(57)【要約】  本発明は、減少されたデッドボリュームを伴う少なくとも１つの弁／ポンプユニット（２）を含むマイクロ流体装置（１）に向けられており、マイクロ流体装置は、基板（３）を含み、基板（３）の下方表面には、基板（３）上の流体試料（５）流を方向付けるよう、少なくとも２つのマイクロ水路（４）が配置され、それによって、２つのマイクロ水路（４）は、端と端とが接続せずに接続され、且つ、基板（３）の弁地域（６）によって分離され、少なくとも１つの可能性膜（７）を含み、可撓性膜（７）は、基板（３）の下方表面に配置され、可撓性膜（７）に隣接して配置された上方表面（９）を備える作動素子（８）を含み、可撓性膜（７）の下方表面に配置される少なくとも１つのカバー素子（１０）を含み、カバー素子（１０）は、作動素子（８）の動作が、基板（３）に対する指向性流体流を引き起こし或いは停止するために、隣接して配置される可撓性膜のポンプ及び／又は弁作用を引き起こすよう、作動素子（８）を受け入れるための少なくとも１つの貫通切欠き（１１）を含むので、２つの端と端とが接続されないマイクロ水路の間の流体流は、弁地域（６）を覆う可撓性膜（７）によって形成される一時的に形成可能な水路（１２）を通じて、基板（３）の下方表面の弁地域（６）及び可撓性膜（７）の上方表面の間に方向付けられ、それによって、基板の下方表面に向かう作動素子（８）の動作は、弁作用を引き起こし、基板の下方表面と反対への動作は、室（１３）内の空間を解放し、可撓性膜（７）は、一時的な水路（１２）を形成するよう、室内に係合することができ、作動素子（８）の上方表面（９）は、弁地域（６）で膜表面（７）を少なくとも部分的に覆う。
2010513790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの弁／ポンプユニットを含むマイクロ流体装置であって、
基板を含み、該基板の下方表面には、前記基板上の流体試料流を方向付けるよう、少なくとも２つのマイクロ水路が配置され、それによって、前記２つのマイクロ水路は、端と端とが接続せずに接続され、且つ、前記基板の弁地域によって分離され、
少なくとも１つの可能性膜を含み、該可撓性膜は、前記基板の前記下方表面に配置され、
前記可撓性膜に隣接して配置された上方表面を備える作動素子を含み、
前記可撓性膜の前記下方表面に配置される少なくとも１つのカバー素子を含み、該カバー素子は、前記作動素子の動作が、前記基板に対する指向性流体流を引き起こし或いは停止するために、前記隣接して配置される可撓性膜のポンプ及び／又は弁作用を引き起こすよう、作動素子を受け入れるための少なくとも１つの貫通切欠きを含むので、
前記２つの端と端とが接続されないマイクロ水路の間の流体流は、前記弁地域を覆う前記可撓性膜によって形成される一時的に形成可能な水路を通じて、前記基板の前記下方表面の前記弁地域及び前記可撓性膜の前記上方表面の間に方向付けられ、それによって、前記基板の前記下方表面に向かう前記作動素子の動作は、弁作用を引き起こし、前記基板の前記下方表面と反対への動作は、室内の空間を解放し、前記可撓性膜は、前記一時的な水路を形成するよう、前記室内に係合することができ、前記作動素子の前記上方表面は、前記弁地域で前記膜表面を少なくとも部分的に覆う、
マイクロ流体装置。
【請求項２】
前記基板は、複数のマイクロ水路を含み、前記試料流体は、前記弁地域を介して１つのマイクロ水路から複数のマイクロ水路に方向付けられる、請求項１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項３】
前記弁地域は、流体室を含み、該流体室は、前記試料流体を貯蔵するよう配置される、請求項２に記載のマイクロ流体装置。
【請求項４】
前記弁／ポンプユニットは、可撓性箔に取り付けられ、該可撓性箔は、前記作動素子が前記基板の前記下方表面に向かって移動されるとき、前記弁／ポンプユニットを前記基板の前記下方表面に整列し得る、請求項２に記載のマイクロ流体装置。
【請求項５】
前記マイクロ水路は、径方向に整列され、前記弁地域を通り且つ前記基板の前記下方表面の頂部に渡る中心から、前記基板の前記下方表面の底部から開始する、請求項２に記載のマイクロ流体装置。
【請求項６】
前記可撓性膜は、前記流体室の下方表面を形成するよう配置される、請求項３に記載のマイクロ流体装置。
【請求項７】
前記作動素子の前記上方表面は、前記２つのマイクロ水路の端部分と重なり合い、該端部分は貫通流体流を許容するよう前記基板上の前記可撓性膜によって形成される一時的に形成可能な水路を介して接続される、請求項１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項８】
前記作動素子の前記上方表面は、鍔及び／又はバーを含む、請求項１乃至７に記載のマイクロ流体装置。
【請求項９】
前記カバー素子は、前記基板に取り外し可能に取り付けられ、好ましくは、前記カバー素子は、化学的、診断的、医療的、及び／又は、生物学的分析のための装置のカートリッジ又は一体的部分である、請求項１乃至８に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１０】
前記作動素子は、シャフトと、該シャフトよりも大きい直径を有する底部分とを有し、或いは、前記作動素子は、底部分を有するが、シャフトを有さない、請求項１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１１】
前記底部分の前記上方表面は、弾性材料層で覆われる、請求項１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１２】
前記カバー素子の前記貫通切欠きの前記上方部分は、前記底部分を受け入れる室の形態を有し、前記カバー素子の前記貫通切欠きの前記下方部分は、前記作動素子の前記シャフト部分を受け入れるより小さな円筒形態を有する、請求項１乃至１１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１３】
前記可撓性膜は、１μｍ〜１０００μｍ、好ましくは、２０μｍ〜２００μｍ、より好ましくは、５０μｍ〜１００μｍの厚さを有する、請求項１乃至１２に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１４】
前記可撓性膜は、０．５Ｍｐａ〜２５０Ｍｐａ、好ましくは、１Ｍｐａ〜１００Ｍｐａ、より好ましくは、５Ｍｐａ〜１０Ｍｐａのｅ係数を有し、且つ／或いは、前記可撓性膜は、少なくとも１０５％、好ましくは、少なくとも１１０％の弾性変形を有する、請求項１乃至１３に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１５】
少なくとも１つの処理、制御、及び／又は、検出素子を含む、請求項１乃至１４に記載のマイクロ流体装置。
【請求項１６】
診断アッセイにおける請求項１乃至１５のうちのいずれか１項に記載のマイクロ流体装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弁／ポンプユニットを含むマイクロ流体装置に関する。本発明に従った前記弁／ポンプユニットを含むマイクロ流体装置は、好ましくは、分子診断において使用される。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジー部門は、試料操作及び分析のための、ｌａｂｓ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ（ＬＯＣ）又はマイクロ全分析システム（ｍｉｃｒｏＴＡＳ）としばしば呼ばれる、マイクロ流体装置のような小型流体試料輸送装置の開発に相当な労力を向けてきた。これらのシステムは、ＤＮＡ及びタンパク質のような、特殊な生体分子の検出及び分析のために使用されている。
【０００３】
一般的に、マイクロシステム装置は、流体的、電気的、及び、機械的機能を含み、ポンプ、弁、ミキサ、ヒータ、並びに、光学センサ、磁気センサ、及び／又は、電気センサのようなセンサを含む。典型的な分子診断アッセイは、細胞溶解、洗浄、ＰＣＲによる増幅、及び／又は、検出を含む。
【０００４】
統合マイクロ流体装置は、単一テンプレート上での濾過（フィルタリング）、混合（ミキシング）、流体作動、加熱、冷却、及び、光学的、電気的、又は、磁気的検出のような、多数の機能を組み合わせる必要がある。分子着想に続いて、異なる機能が、シリコン又はガラスのような別個の機能的基板上で実現され得る。機能は、典型的にはプラスチック製のマイクロ流体水路システムと組み立てられる必要がある。小さい水路幾何を用いるならば、この統合の方法は、極めて挑戦的なプロセスになる。基板と水路板との間の界面は、極めて滑らかであり且つ正確である必要があり、水路幾何は、再現可能である必要があるのに対し、機能的基板は、費用効率のために最小フットプリントを有さなければならない。特に、流体的並びに電気的界面を必要とする機能を用いるならば、湿式界面の分離は重大である。結合技法は、機能的基板上に存在する生化学的試薬及び表面処理と適合しなければならない。
【０００５】
参照として組み込まれるＵＳ−Ａ１−２００３／００５７３９１は、医療診断マイクロチップのような用途のためのマイクロ加工流体システム内でポンプ及び弁作用を遂行するための革命的アプローチを提供する、低電力統合ポンプ及び弁配列を開示している。このアプローチは、マイクロシリンジに類似して、マイクロ水路内に閉じ込められるポリマ、セラミック、又は、金属栓を備える低電力の高圧力源を統合する。圧力源が活性化されるとき、ポリマ栓は、マイクロ水路内に摺動し、流体が栓の周りで漏れるのを許容せずに、栓の反対側上の流体をポンピングする。栓はマイクロ弁としても働く。
【０００６】
しかしながら、ＵＳ−Ａ１−２００３／００５７３９１のポンプシステムは、十分に小さいデッドボリュームを提供せず、最適化された迅速な流体輸送を提供しない。さらに、栓は、試料流体漏洩を回避する正の取付部品を有さなければならず、よって、低電力統合ポンプ及び弁配列は、低い垂直範囲の製造で提供され得ない。
【０００７】
ＵＳ２００５／００９８７４９は、マイクロ弁、及び、マイクロ弁のための隔膜ストップを形成する方法を開示している。マイクロ弁は、第一層と、マイクロ弁を通じる流体の流れを制御する隔膜部材とを含む。方法は、層の表面から内向きに延びる連続的により大きい深さで、一連の地域内の材料を除去するために、レーザを使用して前記表面から内向きに延びる輪郭付き成形凹部を形成するステップを含む。好ましくは、凹部は、ドーム形状を有し、コンピュータ上で動作するコンピュータ支援製図プログラムを介して動作されるｄｉｒｅｃｔ−ｗｒｉｔｅレーザによって形成され得る。例えば、一組の同心状の多角形近似円を含むＣＡＤアートワークファイルが、ドーム構造を創成するために生成され得る。多角形のオフセット段距離を修正すること、及び、特定の線幅を均等のレーザツール定義と等しくすることは、レーザアブレーション深さを制御し得る。好ましくは、レーザツール定義は、ＣＡＤアートワークと組み合わされ、それは、結果として得られる幾何が、弁の隔膜を裂けさせ或いは破断させ得る鋭い縁部を有さないよう、レーザ経路を定める。
【０００８】
ＵＳ２００５／００９８７４９は、マイクロ弁のみに向けられている。よって、ＵＳ２００５／００９８７４９のマイクロ弁ユニットは、同一ユニット内にポンプ及び弁機能を同時に統合しない。さらに、ＵＳ２００５／００９８７４９のマイクロ弁ユニットは、流体流が向けられ得る一時的水路を形成したり再形成したりしないよう、隔膜部材は可撓でない。ＵＳ２００５／００９８７４９中に開示されるように、気体が通過し得るよう、隔膜部材は特殊な気体圧力で孔を開口する。しかしながら、気体は隔膜部材を用いて汲み出され得ない。
【０００９】
この１０年間内に、液体の分析試料容量を減少するために、かなりの研究努力がマイクロ流体システム装置のためのポンプシステムの開発になされた。
【００１０】
この努力にも拘わらず、最適化された減少されたデッドボリュームを伴う弁／ポンプユニットの必要が依然としてある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、マイクロ流体装置(micro  fluidic  device)のための弁／ポンプユニットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従った弁／ポンプユニットは、最小に、好ましくは、約ゼロに減少された、最適化されたデッドボリュームを伴う、マイクロ流体装置に対する流体弁又はポンプ作用をもたらす。
【００１３】
この目的は、少なくとも１つの弁／ポンプユニットを含むマイクロ流体装置を用いて達成され、マイクロ流体装置は、
−  基板を含み、基板の下方表面には、基板上の流体試料流を方向付けるよう、少なくとも２つのマイクロ水路(micro  channel)が配置され、それによって、２つのマイクロ水路は、端と端とが接続せずに接続され、且つ、基板の弁地域によって分離され、
−  少なくとも１つの可能性膜を含み、可撓性膜は、基板の下方表面に配置され、
−  可撓性膜に隣接して配置される上方表面を備える作動素子を含み、
可撓性膜の下方表面に配置される少なくとも１つのカバー素子を含み、カバー素子は、作動素子の動作が、基板に対する指向性流体流を引き起こし或いは停止するために、隣接して配置される可撓性膜のポンプ及び／又は弁作用を引き起こすよう、作動素子を受け入れるための少なくとも１つの貫通切欠きを含むので、
２つの端と端とが接続されないマイクロ水路の間の流体流は、弁地域を覆う可撓性膜によって形成される一時的に形成可能な水路を通じて、基板の下方表面の弁地域及び可撓性膜の上方表面の間に方向付けられ、それによって、基板の下方表面に向かう作動素子の動作は、弁作用を引き起こし、基板の下方表面と反対への動作は、室内の空間を解放し、可撓性膜は、一時的な水路を形成するよう、室内に係合することができ、作動素子の上方表面は、弁地域で膜表面を少なくとも部分的に覆う。
【００１４】
本発明に従った弁／ポンプユニットは、同じユニット内でポンプ及び弁機能を同時に統合する。
【００１５】
マイクロ流体装置は、流体が、例えば、両方向に汲み出され得るよう、少なくとも２つの弁／ポンプユニットを含むことが好適であり得る。
【００１６】
本発明に従ったマイクロ流体装置は、流体が、例えば、５０ｍｂａｒから１ｂａｒ、好ましくは、１００ｍｂａｒから３００ｍｂａｒの比較的低い過剰圧力に晒され得るよう、恒久的な水路及び一時的な水路のマイクロ水路系を通じて基板上の流体流を所望の地域に方向付けるために使用され得る。
【００１７】
本発明の好適実施態様によれば、基板は、複数のマイクロ水路を含み、試料流体は、弁地域を介して１つのマイクロ水路から複数のマイクロ水路に方向付けられる。現在利用可能な技法は、異なる反応室内で平行に多くの反応を行うことを可能にする。本発明は、弁／ポンプを動作することによって多数のマイクロ水路を介して試料流体を複数の反応室に同時に方向付けることを可能にする。
【００１８】
本発明のさらなる好適実施態様によれば、弁地域は、流体室を含み、それによって、流体室は、試料流体を貯蔵するよう配置される。流体室内に貯蔵される試料流体は、マイクロ水路を介して異なる反応室に計量分配される。全ての反応室は、弁／ポンプユニットを動作することによって即座に試料流体で充填され得る。
【００１９】
本発明のさらなる好適実施態様によれば、弁／ポンプは、可撓性箔に取り付けられ、可撓性箔は、作動素子が基板の下方表面に向かって移動されるとき、弁／ポンプユニットを基板の下方表面に整列し得る。この作動素子の動作は、流体室から複数の端と端とが接続されないマイクロ水路への流体流を引き起こす。可撓性箔は、基板への弁／ポンプユニットの整列を制約せずに、弁／ポンプユニットの案内を可能にする。換言すれば、弁／ポンプユニットは、弁／ポンプユニットを基板に押す１つの作動素子によって作動され、一時的に形成される水路を閉塞し得る。可撓性箔は、ポリプロピレンであり得る。
【００２０】
本発明の一層さらなる好適実施態様によれば、マイクロ水路は径方向に整列され、弁地域を通り且つ基板の下方表面の頂部に渡る中心から、基板の下方表面の底部から開始する。この特異な水路設計は、流体室の下方表面を形成する可撓性膜を用いて複数のマイクロ水路の比較的簡単な封止を可能にする。可撓性膜は、基板の下方表面に向かう作動素子の動作で全てのマイクロ水路を閉塞する。
【００２１】
本発明のさらに他の実施態様によれば、可撓性膜は、流体室の下方表面を形成するよう配置される。流体流は、弁地域を覆う可撓性膜によって形成される一時的に形成可能な水路を通じて基板の下方表面の弁地域と可撓性膜の上方表面との間に向けられ、それによって、基板の下方表面に向かう作動素子の動作は、弁作用を引き起こし、基板の下方表面と反対への動作は、室内に空間を解放し、可撓性膜は、一時的な水路を形成するよう、室内に係合することができ、作動素子の上方表面は、弁地域で膜表面を少なくとも部分的に覆う。
【００２２】
ここで使用されるとき、「検出手段」又は「検出素子」の用語は、人が、当該技術分野において周知の分析検出技法を使用して試料処理区画内の流体試料を取り調べることを可能にする、あらゆる手段、構成、又は、構造に言及している。よって、検出手段は、試料処理区画と連絡する１つ又はそれよりも多くの孔、細長い孔、又は、溝を含み得るし、流体試料輸送装置を通過する検体とも呼ばれる流体試料を検出するために、外部的な検出機器又は措置が試料処理区画と調和されることを可能にし得る。
【００２３】
「流体試料」という用語は、一時的に形成される水路系を通じて汲み出され得る、あらゆる化合物又は組成に言及するために使用される。
【００２４】
「水路」又は「水路系」という用語は、本発明において使用されるとき、流体流が例えば基板上に配置される所望の空洞、凹部、及び／又は、地域に方向付けられ得る導管を意味する。
【００２５】
「弁地域」という用語は、本発明において使用されるとき、流体試料流が一時的に形成される膜水路のみを通じて可能である少なくとも２つの端と端とが接続されないマイクロ水路の間に配置される基板上の表面地域を意味する。
【００２６】
水路又は水路系は、流体が、例えば、処理され、収集され、制御され、且つ／或いは、検出され得る、基板上に配置される少なくとも１つの空洞、凹部、及び／又は、地域と接続され得る。
【００２７】
一時的な水路は、可撓性膜が、例えば、流体試料が流れ得る基板上の曲線状トンネルを形成するよう、可撓性膜を拡張し或いは伸張することによって形成される。
【００２８】
「一時的」という用語は、水路に関して、水路が恒久的に形成されないことを意味する。これは、一時的に形成される膜水路が、基板に接触する平面的な或いは平坦な膜設計のような非水路設計に再形成され得ることを意味する。
【００２９】
「可撓性」という用語は、膜に関して本発明において使用されるとき、膜が伸張可能であり且つ弾性的であることを意味する。
【００３０】
カバー素子に関する「貫通孔」及び「貫通切欠き」という用語は、貫通孔並びに貫通切欠きが、カバー素子の上方表面からカバー素子の下方表面まで（一方の側から他方の側に）延在することを意味する。
【００３１】
本発明に従った弁／ポンプユニットは、例えば、分子診断用途における、Ｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐ（ＬＯＣ）又はＭｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｅｓ  Ｓｙｓｔｅｍ（ＭｉｃｒｏＴＡＳ）に関して使用され得る。
【００３２】
マイクロ全分析システムが低垂直範囲の製造から成ることが、図１乃至７から見られ得る。
【００３３】
他の利点は、作動素子が、液密に封止される必要がないことである。何故ならば、液体は、既に膜によって封止されるので、流体流はマイクロ水路を含み基板と基板に隣接して配置される膜表面との間に引き起こされるからである。
【００３４】
さらなる利点は、カバー素子内に位置付けられる弁／ポンプユニットが、流体試料と接触しないことである。よって、弁／ポンプユニットを含むカバー素子は、流体、例えば、検体試料で汚染されないので、膜で覆われる基板を除く全ての部分が再使用され得る。
【００３５】
本発明のさらなる利益及び利点は、本発明の好適実施態様を具現し且つ示す添付の図面を参照して与えられる、以下の詳細な記載の考察から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従った弁／ポンプユニットの閉塞された弁を備える基板を示す側断面図である。
【図２】本発明に従った弁／ポンプユニットの開放された弁を備える基板を示す側断面図であり、膜は作動素子上に取り付けられている。
【図３】本発明に従った弁／ポンプユニットの開放された弁を備える基板を示す側断面図であり、膜は作動素子上に取り付けられていない。
【図４】本発明に従った弁／ポンプユニットの開放された弁を備える基板を示す側断面図であり、作動素子の上方表面は、２つの面せられたマイクロ水路の端部分と重なり合っている。
【図５】本発明に従った弁／ポンプユニットの閉塞された弁を備える基板を示す側断面図であり、鍔が作動素子の上方表面上に配置されている。
【図６】本発明に従った弁／ポンプユニットの閉塞された弁を備える基板を示す側断面図であり、２つのバーが作動素子の上方表面上に配置されている。
【図７】本発明に従った弁／ポンプユニットの閉塞された弁を備える基板を示す側断面図であり、鍔が作動素子の上方表面上に配置されている。
【図８】本発明に従った弁／ポンプユニットの閉塞された弁を備える基板を示す側断面図であり、２つのバーが作動素子の上方表面上に配置されている。
【図９】本発明に従った弁／ポンプユニットの開放された弁を備える基板を示す側断面図であり、作動素子の上方表面は、弾性材料層で覆われている。
【図１０】本発明に従った弁／ポンプユニットの開放された弁を備える流体室を含む基板を示す断面図である。
【図１１】図１０の展開図である。
【図１２】多数のマイクロ水路を含むマイクロ流体装置を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明が詳細に記載される前に、この発明は、記載される装置の特定の構成部品部分や記載される方法のプロセスステップに限定されないことが理解されるべきである。何故ならば、そのような装置及び方法は異なり得るからである。ここで使用される用語は、具体的な実施態様を記載する目的のためだけであり、限定的であることは意図されていないことも理解されるべきである。明細書及び付属の請求項中で使用されるとき、単数形態”a”、”an”、”the”は、文脈が明らかに別を示さない限り、単数及び／又は複数の参照先を含むことが付記されなければならない。よって、例えば、「流体」への言及は、混合物を含み得るし、「装置」への言及は、２つ又はそれよりも多くのそのような装置を含むし、「ユニット」への言及は、２つ又はそれよりも多くのそのようなユニットを含むし、「一時的に形成される水路」への言及は、少なくとも１つよりも多くのそのような一時的に形成される水路を含み得る等である。
【００３８】
図１は、弁／ポンプユニット２を備えるマイクロ流体装置１を断面図で示している。マイクロ流体装置１は、基板３を含み、前記基板の下方表面には、流体試料５流を基板上に向けるために、２つのマイクロ水路４が配置されており、それによって、前記２つのマイクロ水路４は、端と端とを接せずに接続され、前記基板３の弁地域６によって離間されている。さらに、可撓性膜７が、前記基板３の下方表面上に配置され、基板とカバー素子８との間に挟装されている。カバー素子１０は、作動素子８を受け入れるための貫通切欠き１１を含み、作動素子８の上方表面９は、可撓性膜７に隣接して配置されているので、前記作動素子８の動作は、前記基板３上の前記２つの端と端とを接せずに接続されるマイクロ水路４の間の指向性流体流を引き起こし或いは停止するよう、隣接して配置される可撓性膜区域のポンプ及び／又は弁作用を引き起こす。基板３の下方表面に向かう作動素子８の動作は、弁作用を引き起こし、基板の下方表面の反対側への動作は、室１３の空間を解放し、室内には、一時的な水路１２を形成するよう、可撓性膜７が係合し得る。作動素子８の上方表面９は、弁地域６の外側表面を正に覆う。よって、弁／ポンプユニット２のデッドボリュームは約ゼロである。何故ならば、作動素子８の上方表面は、弁地域６の外側表面を正に覆うからである。
【００３９】
図２は、図１に従ったマイクロ流体装置１を示しており、そこでは、弁／ポンプユニット２は開放状態にある。閉塞された弁状態では、図１に見られ得るように、作動素子８の表面より下の膜は、流体５がマイクロ水路４内に押し込まれるよう、基板に対して押圧されるので、流体５は基板３上の弁地域６に残存しない。弁２を開放すると、図２に示されるように、流体５は、弁地域６に沿って、第一マイクロ水路４から第二マイクロ水路４に、一時的に形成される水路１２内に流入することができ、それによって、水路４は、弁地域６によって分離される。図２の実施態様によれば、膜７は、作動素子８の上方表面に取り付けられるので、作動素子８の上下運動によって、流体流を引き起こすポンプ作用が得られ得る。指向性の流体流を許容し且つ／或いは流体試料の前方及び後方ポンピングを許容するために、少なくとも第二ポンプ及び弁／ユニット２（図示せず）が流体装置１上に配置され、そこでは、少なくとも２つのポンプ及び／弁ユニットは、水路４によって接続される。
【００４０】
図３は、膜７は作動素子８の上方表面９に取り付けられていないので、一時的な水路１２の形成は、流体５に晒される外部圧力に起因して引き起こされ得るという相違を伴う、図２に従ったマイクロ流体装置１を示している。しかしながら、弁／ポンプユニット２の閉塞は、弁／ポンプユニット２の下で対応する一時的に形成される水路１２内に集められる流体５に対する流体流を引き起こし得る。
【００４１】
図４は、作動素子８の上方表面が、２つのマイクロ水路の端部分１４ａ／１４ｂと重なり合い、２つのマイクロ水路は、基板３の弁地域６に沿った貫通流体流を許容するよう、基板３上の可撓性膜７によって形成される一時的に形成可能な水路１２を介して接続されるという相違を伴う、図２に従ったマイクロ流体装置１を示している。
【００４２】
図５は、図４に従ったマイクロ流体装置１を示しており、弁／ポンプユニット２は、閉塞状態にあり、膜７に面する作動素子８の上方表面区域２１は、封止リングとして機能する鍔(collar)１５を含む。さらに、上方表面区域２１は、異なる可撓性材料から成る。
【００４３】
図６は、封止リングとして機能する鍔１５が、底部分２０にあるバー１６と置換されている相違を伴う、図５に従ったマイクロ流体装置１を示している。
【００４４】
図７は、作動素子８がシャフトを有さないという相違を伴う、図６に従ったマイクロ流体装置１を示している。この種類の作動素子は、作動素子８のための平坦な設計をもたらす。しかしながら、バー１６の代わりに、作動素子８は、底部分にある鍔１５を含み得る。さらに、鍔１５又はバー１６を含む作動素子８が、１つの部品であり且つ同じ可撓性材料から成ることが好ましい。
【００４５】
図８は、膜７に面する作動素子８が、底部分にあるバー１６の代わりに、封止リングとして機能する鍔１５を含み、上方表面区域２１が、異なる可撓性材料から成るという相違を伴う、図７に従ったマイクロ流体装置１を示している。
【００４６】
図９は、シャフト１９と底部分２０とを含む作動素子を備えるマイクロ流体装置１を示している。底部分２０の直径は、シャフト１９の直径よりも大きい。図９は、底部分２０の上方表面が弾性材料層２１で覆われている点で、図２と異なる。
【００４７】
図１０は、流体水路３０と複数のマイクロ水路（４）とを含む基板３を備える、マイクロ流体装置１を示しており、複数のマイクロ水路のうちの２つだけが図示されている。図１１は、図１０のマイクロ流体水路の展開図である。試料流体（５）は、弁地域（６）を介して１つのマイクロ水路（４）から複数のマイクロ水路（４）に向けられている。流体室は、弁地域（６）内にある。流体室（３０）は、試料流体（５）を貯蔵するよう配置されている。可撓性膜（７）は、流体室の下方表面を形成するよう配置されている。弁／ポンプユニット（２）は、可撓性箔（３３）に取り付けられている。可撓性箔（３３）は、作動素子（８）が基板の下方表面に向かって移動されるとき、弁／ポンプユニット（２）を基板の下方表面に整列し得る。
【００４８】
図１２は、複数のマイクロ水路（４）を示しており、それらは径方向に整列され、弁地域を通る中心から、基板（３）の下方表面の底部から開始して、基板の下方表面の頂部に渡る。
【００４９】
基板材料は、ガラス、セラミック、シリコン、金属、及び／又は、ポリマを含む群から選択され得る。
【００５０】
本発明によれば、基板表面は、少なくとも部分的に重合体層で覆われ得る。マイクロ水路構造は、一般的に既知の技法によって前記ポリマ層内に形成され得る。例えば、マイクロ水路は、レーザアブレーション技法の使用によって形成され得る。レーザアブレーションプロセスが使用され得るのは、それがマイクロリソグラフィ等方性エッチング技法で直面する問題を回避するからであり、マイクロリソグラフィ等方性エッチング技法は、エッチング中にマスキングを切り下げ、湾曲した側壁及び平坦な底部を有する非対称的構造を生じさせ得る。ポリマのような基板中に微細構造を形成するレーザアブレーションプロセスの使用は、加工の単純性を増大し、よって、製造費用を下げる。しかしながら、射出成形も適切な加工方法として使用され得る。
【００５１】
基板の頂部上には、可撓性膜が配置される。可撓性膜のサイズは、可撓性膜が基板の上方表面を完全に或いは部分的に覆うよう選択され得る。可撓性膜が基板を包むことも好適であり得る。可撓性膜が、少なくとも、ポンプ又は弁作用が望ましい且つ／或いは一時的な水路１２が流体試料を空洞又は地域に方向付けるために形成される必要がある全ての地域の上で、流体試料輸送装置を覆うことが最も好ましく、そこで、流体試料は検出され、制御され、且つ／或いは、処理される。可撓性膜が、処理し、制御し、且つ／或いは、検出する地域も覆うことがさらに好ましくあり得る。しかしながら、可撓性膜が、基板の上方表面を完全に覆い或いは包むことが最も好ましい。
【００５２】
図１乃至６及び９は、本発明に従った弁／ポンプユニットを備える基板の断面図でマイクロ流体装置１を示しており、そこでは、作動素子は、円筒形シャフトと、円筒形底部分とを有し、底部分は、シャフトよりも大きい直径を有する。しかしながら、図７及び８から見られ得るように、作動素子は、平坦な設計、即ち、底部分、好ましくは、円筒形底部分を有し、シャフトを有さない。そのような作動素子は、例えば、指圧又はそのようなものによって作動され得る。さらに、図１０乃至１１に示されるように、作動素子は、シャフトを備えない円筒形底部分を有する。弁／ポンプユニットは、可撓性箔３３に取り付けられる。
【００５３】
本発明に従って使用されるような膜は、流体が動作中に膜を浸透しないよう液密である。一時的なマイクロ水路を形成し且つ再形成するために、膜が可撓且つ／或いは弾性的であることが好適であり得る。
【００５４】
適切な膜材料は、ポリマであり、好ましくは、天然又は合成ゴムである。金属箔又は金属膜は弾性的でないので、金属箔又は金属膜は、膜材料として除外され得る。また、好適な膜材料は、熱可塑性物質、エラストマ、熱可塑性エラストマ、及び、シリコン、並びに、それらの混合物である。
【００５５】
好適な一時的に形成される水路は、Ｕ字状プロファイルを有し、そこを通じて、流体流は一時的に方向付けられ得る。
【００５６】
一時的に形成される水路の深さは、１０μｍ〜５０００μｍ、好ましくは、２０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは、３０μｍ〜２００μｍであり得る。
【００５７】
膜の良好なポンプ及び／又は弁効果を得るために、膜が１μｍ〜１０００μｍ、好ましくは、２０μｍ〜２００μｍ、より好ましくは、５０μｍ〜１００μｍの厚さを有することが好適であり得る。もし膜が薄すぎるならば、膜の劣化の危険があり、それは流体試料の漏れを引き起こし得る。しかしながら、もし膜が厚すぎるならば、流体輸送に関する前記膜のポンプ及び／又は弁効果の誤作動の危険がある。最も好ましいのは、５０ミクロン〜２００ミクロンの間の厚さを有するゴム膜である。
【００５８】
改良されたポンプ及び弁作用を達成するために、可撓性膜が、０．５Ｍｐａ〜２５０Ｍｐａ、好ましくは、１Ｍｐａ〜１００Ｍｐａ、より好ましくは、５Ｍｐａ〜１０Ｍｐａのｅ係数を保有することが好適であり得る。
【００５９】
さらに、可撓性膜が、少なくとも１０５％、好ましくは、少なくとも１１０％の弾性変形を有することが好適であり得る。この材料特徴は、一時的な水路の形成を促進することに関して利点を有し得る。
【００６０】
カバー素子は、膜被覆基板に取り外し可能に取り付けられるカートリッジであり得る。好ましくは、カバー素子は、化学的、診断的、医療的、及び／又は、生物学的分析のための装置のカートリッジ又は一体的部分である。
【００６１】
カバー素子は、作動素子を受け入れるための少なくとも１つの貫通切欠きを含む。貫通切欠きは、それが作動素子の上下運動を許容するよう設計される。さらに、貫通切欠きは、膜の下方表面と反対への作動素子の動作で開放される室を含み、室内には、一時的な水路を形成するよう、可撓性膜が係合し得る。
【００６２】
本発明の好適実施態様によれば、カバー素子の貫通切欠きの上方部分は、底部分を受け入れる室の形態を有し、貫通切欠きの下方部分は、作動素子のシャフト部分を受け入れうるようより小さい円筒形態を有する。
【００６３】
作動素子は、プラスチック、金属、ガラス、及び／又は、セラミック材料から作成され得る。好ましくは、作動素子は、プランジャである。
【００６４】
好適実施態様によれば、作動素子は、シャフトと、シャフトよりも大きい直径を有する底部分２０とを有する。
【００６５】
本発明のさらなる好適実施態様によれば、底部分の上方表面は、弾性材料層で覆われる。
【００６６】
作動素子の上方表面は、膜に取り付けられ得る。しかしながら、作動素子が膜に取り付けられることは必要ではない。この場合には、一時的な膜水路は、例えば、もし流体が外部圧力に晒されるならば形成され得る。
【００６７】
作動素子の好適実施態様によれば、作動素子の上方表面は、弁地域を完全に覆う。
【００６８】
しかしながら、作動素子の上方表面は、２つのマイクロ水路の端部分と重なり合い、端部分は、貫通流体流を許容するよう基板上に可撓性膜によって形成される一次的に形成可能な水路を介して接続される。作動素子のこの実施態様は、弁／ポンプユニットのデッドボリュームを約ゼロに減少する。何故ならば、作動素子の上方表面の重なり合いの故に、全ての流体は、弁地域から基板のマイクロ水路システム内に戻され得るからである。
【００６９】
作動素子の上方表面は、鍔及び／又はバーを含み得る。鍔及び／又はバーは、封止機能を有し得るので、弁が閉塞状態にあるとき、流体は弁地域と可撓性膜との間に漸動し得ない。鍔及び／又はバーの封止機能を増大するために、鍔及び／又はバーが接触するマイクロ水路内に部分的に係合することが好適であり得る。
【００７０】
さらに、鍔及び／又はバーは、ポンプ作用を有し得る。例えば、もし鍔の直径が弁地域の直径よりも小さいならば、作動素子の上下運動は、吸引又は押圧作用を引き起こす。よって、作動素子は、鍔及び／又はバーを備える薄い可撓性材料であり得る。そのような作動素子は、例えば、指圧によって作動され得る。
【００７１】
本発明に従ったマイクロ流体装置は、少なくとも１つの処理、制御、及び／又は、分析素子を含み得る。本発明に従ったマイクロ流体装置は、以下のために使用され得る。
−  卵黄、血液、漿液、及び／又は、プラズマのような生物学的流体のアッセイを含む、化学的、診断的、医療的、及び／又は、生物学的分析。
−  水、溶解土壌抽出物、及び、溶解植物抽出物を含む、環境分析。
−  化学生成物における分析を含む、反応溶液、散布、及び／又は、処方分析、具体的には、染料溶液又は反応溶液。
−  品質保護分析。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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