(57)【要約】【課題】マイクロ流体構成要素、特に、流体流れのマイクロ流体的制御のためのバルブを提供する。【解決手段】本発明は、流体入口と流体出口とを有する流体を収容するための第１の本体と複数の電極とを含み、使用時に第１の本体に収容された流体内に保持された第２の本体を収容するように配置されたマイクロ流体バルブを提供するものであり、第２の本体は、流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように移動可能であり、第２の本体の移動は、第１の本体の中への又はそれから出る流体流れが制御されるように、電極によって発生した電界内の位相差によって引き起こされる。流体流れは、誘電泳動、電気泳動、又は電気浸透効果の１つを使用して制御される。本発明はまた、流体流れを制御する方法、及び流体流れが各々において制御されるマイクロ流体スイッチ、マイクロ流体チップ、及び診断装置を提供する。【選択図】図３
2007501364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体入口と流体出口とを有する流体を収容するための第１の本体と複数の電極とを含み、使用時に該第１の本体に収容された流体内に保持された第２の本体を収容するように配置されたマイクロ流体バルブであって、
前記第２の本体は、前記流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように移動可能であり、
前記第２の本体の移動は、前記第１の本体の中への又はそれから出る流体流れが制御されるように、前記電極によって発生した電界内の位相差によって引き起こされる、
ことを特徴とするバルブ。
【請求項２】
前記複数の電極は、アレイであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項３】
前記複数の電極は、前記第１の本体の側面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項４】
前記複数の電極は、前記第１の本体の反対側面上に配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項５】
前記複数の電極は、前記第１の本体の隣接する側面上に配置されていることを特徴とする請求項１、請求項２、又は請求項３に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項６】
前記位相差は、前記複数の電極に交流電流を印加することによって作り出された電界勾配によって生成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項７】
前記位相差は、前記複数の電極に交流電流を印加することによって作り出された不均一な電界によって生成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項８】
前記位相差は、９０°の位相の遅れであることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項９】
前記位相差は、９０°の位相の進みであることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１０】
前記位相差は、前記第２の本体を前記流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように移動させることを特徴とする請求項１から請求項９に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１１】
前記第２の本体が前記流体入口又は流体出口の一方に向けて移動した時に、前記本体の中への又はそれから出る流体流れが妨げられることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１２】
流体流れが妨げられた時にオフに切り換えられることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１３】
前記第２の本体が前記流体入口又は流体出口の一方から離れて移動した時にオンであることを特徴とする請求項１０、請求項１１、又は請求項１２に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１４】
前記第２の本体は、誘電材料のものであることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１５】
前記誘電材料は、ラテックス、ポリスチレン、ポリプロピレン、ガラス、シリカ、又はＰＴＦＥのうちの１つであることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１６】
前記第２の本体は、泡であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１７】
前記本体内への開口部を備えた泡発生チャンバを更に含むことを特徴とする請求項１６に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１８】
前記第１の本体は、チャンバを形成することを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項１９】
前記第１の本体は、チャンネルを形成することを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２０】
前記チャンネルは、パイプであることを特徴とする請求項１９に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２１】
前記第２の本体は、誘電泳動により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２２】
前記第２の本体は、導電性であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２３】
前記第２の本体は、電気泳動により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項２２に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２４】
前記第２の本体は、電気浸透により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２５】
前記流体流れは、層流であることを特徴とする請求項１から請求項２４のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２６】
前記第１の本体は、複数の入口を有することを特徴とする請求項１から請求項２５のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２７】
前記第１の本体は、複数の出口を有することを特徴とする請求項１から請求項２６のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２８】
各入口又は各出口を通る前記流体流れは、制御可能であることを特徴とする請求項２６又は請求項２７に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項２９】
前記第２の本体は、流体入口を通る流体流れを制御することを特徴とする請求項１から請求項２８のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項３０】
前記第２の本体は、流体出口を通る流体流れを制御することを特徴とする請求項１から請求項２８のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項３１】
前記流体は、液体であることを特徴とする請求項１から請求項３０のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項３２】
前記流体は、気体であることを特徴とする請求項１から請求項３１のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブ。
【請求項３３】
マイクロ流体バルブ内の流体流れを制御する方法であって、
流体入口と流体出口とを有して流体を収容する第１の本体上に配置された複数の電極に電圧を印加し、それによって電界を作り出す段階と、
隣接する電極間に誘起された前記電界内の位相差により、前記流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように第２の本体を移動させる段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記複数の電極は、アレイであることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
交流電流が、前記電極に印加されることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記位相差は、９０°の位相の遅れであることを特徴とする請求項３３、請求項３４、又は請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記位相差は、９０°の位相の進みであることを特徴とする請求項３３、請求項３４、又は請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記位相差は、前記第２の本体を前記流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように移動させることを特徴とする請求項３３から請求項３７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３９】
前記第２の本体が前記流体入口又は流体出口の一方に向けて移動した時に、前記第１の本体の中への又はそれから出る流体流れが妨げられることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記バルブは、流体流れが妨げられた時にオフに切り換えられることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記バルブは、前記第２の本体が前記流体入口又は流体出口の一方から離れて移動した時にオンに切り換えられることを特徴とする請求項３３から請求項３８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２の本体は、誘電材料のものであることを特徴とする請求項３３から請求項４１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４３】
前記誘電材料は、ラテックス、ポリスチレン、ポリプロピレン、ガラス、シリカ、又はＰＴＦＥのうちの１つであることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記第２の本体は、泡であることを特徴とする請求項３３から請求項４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１の本体上に開口している泡発生チャンバ内で前記泡を発生させる段階を更に含むことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１の本体の中に前記泡を導入する段階を更に含むことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記泡は、前記複数の電極に交流電流を印加する前に前記第１の本体の中に導入されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記泡は、前記複数の電極に交流電流を印加した後に前記第１の本体の中に導入されることを特徴とする請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記第２の本体は、誘電泳動により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項３３から請求項４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５０】
前記第２の本体は、導電性粒子であることを特徴とする請求項３３から請求項４９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５１】
前記第２の本体は、電気泳動により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第２の本体は、電気浸透により前記電界内で移動可能であることを特徴とする請求項３３から請求項４８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５３】
請求項１から請求項３２のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブを含むことを特徴とするマイクロ流体チップ。
【請求項５４】
請求項１から請求項３２のいずれか１項に記載のマイクロ流体バルブを含むことを特徴とするマイクロ流体スイッチ。
【請求項５５】
前記電界は、不均一であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項５６】
前記電界は、電界勾配を有することを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項５７】
請求項５３に記載のマイクロ流体チップ又は請求項５４に記載のマイクロ流体スイッチを含むことを特徴とする診断装置。
【請求項５８】
添付図面の図２から図６を参照して実質的に本明細書に説明したようなマイクロ流体バルブ。
【請求項５９】
添付図面の図２から図６を参照して実質的に本明細書に説明したような流体流れを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体構成要素に関し、より詳細には、流体流れのマイクロ流体的制御のためのバルブに関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる「ラボ・オン・ア・チップ」装置は、オンチップの化学処理を向上させるために、様々なマイクロチャンネルを通る流体流れを制御するための精密なマイクロ流体技術を必要とする。この技術の使用の一部の例は、試薬の貯蔵の改善、チャンネルのプライミング、液体の流れストリームの切換、並びに漏れと圧力変動を防止するための化学処理の敏感な段階でのチップの特定区域の隔離を含む。
【０００３】
一連のバルブを使用してそのようなチップ内でマイクロ流体の流れを制御する方法を開発するために、この分野の研究が現在行われている。そのような流体流れの制御は、装置の効率的な性能に対して不可欠である。
制御された流体流れを提供する１つの方法は、従来のダイアフラム型バルブの使用である。通常、これは、シリコン材料に基づくＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術の使用を含む。しかし、そのような構成要素の実施及び統合は、複雑で非常に高価である。疎水性受動バルブのような類似の種類のバルブは、実施及び統合するのにそれほど複雑ではないが、一方向の流体流れだけを提供するものである。
【０００４】
そのような制御された流体流れを提供する別の方法は、Ｊｉ他（２００２年９月１５−１８日にプラハで開催された第１６回半導体変換器に関する欧州会議）に説明されたもののようなビーズベースのマイクロ流体バルブを使用することである。この設計では、流体出口を遮断するためにいくつかのシリカ・マイクロビーズが使用されてチェックバルブのようなバルブを形成する。流体が流体入口からバルブを通って出口の方向に流れる時に、流体の流れは、ビーズを出口の口に向けて移動させ、それらをそこで凝集させる。凝集の容積が十分大きい場合には、バルブが実質的に閉じ、流体はそれ以上出口を通って流れない。流体入口と比較してビーズのサイズが小さくなると、静電気引力及び表面エネルギの減少のような他の要素が凝集に影響を与える。
この設計の欠点は、バルブを開くためには、凝集を出口の口から無理に遠ざけるために流体流れの方向を逆転させなければならないことである。更に、凝集が流体出口の口を閉鎖するために十分な容積を達成するのにある一定の有限期間を要するので、上述のＭＥＭＳバルブのように迅速な流体流れの遮断を達成することができない。
【０００５】
液体の流れを制御するためのより簡単な概念は、液体自体を凍結させ、金属ボール又は何らかの形式の圧電を使用して流体のチャンネル内に一時的に閉塞を作り出すことである。そのようなソリューションの各々は、液体凍結のソリューションに伴う特定の問題である流れ制御における時間遅延のような欠点がある。様々な表面張力効果を利用する泡バルブも当業技術で公知である。Ｔｅｒｒａｙ，Ｏａｋｅｙ、及びＭａｒｒ，「Ｓｃｅｉｅｎｃｅ」、２９６巻、１８４１−１８４３ページ、２００２年に説明のコロイド状微小球体を操作することによってマイクロメートルサイズのポンプとバルブを作り出すことも公知である。これは、光トラッピンッグの原理を利用し、コロイド状粒子を操作して流体の流れを制御するものである。
【０００６】
【非特許文献１】Ｊｉ他、第１６回半導体変換器に関する欧州会議、プラハ、２００２年９月１５−１８日
【非特許文献２】Ｔｅｒｒａｙ，Ｏａｋｅｙ、及びＭａｒｒ，「Ｓｃｅｉｅｎｃｅ」、２９６巻、１８４１−１８４３ページ、２００２年
【発明の開示】
【０００７】
本出願人は、マイクロ流体的流れ制御に対する簡単で信頼性のある方法及び装置の必要性を認めている。本出願人は、更に、流体を制御するためのどのような機構も流体自体の性質に対する影響が好ましくは最低限であるべきであるということも認識している。
従って、本出願人は、二方向の流体流れをもたらし、製造が簡単で既存のシステムに統合され、低コストで実施することができるマイクロ流体バルブを提供する必要性を認識している。
【０００８】
従って、本発明は、流体入口と流体出口とを有する流体を収容するための第１の本体と複数の電極とを含み、使用時に第１の本体に収容された流体内に保持された第２の本体を収容するように配置されたマイクロ流体バルブを提供し、第２の本体は、流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように移動可能であり、第２の本体の移動は、第１の本体の中への又はそれから出る流体流れが制御されるように電極によって発生した電界内の位相差によって生じるものである。
【０００９】
本発明はまた、流体入口と流体出口とを有して流体を収容する第１の本体上に配置された複数の電極に電圧を印加し、それによって電界を作り出す段階と、隣接する電極間に誘起された電界内の位相差により、流体入口又は流体出口の一方に向けて又はそれから離れるように第２の本体を移動させる段階とを含むマイクロ流体バルブ内の流体流れを制御する方法を提供する。
マイクロ流体チップ及びスイッチは、本発明の様々な実施形態に従ったマイクロ流体バルブを含むことができる。そのようなスイッチ及びチップを含む診断装置を作ることも可能である。
【００１０】
本発明の実施形態は、流体を収容する本体の中へ及びそれから出る二方向の流体流れを可能にする簡単なバルブを使用して流体流れを制御することができるという利点を提供する。この流体制御は、誘電泳動、電気泳動、又は電気浸透の手段によることができ、第１の本体上の電極によってもたらされた電界勾配又は不均一な電界が第２の本体を移動させる。
第２の本体は、ラテックス、ポリスチレン、ポリプロピレン、ガラス、シリカ、又はＰＴＦＥのような誘電材料、又は導電材料の分極性粒子を含むことができる。
ここで、本発明の実施形態を単に例示的に添付図面を参照して以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、進行波誘電泳動（ＴＷＤ）効果を利用してチャンネル内の分極性粒子を移動し、マイクロ流体バルブを形成する。背景の意味で、誘電泳動の現象を最初に以下に説明する。
誘電泳動及び進行波誘電泳動のようなＡＣ界面動電技術は、様々な粒子の操作、分離、及び特徴付けの用途で長年の間使用されている。この現象は、粒子と背景の媒体が異なる分極性を有する時に発生し、これは、動的な電界が存在する条件下で媒体に対する粒子の引力的、反発的、及び進行的運動を誘起するために使用することができる。
【００１２】
誘電泳動は、交流又は電界勾配を有するもののような不均一な電界内の非荷電粒子によって示され、荷電粒子に対する電気泳動効果に類似しているものとして理解することができる。
媒体によって囲まれたどの荷電粒子もその媒体内から反対に荷電されたイオンを引き付け、粒子の表面で電荷の二重層を形成することになる。例えば、負に荷電した粒子は、正のイオンを引き付けることになる。この荷電粒子が均一な電界、例えばＤＣ電界を受けると、この二重層は変形する。これは、マクスウェル−ワグナー効果として公知である。２つの電荷δｑ＋とδｑ−は、半径ｒ＋とｒ−で粒子の両側に誘起される。これは、次式で表されるマグニチュードの双極子モーメントを生成する。
ｍ＝（δｑ＋）ｒ+−（δｑ−）ｒ-＝∂ｑ・ｒ      １
絶対誘電率εmの媒体内の半径ｒの球形の粒子の場合、双極子モーメントのマグニチュードは、次式で表される。
ｍ＝４πεm（（σ*p−σ*m）／（σ*p＋σ*m））ｒ3Ｅ      ２
ここで、σ*pとσ*mは、それぞれ、粒子と媒体の複素導電率である。
【００１３】
非荷電粒子の場合、誘電泳動は、不均一な電界を受けた時に誘起される。
不均一な電界Ｅ内の粒子に作用する全電気力Ｆは、次式によって与えられる。
Ｆ＝ＱＥ＋δｑＥ（ｒ＋）−δｑＥ（ｒ−）＝ＱＥ＋（ｍ∇）・Ｅ      ３
ここで、Ｑは粒子の電荷、∇はベクトル演算子のデル、他の項は、上述の通りである。
この状況では粒子は非荷電であり、従って、Ｑ＝０である。
【００１４】
式σ*＝σ＋ｊωεを使用して、電界内の粒子に対する時間平均力Ｆ（ω）は、次式によって与えられる。
Ｆ（ω）＝２πｒ3εmＲｅ〔Ｋ（ω）〕∇Ｅ2      ４
ここで、Ｋ（ω）は、以下のクラウジウス−モソッティ係数である。
Ｋ（ω）＝（ε*p−ε*m）／（ε*p＋２ε*m）      ５
ωは、印加された電界、例えばＡＣ電界の周波数、及びＲｅは、複素クラウジウス−モソッティ係数の実数成分をそれぞれ表している。これは、電気泳動からの効果を識別するものである。
【００１５】
分極性粒子が回転している電界内で浮遊する場合、誘起された双極子が粒子にわたって形成され、電界と同期して回転する。電界の角速度が特に大きい場合、双極子の緩和時間（形成するために要する時間）が大きく、双極子は電界に遅れることになる。電界と双極子の間でゼロでない角度が発生し、粒子中にトルクを誘起してそれを電界と非同期に回転させる。遅れが１８０°よりも小さいか又は大きいかにより、回転を電界の方向と同じ方向か又は反対方向にすることができる。この効果は、電気回転として公知である。回転する電界は、各々がその隣接するものと位相が９０°ずれた電極の円形配置によってもたらすことができる。
【００１６】
回転電界Ｅ内の半径がｒの分極性粒子によって感知される時間平均トルクΓは、次式で与えられる。
2007501364.tif 000003
ここで、
2007501364.tif 000004
は、以下のクラウジウス−モソッティ係数の虚数部分である。
Ｋ（ω）＝（ε*p−ε*m）／（ε*p＋２ε*m）      ７
負の記号は、双極子モーメントが電界に遅延することを示している。
粘性抵抗が考慮される時に、粒子の回転速度
2007501364.tif 000005
は次式で与えられる。
2007501364.tif 000006
ここで、ηは媒体の粘性である。
電極の幾何学形状と印加されたフィールドの種類に依存して、誘電泳動と電気回転の効果の組合せである進行波誘電泳動を粒子中に誘起することができる。
【００１７】
電極は、円形の配置以外に図１に示すように軌道に沿って配置することができる。電極１１の位相間の関係は同じままであり、各連続する電極１１の位相は、９０°ずれている。各電極は、異なる時間にピーク電圧に到達して不均一な電界を作り出す。これは、電極に沿って進行する電界をもたらす。この進行波が分極性粒子１２と相互作用を起こすと双極子が誘起される。この双極子は、電界のピークと共に移動し、これは、電界が十分高速で進行する場合には、粒子１２に対して力を誘起することになる。次に、粒子１２は、電極１１に沿って進行する。
粒子１２に対して誘起された力ＦTWDは、次式によって与えられる。
2007501364.tif 000007
ここで、λは進行波の波長である。
【００１８】
ここでもまた、図１を参照すると、例えばラボ・オン・ア・チップ・システムで使用する検体を収容するためのチャンネルを密封するために使用されるガラススライド１３上の薄膜電極１１が形成される。薄膜電極１１は、いずれかの適切な処理、例えばフォトリソグラフィによって形成することができる。薄膜電極は、距離λだけ離して配置され、ここで、λは、各電極内の電流間の位相差によって設定された電界進行波の波長である。
【００１９】
図２に示すような回路が、進行する電界を生成するために薄膜電極に接続される。演算増幅器の各々が図示のように接続され、負のフィードバック増幅器を形成し、９０°の位相差が各電極間に誘起される。
図３は、本発明の実施形態に従ったバルブの概略断面図を示している。バルブ２１は、流体を収容するための第１の本体２２、流体入口２３、マイクロチャンネルの形態をした流体出口２４、及び分極性粒子である第２の本体２５を含む。電極は、示されていないが、入口２３とマイクロチャンネル２４の間に電界を誘起することができるように、チャンバ２２の側面に沿って配置されている。使用時には、本体は、流体を収容し、流体で満たすか又は部分的に満たすことができる。本体は、パイプのようなチャンバ又はチャンネルを形成することができる。流体は、非極性溶剤のような液体か又は気体とすることができる。
【００２０】
粒子２５は、本体２２の中に導入され、流体は、流体入口２２とマイクロチャンネル２４を通じて本体２２の中に及びそれから出て流れることが自由である。しかし、この流体流れと重力の影響の下で、粒子２５は、マイクロチャンネル２４の口に自然に静止することになる。図３に示すように、本体は、チャンバを形成することができる。
流体入口２３での電極がマイクロチャンネル２５でのそれに対して９０°位相が進むように電極にＡＣ電流を印加することにより、（例えば、ＡＣ電流の振幅が正の時に）、粒子２４に誘起された誘電泳動効果は、それをマイクロチャンネル２５の口の方向に移動させることになる。これによって、流体流れが本体２２を通って流れなくなる。例えば、マイクロチャンネル２４での電極に対して入口２３での電極で９０°の位相遅延を誘起することにより（例えば、ＡＣ電流の振幅が負の時に）電界の方向が変えられる場合、粒子は、マイクロチャンネル２４の口から強制的に離されて流体流れを再開させることになる。粒子２５がマイクロチャンネル２４の口に静止する時に、バルブは、オフに切り換えられる。粒子２５がマイクロチャンネルから離れるように動く時に、バルブは、オンに切り換えられる。
【００２１】
図４は、本発明の第１の実施形態に従ったバルブの第２の概略断面図を示している。バルブ４１は、この実施形態ではチャンバである流体を収容するための第１の本体４２とマイクロチャンネル４３とを含む。いくつかの電極４４が流体チャンバ４２の一側面上に配置される。本体の反対側又は隣接する側面にいくつかの電極を配置することは当然可能であろう。第２の本体である分極性粒子４５は、流体チャンバ４２内に配置される。電極４４は、図２に示すような進行性ＡＣ電界をもたらす回路、又はあらゆる他の適切な回路に接続することができる。ここでもまた、マイクロチャンネル４３から離れた電極４４に９０°進んだ位相を誘起することは、マイクロチャンネル４３の口の方向に分極性粒子４５を移動させることになり、一方で位相遅延の誘起は、マイクロチャンネル４３を口から離して分極性粒子４５を移動させることになる。このようにして、流体流れは、図３のバルブ内と同じように制御することができる。この実施形態では、分極性粒子は、ラテックス、ポリスチレン、ポリプロピレン、ガラス、又はシリカビーズのような誘電材料、又は適切な密度の他のそのような材料のものである。この実施形態では粒子は球形であるが、球形ではなく、例えば長軸が電界の方向と平行に配置されたオブロイドでもよい。次に、流体入口又は流体出口がゆっくりと閉じられて次第に減少するか又は増加する流体の流れをもたらすように電界の周波数を制御することにより（電気回転効果を回避するために）、そのような粒子を使用して流体流れを制御することができる。代替的に、粒子は球形とするが、変形可能又は弾力性の材料、例えばゴム又はＰＴＦＥで形成することができる。
【００２２】
流体を収容するための本体は、絶縁材料のもの、例えば、従来の形成方法を用いて外側に金属電極が付加されたプラスチック（熱硬化性又は熱可塑性）又はガラスとすることができる。電極は、本体の外面上に形成される必要はないが、生成された電界が本体内に保持された分極性粒子に影響を及ぼす位置に形成されるだけである。代替的に、本体自体を金属にして、絶縁コーティングを有し、絶縁体で被覆された領域に電界が作り出されるように電極を付加することができるであろう。
バルブは、代替的に、位相遅延が分極性粒子４２をマイクロチャンネル４３の口の方向に移動させるように設定することができる。
【００２３】
図５は、本発明の第２の実施形態に従ったバルブを示している。バルブ５１は、流体を収容するための第１の本体５２、流体入口５３、流体出口５４、粒子注入チャンネル５５、及び分極性粒子５６のような複数の第２の本体を含む。電極アレイ５７は、例証目的だけのために示されている。この実施形態では、本体は、チャンネルを形成し、例えば、パイプとすることができる。
分極性粒子５６は、粒子注入チャンネル５５を通じて流体チャンバ５２に注入される。電極アレイ５７にＡＣ電流が印加されて進行性電界が誘起される。図示の構成では、各電極は、粒子注入チャンネルに最も近い左の電極に対して９０°位相が遅延した印加信号を受け、電界が作り出されて進行波を流体入口５３と流体出口５４から離して移動させる。これにより、分極性粒子５６、例えば流体出口５４を閉塞していたラテックスビーズは、出口５４の口から強制的に離されて流体が流れることを可能にする。
【００２４】
図６は、本発明の第３の実施形態に従ったバルブを示している。バルブ６１は、流体を収容するための第１の本体６２、流体入口６３、流体出口６４、泡発生チャンバ６５、及び関連電極６６及び泡６７を含む。ここでもまた、電極のアレイ６８は、例証の目的だけのために示されており、本体は、チャンネルを形成する。
泡６７は、泡発生チャンバ６５内で電極６６にわたって電圧Ｖを印加することによって作られる。これらは、泡発生チャンバ６５から本体６２に注入される。電極のアレイ６８にＡＣ電流が印加されて進行性電界が誘起される。図示の構成では、各電極が粒子注入チャンネルに最も近い左の電極に対して位相が９０°進んだ印加信号を受け、電界が作り出されて進行波が流体入口６３と流体出口６４の方向に移動する。これは、流体出口６４の口の方向に泡６６を移動させて流体出口６４を閉塞するように作用する。これによってバルブが閉じられ、流体の流れを止める。
【００２５】
代替的に、泡は、必要になるまでリザーバに保持することができ、又はアルゴンのような不活性ガスを発生チャンバを通して泡立たせることによって作り出すことができる。バルブの中の流体が液体の場合、気体充填泡の代わりに液体充填泡を使用することができる。泡に充填するために使用される液体は、粘性、表面張力、及び密度に関連してある一定の物理的判断基準に準拠する必要があると考えられる。この一例は、水溶性液体中の油滴の泡の使用であろう。
【００２６】
図５と図６に示す両方のバルブでは、位相の遅れ又は進みが反転する時に電界進行波は反転し、分極性粒子又は泡は、流体出口の方向に又はそれから離れるように移動する。
実質的に、分極性粒子又は泡は、ピストンのように作用し、バルブシート、すなわち、流体出口のマウントの方向に又はそれから離れるように移動して流体流れを制御する。この状況での流体流れは、層流であるマイクロ流体的流れである。粒子に加えられた力は、粒子の速度、及び結果的にバルブが開くか又は閉じることができる速度を決める。このようにして、バルブは、ラボ・オン・ア・チップ用途で流体流れのオンオフを切り換えるマイクロ流体スイッチとして使用することができる。バルブをマイクロ流体チップに含めることもできる。様々な診断装置は、そのようなチップ及びスイッチを含むことができる。
【００２７】
本発明は、進行波誘電泳動の効果に関連して説明したが、誘電材料の１つではなく導電材料で形成された分極性粒子を使用し、上述の電気泳動の効果を利用してそのような粒子を流体入口又は出口の方向に又はそれから離れるように移動させる進行波を生成することが可能であることが当業者には当然明らかであろう。これは、無機化学処理にバルブが使用される場合の特定の使用である。更に、様々な荷電化学物質、例えばＤＮＡと共に電気泳動バルブを利用することも可能であろう。電極を第１の本体上に配置してＤＮＡを凝集させ、従って、分極性粒子のような付加的な第２の本体の必要性なしに自己制御バルブを形成することができる。
第２の本体はまた、電気浸透効果の手段により、マイクロ液体バルブの中への又はそれから出る流体流れを制御するために使用することができる。
【００２８】
流体充填本体又はチャンネルの２つの端部にわたって電圧が印加された時に、流体の正のイオンは、本体又はチャンネルの壁に引き付けられることになる。次に、これら正のイオンは、電圧を印加することによって生成された電界の影響下で移動することになる。流体は、粘性結合のために正イオンによって本体又はチャンネルに沿って引きずられることになる。
流体の速度ＶEOFは、次式によって支配される。
【００２９】
2007501364.tif 000008
【００３０】
ここで、μ0は真空の誘電率、μrは流体の相対誘電率、ζはゼータ電位、ηは流体の粘性、及びμEOは、電気浸透移動度である。
その結果、電気泳動及び誘電泳動効果を用いるような電界の直接的影響によってではなく、第２の本体が実際に第２の種類の流体であるか又は第２の本体が流体によって搬送されるバルブを生成することが可能であろう。
【００３１】
本発明は、流体出口に向う粒子の移動に関連して説明したが、バルブが使用されることになる用途に応じて入口を通る流体流れのオンオフが切り換えられるバルブを形成することは勿論可能である。
更に、本明細書に説明した実施形態は、単一の流体入口と単一の流体出口を含んでいる。しかし、複数の入口又は出口又はその両方を含むバルブを使用することもまた可能である。この場合には、各入口と出口に対する電極の適切な配置により、各入口及び／又は出口を通る流体の流れを制御することができるであろう。
【００３２】
チャンバ又はチャンネルのいずれかの形態である流体充填本体に関連して本発明の様々な実施形態を説明した。チャンネルが使用される時の分極性粒子のサイズは、粒子がチャンネルを通って自由に移動するように制限されるべきである。一般的に、チャンネルの幅は、５０から１００ミクロンである。第２の制限は、粒径を十分に大きくして２つの電極によって引き起こされた電界の影響を受けるようにすべきであることである。例えば、電極の長さが１０ミクロンで各々が１０ミクロンだけ離れて配置された場合、達成可能な粒子の最小直径もまた１０ミクロンである。
これは、次に、流体入口と流体出口の幅を制限することになり、流体流れを有効に制御するために両方とも粒径に相当する幅にすべきである。
他の様々な修正が可能であり、特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲から逸脱することなく当業者はそれを想起するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】誘電泳動効果による駆動粒子運動を作り出すための電極配置の概略図である。
【図２】本発明のバルブ装置に使用するための回路の概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に従ったバルブの第１の概略断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に従ったバルブの第２の概略断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の概略図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の概略実施例である。
【符号の説明】
【００３４】
２１  バルブ
２２  第１の本体
２３  流体入口
２４  流体出口
２５  第２の本体
【図１】
2007501364.tif 000009
【図２】
2007501364.tif 000010
【図３】
2007501364.tif 000011
【図４】
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【図５】
2007501364.tif 000013
【図６】
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【国際調査報告】
2007501364.tif 000015
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