの取得は、人的誤差によって引き起こされる人為の可能性を軽減し、デ−タの採取速度および実験の最中に記録されるデ−タの時間分解能を向上させる。
【００２９】
ケモスタット・チップ３００上の２×３のアレイは、ミリメ−トルの程度の寸法（例えば、２０ｍｍ×３５ｍｍ×５ｍｍ）を有することができ、シリコ−ン・エラストマ−から製造することができる。チップ３００は、並列に動作できる６つの流体ル−プ・ケモスタット３０２を有している。各ケモスタット３０２は、４つの入力ポ−トおよび出力ポ−トにつながる栄養供給ラインによって囲まれた増殖チャンバを含んでいる。増殖チャンバのそれぞれは、長方形の断面内部形状（１０μｍ×１４０μｍ）を有する中空の角が丸められた正方形片（周囲が１１．５ｍｍ）を含んでいる。増殖チャンバの中身の回転混合のため、３バルブ式の蠕動ポンプが増殖チャンバに沿って位置している。増殖チャンバのル−プは、流体の隔離および蠕動ポンプによる送出のためのバルブを含んでいる領域において丸められた断面形状を有することができる。へそ状の流体リンクが、戦略的な８つの位置において、増殖チャンバを供給ラインへと接続することができる。それぞれの増殖チャンバの周囲には、２つのポ−トが存在している。これらのポ−トは、チップへと取り入れられた直径６２５μｍの孔であってよい。
【００３０】
マイクロ流体ベ−スのケモスタットの小さな占有面積および並列ア−キテクチャが、２次元ケモスタット・アレイでの大規模なスクリ−ニング調査を可能にする。壁増殖がゼロであるというチップ３００の様相が、ケモスタットの方程式の理想的な単調システムへの基本的還元を可能にし、ケモスタット状の挙動の分析を簡略化する。図示の実施形態において、各ケモスタット３０２は、約１１ｎＬの有効体積を保持し、したがって実験のために必要とされる試薬（例えば、増殖培地）の量が少ない。これは、チップ３００において実行される実験の運転コストを大きく低減する。
ケモスタット・チップの典型的な製造
次に図４を参照すると、ケモスタット・チップの制作方法の各段階を含んでいるフロ−チャ−トが示されている。この方法は、工程４０２において流通層を形成することを含んでいる。流通層は、シリコ−ン・エラストマ−であるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＲＴＶ  ６１５）から、標準的な「多層ソフト・リソグラフィ（ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ  ｓｏｆｔ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）」を使用して製造できる。この層は、矩形のチャネル形状ならびにバルブ動作のための丸められた形状の両者を備えて形成できる。
【００３１】
流通層のためのネガのモ−ルドを、２つの異なる種類のフォトレジストを順次に適用することによって成型できる。矩形のチャネルの造作を、熱処理時に丸まることがない第１のフォトレジスト材料（例えば、マサチュ−セッツ州ＮｅｗｔｏｎのＭｉｃｒｏＣｈｅｍ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＳＵ８  ２０１０）から成型できる一方で、流通層の他の造作を、第２のフォトレジスト材料（例えば、バ−ジニア州ＲｅｓｔｏｎのＭＥＭＳ  Ｅｘｃａｈｎｇｅ社のＳＲＪ  ５７４０）から製作できる。第１のフォトレジスト材料を、厚さ１０μｍの層を生み出すべくシリコン・ウエハ上に引き延ばし（例えば、ウエハを３，０００ｒｐｍで６０秒間回転させる）、ネガの高分解能透明マスクを使用してパタ−ン化することができる。第２のフォトレジスト材料を、厚さ１０μｍの層を生み出すべく同じシリコン・ウエハ上に引き延ばし（例えば、ウエハを２，２００ｒｐｍで６０秒間回転させる）、第１のフォトレジスト材料に形成されたパタ−ンに一致するように整列させたポジの高分解能透明マスクを使用して、パタ−ン化することができる。次いで、この２つのフォトレジストの混成モ−ルドを、１２０℃で２０分間熱処理し、第２のフォトレジスト材料のチャネルの造作のための丸められたチャネル形状を達成しつつ、第１のフォトレジスト材料の造作の矩形形状を保つことができる。
【００３２】
さらに、この製造方法は、工程４０４において第１および第２の制御層を形成し、次いで工程４０６において流通層を制御層の間に組み合わせることを含んでいる。制御層は、アレイ内の各ケモスタットの増殖チャンバ内の流れの制御、回転混合、および流通の隔離のため、各流体モジュ−ルの種々の領域において別個の機能を有している。制御ラインと流体ラインとの間の接合部のそれぞれに、制御チャネルの水圧による駆動によって流体チャネルを閉じるべく反らすことができる薄い膜が存在しており、バルブを生成している。一列に並んだ３つのバルブを、増殖チャンバ内で流体を循環させるための蠕動ポンプを形成するために使用することができる。
【００３３】
チップの制御層および流通層は、フォトリソグラフィによってシリコン・ウエハ上にパタ−ン形成した別個のモ−ルドから成型することができる。制御層の造作のためのネガのモ−ルドを、フォトレジスト（ニュ−ジャ−ジ州ＳｏｍｅｒｖｉｌｌｅのＣｌａｒｉａｎｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＡＺ  ＰＬＰ  １００  ＸＴフォトレジスト）から製造することができる。このフォトレジストを、厚さ３０μｍの層を生成すべく６０秒間にわたって１，２００ｒｐｍのシリコン・ウエハ上に引き延ばし、ポジの高分解能透明マスクを使用してパタ−ン化することができる。
【００３４】
エラストマ−材料を利用するマイクロ製作の流体装置の形成についてのさらなる詳細は、本発明の実施形態によるケモスタット・システムを使用して行ったいくつかの実験についての検討に続いて説明する。
【実施例】
【００３５】
（実験）
種々の希釈率および流入物の組成における大腸菌の挙動を特徴付けるため、本発明の実施形態によるケモスタットを使用して、実験を行った。
【００３６】
大腸菌（Ｅ．Ｃｏｌｉ）培養物の定常状態の挙動を、栄養の入手性による増殖速度の変調の測定およびモデル化を含め、有毒な代謝産物の蓄積の影響を考慮しつつ、ケモスタットで調査した。研究は、栄養の枯渇および有毒な代謝産物の蓄積だけが、大腸菌培養物の指数段階から静止段階への移行の原因ではないことを示している。定足数検出機構（細胞関連の検出）も、栄養の濃度が制限されていなくても（減少しつつあっても（ａｌｂｅｉｔ  ｄｅｃｌｉｎｉｎｇ））細胞分裂および密度の重要な調節因子であることが明らかになっている。換言すると、栄養素濃度が制限的でなく減少していなくても、大腸菌は、細菌培養物を指数の増殖段階から静止した増殖段階へと向けることができる細胞関連の検出機構によって、自身の細胞密度に応じて自身の増殖速度を調節する。これは、細菌の集団が代謝エネルギ−を保存して静止段階への引退後の培養可能性の期間を最大化するために、栄養の消費を節約するやり方かもしれない。
【００３７】
ケモスタット実験を、複合（ＬＢ）培地上で増殖する大腸菌を使用して実行した。本発明者らの実験的測定に一致するモデルが、定常状態の栄養の濃度が抑制の仕組みの中にはないことを示唆した。これは、ケモスタット内の定常状態の確立を、有毒な代謝産物の蓄積以外の細胞密度依存性の機構によるものであると考えさせるものであった。これは、前記細胞関連の検出機構によって増殖が抑制されているとする証拠をもたらしている。ケモスタットによる実験は、定常状態の増殖の確立が、栄養の制限ではなく、細胞関連の検出に依存することを示唆している。次に、ケモスタット・システムについての詳細を説明する。
【００３８】
ケモスタット・システム：実験に使用されるマイクロ流体ケモスタット・システムは、１つのチップ上の６つのマイクロ−ケモスタット（それぞれ、約１０ｎＬ）の同時監視を可能にし、かつ高い時間分解能をもたらす非侵襲自動オンライン細胞密度分析器を備えている。ケモスタットは、細菌の壁増殖がゼロで動作するよう精製されている。マイクロ流体チップは、標準的なソフト・リソグラフィ技法に従ってシリコ−ン・エラストマ−から製造されている。本発明者らは、これらの装置においてよく増殖する細菌の能力を、シリコ−ン・エラストマ−の高い気体透過性ならびに増殖チャンバの体積に対する表面積の比の約１００倍の増加によるものと考えている。
【００３９】
細菌株：実験においては、大腸菌株ＭＧ１６５５、およびｌａｃ  Ｉを呈するＤｈ５α菌株を使用した。これらの菌株は、Ｄｒ．  Ｕｒｉ  Ａｌｏｎから受け取った。
【００４０】
前培養物：ルリア−ベルタ−ニ（Ｌｕｒｉａ−Ｂｅｒｔａｎｉ：ＬＢ）培地は、Ｂａｃｔｏ  Ｙｅａｓｔ  Ｅｘｔｒａｃｔ（５ｇＬ−１；メリ−ランド州ＳｐａｒｋｓのＢｅｃｋｔｏｎ，  Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｎｙ）、バクトトリプトン（１０ｇＬ−１；メリ−ランド州ＳｐａｒｋｓのＢｅｃｋｔｏｎ，  Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｎｙ）、ＮａＣｌ（１０ｇＬ−１；ニュ−ジャ−ジ州ＰｈｉｌｌｉｐｓｂｕｒｇのＭａｌｌｉｎｃｋｒｏｄｔ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）、抗付着剤としてのＢｏｖｉｎｅ  Ｓｅｒｕｍ  Ａｌｂｕｍｉｎ（５ｇＬ−１；ミズ−リ州Ｓｔ．  Ｌｏｕｉｓ  のＳｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ）、および抗生剤としてのｋａｎａｍｙｃｉｎ（３０μｇ／ｍＬ）を含んでいた。冷凍ストックから接種した培養物（１ｍＬ）を、２８０ｒｐｍで振動させつつ３７℃で６時間にわたって増殖させた。さらなる実験においては、１０％（ｖ／ｖ）のＭＯＰＳ混合物、１％（ｖ／ｖ）の０．１３２Ｍ  Ｋ２ＨＰＯ４、１０％（ｖ／ｖ）のＡＣＧＵサプリメント、２０％（ｖ／ｖ）のサプリメントＥＺ、および１１ｍＭのグルコ−ス（カリフォルニア州Ｈａｌｆ  Ｍｏｏｎ  ＢａｙのＴｅｋＮｏｖａ  Ｉｎｃ．）を含んだＭＯＰＳ  ＥＺリッチな培地を使用した。
【００４１】
ケモスタット培養物：ケモスタット培養物（標準体積１１ｎＬ、温度２１℃、ｐＨ７）に前培養物を、１μＬ−１に約５個の細菌となるまで接種した。ＬＢ培地を、３ｇＬ−１、０．５ｇＬ−１、および０．１ｇＬ−１に調節したバクトトリプトン濃度で使用した。さらなる実験においては、１６ｎＬの標準体積、２１℃または３７℃の温度、およびｐＨ７を有するケモスタット培養物に、前培養物を１μＬ−１に約２０個の細菌となるまで接種した。同じＬＢ培地を使用した。
【００４２】
マイクロ流体ケモスタット読み取り器：マイクロ流体ケモスタット読み取り器を、自動化された実験の制御、デ−タ取得、およびデ−タ処理を促進するために組み立てた。それは、ＰＲＩＯＲ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社のＸＹＧという動力式ステ−ジ・システム（カリフォルニア州Ｌａｋｅ  ＦｏｒｅｓｔのＡ．  Ｇ．  Ｈｅｉｎｚｅ  Ｉｎｃ．）を備え付けたＮｉｋｏｎ社のＴＥ  ２０００（カリフォルニア州Ｌａｋｅ  ＦｏｒｅｓｔのＡ．  Ｇ．  Ｈｅｉｎｚｅ  Ｉｎｃ．）という倒立顕微鏡で構成されたマルチ・コンポ−ネントのシステムであった。画像化を、４０×  ｄｒｙ  Ｎｉｋｏｎ対物レンズ、またはＰｌａｎ  Ｆｌｕｏｒ  ４０×  ０．７５ＮＡ  ｐｈ２  ＤＬＬ対物レンズを使用して行った。画像を電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラによって取得し、ＰＸＣ２００カラ−・フレ−ム・グラバ−（オレゴン州ＢｅａｖｅｒｔｏｎのＣｙｂｅｒｏｐｔｉｃｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）によって記録した。本発明者らは、これらの構成コンポ−ネント（ならびに、他のチップ運転機能）の同期動作の制御のために、Ｌａｂｖｉｅｗソフトウェアに実装されるアルゴリズムを開発した。
【００４３】
顕微鏡計数：ケモスタットのア−キテクチャは、すべての細菌細胞が増殖チャンバ内で単一の焦点面と等価な１０μｍの高さに閉じ込められるようなものであった。したがって、各ケモスタット内の細胞の総数が、既知の体積の増殖チャンバ部位に存在する細胞の数を数えることによって、自動化された顕微鏡検査を通じて割り出された。９枚の静止画像からなる組を、連続するスナップ撮影の間に増殖チャンバを回転混合させつつ、ケモスタットの所与の位置において取得した。本発明者らは、取得した画像の組について細胞の数の平均を割り出して、そこから細胞の総数を外挿できる画像処理アルゴリズム（Ｍａｔｌａｂに実装される）を開発した。動力式ステ−ジ・システムが、チップ上で並列に実行されている複数のケモスタット実験の同時の文書化を可能にした。
【００４４】
４０の実験を、２１℃または３７℃で、種々の増殖培地（それぞれグルコ−スおよびバクトトリプトンの濃度がさまざまであるＭＯＰＳ  ＥＺ  ＲＩＣＨおよびＬＢ培養液）を使用して５つの異なるチップにて実行した。表１が、これらの実験についての実験条件を要約している。
【００４５】
【表１】
2007517523.tif 000003
図４Ａ〜Ｂは、種々の増殖培地における増殖曲線を、時間の関数として示している。赤いデ−タ（５、６、７）が、固定の希釈率のＬＢにおけるバクトトリプトンの濃度の違いを表わしている一方で、空白の円（３、４、６）は、一定の流入栄養組成物を種々の希釈率について描いている。図５は、Ｔａｕ  Ｉおよび希釈率の関数を示している。図６は、種々の増殖培地における定常状態の細胞濃度を、希釈速度の関数として示している。接種後、各ケモスタットの培養物は、接種材料の年齢およびサイズに応じた変化する遅延期間で開始した。これは、定常状態の枠組みへと下落する指数段階によって置き換えられた。定常状態の動作が、或る範囲の希釈率（０．０７２〜０．３５２ｈｒ−１）にわたって可能であることが確認された。この範囲にわたって、培養は、流量を所与の値に設定すると生物の濃度が定常状態を達成したという点で自動調節であった。流量を変化させると、新しい定常状態が自動的に得られた。
【００４６】
これらの実験においてなされた観察および測定から、マイクロ流体ケモスタットにおける動力学について２つのモデルが構築された。モデルは、細胞の増殖の制御に関する要因を表わすために、少数のパラメ−タしか使用しない。これらのモデルは、調査においてなされた観察および測定に一致していた。モデルは、定常状態の栄養の濃度が、抑制の仕組みではないことを示している。すなわち、観測された定常状態は、おそらくは栄養の枯渇以外の何物かによるものである。したがって、定常状態は、おそらくは有毒な代謝産物の蓄積、または定足数の検出に依存する機構によるものと考えられる。
【００４７】
（細菌の増殖についての第１のモデル）
本発明者らは、実験に使用したケモスタット・システムにおける細菌の増殖の動力学を探るため、大腸菌培養物の増殖速度が細胞濃度の検出および定量分析によっても規制されているという先の観察結果を説明すべく、従来からのケモスタット・モデルを変更した。本発明者らは、比増殖速度と基質濃度との間の関係を規定するＭｏｎｏｄモデルを維持した。本発明者らは、細胞密度に依存する増殖速度の規制（有毒な代謝産物または定足数検出分子の蓄積）を表現する項を含めた。したがって、このモデルにおいて、マイクロ流体ケモスタットにおける細菌の増殖は、次のように表現される。
【００４８】
【数１】
2007517523.tif 000004
ここで、ｘ１は細菌の数であり、ｘ２は栄養の濃度であり、ｘ３は細胞密度依存性（ＣＤＤ）の増殖抑制因子（代謝産物の濃度またはＱＳ分子）である。最初の式は、栄養の消費、速度Ｄでの希釈、およびＣＤＤ因子による増殖の抑制により細胞の増殖をそれぞれ表現している。第２の式は、栄養の注入、希釈、および消費を記述している。第３の式は、ＣＤＤ因子の生成および希釈を伝えている。μｍａｘは、増殖抑制基質の飽和レベルにおいて生じる最大の増殖速度である。Ｄは希釈率であり、κｓは、最大値の半分である１／２μｍａｘで増殖が生じる基質濃度である。ａは、流入物中の増殖抑制基質の濃度である。γおよびξは、ＣＤＤ因子が細菌へともたらす増殖抑制効果、およびその細菌による生成速度を表わしている。Λは、収量係数に対する増殖定数の比である。
【００４９】
本発明者らは、ＣＤＤ因子の濃度が擬似的に定常であると仮定することによって、このモデルを簡略化する。ＣＤＤ因子の動力学を含めることで、細胞濃度の「オ−バ−シュ−ト」および振動を許すことになる。われわれは、ここではこれを無視し、単純に次のようにする。
【００５０】
【数２】
2007517523.tif 000005
さらに本発明者らは、６次元のパラメ−タを３次元だけ少なくするため、２つの濃度および時間の変数をスケ−リングし直す。以下のスケ−リング、すなわちｔ＝Ｔ／μｍａｘ、ｘ１＝ｙ１／Λ、およびｘ２＝κｓｙ２により、式の組（式１、２、および３）は、次のように還元される。
【００５１】
【数３】
2007517523.tif 000006
ここで、
【００５２】
【数４】
2007517523.tif 000007
は、システムの動力学を支配する独立パラメ−タである。ここで、
【００５３】
【数５】
2007517523.tif 000008
はμｍａｘによってスケ−リングされた希釈率であり、Ａは、１０ｇＬ−１の最適濃度に対する流入物中のバクトトリプトンの濃度の割合であり、Ψは、初期の増殖速度に対するＣＤＤ因子の比である。これらのスケ−リングは、ａおよびＤが実験的に調節できる「つまみ」であるために選択される。このモデルは、栄養の量が制限的でなくても、細菌が自身の増殖速度を減少するように調節することを可能にする。
【００５４】
不連続な希釈：マイクロ流体ケモスタットにおける希釈は、順次の溶解の仕組みに対応するために、不連続な段階で実行される。約１／１５の希釈分であっても、マイクロ流体不連続流培養物は、定常状態に到達するであろう。これは、不連続流のシステムにおける細菌の増殖を支配している式１、２および３の繰り返しの対応物を分析することによって観察される。
【００５５】
【数６】
2007517523.tif 000009
ここで、Δｔは、シミュレ−ションの不連続な時間増分であり、Ｔは、連続する希釈の間の期間である。ＴＤは、ケモスタット増殖チャンバのうち、各希釈の際に置き換えられる部分である。ＨｎΔｔは、ｎが希釈が生じる段階である場合にＨｎΔｔ＝１であり、そうでない場合にゼロであるように定められるＨｅａｖｉｓｉｄｅ単位工程関数を表わしている（希釈時間Ｔの間の最初の時間単位）。固定の希釈率において、希釈分がゼロに近づくと、希釈期間Ｔが時間増分Δｔに近づく。明らかであるが、流れが連続的になり、式の組（式８、９および１０）が組（式１、２および３）と同一になる。
【００５６】
マイクロ流体ケモスタットにおける大腸菌の増殖：標準的なケモスタット動作において、流入組成物は、その濃度が充分に低く保たれる増殖抑制因子を除き、すべての成分が最適な量であるようなものである。すなわち、増殖抑制因子が、増殖速度および定常状態のケモスタット濃度を決定する。マイクロ流体ケモスタットの実験においては、定められていないルリア−ベルタ−ニ（ＬＢ）培地を、種々の濃度のバクトトリプトン成分で使用した。そのような複合基質の培地において、最高の効率で利用される基質の支出における増殖が、定常状態の確立をもたらし、他に存在する基質は完全には利用されない。この理由で、流入物中の未知ではあるが特定のバクトトリプトン成分が、増殖抑制因子の役割を果たした。
【００５７】
一連の実験を、１μＬあたり約５個の細菌で接種したマイクロ・ケモスタットにて、種々の流入物バクトトリプトン濃度（３ｇＬ−１、０．５ｇＬ−１、および０．１ｇＬ−１）で、室温（２１℃）で実行した。理論と歩調をあわせ、各ケモスタット培養物は、接種材料の年齢およびサイズに応じた変化する遅延期間で開始した。これは、無限の定常状態の枠組みへと下落する指数段階によって置き換えられた（図４Ａ〜Ｂを参照）。定常状態の動作が、或る範囲の希釈率（０．０７２〜０．３５２ｈｒ−１）にわたって可能であると確認された。この範囲にわたって、培養物は、流量を所与の値に設定すると生物の濃度が定常状態のレベルに向かって動き、定常状態のレベルに落ち着き、これが流量を変化させない限り無限に維持されるという点で自動調節であった。流量を変化させると、新しい定常状態が自動的に得られた。
【００５８】
群集のサイズが小さく栄養が限られていない指数的増殖段階の初期の段階において、比増殖速度μｍａｘは、
【００５９】
【数７】
2007517523.tif 000010
によって与えられる。値ｄ（ｌｏｇｅｘ１）／ｄｔは、セル群集の密度ｘ１（ｔ）をｙ＝ａｅｂｔ＋ｃの形式の指数関数に当てはめることによって実験的に決定された。結果は、図５Ａ〜Ｂに示されている。
【００６０】
スケ−リングしたモデルを定常状態の濃度について解くことで、４つの固定の点がもたらされる。１つは、細菌が存在しない些細な固定点である（ｙ１ａ＝０）。些細ではない他の３つの固定点のうち、ただ１つのみが、負でない細胞および栄養濃度を有していた。測定された初期増殖速度μｍａｘ≒０．５２ｈｒ−１は、流入物の栄養の組成にかかわらず一定であり、これはＭｏｎｏｄモデルと一致している。
【００６１】
定常状態の細胞濃度：ｙ１は、本発明者らが測定することができないパラメ−タである１／Λでスケ−リングされている。したがって、測定されたすべての細胞濃度は、
【００６２】
【数８−１】
2007517523.tif 000011
の値で正規化され、ｙ１は
【００６３】
【数８−２】
2007517523.tif 000012
によって評価される。Ａ＝５およびΨ＞０．５について妥当な当てはめが得られる（図６を参照）。ｙ１のスケ−リングは１／Λでスケ−リングされ、本発明者らが測定できないパラメ−タは、Ψについての本発明者らの密な当てはめを拒む。しかしながら、細胞密度に依存する増殖抑制が、デ−タを説明するために必要である。これを示すため、細胞密度依存性の増殖抑制が存在しないシステム（Ψ＝０）について、同様の分析を実行した。これは、定常状態の細胞および栄養濃度をもたらし、
【００６４】
【数９】
2007517523.tif 000013
すべての希釈率において、定常状態の群集が、栄養の濃度に対する一定の比例によって分離されることを意味しているが、これは実験的には観測されなかった（図４Ａ〜Ｂを参照）。これは、Ψが「充分に大」であることを示しており、細胞密度依存性の増殖因子の強力な証拠である。
【００６５】
定常状態到達のための時定数：定常状態到達のための時定数の実験値を、ケモスタット増殖曲線から割り出した。Ａ＝５およびΨ＞０．５について妥当な当てはめが得られる（図７を参照）。このように、細胞密度依存性の増殖抑制が、デ−タを説明するために必要である。本発明者らは、このパラメ−タを、Ψ＝０のシステムについて分析した。この条件において、定常状態に達するための時定数は、
【００６６】
【数１０】
2007517523.tif 000014
のように変化し、これは説得力のない当てはめにつながる。これは、時定数をもたらす。
【００６７】
モデルは、実験の観測および測定に一致していた。それは、栄養の濃度などの測定可能でない変数の推定をもたらした。細胞密度についての固定点の値を使用し、モデルは、定常状態の栄養濃度を予測した。定常状態の栄養濃度は、抑制の仕組みの中にはないことが見出された（図７を参照）。上述の簡潔なモデルが、実験の測定（定常状態の栄養濃度および定常状態に達するための時定数）と一致することが証明された。
【００６８】
（細菌の増殖についての第２のモデル）
第２のモデルも、ケモスタット内での細菌の増殖を記述するために使用された、この第２のモデルは、基質が限られた増殖についての比増殖速度と基質濃度との間の関係を規定するＭｏｎｏｄモデルと、栄養の消費速度および有毒代謝産物による増殖抑制を記述するためにＣ．Ｃ．Ｓｐｉｃｅｒによって開発されたモデルとを組み合わせている。第２のモデルにおいては、希釈率Ｄにおけるケモスタット内の細菌の増殖を記述するために微分方程式が使用された。
【００６９】
【数１１】
2007517523.tif 000015
ここで、ｘ１、ｘ２およびｘ３は、それぞれ細菌の群集のサイズ、増殖抑制する栄養の濃度、および有毒な代謝産物の濃度数である。μｍａｘは、増殖速度定数（すなわち、増殖抑制因子の飽和レベルにおいて生じる最大の増殖速度）であり、κｓは、最大値の半分である１／２μｍａｘで増殖が生じる基質濃度である。ａは、流入物中の増殖抑制基質の濃度である。定数ζおよびγは、細菌への有毒代謝産物の致死効果、およびそれらによるその生成速度を表わしている。Ｙｘ１／ｘ２は、収量係数であり、消費された増殖抑制的な基質の量あたりに形成される細菌の重量を表わしている。
【００７０】
指数的増殖段階の初期の段階においては、細胞密度が低く、有毒な代謝産物の濃度ｘ３が無視できるほど低い。このような条件のもとでは、増殖抑制的な基質濃度が、κｓに比べて高い。したがって、式１３が、
【００７１】
【数１２】
2007517523.tif 000016
へと還元される。
【００７２】
定常状態において、増殖抑制基質の濃度は、きわめて小さい。そのような状況のもとでは、細菌の増殖速度は、増殖抑制因子の濃度に線形に比例する。したがって、定常状態において増殖を支配している微分方程式は、
【００７３】
【数１３】
2007517523.tif 000017
へと還元され、ここでλは、増殖速度を増殖抑制の栄養濃度に関連付ける比例定数であり、κは、細菌あたりの増殖抑制の栄養の消費の速度である。したがって、λ／κは、１つの細菌を生み出すために必要とされる増殖因子の量である。
【００７４】
高い希釈率においては、定常状態の細胞密度が抑えられる。この理由のため、本発明者らは、有毒な代謝産物の濃度ならびに影響を無視することによって、κの値を評価することができる。定常状態の栄養の濃度
【００７５】
【数１４】
2007517523.tif 000018
および定数κを、それぞれ式１７および式１８から、
【００７６】
【数１５】
2007517523.tif 000019
として割り出すことができる。
【００７７】
希釈率が小さくされると、定常状態の細胞密度が大きくなり、有毒な代謝産物の濃度が意味を持つようになる。式１８および１９から、本発明者らは
【００７８】
【数１６】
2007517523.tif 000020
（γに関して）を割り出す。
【００７９】
【数１７】
2007517523.tif 000021
数学的な便利のため、γを、式１３における単位変換目的のためのブックキ−ピング・パラメ−タとして取っておき、その値を単一性にとどめる。したがって、定数μは、
となる。
【００８０】
【数１８】
2007517523.tif 000022
不連続な希釈：実験において使用されたケモスタット・システムは、不連続モ−ド（すなわち、連続的でない）で運転される。希釈は、増殖チャンバ内のすべての細胞を溶解バッファにさらすことを避けるため、不連続な段階にて実行される。モデルもまた、細菌の群集を１６分の１だけ減少させる不連続な各希釈段階に基づいている。そのような希釈分であっても、マイクロ流体細菌不連続流システムは、定常状態に達するであろう。不連続および連続の運転モ−ドは、不連続流システムにおける細菌の増殖を支配する再帰方程式の組を分析することによって、折り合いをつけることができる。
【００８１】
【数１９】
2007517523.tif 000023
ここで、Δｔは、シミュレ−ションの不連続な時間増分であり、Ｆは、各希釈において置き換えられるケモスタットの割合であり、Ｈ（ｔ）は、希釈の始まりにおいてＨ（ｔ）＝１であって、そうでない場合にはＨ（ｔ）＝０であるように定められるＨｅａｖｉｓｉｄｅ単位工程関数を表わしている。希釈率Ｄが、希釈が時間期間Ｔ＝Ｆ／Ｄに従って定期的に実行されるという事実によって置き換えられる。固定の希釈率において、希釈分がゼロに近づくと、希釈期間が短縮され、流れが連続的になる。
【００８２】
連続的培養における増殖：標準的なケモスタットの運転において、流入物は、増殖抑制因子という１つを除き、細菌が必要とするすべての増殖因子の最適な濃度を含んでいる。その濃度が比較的低く保たれる増殖抑制因子が、定常状態における在住培養物中の細胞濃度を決定する。マイクロ流体ケモスタットの実験においては、定められていないルリア−ベルタ−ニ（ＬＢ）培地を、種々の濃度のバクトトリプトン成分で使用した。そのような複合基質の培地において、最高の効率で利用される基質の支出における増殖が、定常状態の確立につながり、存在する他の基質の不完全な利用を伴う。この理由で、流入物中の特定の未知のバクトトリプトン成分であっても、増殖抑制因子の役割を果たす。
【００８３】
細胞密度が低い指数的増殖段階の初期の段階においては、有毒な代謝産物の濃度は、無視できるほど低い。このような条件のもとでは、生物は、κｓに比べて高い基質濃度において増殖しており、比増殖速度がほぼμｍａｘに等しいことを意味する。したがって、大腸菌株の比増殖速度が、
【００８４】
【数２０】
2007517523.tif 000024
による実験条件のもとでマイクロ流体装置を使用して種々の希釈率において割り出された。
【００８５】
値ｄ（ｌｏｇｅｘ）／ｄｔは、ｘ１（ｔ）をｙ＝ａｅｂｔ＋ｃの形式の指数関数に当てはめることによって得られた定数ｂから決定された。典型的な実験結果は、図４に示されている。
【００８６】
実験を、１μＬあたり約５個の細菌で接種したケモスタットにて、種々の初期バクトトリプトン濃度で室温（２１℃）で実行した。理論と歩調をあわせ、各ケモスタット培養物は、接種材料の年齢およびサイズに応じた変化する遅延期間で開始した。これは、無限の定常状態の枠組みへと下落する指数段階によって置き換えられた。定常状態の動作が、或る範囲の希釈率（０．２〜０．４）にわたって可能であると確認された。この希釈率の範囲にわたって、培養物は、流量を所与の値に設定すると生物の濃度が定常状態のレベルに向かって動き、定常状態のレベルに落ち着き、これが流量を変化させない限り無限に維持され、流量を変化させると新しい定常状態が自動的に得られるという点で自動調節であった。
【００８７】
流入物の基質濃度の影響：高い希釈率において、定常状態濃度は、流入物中のバクトトリプトン濃度に比例する。しかしながら、この比例性は、希釈率が下げられるにつれて消え失せる。この現象は、細菌の有毒な代謝産物による増殖抑制のためであると考えられる。低い定常状態細胞密度に味方する高い希釈率においては、有毒な代謝産物の濃度ならびに影響が抑えられる。希釈率が下げられるにつれ、細胞培養物は、より高い定常状態細胞濃度に達して落ち着こうとする試みにおいて、自身を調節する。細胞密度と歩調を合わせて、有毒な代謝産物の濃度が増殖抑制レベルへと増加する。したがって、固定の希釈率において、流入物中の種々のバクトトリプトン濃度が、同じ細胞密度をもたらす。
【００８８】
図Ｘにおいて、３つのグラフが、種々の流入物バクトトリプトン濃度について、室温および固定の希釈率Ｄ＝０．３７７ｈｒ−１におけるマイクロ流体ケモスタット内の大腸菌の細胞密度を、時間の関数として示している。細菌の増殖速度を、希釈率を調節することによって制御することも可能であった。
【００８９】
ＬＢは、複雑なケモスタットの動力学を生じさせると予想されるいくつかの炭素源を含んでいる複合培地である。そのような培地においては、最高の初期効率で利用される基質によって活気付けられる増殖が、一時的な定常状態の確立をもたらすことができ、細菌代謝産物の他の基質の利用への変換を伴う。驚くべきことに、ケモスタットは、その絶対値がバクトトリプトンの濃度とともに変化する群集を有する単純な定常状態の増殖を達成することが観察された。Ｍｏｎｏｄモデルから予測されるように、接種の直後の初期の増殖定数は、栄養の濃度および希釈率とは無関係であり、細菌の固有の増殖速度を呈する。定常状態に達するにつれ、細菌は、栄養に制限されるようになりつつ、希釈率への「追従」を見せ、それらの増殖速度が、低速になることが観察された。リアクタ内の定常状態濃度は、単純なＭｏｎｏｄモデルに一致する様相で希釈率および増殖抑制因子に比例する。
【００９０】
（マイクロ加工による流体装置の形成の検討）
（Ｉ．マイクロ加工の概要）
以下の検討は、本件出願と譲受人が同一である２００１年４月６日付の米国特許出願第０９／８２６，５８５号、２０００年１１月２８日付の米国特許出願第０９／７２４，７８４号、および２０００年６月２７日付けの米国特許出願第０９／６０５，５２０号に広く記載されているようなエラストマ−材料を使用したマイクロ加工による流体装置の形成に関する。これらの特許出願は、あらゆる目的に関し、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。さらなる詳細を、２００２年６月２５日に発行されたＵｎｇｅｒらの米国特許第６，４０８，８７８号にも見つけることができ、この特許の内容の全体も、あらゆる目的に関し、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとする。
【００９１】
（１．製造方法）
本発明を製造する具体的な方法が、ここに提示される。本発明がこれらの方法のうちのいずれかによる製造に限定されるものではないことを、理解するべきである。むしろ、本マイクロ構造を製造する他の好適な方法も、本方法の修正を含め、考えられる。
【００９２】
図７から図１４Ｂは、本マイクロ構造（ポンプまたはバルブとして使用することができる）を製造する第１の好ましい方法の順次の工程を例示している。図１５から図２５は、本マイクロ構造（やはり、ポンプまたはバルブとして使用することができる）を製造する第２の好ましい方法の順次の工程を例示している。
【００９３】
後述のように、図８から図１５Ｂの好ましい方法は、組立て加工と結合加工を施した予備硬化されたエラストマ−層を利用することに関係している。他の方法においては、エラストマ−の各層を「その場」で硬化させることができる。以下の説明において、「チャネル」とは、流体または気体の流れを包含できるエラストマ−構造における凹部を指す。
【００９４】
図８を参照すると、第１のマイクロ加工モ−ルド１０が提供される。マイクロ加工モ−ルド１０は、これらに限られるわけではないがフォトリソグラフィ、イオンミリング（ｉｏｎ−ｍｉｌｌｉｎｇ）、および電子ビ−ム・リソグラフィなど、多数の従来からのシリコン処理方法によって製造することができる。
【００９５】
見て取ることができるように、マイクロ加工モ−ルド１０は、自身に沿って延びる隆起したラインまたは突出部１１を有する。第１エラストマ−層２０がモ−ルド１０の上へと形成され、その結果、図示のとおり、第１凹部２１がエラストマ−層２０の下部表面に形成される（凹部２１は、寸法について、突出部１１に対応する）。
【００９６】
図９に示すように、自身に沿って延びる隆起した突起部１３を有している第２のマイクロ加工されたモ−ルド１２が、同様に用意される。図示のとおり、第２のエラストマ−層２２がモ−ルド１２の上へと形成され、その結果、凹部２３が、突起部１３の寸法に対応して、第２のエラストマ−層２２の底部表面に形成される。
【００９７】
図１０および２１に例示された順次の工程に見て取れるように、次いで、第２のエラストマ−層２２がモ−ルド１２から取り外されて、第１のエラストマ−層２０の上へと配置される。見て取れるように、第２のエラストマ−層２２の底部表面に沿って延在している凹部２３が、流通チャネル３２を形成する。
【００９８】
続いて、図１２を参照すると、別個である第１および第２のエラストマ−層２０および２２（図４）が一体に接合され、一体型の（すなわち、モノリシックな）エラストマ−構造体２４を形成する。
【００９９】
図１３および１４Ａの連続工程に見られるように、次いで、エラストマ−構造体２４がモ−ルド１０から取り外されて、平坦な基板１４の上へと配置される。図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、エラストマ−構造体２４の底部表面を平坦な基板１４へと密着させたとき、凹部２１が流通チャネル３０を形成する。
【０１００】
本エラストマ−構造体は、ほぼ任意の平滑かつ平坦な基板について、可逆な気密シ−ルを形成する。このようなやり方でシ−ルを形成する利点は、エラストマ−構造体を引き剥がし、洗浄し、再利用できる点にある。好ましい態様においては、平坦な基板１４はガラスである。ガラスを利用するさらなる利点は、ガラスが透明であって、エラストマ−のチャネルおよびリザ−バを光学的に調べることができる点にある。あるいは、エラストマ−構造体を、上述と同じ方法によって平坦なエラストマ−層へと接合し、恒久的な高強度の接合を形成してもよい。これは、より高い背圧が利用されるとき、有利であることが明らかになるであろう。
【０１０１】
図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、流通チャネル３０および３２は、好ましくは、互いに対して或る角度で配置され、基体２４の小薄膜２５が流通チャネル３２の底部から流通チャネル３０の上部を隔てている。
【０１０２】
好ましい態様においては、平坦な基板１４はガラスである。ガラスを利用する利点は、本エラストマ−構造体を剥離し、洗浄し、再利用できるという点にある。ガラスの利用のさらなる利点は、光学的検知を採用することができる点にある。代替例として、平坦な構造体１４がエラストマ−そのものであってよく、これは、より高い背圧が利用されるとき、有利であることが明らかになるであろう。
【０１０３】
上記で説明した製造方法を、上記デバイスのチャネルの壁を形成するものとは異なるエラストマ−材料から構成される膜を有する構造を形成するために、変更することができる。この変種の製造方法は、図１４Ｃ〜１４Ｇに示される。
【０１０４】
図１４Ｃを参照すると、第１マイクロ加工モ−ルド１０が提供される。マイクロ加工モ−ルド１０は、自身に沿って延びる隆起したラインまたは突出部１１を有している。図１４Ｄにおいて、第１エラストマ−層２０が、第１エラストマ−層２０の上面が隆起したラインまたは突出部１１の上面と同一面になるように、第１マイクロ加工モ−ルド１０の上へと形成される。これは、隆起ライン１１の既知の高さに対して、モ−ルド１０上へと引き延ばされるエラストマ−材料の量を注意深く制御することによって、達成することができる。あるいは、所望の形状を、射出成型によって形成してもよい。
【０１０５】
図１４Ｅにおいて、自身に沿って延びる隆起突出部１３を有する第２のマイクロ加工モ−ルド１２が、同様に用意される。図示のとおり、第２エラストマ−層２２が第２モ−ルド１２の上に形成され、その結果、凹部２３が、突出部１３の寸法に対応して第２エラストマ−層２２の底部表面に形成される。
【０１０６】
図１４Ｆにおいて、第２エラストマ−層２２がモ−ルド１２から取り外され、第３エラストマ−層２２２の上へと配置される。第２エラストマ−層２２が、以下に詳細に説明される技法を使用して第３エラストマ−層２０へ接合され、一体化エラストマ−・ブロック２２４を形成する。このプロセスにおけるこの時点で、隆起ライン１３によって以前に占められていた凹部２３が、流通チャネル２３を形成する。
【０１０７】
図１４Ｇにおいて、エラストマ−・ブロック２２４が、第１マイクロ加工モ−ルド１０および第１エラストマ−層２０の上へと配置される。次いで、エラストマ−・ブロックおよび第１エラストマ−層２０が一体に接合されて、別個のエラストマ−層２２２で構成された膜を有する一体化（すなわち、モノリシックな）エラストマ−構造２４が形成される。
【０１０８】
エラストマ−構造２４の底部表面を、図１４Ａに関して上述したやり方で平坦な基板へと密着させると、隆起ライン１１によって以前に占められていた凹部によって、流通チャネル３０が形成される。
【０１０９】
図１４Ｃ〜１４Ｇに関して上記で例示された変種の製造方法は、膜部分を、この構造の残りの部分のエラストマ−材料とは別の材料で構成できるという利点を提供する。この膜の厚さおよび弾性特性が、このデバイスの作動において重要な役割を果たすため、これは重要である。さらに、この方法によれば、この別個のエラストマ−層に対し、エラストマ−構造へと組み込む前に、容易に処理を加えることができる。以下で詳細に検討するように、望ましいと考えられる条件の例として、この膜の駆動を可能にするために磁性または導電性の種を導入すること、および／またはその弾性を変化させるためにこの膜へド−パントを導入することが挙げられる。
【０１１０】
上述の方法は、マイクロ加工モ−ルド上での複製成形によって形成される種々の形状のエラストマ−層の形成に関して例示されているが、本発明は、この技法には限定されない。後に一体に接合される成形エラストマ−材料の各層を形成するために、他の技法を使用することも可能である。例えば、エラストマ−材料からなる成形層を、レ−ザ切断または射出成型によって形成でき、あるいは第２の典型的な方法に関して後述されるように、化学的エッチングおよび／または犠牲材料を利用する方法によって形成することができる。
【０１１１】
他の方法は、エラストマ−材料内に包み込まれたフォトレジストの現像を利用して、パタ−ン加工されたエラストマ−構造を製造する。しかしながら、本発明による方法は、フォトレジストの利用には限定されない。金属などの他の材料も、周囲のエラストマ−材料に対して選択的に除去されるべき犠牲材料として機能することができ、そのような方法も、依然として本発明の技術的範囲の範疇である。例えば、金属の金を、適切な化学混合物を使用してＲＴＶ  ６１５エラストマ−に対して選択的にエッチングできる。
【０１１２】
（２．層およびチャネルの寸法）
マイクロ製作とは、本発明の実施形態に従って製作されるエラストマ−構造の造作のサイズを指す。一般に、マイクロ製作される構造の少なくとも１つの寸法の変動が、微視的（すなわち、１０００μｍ以下）である少なくとも１つの寸法において、ミクロンレベルまで制御される。マイクロ製作は、典型的には、マイクロ製作による構造の寸法のうちの少なくともいくつかが当該構造を合理的に解像／画像化するために顕微鏡を必要とするような微視的レベルの造作寸法の作製のために設計されたフォトリソグラフィおよびスピンコ−トなどの半導体またはＭＥＭＳ製作技術を含んでいる。
【０１１３】
好ましい態様において、流通チャネル３０、３２、６０および６２は、好ましくは、約１０：１の幅対深さ比を有する。本発明の実施形態による幅対深さの比の他の範囲としては、これらに限られるわけではないが、０．１：１〜１００：１、より好ましくは、１：１〜５０：１、さらに好ましくは２：１〜２０：１、最も好ましくは３：１〜１５：１が挙げられる。典型的な態様においては、流通チャネル３０、３２、６０および６２は、約１〜１０００ミクロンの幅を有する。本発明の実施形態による流通チャネルの幅の他の範囲としては、これらに限られるわけではないが、０．０１〜１０００ミクロン、より好ましくは０．０５〜１０００ミクロン、さらに好ましくは０．２〜５００ミクロン、さらに好ましくは１〜２５０ミクロン、最も好ましくは１０〜２００ミクロンが挙げられる。典型的なチャネル幅としては、０．１μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、１１０μｍ、１２０μｍ、１３０μｍ、１４０μｍ、１５０μｍ、１６０μｍ、１７０μｍ、１８０μｍ、１９０μｍ、２００μｍ、２１０μｍ、２２０μｍ、２３０μｍ、２４０μｍ、および２５０μｍが挙げられる。
【０１１４】
流通チャネル３０、３２、６０および６２は、約１〜１００ミクロンの深さを有する。本発明の実施形態による流通チャネルの深さの他の範囲としては、これらに限られるわけではないが、０．０１〜１０００ミクロン、より好ましくは０．０５〜５００ミクロン、さらに好ましくは０．２〜２５０ミクロン、さらに好ましくは１〜１００ミクロン、さらに好ましくは２〜２０ミクロンであり、最も好ましくは５〜１０ミクロンが挙げられる。典型的なチャネル深さとしては、０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１２．５μｍ、１５μｍ、１７．５μｍ、２０μｍ、２２．５μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、および２５０μｍが挙げられる。
【０１１５】
この流通チャネルは、これらの上述の特定の寸法範囲および例には限定されず、以下で図３４に関連して詳しく説明するように、膜を撓めるために必要とされる力の大きさを左右するため、さまざまな幅であってよい。例えば、後で詳しく説明するように、０．０１ｍ程度の幅を有するきわめて狭い流通チャネルは、光学および他の用途において有用であり得る。さらに、上述よりもさらに大きな幅のチャネルを有する部位を備えるエラストマ−構造も本発明によって考慮され、そのように幅広い流通チャネルを利用する用途の例としては、流体リザ−バおよび混合用チャネル構造が挙げられる。
【０１１６】
エラストマ−層を、機械的安定のために厚く形成することができる。典型的な実施形態において、図８のエラストマ−層２２の厚さは、５０ミクロン〜数センチメ−トルであり、より好ましくは約４ｍｍである。本発明の他の実施形態によるエラストマ−層の厚さの範囲は、これらに限られるわけではないが、約０．１ミクロン〜１０ｃｍ、１ミクロン〜５ｃｍ、１０ミクロン〜２ｃｍ、１００ミクロン〜１０ｍｍの間である。
【０１１７】
したがって、流通チャネル３０および３２を分離する図１４Ｂの膜２５は、約０．０１〜１０００ミクロンの間の典型的な厚さを有し、より好ましくは０．０５〜５００ミクロン、さらに好ましくは０．２〜２５０、より好ましくは１〜１００ミクロン、さらに好ましくは２〜５０ミクロン、最も好ましくは５〜４０ミクロンの間の典型的な厚さを有する。このように、エラストマ−層２２の厚さは、エラストマ−層２０の厚さの約１００倍である。例示的な膜厚としては、０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０３μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１２．５μｍ、１５μｍ、１７．５μｍ、２０μｍ、２２．５μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、７５０μｍ、および１０００μｍが挙げられる。
【０１１８】
（３．ソフト・リソグラフィック接合）
好ましくは、エラストマ−層は、それらパタ−ン加工済みのエラストマ−層を構成しているポリマ−に固有である化学的性状を利用して、化学的に一体に接合される。最も好ましくは、この接合が、２種の構成要素の「付加硬化」結合を備える。
【０１１９】
好ましい態様においては、エラストマ−の種々の層が、層が異なる化学性状を有している異種結合で一体に結合される。あるいは、すべての層が同じ化学性状である同種結合を、使用することができる。代わりに、第３には、それぞれのエラストマ−層を、随意により接着剤によって一体に接着してもよい。第４の態様においては、エラストマ−層が、加熱によって一体に接合される熱硬化性エラストマ−であってよい。
【０１２０】
同種結合の一態様においては、それらエラストマ−層が、層を一体に結合するために、他の層の同じ化学的実体と反応する同じ化学的実体を１つの層に有した同じエラストマ−材料から構成される。一実施形態において、同種のエラストマ−層のポリマ−鎖の間の結合を、光、熱、または別の化学種との化学反応による架橋剤の活性化からもたらすことができる。
【０１２１】
あるいは異種結合の態様においては、それらエラストマ−層が、異なるエラストマ−材料から構成され、或る１つの層の第１化学実体が、他の層の第２化学実体と反応する。異種結合の一典型的な態様においては、それぞれのエラストマ−層を一体に結合させるために使用される接合プロセスが、ＲＴＶ  ６１５シリコ−ンの２つの層を一体に接合する工程を包含し得る。ＲＴＶ  ６１５シリコ−ンは、２成分付加硬化型シリコ−ン・ゴムである。成分Ａがビニル基および触媒を含み、成分Ｂが水素化ケイ素（Ｓｉ−Ｈ）基を含んでいる。ＲＴＶ  ６１５の通常の比は、１０Ａ：１Ｂである。結合のために、１つの層を３０Ａ：１Ｂ（すなわち、過剰ビニル基）で製作でき、他方を３Ａ：１Ｂ（すなわち、過剰Ｓｉ−Ｈ基）で製作できる。各層を、別々に硬化させる。この２つの層を接触させ、高い温度で加熱すると、それらは不可逆的に結合して、モノリシックなエラストマ−基体を形成する。
【０１２２】
本発明の典型的な態様においては、エラストマ−構造が、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８２、１８４、または１８６、あるいはＵＣＢ  ＣｈｅｍｉｃａｌのＥｂｅｃｒｙｌ  ２７０またはＩｒｒ  ２４５（これらに限られるわけではないが）などの脂肪族ウレタンジアクリレ−トを利用して形成される。
【０１２３】
本発明による一実施形態において、２層エラストマ−構造を、純アクリル酸化ウレタンＥｂｅ  ２７０から作製した。薄い底部層を、１７０℃で１５秒間、８０００ｒｐｍでスピンコ−トした。上部および底部層を、最初にＥｌｅｃｔｒｏｌｉｔｅ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されたＭｏｄｅｌ  ＥＬＣ  ５００デバイスを利用して、窒素下で１０分間、紫外線のもとで硬化させた。次いで、これらの層を組み立て、さらに３０分間硬化させた。反応においては、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓによって製造されたＩｒｇａｃｕｒｅ  ５００の０．５％ｖｏｌ／ｖｏｌ混合物を触媒とした。得られたエラストマ−材料は、適度な弾性およびガラスへの付着を示した。
【０１２４】
本発明による他の実施形態において、２層エラストマ−構造を、薄い底部層のための２５％  Ｅｂｅ２７０／５０％  Ｉｒｒ２４５／２５％  イソプロピルアルコ−ル、および上部層としての純アクリル酸化ウレタンＥｂｅ  ２７０の組み合わせから作製した。Ｅｌｅｃｔｒｏｌｉｔｅ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されたＭｏｄｅｌ  ＥＬＣ  ５００デバイスを利用し、窒素下で紫外線のもとで、薄い底部層をまず５分間硬化させ、頂部層をまず１０分間硬化させた。これらの層を組み立て、次いで、さらに３０分間硬化させた。反応においては、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓによって製造されたＩｒｇａｃｕｒｅ  ５００の０．５％ｖｏｌ／ｖｏｌ混合物を触媒とした。得られたエラストマ−材料は、適度の弾性を示し、ガラスへと付着した。
【０１２５】
あるいは、接触して配置されたときにエラストマ−層／基板が結合するよう、例えばプラズマ曝露によってエラストマ−表面を活性化させるなど、他の結合方法を使用することができる。例えば、同じ材料で構成されたエラストマ−層を一体に結合するために考えられる１つのアプロ−チが、Ｄｕｆｆｙらの「Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（１９９８）、７０、４９７４〜４９８４に記載されており、ここでの言及によって本明細書中に組み込まれる。この論文は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の層を酸素プラズマへと曝露することで、表面の酸化が生じること、および２つの酸化層を接触させたときに不可逆な結合が生じることについて検討している。
【０１２６】
エラストマ−の隣接層を一体に接合するためのさらに他のアプロ−チは、未硬化エラストマ−の接着特性を利用することにある。具体的には、ＲＴＶ  ６１５などの未硬化エラストマ−の薄い層が、硬化済みの第１エラストマ−層の上部に塗布される。次いで、硬化済みの第２エラストマ−層が、未硬化のエラストマ−層の上へと配置される。次いで、未硬化エラストマ−の薄い中央層を、モノリシックなエラストマ−構造を生み出すために硬化させる。あるいは、未硬化のエラストマ−を、硬化済みの第１エラストマ−層の底部に塗布し、この硬化済みの第１エラストマ−層を、硬化済みの第２エラストマ−層の上へと配置できる。中央の薄いエラストマ−層を硬化させると、やはりモノリシックなエラストマ−構造の形成がもたらされる。
【０１２７】
エラストマ−構造を作製するために犠牲層の封入が採用される場合、隣接エラストマ−層の接合は、事前に硬化させたエラストマ−層、およびその上にパタ−ン化された任意の犠牲材料上に、未硬化のエラストマ−を注ぐことによって達成できる。エラストマ−層の間の結合は、相互浸透および未硬化エラストマ−層のポリマ−鎖が硬化済みエラストマ−層のポリマ−鎖と反応することによって生じる。引き続いてエラストマ−層を硬化させることで、エラストマ−層の間の結合が生み出され、モノリシックなエラストマ−構造が生み出される。
【０１２８】
図８〜１５Ｂの第１の方法を参照すると、第１エラストマ−層２０は、マイクロ製作モ−ルド１２上へと、ＲＴＶ混合物を２０００ｒｐｍで３０秒間にわたってスピンコ−トして約４０ミクロンの厚みを得ることによって生成できる。第２のエラストマ−層２２は、マイクロ製作モ−ルド１１上へとＲＴＶ混合物をスピンコ−トすることによって生成できる。層２０および２２の両者を、約８０℃で１．５時間、別々にベ−キングまたは硬化させることができる。第２のエラストマ−層２２を、約８０℃で約１．５時間、第１エラストマ−層２０上に接合することができる。
【０１２９】
マイクロ製作モ−ルド１０および１２は、シリコン・ウエハ上にてパタ−ン形成されたフォトレジストであってよい。典型的な態様においては、Ｓｈｉｐｌｅｙ  ＳＪＲ  ５７４０フォトレジストを２０００ｒｐｍで引き延ばし、高解像度透明フィルムをマスクとしてパタ−ン形成し、次いで現像して高さが約１０ミクロンの逆チャネルを得た。約２００℃で約３０分間ベ−キングすると、このフォトレジストがリフロ−され、逆チャネルは丸くなる。好ましい態様においては、これらのモ−ルドを、シリコ−ン・ゴムの付着を防ぐために、各使用の前にトリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）蒸気を用いて約１分間処理することができる。
【０１３０】
（４．適切なエラストマ−材料）
Ａｌｌｃｏｃｋらの「Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第２版」は、エラストマ−全般を、ガラス転移温度と液化温度との間の温度において存在するポリマ−として記載している。エラストマ−材料は、ポリマ−鎖が容易に捻れ運動にさらされて、力に応じた骨格鎖のコイルの解きを可能にし、この骨格鎖の再コイル化により、力が存在していない以前の形状を呈するために、弾性特性を示す。一般に、エラストマ−は、力が加えられたときに変形するが、その後に力が除去されると元の形状に戻る。エラストマ−材料が示すこの弾性を、ヤング率によって特徴付けることができる。本発明によれば、約１Ｐａ〜１ＴＰａの間、より好ましくは約１０Ｐａ〜１００ＧＰａの間、さらに好ましくは約２０Ｐａ〜１ＧＰａの間、より好ましくは約５０Ｐａ〜１０ＭＰａの間、さらに好ましくは約１００Ｐａ〜１ＭＰａの間のヤング率を有するエラストマ−材料が有用であるが、これらの範囲の外のヤング率を有するエラストマ−材料も、特定の用途のニ−ズに応じて利用可能である。
【０１３１】
本発明のシステムは、広範なエラストマ−から製造することができる。典型的な態様において、エラストマ−層は、好ましくは、シリコ−ン・ゴムから製造できる。しかしながら、他の適切なエラストマ−も使用可能である。
【０１３２】
本発明の典型的な態様において、本システムは、ＧＥ  ＲＴＶ  ６１５（調合物）、ビニル−シラン架橋（型）シリコ−ン・エラストマ−（族）のようなエラストマ−系ポリマ−から製造される。しかしながら、本システムは、この１つのポリマ−の調合物、型、あるいは族にすら限定されず、むしろ、ほぼ任意のエラストマ−系ポリマ−が好適である。このマイクロバルブの製造の好ましい方法についての重要な要件は、エラストマ−の複数の層を一体に接合する能力である。多層ソフト・リソグラフィの場合、エラストマ−の各層を別個に硬化させ、次いで一体に接合させる。この仕組みは、硬化済みの各層が、一体に結合するための充分な反応性を有することを必要とする。各層は、同一型のものであって、自身に結合することができてもよく、あるいは２つの異なる種類のものであって、互いに結合する能力を有してもよい。他の可能性としては、各層の間に接着剤を使用すること、および熱硬化性エラストマ−を使用することが挙げられる。
【０１３３】
ポリマ−の化学的特性、前駆物質、合成法、反応条件、および考えられる添加剤がきわめて多様である点に鑑み、モノリシックなエラストマ−のマイクロバルブおよびポンプを作成するために使用できると考えられる莫大な数のエラストマ−系が存在する。使用される材料のバリエ−ションは、特定の材料特性の必要性、すなわち、溶剤への耐性、硬度、気体透過性、または温度安定性の必要によって決まることが最も多い。
【０１３４】
きわめて多種のエラストマ−系ポリマ−が存在している。最も一般的な分類のエラストマ−について、比較的「標準的な」ポリマ−を用いた場合であっても結合のための可能性が多数存在することを示す意図で、簡単な説明をここに提示する。一般的なエラストマ−系ポリマ−としては、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、およびシリコ−ンが挙げられる。
【０１３５】
ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン：ポリイソプレン、プリブタジエン、およびポリクロロプレンは、すべてジエン・モノマ−からの重合により、したがって重合したとき、１つのモノマ−について１つの２重結合を有している。この２重結合ゆえ、これらのポリマ−を加硫処理（本質的には、加熱によって２重結合の間に架橋を形成するため、硫黄が使用される）によりエラストマ−へと変換することができる。これは、結合されるべき各層の不完全な加硫処理によって、同質多層のソフト・リソグラフィを容易に可能にする。フォトレジスト封入も、同様の機構により可能となる。
【０１３６】
ポリイソブチレン：純粋なポリイソブチレンは２重結合を有していないが、少量（約１％）のイソプレンを重合に際して含ませることにより、エラストマ−として使用すべく架橋される。イソプレンのモノマ−はポリイソブチレンの基幹に垂下する２重結合を供与し、これを上述のように加硫処理することができる。
【０１３７】
ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）：ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）はリビングアニオン重合により生成され（すなわち、反応の途中で天然の連鎖終端段階は存在しない）、そのため、「生きた（ｌｉｖｅ）」ポリマ−端が硬化ポリマ−中に存在し得る。これにより、このポリマ−は本フォトレジスト封入システムの天然の候補となる（硬化層の上面へと注がれた液状層に未反応のモノマ−が大量に存在する）。不完全な硬化によって、同質多層のソフト・リソグラフィを可能にする（Ａ対Ａの結合）。また、この化学的特性は、一方の層を余剰のブタジエン（「Ａ」）および結合剤を備えて作成し、他方の層（「Ｂ」）をブタジエン不足で作成することを促進する（異種多層ソフト・リソグラフィのために）。ＳＢＳは、「熱硬化性エラストマ−」であり、或る一定温度を越えると溶融して可塑性になる（弾性とは対照的である）ことを意味しており、温度を低下させると、再びエラストマ−がもたらされる。したがって、加熱よって各層を一体に結合させることができる。
【０１３８】
ポリウレタン：ポリウレタンは、ジイソシアネ−ト（Ａ−Ａ）とジアルコ−ルまたはジアミン（Ｂ−Ｂ）から生成され、多種多様なジイソシアネ−トおよびジアルコ−ル／アミンが存在しているため、莫大な数の種類の異なるポリウレタンが存在する。しかしながら、ポリマ−のＡ対Ｂの性質により、これらは、一方の層に過剰なＡ−Ａを使用し、他方の層に過剰なＢ−Ｂを使用することにより、ちょうどＲＴＶ  ６１５と同様に、異質多層のソフト・リソグラフィに有用である。
【０１３９】
シリコ−ン：シリコ−ン・ポリマ−は、おそらくは最大の構造的多様性を有しており、市販の調合物が最も多数存在しているという点に、ほぼ間違いはない。ＲＴＶ  ６１５のビニルから（Ｓｉ−Ｈ）への架橋（これが、異質多層のソフト・リソグラフィおよびフォトレジスト封入の両方を可能にする）については、すでに説明したが、これは、シリコ−ン・ポリマ−の化学的特性で使用されるいくつかの架橋法のうちの１つにすぎない。
【０１４０】
（５．装置の動作）
図１４Ｂおよび１４Ｈは、第２流通チャネルを加圧することによる第１流通チャネルの閉鎖を協働して示しており、図１４Ｂ（対応する図１４Ａの流通チャネル３２を通るように切断した正面断面図）は、開状態の第１流通チャネル３０を示しており、図１４Ｈは、第２の流通チャネル３２の加圧によって閉鎖された第１の流通チャネル３０を示している。
【０１４１】
図１４Ｂを参照すると、第１流通チャネル３０および第２流通チャネル３２が示されている。膜２５が、これらの流通チャネルを分離し、第１流通チャネル３０の上部および第２流通チャネル３２の底部を形成している。見て取れるように、流通チャネル３０は「開状態」にある。
【０１４２】
図１４Ｈに見て取れるように、流通チャネル３２の加圧（気体あるいは液体を導入することによる）によって膜２５に下方への撓みが生じることで、流通チャネル３０を通過する流れＦが絞られる。したがって、チャネル３２の圧力を変化させることにより、所望のとおり膜２５を動かすことによって流通チャネル３０を開閉できるよう、線型に駆動することができるバルブ・システムがもたらされる（あくまで例示を目的として、図１４Ｇにおいては、チャネル３０が「完全に閉じられた」位置ではなく、「ほぼ閉じられた」位置に示されている）。
【０１４３】
このようなバルブは、チャネル自体の天井を移動させる（すなわち、膜２５を動かす）ことによって駆動されるため、この技法によって製造されるバルブおよびポンプにおいては、死空間がまったく存在せず、この技法によって製作される切り替えバルブは、バルブの有効体積（例えば、約１００×１００×１０μｍ＝１００ｐＬ）にほぼ等しい死空間を有する。このような死空間および移動膜によって消費される領域は、公知の通常のマイクロバルブよりも、ほぼ２桁小さい。より小さいバルブ、およびより大きいバルブ、ならびにより大きい切り替えバルブおよびより小さい切り替えバルブも、本発明において考えることができ、死空間の範囲としては、これらに限られるわけではないが１ａＬ〜１μＬ、１００ａＬ〜１００ｎＬ、１ｆｌ〜１０ｎＬ、１００ｆＬ〜１ｎＬ、および１ｐＬ〜１００ｐＬが挙げられる。
【０１４４】
本発明によるポンプおよびバルブによれば、きわめて小さい体積を送達することができるが、これは、大きな利点をもたらす。具体的には、手動によって計量することができる最小の体積は、約０．１μＬであることが知られている。自動化システムによって計量することができる最小の体積は、約１０倍大きい（１μＬ）ことが知られている。本発明によるポンプおよびバルブを利用することで、１０ｎＬ以下の液体の体積を、ごく普通に計量して送り出すことができる。本発明によって可能になる極小の体積の流体の正確な計量は、診断検査およびアッセイを含む多くの生物学的用途においてきわめて価値がある。
【０１４５】
式１は、矩形であって線形であり、弾性的であって等方的である均一な厚さのプレ−トについて、加えられた圧力による撓みについてのきわめて単純化した数学的モデルを表わしている。
ｗ＝（ＢＰｂ４）／（Ｅｈ３）
ここで、
ｗ＝プレ−トの撓み；
Ｂ＝形状係数（プレ−トの長さ  対  幅、およびプレ−トの縁の支持によって決まる）；
Ｐ＝加えられた圧力；
ｂ＝プレ−トの幅；
Ｅ＝ヤング率；および
ｈ＝プレ−トの厚さ
である。
【０１４６】
このように、このきわめて単純化された表現においてさえ、圧力に応答したエラストマ−膜の撓みは、膜の長さ、幅、および厚さ、膜の可撓性（ヤング率）、および加えられた駆動力の関数である。これらのパラメ−タの各々が、本発明による特定のエラストマ−・デバイスの実際の寸法および物理的組成に依存してきわめて大きく変化するため、広い範囲の膜厚および弾性、チャネル幅、および駆動力を、本発明において考慮することができる。
【０１４７】
一般的には、膜が均一な厚さを有してはおらず、膜の厚さが、長さおよび幅に比べて必ずしも小さくはなく、さらに撓みが、膜の長さ、幅、または厚さと比べて必ずしも小さくはないため、上記で提示した式があくまで近似にすぎないことを理解すべきである。それでもなお、この式は、加えられる力に対する撓みについて、所望の応答を達成すべく可変の各パラメ−タを調節するための有用な案内として機能する。
【０１４８】
図１５Ａおよび１５Ｂは、幅が１００μｍの第１流通チャネル３０、および幅が５０μｍの第２流通チャネル３２について、加えられる圧力とバルブの開きとの関係を示している。このデバイスの膜は、約３０μｍの厚さ、および約７５０ｋＰａのヤング率を有するＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｔｒｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ  ＲＴＶ  ６１５の層によって形成されている。図２１ａおよび２１ｂは、印加圧力の範囲の大部分にわたって、バルブの開度が実質的に直線的であることを示している。
【０１４９】
このデバイスの膜を駆動するため、０．０２５インチの外径および０．０１３インチの内径を有する２５ｍｍのステンレス鋼皮下注射（ｈｙｐｏｄｅｒｍｉｃ）管へと接続した０．０２５インチの外径を有する長さ１０ｃｍのプラスチック管を通じて、空気圧を加えた。この管をエラストマ−・ブロックへと制御チャネルに対して垂直な方向に挿入することによって、制御チャネルに接触させた。Ｌｅｅ  Ｃｏ．によって製造された外部のＬＨＤＡミニチュア・ソレノイド・バルブから、この皮下注射管へと空気圧を加えた。
【０１５０】
これまで、気体の圧力の印加を利用してデバイスを通過する物質の流れを制御することについて説明してきたが、他の流体を使用することも可能である。
【０１５１】
例えば、空気は圧縮可能であり、したがって、外部のソレノイド・バルブによる圧力の印加の時刻と、膜がこの圧力に直面する時刻との間に、いくらかの有限の遅延が存在する。本発明の他の実施形態においては、圧力を、外部の供給源から水または油圧油などの非圧縮性流体へと加えることができ、加えられた圧力をほぼ瞬時に膜へと伝えることができる。一方で、バルブによって押し出される容積が大きく、あるいは制御チャネルが狭い場合には、制御用流体の高い粘性が、駆動の遅延をもたらすかもしれない。したがって、圧力の伝達のための最適な媒体は、特的の用途およびデバイスの構成に依存して決まり、気体および液体媒体の両者が、本発明において考慮される。
【０１５２】
上述のような外部印加の圧力が、ポンプ／タンク・システムによって圧力レギュレ−タおよび外部ミニチュア・バルブを通して付与されるが、気体タンク、コンプレッサ、ピストン・システム、および液体柱など、外部圧力を印加する他の方法も、本発明において考慮される。また、血圧、胃の圧力、脳脊髄液に存在する圧力、眼内空間に存在する圧力、および通常の屈曲に際に筋肉によって加わる圧力などの生体内において見ることができる圧力源など、自然に生じる圧力源の使用も考慮される。さらに、ミニチュア・バルブ、ポンプ、マイクロ蠕動ポンプ、ピンチ・バルブ、およびこの技術分野において知られているような他の種類の流体調節装置など、外部の圧力を調節する他の方法も、考慮される。
【０１５３】
見て取れるように、本発明の実施形態によるバルブの応答は、その移動の範囲の大部分においてほぼ完璧に線形であって、ヒステリシスが最小限であることが、実験的に示された。したがって、本発明のバルブは、マイクロ流体計量および流体制御のために理想的に適している。このバルブ応答の直線性は、個々のバルブがフックの法則のバネとして良好にモデル化されることを示している。さらに、流体チャネルにおける高圧（すなわち、背圧）に、単に駆動圧力を高めることによって対抗することができる。実験において、本発明の発明者らは、７０ｋＰａの背圧においてバルブ閉鎖を達成したが、より高い圧力も考慮される。以下に、本発明によって包含される圧力範囲を挙げるが、これらに限られるわけではない。１０Ｐａ〜２５ＭＰａ；１００Ｐａ〜１０ＭＰａ、１ｋＰａ〜１ＭＰａ、１ｋＰａ〜３００ｋＰａ、５ｋＰａ〜２００ｋＰａ、および１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ。
【０１５４】
バルブおよびポンプは、開閉のためには線形な動作を必要としないが、線形な応答は、バルブをより容易に計量デバイスとして使用できるようにする。本発明の一実施形態においては、バルブの開放が、既知の程度の閉鎖へと途中まで駆動することによって、流量を制御するために使用される。線形なバルブ動作は、所望の程度の閉鎖へとバルブを閉じるために必要とされる駆動力の量を、より簡単に決定できるようにする。線形な動作の他の利点は、バルブの駆動に必要とされる力を、流通チャネル内の圧力から容易に決定できる点にある。動作が線形であれば、流通チャネルにおける圧力の上昇に、同じ圧力（単位面積あたりの力）をバルブの作動部分へと加えることによって対抗できる。
【０１５５】
バルブの直線性は、バルブ構造の構造、組成、および駆動方法に依存する。さらに、直線性がバルブにおける所望の特性であるかどうかは、その用途に依存する。したがって、線形および非線形に駆動可能なバルブの両者が本発明において考慮され、バルブが線形に動作することができる圧力範囲は、特定の実施形態によってさまざまであろう。
【０１５６】
図１６は、上述のとおり長さ１０ｃｍの空気管をチップから空気式バルブまで接続して備える１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶマイクロバルブについて、の時間応答（すなわち、印加圧力の変化に応じた時間の関数としてのバルブの閉鎖）を示している。
【０１５７】
２周期のデジタル制御信号、管の端部における実際の空気圧、およびバルブの開きが図１６に示されている。制御ラインに加えられる圧力は１００ｋＰａであり、これは、バルブを閉鎖するために必要とされる約４０ｋＰａよりも大幅に高い。したがって、閉鎖時、バルブは必要とされるよりも６０ｋＰａだけ大きい圧力で押されて閉じられる。一方で、開放時には、バルブはそれ自体のばね力（４０ｋＰａ以下）だけでその静止位置に逆戻しされる。したがって、τｃｌｏｓｅはτｏｐｅｎよりも小さくなると予測される。さらに、圧力を制限するために使用されるミニチュア・バルブの制約ゆえ、制御信号と制御圧力応答との間にも遅延が存在する。かかる遅延をｔと称し、１／ｅ時定数をτと称すると、各値は以下のようになる。すなわち、τｏｐｅｎ＝３．６３ｍｓ、τｏｐｅｎ＝１．８８ｍｓ、τｃｌｏｓｅ＝２．１５ｍｓ、τｃｌｏｓｅ＝０．５１ｍｓである。３τが開閉ごとに割り当てられるとすると、このバルブは、水溶液で満たされたときに、７５Ｈｚで快適に作動する。
【０１５８】
開閉遅延を抱えない他の駆動方法を使用した場合、このバルブは、約３７５Ｈｚで作動する。バネ定数を、膜の厚さを変更することによって調節することができ、これにより高速開放または高速閉鎖のために最適化が可能であることにも留意されたい。さらに、膜へド−パントを導入することによって可能であり、あるいは膜として機能する別のエラストマ−材料を使用する（図１４Ｃ〜１４Ｈに関連してすでに述べた）ことによって可能であるように、膜の弾性（ヤング率）を変化させることによってばね定数を調節することも可能である。
【０１５９】
図１６に示したようなバルブ特性を実験的に測定する際には、バルブの開きを蛍光によって測定した。これらの実験においては、流通チャネルを緩衝液（ｐＨ８）中のフルオレセイン・イソチオシアネ−ト（ＦＩＴＣ）の溶液で満たし、チャネルの中央約３分の１を占有する正方形領域の蛍光を、１０ｋＨｚの帯域を有する光電子増倍管を備えた落射蛍光顕微鏡で監視した。圧力は、ほぼ同一の空気式接続によって制御ラインと同時に加圧されるホイ−トストンブリッジ圧力センサ−（ＳｅｎＳｙｍ  ＳＣＣ１５ＧＤ２）を用いてモニタした。
【０１６０】
（６．流通チャネルの断面）
本発明の流通チャネルは、随意により、それぞれの所望の用途に応じて、種々の利点を提供する種々の断面寸法および断面形状を備えて設計できる。例えば、より低い流通チャネルの断面形状は、その全長に沿って、あるいは上部横断チャネルの下方に配置される領域について、湾曲した上面を有することができる。このような湾曲した上面は、以下のとおりバルブの密封を容易にする。
【０１６１】
図１７を参照すると、流通チャネル３０および３２を通過する断面図（図１４Ｂの断面図に類似している）が示されている。見て取れるように、流通チャネル３０は、断面形状が矩形である。これに代えて、本発明の他の好ましい態様においては、図２７に示されるように、流通チャネル３０の断面が、湾曲した上面を有している。
【０１６２】
まず図１７を参照すると、流通チャネル３２が加圧されたとき、流通チャネル３０および３２を隔てているエラストマ−・ブロック２４の薄膜部２５が、点線２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、および２５Ｅによって示されている連続位置へと、下方に移動する。見て取れるように、不完全な密封が、平坦な基板１４へと隣接する流通チャネル３０の端縁において、生じる可能性がある。
【０１６３】
代替となる図１８の好ましい実施形態においては、流通チャネル３０ａが、湾曲した上部壁２５Ａを有している。流通チャネル３２が加圧されるとき、薄膜部２５は、点線２５Ａ２、２５Ａ３、２５Ａ４、および２５Ａ５によって示されている連続位置へと下方に移動し、最初に膜の縁部が流通チャネル内へと移動し、次いで膜の上部が流通チャネル内へと移動する。このような湾曲した上面を膜２５Ａに持たせる利点は、流通チャネル３２が加圧されたときに、より完全な密封がもたらされる点にある。具体的には、流通チャネル３０の上部壁が、平坦基板１４に対して連続的な接触端縁をもたらし、図１７において壁２５と流通チャネル３０の底部との間に見られる接触の「島」の発生を回避する。
【０１６４】
湾曲した上面を膜２５Ａに持たせる他の利点は、この膜が、駆動に応答して流通チャネルの形状および体積に、より容易に追従できる点にある。具体的には、矩形の流通チャネルが使用されている場合には、その全周（流通チャネルの高さ×２＋流通チャネルの幅）が、この流通チャネルへと押し込まれなければならない。一方で、弧状のチャネルが使用される場合には、チャネルへと押し込まれなければならない材料の周辺が、より小さい（半円弧の部分のみ）。このようなやり方で、この膜は、駆動のために必要とされる周辺における変化がより小さく、したがって加えられる駆動力により良く応答して、流通チャネルを封鎖する。
【０１６５】
他の態様（図示されていない）においては、流通チャネル３０の底部が丸められており、その湾曲面が、上述の図２７に見られるような湾曲した上部壁２５Ａと一致する。
【０１６６】
要約すると、駆動の際に膜が直面する実際の構造変化は、特定のエラストマ−構造の構成によって決まる。具体的には、構造変化は、膜の長さ、幅、および厚さプロファイル、構造の他の部分への膜の付着性、流通チャネルおよび制御チャネルの高さ、幅、および形状、ならびに使用されるエラストマ−の材料特性によって決まる。さらに、構造変化は、圧力の印加への応答における膜の作動が磁気力または静電力に応答した作動とは幾分相違するように、駆動方法にも依存するであろう。
【０１６７】
さらに、膜における所望の構造変化は、エラストマ−構造のための特定の用途に応じ、さまざまであってよい。上述の最も簡単な実施形態において、バルブは、バルブの閉鎖の程度を制御するための計量を備え、開放または閉鎖が可能である。しかしながら、他の実施形態においては、より複雑な流れの調節を実現するため、膜および／または流通チャネルの形状を変化させることが望まれる可能性がある。例えば、膜の駆動時に流通チャネルを通過する流れのうちの或る割合のみが遮断され、かつこの阻止される流れの割合が加えられる駆動力に左右されないよう、流通チャネルにおいて、膜の部分の直下に隆起した突起を備えることができる。
【０１６８】
矩形、台形、円形、楕円形、放物線形、双曲線状、および多角形状、ならびに上記形状の一部分など、多数の膜厚プロファイルおよび流通チャネル断面を、本発明において考慮することができる。さらに、ただいま説明した突起を有する実施形態や、流通チャネルに凹部を有する実施形態など、より複雑な断面形状も本発明において考慮することができる。
【０１６９】
さらに、本発明を、主として流通チャネルの壁面および天井がエラストマ−から形成され、チャネルの床面が下層の基板から形成されている実施形態に関して上述したが、本発明は、この特定の向きに限定されるわけではない。チャネルの壁面および床面を下層の基板に形成し、流通チャネルの天井のみをエラストマ−から形成することも可能である。この流通チャネルのエラストマ−製の天井が、加えられる駆動力に応答してチャネルへと下向きに突き出し、流通チャネルを通過する物質の流れを制御する。一般には、本件出願の他所にて説明したモノリシックなエラストマ−構造が、マイクロ流体の用途においては好ましい。しかしながら、基板に形成されたチャネルを使用することも、そのような構造が利点をもたらす場面においては有用であろう。例えば、光導波路によってマイクロ流体チャネルの側方へと特定的に光を導くように光導波路を備える基板を構成することができる。
【０１７０】
（７．他のバルブ駆動技法）
上述の圧力にもとづく駆動システムに加えて、随意による静電式および磁気式の駆動システムも、以下のとおり検討することができる。
【０１７１】
静電式の駆動は、互いに反対に帯電させられる電極（電位差が印加されると、互いに引き合う傾向を有している）を、モノリシックなエラストマ−構造体へと直接形成することによって、達成することができる。例えば、図１４Ｂを参照すると、随意による第１電極７０（想像線で示されている）を、膜２５の上（または、膜２５の中）に配置することができ、随意による第２電極７２（やはり想像線で示されている）を、平坦な基板１４の上（または、基板１４の中）に配置することができる。電極７０および７２が反対の極性に帯電すると、２つの電極間の引力により薄膜２５が下方へと撓み、これにより、この「バルブ」が閉鎖される（すなわち、流通チャネル３０が閉じられる）。
【０１７２】
膜の電極を、静電的な駆動を提供するために充分に導電性でありながら、バルブの運動を妨げるほどには機械的に剛ではないようにするために、充分に可撓性である電極を、膜２５の内部または膜２５の上方に設けなければならない。そのような電極は、ポリマ−を導電性材料でド−ピングし、あるいは表面層を導電性材料で製作した薄い金属化層によって提供することができる。
【０１７３】
典型的な態様においては、可撓膜に存在している電極を、例えば２０ｎｍの金など金属の薄い層をスパッタリングすることによって設けることができる薄い金属化層によって提供できる。スパッタリングによる金属化膜の形成に加えて、化学エピタキシ−、蒸着、電気めっき、および非電気めっきなどの他の金属化法も、利用可能である。例えば、金属を当該金属があまり付着しない平坦な基板へと蒸発させ、次いでこの金属の上へとエラストマ−を配置して、基板から金属を引き剥がすなど、エラストマ−の表面への金属層の物理的移動も、利用可能である。
【０１７４】
さらには、カ−ボンブラック（すなわちＣａｂｏｔ  Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ７２Ｒ）を、乾燥粉上を払拭することによって、あるいはエラストマ−をエラストマ−の膨潤を生じる溶媒（ＰＤＭＳの場合における塩素化溶媒など）中のカ−ボンブラック懸濁液へ曝露することによって、エラストマ−表面上へと堆積させて導電性電極７０を形成してもよい。あるいは、電極７０を、全体層２０を導電性材料（すなわち、カ−ボンブラックまたは微細に分割された金属粒子）でド−ピングされたエラストマ−から構成することによって、形成してもよい。さらに他のやり方としては、電極を静電堆積によって形成でき、あるいは炭素を生成する化学反応によって形成できる。本発明によって実施された実験において、５．６×１０−１６〜約５×１０−３（Ω−ｃｍ）−１のカ−ボンブラック濃度において、導電性が向上することが示されている。動くことが要求されない下方の電極７２は、上述のように柔軟な電極であってよく、あるいは金の蒸着、金属プレ−ト、またはド−ピングした半導体電極などの通常の電極であってもよい。
【０１７５】
流通チャネルの磁気駆動は、鉄、もしくは分極ＮｄＦｅＢなどの常磁性材料などの磁気分極可能材料で流通チャネルを分離する膜を作製することによって、達成できる。本発明の発明者らによって行われた実験において、鉄粉（約１μｍの粒子サイズ）を最大２０重量％まで添加することにより、磁気シリコ−ンが作製された。
【０１７６】
磁気分極可能材料を用いて膜が作製される場合、膜を、磁界の印加に応答した引力によって駆動することができる。この膜が永久磁性を維持することが可能な材料で作製される場合、この材料が充分に強い磁場への曝露により最初に磁化され、次いで印加される不均一磁界の極性に応じた引力または斥力によって駆動される。
【０１７７】
膜の駆動を生じる磁界は、多様な方法で発生させることができる。一実施形態においては、この磁界が、エラストマ−膜の内部または近傍に形成されるきわめて小さい誘導コイルによって生成される。このような磁気コイルの駆動作用は、局所化されており、ポンプおよび／またはバルブ構造を個々に駆動することを可能にしている。あるいは、より大きくてより強力な発生源によって磁界を発生させることもでき、その場合、駆動は全体的であって、複数のポンプおよび／またはバルブ構造が一度に駆動されるであろう。
【０１７８】
さらには、熱エネルギ−の印加にもとづき、熱膨張または液体からの気体の発生により、制御チャネル内に流体の流れを生じさせることによって、デバイスを駆動することが可能である。例えば、本発明のよる一代案の実施形態においては、流体のポケットが（例えば、流体で満たされた制御チャネルにおいて）流通チャネルの上方に配置される。ポケット内の流体を、例えばヒ−タなどの温度変更システムに連絡させることができる。流体の熱膨張または液体から気体への物質の変換によって、圧力の上昇をもたらして、隣接している流通チャネルを閉じることができる。引き続いて流体の温度が下がることで、圧力が緩和され、流通チャネルの開放が可能になる。
【０１７９】
（８．ネットワ−ク化されたシステム）
図１９Ａおよび１９Ｂは、先に（例えば図１４Ａに）示したシステムと同一の単独のオン／オフ・バルブの図を示している。図２０Ａおよび２０Ｂは、図１９に見られるような単独のオン／オフ・バルブで構成されているが、そのようなオン／オフ・バルブが指定可能であって、複数がまとめてネットワ−クされている蠕動ポンピング・システムを示している。図２１は、図２０の蠕動ポンピング・システムについて、実験において達成された周波数とポンピング流量との関係を示したグラフである。図２２Ａおよび２２Ｂは、ただ１つの制御ラインによって制御可能である複数の流通チャネルの概略図を示している。このシステムもまた、図１９の単独の指定可能なオン／オフ・バルブを複数、多重化して有しているが、図１９とは構成が相違している。図２３は、図１９の単独のオン／オフ・バルブを複数、一体に接続またはネットワ−ク化して構成され、選択されたチャネルを通る流体の流れを可能にするように構成されている多重化システムの概略図である。
【０１８０】
まず図１９Ａおよび１９Ｂを参照すると、流通チャネル３０および３２の概略が示されている。好ましくは、流通チャネル３０は、自身を通過する流体（または、気体）の流れＦを有している。すでに説明したように、流通チャネル３２（本明細書においてすでに説明したように、流通チャネル３０の上方を横断している）が加圧され、流通チャネルを隔てている膜２５が流通チャネル３０の経路の中へ押し込まれ、流通チャネル３０を通過する流れＦの通過を遮断する。このように、「流通チャネル」３２を、流通チャネル３０内の１つのバルブを動作させる「制御ライン」と称することもできる。図１９〜２２においては、このような指定可能なバルブが複数、さまざまな配置でまとめて接続またはネットワ−ク化され、蠕動ポンピングが可能なポンプを生み出され、あるいは他の流体ロジック用途が生み出される。
【０１８１】
図２０Ａおよび２０Ｂを参照すると、蠕動ポンピングのためのシステムが、下記のとおり提供される。流通チャネル３０が、自身の上方を横切る複数のほぼ平行な流通チャネル（すなわち、制御ライン）３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃを有している。制御ライン３２Ａを加圧することによって、流通チャネル３０を通る流れＦが、制御ライン３２Ａと流通チャネル３０との交点の膜２５Ａの下方で遮断される。同様に（図示されていないが）、制御ライン３２Ｂを加圧することによって、流通チャネル３０を通る流れＦが、制御ライン３２Ｂと流通チャネル３０との交点の膜２５Ｂの下方で遮断され、以下同様である。
【０１８２】
制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、および３２Ｃの各々は、別個に指定可能である。したがって、制御ライン３２Ａおよび３２Ｃを一緒に作動させ、次いで制御ライン３２Ａを作動させ、続いて制御ライン３２Ａおよび３２Ｂを一緒に作動させた、次いで制御ライン３２Ｂを作動させ、続いて制御ライン３２Ｂおよび３２Ｃを一緒に作動させるといったパタ−ンによって、蠕動を作動させることができる。これは、連続する「１０１、１００、１１０、０１０、０１１、００１」のパタ−ンに対応しており、ここで、「０」は「バルブ開」を示し、「１」は「バルブ閉」を示している。この蠕動パタ−ンは、１２０度パタ−ン（３つのバルブの間の作動の位相角度を指している）としても知られている。６０度および９０度のパタ−ンなど、他の蠕動パタ−ンも同様に可能である。
【０１８３】
本発明の発明者らによって実施された実験では、細い管（内径０．５ｍｍ）内の水柱の移動距離を測定することによって、１００×１１００×１０μｍのバルブにおいて４０ｋＰａの駆動圧力で、２．３５ｎＬ／ｓのポンピング流量が測定された。ポンピング流量は、約７５Ｈｚまでは駆動周波数とともに増加し、その後２００Ｈｚを越えるまで、ほぼ一定であった。さらに、バルブおよびポンプはきわめて耐性に富んでおり、エラストマ−膜、制御チャネル、または接合について、機能不全は決して観測されなかった。本発明の発明者らによって実施された実験では、本明細書に記載の蠕動ポンプのバルブのいずれもが、４００万回を越える動作の後でも磨耗や疲労の兆候を見せなかった。その耐性に加え、これらのバルブおよびポンプは、穏やかでもある。チャネルを通ってポンプで送られて、生存性について検査された大腸菌の溶液は、９４％の生存率を示した。
【０１８４】
図２１は、図２０の蠕動ポンピング・システムについて、実験において達成されたポンピング速度と周波数との関係を示すグラフである。
【０１８５】
図２２Ａおよび２２Ｂは、図１９の指定可能な複数のバルブを組み立てる別の方法を示している。具体的には、複数の平行な流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃが設けられている。流通チャネル（すなわち、制御ライン）３２が流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの上方を横切って通過している。制御ライン３２の加圧が、制御ライン３２と流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、および３０Ｃとの交点に位置する膜２５Ａ、２５Ｂ、および２５Ｃを押し下げることによって、流れＦ１、Ｆ２およびＦ３を同時に遮断する。
【０１８６】
図２３は、下記のとおり選択されたチャネルを通過する流体の流れを選択的に許容するように構成された多重化システムの概略図である。各流通チャネルを当該流通チャネルの上方を通過する制御ラインから隔てている膜（例えば、図２２Ａおよび２２Ｂの膜２５Ａ、２５Ｂ、および２５Ｃ）の下方への撓みは、膜の寸法に強く依存して決まる。したがって、図２２Ａおよび２２Ｂの流通チャネル制御ライン３２の幅を変化させることによって、１つの制御ラインを複数の流通チャネルの上方に通しながら、所望の流通チャネルのみを駆動する（すなわち、封止する）ことができる。図２３は、このようなシステムの概略を以下のとおり示している。
【０１８７】
複数の平行な流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅおよび３０Ｆが、複数の平行な制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆの下方に配置されている。制御チャネル３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆは、下記の変更を含む上述のバルブ・システムのいずれかを利用して、平行な流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆを通過する流体の流れＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５およびＦ６を遮断するように構成されている。
【０１８８】
制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆの各々は、広い部分および狭い部分の両者を有している。例えば、制御ライン３２Ａは、流通チャネル３０Ａ、３０Ｃおよび３０Ｅの上方に位置する場所において、幅広である。同様に、制御ライン３２Ｂは、流通チャネル３０Ｂ、３０Ｄおよび３０Ｆの上方に位置する場所において幅広であり、制御ライン３２Ｃは、流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０Ｆの上方に位置する場所において幅広である。
【０１８９】
それぞれの制御ラインが幅広である各位置においては、制御ラインの加圧が、流通チャネルと制御ラインとを隔てている膜（２５）を、流通チャネルの中へと大きく押し込み、それにより、そこを通過する流れの経路を遮断する。対照的に、それぞれの制御ラインが狭くなっている各位置では、膜（２５）も狭くなる。したがって、同じ程度の加圧でも、膜（２５）が流通チャネル（３０）へと押し込まれることがない。したがって、膜の下方の流体の経路は遮断されない。
【０１９０】
例えば、制御ライン３２Ａが加圧されたとき、流通チャネル３０Ａ、３０Ｃおよび３０Ｅの流れＦ１、Ｆ３およびＦ５が遮断される。同様に、制御ライン３２Ｃが加圧されると、流通チャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０Ｆの流れＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６が遮断される。理解されるように、２つ以上の制御ラインを同時に動作させることができる。例えば、制御ライン３２Ａおよび３２Ｃを同時に加圧して、Ｆ４以外のすべての流体の流れを遮断することができる（３２ＡがＦ１、Ｆ３およびＦ５を遮断し、３２ＣがＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６を遮断する）。
【０１９１】
種々の制御ライン３２を、同時および多様な順序の両方にて選択的に加圧することによって、かなりの程度の流体流の制御を達成できる。さらに、本システムを、７本以上の互いに平行な流通チャネル３０および５本以上の互いに平行な制御ライン３２へと拡張し、さらに制御ラインの幅広領域および狭幅領域の配置を変化させることによって、きわめて複雑な流体流制御システムを製造することができる。このようなシステムの特性は、わずか２（ｌｏｇ２ｎ）本の制御ラインを用いて、ｎ本の流通チャネルのうちの任意の１本の流通チャネルをオン状態にすることを可能にするものである。
【０１９２】
（９．流通ラインに沿った選択的に指定可能な反応チャンバ）
図２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃおよび２６Ｄに示した本発明のさらなる実施形態においては、流通ラインに沿って配置された複数の反応チャンバのうちの１つ以上へと流体の流れを選択的に導くためのシステムが提供される。
【０１９３】
図２６Ａは、流通チャネル３０の上面図を示しており、流通チャネル３０が、流通チャネル３０に沿って配置された複数の反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂを有している。好ましくは、流通チャネル３０ならびに反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂは、エラストマ−の第１の層１００の底部表面への凹部として一緒に形成される。
【０１９４】
図２６Ｂは、２つの制御ライン３２Ａおよび３２Ｂを備えるもう１つのエラストマ−層１１０の底面図を示しており、２つの制御ライン３２Ａおよび３２Ｂの各々は、おおむね狭いが、自身の凹部として形成された広い拡張部分３３Ａおよび３３Ｂを有している。
【０１９５】
図２６Ｃの分解図および図２６Ｄの組み立てられた状態の図に見られるように、エラストマ−層１１０が、エラストマ−層１００の上へと配置される。次いで、層１００および１１０が一体に接合され、この一体化システムが、（流通チャネル３０を通る）流体の流れＦを反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂのいずれか一方または両方へと選択的に導くべく、以下のように動作する。制御ライン３２Ａの加圧により、膜２５（すなわち、拡張部３３Ａの下で、かつ反応チャンバ８０Ａの各領域８２Ａの上に配置されたエラストマ−層１００の薄い部分）が押し込まれ、これにより、領域８２Ａの流体の流れの経路が遮断され、反応チャンバ８０が流通チャネル３０から効果的に封じられる。さらに、見て取れるように、拡張部３３Ａは、制御ライン３２Ａの残余の部分よりも幅広い。したがって、制御ライン３２Ａを加圧しても、制御ライン３２Ａが流通チャネル３０を封じることはない。
【０１９６】
理解されるように、制御ライン３２Ａおよび３２Ｂの一方または両方を、１度に動作させることができる。両方の制御ライン３２Ａおよび３２Ｂが一緒に加圧されると、流通チャネル３０のサンプルの流れは、反応チャンバ８０Ａまたは８０Ｂのいずれに進入しない。
【０１９７】
流通ラインに沿って配置された種々の指定可能な反応チャンバへの流体の導入を選択的に制御するという考え方（図２４Ａ〜Ｄ）を、平行な複数の流通ラインのうちの１つ以上を通過する流体の流れを選択的に制御するという考え方（図２３）と組み合わせ、１つまたは複数の流体サンプルを、反応チャンバのアレイのうちの任意の特定の反応チャンバへと送り込むことができるシステムをもたらすことができる。そのようなシステムの一例が図２５に提示されており、ここでは、拡張部３４を有する互いに平行な制御チャネル３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃ（すべて想像線で示されている）が、上述のように、反応穴からなるアレイのいずれかの反応穴８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃまたは８０Ｄへと、流体の流れＦ１およびＦ２を選択的に導く一方で、制御ライン３２Ｃおよび３２Ｄの加圧が、流れＦ２およびＦ１をそれぞれ選択的に遮断する。
【０１９８】
さらに別の新規な実施形態においては、互いに平行な流通チャネルの間の流体の通過が可能である。図２６を参照すると、制御ライン３２Ａまたは３２Ｄのいずれかまたは両方を、（平行な流通チャネル３０Ａおよび３０Ｂの間の）横方向の通路３５を通過して流体が流れることができるよう、減圧することができる。本発明のこの態様においては、制御ライン３２Ｃおよび３２Ｄの加圧によって、３５Ａと３５Ｂとの間の流通チャネル３０Ａが遮断され、さらに横方向の通路３５Ｂも遮断される。したがって、流れＦ１として進入する流れが、３０Ａ、３５Ａを順に通って移動し、流れＦ４として３０Ｂを出る。
【０１９９】
（１０．切り換え可能な流通アレイ）
さらに他の新規な実施形態においては、流体の通過を、２つの直交する方向にいずれかを流れるように選択的に導くことができる。このような「切り換え可能な流通アレイ」システムの一例が、図２７Ａ〜２７Ｄに提示されている。図２７Ａは、エラストマ−（または他の任意の適切な基板）の第１層９０の底面図を示しており、この第１層の底部表面は、中実ポスト９２のアレイによって規定され流通チャネル・グリッドを形成する凹部のパタ−ンを有しており、これらポストのそれぞれの周囲を巡って流通チャネルが通っている。
【０２００】
好ましい態様においては、流体の流れを方向Ｆ１または直交する方向Ｆ２のいずれかに動くように選択的に導くことができるよう、エラストマ−のさらなる層が、層９０の上面に接合される。図２７は、エラストマ−の第２層９５の底部表面の底面図であり、交互の「垂直」制御ライン９６および「水平」制御ライン９４の形状で形成された凹部を示している。「垂直」制御ライン９６が、端から端まで同一の幅を有する一方で、「水平」制御ライン９４は、図示のように、広い部分と狭い部分とを交互に有している。
【０２０１】
エラストマ−層９５は、「垂直」制御ライン９６が、図２７Ｃに示すようにポスト９２の上方に位置し、「水平」制御ライン９４の幅広部分が、図２７Ｄに示すようにポスト９２の間に位置するように、エラストマ−層９０上へと配置される。
【０２０２】
図２７Ｃに見られるように、「垂直」制御ライン９６に圧力が加えられると、エラストマ−層によって形成された一体的構造において、初めは領域９８において層９０と９５との間に位置している膜が、流通チャネルのアレイを覆うように下方へと撓まされ、その結果、図示のとおり、流れは流れの方向Ｆ２（すなわち、垂直）にのみ通過可能になる。
【０２０３】
図２７Ｄに見られるように、「水平」制御ライン９４に圧力が加えられると、エラストマ−層によって形成された一体的構造において、初めは領域９９において層９０と９５との間に位置している膜が、流通チャネルのアレイへと被さるように下方へと撓まされ（ただし、制御ライン９４が最も幅広い領域においてのみ）、その結果、図示のように、流れが流れの方向Ｆ１（すなわち、水平）にのみ通過可能になる。
【０２０４】
図２７に示した設計によれば、わずか２つのエラストマ−層から切り換え可能な流通アレイを構成することができ、異なるエラストマ−層内の制御ライン間をつなぐ垂直ビア孔が不要である。すべての垂直流れ制御ライン９４が接続されている場合には、これらに１つの入力から圧力を加えることができる。同じことが、すべての水平流れ制御ライン９６についても当てはまる。
【０２０５】
（１１．常時閉のバルブ構造）
上記の図１４Ｂおよび１４Ｈは、エラストマ−膜が、第１の緩和位置から流通チャネルが閉鎖される第２の作動位置へと移動可能であるバルブ構造を示している。しかしながら、本発明は、この特定のバルブ構成に限定されない。
【０２０６】
図２８Ａ〜２８Ｊは、常時閉のバルブ構造について種々の図を示しており、エラストマ−膜が、流通チャネルを閉鎖している第１の緩和位置から流通チャネルを開放する第２の作動位置へと、負の制御圧を利用して移動可能である、
図２８Ａは、駆動されていない状態の常時閉のバルブ構造４２００について、平面図を示しており、図２８Ｂは、線４２Ｂ−４２Ｂ’に沿った断面図を示している。流通チャネル４２０２および制御チャネル４２０４は、基板４２０５へと重ねられたエラストマ−・ブロック４２０６に形成されている。流通チャネル４２０２は、分離部４２０８によって分離された第１部分４２０２ａおよび第２部分４２０２ｂを備えている。制御チャネル４２０４は、分離部４２０８に重なっている。図２８Ｂに示されているように、緩められた非作動位置において、分離部４００８は、流通チャネルの部分４２０２ａと部分４２０２ｂとの間に保たれ、流通チャネル４２０２を妨げている。
【０２０７】
図２８Ｃは、バルブ４２００の断面図を示しており、ここでは、分離部４２０８が作動位置にある。制御チャネル４２０４内の圧力が、（例えば、真空ポンプによって）流通チャネルの圧力を下回るように下げられたとき、分離部４２０８は、分離部４２０８を制御チャネル４２０４中へと引き込もうとする駆動力にさらされる。この駆動力の結果として、膜４２０８が制御チャネル４２０４内へと突き出し、これによって流通チャネル４２０２を通過する物質の流れに対する障害が取り除かれ、通路４２０３が生み出される。制御チャネル４２０４内の圧力が上昇すると、分離部４２０８が本来の位置をとり、緩んで戻って流通チャネル４２０２を妨げる。
【０２０８】
駆動力に応答するこの膜の挙動を、上に重なっている制御チャネルの幅を変えることによって、変化させることができる。すなわち、図２８Ｄ〜２８Ｈが、常時閉のバルブ４２０１の別の実施形態の平面図および断面図を示しており、ここでは、制御チャネル４２０７が分離部４２０８よりも大幅に幅広い。図２８Ｄの線４２Ｅ−４２Ｅ’に沿った断面図である図２８Ｅ〜Ｆに示されるように、エラストマ−材料において駆動の際に動かすべき領域がより大きいため、加えなければならない駆動力が低減される。
【０２０９】
図２８ＧおよびＨは、図２１Ｄの線４０Ｇ−４０Ｇ’に沿った断面図を示している。図２８Ｈは、図２８Ｇに示されている非作動状態のバルブ構成との比較において、より幅広い制御チャネル４２０７内の圧力の低下が、特定の状況のもとで、下層のエラストマ−４２０６を基板４２０５から引き離すという望ましくない作用を有する可能性があり、これによって望ましくない空隙４２１２が生じうるという事実を示している。
【０２１０】
したがって、制御ライン４２０４の幅を分離部４２０８に重なる部位４２０４ａを除いて最小限とすることによってこの問題を回避するバルブ構造４２２０について、図２８Ｉが平面図を示しており、図２８Ｊが、図２８Ｉの線２１Ｊ−２１Ｊ’に沿った断面図を示している。図２８Ｊに示されているように、作動状態であっても、制御チャネル４２０４の断面がより狭いことで、下層のエラストマ−材料４２０６に加わる引力が小さくなり、したがってこのエラストマ−材料が基板４２０５から引き離されて望ましくない空隙を生じることが防止される。
【０２１１】
圧力に応答して作動する常時閉のバルブ構造が、図２８Ａ〜２８Ｊに示されているが、本発明による常時閉のバルブは、この構成には限定されない。例えば、代案としては、流通チャネルを妨げる分離部を、すでに詳しく説明したように電界または磁界によって動作させてもよい。
【０２１２】
（１２．横駆動式バルブ）
これまでの説明は、制御チャネルが上方に配置され、介在するエラストマ−膜によって下方の流通チャネルから隔てられてなるマイクロ製作によるエラストマ−・バルブ構造に焦点を当てているが、本発明がこの構成に限られるわけではない。図２９Ａおよび２９Ｂは、本発明の一実施形態による横駆動式のバルブ構造について、一実施形態の平面図を示している。
【０２１３】
図２９Ａは、非作動性位置にある横駆動式バルブ構造４８００を示している。流通チャネル４８０２が、エラストマ−層４８０４に形成されている。さらに、流通チャネル４８０２に隣接する制御チャネル４８０６も、エラストマ−層４８０４に形成されている。制御チャネル４８０６は、エラストマ−膜部４８０８によって流通チャネル４８０２から隔てられている。第２のエラストマ−層（図示されていない）が、流通チャネル４８０２および制御チャネル４８０６を囲むべく、下部エラストマ−層４８０４を覆うように接合されている。
【０２１４】
図２９Ｂは、作動位置にある横駆動式バルブ構造４８００を示している。制御チャネル４８０６内の圧力の上昇に応答して、膜４８０８が流通チャネル４８０２内へと変形し、流通チャネル４８０２を閉鎖する。制御チャネル４８０６内の圧力が解放されると、膜４８０８は制御チャネル４８０６内へと緩んで戻り、流通チャネル４８０２が開かれる。
【０２１５】
図２９Ａおよび２９Ｂには、圧力に応答して動作する横駆動式バルブ構造を示したが、本発明による横駆動式バルブは、この構成に限定されない。例えば、代案としては、隣接する流通チャネルと制御チャネルとの間に位置するエラストマ−膜部を、すでに詳しく説明したように電界または磁界によって操作してもよい。
【０２１６】
（１３．複合構造）
本発明のマイクロ製作エラストマ−構造を、複合構造を生成すべく非エラストマ−材料と組み合わせることができる。図３０は、本発明による複合構造の一実施形態の断面図を示している。図３０は、第１の薄いエラストマ−層５７０２を、チャネル５７０６が形成されてなる半導体タイプの基板５７０４の上に備えている複合バルブ構造５７００を示している。第２のより厚いエラストマ−層５７０８が、第１のエラストマ−層５７０２の上に位置している。第１のエラストマ−層５７０２をチャネル５７０６へと押し込むように駆動することで、複合構造５７００がバルブとして動作させる。
【０２１７】
図３１は、この主題の一変形例の断面図を示しており、ここでは、薄いエラストマ−層５８０２が、２つの硬質の半導体基板５８０４および５８０６に挟まれており、下方の基板５８０４がチャネル５８０８を備えている。やはり、薄いエラストマ−層５８０２をチャネル５８０８へと押し込むように駆動することで、複合構造５８１０をバルブとして動作させる。
【０２１８】
図３０または３１に示した構造を、上述の多層ソフト・リソグラフィ技法またはカプセル化技法を利用して製作できる。多層ソフト・リソグラフィ法においては、エラストマ−層が形成され、次いでチャネルを有する半導体基板上へと配置される。カプセル化法においては、チャネルが、まず半導体基板内に形成され、次いでこのチャネルが、フォトレジストなどの犠牲材料で充填される。次いでエラストマ−が、基板上の所定の位置に形成され、犠牲材料が除去されて、エラストマ−膜によって覆われたチャネルが生み出される。エラストマ−の他の種類の材料への接合に関して後述するように、カプセル化アプロ−チは、エラストマ−膜コンポ−ネントと、下方に位置する非エラストマ−基板コンポ−ネントとの間に強力なシ−ルをもたすことができる。
【０２１９】
図３０および３１に示されるように、本発明の実施形態による複合構造は、チャネルなどの受動機能（ｐａｓｓｉｖｅ  ｆｅａｔｕｒｅ）を有する硬質の基板を備えることができる。しかしながら、本発明は、このアプロ−チに限定されず、下方に位置する硬質の基板が、凹部を有するエラストマ−・コンポ−ネントと相互作用する能動機能（ａｃｔｉｖｅ  ｆｅａｔｕｒｅ）を有してもよい。これが図３２に示されており、複合構造５９００は、壁５９０６と天井５９０８とを有する凹部５９０４を含んでいるエラストマ−・コンポ−ネント５９０２を備えている。天井５９０８は、可撓性の膜部分５９０９を形成している。エラストマ−・コンポ−ネント５９０２は、能動デバイス５９１２を含んでいる実質的に平坦な非エラストマ−・コンポ−ネント５９１０に対し、シ−ルされている。能動デバイス５９１２は、凹部５９０４内に存在する材料および／または可撓性の膜部分５９０９と、相互作用することができる。
【０２２０】
非エラストマ−の基板に、様々な種類の能動構造を存在させることができる。下層の硬質基板内に存在できる能動構造としては、これらに限られるわけではないが、レジスタ、コンデンサ、フォトダイオ−ド、トランジスタ、化学的電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）、アンペロメトリック／ク−ロメトリック電気化学センサ、光ファイバ、光ファイバ相互接続、発光ダイオ−ド、レ−ザ・ダイオ−ド、面発光型半導体レ−ザ（ＶＣＳＥＬ）、マイクロミラ−、加速度センサ、圧力センサ、フロ−センサ、ＣＭＯＳイメ−ジングアレイ、ＣＣＤカメラ、電子ロジック、マイクロプロセッサ、サ−ミスタ、ペルチェ・ク−ラ−、導波管、抵抗加熱器、ケミカルセンサ、ひずみゲ−ジ、インダクタ、アクチュエ−タ（静電式、磁気式、電磁式、バイメタル式、圧電式、形状記憶合金式、など）、コイル、磁石、電磁石、磁気センサ（ハ−ド・ドライブ、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤＳ）、および他のタイプにおいて用いられるもの、など）、無線周波数源および受信器、マイクロ波周波数源および受信器、他の領域の電磁スペクトルの源および受信器、放射性粒子カウンタ、および電位計が挙げられる。
【０２２１】
この技術分野において周知のとおり、これらに限られるわけではないが、プリント回路基板（ＰＣＢ）技術、ＣＭＯＳ、表面マイクロ機械加工、バルク・マイクロ機械加工、プリント可能ポリマ−・エレクトロニクス、ならびにラップトップおよびフラットスクリ−ンディスプレイの製造に使用されるようなＴＦＴおよび他の非晶質／多結晶技術など、膨大な種類の技術を、半導体および他の種類の硬質基板に作り込むために使用することができる。
【０２２２】
複合構造について、エラストマ−・コンポ−ネントと非エラストマ−・コンポ−ネントとの間のファンデルワ−ルス結合の生成から、エラストマ−・コンポ−ネントと非エラストマ−・コンポ−ネントとの間の共有結合またはイオン結合の生成までの範囲にわたる種々のアプロ−チを、エラストマ−構造を非エラストマ−基板に対してシ−ルするために使用することができる。主として強度を向上させるため、コンポ−ネント同士をシ−ルするための典型的なアプロ−チを後述する。
【０２２３】
第１のアプロ−チは、実質的に平坦なエラストマ−層が非エラストマ−材料からなるより硬質の実質的に平坦な層に接触して配置された場合に形成されるファンデルワ−ルス結合からもたらされる単純な気密シ−ルに依存することである。一実施形態においては、ガラス基板へのＲＴＶエラストマ−の結合が、最大で約３〜４ｐｓｉの圧力に耐えることができる複合構造を生み出した。これは、考えられる多くの用途にとって充分であろう。
【０２２４】
第２のアプロ−チは、結合を支援するために液体層を利用することである。このアプロ−チの一実施例は、エラストマ−の硬質ガラス基板への接合に関係するが、この実施例においては、弱酸性の溶液（５μＬ、Ｈ２Ｏ中ＨＣｌ、ｐＨ２）をガラス基板へと塗布した。次いで、エラストマ−・コンポ−ネントをガラス基板に接触させて配置し、この複合構造を、水を除去すべく３７℃でベ−クした。これにより、エラストマ−と非エラストマ−との間に、約２０ｐｓｉの圧力に耐えることができる結合がもたらされた。この場合には、酸によってガラス基板上に存在するシラノ−ル基を中和することができ、エラストマ−と非エラストマ−とが互いに良好にファンデルワ−ルス接触できるようになる。
【０２２５】
さらに、エタノ−ルへの曝露によって、デバイスのコンポ−ネントを一体に接着することができる。一実施形態において、ＲＴＶエラストマ−材料およびガラス基板をエタノ−ルで洗浄し、次いで窒素下で乾燥させた。次いで、ＲＴＶエラストマ−をガラスに接触させて配置し、この組み合わせを８０℃で３時間にわたってベ−クした。随意により、スライドとＲＴＶとの間に閉じ込められた気泡を除去するために、ＲＴＶを真空にさらしてもよい。この方法を使用したエラストマ−とガラスとの間の付着の強度は、３５ｐｓｉを超える圧力に耐える。この方法を使用して生み出される付着は、永続的ではなく、エラストマ−をガラスから引き剥がし、洗浄し、ガラスに対して再びシ−ルすることができる。さらに、このエタノ−ル洗浄アプロ−チを、エラストマ−の連続層を３０ｐｓｉの圧力に耐える充分な強度で一体に接合するために使用することも可能である。他の実施形態においては、他のアルコ−ルまたはジオ−ルなどの化学物質を、層間の付着を促進するために使用することができる。
【０２２６】
マイクロ製作による構造において層間の付着を促進する本発明による方法の一実施形態は、第１のコンポ−ネント層の表面を化学物質に曝露すること、第２のコンポ−ネント層の表面を化学物質に曝露すること、および第１のコンポ−ネント層の表面を第２のエラストマ−層の表面に接触させて配置すること、を含んでいる。
【０２２７】
第３のアプロ−チは、エラストマ−・コンポ−ネントと、非エラストマ−・コンポ−ネントの表面上に導入される官能基との間に、共有化学結合を生成することである。このような官能基を生成するための非エラストマ−基板表面の誘導体化の実施例は、ガラス基板をビニルシランまたはアミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）などの薬剤に曝露する工程を含んでいる。ビニルシランおよびアミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）は、それぞれガラスのシリコ−ン・エラストマ−材料およびポリウレタン・エラストマ−材料への結合を可能にするために有用であろう。
【０２２８】
第４のアプロ−チは、エラストマ−・コンポ−ネントと、非エラストマ−・コンポ−ネントの表面に固有の官能基との間に、共有化学結合を生成することである。例えば、ＲＴＶエラストマ−を、表面上に過剰のビニル基を備えて生成することができる。これらのビニル基を、例えばエッチングによって自然酸化物を除去した後に単結晶シリコン基板の表面上に表われるＳｉ−Ｈ結合など、硬質基板材料の外面に存在する対応する官能基と反応させることができる。この実施例において、エラストマ−・コンポ−ネントと非エラストマ−・コンポ−ネントとの間に生成された結合の強度が、エラストマ−・コンポ−ネントの材料強度を超えることが観察された。
【０２２９】
（１４．細胞ペン／細胞ケ−ジ）
本発明のさらなる用途においては、エラストマ−構造を、生物または他の生物学的材料を操作するために利用することができる。図３３Ａ〜３３Ｄは、本発明による細胞ペン構造の一実施形態の平面図を示している。
【０２３０】
細胞ペン・アレイ４４００は、直交して配置された複数の流通チャネル４４０２からなるアレイを特徴とし、交互の流通チャネルの交点に「ペン」構造４４０４（拡大されて図示されている）を備えている。バルブ４４０６が、各ペン構造４４０４の入り口および出口に配置されている。蠕動ポンプ構造４４０８が、水平方向の各流通チャネルおよび細胞ペン構造を有していない垂直方向の流通チャネルに配置されている。
【０２３１】
図３３Ａの細胞ペン・アレイ４４００には、あらかじめ選別された細胞Ａ〜Ｈが導入されている。図３３Ｂ〜３３Ｃには、（１）隣接するペン４４０４ａおよび４４０４ｂの両側のバルブ４４０６を開き、（２）水平流通チャネル４４０２ａをポンプして細胞ＣおよびＧを押し出し、次いで（３）細胞Ｃを取り出すために垂直流通チャネル４４０２ｂをポンプすることによって、個別に貯蔵された細胞Ｃにアクセスして取り出す旨が示されている。図３３Ｄには、水平流通チャネル４４０２ａを通る液体の流れの方向を反対にすることによって、第２の細胞Ｇが細胞ペン・アレイ４４００内の元の位置へと戻される旨が示されている。
【０２３２】
上述の細胞ペン・アレイ４４０４は、物質を、選択されたアドレシング可能な位置に、即座にアクセスできるように保存することができる。しかしながら、細胞などの生きている生物は、生存を維持するために、連続的な食物の摂取および廃棄物の排出を必要とするであろう。そこで、図３４Ａおよび３４Ｂに、本発明による細胞ケ−ジ構造の一実施形態について、それぞれ平面図および（線４５Ｂ−４５Ｂ’に沿った）断面図を示す。
【０２３３】
細胞ケ−ジ４５００は、エラストマ−・ブロック４５０３において、基板４５０５に接する流通チャネル４５０１の拡大部４５００ａとして形成される。細胞ケ−ジ４５００は、細胞ケ−ジ４５００の端部４５００ｂおよび４５００ｃが内部領域４５００ａを完全には囲まない点を除き、図３３Ａ〜３３Ｄにて上述した個々の細胞ペンに類似している。代わりに、ケ−ジ４５００の端部４５００ａおよび４５００ｂは、複数の引き込み可能なピラ−４５０２によって形成されている。ピラ−４５０２は、図２８Ａ〜２８Ｊに関して詳しく上述した常時閉のバルブ構造の膜構造の一部であってよい。
【０２３４】
具体的には、制御チャネル４５０４が、ピラ−４５０２に重なっている。制御チャネル４５０４中の圧力が低くなると、エラストマ−・ピラ−４５０２は、制御チャネル４５０４へと上方に引き込まれ、細胞ケ−ジ４５００の端部４５００ｂを開いて、細胞の進入を可能にする。制御チャネル４５０４の圧力が高まると、ピラ−４５０２が基板４５０５に当接するよう下方へと緩み、細胞がケ−ジ４５００から出ないようにする。
【０２３５】
エラストマ−・ピラ−４５０２は、ケ−ジ４５００から出ようとする細胞の移動を妨げるための充分なサイズおよび数であるが、同時に、内部に保存される細胞を維持すべくケ−ジ内部４５００ａへと栄養が流入できるようにするギャップ４５０８を備えている。反対側の端部４５００ｃに位置するピラ−４５０２も、所望に応じてケ−ジの開放および細胞の取り出しを可能にするため、第２の制御チャネル４５０６の直下において同様に構成されている。
【０２３６】
図３３Ａ〜３３Ｄに示されている交差流通チャネル・ア−キテクチャは、ただいま説明した細胞ペン以外の機能を実行するために、使用することができる。例えば、交差流通チャネル・ア−キテクチャを、混合の用途に利用することができる。
【０２３７】
これが、図３５Ａ〜Ｂに示されており、本発明の他の実施形態によるマイクロ製作構造によって実行される混合段階の平面図を示している。具体的には、マイクロ製作された混合構造の部位７４００が、第１の流通チャネル７４０２を、第２の流通チャネル７４０４に直交させ、かつ第２の流通チャネル７４０４と交差させて有している。制御チャネル７４０６が、流通チャネル７４０２および７４０４の上方に位置し、交差部７４１２のそれぞれを取り囲むバルブ・ペア７４０８ａ−ｂおよび７４０８ｃ−ｄを形成している。
【０２３８】
図３５Ａに示されているように、当初は、バルブ・ペア７４０８ａ−ｂが開かれる一方で、バルブ・ペア７４０８ｃ−ｄが閉じられており、流体サンプル７４１０は、流通チャネル７４０２を通じて交差部７４１２へと流される。次いで、バルブ・ペア７４０８ｃ−ｄが駆動され、流体サンプル７４１０を交差部７４１２に捕捉する。
【０２３９】
次に、図３５Ｂに示されているように、バルブ・ペア７４０８ａ−ｂおよび７４０８ｃ−ｄが開かれ、その結果、流体サンプル７４１０が、交差部７４１２から、交差流の流体を流している流通チャネル７４０４へと注入される。図３５Ａ、Ｂに示したプロセスを、任意の数の流体サンプルを交差流のチャネル７４０４へと正確に分配するため、繰り返すことができる。
【０２４０】
図３５Ａ、３５Ｂに関して上述した実施形態は、流通チャネルの交差部の両側に位置するバルブ・ペアを連動させて使用しているが、これは、本発明において必須ではない。所望の流通特性をもたらすため、交差部の隣り合うバルブの連動、または交差部を取り囲む各バルブの独立駆動など、他の構成も可能である。しかしながら、独立したバルブ駆動のアプロ−チにおいては、各バルブについて別個の制御用構造が使用され、装置の配置構成が複雑になる点を理解すべきである。
【０２４１】
（１５．体積排除による計量）
多数の高スル−プットのスクリ−ニングおよび診断用途が、反応チャンバ内における種々の試薬の正確な組み合わせを必要としている。流体の流れを確実にするため、マイクロ流体デバイスのチャネルに呼び水が必要であることがしばしばである点に鑑みれば、サンプル導入前の反応チャンバの中身によって混合溶液が希釈または汚染されないように保証することは、困難であろう。
【０２４２】
体積排除は、反応チャンバへの流体の導入を正確に計量できるようにする１つの技法である。このアプロ−チにおいては、反応チャンバを、サンプル注入に先立って完全に、または部分的に空にできる。この方法は、チャンバ内容物の残留内容物による汚染を低減し、反応チャンバへの溶液の導入を正確に計量するために使用することができる。
【０２４３】
具体的には、図３６Ａ〜３６Ｄが、反応物を計量するために体積排除が用いられている反応チャンバの断面図を示している。図３６Ａは、第１のエラストマ−層６３０２を第２のエラストマ−層６３０４の上方に有しているマイクロ流体デバイスの部位６３００の断面図を示している。第１のエラストマ−層６３０２は、制御チャンバ６３０６を、制御チャネル（図示されていない）に流通させて有している。制御チャンバ６３０６は、第２のエラストマ−層６３０４の行き止まり（ｄｅａｄ−ｅｎｄ）の反応チャンバ６３０８の上方に位置し、膜６３１０によって反応チャンバ６３０８から隔てられている。さらに、第２のエラストマ−層６３０４は、行き止まりの反応チャンバ６３０８へと通じる流通チャネル６３１２を有している。
【０２４４】
図３６Ｂは、制御チャンバ６３０６内の圧力上昇の結果を示している。具体的には、制御チャンバの圧力が上昇することで、膜６３１０が反応チャンバ６３０８へと下方に屈曲し、反応チャンバ６３０８の有効体積を体積Ｖだけ減少させる。結果としてこれが、等価な体積Ｖの反応物を反応チャンバ６３０８から排除し、体積Ｖの第１の反応物Ｘが、流通チャネル６３１２から出力される。制御チャンバ６３０６における圧力の上昇と流通チャネル６３１２から出力される物質の体積との間の正確な相関を、精密に較正することができる。
【０２４５】
図３６Ｃに示されるように、高められた圧力を制御チャンバ６３０６内に維持しつつ、体積Ｖ’の第２の反応物Ｙが、流通チャネル６３１２および反応チャンバ６３０８に接触して配置される。
【０２４６】
図３６Ｄに示される次の工程において、制御チャンバ６３０６内の圧力が、もとのレベルに低減される。その結果、膜６３１０が弛緩し、反応チャンバ６３０８の有効体積が増加する。体積Ｖの第２の反応物Ｙが、デバイス内に吸入される。反応チャンバおよび制御チャンバの相対サイズを変更することによって、溶液を特定の相対濃度で正確に混合することが可能である。デバイス内に吸入される第２の反応物Ｙの量が、排除された体積Ｖによってのみ決まり、流通チャネルの開口部にて利用可能にされているＹの体積Ｖ’には依存しない点に、留意する価値がある。
【０２４７】
図３６Ａ〜３６Ｄは、ただ１つの反応チャンバが関係する本発明の単純な実施形態を示しているが、さらに複雑な実施形態においては、数百または数千の反応チャンバからなる並列構造を、ただ１つの制御ラインの圧力を上昇させることによって駆動することができる。
【０２４８】
さらに、上述の記載においては、制御チャンバおよび反応チャンバのサイズによって定まる相対濃度での２つの反応物の組み合わせを説明したが、体積排除の技法は、ただ１つの反応チャンバにおいて複数の反応物を種々の濃度で組み合わせるために使用することができる。考えられる１つのアプロ−チは、各反応チャンバの上方において、別個に指定可能な複数の制御チャンバを用いることである。このア−キテクチャの一例は、ただ１つの制御チャンバの代わりに１０本の別々の制御ラインを備え、１０種類の等価な体積の押し出し、または吸入を可能にすることにある。
【０２４９】
考えられる他のアプロ−チは、反応チャンバ全体を覆うようにただ１つの制御チャンバを利用し、制御チャンバの圧力を変化させることによって反応チャンバの有効体積を調節することにある。このようなやり方で、反応チャンバの有効体積について、アナログ制御が可能である。アナログ体積制御は、結果として、多数の溶液反応物の任意の相対濃度での組み合わせを可能にする。
【０２５０】
流体の体積を計量する本発明による方法の実施形態は、エラストマ−・ブロックにおいて或る体積を有するチャンバを、エラストマ−膜によって制御用の凹部から隔てて設ける工程、および制御用の凹所へと圧力を供給して膜をチャンバ内へと撓ませ、較正済みの量だけ体積を減少させて、較正済みの量の流体をチャンバから排除する工程を含んでいる。
【０２５１】
いくつかの実施形態を説明したが、本発明の技術的思想から離れることなく、種々の変更、代案となる構成、および均等物を使用できることを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、本発明を不必要に分かりにくくすることがないよう、よく知られている多数のプロセスおよび要素については、説明を省略した。したがって、上述の説明を、本発明の技術的範囲を限定するものとして理解すべきではない。
【０２５２】
値の範囲が提示されている場合には、そのようでないことが文脈から明らかでない限りは、そのような範囲の上限と下限との間に存在する値もそれぞれ、下限の単位の１０分の１まで、具体的に開示されたものと理解すべきである。記載された値または記載された範囲内の中間値と、他に記載された値または当該記載された範囲内の中間値との間にあるより狭い範囲がすべて、本発明に包含される。記載された範囲内の限界値を具体的に除外していない限り、そのようなより狭い範囲の上限および下限を、それぞれ別個に当該範囲に含め、あるいは当該範囲から除外することができ、そのようなより狭い範囲であって限界値の両方または一方を含む範囲、あるいはそのようなより狭い範囲であっていずれの限界値も含まない範囲がすべて、本発明に包含される。記載されている範囲が、一方または両方の限界値を含んでいる場合には、それら含まれている限界値の一方または両方を除いてなる範囲も、本発明に含まれる。
【０２５３】
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈からそのようでないことが明らかでない限り、言及の対象が複数である場合をも包含する。すなわち、たとえば「プロセス（ａ  ｐｒｏｃｅｓｓ）」と述べた場合には、そのようなプロセスが複数である場合を含み、「電極（ｔｈｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」と述べた場合には、電極および当業者によって公知である電極の均等物が１つ以上である場合を含んでおり、以下同様である。
【０２５４】
さらに、用語「・・・からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「・・・からなっている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「・・・を含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」、「・・・を含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「・・・を含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、本明細書および以下の特許請求の範囲において使用されるとき、記載の特徴、完全体、コンポ−ネント、または工程の存在を指定することを意図しているが、１つ以上の他の特徴、完全体、コンポ−ネント、工程、またはグル−プの存在または追加を除外するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２５５】
【図１】図１は、本発明の実施形態によるケモスタットを示している。
【図２】図２は、本発明の実施形態によるケモスタット清掃方法の各工程を含んでいるフロ−チャ−トを示している。
【図３】図３は、本発明の実施形態によるケモスタット・チップを示している。
【図４】図４は、本発明の実施形態によるケモスタット・チップの製造方法のフロ−チャ−トを示している。
【図５Ａ】図５Ａ〜Ｂは本発明によるケモスタット・システムを使用した実験において得られた細菌培養物の増殖曲線を示している。
【図５Ｂ】図５Ａ〜Ｂは本発明によるケモスタット・システムを使用した実験において得られた細菌培養物の増殖曲線を示している。
【図６】図６は、本発明によるケモスタット・システムを使用した実験の実行から、Ｔａｕ  Ｉと希釈率との関係をプロットして示している。
【図７】図７は、本発明によるケモスタット・システムを使用した実験の実行から、定常状態の細胞濃度と希釈率との関係をプロットして示している。
【図８】図８は、マイクロ加工のモ−ルド上に形成された第１のエラストマ−層を示している。
【図９】図９は、マイクロ加工のモ−ルド上に形成された第２のエラストマ−層を示している。
【図１０】図１０は、図９のエラストマ−層を示しており、マイクロ加工のモ−ルドから取り外されて、図８のエラストマ−層の上方に配置されている。
【図１１】図１１は、図１０に相当する図であるが、第２のエラストマ−層が第１のエラストマ−層の上方に接して位置して示されている。
【図１２】図１２は、図１１に相当する図であるが、第１および第２のエラストマ−層が一体に接合されて示されている。
【図１３】図１３は、図１２に相当する図であるが、第１のマイクロ加工のモ−ルドが取り外され、その位置に平坦な基板が配置されている。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３に相当する図であるが、エラストマ−構造が平坦な基板上へと封止されている。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａに対応する正面断面図であり、開状態の流通チャネルが示されている。
【図１４Ｃ】図１４Ｃ〜１４Ｇ別個のエラストマ−層から構成された膜を有しているエラストマ−構造を形成するための方法について、各工程を示した図である。
【図１５】図１５Ａおよび１５Ｂは、種々の流通チャネルについて、バルブの開きと印加圧力の関係を示している。
【図１６】図１６は、１００μｍ×１００μｍ×１００μｍのＲＴＶマイクロバルブの時間応答を示している。
【図１７】図１７は、一対の流通チャネルを通過する流通チャネルの断面図を示している。
【図１８】図１８は、湾曲した上壁を有する流通チャネルの断面図を示している。
【図１９Ａ】図１９Ａは、オン／オフ・バルブの上面概略図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、図１９Ａの線３０Ｂ−３０Ｂに沿った立面断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは、蠕動ポンピング・システムの上面概略図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、図２０Ａの線３１Ｂ−３１Ｂに沿った立面断面図である。
【図２１】図２１は、図２０の蠕動ポンピング・システムの実施形態について、実験によって得られたポンピング流量と周波数との関係を示したグラフである。
【図２２Ａ】図２２Ａは、複数の流通ラインを同時に駆動する１つの制御ラインの上面概略図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、図２１Ａの線３３Ｂ−３３Ｂに沿った立面断面図である。
【図２３】図２３は、種々のチャネルを通る流れを可能にするように構成された多重化システムの概略図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、指定可能な反応チャンバ構造の流通層の平面図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、指定可能な反応チャンバ構造の制御チャネル層の底面の平面図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、図２４Ｂの制御チャネル層を図２４Ａの流通層の上へと接合して形成される指定可能な反応チャンバ構造の分解斜視図である。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、図２４Ｃに対応する立面断面図であり、図２４Ｃの線２５Ｄ−２５Ｄに沿って得られた図である。
【図２５】図２５は、流体の流れを反応穴のアレイのいずれかへと選択的に導くように構成されたシステムの概略図である。
【図２６】図２６は、平行な流通チャンネル間の選択可能な横断流れのために構成されたシステムの概略図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは、切り替え可能な流通アレイのエラストマ−の第１層（すなわち、流通チャネル層）の底面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、切り替え可能な流通アレイの制御チャネル層の底面図である。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、図２７Ａのエラストマ−第１層について、図２７Ｂのエラストマ−第２層の１組の制御チャネルとの整列を示している。
【図２７Ｄ】図２７Ｄは、やはり図２７Ａのエラストマ−第１層について、図２７Ｂのエラストマ−第２層の他の組の制御チャネルとの整列を示している。
【図２８】図２８Ａ〜２８Ｊは、本発明による常時閉のバルブ構造の一実施形態の図を示している。
【図２９】図２９Ａおよび２９Ｂは、本発明による横駆動式バルブ構造の一実施形態の動作を説明する平面図を示している。
【図３０】図３０は、本発明による複合構造の一実施形態の断面図を示している。
【図３１】図３１は、本発明による複合構造の他の実施形態の断面図を示している。
【図３２】図３２は、本発明による複合構造の他の実施形態の断面図を示している。
【図３３】図３３Ａ〜３３Ｄは、本発明による細胞ペン構造の一実施形態の動作を説明する平面図を示している。
【図３４】図３４は、本発明による細胞ケ−ジ構造の一実施形態の動作を説明する平面図および断面図を示している。
【図３５】図３５は、本発明の実施形態による交差チャネル注入を利用する配線構造の動作についての平面図を示している。
【図３６】図３６は、本発明の実施形態に従った体積排除による計量について、断面図を示している。
【図１】
2007517523.tif 000025
【図２】
2007517523.tif 000026
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
2007517523.tif 000029
【図５Ｂ】
2007517523.tif 000030
【図６】
2007517523.tif 000031
【図７】
2007517523.tif 000032
【図８】
2007517523.tif 000033
【図９】
2007517523.tif 000034
【図１０】
2007517523.tif 000035
【図１１】
2007517523.tif 000036
【図１２】
2007517523.tif 000037
【図１３】
2007517523.tif 000038
【図１４Ａ】
2007517523.tif 000039
【図１４Ｂ】
2007517523.tif 000040
【図１４Ｃ】
2007517523.tif 000041
【図１４Ｄ】
2007517523.tif 000042
【図１４Ｅ】
2007517523.tif 000043
【図１４Ｆ】
2007517523.tif 000044
【図１４Ｇ】
2007517523.tif 000045
【図１４Ｈ】
2007517523.tif 000046
【図１５】
2007517523.tif 000047
【図１６】
2007517523.tif 000048
【図１７】
2007517523.tif 000049
【図１８】
2007517523.tif 000050
【図１９Ａ】
2007517523.tif 000051
【図１９Ｂ】
2007517523.tif 000052
【図２０Ａ】
2007517523.tif 000053
【図２０Ｂ】
2007517523.tif 000054
【図２１】
2007517523.tif 000055
【図２２Ａ】
2007517523.tif 000056
【図２２Ｂ】
2007517523.tif 000057
【図２３】
2007517523.tif 000058
【図２４Ａ】
2007517523.tif 000059
【図２４Ｂ】
2007517523.tif 000060
【図２４Ｃ】
2007517523.tif 000061
【図２４Ｄ】
2007517523.tif 000062
【図２５】
2007517523.tif 000063
【図２６】
2007517523.tif 000064
【図２７Ａ】
2007517523.tif 000065
【図２７Ｂ】
2007517523.tif 000066
【図２７Ｃ】
2007517523.tif 000067
【図２７Ｄ】
2007517523.tif 000068
【図２８Ａ】
2007517523.tif 000069
【図２８Ｂ】
2007517523.tif 000070
【図２８Ｃ】
2007517523.tif 000071
【図２８Ｄ】
2007517523.tif 000072
【図２８Ｅ】
2007517523.tif 000073
【図２８Ｆ】
2007517523.tif 000074
【図２８Ｇ】
2007517523.tif 000075
【図２８Ｈ】
2007517523.tif 000076
【図２８Ｉ】
2007517523.tif 000077
【図２８Ｊ】
2007517523.tif 000078
【図２９Ａ】
2007517523.tif 000079
【図２９Ｂ】
2007517523.tif 000080
【図３０】
2007517523.tif 000081
【図３１】
2007517523.tif 000082
【図３２】
2007517523.tif 000083
【図３３Ａ】
2007517523.tif 000084
【図３３Ｂ】
2007517523.tif 000085
【図３３Ｃ】
2007517523.tif 000086
【図３３Ｄ】
2007517523.tif 000087
【図３４Ａ】
2007517523.tif 000088
【図３４Ｂ】
2007517523.tif 000089
【図３５Ａ】
2007517523.tif 000090
【図３５Ｂ】
2007517523.tif 000091
【図３６Ａ】
2007517523.tif 000092
【図３６Ｂ】
2007517523.tif 000093
【図３６Ｃ】
2007517523.tif 000094
【図３６Ｄ】
2007517523.tif 000095
【国際調査報告】
2007517523.tif 000096
2007517523.tif 000097