(57)【要約】【解決手段】実施形態は、制御の下で液体体積の間にガスを閉じ込めたり放出したりすることによって、駆動力に応答して液体流れをシーケンシングするデバイス、システムおよび方法を提供する。特定の形態では、遠心力を用いて液体流れを駆動しシーケンシングする遠心力「ラボオンディスク」デバイスが提供される。特定の形態では、制御下での液体体積の間へのガスの閉じ込めおよび放出に関連して、径方向内向きの屈曲導管が使用される。【選択図】図１Ａ
2014508952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りにデバイスが回転してデバイス内の液体流れを駆動する、液体をハンドリングするデバイスであって、
第１液体保持構造と、
第２液体保持構造と、
前記第１および第２液体保持構造に液体を供給する上流液体ハンドリング構造と、
前記第１および第２液体保持構造から液体を受け取る下流液体ハンドリング構造と、
前記第２液体保持構造の出口ポートと前記第１液体保持構造の入口ポートとを接続する導管と、を備え、
前記導管は、前記出口ポートの半径方向内向きに頂点に向けて延びるとともに前記頂点から前記入口ポートに向けて半径方向外向きに延びる部分を有し、これにより前記部分内で前記第１および第２液体保持構造からのそれぞれの液体の間にガスを閉じ込め、閉じ込められたガスが前記第１液体保持構造を通して放出されるまで前記第２液体保持構造内に液体が保持され、その後、前記第２液体保持構造から前記第１液体保持構造を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体が流れる
ことを特徴とする液体ハンドリングデバイス。
【請求項２】
前記第２液体保持構造と、該第２液体保持構造に隣接する前記導管の一部とを、該導管の半径方向最内点の面まで満たす体積以上の液体の量で、前記第２液体保持構造を満たすように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項３】
前記導管内の液体に作用する毛管力が、カットオフ周波数よりも低い回転数において前記導管の半径方向最内点を越えて液体を引き出すのに十分な力となるような、前記導管および前記第２液体保持構造の液面に対応する液体の量で前記第２液体保持構造を満たすように構成されることを特徴とする請求項１に記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項４】
前記カットオフ周波数が３０Ｈｚであることを特徴とする請求項３に記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項５】
前記第１および第２液体保持構造を接続して両者の圧力を釣り合わせるベント導管を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項６】
前記第１液体保持構造の別の入口ポートを第３液体保持構造の別の出口ポートに接続する別の導管を備え、
前記別の導管は、前記別の入口ポートおよび出口ポートよりも半径方向内側に延びる別の屈曲部を有し、これにより前記別の屈曲部内で前記第１および第３液体保持構造からのそれぞれの液体の間にガスを閉じ込め、
前記別の入口ポートは前記入口ポートよりも半径方向外側にあり前記第３液体保持構造内に液体を保持する一方、前記第２液体保持構造から前記第１液体保持構造を通して液体が流れ、前記別の入口ポートよりも半径方向内側にある前記第１液体保持構造内の液面を維持する
ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項７】
デバイスが一定速度で回転している間、前記第１および第２液体保持構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体をシーケンシャルに移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液体ハンドリングデバイス。
【請求項８】
モータに結合された請求項１ないし７のいずれかに記載のデバイスと、前記モータに結合され前記デバイスの回転を制御して前記第１および第２液体保持構造からの液体をシーケンシャルに分配するコントローラと、を備える液体ハンドリングシステム。
【請求項９】
前記コントローラは、前記第１および第２液体保持構造からの液体をシーケンシャルに分配するために、前記デバイスを実質的に一定の周波数で回転させるように動作することを特徴とする請求項８に記載の液体ハンドリングシステム。
【請求項１０】
第１および第２液体保持構造を液体で満たして該第１および第２液体保持構造の間の導管内にガスを閉じ込める手段と、
前記第１液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる一方、前記第２液体保持構造内に液体を保持させる手段と、
前記導管から前記第１液体保持構造を通して閉じ込められているガスを放出した後で、前記第２液体保持構造から前記導管および前記第１液体保持構造を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる手段と、
を備える液体ハンドリングシステム。
【請求項１１】
第３液体保持構造を液体で満たして前記第１および第３液体保持構造の間の別の導管内にガスを閉じ込める手段と、
前記第１および第２液体保持構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる一方、前記第３液体保持構造内に液体を保持させる手段と、
前記別の導管から前記第１液体保持構造を通して閉じ込められているガスを放出した後で、前記第３液体保持構造から前記別の導管および前記第１液体保持構造を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる手段と、
をさらに備える請求項１０に記載の液体ハンドリングシステム。
【請求項１２】
実質的に一定の駆動力に応答して前記第１および第２液体保持構造から液体を移動させる手段を備える請求項１０または１１に記載の液体ハンドリングシステム。
【請求項１３】
第１および第２液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体をシーケンシャルに移動させる方法であって、
前記第１および第２液体保持構造を液体で満たして該第１および第２液体保持構造の間の導管内にガスを閉じ込め、
前記第１液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる一方、前記第２液体保持構造内に液体を保持させ、
前記導管から前記第１液体保持構造を通して閉じ込められているガスを放出した後で、前記第２液体保持構造から前記導管および前記第１液体保持構造を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる
ことを含む方法。
【請求項１４】
第３液体保持構造を液体で満たして前記第１および第３液体保持構造の間の別の導管内にガスを閉じ込め、
前記第１および第２液体保持構造から前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる一方、前記第３液体保持構造内に液体を保持させ、
前記別の導管から前記第１液体保持構造を通して閉じ込められているガスを放出した後で、前記第３液体保持構造から前記別の導管および前記第１液体保持構造を通して前記下流液体ハンドリング構造に液体を移動させる
ことをさらに含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
実質的に一定の駆動力に応答して液体を移動させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体のハンドリングに関し、より詳細には、「ラボオンディスク」デバイスなどのマイクロ流体デバイスにおけるガスの閉じ込めによる液体のシーケンシング（sequencing）に関するが、これに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
液体シーケンシングは、回転分析システムの重要な機能である。標準的なシステムは、所定の領域内への液体のシーケンシャルな（順次）流れを実行するためにバルブを開く能動素子を利用する。このような能動バルブの実装の一例が、ＷＯ２０１００８４１９０に記載されている。しかしながら、回転分析システムの製造および使用を簡単にするためには、能動素子を使用しないことが望ましい。
【０００３】
能動素子を用いずに液体シーケンシングを実行する方法の一つは、直列の毛管サイフォンの使用を含む。一つの例が、特許出願ＷＯ２００８１０６７８２に記載されている。しかしながら、この手法は、回転シーケンスで追加すべき新たな液体が出てくるたびに、新たに一つの流体構造を追加するとともに、回転プロトコル内に一回の停止を加えることを意味するので、かなり複雑なものになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、能動素子を用いずに、かつ、シーケンシングする液体の数の増加時に構造および操作機能の数を増加させる必要なく、回転分析システムにおける簡単な液体シーケンシングを提供することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の態様は独立項に規定されている。さらなる選択的な特徴は従属項に規定されている。
【０００６】
一部の実施形態では、液体をハンドリングするデバイスが提供される。このデバイスは、回転軸の周りに回転してデバイス内の液体流れを駆動する。デバイスは、第１液体保持構造および第２液体保持構造と、第１および第２液体保持構造に液体を供給する上流液体ハンドリング構造と、第１液体保持構造から液体を受け取る下流液体ハンドリング構造と、を備える。第２チャンバの出口ポートと第１チャンバの入口ポートとを導管が接続する。導管は、出口ポートの半径方向内向きに頂点に向けて延びるとともに頂点から入口ポートに向けて半径方向外向きに延びる屈曲部を有する。これにより、屈曲部内で第１および第２液体保持構造からのそれぞれの液体の間にガスを閉じ込めることができる。その結果、閉じ込められたガスが第１液体保持構造を通して放出されるまで第２液体保持構造内に液体が保持され、その後、第２液体保持構造から第１液体保持構造を通して下流液体ハンドリング構造に液体が流れる。
【０００７】
直観に反して、発明者らは、能動素子を用いずに、および複雑な構造や回転プロトコル特徴を用いずに、液体ハンドリング構造の一部にガスを閉じ込めることによって効率的な液体流れのシーケンシングが可能であることを認識した。シーケンシングされる液体ごとに適した形状の導管を持つ簡単な構造が設けられ、デバイスが一定回転数で回転している間に、液体をシーケンシングすることができる。後者は、回転速度が一定であると信号対雑音比を改善することができるので、下流液体ハンドリング構造が光学技術による光学検出構造（例えば、検出構造内で、サンプル内の抗原と固定化抗体との結合を検出する）を備えているシステムでは有利である。
【０００８】
一部の実施形態では、第２液体保持構造と導管とを導管の半径方向最内点まで満たす体積以上の液体の閾値量で第２液体保持構造を満たすようにデバイスを構成してもよい。こうすると、閉じ込められているガスが第１液体保持構造を通して放出されたとき、第２液体保持構造に隣接する導管内で、少なくとも半径方向の最内点（限られたケースでは、第２液体保持構造内の液面と同一）まで遠心力が液体前面を押す傾向がある。その結果、毛管力からのわずかな追加の寄与分で、回転中にサイフォン作用が発生する。
【０００９】
液体の量が上述の閾値を越えると、遠心力が第２液体保持構造内のあらゆる液頭を排除しようとし、第２液体保持構造から導管の半径方向最内点を越えて第２液体保持構造内の液面よりも半径方向外側へ、導管が液体を押す傾向がある。その結果、毛管力からの補助なしにサイフォン作用が発生する。
【００１０】
他方、導管内の毛管力が導管の半径方向最内点を越えて液体を引き出すのに十分な力になるさらに低い面まで導管および第２液体保持構造を満たすような液体の量であってもよい。この結果、カットオフ周波数よりも低い回転数でデバイスが回転されたときに、サイフォン作用を起こすことができる。この場合、対応する液頭に関連する遠心力は、毛管力によって打ち破られる。一つの特定の実施例では、カットオフ周波数が毎秒３０回転であってもよい。
【００１１】
一部の実施形態では、デバイスは、第１および第２液体保持構造を接続して両者の圧力を釣り合わせるベント導管を備えていてもよい。これは、各液体保持構造にベント回路を接続する必要なく、二つの液体保持構造の間に簡単で直接的な圧力均衡接続を提供する。
【００１２】
一部の実施形態では、デバイスは、第１液体保持構造の別の入口ポートを第３液体保持構造の別の出口ポートに接続する別の導管を備える。別の導管は、別の入口ポートおよび出口ポートよりも半径方向内側に延びる別の屈曲部を有する。上述したように、これにより別の屈曲部内で第１および第３液体保持構造からのそれぞれの液体の間にガスを閉じ込めることができる。別の入口ポートは、第２液体保持構造から第１液体保持構造を通して一旦液体が流れると、第３液体保持構造内に液体が保持されるように、入口ポートの半径方向外側にある。この構成によると、第１液体保持構造へのそれぞれの入口ポートを適切に配置することによって、三つの（拡大すれば任意の数の）液体のシーケンシングが可能になる。同じく、液体保持構造のデイジーチェーンの間の導管内に閉じ込められた空気により液体が保持され、デイジーチェーン内の次の液体保持構造への入口ポートが開放されたときに、デイジーチェーン内の一つの液体保持構造によって液体が前進するようなシーケンシャル構造も可能である。
【００１３】
一部の実施形態では、デバイスが一定周波数で回転している間、第１および第２液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体をシーケンシャルに移動させるようにデバイスが構成されている。上述したように、液体シーケンシング中の一定周波数での回転は、制御を容易にするだけでなく、デバイスに統合された光学検出技術における信号対雑音比を高めることができる。さらに、液体の処理に必要となる加減速の回数が減少するので、デバイスに加わる機械的応力も減少する。
【００１４】
一部の実施形態では、上述したデバイスを使用するとともに、上述した機能を実装する手段を備える液体ハンドリングシステムがさらに提供される。
【００１５】
一部の実施形態では、第１および第２液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体をシーケンシャルに移動させる方法が提供される。この方法は、第１および第２液体保持構造を液体で満たして第１および第２液体保持構造の間の導管内にガスを閉じ込めることを含む。この方法は、第２液体保持構造内に液体が保持されている間、第１液体保持構造から下流液体ハンドリング構造に液体を移動させ、導管から第１液体保持構造を通して閉じ込められているガスを放出した後で、第２液体保持構造から第１液体保持構造への導管を通して下流液体ハンドリング構造に液体を移動させることを含む。
【００１６】
上述した内容に沿って、実施形態は、第３液体保持構造を液体で満たして第１および第３液体保持構造の間の別の導管にガスを閉じ込め、上述のように第３液体をシーケンシングする方法をさらに含む。さらに、方法ステップの間一定の大きさに維持される一定の駆動力に応答して、上述した方法ステップの全てで液体を移動することができる。例えば、駆動力が遠心力である場合、デバイスは一定の回転周波数で回転される。
【００１７】
以下の実施形態がさらに説明され、これらは任意の他の記載される実施形態と組み合わせることができる。
【００１８】
１．流体シーケンシングチャンバと、
少なくとも一つの追加流体チャンバまたは流路と、
前記シーケンシングチャンバに第１液体を注入して部分的にチャンバを満たし、少なくとも一つの追加流体チャンバまたは流路内にガスを閉じ込め、第１液体が前記シーケンシングチャンバから部分的に流れて少なくとも一つの追加流体チャンバまたは流路内に閉じ込められているガスを放出するまで、少なくとも一つの追加流体チャンバまたは流路内での少なくとも一つの第２追加液体の流れを防止する手段と、
前記第１液体が前記シーケンシングチャンバを空にした後、少なくとも一つの追加流体が順に流れるように、前記シーケンシングチャンバ内の液体の流れを制御する手段と、
を備える流体流れシーケンシングシステム。
【００１９】
２．前記第１液体を注入する手段は、液体に作用する遠心力を生成する手段を含むことを特徴とする項目１に記載のシステム。
【００２０】
３．液体をシーケンシングする二つの表面の間に前記チャンバが画成され、該表面は１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満離れていることを特徴とする項目１または２に記載のシステム。
【００２１】
４．前記流路が前記シーケンシングチャンバと前記他のチャンバとを接続するか、シーケンシングされる流路がサイフォンの形態であることを特徴とする項目１ないし３のいずれかに記載のシステム。
【００２２】
５．前記シーケンシングチャンバに第１遠心力を与えて、液体のシーケンシングを可能にするガスを閉じ込め、
続いて、上流回路内の液体の遠心分離部品に、好ましくは第１遠心力と同一である第２遠心力を与え、
続いて、第１および第２遠心力とは異なる第３遠心力を与えて、液体を前記下流回路に流すことを含む、項目１ないし４のいずれかに記載のシステム。
【００２３】
６．多数の液体が単一のまたは多数の下流回路内にシーケンシングされることを特徴とする項目１ないし５のいずれかに記載のシステム。
【００２４】
７．前記シーケンシングチャンバがリザーバの形態であることを特徴とする項目１ないし６のいずれかに記載のシステム。
【００２５】
８．前記シーケンシングチャンバが、他の流路への追加の分岐接続部を持つ流路の形態であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のシステム。
【００２６】
上流回路と、下流回路と、接続流路によって少なくとも二つの上流チャンバに接続される少なくとも一つのチャンバを収容するシーケンシング構造と、を有する流体ネットワークを備える回転流体デバイスがさらに説明される。回転により、上流回路からシーケンシング構造への液体流れが、接続流路のうちの少なくとも一つの中にガスを閉じ込める。この結果、シーケンシング構造から下流回路へと第１液体が流れるまで、上流チャンバのうちの少なくとも一つのシーケンシング構造への液体流れが、ガスの閉じ込めにより防止される。
【００２７】
「液面（level）」という語は、チャンバまたは他の液体収容構造に関連して使用されるが、重力下において液体で満たされるチャンバ内で観察されるような直線の液面を必ずしも指すものではないことが理解されるだろう。むしろ、この語は、液体収容構造内の明確に定義された量の液体に対応する限り、液体に作用する遠心力に起因してまたは表面張力効果に起因して曲がる曲線の液面を含む。「液面」は液体保持チャンバに限られず、例えば回転中心に対する幾何学的な位置をむしろ定義している。
【００２８】
誤解を避けるために、「マイクロ流体」という語は、少なくとも一つの寸法が１ｍｍ未満である容器または流路などの流体素子を有するデバイスを意味するものとして本明細書で使用される。デバイスはディスク形状である必要はない。実際、回転軸はデバイス自体の中に設けられている必要はなく、デバイス自体の中にはない回転軸の周りでデバイスを回転するためのロータの中にデバイスが配置されるように構成してもよい。
【００２９】
図面を参照して、特定の実施形態について限定でなく例示を目的として以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１Ａ−図１Ｉは、液体シーケンシング機構の実行を模式的に説明する図である。
【図２】ディスク形状のカートリッジ上に統合された液体シーケンシング機構の実行を説明する図である。
【図３】対応する駆動システムを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１Ａを参照して、液体をハンドリングする回転デバイスは、上流液体ハンドリング構造２１を備える。上流液体ハンドリング構造２１は、デバイスが軸１０の周りに回転するとき、遠心圧に応答して導管５１、５２を通して第１チャンバ３１および第２チャンバ３２に液体をそれぞれ供給する。第１チャンバ３１と第２チャンバ３２は、頂点に向けて径方向内側に延び、頂点から径方向外側に延びる屈曲部を有する導管４１によって接続されている。導管４１は、第２チャンバ３２の出口ポートを、第１チャンバ３１の入口ポートに接続する。導管４１の屈曲部により、第１チャンバ３１および第２チャンバ３２が満たされたときに屈曲部内にガスを閉じ込めることが可能になる。その結果、第１チャンバ３１を通してガスが放出されるまで第２チャンバ３２内に液体が保持されるが、これについては以下で詳細に説明する。チャンバ３１は、導管５３によって下流の液体ハンドリング構造２２に接続される。実際には、チャンバ３１、３２はそれぞれ、導管４１の各部との連通管として機能する。その結果は、連通管の各セットの間に閉じ込められるガスの媒介により相互作用する連通管のシステムである。
【００３２】
チャンバ３１、３２における液体のシーケンシャルな流れの原理について、図１Ｂ−図１Ｉを参照して以下で説明する。図１Ｂは、上流液体ハンドリング構造２１が液体６１を封じ込めている初期構成を示す。
【００３３】
図１Ｃを参照して、軸１０の周りでのデバイスの回転時に、上流液体ハンドリング構造２１から流れる液体６１で第１チャンバ３１と第２チャンバ３２が満たされ、チャンバ３１、３２内に液体体積６２、６３を提供する。この段階で、液体に作用する遠心圧のために、下流液体ハンドリング構造２２内へと液体６２が流れ始めることができる。
【００３４】
第１チャンバ３１および第２チャンバ３２が満たされると、第１チャンバ３１と第２チャンバ３２を接続する導管４１の屈曲部内に気体７１が閉じ込められるように、デバイスが構成されている。この目的のために、それぞれの流速が適宜調整される。
【００３５】
第１チャンバ３１および第２チャンバ３２に入る流速は、遠心力で生じる圧力と流体力学的な流れ抵抗とによって決まる。遠心力で生じる圧力は、デバイスの回転速度と、液体密度と、液体６１の液柱の質量中心の半径方向距離と、によって決まる。出口流路の流体力学的な流れ抵抗は、流路５１、５２の形状および表面特性と、液体６１の粘度とによって決まる。チャンバ３１、３２から出る流速は、これらのチャンバ内の液面と、流路４１、５３の形状および表面特性とに同様に依存している。これらの因子を調節することによって、液体６２、６３が両側から導管４１に流れ込むときに導管４１内にガス７１を閉じ込めるように、第１チャンバ３１および第２チャンバ３２を満たすよう流速を制御することができる。
【００３６】
その後、チャンバ３１、３２と導管４１は、連結された連通管のセットとして機能するので、導管４１内の屈曲部の両側の力が釣り合う必要がある。毛管力／毛管圧、遠心力／遠心圧および導管４１内のガス７１の圧力が、液体６２、６３に作用する力に関係する。
【００３７】
毛管力は、導管４１および導管４１に合流するチャンバ３１、３２の寸法、形状および表面特性によって決まり、液体を導管４１に追い立てる傾向がある。液体が導管４１内に追い出されると、導管４１内部のガス体積７１が対応して減少することによる圧力の増加で、導管４１を出る反対方向に液体が追い立てられる。屈曲部の両側の液体にかかる遠心圧は、屈曲部の両側における液頭（それぞれのチャンバ３１、３２内の液柱の半径方向高さと対応する導管４１の脚の高さの差）によって決まる。遠心圧は液頭を減少させる傾向があるので、それぞれの液面に応じて液体を導管４１内にまたは導管４１から外に導くことができる。
【００３８】
図１Ｃに示す構成では、チャンバ３１、３２と導管４１のあらゆる部分において液面が同一になる時点まで、チャンバ３１、３２が満たされ続けている。これは、毛管力に起因する圧力とガス７１のガス圧とが釣り合う結果、導管４１の屈曲部の両側で遠心力がそれぞれの液頭をゼロにする特定の瞬間に対応している。これは充填過程のスナップショットであり、実際には、流速およびチャンバ形状に応じて、二つのチャンバが同一速度で満たされなくてもよいし、同一液面にならなくてもよいことが理解されるだろう。
【００３９】
図１Ｄを参照して、第１チャンバ３１および第２チャンバ３２がさらに満たされると、導管４１の屈曲部の両側で導管４１内の液面６２、６３が、第１チャンバ３１および第２チャンバ３２内の液面６２、６３を下まわる。この構成では、閉じ込められたガス７１の圧力が屈曲部の両側の液頭と釣り合い、その結果、屈曲部の両側で液頭（チャンバ３１、３２内の絶対液面ではなく、各チャンバ３１、３２内の液面と導管４１の屈曲部の対応する側における液面との差）が同一になる。カートリッジの回転速度が変化したりカートリッジが停止したりした場合でも、流路４１内に閉じ込められたガス７１によって、液体６３をチャンバ３２内に保持することができる。
【００４０】
図１Ｅを参照して、第１チャンバ３１内の液体６２が、流路５３を介して下流液体ハンドリング構造２２へと流れると、第１チャンバ３１内の液体６２の液面が低下し、（第１チャンバ３１と導管４１の間の）液体６２の液頭が下がる。導管４１の一方の側での液頭の減少により、導管４１の反対側の液体６３の液頭も減少する。この理由は、屈曲部の両側の液頭は、閉じ込められたガス７１の圧力と釣り合わなければならず、したがって同一でなければならないからである。第２チャンバ３２と関連する液頭を減少させるために、第２チャンバ３２から液体６３が導管４１内に流れ、導管の屈曲部へと向かう。これが生じると、液体６３の液頭が液体６２の液頭と再び釣り合うまで、第２チャンバ３２内の液体６３の液面が低下する。
【００４１】
図１Ｆを参照して、液体６２が流れて第１チャンバ３１が空になると、ガス７１がチャンバ３１を通して放出され、液体６３に関連する液頭と釣り合う圧力が存在しなくなる。図１Ｆは、液体６３の体積が、導管４１の半径方向の最内点に対応する液面まで導管４１とチャンバ３２を満たす特定の構成を示している。しかしながら、毛管力は液体６３を導管４１内に引き込む傾向がある。さらに、チャンバ３１に隣接する側で導管４１内に残る液体が、導管４１から流れ出るときにガス７１に負圧を与え、液体６３を導管４１内にさらに引き込む。流路４１内で、チャンバ３２内の液面よりも半径方向外側の位置まで液体６３が前進するや否や、遠心力が作用してチャンバ３１内に液体６３を吸い上げる。これについてはさらに詳細に後述する。
【００４２】
上述した理想的な条件下では、液体６３の体積が、導管４１の半径方向最内点に対応する液面までチャンバ３２および導管４１を満たすものである場合、毛管作用および液体６２による残留負圧に起因して、任意の回転数で、チャンバ３２からチャンバ３１に液体を移すサイフォン作用が起きる。実際には、この閾値を越えて液体６３の量を増やすことによって、正確な体積の測定に頼ることなく、任意の回転数で確実に汲み出しを行うことができる。その理由は、液体６３の液頭が、導管４１の半径方向最内点を越えて液体６３を「押して」、サイフォン作用を生じさせるからである。
【００４３】
たとえ体積がこの閾値体積をいくらか下まわっていても、液体６３の体積が閾値体積を下まわる場合にチャンバ３１内の液体６３の液面を越える導管４１内の液頭と関連する遠心力に打ち勝つように設計された寸法、形状および表面特性を導管４１が有していれば、依然としてサイフォン状態を達成可能である。しかしながら、回転数が比較的低いときでさえ、任意の適切な液頭に作用する遠心力と比較すると毛管力は一般に小さいので、液体６３を空にするようなサイフォンは、閾値回転数を上限に達成することができるに過ぎない。
【００４４】
他方、液体６３の体積が、充填後の初期液頭が液体６２の液頭と釣り合うことができる体積よりも大きい場合、上述したシーケンシング動作を無効にする所望の時点の前に、導管４１を越えて液体６３が押される。具体的には、チャンバ３２と導管４１の対応する脚とが閾値体積よりも大きな体積で満たされるので、液体６３が導管４１の半径方向最内点まで前進した時点で残留液頭が残る。液体６３のチャンバ３１内への流れが阻止される場合、残留液頭がガス７１の圧力、ひいては液体６２の液頭と釣り合う必要がある。これは、液体６２の液頭がゼロになる前に、すなわち完全に空になる前に、このような条件下で液体６３がチャンバ３１に流れ込むことを意味する。シーケンシングを成功とみなすために、液体６３内でどの程度の残留液頭（ひいては液体６２内の残留液頭）が許容できるかは、複数の要因によって決まる。この要因には、回転速度とともに液体６３のチャンバ３１に向かう流速を決定する導管の形状および表面特性、閉じ込められたガスの量（および、液体６３がチャンバ３１に向けて流れ始めるときの、導管４１内での液体６２と液体６３の間の差）、液体６２、６３の混和性の程度、および、所与の用途に対して許容可能である、下流液体ハンドリング構造２２への液体６２の流れの終端における液体６２と液体６３の重なりすなわち混合の量を含む。
【００４５】
デバイスが上述のように液体をシーケンシングするように機能する、チャンバ３１および導管４１内の液体６３の体積の範囲が存在することが分かる。閾値体積の前後で、反対する液頭に打ち勝つのに十分な毛管力、または適切なサイズの液頭のいずれかによって、導管４１を越えて液体６３が押し出され、サイフォン作用が実現される。しかしながら、閾値体積をはるかに下まわる体積では、反対する液体６３の液頭に毛管力が打ち勝つことができないか、または、出口で液頭が大きすぎて吸い出しが早くなりすぎる場合がある。閾値体積および体積変動への感度は、当業者にはすぐに分かるように、初期体積と、デバイスの様々な部分の構成（寸法、形状および表面特性）とによって決まる。
【００４６】
同様に、上述の図面は、主要な相互作用の模式的な表現であり、チャンバ３１を空にする間に閉じ込め液頭が減少して圧力が低下するときの、チャンバ３１、３２が完全に満たされていた圧縮状態からのガス７１の膨張などの、二次的な効果を無視していることが理解されるだろう。この膨張のために、ガス圧と液頭とが新たな均衡状態に到達するまで、チャンバ３１が完全に空になる前にガスの泡が導管４１から漏れることがあるが、上述したシーケンシング動作に影響を与えることはない。
【００４７】
図１Ｇを参照して、液体６３が導管内でチャンバ３２内の液面を越えて半径方向に前進した後で、サイフォン作用が液体をチャンバ３１内に引き出し、液体６３がチャンバ３１を充填し始める。チャンバ３１が液体６３で満たされると、液体６３が導管５３を通して液体６２の後に続き始め、下流液体ハンドリング構造２２に連続的に分配する。
【００４８】
図１Ｈを参照すると、媒体のガス体積を用いずに同一の液体６３でチャンバ３１、３２が満たされており、したがって、遠心力によりチャンバ３１、３２内の液面を均等化する連通管として機能する。液体６３が導管５３を通して流れ続けると、図１Ｉに示すように、チャンバ３１、３２（チャンバ３１へのポートが導管４１の半径方向最外点にある場合、導管４１を含む）が完全に空になるまで、チャンバ３１、３２の両方の液面が低下する。
【００４９】
上述の説明は、模式的に図解された一つの特定の実施形態のものであり、多くの変形例が可能であることを認めるであろう。例えば、上流液体ハンドリング構造２１が単一の液体６１で満たされる必要はないし、様々なチャンバ、容器または流路で上流液体ハンドリング構造２１を構成することができる。一例は、性質の異なる特定の液体（例えば、緩衝液と希釈された血漿、または任意の他の液体）をそれぞれ有する二つの上流チャンバを持つ上流液体ハンドリング構造であり、各チャンバは、流路５１、５２によってシーケンシング構造にそれぞれ個別に接続される。この構成により、二つの異なる液体のシーケンシャルな流れパターンが生じる（上述の例では、最初に緩衝液が流れ、続いて希釈された血漿または任意の他の液体が流れる）。
【００５０】
一部の実施形態は、チャンバ３１、３２のうち一つを省略する。具体的には、一実施形態では、チャンバ３２と流路５２とを必要とせず、流路４１がチャンバ３１を上流回路２１に直接接続する。この場合、上述のようにガス７１の体積を導管４１内に閉じ込めるために、チャンバ３１に入る液体６２の流速が、上流回路２１から流路４１へと到来する液体６１の流速よりも十分に大きいことが主な要件である。後者の場合、そのタイプの流速を用いて、閉じ込められたガス７１によって流路４１の一部が満たされる。したがって、チャンバ３１を満たした液体６２と、上流回路２１からの液体６１との液体シーケンシングが可能になる。
【００５１】
流路断面は流体抵抗に逆相関するので、流路が異なる断面積を有するように設計することによって、上述した流速の制御を容易に実現することができる。代替的に、半径方向位置に応じた流速に基づき異なる半径に流路を配置することによって、流速を制御してもよい。
【００５２】
一部の実施形態では、上述のチャンバが対応する流路で置き換えられ、上述した効果を引き出すために規定の位置に流路を配置する。
【００５３】
液体６２、６３を導管４１内に配置することによって閉じ込められたガス７１が圧縮されるので、閉じ込められたガス７１の圧力はチャンバ３１、３２内の圧力（例えば大気圧）よりも高くなる。
【００５４】
一部の実施形態では、三つ以上の液体がシーケンシングされる。複数のシーケンシャルフローの一例は、並列に（流路またはチャンバのいずれかである一つの同一の流体構造につながる）または直列に（特定の流体構造に流路が接続され、次に流体構造が別の流路に接続される）配置された、流路４１と同様の性質を持つ複数の流路を使用することを含む。より多数のシーケンシャルフローを実現するために、直列配置と並列配置の組み合わせも想定される。
【００５５】
上流液体ハンドリング構造２１と下流液体ハンドリング構造２２は、任意のタイプの液体ハンドリング構成を含んでもよい。すなわち、アリコーティングユニット、混合ユニット、微粒子分離ユニット、検出構造、または任意のタイプの流体機能構造を含んでもよい。
【００５６】
特に、デバイスの回転速度を変更することなくシーケンシャルフローを実行するように、上述の実施形態を使用することができる。これは、機械的安定性や信号取得の安定性が極めて重要である多くの検出用途で有利になる。
【００５７】
図２を参照して、四つの液体の流れをシーケンシング可能である一つの特定の実施形態について説明する。ディスク形態のカートリッジ１００は、回転軸１１０と、内側輪郭１２０と、外側輪郭１３０とを有する。カートリッジは、特定の回転プロトコルで適切に動作するときに分析機能を実行するように設計された様々な液体ハンドリング構造を収容している。
【００５８】
カートリッジ１００は、図２には示されていない上流液体ハンドリング構造を備える。上流液体ハンドリング構造は、導管３１０、３４０、３３０によってそれぞれチャンバ２１０、２３０、２２０に接続されている。さらに、導管３２０が上流液体ハンドリング構造（単数または複数）をチャンバ２１０に接続する。液体ハンドリング構造には、（例えば、導管３１０、３２０、３３０、３４０に特定の液体を運ぶ）アリコーティング構造、混合構造、血漿分離構造、計量構造などが含まれるが、これらに限定されない。本明細書で述べる流体シーケンシング機能の前に、一連の異なる流体機能を実行することができる。
【００５９】
所定の回転プロトコルの特定時点において、以下で説明するように、流路３１０、３２０、３３０、３４０内を上流液体ハンドリング構造からチャンバ２１０、２２０、２３０内に液体が流れ始める。
【００６０】
第１液体用の第１流れ経路は、下流液体ハンドリング構造につながる出口導管５１０を有するチャンバ２１０に供給する導管３１０を含む。図２に示す特定の実施形態では、下流液体ハンドリング構造は、出口導管５１０から供給されるとともに導管５２０によって廃棄チャンバ２４０に接続される検出チャンバ２５０を含む。しかしながら、本明細書に記載の実施形態は、下流液体ハンドリング構造のこの特定の構成に限定されない。むしろ、記載したシーケンシング機構は、シーケンシングされた液体で供給される下流液体ハンドリング構造とは無関係に適用可能であり、用途に応じて他の下流液体ハンドリング構造を容易に採用することができる。
【００６１】
第２液体用の第２液体流れ経路は、チャンバ２３０に流れ込む導管３４０を含む。チャンバ２３０は導管４３０によってチャンバ２１０に接続される。チャンバ２１０からは、第２流れ経路は上述の第１流れ経路と同一である。導管４３０は、上述した導管４１と類似の半径方向内向きの屈曲部で構成され、上述したようにチャンバ２３０からチャンバ２１０に液体をシーケンシングする。
【００６２】
第３液体用の第３液体流れ経路は、チャンバ２２０に流れ込む導管３３０を含む。チャンバ２２０は導管４２０によってチャンバ２１０に接続される。導管４２０は上述の導管４１と同様に構成され、チャンバ２２０からチャンバ２１０への流れをシーケンシングする。チャンバ２１０からは、第３流れ経路は第１および第２流れ経路と同一であり、導管５１０を通り下流に向かう。
【００６３】
第４液体用の第４液体流れ経路は、チャンバ２１０に流れ込む導管３２０を含む。ここからは、第４液体流れ経路は第３、第２および第１流れ経路と同一であり、導管５１０を通り下流に向かう。導管３２０には、上流液体ハンドリング構造から直接流れ込む。導管３２０は上述の導管４１と類似の半径方向内向きの屈曲部で構成され、上流液体ハンドリング構造の関連部分からチャンバ２１０に液体をシーケンシングする。
【００６４】
関係する導管の形状、寸法および／または表面特性の適切な設計によって、（導管３１０、３２０、４２０および４３０から）チャンバ２１０への流入速度が、チャンバ２１０から導管５１０を通る流出速度よりも大きくなるように、カートリッジ１００が構成される。その結果、導管３１０、３２０、４２０または４３０のうちの一つからチャンバ２１０へと液体が流れる限り、チャンバ２１０内の液面が上昇し、チャンバ２１０への液体の流入がなくなり、導管５１０を通した液体の流出のみが存在する場合にのみ、チャンバ２１０内の液面が低下する。
【００６５】
導管３１０、３２０、４２０および４３０からチャンバ２１０へのポートは、導管４２０のポートが導管４３０のポートよりも半径方向外側に配置され、導管３２０のポートが導管４２０のポートよりも半径方向外側に配置されるように構成される。以下で詳細に説明するように、半径方向ポート位置のこの構成が、液体流のシーケンスを決定する。加えて、図２に示す特定の実施形態では、導管３１０からチャンバ２１０へのポートが、上述した他のポートよりも半径方向内側に配置されるが、これは液体のシーケンシングを制約するものではない。また、以下で説明するシーケンスから逸脱することなく、導管３１０の他のポート配置も等しく実施可能である。
【００６６】
最初に、導管３１０、３４０、３３０がそれそれチャンバ２１０、２３０、２２０を満たす。導管４１について説明したように、各導管の屈曲部で導管４２０、４３０内にガスが閉じ込められるように、それぞれの流速が調整される。同時に、導管３２０の半径方向内向きの屈曲部内で、上流液体ハンドリング構造から前進する液体と、毛管力によりチャンバ２１０から流路３２０へ進む液体と、の間にガスが閉じ込められるような速度で、上流液体ハンドリング構造から流路３２０へ液体が流れる。この段階で、導管３１０からの液体でチャンバ２１０が満たされ、導管３４０からの液体でチャンバ２３０が満たされ、導管３３０からの液体でチャンバ２２０が満たされる一方、液体が導管３２０内に保持される。同時に、チャンバ２１０内に流れる液体の速度よりも低速で、チャンバ２１０から導管５１０を通して液体が流れ始めることができる。または、チャンバ２１０からの流出を一時的にブロックするための手段を導管５１０に設けてもよい。
【００６７】
一時的なブロックの例は、逆向きの遠心力で初期回転時に導管５１０内の液体流れをブロックする、導管５１０内に配置される毛管サイフォン構造であってもよい。毛管サイフォン構造は、毛管サイフォンのプライミングの後に液体を流すことができ（回転数が十分に低下すると、毛管力によりサイフォンの頂上を越えて液体が前進する）、その後で、サイフォン効果により液体が導管５１０内を自由に流れることができる。これは当業者には周知である。
【００６８】
チャンバ２１０からの液体の流出が最初に中断されたか否かにかかわらず、導管３１０からチャンバ２１０へと液体が流れる限り、チャンバ２１０内の液面は上昇する（または少なくとも一定に留まる）。導管３１０からチャンバ２１０への流入が停止すると、カートリッジ１００が回転し続ける間、導管５１０を通る流出が継続し、チャンバ２１０内の液面が低下し始める。
【００６９】
チャンバ２１０を導管４３０に接続するポートよりもチャンバ２１０の液面が低下すると、導管４３０内に閉じ込められていたガスが放出され、チャンバ２３０からチャンバ２１０への液体の流れが始まる一方、チャンバ２２０と導管３２０内に液体が保持される。導管４３０を通る流入速度は、チャンバ２１０から導管５１０を通る流出速度と少なくとも等しいかそれ以上になるように構成される。したがって、チャンバ２３０から導管４３０を通りチャンバ２１０に向かう液体が停止するまで、チャンバ２１０内の液面が安定するか、または再び上昇する。
【００７０】
この段階では、チャンバ２１０内の液面が導管４２０のポートまでまたはその直下まで低下して導管４２０内に閉じ込められていたガスを放出するまで、チャンバ２１０内の液面が再び低下し始め、チャンバ２２０から導管４２０を通りチャンバ２１０に入る液体流れが開始する一方、液体が導管３２０内に保持される。その結果、チャンバ２３０からの流れについて説明したように、チャンバ２１０内の液面が再び安定するかまたは上昇する。
【００７１】
チャンバ２２０からチャンバ２１０への液体の流れが止まると、導管３２０からのポートに到達するまでチャンバ２１０内の液面が再び低下する。この段階で、導管３２０内に閉じ込められたガスが放出され、導管３２０からチャンバ２１０へと液体が流れ始め、導管５１０を通って下流に向かう。
【００７２】
上述したように、図２の実施形態により、第１、第２、第３および第４の液体を共通のシーケンシングチャンバ（チャンバ２１０）内に順に流すことが可能になり、このチャンバから、液体を順に下流に向けて（導管５１０を通り、任意の適切な下流液体ハンドリング構造を通して）流すことができる。こうして、図２の実施形態は、共通のシーケンシングチャンバにつながる各ポート適切な配置と、図１を参照して説明した原理に沿ったチャンバに流れ込む導管の構成とによって、共通のシーケンシングチャンバを通した四つの液体のシーケンシングを提供する。
【００７３】
上記の液体流れのシーケンスが一定の回転数（ゆえに一定の遠心駆動力）で達成可能であり、特定の回転プロトコルが不要である点が重要である。上述のように、これは光学検出プロセスにとって有益であり、シーケンシングの実現のために一定回転数が要求されないので、カートリッジ１００に実装される液体ハンドリング機能に応じて回転プロトコルを設計することが可能になる。
【００７４】
上記の実施形態が任意の特定の液体に限定されないことは明らかであり、液体は全て同一であっても、異なっていても、その組み合わせであってもよい。しかしながら、説明を目的として、四つの液体のこのようなシーケンスが応用される例として、光学検出技術を用いたサンプル内の抗体の検出がある。この例では、第１液体は、検出構造２５０を初期洗浄し基線読み取りをするための参考液体である。第２液体は、検出構造２５０内で固定化された抗体を結合することによって特定される物質（抗原）を含むサンプルである。蛍光顕微鏡検査法または表面プラズモン共鳴などの光学技術によって、この結合を検出することができる。第３液体は、検出構造内での抗体と抗原の結合に関連する信号を増幅して結合イベントの定量分析を容易にする増幅物質である。第４液体は、最初に求められた基線と比較する信号の後続の検出のために、あらゆる未結合の抗体と増幅物を洗い流す洗浄液体である。最後の洗浄と最初の洗浄／基線のために用いられる液体は、同一の液体であることが多い。当然ながら、これは四つの液体シーケンスの特定の用途例に過ぎず、説明した実施形態は、四つの液体またはそれ以上やそれ以下の液体がシーケンシングされようと、液体シーケンシングの任意の用途に適用可能であることが理解されるだろう。
【００７５】
説明した実施形態により、能動素子の必要なしに、また複雑な表面張力条件や特定の回転数プロトコルを設ける必要なしに、上流液体ハンドリング構造から下流液体ハンドリング構造へのシーケンシャルな液体（例えば、図２の実施形態における四つの液体）の流れが可能になる。例えば液体流れのシーケンシングのために直列の毛管サイフォンが採用される場合、加減速を繰り返すことなくカートリッジを一定の回転数で回転させつつ、上述の液体流れのシーケンスの全てを発生させられることが強調される。（当然ながら、液体シーケンスの最中に回転数を変化させることは可能であるが、これは上述した液体流れの所望のシーケンスを達成するために必要ではない。）多くの用途において、特に光学検出が使用されるカートリッジにおいて、液体のシーケンシャルな流れの間カートリッジ１００を常に同一の回転数で回転させることは、大きな優位点となりうる。光学検出システムでは、一定の回転数は、信号対雑音比の増加に寄与することがある。
【００７６】
上述した実施形態は、液体流れをシーケンシングし制御するために、導管内でのガスの閉じ込めを利用する。しかしながら、望ましくない圧力差がカートリッジ１００の周りでの液体流れを妨げないようにするため、液体ハンドリングシステムの他の領域では均圧化が確保される必要がある。この目的のために、半径方向内向きのかたちの追加の導管６２０によってチャンバ２１０と２２０が接続され、二つのチャンバ管の圧力が常に釣り合うようにするベント導管を提供する。同じく、同様のベント回路６１０によってチャンバ２１０がチャンバ２３０に接続される。さらなるベント導管（図示せず）が、チャンバ２１０、２２０または２３０のうちの一つを大気圧または閉鎖されたベント回路（上流から下流に流れる液体によって置き換えられるとき、下流領域からカートリッジの周囲にガスを移動させることができる回路）に接続し、上流流体構造から流路３１０、３２０、３３０および３４０を通る効率な流れを確保する。同様に、廃棄チャンバ２４０が大気圧またはベント導管６３０によるベント回路に接続され、廃棄チャンバ２４０だけでなく導管５１０、５２０を開放し、また、チャンバ２１０から導管５１０へと下流に液体が流れるとき、検出構造２５０を開放する。上述した実施形態は、カートリッジ１００の周りを均圧化する任意の特定の方法に限定されず、カートリッジのあらゆる場所の液体の流れを妨げないように適切な圧力条件を維持する多くの方法が当業者には明らかであることが認められよう。
【００７７】
図３を参照して、カートリッジ１００（または説明した実施形態に係る他のデバイス）を駆動する駆動システム７００は、カートリッジ１００または他のデバイスにおける液体流れを駆動する駆動力の付加を制御するコントローラ７１０を備える。遠心力を用いて液体流れを駆動するために回転するよう構成されたカートリッジの特定の例では、システム７００は、コントローラ７１０の制御下にあるモータ７２０を備える。一つの特定の実施形態では、モータ７２０は、カートリッジ１００の内側輪郭１２０と係合するスピンドルに結合される。コントローラ７１０は、所定のスケジュールにしたがって駆動力を制御するように構成される。例えば、カートリッジ１００の周りに液体を配分するために初期回転し、続いて、短時間の減速によって導管５１０内の毛管サイフォンにプライミングし、続いて、再加速と一定回転数での回転により、上述のようにカートリッジ１００内で液体をシーケンシングする。
【００７８】
上記の説明は、表面張力パターンを用いようと用いまいと、平坦なチャンバまたは流路に限定されるわけではなく、曲線の構造または表面で使用することもできる。一部の実施形態では、さらに別の導管およびチャンバを使用して、上述したものよりも多い数の液体の流れをシーケンシングする。
【００７９】
遠心力マイクロ流体デバイスの観点から上記の説明を行ったが、上述した原理とともに、回転するデバイス内で遠心力以外の駆動力も等しく利用可能であることが理解されるだろう。上記の例を用いて、遠心力などの体積力、重力、または帯電した液体の電気力や電場も利用される。圧力差または他の手段などの他の駆動力とともに、他のシーケンシング構造を使用してもよい。さらに、上述した実施形態は、液体流れを現実的にブロックする目的でガスを閉じ込める半径方向内向きの屈曲部を持つ導管を利用するが、本発明はそのような構造に限定されるわけではなく、液体流れを開放可能にブロックするためにガスを閉じ込める任意の他の手段および導管形状も等しく利用することができる。
【００８０】
実施形態はマイクロ流体的スケールに限定されず、例えば巨視的スケールなどの他のスケールへの応用も等しく想定される。誤解を避けるために、本明細書における「マイクロ流体」という用語は、１ｍｍ未満の寸法を少なくとも一つ有する容器または流路などの流体素子を有するデバイスを意味するために用いられる。
【００８１】
本発明は、説明した特定の実施形態および実施例に限定されず、請求項によって規定されるよう意図されている。
【図１Ａ】
2014508952.tif 000003
【図１Ｂ】
2014508952.tif 000004
【図１Ｃ】
2014508952.tif 000005
【図１Ｄ】
2014508952.tif 000006
【図１Ｅ】
2014508952.tif 000007
【図１Ｆ】
2014508952.tif 000008
【図１Ｇ】
2014508952.tif 000009
【図１Ｈ】
2014508952.tif 000010
【図１Ｉ】
2014508952.tif 000011
【図２】
2014508952.tif 000012
【図３】
2014508952.tif 000013
【国際調査報告】
2014508952.tif 000014
2014508952.tif 000015
2014508952.tif 000016