(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、移動可能な流体と流体とのメニスカスの形状および／または位置を制御するための装置に関し、当該装置は流体を収容し移動させるための体積を有し、前記充填の方向は下流の方向であり、前記メニスカスを含み、前記体積は前記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１構造を少なくとも有し、前記毛管圧バリアおよび前記メニスカスは少なくとも２つの下位の体積の間の前記体積内に境界を規定し、（ａ）前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿う意図的な流体の整列の弱点を供給しない一方で、前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度よりも大きい角度を両端部で定めることによって安定し、および／または（ｂ）前記毛管圧バリアは、伸張バリアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列する際に流体と流体とのメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で前記伸張バリアを設けることによって安定し、（ｃ）前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度より大きい角度を一端部で定めることによって安定し、他端部において前記伸張バリアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させる際における前記流体と流体とのメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で伸張バリアを供給することによって安定し、前記伸張バリアは少なくとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成される。【選択図】図１
2015530240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な流体と流体のメニスカスの形状および／または位置を制御するための装置であって、当該装置は流体を収容し移動させるための体積を有し、前記充填の方向は下流方向であり、前記メニスカスを含み、前記体積は前記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１の構造を少なくとも有し、前記毛管圧バリアおよび前記メニスカスは少なくとも２つの下位の体積の間の前記体積内において境界を規定し、
（ａ）前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿う意図的な流体の整列の弱点を供給しない一方で、前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度よりも大きい角度を両端部で定めることによって安定し、および／または
（ｂ）前記毛管圧バリアは、伸張バリアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させた際における前記流体と流体のメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で前記伸張バリアを設けることによって安定し、
（ｃ）前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度より大きい角度を一端部で定めることによって安定し、他端部で前記伸張バリアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させた際の前記流体と流体とのメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で前記伸張バリアを供給することによって安定し、
前記伸張バリアは少なくとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成される装置。
【請求項２】
前記体積は、
（ｃ）少なくとも２つの流体の充填口を含み、これにより少なくとも２つの各々の流体の少なくとも一つが前記下位の体積に充填され得、
（ｄ）少なくとも一つの流体の排出口を含み、これにより流体は前記下位の体積の少なくとも一つから除去され得、充填方向における流体の流れの方向は下流の方向である請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記毛管圧バリアは、
ｉ）前記体積の壁の材料において規定される溝または凹部、
ｉｉ）前記体積の壁から前記体積への突起、および／または
ｉｉｉ）ラインに近接する前記壁の前記材料よりも濡れ性が低い前記体積の前記壁の材料内または材料上において規定されるライン
のｉ）〜ｉｉｉ）のひとつまたはそれ以上によって規定されるかまたはｉ）〜ｉｉｉ）をの一以上を含む請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記伸張バリアは、
ｉｖ）前記体積の壁の前記材料において規定される凹部または溝、
ｖ）前記体積の壁から前記体積内への突起、
ｖｉ）さらなるチャネルまたは容器へ開口する屈曲または凹部、
ｖｉｉ）ラインに近接する前記壁の前記材料よりも濡れ性が低い前記体積の壁の材料内または材料上において規定される前記ライン、
で規定されるか、またはｉｖ）〜ｖｉｉ）の一以上を含む前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は、前記毛管圧バリアと前記壁との交差部において少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも１０μｍの半径を規定するために前記体積の壁との前記交差部の近傍において曲がった形状を有する前記請求項のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は前記体積の壁と交差し、結果として生じる交差部の近傍において直線形状であるいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項７】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は前記体積の壁と交差し、周囲の前記壁に対して傾斜される前記壁の一部を規定し、結果として生じる交差部の近傍において凹部を規定する、および／または前記壁から前記体積への突起を規定するいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項８】
前記凹部は、前記体積の壁において規定されるチャネル若しくは充填口である、または前記チャネルもしくは前記充填口を含む請求項３〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記突起は、楔形状および／または三角部分を含む請求項３〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記伸張バリアは、前記壁の屈曲を有する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記壁の前記屈曲は、少なくとも９０度の角度を超えて前記チャネルの外方に屈曲する請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記伸張バリアは、前記伸張バリアが存在しない際の前記流体と流体のメニスカスの前記伸張距離の半分または半分未満の距離において前記毛管圧バリアに対して位置する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記最大伸張距離ｄｓは式（ＩＩ）によって規定され、
【数１】
2015530240.tif 000006
前記ｇは、前記第１毛管圧バリアが設けられる前記第１基板と、前記第１毛管圧バリアが設けられる前記基板と向かい合う前記第２基板との間の距離を表し、前記θ１は前記第１毛管圧バリアと向かい合う前記基板と前記流体との接触角を表し、前記θ２は前記毛管圧バリアの材料と前記流体との接触角を表す、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１毛管圧バリアは前記底部の基板に設けられ、少なくとも一つの前記伸張バリアが前記チャネルの側壁に設けられる前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアを有し、前記第１毛管圧バリアはチャネルのネットワークを通じて流体のルーティング回路の一部である前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアから与えられた第１距離で伸張バリアによって安定し、
ａ）前記少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアは、前記第１毛管圧バリアと前記伸張バリアとの間の前記第１距離と異なる、前記一つの付加的な毛管圧バリアから与えられた第２距離で伸張バリアによって安定し、または
ｂ）前記少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアが伸張バリアによって安定していない請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記体積は、頂点を含むＹ形状の合流点を一般的に規定する少なくとも２つの流体の充填口および／または排出口を含み、前記毛管圧バリアは前記頂点からオフセットした位置で前記体積の壁とオフセットした交差部を規定するいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項１８】
親水性の頂部の基板と、より親水性の少ない毛管圧バリアとを含むいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項１９】
前記親水性の頂部の基板は、ケイ酸塩ガラスであるか、またはケイ酸塩ガラスを含み、前記より親水性の少ない毛管圧バリアはポリマー材料であるか、またはポリマー材料を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記毛管圧バリアおよび／または前記伸張バリアはコンカス‐フィンの定理によって規定されるように側壁と臨界角より大きい角度を定めるいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項２１】
いずれかの前記請求項に記載の装置において移動可能な流体と流体のメニスカスの形状および／または位置を制御する方法であって、前記方法は前記装置の特定の高い安定性の前記毛管圧バリアに沿って前記メニスカスを整列させるステップを有する方法。
【請求項２２】
前記メニスカスを前記伸張バリアと少なくとも一部において整列させることをさらに有し、それにより二重に整列したメニスカスを形成する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記メニスカスの形状はゲルとさらなる流体との間で制御され、前記メニスカスを前記毛管圧バリアに沿って整列させるステップは前記ゲルのゲル化が生じる前に起こる請求項２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記請求項のいずれか１項に記載の一以上の装置をさらに有し、多数のマイクロ流体チャネルを有するマイクロ流体回路。
【請求項２５】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置または流体の方向を持った経路指定のための請求項２４による回路の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、毛管圧バリアの向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体、特に液体や液体を収容する物体の挙動を制御したり、影響を与えたりするための安定した毛管圧バリアについて科学的および産業的な関心は大きくなっている。そのような安定した毛管圧バリアは、マイクロ流体光学の分野において特定の有用性があり、その分野において毛管圧バリアは、分析したり、等分したり（言い換えれば所定量の液体の体積から、または体積に分配したり）、混合したり、分離したり、測定を制限したり、パターニングしたり、収容したりするなどの特定の目的のために設計された体積、大きさ、形状において流体本体の流れをコントロールするうえで非常に役立つ。効果のある受動的に与えられた流体の流れのコントロールは、大きなマイクロ流体の回路における流体およびマイクロ流体のチャンバーにおける流体をコントロールすることに対して非常に求められるようになった。安定した毛管圧バリアは、広い範囲における他の応用においても使用される。本発明は、安定した毛管圧バリアが使用できる全ての状況における応用を潜在的に見つける。毛管圧バリアは、当技術分野におけるメニスカスの調節バリアやピン止めバリアとしても言及されている。
【０００３】
安定した毛管圧バリアのいくつかの形態は「相ガイド」として指定されているものがある。これは、主として移動可能なメニスカスを規定する際におけるそれらの機能による。その位置や形状、前進、またはその他の物理的な特性は、安定した毛管圧バリアのデザインの複合の効果と、メニスカスの一または他の側面に存在する流体に適用される（典型的には流体圧の）エネルギーによって影響を受けるかもしれない。本発明は、相ガイドを指定したり、言及する際における毛管圧バリアに関する。
【０００４】
マイクロ流体工学におけるメニスカスのピン止めは、毛細管を止める構造を形成したり、メニスカスの調節を実現するために使用される有名な現象である。メニスカスのピン止めは、ピン止め位置を超えてメニスカスを前進させるためにエネルギーを加える必要がある際に生じる。一般的には、メニスカスの前進がエネルギー的に不利になるようにメニスカスを変形させ、安定したメニスカスの調節特性を生じさせるために、鋭角な頂上部がチャネルまたはチャンバーの内部に使用される。メニスカスは、例えば流体圧の増加のような付加的なエネルギーが加えられなければ、その際に結果として毛細管の圧力バリアに整列する傾向がある。その他に言及がなければ、メニスカスのピン止めおよびメニスカスの調節は、この書類を通じてメニスカスの同じ状態に関する。
【０００５】
流体と空気の境界における圧力損失（ΔP）は、主要な径（Ｒ１とＲ２）の合計として定義される。
【０００６】
【数１】
2015530240.tif 000003
【０００７】
ここでγは液体と空気の表面張力であり、半径Ｒ１、Ｒ２は接触角の関数である。
【０００８】
図１は、グラフを使って定義されているように体積１５２におけるＸＹ平面において流体と流体の境界のメニスカス１０４の全部の長さに及ぶ鋭い角に基づく毛管圧バリア１０５を図示している。ＸＹおよびＸＺの図に切断することによってメニスカスのピン止めの挙動を理解することができる。
【０００９】
図２は、ピン止め構造の端を越えるメニスカスの前進を示している。図２はｘｚ方向における流体と流体とのメニスカスを描写し、メニスカスはくさびに類似した形状と向かい合っている。点線は、第２の側面が頂部の基板によって形成されている一方で、事実上くさびの一つの面を示している。メニスカスは、頂部の基板１５０（θ２）とピン止めバリア１０５（θ１）を備えたメニスカスの接触角の合計が、くさびの角度αから１８０度をひいたもの（例えば頂部の基板に直交した突出した側壁に対して９０度）よりも、おおまかに大きいか（プラスに寄与するか）、それとも小さいか（マイナスの寄与か）どうかに依存して圧力にプラスに寄与するかマイナスに寄与するかもしれない。図２は、ピン止めされた流体１０３の凹型のメニスカスの形状から判断できるように、ｘｚ方向におけるメニスカスの半径のマイナスの圧力の寄与の状況を実際に描写する。メニスカスのピン止め構造の境界を越えて、頂部の基板１０７に直交し、７０度の接触角とピン止めする表面の両方を含む構成は、３０度の接触角の両方に対する圧力の寄与がマイナスである一方で、プラスの圧力寄与をもたらす。
【００１０】
図２ではさらに、毛管圧バリアでのメニスカスの位置が、毛管圧バリアと向き合う基板（対向基板とも言及されている）１５０における基板とメニスカスの部位の位置３０１よりもｘ方向にあまり進行していないことに気付くかもしれない。メニスカスのピン止めの際に生じるこの非対称は、メニスカスのストレッチング（引き伸ばし）として言及されている。毛管圧バリアの接触角と形状に依存して、引き伸ばされたメニスカスは凹状の輪郭だけでなく凸状の輪郭の両方を有し得る。
【００１１】
図２ではメニスカスの引き伸ばし距離がｄｓ３０２として示されている。一般的に、毛管圧バリアのオーバーフローは、メニスカスがオーバーフローに対してエネルギー的に最も有利な形状になった後にのみ生じる。これは、一般的に、毛管圧バリアの接触角と形状によって規定されるようにメニスカスが完全に引き伸ばされた場合である。
【００１２】
図３は毛管圧バリアのちょうど上部で（規定される）ｘｙ方向でのメニスカスの断面を示す。その形状は上部の縁部に沿って調節される直線のように単純化された形状に与えられる。この構成において側壁から離れるメニスカスの圧力へのｘｙの寄与は０である。しかし、メニスカスを前進させるためにｘｙ側面での変形を必要とし、くさびのオーバーフローが生じる必要がある。
【００１３】
図４はオーバーフローのための異なる選択肢を示す。メニスカスのオーバーフローは、側壁５０１から離間し、毛管圧バリアに沿って生じるか、または毛管圧バリアと側壁５０２との間の境界で２つの角部の一において生じる。親水系においては流体がほとんどの表面を湿らせる位置、すなわち最小の角度を備えたくさび形で前進することがエネルギー的に有利である。これはほとんどの場合において毛管圧バリアと側壁との間の境界である。
【００１４】
疑いの回避のために図４における２つの異なる種類のオーバーフローの状態は、一つまたは同一のメニスカスにおいて普通は生じないであろう。それらは、単に節約して図示するために図４における組み合わせにおいて示される。
【００１５】
毛管圧バリアと壁との境界の角の鋭さについても重要なパラメーターである。鋭角の角部は無限に存在するわけではないため、各々の角部はそれどころか半径を有する。特定の理論に全く束縛されずに、出願人はこの半径が大きければ大きいほど、角部がより安定であることを発見した。
【００１６】
図１から図４に開示される例では、側壁を有する角部の半径と角度によってピン止め構造の安定性が変化する可能性があることを示している。また、ｘｙの形状はデザインにおいて最も容易に変化することができ、従って安定性を決定するために使用されるため、上記例は実際のｘｚの頂上部の形状がピン止めの効果に二次的に重要であることをも示している。また、図１−図４に開示される例は、毛管圧バリアのオーバーフローに対してエネルギー的に最も最適化された形状に到達するメニスカスを防止することによってピン止め構造の安定性が向上することを示している。これはメニスカスが伸張することを防止することによってなされることができる。
【００１７】
実際、角度の変化と伸張の防止は、より親水性の高い部屋の構造において疎水性の毛管圧バリアまたはより親水性の少ない毛管圧バリアに対して同じ原理によって働く。
【００１８】
オーバーフローの制御を決定する角度変化の使用は、オーバーフローが生じる位置および２つの調節ラインの間における差分の安定性を規定することに関して国際公開２０１００８６１７９号に開示されている。その概念は、マイクロ流体の回路のルーティンメカニズムを生成することに関してＰＣＴ／ＥＰ２０１２／０５４０５３においてさらに発展している。調節ラインは液体と空気の境界面を導くため、そのような構造がなぜ相ガイドとして言及されているのかがわかるかもしれない。
【００１９】
安定したピン止め構造は、液体の境界を形成するかまたは安定した受動バルブを形成することに対して一番重要である。ＵＳ２００４／０２４１０５１Ａ１ではデバイスを通じる望まれない縁流れを抑制することができるいわゆる「プレシューターストップス」、すなわち導入された流体が流路の中間領域よりも流路の縁に沿ってデバイスを通じてより速く流れることを言及している。詳細に説明されてはおらず、テラスとプレシューターストップスの構造との間の関係は言及または開示されていないけれども。これらプレシューターストップスは一様な充填のためにデバイスに導入されるテラス（階段）における安定効果を有するだろう。
【００２０】
どのような場合においてもＵＳ２００４／０２４１０５１Ａ１における構造は、その位置において流体を維持する目的を備えた流体の輪郭を形成することを意図した、安定した流体の境界を形成するという課題を解決していない。さらに、そのバリアまたは伸張バリアに沿った角度に関して受動ストップ構造の使用の技術において具体的な示唆は全くない。実際、これらのバリアは専らその壁に直行してパターン化されている。ラブチップ１０（５）  ６１０−６１６のブルト等による低分子量のＲＮＡの高効率の抽出のためのマイクロ流体アプローチおよびＷＯ２０１０／０８６１７９号では、「閉じ込め式相ガイド」が関連する体積の壁と１８０度の角度を定める線としてパターン化される液体の形成に使用される。ここに開示される相ガイドは毛管圧バリアとして十分に振舞うことが期待されるかもしれないが、その安定性は側壁が９０度を超えない角度に限定されるか、またはオーバーフローの位置および／または相ガイドの安定性を決定するために鋭いＶ字屈曲または分岐構造の形態において相ガイドに沿って意図的な弱点の位置がどこかに含められる。
【００２１】
広い側面における本発明によれば、移動可能な流体と流体とのメニスカスの形状および／または位置を制御するための装置であって、当該装置は流体を収容し移動させるための体積を有し、当該充填の方向は下流の方向であり、前記メニスカスを含み、前記体積は、前記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１の構造を少なくとも有し、前記毛管圧バリアおよび前記メニスカスは少なくとも２つの下位の体積の間の前記体積内において境界を規定し、
（ａ）前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿う鋭いＶ字状の屈曲または分岐によって供給されるような意図的な弱点の位置を有さない一方で、前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度より大きい角度を両端部で定めることによって安定し、および／または
（ｂ）前記毛管圧は、伸張バリアの不存在の際に前記毛管圧バリアに沿って整列する際の流体と流体とのメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離での伸張バリアを供給することによって安定し、前記伸張バリアは少なくとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成され、および／または
（ｃ）前記毛管圧バリアは一端部で前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と９０度より大きい角度を定めることによって安定し、他端部で前記伸張バリアの不存在の際に前記毛管圧バリアに沿って整列する際に流体と流体とのメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で伸張バリアを供給することによって安定し、前記伸張バリアは少なくとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成される。
【００２２】
本発明の利点は、毛管圧バリアを提供することであり、当該毛管圧バリアの安定性は、前記メニスカスがバリアのオーバーフローに対してエネルギー的に最も有利な状態を獲得することを防止する前記毛管圧バリアに直交する第２のバリアを供給し、壁と９０度より大きい下流の角度を両端部で定めることによって劇的に改善される。本発明は、チャネルのネットワークを通じて多数の液体の境界を案内するだけでなく一以上の液体の境界の形成においても好適に用いられ得る。複数の形状はこのような安定した毛管圧バリアの実用的な実装を可能にすることを開示されるであろう。
【００２３】
（ａ）による毛管圧バリアは、前記毛管圧力バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿った設計した意図的な弱点を有さない。ピン止め能力におけるそのような設計した意図的な弱点は、流体のメニスカスが前記バリアをオーバーフローしそうになる選択的な位置を生じさせるだろう。
【００２４】
一般的に、そのような弱点は、例えばＥＰ-Ａ１-２２１３３６４の例えば図５に提示されているように、前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管バリアにおけるＶ字状の屈曲または前記毛管圧バリアに沿った分岐によって与えられ得る。
【００２５】
ここにいう「壁」の用語は、側壁、頂部、または底部の基板を含むマイクロ流体チャネルの流体に向き合うあらゆる内表面を言及する。
【００２６】
用語である「ルーティング」は、マイクロ流体チャネルの回路の至るところで流体を選択的に移動させることを意味する。
【００２７】
発明の有利で、任意的な特徴は従属請求項に規定される。本発明は、ここに規定される本発明による装置における移動可能な流体と流体とのメニスカスの形状を制御する方法においても存在し、当該方法は前記メニスカスを前記装置の安定した毛管圧バリアに沿って調節させるステップを有する。
【００２８】
これから図面を伴って参照しつつ限定されない例を挙げて本発明の好ましい実施形態の記載を進める。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１はピン止めされたメニスカスとピン止め構造の斜視図である。
【図２】図２は図１の配置のここに記載するように垂直な断面図である。
【図３】図３はここに記載されるように水平な断面図であり、各々オーバーフローの前の状態またはオーバーフローの状態における前記構造とメニスカスの状態を示す。
【図４】図４はここに記載されるように水平な断面図であり、各々オーバーフローの前の状態またはオーバーフローの状態における前記構造とメニスカスの状態を示す。
【図５】図５は毛管圧バリアと壁との間で、９０度より大きい境界の角度を達成するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図６】図６は毛管圧バリアと壁との間で、９０度より大きい境界の角度を達成するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図７】図７は毛管圧バリアと壁との間で、９０度より大きい境界の角度を達成するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図８】図８は毛管圧バリアと壁との間で、９０度より大きい境界の角度を達成するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図９】図９は毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および当該伸張バリアに達する前および達した状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。
【図１０】図１０は毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および当該伸張バリアに達する前および達した状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。
【図１１】図１１は毛管圧バリアと伸張バリアとの間の距離の作用として、毛管圧バリアを破壊するために要求される最大オーバーフロー圧力のシミュレーションを示す。
【図１２】図１２は毛管圧バリアの伸張距離の範囲内で伸張バリアを獲得するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図１３】図１３は毛管圧バリアの伸張距離の範囲内で伸張バリアを獲得するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図１４】図１４は毛管圧バリアの伸張距離の範囲内で伸張バリアを獲得するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。
【図１５】図１５は２つの毛管圧バリアと一つの伸張バリアの両方および前記伸張バリアに到達する状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。
【図１６】図１６は一つの毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および先細りする壁を備えたチャネルの構成において伸張バリアに達する前の状態および達した際の状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。
【図１７】図１７は一つの毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および先細りする壁を備えたチャネルの構成において伸張バリアに達する前の状態および達した際の状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。
【図１８】図１８は本発明による装置の２つの実施形態の水平な断面図を示す。
【図１９】図１９は本発明による装置の２つの実施形態の水平な断面図を示す。
【図２０】図２０は本発明による装置の一つの実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。
【図２１】図２１は本発明による装置の一つの実施形態の水平な断面図を説明する。
【図２２】図２２は本発明による装置の一つの実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。
【図２３】図２３は本発明による装置の一つの実施形態の水平な断面図を説明する。
【図２４】図２４は本発明による装置の一つの実施形態の水平な断面図を説明する。
【図２５】図２５は本発明による一実施形態の充填操作を実演する一連の画像を示す。
【図２６】図２６は本発明による装置の一の実施形態の水平な断面図を説明する。
【図２７】図２７は本発明による装置の一の実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。
【００３０】
図１はピン止めされたメニスカスとピン止め構造の斜視図である。図２は図１の配置のここに記載するように垂直な断面図である。図３、図４はここに記載されるように水平な断面図であり、各々オーバーフローの前の状態またはオーバーフローの状態における前記構造とメニスカスの状態を示す。図５から図８は毛管圧バリアと壁との間で、９０度より大きい境界の角度を達成するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。図９、図１０は毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および当該伸張バリアに達する前および達した状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。図１１は毛管圧バリアと伸張バリアとの間の距離の作用として、毛管圧バリアを破壊するために要求される最大オーバーフロー圧力のシミュレーションを示す。
【００３１】
図１２から図１４は毛管圧バリアの伸張距離の範囲内で伸張バリアを獲得するための様々な実施形態の水平な断面図を示す。図１５は２つの毛管圧バリアと一つの伸張バリアの両方および前記伸張バリアに到達する状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。図１６、図１７は一つの毛管圧バリアと２つの伸張バリアの両方および先細りする壁を備えたチャネルの構成において伸張バリアに達する前の状態および達した際の状態におけるメニスカスを収容する実施形態を示す。図１８、図１９は本発明による装置の２つの実施形態の水平な断面図を示す。図２０は本発明による装置の一つの実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。図２１は本発明による装置の一つの実施形態の水平な断面図を説明する。図２２は本発明による装置の一つの実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。図２３、図２４は本発明による装置の一つの実施形態の水平な断面図を説明する。図２５は本発明による一実施形態の充填操作を実演する一連の画像を示す。図２６は本発明による装置の一の実施形態の水平な断面図を説明する。図２７は本発明による装置の一の実施形態の操作を実演する一連の実験画像を示す。
【００３２】
図５を参照して、相ガイドの（ここで規定するような）下流側において壁１０２に向かう屈曲を導入することによって生成される安定した相ガイドと壁との境界が示される。これは大きな下流の角度α６０１を生じさせる。図５の装置を組み立てる実際の方法はバリアをある極小半径に従って曲げることであるが、この半径はできるだけ大きい方が好ましい。
【００３３】
この書面の図面では最初から最後まで他に言及されていなければ矢印１５４は、検討している特定の毛管圧バリアにとって重要なように、上流から下流への方向を描写する。
【００３４】
他に言及されていなければ、この書面において毛管圧バリアは装置の使用中の底部の基板に存在していると考えられる。毛管圧バリアは使用中の頂部の基板および複数の側壁のひとつにさえ存在していてもよいが、これは必ずしも明らかにそうである必要はない。より一般的な専門用語において毛管圧バリアが存在する基板はバリア基板と言及され、毛管圧バリアが存在する基板と向かい合う基板は対向（カウンター）基板と言及される。
【００３５】
従って図５は安定した毛管圧バリアが、当該安定した毛管圧バリアの下流側において体積の壁と９０度より大きい角度を定める構造を図示する。
【００３６】
前方の屈曲が望まれなければ、壁への充填口７０１が形成されることができ、相ガイドは図６に示すように（規定される下流方向に言及されるように）後方に屈曲されることができる、または存在する側のチャネルは同一の効果を生成するために使用されることができる。したがって、図６の実施形態は本発明に応じて制限されることなく配置を例示し、安定した毛管圧バリアは体積の壁の材料において規定される凹部または溝によって規定され、または当該凹部または溝を含む。
【００３７】
安定した相ガイドと壁との境界を生成するためのより実用的なアプローチは、壁において大きな角度αにおいて相ガイドを終了させることである。これは、例えば相ガイドの縁を傾けることによって、壁を傾けることによって、図７の傾斜した側面を有する体積に伸張する壁の侵入（突起）８０１を形成することによって、または図８に示すように傾斜した側面７０１を備えた壁の充填口を生成することによってなされることができる。図８では体積の壁の傾斜が、体積の主要部から遠ざかる切り込みのタイプで示されている。しかし、体積の壁の材料において傾斜を生成する他の方法は本発明の範囲内である。
【００３８】
さらに、記載した傾斜、突起、および凹部よりも大きな角度を生成する他の方法は本発明の範囲内で可能であると思われる。
【００３９】
ここで提示したアプローチの利点は実用的なものである。一般的に、マイクロ流体の適用における使用の際に、毛管圧バリアは、例えば多層のフォトリソグラフィー工程、フライス工程、分配工程または同様の工程において体積の壁と調節される必要がある。壁に対して毛管圧バリアが大きくシフトしている場合でさえ角度は同じであるけれども、前述のアプローチを使用して、毛管圧バリアの機能性を妨げずに、より大きな整列の不正確さを許容することができる。
【００４０】
また、本発明は移動可能な流体と流体とのメニスカスの形状および／または位置を制御するための装置に関連し、当該装置は流体を収容し移動させるための体積を有し、前記充填の方向は下流の方向であり、前記メニスカスを含み、前記体積は前記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１構造を少なくとも有し、前記毛管圧バリアと前記メニスカスは少なくとも２つのサブボリューム（下位の体積）の間で前記体積内に境界を規定し、前記毛管圧バリアは存在しない状態で毛管圧バリアに沿って整列する際に流体と流体とのメニスカスの最大伸張距離よりも短い距離での伸張バリアを提供することによって安定し、前記伸張バリアは少なくとも一つの方向性のある構成要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成される。
【００４１】
ここで「直交」という用語は、前記毛管圧バリアに直交する方向における体積の表面または壁で供給される伸張バリアの少なくとも一つの構成要素に言及する。毛管圧バリアが底部の基板に存在する一般的な例では、前記伸張バリアの直交する構成要素は、その境界の形状が、毛管圧バリアが存在する基板に直交する少なくとも一つの構成要素に分析できることを意味する。例えば、平面がｚ座標のみによって完全に規定されるよりも、毛管圧バリアがｘｙ方向に伸張する平面における基板にパターン化されている場合である。前記伸張バリアは、前記毛管圧バリアの境界線に対して直交する構成要素を有するためにｘおよび／またはｙ座標によって少なくとも規定される。
【００４２】
伸張バリアは、毛管圧バリアに直交しない他の構成要素を有していてもよい。これは基板に直角に交わる構成要素がある限り、あまり重要ではない。
【００４３】
懸念を回避するために、毛管圧バリアに対して直交する構成要素が伸張バリアについていまだに見つけることができる一方で、毛管圧バリアは直線的でない形状を有していてもよい。
【００４４】
伸張バリアは、一般的に毛管圧バリアと交差する平面、すなわち毛管圧バリアが底部の基板に存在する場合の壁において位置される。平面でないマイクロ流体のチャネルの形状の場合では、直交する構成要素は壁との交差点での毛管圧バリアの一次導関数の方向によって規定される基準ベクトルに向かって直交して引き離された構成要素であるように規定されてもよい。なんらかの特定の論理に束縛されたがらずに、流体と流体とのメニスカスは毛管圧バリアでピン止めされ、伸張の過程で伸張バリアの少なくとも一部において整列し、それにより、伸張バリアが存在せずメニスカスが完全に伸張できた場合と同様に、毛管圧バリアを破壊するためにメニスカスが強制的にエネルギー的に有益でない形状となり、増加した圧力を必要とすると考えられる。この原理はマイクロ流体チャネルのあらゆる形状に有利に適用されてもよい。
【００４５】
図２は単一の流体と流体とのメニスカスの伸張距離を記述する。図２がピン止めバリアに垂直でピン止めバリアの中心を通過する断面を示している一方で図３はメニスカスの平面図を示している。液体と空気のメニスカスの最大伸張距離は、接触線の中点がオーバーフローの開始に相ガイドの縁でピン止めされたままであると仮定して、以下の式によって概算できる。
【００４６】
【数２】
2015530240.tif 000004
【００４７】
ｇはピン止めバリアが存在する基板と対向基板との間の間隔を表し、θ１とθ２は対向基板とピン止めバリアの各々との接触角を表す。毛管圧バリアが伸張バリアに接近して、例えば最大伸張距離よりも短い距離でチャネルの壁の鋭い屈曲にパターン化されると、メニスカスは十分に伸張できず、故に毛管圧バリアを破裂させるために必要なエネルギーを増加させる。
【００４８】
図９、図１０を参照して、流体と流体とのメニスカスがピン止めされた毛管圧バリアと２つの伸張バリアとが示されている。この図に示される伸張バリア９０１は、例えばＴ接点の場合のような、チャネル構造の鋭い屈曲によって表される。図９において流体と流体とのメニスカスは、いまだに２つの伸張バリアと衝突していない一方で伸張の過程において図示されている。図１０において流体と流体とのメニスカスは伸張の間に伸張バリアが到達し、２つの伸張バリア９０１に沿って部分的な整列が生じる位置で図示されている。
【００４９】
図９、図１０においてメニスカスは毛管圧バリア１０５の縁にピン止めされているように図示されている。これは主に図示の目的のためになされている。実際にはメニスカスの境界は、ピン止めされた状態である一方で底部の基板に対して垂直な表面のどこかにあってもよい。
【００５０】
ここでメニスカスは凹型の外形を有して図示しているが、この形状に限定されない。有利にも、本発明による装置は凸状の外形の流体と流体とのメニスカスに対して同様の方法で操作してもよい。
【００５１】
図１１は伸張バリアに対する距離の機能として毛管圧バリアの破壊に必要とされる圧力のシミュレーションを示している。このシミュレーションは図９、図１０に示すものと同様の構造に対してなされたものである。このシミュレーションでは流体に関して毛管圧バリアと側壁の材料とが７０度の接触角を有し、頂部の基板の材料と２０度の接触角を有することが仮定された。さらに、底部の基板から頂部の基板までのチャネルの高さが１２０μｍ、ピン止めバリアと頂部の基板との間の高さが９０μｍ、チャネルの幅が２００μｍとされた。図１１のシミュレーションは毛管圧バリアまで約１００μｍの距離である伸張バリアにとって最も高い圧力が必要であることを示している。あらゆる種類の特定の論理に束縛されずに、我々はこの距離が式（ＩＩ）で計算される伸張バリアの不存在における理論的伸張距離の約半分であると観察する。
【００５２】
図１２は毛管圧バリア１０５の近傍における伸張バリアを達成するための代替的に可能な実施形態を示している。図１２は壁の突起１２１を有するチャネルの平面図を示し、伸張距離の範囲内でパターン化される際に毛管圧バリアに存在する流体と流体とのメニスカスのための伸張バリア９０１を生成する。図１２で描写される実施形態の特に有用な側面は、毛管圧バリアがメニスカスの前進の可能な方向の両方において安定しているということである。
【００５３】
図１３は毛管圧バリアの近傍における伸張バリアを達成するためのさらに別の可能な実施形態を示す。この場合においてチャネルの壁内への突起１３１は伸張バリアとしてふるまう可能性がある鋭い屈曲を生成する。
【００５４】
図１４は図９、図１０における実施形態を示し、２つの伸張バリア９０１は２つのチャネルの壁の曲げによって生成される。
【００５５】
図１５は特に安定した毛管圧バリアの異なる種類を示す。この図において描写されるバリアの構成は２つの毛管圧バリア１０５と、一つの伸張バリア９０１とからなる。この場合において毛管圧バリアはチャネルの側壁１０２に存在し、チャネルの壁の鋭い屈曲の形態を有する。この例における伸張バリア９０１は体積の中への底部の基板の突起としてパターン化されている。図１５の例は、図９、図１０、図１２、図１３、および図１４の例が２つの伸張バリアを必要としている一方で、２つの毛管圧バリアを必要としている。図９から図１４の例における複数の伸張バリアの一つの不存在または図１５の例における２つの毛管圧バリアの一つの不存在は、伸長バリアなしで毛管圧バリアよりも高い安定性の圧力バリアの構成を明確に生み出し、それ故に本発明の一部である。
【００５６】
当業者は、図９から図１４の例における伸張バリアのひとつが不存在であってもよく、代わりに壁と毛管圧バリアとの間の境界の角度がメニスカスの前進に対して下流側で９０度より大きく存在していてもよいと理解するだろう。これもさらに特定の安定性の毛管圧バリアを生み出し、それゆえに本発明の一部になるであろう。
【００５７】
図１、図２、図９、図１０、および図１５では毛管圧バリアが縁または屈曲の形態におけるピン止め構造として描写されている。これらの場合にとってのメニスカスは、縁の垂直に方向付けられた下流の側壁に沿って縁またはどこかでピン止めされた状態に至る。この実施は発明の一実施形態の一例のみを表し、これによって決して拘束されない。反対に毛管圧バリアは疎水性パッチまたは大きくより親水性のあるチャネルの中で親水性の小さなパッチとして生成してもよい。この場合においてしかしながら、流体と流体とのメニスカスはパッチの上流側でピン止めされ、または整列される。
【００５８】
同様の原理は伸張バリアに適用される。これらのバリアは、屈曲、突起、または充填口として図９、図１０、図１２、図１３、図１４、および図１５に描写されているが、同様に疎水性パッチまたは大きなより親水性のあるチャネルにおける親水性の小さなパッチから構成してもよい。
【００５９】
上記形状に基づく毛管圧バリアは、メーカーの観点からのように、ある場合において疎水性または親水性の小さなパッチについて有益であってもよく、ピン止めバリアは毛管圧バリアが存在する材料と同一の材料から構成することができる。これは全体の構造が一つの材料のみからできることを意味し、装置の製造過程をより易くすることに潜在的につながる。
【００６０】
図１、図２、図９、図１０および図１５では側壁の外形が底部の基板に垂直であるように描写されている。これは当該技術において一直線の側壁としても言及されている。これは典型的な実施形態にすぎず、決して本発明の限定というわけではない。それどころか、側壁の外形は、頂部の基板に対して９０度ずれたある角度を有することもありうる。たとえば、複製の成形やエンボスの方策を考える際にマスターから装置を解放するために解放角が必要とされる。この解放角は該当する技術では抜き勾配と言及され、一般的にはマスターから装置からの解放を容易にする方向において９０度から２度〜１０度の範囲でずれている。該当する技術やこの書面においてこれはプラスの抜き勾配と言及する。
【００６１】
この抜き勾配は決してプラスである必要はない。それどころかフォトリソグラフィー（写真平板）の過程では、側壁は突き出るような外形を有することも有り得、マイナスの抜き勾配と言及される。一般的にネガのフォトレジストはマイナスの抜き勾配を有する。そのようなネガのフォトレジストの例はＴＭＭＦやＴＭＭＲのフォトレジスト、およびネガティブフォトレジストに基づく類似のエポキシかアクリルと同様にＳＵ−８やドライフィルムフォトレジストＯｒｄｙｌ  ＳＹシリーズ（ＳＹ３００、ＳＹ５５０、およびＳＹ１２０を有する）である。前述したフォトレジストはパーマネントフォトレジストであり、それ故に毛管圧バリアや伸張バリアと同様にチャネル構造を生成するために使用されることができる。上述したフォトレジストが全ての場合においてマイナスの抜き勾配を生み出すというわけではない。ある方法ではそれらの加工の際にプラスの抜き勾配を達成することもありうる。
【００６２】
図１６は、毛管圧バリア１０５が疎水性または周囲のチャネル材料に比べてより少ない親水性であり得るパッチからなる可能な実施形態の例を示す。この例においてパッチはチャネルの頂部の面にパターン化されている。この例ではチャネル構造の側壁１０２はチャネル構造の底部の面に対してプラスの抜き勾配をさらに有する。それにもかかわらず、図１６、図１７における実施形態のプラスの抜き勾配は特定の安定性の実用的な毛管圧バリアを生み出しうる。
【００６３】
図１６、図１７の実施形態では、この例において伸張バリアは実際のバリア能力を有する。このバリア能力は、関連する材料の様々な接触角と同様にとりわけバリアラインと反対の基板（ここでの底部の基板）との間の角度によって決定される。バリアとしての役割を果たすために、図１７におけるγ１７１として描画される角度は臨界角γよりも大きい必要があり、Ｃｏｎｃｕｓ（コンカス）−Ｆｉｎｎ（フィン）の定理（ＩＩＩ）によっておよそ以下のように与えられる。
【００６４】
【数３】
2015530240.tif 000005
【００６５】
ここでθ１とθ２は伸張バリアの材料と反対の基板の材料の各々との接触角である。
【００６６】
安定した毛管圧バリアの使用の例は、隣同士の液体の積層とゲルのパターニングにおいて生じる。これを達成するための好ましい実施形態は図１８に示されている。その図では充填方向１５４に対して各々下流１０６および上流１０７にある２つの下位の体積を示している。その体積は、相ガイドの下流側において体積の壁１０２と９０度より大きい角度６０１で体積の壁１０２と交差する相ガイド１０５によって体積１５２の内部で分離されたレーンの形態にある。各々のレーンは充填口１０８と排出口１０９とをさらに有し、そのうちの一つは記載された本実施形態において任意的である。第１レーン１０７は、マイクロ流体の技術における当業者によく知られた任意の様々な方法において別の物質と架橋若しくは反応するかまたは別の物質によって反応を引き起こすことを目的とするゲルで充填されてもよい。ゲル化の後に第２レーン１０６は別のゲルまたは流体によって充填されてもよい。
【００６７】
この配置は２つのレーンの間の分子の交換が主にゲルを通じた拡散または格子間流れによって生じるという利点がある。また、一方のレーンにおける流体は他方のレーンが動かない状態で維持されていることが望まれている一方で動作中の状態であることができる。また、そのような構造の具体的な適用は、セルがゲルの中で懸濁され、隣接する栄養素の流れと共にかん流される培養装置を含んでもよい。
【００６８】
同様の配置は、一つの充填口１０８のみが第１体積１０７に接続され、図１８の排出口１０９が省略されている図１９に示される。図２０は流体を備えた体積１０７の充填を実演する一連の画像を示している。この構造は体積１０７にゲルをパターン化したり、場合によってセルや他の物質を収納したりすることに対して特に有用である。ゲルのゲル化の後に下流の体積１０６は第２の流体を加えるために使用されてもよい。この第２の流体は例えば体積１０７の内部にセルのための栄養素を収容してもよいが、特定の薬や毒性物のような抗原投与の化合物を収容してもよい。体積１０６内の流体は静止している状態と同様に流れていてもよい。特定の安定性の毛管圧バリア１０５は例えばピペットのような従来の分配ツールを使用するゲルのパターン化を許容するため、図１９、図２０の構造は、本発明の特に重要な実現の形態である。毛管圧バリアは固有の安定性ではないため、バリアの破壊とそれに続く下流の体積１０６の濡れを抑制するために、体積１０７内のゲルは極めて注意して分配されるべきである。毛管圧バリアと壁との間の大きな境界の角度は毛管圧バリアを破壊するリスクを減少させ、それ故に図１９、図２０に描写される装置をはるかに堅牢に使用させる。図１９および図２０の実施形態では、第２体積１０６がまっすぐなチャネルである一方で、体積１０７は屈曲１９１を収納するチャネルを通じて対処される。これは一つの線上に図２０において３つの境界の穴２０１ａ−ｃを有してなされる。しかし、一以上の屈曲を構成する第２体積を有し、３つのアクセス穴が互いに直線状に位置される一方で、まっすぐなチャネルに第１流体をパターン化することが有益であってもよい。
【００６９】
図２１および図２２は、さらなる別の実施形態と各々操作を実演する実験的に得られた一連の画像を示す。第３レーン１０７ａが加えられている。また、第２レーン１０６と第３レーン１０７ａは、毛管圧バリアと中心のレーンに向かう壁との間で安定した境界の角度（すなわち９０度より大きい角度）を備えた毛管圧バリア１０５ａによって分離されている。各々のレーン１０６、１０７、１０７ａは充填口を有する。３つのレーンのうちの少なくとも一つは排出口を有する。図２１および図２２に示す実施形態では、２つの各々の流体が体積１０７、１０７ａに導入され、固有の安定性の毛管圧バリア１０５、１０５aに各々ピン止めされてもよい。この配置は、相互に作用することが意図または期待される物質を収納する２つのゲルをパターン化する際に特に有用である。そのような物質は細胞、バクテリア、または分子化合物であり得るが、限定されるわけではない。ゲル化の際に中央のレーンは第３の流体を挿入するために使用されることができる。例えば、中央のレーンが静的な状態すなわち立位か、または動的すなわち活発な流れのいずれかに存在する流体を収納する一方で、２つの上流の体積は、例えば細胞型などの特定の生体物質を含むゲルを収納することができる。図２１および図２２に示される実施形態は、流体によって分離される細胞または組織の間における相互作用を研究するために特に使用される。
【００７０】
図２１および図２２において２つの上流の体積１０７、１０７ａは互いに向かい合っている。これはその場合に必ずしも必要とされるわけではない。これらの体積は互いに位置を変えてもよい。これは、第２ゲルに存在する種、細胞、分子との相互作用を研究するために細胞間相互作用が研究され、老廃物が第２体積に向かって中央のレーンに注入される流体によって運ばれる場合に特に有用であり得る。
【００７１】
図２１および図２２では、壁と毛管圧バリアとの間で大きな境界の角度６０１を備えた２つの毛管圧バリア１０５、１０５ａの下流側が中央のレーンに向かっている。これは、毛管圧バリアの特定の安定性を利用するために、図２１および図２２の例において体積１０７、１０７ａが最初に充填されているように、充填の順番を決定する。実施形態のデザインは、毛管圧バリアの安定側が逆転し、中央レーンが最初に充填されるように明らかに修正されることができる。
【００７２】
図２３は同様の目的のために使用できるさらなる別の実施形態を示している。図２３において２つの下位の体積はおよそｎ字状の相ガイド１０５によって規定されている。３つの充填口および／または排出口の導管１０８、１０９は一以上の下位の体積の端部を図示された体積の外側に接続されてもよい。
【００７３】
図１８、図１９、図２１、および図２３では図示されているものと同じレーンが形成されてもよくまたは形成されなくてもよい、ほぼあらゆる数のさらなる下位の体積が適用によって必要とされるように付加することができる。さらに、下位の体積の充填において生じる流体の個々の本体の長さ、幅、形状は、事実上要求された配置に適合されてもよい。
【００７４】
図１８、図１９、図２１、図２３では毛管圧バリアが全てパターン化、すなわち「パターニング」が９０度以上の安定した壁の角度を含めるために毛管圧バリアまたはより具体的には相ガイドのデザインの分野において熟練した読み手には広く認められた用語を表すように規定されている。図１８、図２３では当該角度は、傾斜の近傍における壁の材料に対してチャネルの壁またはその一部に傾斜または曲がりを含めることによって達成される。図１９、図２１では壁に向かう毛管圧バリアの屈曲は大きな下流の角度につながる。
【００７５】
しかし、図５、図６、図７、図８、図１２、図１３、図１４の配置のいずれもが図１８、図１９、図２１、図２３の配置に適用することができる。また、図５、図６、図７、図８、図１２、図１３、および図１４に描写された配置の組み合わせのいずれもが特定の安定性の毛管圧バリアを有する端部に最終的に使用されてもよい。
【００７６】
図２４では所定の形状分布において他方に一方が隣接する２つの液体を積層することに使用できる一般的な配置が示されている。当該配置は、２つの充填口１０８とひとつの排出口または排気口１０９を含んでいる。安定した毛管圧バリア（相ガイド）１０５は、体積または部屋の一部を形成する第１の下位の体積１０７において第１液体を安定して閉じ込めるために使用される。
【００７７】
第２液体は部屋の下位の体積１０６または第２の部分を充填するために挿入されてもよい。このステップは、第２の毛管圧バリア１１０のオーバーフローによって続いて起こり、その後、２つの液体を接続し、２つの毛管圧バリア１０５、１１０の間に存在する空間１１１に充填してもよい。
【００７８】
図２４において安定した毛管圧バリア１０５は、毛管圧バリアと壁との間で９０度よりも大きい安定した境界の角度を有する。第１の毛管圧バリア１０５の一の安定した壁の角度は部屋への壁のＶ字型の突起８０１によって実現され、第２は出口のチャネルに方向付けられた毛管圧バリア１１２の屈曲によって実現される。言及された特定の安定性の毛管圧バリアを生成するこの様々な方法は、本発明の範囲内における多くの可能性のいくらかを純粋に図示するために示している。本発明の一および同一の実施形態において規定したように、特定の安定性の毛管圧バリアを生成する２つの同様または同一の手段を採用することも同様に可能である。
【００７９】
言い換えれば、毛管圧バリアと壁との間の安定した境界の角度は、上述した配置や組み合わせのいずれかによって実現することができる。
【００８０】
第２の毛管圧バリアは、ＷＯ２０１０／０８６１７９号およびＰＣＴ／ＥＰ２０１２／０５４０５３号で専ら記載されているように、意図的な弱点１１３の位置１１３の包含によって統制され、流体によって好ましくは流されるようにデザインされている。この文脈において「弱点」は、毛管圧バリアを超えて流れるために液体に引きおこされる可能性がある容易さ又は困難性について言及している。
【００８１】
安定した毛管圧バリアの使用の他の例は、チャネルおよび部屋の複合ネットワークの充填および空にすることに現れる。これを達成するための典型的な実施形態は図２５に示されている。ここで第１の上流チャネル１０８は、第２の上流チャネル１０８ａおよび下流チャネル１０９と一般的なＴ字の接合形状において交わっている。
【００８２】
第１の上流チャネルは、特定の安定性の毛管圧バリア１０５によって結ばれている。第１の上流チャネル１０８を第１流体１０３で充填する際に、そのメニスカスは毛管圧バリア１０５上にピン止めされた状態になる。第２の上流チャネル１０８ａに第２流体１０３ａを充填する際に２つのメニスカスが接触し、これにより２つのメニスカスが一つのメニスカスに交わり、第１の流体のメニスカスのピン止めされた状態が緩和される。交わったメニスカスはその後下流の方向にさらに前進する。
【００８３】
図２６は１４の部屋の配置を示している。その構造は、図２５に描写されている実施形態と同様に、特定の安定性の毛管圧バリア１０５ｂ−ｎによって結ばれた１３の部屋２６１ｂ〜ｎを含んでいる。第１の部屋２６１ａは、９０度の角度を備えた境界の角度を有する毛管圧バリアから得られるように、特定の安定性でない毛管圧バリア２６２によって結ばれている。
【００８４】
チャネルネットワークは、様々な毛管圧バリアを備えた別のチャネル２６３を含んでいる。この例ではこのチャネルもそのバリアも考慮されていない。チャネルネットワークはそれら複数の部屋に関して上流の毛管圧バリア２６４ａ−ｍもまた含んでいる。これらの毛管圧バリアは特定の安定性ではなく、それら複数の部屋の順次的な充填を保証することを意図している。
【００８５】
図２７は、図２６の１４の部屋の配置の充填過程を描写する実験的に得られた一連の画像である。全ての部屋２６１ａ−ｎに流体を充填する際には、特定の安定性でない毛管圧バリア２６２は破壊され、前進するメニスカスは特定の安定性でない毛管圧バリアから下流に位置する安定した毛管圧バリア１０５ｂ−ｎにピン止めされたメニスカス１０４ｂ−ｎと順番に交わる。図２５および図２６における特定の安定性の毛管圧バリア１０５ｂ−ｎは９０度より大きい安定した壁の角度を含む。同様の機能性が伸張バリアの支援と共に特定の安定性の毛管圧バリアを含むことによって得られるのは疑う余地がない。実際、図５、図６、図７、図８、図１２、図１３、および図１４の配置のいずれもが図２５および図２６の結果を得るために適用されることができる。また、図５、図６、図７、図８、図１２、図１３および図１４に描写された配置のあらゆる組み合わせは特定の安定性の毛管圧バリアを最終的に有する端部に使用され得る。例えば、伸張バリアが壁の鋭い屈曲の伸張距離の範囲内に設けられる一方で、毛管圧バリアの一側面は向かい合う壁と大きな角度で関連することができる。明らかに２つの原則の組み合わせは特に好ましく、すなわち大きな下流の角度を備えた、鋭い屈曲のような直交する構成要素を有する伸張バリアの伸張距離の範囲内のバリアと壁との境界の整列である。
【００８６】
毛管圧バリア１０５に対する図２７における毛管圧バリア２６２の選択的オーバーフローは、異なる安定性の複合の毛管圧バリアによる液体の経路指定の例である。異なる安定性、すなわち、ひとつのバリアは角度のバリエーションによって得られる別のものよりも安定している。この原理は、ＷＯ２０１００８６１７９およびＰＣＴ／ＥＰ２０１２／０５４０５３に専ら記載されている。図１１のシミュレーションは、バリアの安定性のバリエーションが毛管圧バリアと伸張バリアとの間の距離のバリエーションによっても得られることを示している。これは、バリアの安定性に対するパラメーターとしてそれらの間で距離を備えた毛管圧バリアおよび伸張バリアの組み合わせを使用する液体の経路指定の目的のために使用され得る異なった安定性を可能にする。毛管圧バリアと伸張バリアとの間の距離の違いによって互いに異なった安定性を有する２つ以上の毛管圧バリアが存在するあらゆる実施形態は本発明の一部である。
【００８７】
伸張バリアによって安定した少なくとも１つ以上の毛管圧バリアおよび伸張バリアによって安定していない一つの第２毛管圧バリアによって互いに異なった安定性を有する２つ以上の毛管圧バリアが存在する実施形態もまた本発明の一部である。
【００８８】
一般的にそのようなネットワークの充填はピン止めされた様々なメニスカスの間で大きな圧力差をもたらす際に、複合のチャネルと部屋のネットワークの充填における特定の安定性の毛管圧バリアの使用は特に有利である。大きなチャネルの長さは大きな流体力学的抵抗につながる。そのようなチャネルに円滑に充填するために必要な圧力を適用するためには、そのチャネルから上流に位置する特定の毛管圧バリアを破壊しない一方で、特定の安定性である毛管圧バリアを必要とする。
【００８９】
典型的な相ガイドは、メニスカスの前進の２つの方向に対して毛管圧バリアを生成する、体積または部屋の主要部への材料の突起である。しかし、ピン止めはプラトー（台）の端においても実現することができ、プラトーの端において毛管圧バリアはその後メニスカスの前進の一方向について存在する。さらに、材料に形成される例えば溝などの凹部はピン止め形状として使用されることもできる。
【００９０】
プラトーに対する体積または溝への突起の利点は、部屋とチャネルの高さが部屋とチャネルのネットワーク全体を通じて（毛管圧バリア自体の位置を除いて）同じに留まる、ということである。
【００９１】
そのような毛管圧バリアを生成するために使用されうる材料の範囲はとても広く、ＰＤＭＳ、ポリアクリルアミド、ＣＯＣ、ポリスチレン、アクリル樹脂材料、エポキシ材料、フォトレジスト、シリコン、および多くの他のものを含む。これらの材料は一体となってまたは組み合わせとして使用されることができる。
【００９２】
相ガイドの典型的な実現は、親水性の頂部の基板、すなわちガラス、および比較的親水性でないピン止めバリア、すなわちプラスチックやフォトレジストのようなポリマーを使用する。
【００９３】
別の毛管圧バリアは、周囲の材料に対してより低い濡れ性を有する材料の列であることができる。また、この場合において列は毛管圧バリアとして機能し、整列状態でのその安定性は壁の角度によって決定される。そのような列はテフロン（登録商標）のような疎水性の材料、およびＳＵ−８フォトレジストのようなまだ親水性の領域にある材料であってもよい。
【００９４】
毛管効果は、相ガイドと対向する基板との間の距離が小さいときに最も効果的である。一般的にこの距離は１ｍｍ未満であり、好ましくは５００μｍ以下である。実際に我々は２００μｍ未満の距離を使用する。
【００９５】
突起のバリアは、対向する基板と側壁の角度（図２におけるα）が９０度に接近し、９０度に等しい、または９０度よりも大きい際に安定した毛管圧バリアとして最も効果的に機能する。実際のところ、フライス削りや射出成形のようなプラスチック加工を使用する際には、側壁の輪郭は９０度未満の角度αを表す抜き勾配を有するであろう。射出成形における取り外しのための一般的な抜き勾配の角度は６度から８度の間であり、各々８４度と８２度につながる。安定したピン止めバリアのために抜き勾配をできるだけ小さく維持する（換言すればαをできるだけ大きく維持する）ことは重要である。
【００９６】
これの具体的な実際の適用は、図１８、図１９、図２１、および図２３に示すように、一般的な種類のマルチレーン（できれば上記したものより多くのレーンを含む）のマイクロチャンバーにおいてゲルにおけるセルのパターニングである。反応器は、安定したピン止め状態においてゲルと共に第１レーンの選択的な充填を許容する端点を楔形状に仕上げた複数の充填口チャネルを有する。
【００９７】
第２レーンは、栄養素のかん流および代謝産物の輸送のために使用されてもよい。第３レーンは、付加的なセルのタイプを備えた共培養のための、またはゲルを横切る濃度勾配のような勾配を生成するために異なった組成を有するかん流流れを付加するために第１レーンにおけるセルに影響を与え得る試薬やプロテイン、他の物質のような抗原投与を付加するために使用されうる。
【００９８】
この文書における毛管圧バリアは大部分が直線として図示されている。これはそのようであることを必要としない。実際、毛管圧バリアはどのような形状であってもよい。本発明の最も一般的な適用は、水性液体と空気との間の安定した境界を生成することであるが、本発明はまた、安定したメニスカス、すなわち２つの流体が混合しない、あらゆる流体と流体の構成のために使用されてもよい。例は、あらゆるガスと液体、または油と水との境界を含む。
【００９９】
ここに記載した装置の様々な使用は、ここで規定または記載した本発明による装置における移動可能な流体と流体のメニスカスの形状をコントロールする方法を意味し、当該方法は装置の安定した毛管圧バリアに沿ってメニスカスを整列させるステップを有する。ゲルの場合においてゲルのパターニングは、ゲル化の前、すなわちゲルが流体である際に生じる。
【０１００】
この明細書において前に公開された文書のリストまたは考察は、必ずしもその文書が最先端の技術またはありふれた一般的な知識の一部であることを肯定するものとすべきではない。
【図１】
2015530240.tif 000007
【図２】
2015530240.tif 000008
【図３】
2015530240.tif 000009
【図４】
2015530240.tif 000010
【図５】
2015530240.tif 000011
【図６】
2015530240.tif 000012
【図７】
2015530240.tif 000013
【図８】
2015530240.tif 000014
【図９】
2015530240.tif 000015
【図１０】
2015530240.tif 000016
【図１１】
2015530240.tif 000017
【図１２】
2015530240.tif 000018
【図１３】
2015530240.tif 000019
【図１４】
2015530240.tif 000020
【図１５】
2015530240.tif 000021
【図１６】
2015530240.tif 000022
【図１７】
2015530240.tif 000023
【図１８】
2015530240.tif 000024
【図１９】
2015530240.tif 000025
【図２０】
2015530240.tif 000026
【図２１】
2015530240.tif 000027
【図２２】
2015530240.tif 000028
【図２３】
2015530240.tif 000029
【図２４】
2015530240.tif 000030
【図２５】
2015530240.tif 000031
【図２６】
2015530240.tif 000032
【図２７】
2015530240.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月15日(2015.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な流体と流体のメニスカスの形状および／または位置を制御するための装置
であって、当該装置は流体を収容し移動させるための体積を有し、前記充填の方向は下流
方向であり、前記メニスカスを含み、  
前記体積は前記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１の構造を
少なくとも有し、前記体積は前記側壁または前記頂部若しくは前記底部の基板を含む流体
と向かい合う内壁を有するマイクロ流体チャネルであり、前記毛管圧バリアおよび前記メ
ニスカスは少なくとも２つの下位の体積の間の前記体積内において境界を規定し、  
（ａ）前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿う意図的な流体の整
列の弱点を供給しない一方で、前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において
前記体積の壁と前記毛管圧バリアと壁との境界で９０度より大きい角度を両端部で定 め
、および／または  
（ｂ）前記伸張バリアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させた際における
前記流体と流体のメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で伸張バリアが設けられ、
（ｃ）前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と前記前記
毛管圧バリアと壁との境界で９０度より大きい角度を一端部で定め、他端部で前記伸張バ
リアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させた際の前記流体と流体とのメニ
スカスの最大の伸張距離よりも短い距離で前記伸張バリアが設けられ、前記伸張バリアは
少なくとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに直交するように形成される装置。 
【請求項２】
前記体積は、
（ｃ）前記下位の体積への少なくとも２つの各々の流体の少なくとも一つの充填のための
少なくとも２つの流体の充填口と、
（ｄ）前記下位の体積の少なくとも一つから流体を除去するための少なくとも一つの流体
の排出口を含み、充填方向における流体の流れの方向は下流の方向である請求項１に記載
の装置。
【請求項３】
前記毛管圧バリアは、
ｉ）前記体積の壁の材料において規定される溝または凹部
ｉｉ）前記体積の壁から前記体積への突起および／または
ｉｉｉ）ラインに近接する前記壁の前記材料よりも濡れ性が低い前記体積の前記壁の材料
内または材料上において規定されるライン
によって規定されるかまたはｉ）〜ｉｉｉ）を一以上含む請求項１または２に記載の装置
。
【請求項４】
前記伸張バリアは、
ｉｖ）前記体積の壁の前記材料において規定される凹部または溝
ｖ）前記体積の壁から前記体積内への突起
ｖｉ）さらなるチャネルまたは容器へ開口する屈曲または凹部
ｖｉｉ）ラインに近接する前記壁の前記材料よりも濡れ性が低い前記体積の壁の材料内ま
たは材料上において規定されるライン、
で規定されるか、またはｉｖ）〜ｖｉｉ）の一以上を含む前記請求項のいずれか１項に記
載の装置。
【請求項５】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は、前記毛管圧バリアと前記壁との交差部に
おいて少なくとも１μｍ、好ましくは少なくとも１０μｍの半径を規定するために前記体
積の壁との前記交差部の近傍において曲がった形状を有する前記請求項のいずれかに記載
の装置。
【請求項６】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は前記体積の壁と交差し、結果として生じる
交差部の近傍において直線形状であるいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項７】
前記毛管圧バリアの少なくとも一つの端部は前記体積の壁と交差し、周囲の前記壁に対
して傾斜される前記壁の一部を規定し、結果として生じる交差部の近傍において凹部を規
定する、および／または前記壁から前記体積への突起を規定するいずれかの前記請求項に
記載の装置。
【請求項８】
前記凹部は、前記体積の壁において規定されるチャネル若しくは充填口である、または
前記チャネルもしくは前記充填口を含む請求項３〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記突起は、楔形状および／または三角部分を含む請求項３〜８のいずれか１項に記載
の装置。
【請求項１０】
前記伸張バリアは、前記壁の屈曲を有する前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記壁の前記屈曲は、少なくとも９０度の角度を超えて前記チャネルの外方に屈曲する
請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記伸張バリアは、前記伸張バリアが存在しない際の前記流体と流体のメニスカスの前
記伸張距離の半分または半分未満の距離において前記毛管圧バリアに対して位置する前記
請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
前記最大伸張距離ｄｓは以下の式（ＩＩ）によって規定され、
【数１】
2015530240.tif 000034
前記ｇは、前記第１毛管圧バリアが設けられる前記第１基板と、前記第１毛管圧バリア
が設けられる前記基板と向かい合う前記第２基板との間の距離を表し、前記θ１は前記第
１毛管圧バリアと向かい合う前記基板と前記流体との接触角を表し、前記θ２は前記毛管
圧バリアの材料と前記流体との接触角を表す、前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１毛管圧バリアは前記底部の基板に設けられ、少なくとも一つの前記伸張バリア
が前記チャネルの側壁に設けられる前記請求項のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアを有し、前記第１毛管圧バリアはチャネルのネ
ットワークを通じて流体のルーティング回路の一部である前記請求項のいずれか１項に記
載の装置。
【請求項１６】
前記第１毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアから与えられた第１距離で伸張バリアによ
って安定し、
ａ）前記少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアは、前記第１毛管圧バリアと前記伸張バ
リアとの間の前記第１距離と異なる、前記一つの付加的な毛管圧バリアから与えられた第
２距離で伸張バリアによって安定し、または
ｂ）前記少なくとも一つの付加的な毛管圧バリアが伸張バリアによって安定していない請
求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記体積は、頂点を含むＹ形状の合流点を一般的に規定する少なくとも２つの流体の充
填口および／または排出口を含み、前記毛管圧バリアは前記頂点からオフセットした位置
で前記体積の壁とオフセットした交差部を規定するいずれかの前記請求項に記載の装置。
【請求項１８】
親水性の頂部の基板と、より親水性の少ない毛管圧バリアとを含むいずれかの前記請求
項に記載の装置。
【請求項１９】
前記親水性の頂部の基板はケイ酸塩ガラスであるか、またはケイ酸塩ガラスを含み、前
記より親水性の少ない毛管圧バリアはポリマー材料であるか、またはポリマー材料を含む
請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記毛管圧バリアおよび／または前記伸張バリアはコンカス‐フィンの定理によって規
定されるように側壁と臨界角より大きい角度を定めるいずれかの前記請求項に記載の装置
。
【請求項２１】
いずれかの前記請求項に記載の装置において移動可能な流体と流体のメニスカスの形状
および／または位置を制御する方法であって、前記方法は前記装置の前記毛管圧バリアに
沿って前記メニスカスを整列させるステップを有する方法。
【請求項２２】
前記メニスカスを前記伸張バリアと少なくとも一部において整列させることをさらに有
し、それにより二重に整列したメニスカスを形成する請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記メニスカスの形状はゲルとさらなる流体との間で制御され、前記メニスカスを前記
毛管圧バリアに沿って整列させるステップは前記ゲルのゲル化が生じる前に起こる請求項
２１または２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記請求項のいずれか１項に記載の一以上の装置をさらに有し、多数のマイクロ流体チ
ャネルを有するマイクロ流体回路。
【請求項２５】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置または流体の方向を持った経路指定のため
の請求項２４による回路の使用。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
広い側面における本発明によれば、移動可能な流体と流体のメニスカスの形状および／
または位置を制御するための装置であって、当該装置は流体を収容し移動させるための体
積を有し、前記充填の方向は下流の方向であり、前記メニスカスを含み、前記体積は、前
記メニスカスが整列する傾向のある毛管圧バリアを規定する第１の構造を少なくとも有し
、前記体積は前記側壁または前記頂部若しくは前記底部の基板を含む流体と向かい合う内
壁を有するマイクロ流体チャネルであり、前記毛管圧バリアおよび前記メニスカスは少な
くとも２つの下位の体積の間の前記体積内において境界を規定し、
（ａ）前記毛管圧バリアの安定性を減少させる前記毛管圧バリアに沿う意図的な流体の整
列の弱点を供給しない一方で、前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において
前記体積の壁と前記毛管圧バリアと壁との境界で９０度より大きい角度を両端部で定め、
および／または
（ｂ）前記伸張バリアの不存在の際に前記毛管圧バリアに沿って整列する際の流体と流体
のメニスカスの最大の伸張距離よりも短い距離で伸張バリアが設けられ、
（ｃ）前記毛管圧バリアは、前記毛管圧バリアの下流側において前記体積の壁と前記前記
毛管圧バリアと壁との境界で９０度より大きい角度を一端部で定め、他端部で前記伸張バ
リアの存在しない際に前記毛管圧バリアに沿って整列させた際の前記流体と流体とのメニ
スカスの最大の伸張距離よりも短い距離で伸張バリアが設けられ、前記伸張バリアは少な
くとも一つの方向要素が前記毛管圧バリアに対して直交するように形成される。
【国際調査報告】
2015530240.tif 000035
2015530240.tif 000036
2015530240.tif 000037
2015530240.tif 000038