(57)【要約】本発明は、最初に流体伝達に分離される二つの微量流体構成部品を置くことにより、流量を調整する微量流体回路に向けられている。その二つの構成部品が接続された時間、及び、そのような流体伝達の位置の両方とも任意であり、外部で定めることができる。従って、本発明は、有限数の好ましくは不可逆バルブを説明しており、それらの全ては、最初は閉じた状態であるが、任意の時間において、かつ任意の順番で開くことができる。
2006508790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第一の流体構成部品を備える第一の基板、
前記第一の流体構成部品に対応する複数の第二の流体構成部品を備える第二の基板、
前記複数の第一の流体構成部品を、前記複数の第二の流体構成部品から分離する材料層、及び、
前記複数の第一の流体構成部品、及び前記複数の第二の流体構成部品からの少なくとも一対の対応する流体構成部品間に置かれた前記層の一部に対応する位置において、前記材料層上に向けるための選択された電磁輻射を生成するための電磁生成手段、
を備え、前記選択された電磁輻射が、少なくとも一対の流体構成部品間の流体伝導を可能にする前記位置において、前記材料層の穿孔を生じさせる
ことを特徴とする、流体を処理するための装置。
【請求項２】
前記材料層の穿孔を裏付ける、前記電磁生成手段への光フィードバックを生成するためのフィードバック生成手段、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記位置が任意であり、かつ定められるものである
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項４】
前記選択された電磁輻射が、赤外線、可視光、及び紫外線のスペクトルから構成される群より選択される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項５】
前記電磁輻射生成手段が、レーザー、コンパクトディスクドライブピックアップ、及びデジタルビデオディスクドライブピックアップから構成される群より選択される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項６】
前記材料層が、約0.5μMから約100μMの厚さを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項７】
前記材料層が、ポリマー箔、及び金属箔から構成される群より選択される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項８】
前記材料層が、ポリマー、共重合体、モノマー、金属、蝋、多糖類、及び液晶ポリマーから構成される群より選択された材料から形成された箔である
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項９】
前記材料層が、染料を充填した高分子材料で形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１０】
前記染料が、前記選択された電磁輻射に実質的に適合する光学特性を有する
ことを特徴とする請求項9に記載の装置。
【請求項１１】
前記材料層が、前記選択された電磁輻射を実質的に吸収するように処理され、前記処理が、染料充填、化学表面処理、化学薬品充填、光学インターフェース、及び光学偏光から構成される群より選択される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１２】
前記材料層が、選択吸収特性を持つ複数の層で形成され、かつ、前記吸収特性が、前記選択された輻射に反応する
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１３】
前記材料層が、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、ポリスチレン(PS)、酢酸エチルビニル(EVA)、及びポリエチレンナフタレート(PEN)から構成される群より選択された高分子材料で形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１４】
前記第一及び第二の基板は、前記装置の回転が、一又はそれ以上の前記第一及び第二の流体構成部品内に収容された流体に対する求心力を生み出すディスクの形であり、前記求心力が、流体を外径位置まで動かす
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１５】
前記基板材料が、ポリマー、モノマー、共重合体、樹脂、セラミック、ガラス、水晶、及びシリコンから構成される群から選択された
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１６】
前記第一及び第二の基板が、レンズ、鏡、及びプリズムから構成される群より選択された光学構成部品をさらに収容する
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも一以上の更なる基板、及び少なくとも一以上の材料層をさらに含む
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１８】
前記選択された輻射が、約1μJから約100μJの所望の輝度、及び、約1μ秒から約100μ秒の露光時間を持つ
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項１９】
前記所望の輝度、及び露光時間が、それぞれ、約10μJ、及び約10μsである
ことを特徴とする請求項18に記載の装置。
【請求項２０】
前記選択された輻射が、パルス形状を有する
ことを特徴とする請求項18に記載の装置。
【請求項２１】
前記パルス形状、及び前記所望の露光時間が、実質的に、対象のサンプルを変質させない
ことを特徴とする請求項20に記載の装置。
【請求項２２】
少なくとも1つの基板が、基板上のサンプル検出に備える光窓を持つ
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも1つの基板が、外部のサンプル検出に備える取り外し可能な部分を持つ
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項２４】
前記取り外し可能な部分が、MALDI箔である
ことを特徴とする請求項23に記載の装置。
【請求項２５】
前記材料層上に向けられた前記選択された電磁輻射の一部が、反射される、又は、穿孔の確認を可能にする手段内に伝播される
ことを特徴とする請求項1に記載の装置。
【請求項２６】
入力細管のセットを備える第一の基板、
前記入力細管のセットに対応する出力細管のセットを備える第二の基板、
前記第一の基板と前記第二の基板との間に置かれて、前記入力細管の各々とそれに対応する前記出力細管との間のバルブ調節インターフェースを形成する材料層、及び、
前記材料層上に向けるための選択された輻射を生み出す、電磁輻射を生成する手段、
を備え、前記選択された輻射は、前記入力細管と前記出力細管との間に流体伝導を生じさせる前記バルブ調節インターフェースにおいて、穿孔を引き起こす
ことを特徴とする流体を多重化する装置。
【請求項２７】
前記生成手段が前記材料層上に向けるための選択された輻射を生み出す、光フィードバックのための手段をさらに備え、前記穿孔が起こった時、前記光フィードバック手段が、前記生成手段に信号を送る
ことを特徴とする請求項26に記載の装置。
【請求項２８】
少なくとも液体を収容する、第一の流体構成部品、及び第二の流体構成部品と、
少なくとも1つの選択位置において、前記第一及び前記第二の流体構成部品を流体伝導状態にするための流体伝導手段と
を備え、前記液体に力を加えた時、前記第一又は第二の流体構成部品内に残った第一の量の前記液体、又は、前記第一又は第二の流体構成部品へ運搬された第二の量の液体が、前記選択位置の選択によって定められる
ことを特徴とする、液体の体積数量化又は分別のための装置。
【請求項２９】
前記選択位置が、任意かつ定められた位置を含む
ことを特徴とする請求項28に記載の装置。
【請求項３０】
前記流体伝導手段が、一以上の位置において付加される
ことを特徴とする請求項28に記載の装置。
【請求項３１】
前記回転の間に生じる遠心力の使用によって、前記液体をその部分に分離し、それにより、少なくとも一の選択位置の使用によって、前記液体をその構成部分に分離する
ことを特徴とする請求項28に記載の装置。
【請求項３２】
前記流体伝導のための手段が、電磁輻射による、材料層内の少なくとも一の選択位置の穿孔である
ことを特徴とする請求項28に記載の装置。
【請求項３３】
求心装置内の液体を、外径位置から内径位置まで動かす方法であって、
第一の流体構成部品内に、緩衝流体を装填し、
第二の流体構成部品内に、液体を装填し、
一方の端において前記緩衝流体で、他方の端において前記液体で封じられた流体回路全体にわたって、前記第一の流体構成部品と前記第二の流体構成部品との間の気密流体伝導を可能にし、及び、
前記求心装置を回転させて、前記緩衝流体を前記第一の流体構成部品から出す
ステップを含み、前記第一の流体構成部品から出た前記緩衝流体の動きは、前記液体を、外径位置から内径位置へ押しやることを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記流体回路が、トラップを備える
ことを特徴とする請求項33に記載の方法。
【請求項３５】
前記緩衝流体が、前記液体よりも高い密度を持つ
ことを特徴とする請求項33に記載の方法。
【請求項３６】
回転装置の座標系での、ピックアップの極位置及び半径位置を定めるための方法であって、
前記装置上の第一のマーカーを検出し、
前記第一のマーカーから第二のマーカーまでの角距が、前記ピックアップの半径位置の非定値関数である、前記装置上の前記第二のマーカーを検出し、
前記第一のマーカーの検出と前記第二のマーカーの検出との間に経過した時間を定め、
前記経過時間、及び前記回転装置の回転周期より、前記ピックアップの半径位置を定め、及び、
マーカーの前記検出に対応する第一の時間と第二の時間との間の差、及び、前記回転装置の前記回転周期を使って、前記第一の時間における前記ピックアップの極位置を定める
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３７】
回転装置の座標系での、ピックアップの極位置及び半径位置を定めるための方法であって、
ピックアップが回転装置上の第一のマーカーを検出する第一の時間を記録し、
前記第一のマーカーから第二のマーカーまでの角距が、前記ピックアップの半径位置の非定値関数である、前記装置上の前記第二のマーカーを、前記ピックアップが検出する第二の時間を記録し、
前記第二の時間と前記第一の時間との間の時間差、及び前記回転装置の回転周期より、前記ピックアップの前記半径位置を定め、及び、
マーカーの前記検出に対応する第三の時間と第四の時間の間の差、及び前記回転周期を使って、前記第三の時間における前記ピックアップの極位置を定める
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記ピックアップが前記第一又は前記第二のマーカーを検出する時間を、繰り返し記録することにより、前記回転周期が定められる
ことを特徴とする請求項37に記載の方法。
【請求項３９】
前記回転装置がディスクである
ことを特徴ろする請求項37に記載の方法。
【請求項４０】
流体を処理するための方法であって、
複数の第一の流体構成部品を備える第一の基板を提供し、
前記第一の流体構成部品に対応する複数の第二の流体構成部品を備える第二の基板を提供し、
前記複数の第一の流体構成部品を、前記複数の第二の流体構成部品から分離する材料層を提供し、及び、
前記複数の第一の流体構成部品、及び前記複数の第二の流体構成部品からの少なくとも一対の対応する流体構成部品間の、少なくとも一つの選択位置に対応する少なくとも一つの位置において、前記材料層上に電磁輻射を向ける
ステップを含み、前記電磁輻射が、少なくとも一つの選択位置において穿孔を引き起こし、それにより、少なくとも一対の流体構成部品間の流体伝導を可能にすることを特徴とする方法。
【請求項４１】
前記材料層が、穿孔を引き起こす前記電磁輻射を吸収する吸収特性を持つ化合物を含む
ことを特徴とする、請求項40に記載の流体を処理する方法。
【請求項４２】
前記化合物が光学染料である
ことを特徴とする、請求項41に記載の流体を処理する方法。
【請求項４３】
前記電磁輻射が、赤外線、可視光、及び紫外線スペクトルから構成される群より選択された
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項４４】
前記材料層が、約0.5μMから約100μMの厚さを含む
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項４５】
前記材料層が、ポリマー箔、及び金属箔から構成される群より選択された
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項４６】
前記材料層が、ポリマー、共重合体、モノマー、金属、蝋、多糖類、及び液晶ポリマーから構成される群より選択された材料から形成された箔である
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項４７】
前記材料層が、染料を充填した高分子材料で形成された
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項４８】
前記染料が光学特性を持ち、前記光学特性が、実質的に、前記選択された輻射に適合する
ことを特徴とする請求項47に記載の方法。
【請求項４９】
前記材料層が、前記選択された輻射を実質的に吸収するように処理され、前記処理が、染料充填、化学表面処理、化学薬品充填、光学インターフェース、及び光学偏光から構成される群より選択された
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項５０】
前記材料層が、選択吸収特性を持つ複数の層で形成され、前記吸収特性が、前記選択された輻射に反応する
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項５１】
前記材料層が、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、ポリスチレン(PS)、酢酸エチルビニル(EVA)、及びポリエチレンナフタレート(PEN)から構成される群より選択された高分子材料で形成された
ことを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項５２】
前記光フィードバックシステムにおいて前記電磁輻射を検出するステップ、
を更に含み、前記材料層の前記穿孔が、前記光フィードバックシステムに信号で伝えられ、それにより、前記電磁輻射手段を実質的に停止するように制御することを特徴とする請求項40に記載の方法。
【請求項５３】
複数の第一の流体構成部品を備える第一の基板、
前記第一の流体構成部品に対応する複数の第二の流体構成部品を備える第二の基板、及び、
選択位置において輻射を吸収するための手段を有する、前記複数の第一の流体構成部品を前記複数の第二の流体構成部品から分離する材料層、
を備え、前記選択位置において、前記吸収が前記材料層を穿孔し、前記第一の流体構成部品と前記第二の流体構成部品との間の流体伝導に備える
ことを特徴とする、流体を処理するためのディスク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学、生物学、及び生化学処理又は反応のための微量流体回路の分野に関するものである。特に、プログラム可能な手法で、微量構造内の流体の流れを調整するための装置及び方法を開示している。
【０００２】
(関連出願の相互引用)
本出願は、2002年12月4日に出願された「流体のプログラム可能な微量分析規模の操作のための装置及び方法」という名称の米国仮特許出願第60/430,792号に基づく優先権を主張するものであり、これにより、その出願全体が、引用により本出願に組み入れられる。
【背景技術】
【０００３】
近年、薬学、バイオテクノロジー、化学、及び関連産業は、様々な反応及び分析を実行するための微量箱及びチャネル構造をますます採り入れている。これらの構造の利点は、小型化、スペース、及び試薬のコストの節約を含み、人的介入なく、並行して又は連続して(すなわち、次々と)のいずれかで、多数の反応を実行することを可能にする。
【０００４】
微量流体装置は、micro-TAS(微量全分析システム)を実現するための、圧倒的に最も有望な候補である。一般的には、この方向での全ての試みは、2つの方法で特徴付けることができる。それは、流体移送の役割を果たす力による方法、及び、流体の流れを導くために使用される機構による方法である。前者は、モーターと呼ばれる。後者は、バルブと呼ばれ、流体の体積数量化、流体の混合、流体入力のセットを流体出力のセットに繋げる、流体ストレージを可能にするのに充分密な手法で(応用例による、気体又は液体の流路への)コンテナを密閉する、流体の流れの速度を調整する、というような多数の基本動作に必須の、論理又はアナログアクチュエーターを構成する。
【０００５】
モーターとして、従来技術は、動電及び電気浸透移送、機械微量ポンプ、外部圧力、音響エネルギー、及び求心力、を含む様々な解決策を開示している。本発明は、排他的ではないが、主に、求心装置のカテゴリに関するものである。従って、求心装置に関連する従来技術の幾つかの要約は、以下のものを含む。Yamaji他(EP00392475A2)、及びTakase他(EP00417305A1)は、回転ディスクに基づく液体サンプル分析器を開示し、Kellogg他(US6,063,589/WO01S7485A2)、及びMian他(US6,319,469,US21055812A1)は、微量流体システム内の流体の動きを駆動するために求心加速度を使用するための装置及び方法を開示し、Kopf-Still他(US5,160,702)は、改良された回転子構造を持つ分析器を教示し、及び、Gordon(US5,892,577, US6,256,088, US6,339,473)は、サンプルの分析を実行するための装置及び方法を教示している。
【０００６】
バルブの使用によって、流体の流れを調整することのできる能力を持つ装置が、従来技術において知られており、それらは、流体の流れのリアルタイム制御、及びアナログ調節を提供できる能力の点で異なる。例として、幾つかのバルブは、温水タップのように、アナログ手法で流体の流れを調整できる能力を持ち、幾つかのバルブは、灌漑アクチュエーターのように、オン-オフ状態間、及びその逆を切り替え、幾つかのバルブは、電気安全スイッチのように単一のオン-オフ遷移を持つ、或いは、加圧回路における安全バルブのように単一のオフ-オン遷移を持つ。
【０００７】
従来技術の微量流体バルブ装置は、実現することのできる集積化の規模及び複雑さに加えて、バルブ当たりの高コストという欠点に苦しむ。残念なことに、中規模範囲内の殆どの従来技術の装置の信頼性は、疑わしい。さらに、バルブの構成部品、及びバルブの機能によるサンプル材料の変質は、それらの低信頼性、及び再現可能な結果での微量分析装置の作成の失敗、の一因となる。従来技術のバルブ調節装置の設計は、それらの製造コスト及び複雑さを、「使い捨て」及び大量生産される微量分析装置内でのそれらの経済的な使用に不適切にする。
【０００８】
幾つかの従来技術のバルブ装置の要約は、以下のようである。Unger他 米国特許第6,408,878号(Unger)は、制御チャネルが第一と第二のエラストマー層との間に第二のへこみを形成するように、第二のエラストマー層が第一のエラストマー層の上表面に接合され、かつ、フローチャネルが第一のエラストマー層と平面基板との間に第一のへこみの形を成すように、第一のエラストマー層が平面基板の上に置かれる、エラストマーバルブ及びポンプシステムを教示している。残念なことに、Ungerは、設計の複雑さ、及び製造のコストに苦しむ。バルブの複雑さに加えて、空圧式アクチュエーターに基づく制御システムは、複数の独立した線によって様々なバルブに接続されなければならず、かつ、(装置上の実バルブより少ない制御線しか持たないようにするために必要とされる)その多重化は、回路設計への影響を持ち、正確な圧力制御を必要とする。
【０００９】
kellogg他 米国特許第6,302,134号(Kellogg)についての特許は、微量流体アレイ内の熱作動蝋バルブを教示している。これらの熱作動蝋防食用バルブを形成するために、微量システムプラットフォーム内のこの熱作動蝋バルブは、抵抗加熱要素、温度感知要素、混合構造、のような多数の微量流体構成部品を必要とする。微量流体回路上の表面の大幅な占有以外に、Kelloggのバルブは、微量システムプラットフォームへ、及び微量システムプラットフォームから電気信号を伝達することのできる電子スピンドル設計の回転子を、さらに必要とする。Kelloggバルブの要件及び複雑さは、それを、微量分析システム内で使用するのに非実用的にする。さらに、バルブ作動による廃液は、対象のサンプルを汚染し得る。さらに、熱は、熱伝導により、細管を最初に詰まらせる蝋に伝達される。この手法では、伝導及び対流により、熱はまた、チップ及び流体に伝達されることが避けられない。これは、熱によりサンプルが著しく劣化され得るであろう殆どの生物学応用例において、望ましくない。
【００１０】
更なる従来技術のバルブ調節システムが、Kellogg他 米国特許第6,143,248号(Kellogg'248)でわかる。Kellogg'248は、微量流体システム内で流体を動かすために求心加速度を必要とする細管微量バルブを教示している。Kellogg'248のバルブ調節装置は、求心加速度を持つ装置内で使用することが出来るだけであり、また、その製造の困難さに苦しむ。
【００１１】
更なる従来技術の装置のKellogg他 米国特許第2002/0097632A1号(Kellogg出願)は、双方向流遠心微量流体装置を開示している。Kellogg出願のバルブは、特に、回転によって生まれる求心力が流体の流れの動因となるとき、プラットフォームの表面上の一又は複数の流体の効率的な混合を実現するための、微量システムプラットフォームを提供する。この双方向流システムは、その使用の点で、求心力駆動微量分析システム内の混合システムに制限される。
【００１２】
薬剤注入細穴を持つカテーテルを教示するOnishi他(US 5,547,472)、ポリマーバルブを教示するDerand他(WO00102737A1)(Derand)、のような多数の他の従来技術の装置が、微量分析プラットフォームのためのバルブ調節装置に改良を加えようと試みた。Derandのバルブで使用されるポリマーの重要な特徴は、可逆的な手法で、膨張状態から収縮状態へ切り替える、又はその逆を行うことであり、ポリマー(及び、その生体適合性)の選択を特定クラスの材料に制限する。さらに、プラグが細管内にあると予測され、各バルブは製造され、回路内に置かれなければならないので、それは、装置の製造を、よりコストのかかる、かつ大量生産により不適切なものにする。
【００１３】
Larsson他(WO99/58245)は、異なる表面特性を持つ装置の異なる表面によって、流体の流れを制御する微量流体装置を開示している。McNeely他(US 2002/0033193)は、微量流体流れ制御のための遠隔バルブ調節を開示しており、Williams(US 2001/0054702A1)は、微量流体構造内で使用するためのバルブを教示しており、及び、Parce他(US 6,379,974)は、材料の運搬を選択的に制御し、導くために、動電材料運搬システムを利用する微量流体装置及びシステムを教示している。残念なことに、それらは全て、その制御システムの複雑さ、設計、信頼性、高い製造コスト、及び所定の形式の流体に限定される応用例、に苦しむ。
【００１４】
従来技術の装置における更なる手法が、Limon他 米国特許第5,869,002号(Limon)に示されており、そこでは、分析カードが、もろい仕切りで分離された二つの相互に分離した箱を収容し、その仕切りは、分析カード内に配置され、かつ吸収剤、好ましくは、少なくとも所定の波長を持つ光エネルギーを吸収し、その光エネルギーを、もろい仕切りを除去できる熱エネルギーに変換するためのプラスチック材料で作られており、従って、箱間の流体伝導を引き起こす。残念なことに、Limonは、幾つかの欠点に苦しむ。Limonのバルブは、多数の微量分析プラットフォームには適合できない特定の構成に制限される。さらに重要なことに、Limonで必要な光エネルギーは、隣接する箱内の流体、又は対象のサンプルに変質が生じるような輝度及び持続時間のものである。その変質を克服するために、Limon他は、分析カード内を循環する一又は複数の液体を、如何なる早まった又は過剰な加熱からも維持するための、もろい仕切りのまわりの空洞の使用を教示している。Limonのバルブ調節装置はまた、その構成の不変性、及び、回転ディスク又は中規模装置のような様々な微量分析プラットフォームへの適合性の欠如に苦しむ。残念なことに、Limonで必要とされる構成は、経済的な製造過程に適応できない。
【００１５】
従来技術の微量流体回路の更なる欠点は、製造及び動作の形において、単純に、完全にプログラム可能かつ構成可能な装置の形で、柔軟性を調整することの難しさであった。微量流体回路によって流体の流れを調整するために、バルブが提供された。従来技術の方法は、製造のコスト及び容易さの理由のため、限定数で提供されることしかできない能動構成部品か、又は独立して作動することのできない受動構成部品、のいずれかに依存し、さらに、流体又は対象のサンプルの特性に依存し得る。従来技術における多くの能動バルブシステムはまた、その装置に物理的に接続されなければならない制御システムで特徴付けられ、それは、しばしば小型化されず(カリフォルニア州、サンフランシスコに在るFluidigm製のトパーズ晶析装置の圧力制御組立品のように)、それゆえ、装置の複雑さ、システム統合、及び移植性を著しく増大させる。
【００１６】
従来技術の微量流体回路の重大な欠点は、生体サンプルの取り扱いの難しさであった。従来技術の装置は、対象のサンプルを汚染し、そのようなサンプルを変質又は破壊し得るバルブ調節構成部品に苦しむ。
【００１７】
微量流体回路に組み込まれる従来技術の微量バルブの幾つかは、チップの広い表面を占有する。これは、装置の他の機能構成部品を犠牲にして、回路集積(単位表面あたりの構成部品の数)をより小さくし、従って、チップをよりコストのかかるものにする。この広い表面を占有する必要性は、微量流体回路内でのそれらの使用を損ねる。
【００１８】
従来技術の微量流体回路の更なる欠点は、バルブ調節構成部品の信頼性であった。従来技術の装置は、時折の故障に苦しみ、かつ最も重要なことに、そのような故障を認識するためのフィードバック制御の欠如に苦しむ。適度な数のバルブを持つチップ(例えば、複雑さの少ないチップ)では、この面は無視できる一方で、微量流体装置の高集積の必要性は、従来技術が提供するよりも、基本機能構成部品、特にバルブ調節装置の高い信頼性を必要とする。
【００１９】
従来技術の微量流体バルブの更なる欠点は、形状についての狭い製造許容、表面特性、材料の選択、及び製造処理の複雑さ、にある。複雑、又は許容が狭いのいずれか、又はその両方である製造処理において、集積規模(装置内のバルブの数)を増大させることは、高い製造失敗率という結果になり、さらに製造のコストを上げる。
【００２０】
特に微量流体についての更なる面は、バルブ及び回路全体の必要な使い捨て性にある。体積が減少するにつれて、表面対体積率が増大することが、この技術分野ではよく知られている。大部分のサンプルは、チップ及びバルブの表面と接触しているので、それはまた、大規模世界より流体汚染が大きい問題であることを意味する。サンプルの汚染を避けるため、バルブは、単一形式のサンプルで使用されることが好ましいはずであり、たった一度だけ、サンプル濃度の変化を避けることが可能である。それゆえ、再使用可能なバルブに依存したバルブ調節方法は、殆どの微量流体応用例において、より魅力的でない。
【００２１】
本発明は、様々な他の必要性に加えて、流体の流れを調整するための柔軟、高信頼、かつ単純な手段の必要性を満たす。
【００２２】
(本発明の要約)
本発明は、当初分離されている二つの微量流体構成部品を、流体伝導状態にすることにより、流量を調整する微量流体回路に向けられている。その二つの構成部品が接続された時間、及びそのような流体伝導の位置、の両方とも任意であり、外部で定めることができる。従って、本発明は、無限数の好ましくは不可逆バルブを説明しており、それらの全ては、最初は閉じた状態であるが、任意の時間において、かつ任意の順番で開くことができる。
【００２３】
バルブが閉じているとき、流体は、第一の微量流体構成部品内に収容される。バルブが開かれるとすぐに、少なくとも一又はそれ以上の更なる微量流体構成部品について、流体伝導が可能になる。流体が、どの程度まで、及びどのくらいの速度で、更なる構成部品内に流れ込むかは、流体に働く力、及び、バルブ調節構成部品を通る流体の流れに対する障害に依存する。
【００２４】
微量流体回路では、機械微量ポンプの使用、電界、音響エネルギー、外部圧力、又は求心力の利用によって、流体運搬を実現することが出来る。本発明によるバルブは、流体運搬のための機構から独立しており、それゆえ、流体運搬のための上記の如何なる手段とも互換性があるが、それらに限定されない。一般的には、本発明のバルブは、開くことはできるが、閉じられないことが好ましい。この特徴は、求心力を利用する装置の場合のような、力の方向が不可逆である微量流体回路では比較的重要でなく、回路及びその基本構成部品の適当な設計により、他の殆どの場合において克服されることができる。
【００２５】
本発明のバルブを「閉じる」ために、二含有成分の「接着剤」を、その開かれたバルブの逆側まで散布することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。接着剤は、二つの含有成分の混合を必要としないものから選択され、バルブの開口部を封鎖するための、適度に早い硬化時間を持つ。その接着剤は、Permabond製V5004として市販されるアクリル性接着剤とすることができ、これは、良い流動特性を持ち、非ストリンギングである。フィブリン接着剤等のような、生体互換性の利点を持つ更なる「接着剤」を、開かれたバルブを封鎖するために使用できることが、本発明の技術的範囲内でさらに意図されている。ティシューコールのようなフィブリン接着剤が、本発明の技術的範囲内で意図されている。フィブリン接着剤は、一方の側面上でフィブリンたんぱく質、他方の側面上でトロンビンを含む二つの成分を含んでいる。それらの接触は、バルブを封鎖する凝固反応を生み出す。
【００２６】
流体がテスラバルブの一支流に入ることを可能にするバルブを開くことによって、流体の流路を阻むことができることもまた、本発明の技術的範囲内で意図されている。後者は、流体ダイオード、又は弁を備える水管であり、それは、一方向の簡単な流れを可能にするが、他方で、その流れは、あたかも機械バルブが閉じ位置に動かされたかのようなほど確実に流れを止める渦又は逆流を形成して、異常停止する。この構成で、本発明によるバルブを開くことは、流体が支流の一つに入り、従って流体の流れを止めることを可能にし、これは、バルブを閉じる行為によって実現されるのと同じ機能である。
【００２７】
更なる例として、本発明のバルブを、流体を分散させるために使用して、チャネルの表面特性を大いに変えることができる(例えば、それを、より疎水性に、又はより疎水性でなくする)。最終的な効果として、これは、他の流体 (例えば、水)がもはや出力チャネルに入らないという結果を生み出すことができるであろう、かつ、その出力チャネルを、水の流路に関係するものに対して「閉じている」とみなすことができるであろう。
【００２８】
従って、本発明の一面として、生物学又は化学流体を処理するための装置は、複数の第一の中規模流体構成部品を備える第一の基板、前記第一の中規模流体構成部品に対応する複数の第二の中規模流体構成部品を備える第二の基板を含む。本発明の装置が、更なる基板層をさらに備えることができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。本発明により、これらの更なる基板層は、複数の流体チャネル、箱、及び、レンズ及びフィルタのような操作構成部品を含むことができる。
【００２９】
各基板層間で、材料層又は穿孔層が、前記複数の第一の中規模流体構成部品を、前記複数の第二の中規模流体構成部品、又は更なる微小規模又は中規模構成部品から分離する。材料層の構造は、例えば多層及びコーティングを含んで、均一、又は不均一とすることができるであろう。本発明により、材料層又は穿孔層は、以後PMMAと呼ぶポリ(メタクリル酸メチル)のような高分子化合物から構成される。低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、ポリスチレン(PS)、酢酸エチルビニル(EVA)、ポリエチレンネフタレート(PEN)等のような他の材料を使用することも出来ることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。これらのポリマーは、単独で、又は互いに組合せて、使用することが出来る。その使用及び製造の容易さのため、ポリマーの使用は好ましい。例えば、更なる表面処理をされた、又はされない金属箔のような他の選択も可能であり、その選択は、応用例で使用される電磁輻射生成手段の形式と関連しているということが、明らかである。
【００３０】
材料層はさらに、あらかじめ選択された電磁輻射の吸収特性を有する光学染料、又は他の同様な材料又は層を備えることができる。穿孔の結果、あらかじめ選択された充分な量の電磁エネルギーが吸収されるような方法で、例えば金属箔を含む吸収光フィルタで使用されるような既知の変更によって、又は、表面光学特性(屈折率n、及び、吸光度k)を変更することによって、又は祖度のような他の表面特性によって、吸収が生じ得る。他の技術は、例えばカーボンブラック粒子、染料乳剤、微小水晶のような光吸収小球を利用することができる。さらに、反射層、偏光変更層、波長シフティング層を、電磁エネルギーの効果的な吸収を高めるために使用することができるであろう。
【００３１】
本発明の利点は、流体ストレージ、定温放置、及び反応のために使用される表面の最大化、が生じることを可能にする微量流体回路内のバルブの極端なまとまり具合にある。光学システムの位置、電磁輻射生成手段の出力及びパルス持続時間を調整することにより、バルブのサイズもまた、回折限界又はそれ以下に至るまでの広範囲の大きさの回路に適応させることができる。微量流体回路内で層流が望まれるとき、バルブの断面は、相互接続される細管の断面とほぼ一致するはずである。混合が望まれるとき、乱流が活性混合剤として作用することを可能にするために、回路の流体断面とは大きく異なる断面を持つバルブが好ましい。
【００３２】
本発明のバルブは本質的に低コストであり、特に、装置のコストは、回路自身にどのくらいの数のバルブが実装されているかに依存しないので、ゼロに等しい限界コストを有する。
【００３３】
本発明によるバルブは、微量流体応用例において無視できるむだ体積を持ち、かつ、従来技術における他の殆どのバルブ設計より小さい。本発明のバルブは、典型的には、実験室装置及び工業製造生産の両方において、開く、実装する、及び構築するのが容易である。
【００３４】
本発明のバルブは、低い浸透性を持つ材料層を選択することにより、極端に液密とすることができる。これは、本発明のバルブを、化学薬品のストレージの封印物として使用することを可能にする。例えば、疎水性開路に基づくシステム、又は流体にかかる較正された細管張力に基づくシステム、又は圧力作動のポリマー形状の変更に基づくシステム、のような多くのバルブ調節システムは、ストレージを可能にするのに充分な緊張を、蒸気及び流体に提供しない。
【００３５】
本発明のバルブはまた、凍結乾燥された分子、例えば蛋白質、のストレージのために使用することもできるであろう。実際、ディスクが真空内で加熱されるとき、凍結化合物の昇華により水蒸気の損失を制御するために、水蒸気に対する材料層の部分浸透性を使用することができるであろう。これは、例えば、非常に小さい体積かつ使用の準備ができた薬剤化合物、のような分子の長期ストレージを可能にするであろう。材料層において開かれたバルブを通して溶剤を有し、分子を溶解し、次に、その層上の第二のバルブによってストレージ空洞から出すことにより、その分子を集めることができるであろう。
【００３６】
本発明により、電磁生成手段は、複数の第一の中規模流体構成部品、及び複数の第二の中規模流体構成部品からの少なくとも一対の対応する中規模流体構成部品間に置かれた材料層の一部に対応する位置において、材料層又は穿孔層に向けられる電磁輻射を生成する。電磁生成手段は、中規模流体構成部品のペア間の流体伝導を可能にする位置において、材料層の穿孔を可能にする。材料層の穿孔は、限られた空間及び時間内に装置に与えられた輻射の波長、及び輝度に依存する定められた手法で起こり、従って、流体又は対象のサンプルの如何なる実質的な変質も避ける。
【００３７】
本発明の更なる面として、生物学又は化学流体を多重化するための装置は、入力細管のセットを備える第一の基板、及び、前記入力細管のセットに対応する出力細管のセットを備える第二の基板を含み、前記第一の基板と前記第二の基板の間に置かれた材料層は、前記入力細管の各々と、それに対応する前記出力細管の各々との間のインターフェースを形成し、更に、前記複数の入力細管の第一の入力細管と、それに対応する前記複数の出力細管の第一の出力細管との間の前記インターフェースにおいて、前記材料層上に向けられる電磁輻射を生成するための電磁輻射生成手段、を含む。前記電磁生成手段は、微量流体ネットワーク内の生物学サンプル又は流体への損傷、又は実質的な変更なく、前記第一の入力細管及び前記第一の出力細管が流体伝導状態であることを可能にする前記インターフェースにおける材料層の穿孔を、可能にする。
【００３８】
多重化機能は、柔軟かつプログラム可能な流体処理の必要性に対処する。反応に含まれる流体の選択は、例えば、プロトコル実行の間にリアルタイムで成されることができる。
【００３９】
本発明の更なる面として、求心装置内の液体の体積数量化のための装置は、数量化のための液体を収容する第一の中規模流体構成部品、第二の中規模流体構成部品、及び、前記第一の流体構成部品及び第二の流体構成部品を、第一の位置において流体伝導状態にするための流体伝導手段を含む。求心力、又は他の力が液体にかけられた時、第一の流体構成部品内に残された液体の第一の量、又は、第二の流体構成部品に移される液体の第二の量は、前記第一の位置の選択によって定められる。
【００４０】
本発明の更なる面として、求心装置内の液体の体積数量化のための方法は、第一の中規模流体構成部品内に液体を詰めること、前記第一の流体構成部品と第二の中規模流体構成部品との間の第一の位置における流体伝導を可能にすること、液体の一部を前記第一の流体構成部品から前記第二の流体構成部品へ移動させるように求心装置を回転させること、及び、前記第一の流体構成部品内に残された液体の第一の量、又は前記第二の流体構成部品に移された液体の第二の量を定めることを含む。
【００４１】
この方法は、一定量の体積での離散的なステップに縛られることなく、任意の体積を定量化するという利点を持つ。
【００４２】
本発明の更なる面として、流体をその小部分に分離するための方法は、穿孔位置の選択を定めることによって媒質をその構成部分に分離するような回転の間に生じる遠心分離を利用する。
【００４３】
本発明の更なる面として、求心装置内の液体サンプルを、外径位置から内径位置まで移動させる方法は、第一の中規模流体構成部品内に緩衝液体を詰めること、第二の中規模流体構成部品内に液体サンプルを詰めること、一方の端では前記緩衝液体で封鎖され、他方の端では前記液体サンプルで封鎖された流体回路全体にわたって、前記第一の中規模流体構成部品と前記第二の中規模構成部品との間の気密流体伝導を可能にすること、前記緩衝液体が前記第一の流体構成部品から出ることを可能にすること、及び、前記緩衝液体を前記第一の流体構成部品から出すように前記求心装置を回転させることを含む。緩衝液体の第一の流体構成部品から出る動きは、液体サンプルを外径位置から内径位置へ押しやる。
【００４４】
本発明の更なる面として、液体サンプルを外径位置から内径位置まで動かすことにより、求心装置内で洗浄ステップを実行する方法は、緩衝液体を第一の中規模流体構成部品内に詰めること、液体サンプルを第二の中規模流体構成部品内に詰めること、一方の端では前記緩衝液体で封鎖され、他方の端では前記液体サンプルで封鎖された流体回路全体にわたって、前記第一の中規模流体構成部品と前記第二の中規模構成部品との間の気密流体伝導を可能にすること、前記緩衝液体が前記第一の流体構成部品から出ることを可能にすること、及び、前記緩衝液体を前記第一の流体構成部品から出すように前記求心装置を回転させることを含む。第一の流体構成部品から出る緩衝液体の動きは、液体サンプルを、外径位置から内径位置へ押しやる。
【００４５】
本発明の更なる面として、回転装置の座標系でのピックアップの極位置、及び半径位置を定めるための方法は、第一のマーカーから第二のマーカーまでの角距離が、連続又は不連続の、導き出せる又は出せないピックアップの半径位置の非定値関数である、装置上の前記第一のマーカーをピックアップにより検出すること、装置上の前記第二のマーカーをピックアップにより検出すること、前記第一のマーカーの検出時と前記第二のマーカーの検出時の間で経過した時間を記録すること、前記経過時間及び前記回転装置の回転周期からピックアップの半径位置を定めること、及び、マーカーの検出に対応する第一の時間と第二の時間の間の差、及び回転装置の回転周期を使って、前記第一の時間におけるピックアップの極位置を定めることを含む。
【００４６】
本発明の更なる面として、回転装置の座標系でのピックアップの極位置、及び半径位置を定めるための方法は、第一のマーカーから第二のマーカーまでの角距離が、連続又は不連続、導き出せる又は出せないピックアップの半径位置の非定数関数である、ピックアップが回転装置上の前記第一のマーカーを検出する第一の時間を記録すること、ピックアップが前記装置上の前記第二のマーカーを検出する第二の時間を記録すること、前記第二の時間と前記第一の時間との間の時間差、及び回転装置の回転周期から、ピックアップの半径位置を定めること、及び、マーカーの検出に対応する第三の時間と第四の時間との間の差、及び回転周期を使って、前記第三の時間におけるピックアップの極位置を定めることを含む。
【００４７】
本発明の更なる面として、生物学又は化学流体を処理するための方法は、複数の第一の中規模流体構成部品を備える第一の基板を提供すること、前記第一の中規模流体構成部品に対応する複数の第二の中規模流体構成部品を備える第二の基板を提供すること、前記複数の第一の中規模流体構成部品を前記複数の第二の中規模流体構成部品から分離する材料層を提供すること、前記複数の第一の中規模流体構成部品及び前記複数の第二の中規模流体構成部品からの少なくとも一対の対応する中規模流体構成部品間に置かれた層の一部に対応する位置において、電磁輻射を前記層上に向けること、及び、前記位置において前記層を穿孔することを含み、ここで、材料層の前記穿孔は、このような微量流体ネットワーク内の如何なる流体又は対象のサンプルの損傷又は実質的な変質なく、中規模流体構成部品の前記ペア間の流体伝導を可能にする。
【００４８】
本発明の更なる面として、生物学又は化学流体を処理するための処理ディスクは、複数の第一の中規模流体構成部品を備える第一の基板、前記第一の中規模流体構成部品に対応する複数の第二の中規模流体構成部品を備える第二の基板、及び、前記複数の第一の中規模流体構成部品を前記複数の第二の中規模流体構成部品から分離する材料層を含む。
【００４９】
本発明のこれら及び他の利点、目的、及び特徴は、本実施形態の詳細な説明、及び添付された図面によって、明らかであろう。また、前述の一般的な説明、及び以下の詳細な説明の両方とも、例示的なものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではないということを理解すべきである。
【００５０】
本発明の前述及び他の特徴及び利点は、添付図面と組合せて、以下の例示の実施形態の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。
【００５１】
(本発明の詳細な説明)
本発明は、遠心力回転子、及び微量システム、特に微小規模又は中規模の微量流体バルブ技術プラットフォーム、ならびに、求心力動因流体操作を提供するためのその多数の応用例を提供する。例証の目的のため、図面、ならびに説明は、一般的には求心力システムを参照する。しかしながら、本発明で開示された手段は、他の力に依存して流体運搬をもたらす微量流体構成部品において、等しく利用可能である。
【００５２】
本明細書の目的のため、「サンプル」という語は、より複雑な混合薬の成分として分離又は検出されたか、或いは前駆物質から合成されたか、のいずれかの如何なる流体、溶液、又は混合薬をも包含すると理解される。
【００５３】
本明細書の目的のため、「流体伝導状態で」又は「流体接続された」という語は、構成部品間の流体の流れを可能にするように動作可能に相互接続された構成部品、を定義することを意図されている。例示の実施形態では、微量分析プラットフォームは、そこでディスク上の流体の動きがディスクの回転時の求心力によって動因され、実験用チップ上の流体の動きがポンプによって動因され、材料層の穿孔によって流体伝導が実現されるディスク、又は実験用微量流体チップのような回転可能なプラットフォームを備える。
【００５４】
本明細書の目的のため、「材料層」又は「穿孔層」という語は、箱、チャネル、及び他の微量流体要素のような様々な微量流体構成部品に分かれ、穿孔時に、電磁照射によって、そのような微量流体構成部品を互いに流体伝導状態にする構成部品、を定義することを意図されている。
【００５５】
本明細書の目的のため、「生物学サンプル」、「対象のサンプル」、又は「生物学流体サンプル」という語は、血液、血しょう、血清、リンパ液、唾液、涙、脳脊髄液、尿、汗、植物及び野菜のエキス、精液、又はそのようなサンプルの任意の細胞又は細胞成分を含むがそれらに限定されない、如何なる生物学的に取り出された、又は合成された分析サンプルをも意味すると理解される。
【００５６】
本明細書の目的のため、「穿孔」という語は、(様々な固体凝集、液体、気体、又はプラズマ状態への)分解又は相変化か、或いは、そのような穿孔又は材料層を形成する任意の物質の化学分離のいずれかにより、任意のそのような材料層又は穿孔層の一部の溶解、を定義することを意図されている。そのエネルギー及び波長が、そのような材料層、或いは、そのような材料層内に収容された、又は隣接する添加物によって吸収されて、層内に貫通孔を作るという結果になることを意図された電磁照射によって、そのような穿孔が実現される。
【００５７】
本明細書の目的のため、「消耗」という語は、特に、プラズマに気化する材料を熱線が照射する急速処理を参照している。
【００５８】
本明細書の目的のため、「中規模」又は「微小規模」という語は、流体を収容することができ、好ましくはサブミクロンからミリメートルの範囲の大きさを持つ、如何なる体積をも意味すると理解される。
【００５９】
求心力利用システムの代表的な応用例(例えば、遠心分離機)は、その中心に回転軸を持つ円形装置を用いる。例証の目的のため、図面、ならびに説明は、概してそのような装置を参照している。楕円及び長方形の装置、不規則な表面及び体積、及び、回転軸がその中心を通り抜かない装置を含む他の形状も、特定の応用例では有利であろう。
【００６０】
本発明において例証の目的のために使用された微量流体装置は、ディスクと呼ばれ、幾つかの実施形態では、それは所定の軸のまわりを回転している。実行することのできる動作は、ディスクの形状、材料組成、及び複雑さに依存する。微量流体システムは、ディスクに加えて、化学、生物学、又は生物化学流体の充填、信号の光学読み取り、放射能の検出、アッセイの分析、対象の化合物の検出、ディスクからクロマトグラフィー又は質量分析計へのサンプルの注入、X線、或いはガンマ又は中性子ビームへのディスクの露光、ディスクへの、又はディスクからの流体の移送、ディスクから他のディスクへの流体の移送を含むが、これらに限定されないディスクへの操作を実行するように設計された一又はそれ以上の外部部分を含むであろう。
【００６１】
本発明の例示の実施形態では、外部部分は、ピックアップ、かなりの量の電磁輻射をディスク内の一点上に集中させることができる装置、及び回転装置を含む。ディスク及びピックアップは、あらかじめ選択された好ましい波長、又は波長の周波数域において、主に電磁輻射によって相互作用するように設計される。以後、この波長、又は波長の周波数域を、「ピックアップ波長」又は「あらかじめ選択された波長」と呼ぶ。
【００６２】
本発明の一面として、微量流体回路内のバルブ実装のための新奇システムが示されている。それは、与えられたバルブの位置が任意であり、かつ、バルブ自身が全微量流体回路に拡張されることを意味する分散バルブシステムによって流体の流れを制御する完全にプログラム可能な(能動的な)解決策、を表している。たとえ、バルブの状態を開から閉へ戻す仕組みが可能であって、本出願で注釈を加えられていたとしても、説明するバルブは、典型的には閉から開への遷移に限定される。本システムの更なる重大な利点は、回路内に組み込むことのできる多数のバルブである。
【００６３】
ディスク
ディスクの好ましい実施形態は、円形微量流体装置を含む。ディスク体積を横切らないことが好ましい軸の周りを回転する長方形のディスクは、特有の利点を提供する。コンパクトディスク技術関連の商用製品との互換性を実現するために、ディスクは、それらと同じくらい、又は同一の大きさを持つであろう。同様に、微量井戸形プレート又はクレジットカードのそれと等しいフットプリントを持つ長方形ディスクは、ディスク間の流体の運搬、及び、ディスクから化学及び生物学産業で使用される標準井戸形プレートへの、ならびに標準井戸形プレートからディスクへの流体の運搬を含む、化合物の自動搬送及びストレージに特に適している。
【００６４】
図1Aに示すように、一例証実施形態におけるディスク100の内部構造は、上側面101、下側面103、及びその2つの側面101、103を隔てる材料層105、の少なくとも3つの層のサンドイッチを備える。単一ディスク内のより高密度を実現するために、多重ベースサンドイッチを作成するように、このサンドイッチ構造を繰り返すことができる。そのような構成では、側面101、103は、少なくとも2つの材料層105間に収容され、両方の表面上に微量流体構成部品を有し、かつ、それらのそれぞれの表面において、構成部品を流体伝導状態にする更なる微量流体要素を備えることもある。
【００６５】
図1Bを見ると、上側面101が、(以下で説明する計量計タンクである)微量流体構造110を収容し、下側面103が、(その計量計の細管出口である)対応する微量流体構造111を収容する、本発明によるディスクが示されている。多数の微量流体構造を、上側面101及び下側面103内に組み込むことができる。これらの微量流体構造は、材料層105によって分離され、その材料層105の穿孔によって、互いに流体伝導状態にされることができる。それぞれの上側面101、及び下側面103内に収容される微量流体構造110、111は、材料層105の穿孔時に互いとの統合機能を有する材料層105で分離される互いの鏡像、又は異なる構造であろう。
【００６６】
A.材料層
様々な材料が、材料層105又は穿孔層に適しており、それらは、薄いポリマー箔、及び金属箔を含むが、それらに限定されるわけではない。微量流体応用例の厚さは、その材料特性、及びピックアップの特徴に依って、典型的には、約0.5から約100ミクロンの間で様々である。
【００６７】
第一の例証実施形態では、単純かつ経済的な手段で容易に穿孔することができるので、赤外線吸収ポリマー箔を使用している。これらポリマー箔は、例えば、ポリ(メタクリル酸メチル)、低密度ポリエチレン(LDPE)、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)、ポリエチレンテレフタレートグリコール(PETG)、ポリスチレン(PS)、酢酸エチルビニル(EVA)、ポリエチレンナフタレート(PEN)等のような、使用可能な高分子化合物から構成される。
【００６８】
これらの高分子化合物は、単独で、又は互いに組合せて使用することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。更なる例証実施形態では、約2ミクロン程度の厚さの銅箔を使用することができる。銅箔は、電子産業における応用例、特に、プリント回路基板のために、日常的に作成されている。銅のような薄い金属箔は、紫外光波長の領域において自然吸収を呈し、これは、例証実施形態の幾つかにおいて興味深いものである。
【００６９】
それらの低い融点のため蝋、及びセルロースのような多糖類等、のような更なる材料を、材料層105に使用することができることが、本発明の技術的範囲内で更に意図されている。また、材料層に、液晶ポリマーを使用することができることも、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００７０】
材料層105の選択は、ピックアップ波長での大量の光吸収のための要件によって、必然的に決まる。材料の選択以外、染料、コーティング、表面処理を使用するようないずれかの材料の光学特性を変更することにより、又は、光干渉処理を利用するのに適当な多層構造により、大量吸収を実現することができる。ADS905AMのような所望の光学特性を持つ染料、その化学式がC62H96N6SbF6、又はEpolight2057であるアメリカのAmericanDyeSourceInc.製の赤外染料、その吸収スペクトルが近赤外源に適しているアメリカのEpolin Inc.製の赤外染料、を材料層内に充填することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。均一分散、又は不均一縣濁液又は乳濁液(小球又は粒子)のいずれかにおけるEpolight2180、Epolight2189、及びカーボンブラックの充填のような赤外吸収溶液を使用することができることが、さらに、本発明の技術的範囲内で意図されている。材料層105を如何なる形の電磁輻射にも適合させるために、赤外線以下又は以上の他の吸収スペクトルを使用することができることも、また、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００７１】
一例証実施形態では、材料層105は、PMMAから形成され、かつ、ほぼ0.5%の重量パーセントで赤外染料ADS905AMを充填する。染料は、PMMAフィルム内で、不均一小球で縣濁される。このような染料の縣濁は、材料層全体にわたって均一に分散されないとはいえ、あらかじめ選択された波長の望まれた吸収を作り出すのには充分に分散される。
【００７２】
所望のスペクトル吸収を実現するために、Epolight2057、Epolight2180、Epolight2189等のような他の染料を使用することができることも、さらに、本発明の技術的範囲内で意図されている。光吸収特性を持つ、カーボンブラック等のような染料以外の他の化合物も、所望のスペクトル吸収を実現するために使用できることも、また、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００７３】
材料層105についての更なる要件は、応用例に依り、特に、隣接材料との流体の相互作用に関連している。更なる要件の例は、腐食に対する抵抗、流体汚染の防止、接触反応の欠乏又は存在、充電の蓄積、及び/又は電流、生体適合性の存在である。
【００７４】
材料層105と2つの側面101、103との間の永続的な接続を実現するための手順は、その技術分野で知られているような接合、又は接着(積層、熱接合、UV接合、表面のプラズマ処理、溶剤接合、圧力接着剤、熱接着剤)を含む。接合手順は、その両側面上で、熱硬化性フィルムで処理されたポリマー箔を利用することができる。このような箔は、商用利用可能であり、現在、プリント回路基板のために作り出されている。さらに、基盤として適した様々な材料は利用可能な既製品であり、それは、カーボンブラック充填のポリエステル及びブラックマイラーを含む。第一の例証実施形態では、材料層105は、全く内部構造を示しておらず、側面101、103に対する材料層105の如何なる調整の必要性も不要にする。
【００７５】
B.側面
引き続き図1を参照すると、側面101、103は、ディスクの微量流体構成部品を備え、流体を収容する。側面101、103を形成する基板の一表面内のくぼみが、微量流体構成部品を形成する。中規模構成部品及びチャネルは、また、細管又は微量細管と呼ばれ、彫版、フッ素酸ウェットエッチング、インボッシング、熱インボッシング、マイクロマシニング、レーザー削磨、機械加工、又はポリマーモールディングを含む、その技術分野で知られている様々な技術によって提供されるであろう。
【００７６】
このような構成部品を基板上にプリントすることにより、箱及びチャネルのような微量流体構成部品を形成することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されており、ここで、そのようなプリントされた構成部品、及び基板は、本発明のディスクの側面101、103を形成する。微量流体構造のプリンティングは、シルクスクリーニングプリンティング技術、又はこの技術分野で知られている他のプリンティング技術により、実現することができる。
【００７７】
各中規模構成部品は、好ましくはサブミクロンからミリメートルの範囲の大きさを持つ体積を含んで、流体を収容することができる。例証実施形態では、この中規模構成部品は、側面101、103の表面上に刻まれた、又はプリントされた開放構成部品として理解され、材料層105に面している。側面101、103は、流体が中規模ネットワーク、計測器、バッテリ、電気接続部、及び他の計装に達することを可能にする専用の入力及び出力ポート、を含む更なる流体接続部、及び構成部品を更に備えることができる。側面101、103に適した材料は、ガラス、水晶、モノマー、シリコン、ポリマー、アクリルプラスチック、及びポリカーボネート、環状オレフィン共重合体(COC)を含む。側面101、103は、モーター、導体、チップ、レンズ、及びプリズム、を含む光学及び電気構成部品を組み込むことができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。特に、ピックアップの焦点を材料層105上に合わせることに備える様々な光学特性を持つように、材料層105に接する表面を変更することができることが、また、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００７８】
ディスクが全体的に側面で密閉されることが、本発明の技術的範囲内で意図されており、そこでは、流体と接触する気体は、装置から外に出ることができない。この特性は、毒性の高い化学薬品、又は放射性流体を取り扱うために利用されるとこができ、真空中、又は、概して外部圧力が内部圧力と異なる(加圧反応)時、ディスクでの操作を実行することを可能にする。
【００７９】
本発明の目的のため、ディスクを形成する側面101、103は実質的に透過である、又は、それらの選択部分が、ピックアップ波長に対応する光の波長に対して透過である。本発明により、微量流体ネットワーク内の所望のバルブ調節領域に光波長を向けるように、光学レンズ、及び光学構成部品を、側面101、103内に埋め込むことができる。ピックアップ発光の反射によるインターフェース表面の光検出を可能にするために、又は、微量流体構成部品内に存在する流体とのより良い互換性のため、材料層105に対して異なる屈折率の側面が存在することが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００８０】
側面101、103の更なる要件は、応用例に依り、装置内の流体の相互作用、又は汚染、及び、装置内の流体の検討、及びそれらの反応に影響を及ぼす光学特性を含む。更に、大量生産のコスト、及び容易さも、また考えられる。
【００８１】
ピックアップ
ピックアップは、ディスクの一又は複数の材料層をピックアップ波長で照射するための光学手段を含む。一例証実施形態では、その発光が、(例えば)光学要素によって、ディスクの一方の側面を通って、材料層内又はそれに近い材料層上に置かれた焦点に合わせられるレーザー源が、意図されている。本発明により、ピックアップのための要件は、充分な量の電磁エネルギーを基盤の充分小さい表面領域上に集中させる、又は焦点を合わせることができる能力である。従って、本発明の基本動作は、ピックアップにより提供された照射によって誘導された、特定の時間及び位置での材料層の穿孔である。放射のための好ましい波長は、スペクトルの赤外線、可視光、及び紫外線の部分である。細胞を含む殆どの生物学サンプル、及び生物学領域で使用される流体は、近赤外輻射を吸収せず、従って、赤外線照射によって実質的に影響されないので、赤外線領域内の波長が望ましい。
【００８２】
小型かつ低コストなレーザーダイオードにより、レーザー発光を実現することができ、市販のダイオードは、375nmから始まり、かつそれ以上の広範囲の周波数に及んでいる。商用のコンパクトディスクリーダーにおける現在のレーザーダイオードで利用可能な最大電力は、約200mWである。この技術によって実現される最高輝度は、近赤外域内である。例証実施形態では、使用されるレーザーダイオードは、Osram製のOSRAM PL90_3である。更なる例証実施形態では、使用されるレーザーダイオードは、JDS Uniphase製のJDS SDL-6380Aである。JDSダイオードは、OSRAMダイオードより低いピーク電力を持つ一方で、そのより良い熱放散、より小さいスリットサイズ、より狭い遠視野発光、及びより大きい最大パルス幅は、より良い性能に備えるものである。Qスイッチレーザー、ダイオード励起固体レーザー(DPSS)、二酸化炭素レーザー、チタニウムサファイアレーザー、ファイバレーザー、エキシマレーザー、フラッシュランプ、ガス放電等のような他のレーザー源も使用できることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【００８３】
本発明により、レーザーダイオードは、実質的なパルスモードで動作する。そのパルス形状は、所望のエネルギーを意図されたターゲットまで運ぶように選択可能であり、かつ、動作デューティーサイクルが、レーザー接合の適度な冷却を可能にするのに充分短いならば、瞬時電力がかなりより大きくなることを可能にする。ピーク電力出力が約70Wにまで達する商用のレーザーダイオードが利用可能であり、さらにより高い最高定格も、よりコストのかかる解決策で可能である。
【００８４】
非常に短いパルスを使用する面は、基盤に堆積されたごくわずかなエネルギーが、サンプル、及び周辺領域に殆ど移送されないということである。熱線は、穿孔の孔から離れて、有限速度で伝播する。高輝度を持つ短パルスの間、出て行くエネルギーの流れは、入ってくるエネルギーの流れよりも小さいすることができ、それゆえ、エネルギーの残りが、限定されたスポットに集中され、局所温度の急上昇が、急速に有効に穿孔を生み出す。
【００８５】
光の収束は、典型的には、少数の光学要素から構成される単一光学システムにより実現される。基盤上でのビームのコリメーション、及び配列を実現するために、例えば、磁界中に埋められた電気コイルにより、一要素を様々な方向に動かすことができる。光路の最適化は、ディスク露光要件を考慮に入れることにより成される。側面の厚さは、かなりのコマ、及び収差を誘導し得り、これは、小さいスポットを考える時、修正するのが時々困難である。
【００８６】
例証実施形態では、光学システムは、f=6mmのMGGLC001集光レンズ、CDレンズの前面から25mmの所の2つのシステム間に実焦点があるLiteOn製のLiteOn CDピックアップ、から構成される。この特別な構成は、約10μsの露光で、約16μJの光輝度を基盤上に集める。この構成の実効出力密度は、様々な材料層の穿孔に完全に充分であると判明した。ピンホール、及びドイツのLasertechnik Berlin製の高温計PEM100により、基盤上の焦点上で効果的に平行にされた光エネルギーの量を見積もり、かつ最適化することが可能であった。
【００８７】
オーディオ、ビデオ、及びコンピューターデータストレージにおける応用例で商用利用可能なCDデバイスに実装されるピックアップ構造を、本発明に利用することができること、及び、基盤表面において反射された光の一部を適当な光学システムで処理することにより、基盤上にレーザーの焦点を合わせることが可能であることを、上記の構造は提供する。
【００８８】
更なる例証実施形態では、ピックアップは、二又はそれ以上の光源を収容することができ、その一方のみが、基盤を穿孔するために使用される。レンズの焦点合わせ、及び、ピックアップ位置の決定は、低電力の連続又は準連続(QCW)波発光とすることができるもう一方の電源によって、獲得される。複数の光源の使用は、基盤を穿孔することを意図された輻射を吸収し、同じ光学システムによって基盤位置を定めることを意図された輻射を反射する基盤を選択することを、可能にする。
【００８９】
ピックアップ装置は、さらに、基盤上での電磁輻射の焦点合わせが実現されるかどうかを判断するための光学システムを含むことができる。例えば、フーコー(非点)合焦システムによって解析される場合には、基盤の部分反射を、光学フィードバック機構として使用することができる。このようなシステムは、商用利用可能な、CD及びDVD媒体のための光学リーダーで実装されている。
【００９０】
本発明のピックアップは、集束された光ビームによって微視的物体を操作するために使用される装置と似ている。また、取り出しとして知られるこの動作は、光波面で生成された電磁力を使って、単一物体を保持及び動かすことを可能にし、これは、実質的に収束性又は発散性がある。
【００９１】
本発明のピックアップは、例えば、材料層の穿孔による流体処理の制御、粒子の取り出し、及び、流体構成部品内に収容されたサンプルの光学分析、を含む一又はそれ以上の別個の目的を果たす装置とすることができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。ピックアップが微量流体装置と接触しないことにも、また注目すべきである。例えば、サンプルの法医学分析(外部から内部への汚染)、或いは、毒性又は放射性流体の処理(内部から外部への汚染)のような、汚染を絶対的に避けなければならない応用例において、この潜在能力を利用することができる。
【００９２】
バルブを開くための材料層の穿孔
本発明における微量流体処理は、微量流体ネットワークの動的なリアルタイム構成によって、調整され、実施される。この構成は、材料層の向かい合った側のディスクの側面間の微量流体構成部品を流体伝導状態にすることによって、実現される。一つの微量流体構成部品から第二の微量流体構成部品へ動く流体によって、又は、特定の位置において接触する2つの流体によってのいずれかで、この接続を使用することができる。前者は、流れバルブと呼ばれ、後者は、接触確立と呼ばれる。
【００９３】
図2Aから図2Eを見ると、二又はそれ以上の微量流体構成部品の接続が示されている。流体伝導を実現するために、以下の操作を実施する。電磁輻射発光206が、材料層205の穿孔が生じる位置において誘導されるように、ピックアップ(示されていない)又はディスク200が置かれる。ディスク200、又はピックアップのいずれか、又はその両方を動かすことよって、これを実現することができ、すなわち、合焦システムが存在する場合には、スポットサイズを最小化し、穿孔の位置においてエネルギーを材料層205上に集中させるように調整され、また、充分な輝度の電磁輻射が、ピックアップによって生成され、ディスク200の上側面201及び下側面203内の微量流体構成部品間に置かれた材料層205に向けられる。その限定された継続時間、及び限定された空間利用のそのような輻射の輝度は、微量流体ネットワーク内の流体207(又はサンプル)の変質を防ぐ、又は実質的に避ける。エネルギー堆積、特に、材料層205で吸収された一部のエネルギーは、材料層205の穿孔(また、ドリリングとの呼ばれる)を引き起こす。
【００９４】
好ましい実施形態では求心力である、流体207に作用する力は、流体207を、穿孔の点208を通って、一方の側面の微量流体構成部品から他方の側面の微量流体構成部品へ流す。穿孔の点208、及びその結果生じる開放は、仮想レーザーバルブ(VLV)と呼ばれる。これは典型的には、流体207が、次のステップに到達し、微量流体ネットワーク内の隣接流体箱又はチャネルと一体化する。
【００９５】
基盤のドリリング又は穿孔は、削磨、及び溶解を含む様々な物理現象を通して、或いは、分子結合の破壊又は弛緩によって、生じる。それらの相対的な重要性は、エネルギー密度、ピックアップ波長、パルスの継続時間、材料層の組成、電磁輻射の偏光、照射体における熱放散の現象、プラズマ波の発達、及び、穿孔帯の点に隣接する材料の存在、に依存する。削磨は、特に、プラズマに気化する物質を熱波が放出する急速な処理を指す。融解は、液相の中間状態によって生じ、照光領域から側面への熱の部分移送をもたらすことを避けられない。
【００９６】
例えば、更なる小さい固体堆積物でポリマーにぶつかったとき、削磨、及び融解の両方は、CO2のような気体を生み出すであろう。両方の処理とも、微小機械装置(MEMS)、ポリマーレーザードリリング及び切断、金属ドリリング及び切断、及び削磨による表面処理、を含む多数の商用応用例のために、産業上使用される。例えば、Lambda-Physik製のエキシマレーザーでのかなりの増大経験は、紫外線レーザー発光の潜在能力が、分子結合の直接破壊により、良質の穿孔の実現を可能にすることができることを示している。この形式のドリリングは、ディスク上に大きな統合規模の微量流体構成部品を実現する本発明にとってかなりの利益となり得る高分解度、及び良質のドリリング、を実現する。
【００９７】
穿孔体積は、側面の微量流体構成部品の大きさと比較して小さいので、バルブを開くことによって撒き散らされる材料の全量は、ごくわずかであり、微量流体構成部品内の流体に影響を及ぼす、又は変質させることはない。材料の発破は側面内で起きるので、ピックアップは、材料の発破から保護される。ここで説明するように、穿孔処理は、一般的には不可逆である。バルブを開いたときの穿孔時に、材料層205が除去される。一般的には、バルブをその閉じた状態に戻すように、材料層205を復元することはできない。それにもかかわらず、本発明を、バルブを閉じることのできる構成にも適用することができる。そのような一構成は、気体の流れを可能にすることができる液相内のポリマーが、穿孔の位置において、或いは、気体の流れ又は流体の動きを妨げるように気密手法で回路に接続された他の位置において重合するケースを含む。熱硬化性の物質、及びフィブリン接着剤、又は、他の2構成部品の密封剤によって、同様の結果を実現することができる。開から閉への遷移の異なる実装は、バルブを開くことによって開くことのできるテスラバルブを利用する。テスラバルブは、流体の流れのインピーダンスを増大させ、流体の流れを所定の一方向において妨げる結果を効果的に実現する。
【００９８】
材料層205、及び側面201、203の光学特性は、エネルギー堆積の様式、及び、ピックアップによって提供される電磁輻射の要件、の両方を定める。ポリマーから形成される材料層205は、その低エンタルピーのため、有利である。ポリマーを固体から液体の状態に変換するために必要なエネルギーは、金属の場合に必要なエネルギーより、典型的には小さい。その結果として、穿孔のためには、より小さいエネルギーで充分である。逆に、側面201、203は、焦点の合ったピックアップ発光が基盤表面に到達する前に分散されず、また吸収されず、側面の材料又は隣接する液体の過熱をもたらすような光学特性を持ち、ピックアップ波長において、できるだけ透過であるべきである。考えられる結果は、二度屈折、表面の光学的良質、及び、光学密度の均一性を含む。コンパクトディスクアプリケーションで使用されるポリカーボネートを含む様々なポリマーは、近赤外に加えて、可視光スペクトル全域で、実質的に透過であり、さらに、表面の良い光学特質を示す。
【００９９】
ディスク、箱、チャネル、フィルタのような本発明の構成部品、及び、それらのそれぞれの光学特性は、特定の応用例に適した様々な構成、及び表面コーティングを持って、有利に提供される。構成部品の構成は、構造要件、製造プロセス、及び、生体適合性を含む試薬互換性/耐薬品性と相関関係があるであろう。
【０１００】
特に、例えばシリコン、シリカ、水晶のような無機水晶又はアモルファス材料から、或いは例えば、ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)、アクリルニトリルブタジエンスチレン(ABS)、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリオレフィン、ポリプロピレン、フッ化ポリマー、及びメタロセンといったプラスチックのような有機材料から作られる、側面のような本発明の構成部品が提供される。SU8及びPDMSのような熱硬化性材料が、実用的な解決策である。これらの表面特性は、特定の用途ために変更することができる。シラン化、イオン実装、及び不活性ガスプラズマ(すなわち、イオン化を作り出すために、電流が通り抜ける気体)での化学処理を含むが、これらに限定されないこの技術分野で既知の方法により、表面変更を実現することができる。流体と接触する表面の完全処理のために、同様な処理を材料層に適用することもできるであろう。
【０１０１】
例えば、その中に埋め込まれるプラスチック材料で製造される構成部品、例えばディスク又はレンズの検出箱を備える光学的に透過なガラス表面、及び、材料層を穿孔するために、電磁輻射を材料層内のバルブ調節領域に向けるための鏡、のようなディスクの構成部品は、このような材料の合成物、共重合体、又は組合せで作られることができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１０２】
本発明のディスク、及び、それらのそれぞれの構成部品は、そのモールディング、スタンピング、及びミリングの容易さのため、特に、テフロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、メタクリル酸メチル、及びポリカーボネートから製造されることが好ましい。そのかわりに、このような構成部品を、シリカ、ガラス、水晶、又は熱硬化性材料から作ることもできる。
【０１０３】
本発明による微量分析流体処理システムは、熱可塑性基板上に置かれる一又はそれ以上のこれらの材料の順次付加により、製造される。本発明のディスクは、注入成形光学透明基板層、又は、従来のコンパクトディスク(CD)の手法で光学ピットを有する側面で、製造されることができる。この技術分野で既知の製造又は生産の他の方法も、使用することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。この同じ材料の順次付加により、本発明のバルブ調節を使用した微量流体チップを製造することができることが、さらに意図されている。
【０１０４】
材料層の穿孔時、流体は、上側面、下側面、又はその両側面で、材料層に隣接して、又は接して存在するであろう。その場合、穿孔処理によって堆積された、或いは穿孔処理の間に生成されたエネルギーは、流体に移送されるであろう。非常に珍しい構成を除いて、そのエネルギー移送は、流体の熱容量にくらべてごくわずかなものである。16μJより小さい光エネルギーで、バルブを開くことができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。基盤削磨に費やされた全てのエネルギーが、1マイクロリットルの水に吸収された場合には、その温度は、たったの約0.002℃上昇するだけであろう。
【０１０５】
本発明により、パルスの継続時間、又はピックアップの集光特性を変えることにより、バルブ直径を変更することができ、例えば混合制御のような流体の流れの調整が必須な応用例、又は異なる大きさのバルブによって、流体運動抵抗(混合を含む)が異なって影響を受ける応用例において、この機能を効果的に使用することができる。
【０１０６】
熱変化がサンプル又は流体に悪影響を及ぼす微量流体構成、及び応用例では、そのような如何なる熱変化も補償するために、熱シンク又は熱ポンプの冷却面を、微量流体ネットワーク内に組み込むことができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１０７】
(多重化動作)
本発明の一面として、流体の流れのためのロジックを実装するために、任意の位置のバルブを利用する。微量流体装置で実行される処理の間の如何なる瞬間においても、これを実行することができ、これは、リアルタイム能力と呼ばれる。直前の動作の出力に依存する論理方式が、特に興味深い。最も一般的な方法でこの動作を実行することができる微量流体構成部品が、以下、多重化装置より優位となり、これは、等価な機能を持つデジタル電子機器内の構成部品と類似する。
【０１０８】
図3Aは、多重化装置の一実施形態を示しており、これは、ディスクの一方の側面上のN個の入力細管303×ディスクの他方の側面上のM個の出力細管305の行列を含む。以下では、2つの流体構成部品は、基盤のみによって隔たれるとき、少なくとも一つの位置において、互いに向き合うと考えられる。それゆえ、多重化装置は、一又はそれ以上の入力のセットを、一又はそれ以上の出力のセットと流体伝導状態にすることを可能にする。細管のセットは、二又はそれ以上の細管と理解される。
【０１０９】
最も単純なケースを図3Aに示しており、第一の位置301のバルブの開口部が、第一の入力細管306を、第一の出力細管308と接続する。流体伝導がイネーブルにされた後、流体に力をかけることにより、入力細管306から出力細管308までの流体の実際の流路を実現することができる。このような力の例は、求心装置を回転させる、入力細管線306における過剰圧力を働かせる、又は、出力細管線308における圧力不足を働かせるものを含む。適当な排出口設計(図面には示されていない)は、移動流体から流れ下る流体構成部品内に収容された空気のための適切な排出口を確実にする。
【０１１０】
多重化のより高度な複雑さへの拡張は、向かい合う細管の行列内の交差点にある多数のバルブにより実現することができる。バルブは、所望の入力細管と出力細管との間の流体伝導を可能にする。
【０１１１】
多数の入力と多数の出力との間の接続を提供することを除いて、多重化装置を、多数の入力を単一出力に接続する、又は単一入力を多数の出力に接続するために、等しく良く使用することができる。このような接続は、それ自身で、第一の場合における均質混合、又は第二の場合における均一分散を保証しないので、含まれる様々なバルブを動作させる時間を調整する、適当な容量数量化によって多重化段階を先導する、又は中間多重化ネットワークを導入することにより、可能性のある制限をいくらか緩和することができる。
【０１１２】
この多重化装置は、主に、プログラム可能な装置(本発明で説明するもののような)内で使用するためのものであり、微量流体装置の様々な構成部品間の相互接続ネットワークである。多数の入力チャネルが、多数の出力チャネルに接続される場合には、全ての可能な組み合わせ全体についてではないが、様々な段階において、相対的により低い集積化でそれを分解することにより、多重化ネットワークの物理サイズを減らすことができる。
【０１１３】
例証実施形態における、計量計と多重化装置との複合機能が、図3Bを参照して示されている。本実施形態では、本発明によるディスクは、入力井戸312、313、314を備えている。入力井戸312、313、314は、多重化行列層316と流体伝導状態である。多重化行列層316は、計量計装置317に流体接続された流体チャネルの格子から構成される(ここでは、害着的に、全て同じ大きさを持つように表されている)。計量計装置317は、反応装置箱310、311と流体伝導状態であるセグメント化された(分離された)多重化装置318と、流体伝導状態である。
【０１１４】
この方式において、説明の明瞭さのため、気体(製造時に装置内に封じ込められた空気又は任意の他の不活性ガス)で満たされた構成部品内に移動する流体を可能にするために、たとえそれらが必須要件であったとしても、排出口の線は描かれていない。
【０１１５】
本例証実施形態は、均質分析を実行するための汎用微量流体配置を表している。この分析は、基質の酵素反応の合成物抑制の測定のために使用することができ、そこでは、従来染料の蛍光発光分光を検出することにより、反応動力(抑制)をリアルタイムで測定する。装置構成への実質的な変更なく、この技術分野で既知の他の多くの分析を使用することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１１６】
引き続き図3Bを参照すると、入力井戸314内に酵素がピペットで移され、入力井戸313内に基質がピペットで移され、かつ入力井戸312内に対象の合成物が挿入される。ピペットで移された量の情報は要求されず、入力井戸の選択は、完全に任意である。本発明によるバルブ320及びバルブ321の開口部は、任意に選択された一計量計への対象の合成物の分散を可能にする。同時に、並列動作を実行するために、より多くの計量計を使用することができ、例えば、合成物はまた、開口バルブ322により、層317内の異なる多重化セグメントに接続された他の計量計へ方向転換される。同様な動作で、開口バルブ323及び324により、入力井戸313内に収容された適当な基質が他の計量計に方向転換され、開口バルブ325及び326により、入力井戸314からの酵素は計量計層に受け入れられる。
【０１１７】
入力井戸と計量計との間の対応は、ユーザーによってリアルタイムで定められ、数量化されることが望まれる流体の量、及び計量計体積により、最適な方法で、計量計を試薬と対応させることを可能にする。
【０１１８】
計量計層上のバルブ322、330、331、セグメント化された多重化層上のバルブ341、346、349、及び反応装置を、その結果として流体が集められる廃棄物反応装置であると定めるバルブ347を開くことにより、満たされた計量計を廃棄物タンク内に向けることにより、計量計の一掃が生じる。微量流体構造から流体が全く出ないように、本発明の微量流体ディスクを構成することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１１９】
実際の分析は、要求された量の基質を反応装置310内で分配することにより、実行され、その量は、バルブ340の位置の選択、及び、バルブ342及び343の開口部によって定められる反応装置の選択によって定められる。ユーザーが定める任意の瞬間において、同じロジック348及び350、344及び345で、開口部により、合成物及び酵素を同じ反応装置に加えることができる。
【０１２０】
他のバルブを開くことにより、反応装置層内の更なる反応装置を、異なる量の同じ試薬で満たすことができる、或いは、異なる反応が試され、測定されるように、入力井戸内の他の物で試薬を置き換えることができる、ということが明らかであろう。異なる反応装置では、反応プロトコル(例えば、分配の程度)さえ異なるとすることができるであろう。
【０１２１】
明らかな複雑さに関わらず、全ての動作は単一処理に還元され、それは、所望の位置での材料層上のバルブの開口である。
【０１２２】
その手順は、含まれる流体の形式とは独立しており、処理の間の如何なる時間においても、常にユーザーの支配下にある。例えば、反応が始まった後の阻止剤の付加は、蛍光読み取りからのデータにより定めることができるであろう。
【０１２３】
容量数量化
本発明の更なる面として、求心微量流体構成部品内の液体の容量数量化を実行するために、任意の位置のバルブを利用する。この対応する微量流体構成部品を、以下、計量計400と呼ぶ。
【０１２４】
図4は、計量計400の例証実施形態を示している。それは、最も長い軸が実質的に求心装置の半径方向に置かれた細長いタンク401、から構成される。この軸に沿って、装置の、回転軸に近い部分は上部と呼ばれ、回転の中心から遠い部分は下部と呼ばれる。計量計の形状及び体積は、数量化される液体の量、及び数量化処理における所望の解決策により、設計される。本発明により、液体は、上部部分の注入口(示されていない)を通って、タンク401内で満たされ、その液体が中に入ることを可能にするために、排出口線402が存在する。
【０１２５】
図5Aから図5Gを見ると、装置を回転させる時、図5Aに示すように、求心力は、流体をタンク501のより低い部分内に移動させる。503及び504で示された細管は、計量計500の2つの異なる出力を構成する。特定の場合において、一方の細管出力503は、除去線として使用される。出力線は、計量計を収容する側と逆側に置かれ、材料層のみによって計量計から隔たれる。出力線の全数は、個別の応用例又は実装に依存する。
【０１２６】
数量化処理の第一の動作は、液体505の一部を排出して、計量しながら排出線503内に供給することにある。第一の位置510において材料層を穿孔することによってバルブ510を開き、この結果を達成するように求心装置を回転させることにより、この排出を実現する。加えられた求心力の結果として、バルブ510で定められるレベル以上のすべての液体505が、排出線503内に流れ込み、最終的には第一の排出箱512内に流れ込む。タンク501内に残っている液体505は、図5Cに示すように、メニスカス514を形成する。
【０１２７】
タンク501からの所定の容量のの液体505の抽出は、タンク501を第二の排出線504と流体伝導状態にする、その第二の排出線504に対応する第二のバルブ515を作成することにより、実行することができる。第一のバルブ510と第二のバルブ515との間の計量計内に収容される液体は、求心装置を回転させ、求心力を与えることにより、第二の細管線504で取り出される。タンク501内のメニスカス514に関連するバルブの位置、及びタンク501の幾何形状の情報は、第二の計量箱516内に流れ込む第二の細管線504内に抽出される液体の容量の決定を可能にする。
【０１２８】
図の位置514で強調されるように、中規模流体構成部品内の液体は、一般的に、著しいメニスカス514を示し、すなわち、液体の上位レベルは、典型的には平らではない。この動きは液体間で異なり、表面張力、材料の親水性及び疎水性に依存し、従って、メニスカスの形状を予測不可能にする。容量数量化が、実質的に、メニスカス形状に関する情報とは無関係であることは、本発明の利点である。同じ形状状態であり、かつ同じ材料に接する同じ液体は、同じメニスカス形状を示し、そのメニスカス形状とは無関係な数量化処理を提供するであろう。
【０１２９】
単一の計量計を、同じ出力線上の様々な液体抽出のために使用することができる。図5Fは、第三の位置520において更なるバルブをどのように開くかを示しており、これは、微量流体ネットワーク内の次の段階内への第二の容量の液体の抽出を可能にする。これは、計量計の多重流出脳直と呼ばれる。
【０１３０】
本発明の更なる面は、単一計量計の多重出力能力である。同じ計量計が、様々な出力線の役割を果たすことができ、そのため、その計量計を上述の出力線に接続する、適切な位置のバルブを開くことによって、同じ液体を出力に送ることができる。
【０１３１】
数量化は、流体処理と同時に、リアルタイムで生じるであろう。例えば、反応が生じる間、それ自身で反応によって提供されるフィードバックによる、次の酸又は塩基の抽出により、反応のpHを一定に保つために、計量計の多重出力能力を使用することができる。
【０１３２】
計量計の更なる応用例は、遠心分離による流体の相分離にある。例えば、遠心分離、及び、ことによると更なる試薬(例えば、スクロース、又はAmersham製Ficoll)により、血液をその構成成分(血漿、リンパ球、及び赤血球)に分離することができる。隔離インターフェース付近、又は隔離インターフェースにあるバルブの開口は、適応性のある方法で、様々な構成部品の異なる出力への分離を可能にする。細胞又はライセートを含む流体、乳濁液、又は粒子の縣濁液に、同様な分離を実行することもできる。
【０１３３】
ユーザーが望む時に流体量を分配する能力はまた、混合における能動的な役割を有する。例えば、固相化学実体の溶剤への分解は、液相内のその濃度に依存する。ある量の液体を、超過する液体が内半径に置かれた位置から出る「サイホン」形状の細管に分配することが可能である。拡散が生じることを可能にするのに充分な総計時間の間、ある量の液体を、固相溶質と接触したままにしておくことができる。次に、バルブにより、更なる量の流体が前の溶剤と置き換わり、固相の更なる分解の間、その場所にとどまるが、初期溶質濃度を下げる。固相の固体実体の繰り返し希釈のために、この動作を何回か繰り返すことができる。
【０１３４】
求心装置における方向切換
求心装置における一般的な問題は、特に複雑な処理を実行する場合には、求心力の単方向性に関するものである。固定回転軸の場合には、流体は内側から外側の位置へ移動するのみであり、流体の位置が求心装置の外側端に達した時、処理が終了する。多数のステップを含む処理を遂行する場合、この機能は、求心装置の使用を排除する。ここで、以下にあるような、「大量の液体の半径位置」とは、大量の液体の中心の半径位置を意味する。
【０１３５】
本発明の一面として、微量流体回路内の本発明のバルブの適当な配置によって、上記の限界を克服することができる。それ自身の求心力により、外半径から内半径の位置までサンプル液体を動かす処理は、逆流と呼ばれる。以後、緩衝流体と呼ばれる更なる大量液体の位置エネルギーを犠牲にして、その必要なエネルギーが得られ、この緩衝流体の唯一の目的は、逆流処理のためのエネルギーを提供することである。大量の緩衝流体は、ディスク上のいかなる半径のところにも置くことができ、かつ、その緩衝流体は如何なる濃度も持つことができる。全エネルギー保存の制約は、緩衝及びサンプル液体の特徴、特に、緩衝及びサンプル液体のそれぞれの容積、濃度、初期半径位置、及び最終半径位置、に関連する。逆流のための更なる可能性は、空気圧の差異、又は化学エネルギーの差異のような更なるエネルギー源を利用することにある。次節の「バルブによって起動される流体運搬」で説明するのと同様な方法で、ディスクの内部に向けて、液体を押し出す又は引き出すために、真空管を作動させることができるであろう。例えば、大量の液体に気体体積を圧縮させる、又は減圧させることにより、それ自身で、求心力によって、空気過圧又は空気圧不足を生成することができるであろう。この場合、例えば、液体の流路上にテスラバルブ、又は同様な機能の装置を持つことにより、求心力が下がったとき、流体が戻らないようにすることにより、エネルギーを格納することができるであろう。次に、格納されたエネルギーは、後で求心力が下がった時に、再収集して、サンプル流体を逆流させるために使用することができる。
【０１３６】
逆流方法の例証実施形態は、図6に示すような以下のステップから構成される。緩衝流体601が、タンク602内に詰められる。緩衝流体601が如何なる反応又は処理にも関係しない範囲で、使用される流体は、ディスクの使用とは無関係である。従って、ディスク製造段階において、緩衝装填を実行することができる。重要な要件は、タンク602が気密である、すなわち、空気又はガスが自由に出入りしないように封鎖されることである。サンプル液体610は、位置613によって、サンプルタンク612内に流れ込む。この動作のために、サンプルタンク612は、排出線614を必要とする。これらの状態では、たとえバルブ616が既に開いていたとしても、液体の塊の下に閉じ込められた空気の存在が、液体の細管615内への流れ込みを妨げるので、サンプル液体610は、一般的には、細管615を通って流れることはできない。
【０１３７】
バルブ617及び618が既に開いている場合には、流体伝導回路に沿った第一のバルブ603の開口が、タンク602と612の間の流体伝導をイネーブルにする。適当なところで、トラップと呼ばれる更なるタンク622が、サンプル液体610を集める役割を果たすことができる。流体伝導がイネーブルにされたとき、緩衝流体601は第二の細管604に流れ込まないようにされて、位置エネルギーが極小であるので、それが、それ自身によって、流体の移動をもたらすことはない。流体伝導回路の気密性を補償するため、緩衝流体601及びサンプル流体610は一体化した要素であり、かつ、タンク602、612は、処理の最後まで気密性を維持するように設計される。位置605の第二のバルブを開けることは、逆流動作を可能にする。求心装置を回転させ、それによって、緩衝液体601及びサンプル液体610に、それらの質量、及び加速度a=ω2*rに比例した力を及ぼすことにより、逆流動作を開始させるが、ここで、ωは装置の角速度であり、rはコリオリ力を無視した液体の半径位置である。
【０１３８】
緩衝流体601の細管604内への移動は、流体伝導回路内の気体圧力の減少を引き起こす。適当な運動学状態では、これは、サンプル液体610を位置615からトラップ細管623内に引き出し、トラップ622内に収容された気体をタンク細管624を通してタンク602内に移動させる吸引力という結果になる。吸引は、一部の液体表面上の気体圧力の減少のために、液体上に力が及ぶ処理である。
【０１３９】
サンプル液体610がトラップ622に到達した時、求心力が、それを、トラップ622の底部に向かって移動させる。タンク細管624の吸引は、サンプル液体610ではなく、液体の塊の上の気体に及び、そのため、トラップ622内に収容されたサンプル液体610は、タンク細管624の中には入らない。
【０１４０】
全サンプル液体610がトラップ622内に吸い込まれた時、伝導回路はもはや気密ではなく、排出線614又は入力線613を通って、大気圧が、タンク612、トラップ細管623、トラップ622、タンク細管624、及びタンク602の中に入る。このとき、求心装置をさらに回転させて、緩衝流体が、出口細管604内に完全に移動し、逆流動作の最終状態は、サンプル液体610がタンク612からトラップタンク622に移動することから構成される。
【０１４１】
逆流動作は、より長い処理を、所定の求心装置内で実行することを可能にする。サンプルタンク612より小さい半径位置にあるトラップタンク622で、以下のように、長い処理を分解することができる。液体を、内半径からサンプルタンク612に匹敵する外半径位置まで移動させ、次に、液体をトラップタンク622まで運ぶように逆流を加え、その時点で、残りの処理を実行して、再び液体を内半径からが外半径位置まで移動させることができる。逆流動作の数は、一般的には、ディスク上に装填される緩衝液体の量、及びその半径位置によってのみ制限される。
【０１４２】
サンプルタンク612、緩衝タンク602、及びトラップタンク622の相対半径位置は、任意である。しかしながら、所定の相対半径位置のセットは、所定質量のサンプル液体について、緩衝液体の最小質量を定める。半径位置の選択は、所望の入力ポート及び出力ポートの構成によって、動かすことができる。例えば、入力ポートを、ディスクの上側を覆う長方形形状のアレイに分散させることができ、ディスク上で利用可能な最小半径位置に置かれたトラップ内に入力液体を逆流させるために、緩衝液体タンクを使用することができる。典型的には、利用可能な最小半径は、軸支持具のまわりの外周に対応する。一般的には、最大半径位置において利用可能な処理の出力は、入力として使用されたのと同じアレイを含む、装置の上表面上に一様に分散されたアレイ内への同じ逆流手順で、運搬することができる。
【０１４３】
逆流するように同化させることのできる、逆流と同様な機能が、生物学又は化学プロトコルの間の洗浄ステップにある。この洗浄手順は、適当な形状のタンク内に収容された液体のディスク内部への吸引により実行することができ、そのため、洗浄後、タンクはさらに、流れ出ない他の液体でさらに満たされることができる。この手順は、不均一分析のために特に適切であり、既に説明した逆流方法の変型によって実行することができる。緩衝液体601は、液体又は気体のいずれかであることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１４４】
(ピックアップの位置決めシステム)
本発明の一面は、所定の時間における、ディスク座標系を基準にしたピックアップ位置のセット及び情報に関するものである。この位置は、焦点位置、極位置、及び半径位置として分解することができる。これらの方向は、回転ディスクの座標系でのピックアップヘッドの円柱座標であり、その回転軸は円柱軸に対応している。
【０１４５】
基盤表面に対するピックアップヘッドの合焦動作は、既に説明しており、合焦光学部品、又は光源の1つ、又は任意の他の光学要素の「音声コイル」動作によって実現することができる。確かに、標準のコンパクトディスクドライバーで用いられる合焦機構が、レンズの半径方向の微調整とともに、この動作を実行することができる。
【０１４６】
ピックアップの半径方向位置決めは、ピックアップ組立品の租置換と共に、前で言及した音声コイルによって実現することができる。リニアモーター、DCモーター、サーボモーター、及びステッピングモーターを含む様々な形式のモーターが、この置換を実現することができる。その軸の周りでディスクを回転させることは、ピックアップの所定の瞬間における極位置決めを実行する。
【０１４７】
一つの従来の解決策は、極位置のための回転エンコーダー、及び半径位置のための直線エンコーダー、という高解像度光学エンコーダーを使用することを含む。さらに、ディスク上に格納された、半径及び極方向のデジタル符号化情報は、各々が引用により組み入れられている以下の技術で、スポットがどこに向けられるかを定めるために使用することができる。Gordon(US 6,327,031, US 22085202A1)は、サンプルの分析を実行するための装置及び方法を教示し、Virtanen(US 6,030,581)は、ディスクの実験室について教示し、及び、Mian他(US2001/0055812A1)は、搭載された情報科学で、微量流体システム内の流体の動きを駆動させるために、求心加速度を使用するための装置及び方法を教示している。
【０１４８】
本発明の一例証実施形態において、ピックアップヘッドの半径位置及び極位置を定めるための方法が提供されている。マーカーによって誘導されたピックアップからの信号の発生から計測されるようなタイミング情報を使って、回転装置の半径位置及び極位置を、特に、ディスクの座標系で定めることができる。ピックアップは、走査表面から反射された光を、(商用CDドライバーのピックアップのように)測定する。
【０１４９】
マーカーは、一般的には、特定の光学特性を持つ基盤上の線であり、極位置は、半径の関数として変動する。特定の光学特性の例は、マーカーの周りの領域にくらべて高い、又は低い反射率である。マーカーはまた、側面上に置くことができ、かつ、反射率、吸収、又は蛍光発光を含むと定められる特有の光学特性を持つ液体で満たされた細管を含むことができる。反射率の変化は、検出され、その時間を記録できる信号を提供する。これは、本発明において、マーカー信号の時間と呼ぶ。
【０１５０】
装置の回転速度が、少なくとも一回転周期の間一定である場合には、マーカー信号は、ディスクの回転周期、従ってその瞬時回転速度、の正確な測定を提供する。回転周期で分割されるマーカー信号の発生からの経過時間は、それ自身で、ディスクに対するピックアップの極位置の測定となる。それゆえ、本発明により、極座標へのより単純な変換のための解決策は、直線のマーカーであり、そこでは、全ての点が固定極座標(ゼロに等しい極角)を持ち、2πで乗算される、前に言及した割合は、所定の瞬間における極角の位置を示している。
【０１５１】
二つのマーカー間の極角の差異が、半径位置の非定値関数であるならば、その第二のマーカーの付加は、半径位置の測定を可能にする。非定値関数の例は、以下のようである。
極座標＝半径座標＊定数1＋定数2
【０１５２】
必須の極又は半径座標分解を瞬間ピックアップ位置に保持すると同時に、ディスクの限定角部分を占有するために、典型的にはまた、導出不可能かつ不連続の、又はジグザグ形状を持つ他の特定の形状を考えることができる。回転周期、及び2つのマーカー間の時間差の情報で、第一のマーカーに対する第二のマーカーの極位置を定めることができる。2つのマーカーの形状が与えられると、次に、ディスク座標でのピックアップの半径位置を定めるために、極位置の差を使用する。
【０１５３】
本発明により、ピックアップによって作り出された信号に基づいて、2つのマーカーが識別可能であるように、第二のマーカーの特性は、第一のマーカーの特性とは異なる。適切な特性は、反射率、幅、構造、線の重複等を含む。
【０１５４】
この方法は、ディスクが、半径及び極座標の起点を定める既知の固定軸のまわりを回転することを仮定している。実際的なケースとして、取り外し可能ディスクは、軸支持具に取り付けられる時、取り付け不良にされやすく、実際の回転軸は、望まれる回転軸とは必ずしも一致しない。この問題に対処するために、ディスクの実際の回転軸を定めるように、更なるマーカーを提供することができる。より具体的には、想定された軸位置を検証するために、マーカー間の時間差の測定を使用することができる。既知の形状の二以上のマーカーについて、それらの間の時間差は、軸位置についての情報を含む。測定された時間差と望まれた時間差との間の差異を最小化することにより、想定された軸位置に基づいて、軸位置を推量することができる。
【０１５５】
装置の周囲の外側にある軸のまわりを回転する装置にも、この方法を適用することができる。長方形形状のディスクの場合、ディスクに対するピックアップヘッドの相対位置を定めるだけでなく、(回転を含む)回転軸に対するディスク位置を、ディスク上の充分な数のマーカーに基づいて定めることができる。要求されるマーカーの数は、必要とされる正確さに依る。
【０１５６】
温度監視及び制御
ディスクの構造により、外部の熱又は冷却源の付加によって、その温度を制御することができる。熱輻射、特に、赤外又はマイクロ波光スペクトルでの電磁輻射に対して、側面は、透過又は吸収特性を持つことができる。輻射以外の、対流性の流体の流れ、抵抗加熱及び伝導を含む、他の熱交換機構を使用することができることも認識されるであろう。統合微小流体装置では、局所温度を定めるための手段を有することが、しばしば役立つ。特に、局所温度を定めることは、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)のために必要とされるような急速に変化する熱サイクルに役立つ。
【０１５７】
ディスクの二層構造はまた、2つの向かい合ったタンクに備えることができる。一方のタンクは、その温度が監視されることを必要とするサンプル流体のために使用され、第二のタンクは、温度測定液体を収容する。好ましい実施形態では、温度測定液体は、水又はアルコールをベースにしている。材料層の厚さのため、一般的には、2つの流体塊の間に大きな熱伝導が存在し、そのため、温度測定液体は、サンプル液体の温度として近似することができる。流体が基準温度において有する体積に対する、その流体の(相対)拡張係数を測定することにより、この温度測定液体の温度は、伝統的な温度計と同様に監視することができる。従って、細管内に収容された液体は、タンク内の液体の体積拡張により移動し、その位置の決定が温度監視を提供する。
【０１５８】
そのかわりに、ピックアップ光自身を、流体の局所加熱のために使用することができる。材料層の大部分の領域を照射するために、ピックアップ光の焦点を外すことにより、材料層の吸収、又は、それに応じて液体が選択される場合には、温度測定液体の吸収が、サンプル流体内に熱としてエネルギーを放散し、その温度の増大を生み出す。
【０１５９】
さらに、細管内の空気-液体インターフェースに対応する反射率の変化を評価することにより、細管内の温度測定流体のメニスカスの位置を監視するために、ピックアップ自身を使用することができる。上で説明したフィードバック機構の焦点を合わせることにより、この評価を実行することができる。
【０１６０】
電気接続
本発明により、電気接続を微量流体回路の様々な部分又は位置に分散させるために、基盤を使用することができる。基盤が絶縁体であるならば、金属、導電ポリマー、導電インク及び黒鉛を含む導電材料の薄い層を堆積させるために、様々な技術が利用可能である。また、幾つかの技術(例えば、金属の無電解化学堆積)は、フォトリソグラフィー技術を使って、特定の形状及びパターンで導体を堆積し、電気分散線を生成することを可能にする。例えば、電気泳動のため、又はディスク上にある構成部品に電力を供給するための、電界を生成するために、これらの電気線を使用することができる。電気接続は、ディスク自身上で電源を供給されることができる(微小バッテリー)、又は、ディスク回転のため、電位差を生成する導体上の電界を含む磁界の存在を利用することができる。例えば、パッチクランプ、電圧感知プローブ染料、及び電気泳動のようなプロトコルで必要とされる電流の生成、又は見かけ電界の生成のために、磁界を使用し、特に、回転ディスク上の見かけ電界を誘導するために、磁界を使用することができる。
【０１６１】
そのかわりに、導体が、典型的には機械接触によって、軸支持具上に電気接続を持つことができ、それは続いて、回転軸と同軸の導体を通る、又は導電液体接続によるブラシ接触によって、装置の固定部分に接続される。
【０１６２】
検出装置
本発明の一目的は、流体のプログラム可能かつ柔軟な自動操作を実行することである。殆どの応用例において、(一般的には)処理の結果として生じる観測可能な量の如何なる検出をも意味する反応生成物の検出が、装置の実用的な使用のために重要である。
【０１６３】
本装置では、基盤への焦点合わせを実行するためにデバイス内に存在する読み出し装置を利用することにより、様々な動作のために、ピックアップ自身を使用することが可能である。ピックアップの焦点上に存在する材料の反射率情報を、バルブ及びディスク動作の範囲のためだけでなく、流体処理に関するデータを作成するために使用することができる。
【０１６４】
本発明の更なる例証実施形態では、反射光を、ピックアップの(空間内の)位置と対応付けて、ピックアップを共焦点顕微鏡として使用することにより、画像を生成することができる。回転の間、ピックアップの半径位置を変化させ、例えばデジタル化によって、ピックアップからのデータを収集することにより、二次元画像を容易に構成することができる。ピックアップの合焦動作を使用し、基盤からのピックアップの距離を変化させて、(光学部品の共焦点特性によって)三次元画像を構成することができる。共焦点光学システムによって実現可能な焦点の低深度により、流体(及び、流体内に含まれる、大きさ及び検出可能な光学特性を持つ物体)の三次元画像を、分析目的のために、集め、格納することができる。例えば、流体内に存在する細胞に適用される計数方法は、容量走査をかなり利用して、小容量サンプル内に存在するデータの統計的有意性を増大させる。
【０１６５】
本発明の更なる実施形態では、ディスクは本質的に平らで、典型的には透明であり、薄い基板は、更なる装置を含み得る流体を収容する。これらの更なる装置は、ディスク内に収容される流体についての情報を集めるために使用することができる。これらの装置は、バイオセンサー、変換器、又は組織、細胞、及び分子のアレイとすることができるであろう。例えば、標準の井戸型平板読み取りスキャナは、比色分析、蛍光検出、及び放射能放射測定の目的で、広範囲の電磁スペクトルにおける、ディスク内に収容された流体の光学特性についての情報を集めることができる。
【０１６６】
更なる実施形態では、内部反射により、ことによるとプリズム、レンズ、又は表面上に組み込まれた微小光学構成部品を使って、光を集めて伝達する光学媒体として、ディスクを使用することができる。
【０１６７】
更なる可能な読み取り技術は、製造過程の間、発光染料を持つ側面、又は基盤材料の充填に依存する。分析に関連する放射能は、発光材料内で光信号に変換され、光の輝度は、サンプルの放射能の測定値として使用される。サンプルに面しており、基盤によってのみそれと分離される微量流体構成部品内に、液体シンチレーターを装填することにより、同じ結果を得ることができる。
【０１６８】
外部検出を利用できることも、本発明の技術的範囲内で意図されている。例は、質量分析計、ガンマ線、X線、又は中性子線での照射、及びクロマトグラフィーを含む。剥ぎ取りMALDIターゲット箔等のような、微量流体ネットワーク内の取り外し可能な構成部品は、本発明のディスクの側面内に組み込むことができる。これらの剥ぎ取りターゲットの表面は、それらが、対象の一又は複数のサンプルの収集のために使用される箱の側面を形成するように、有利に置くことができる。
【０１６９】
混合
微量流体装置では、その流体動特性は、典型的には層流によって優位を占められる。この意味で、対流又は乱流の動きのような様々な現象のため、巨視的世界では当然である混合は、重大な問題を構成する。本発明により、様々な混合方法を使用することができる。磁気ビーズは、細管を通って、流体で搬送されることができ、ディスクが回転している時の静磁界の存在により(又は、可変磁界を介して)、外部から攪拌することができる。更なる方法は材料層の弾性を利用する、すなわち、材料層を振動するタンクと面するようにさせる。機械的に、又は、外部電界又は外部磁界によって誘導されて、というように様々な方法で、この振動を実現することができる。
【０１７０】
本発明による更なる方法は、回転ディスクの角速度及び方向の変化を利用し、共振回転周波数における振動及びねじりモードの生成を含む。
【０１７１】
更なる方法は、ディスクのチャネル内の乱流を生成するためのコリオリ力の使用にある。
【０１７２】
かわりに、細管に沿って交替される方向における、ディスクの回転速度を変えることにより、流体を循環させることもできる。ディスクの回転速度が減速したときに、格納されたエネルギーを流体に戻すタンク内に圧縮された空気(又は気体)から生成される空気圧力によって、逆方向を容易に獲得することができる。
【０１７３】
かわりに、単純拡散が、(例えば細管内の)微量流体構成部品の適切な配置に、非常に効果的とすることもできる。
【０１７４】
バルブはまた、混合において、能動的な役割を持つこともできるであろう。そのかわりに、同じタンク又は細管内で混合されるべき少量の2つの流体を取り入れることは、インターフェースの表面を増大させ、従って、拡散による混合を増大させる。計量計の出力を使うことによる混合効率の改善の目的のため、複数の流体の短いプラグを、細管内で交替させることもできるであろう。
【０１７５】
バルブによって作動される流体搬送
本発明のバルブは、圧力の大きな差異に耐性があり、かつ気密であるという、注目すべき特徴を有する。それゆえ、一方の側面への空気の過剰圧力又は圧力不足を有し、バルブが開かれた時、その次に急なガス流が続くことが考えられる。
【０１７６】
空気の過剰圧力は、揮発性液体を収容する閉タンクによって、或いはそのかわりに、例えば二酸化炭素のようなガスを放出する一又はそれ以上の構成部品間の化学反応により、用意に成されることができる。更なる実施形態では、閉じ込められたガス体積以上に液体質量を圧縮する求心力によって、圧力を生成することができるであろう。最後のケースでは、求心力が解放されたときに、流体が逆方向への動きを制限するテスラバルブ内に流体を入れることにより、求心力の継続時間よりも長い時間、エネルギーを格納することが可能である。以後、このようなシステムをボトルと呼ぶ。放射エネルギー伝達によって、所定量の水蒸気を作り出すために、例えば水のような揮発性液体を、レーザー光によって加熱することができる。バルブを開くことによる、他の回路へのボトルの接続は、第二の回路内に圧力過渡現象を生み出すであろう。多重化装置接続で、ボトルは、多数の回路の中のボトルと空気圧接続状態にされることができるであろう。バルブが開かれると、ボトルは真空にされる。
【０１７７】
第二の回路内の液体は、出力ノズルと呼ばれる較正細管も接続されて、チップの表面から出ることができる。バルブを開くことにより、液体は、ノズルを通って流れるようにされ、作成される水蒸気の量を調整して、化学薬品の「噴霧」を避けることが可能である。その結果は、チップの表面から出る平行液体ジェットである。
【０１７８】
サンプルディスクの出力ノズルに対応する入力ノズルを持つ、受容ディスクと呼ばれる他のディスクの上に、サンプルディスクを積むことができる。入力ノズルは、細管に接続された孔であり、液体を集めることができる。代替として、ベンチュリ効果により液体を細管内に吸い上げる、又は、圧力不足の真空ボトルに液体を装置内に吸引させることによって液体を吸い上げるために、受容ディスク上の他のボトルを使用することもできるであろう。微量タイタープレート、異なる機能を持つ微量流体装置、分析機器、又は流体特性(例えば、流体の温度)を変えることを意図された任意の装置、のような異なる形状及び目的を持つ装置へ、又はそのような装置から、流体を移動させるために、同じ方法を使用することができるであろう。混合の結果として過渡的な流体の流れを生成するために、制御され、かつ望まれた手法で放出されることのできるエネルギーをバルブによって格納する技術を使用することができるであろうことに、注目すべきである。
【実施例】
【０１７９】
以下の実施例は、幾つかの構成部品についての特定の選択、及び上で説明した幾つかの変数についての特定の値を持つ、本発明の方法及び製品を例証するために、提供されたものである。上で説明したように、これらの特定の実施例について多くの変形が可能である。これらの実施例は、単に例証にすぎず、本発明を限定するものではない。
【０１８０】
実施例1
図7に示すように、本発明による合焦のためのオプティカルフィードバックを実装して、材料層701上の正しい位置調整を評価する。図7を見ると、オプティカルフィードバックは、(基盤上に入射する光に使用されたのと同じ光学システムによって)材料層701から反射された光の数パーセントを遮る単純ガラス702(厚さ約0.199mm)を利用する。材料層701からの光は、48mmの焦点距離の対物レンズ705を通って、CCD706上に像を映し出す。CCD706は、材料層701上のレーザースポットの実際の形状を記録し、さらに、材料層の表面、及び、例えば材料層知覚の流体に浮くビーズも映し出すことができる。
【０１８１】
非点合焦の使用により、オプティカルフィードバックを実現することができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。機構内の集光レンズの焦点距離(現在3.1mm)と、CCD対物レンズの焦点距離(48mm)との比により、レーザー接合映像を拡大又は縮小できることが、さらに本発明の技術的範囲内で意図されている。CCD706はまた、約20Xの倍率で、0.3μmの画素解像度を持つ約200x150ミクロン領域で、材料層701からの映像を記録する。本質的に、合焦フィードバックに関連する速度問題(焦点のロック及び追跡)のため、CCD706を、ダイオード(同じシステムで非点合焦もまた実行するために、おそらく2x2行列のダイオード)で置き換えることができることが、本発明の技術的範囲内で意図されている。
【０１８２】
ディスク又はチップのような微量流体プラットフォームで動作するとき、このフィードバック方法によって、3つの面を検出できることが明らかである。この3つの表面とは、プラットフォームが大気と接する側面の外部表面、プラットフォームが細管(又はタンク)内に収容された流体(気体又は液体)と接する側面の内部表面708、及び、流体と材料層701との間のインターフェース710である。このインターフェース710は、合焦のために使用され、検出される。非常に限られた透明度(厚さ10マイクロメートルの材料層、及びPMMA内の重さで濃度1%のEpolight2057染料において、0.02%が測定された透過率である)のため、材料層701の後ろにあるいずれも、レーザー光の反射に影響を及ぼすことはないが、伝送モードで検出可能なだけである。
【０１８３】
低い影響力で作動して、段階的な基盤融解、及び材料層701の変更を、同じシステムで映し出すことができることが確認されて、そのため、実験的に、楕円スポットの様々な部分の光密度及び温度を評価する。
【０１８４】
この概念を拡張して、本発明によるバルブが開かれているか、いないかを検出することが可能及び容易であることが確認された。レーザースポットが正しく焦点を合わせられたとき、レーザー輻射にさらされた全域が融除され、材料が全く残らず、フィードバック光学システムによって、焦点を合わせて光を反射する。材料が完全に融除されなかった場合には、光路内に残った材料層701を形成するポリマーが、容易に測定される反射を作り出す。
【０１８５】
本発明のバルブが正しく開いているかどうか、又は開かれていないかどうかをリアルタイムで判断し、ことによると、必要な場合には、(例えば、ディスクの次の回転において)開放ステップを繰り返す。バルブの再現性が1/1000より良いことがわかり、これは、1000以上のバルブのうち一以下のバルブが、(光学検査により検証された)流体経路内に問題を持つ可能性があることを意味していた。オプティカルフィードバックは、本発明のバルブの動作の品質保証に備える。
【０１８６】
ショットのエネルギーを固定して、所定の出力で対応する固定時間の間穿孔するのではなく、フィードバックによるレーザー発光を変調することが可能であることがわかった。レーザー光は、消滅した材料層からの瞬時反射光以下に維持され、次に、レーザーはオフに切り替えられた。有利なことに、オプティカルフィードバックは、レーザー照射を最小にまで減らし、従って、システム内に入るエネルギーの量を減らして、サンプルの破壊又は変質を最小化することを可能にした。レーザーMTTFは、照射時間とともに著しく増大するレーザー接合の温度に関連するので、オプティカルフィードバックを使って、このレーザーMTTFを著しく改良することができた。オプティカルフィードバックを使って、レーザーのピーク出力を増大させ、平均ショットパルス長を減らすことが可能であった。これは、(その直径が、パルス時間長の平方根とともに変動する)熱透過領域のサイズをさらに減らすことが可能であった、すなわち、バルブが正しく開かれていることもまた保証した。
【０１８７】
実施例2
本発明による光学機構の性能は、以下の実施例で特徴付けられることができる。その光学構成は、CDレンズ後、その瞳孔全体にわたって一体化されるビームのエネルギーが、合計、1.6Wの光出力に対応する10μsで放出される16μJとなるようなものである。予想されるように、6.2Wの最初のレーザーダイオード出力は、光学機構内のコリメーション、整合、及び反射のため、低下した。
【０１８８】
Epolight2057を充填した、Microchem製のPMMAの8μmの材料層が、CDレンズの焦点上に置かれ、第一のショットが作成されたとき、材料層の後ろに配置された高温計上の基盤から、ほぼ6.7μJしか生じなかった。従って、約4%であると予想される反射を無視すると、残りの8.4μJがサンプル内に堆積された。参考文献のように、エネルギーが、1マイクロリットルの水のサンプル内に均等に堆積された場合には、その温度は、ほぼ0.0018℃しか上昇しないであろう。しかしながら、そのエネルギーは、バルブ領域(3pL)に対応するポリマー体積を融解するのに充分であり、それは7.5μJと計算された。
【０１８９】
同じ位置の第二のショットは、全てのビームエネルギーが材料層の裏側にある計量計で測定されることを示していた。この測定は、全ての光がバルブ表面上に集中されることを示し、かつ、光が基底バルブを通過しないので、材料層がこれ以上エネルギーを吸収しないため、ショットの継続時間を増大させることがサンプル内にエネルギーを放出させることにはならないことを示していた。
【０１９０】
図8に示すように、これらの上記の結果が、DVD光ピックアップが使用されたDVD構成に対応するデータと比較された。この場合、光学構成は最適化されず、調整不良、収差、及びコマのため、レーザーエネルギーの一部は、集中スポット内の材料層上で視準されなかった。この場合、ビームがまだ、低エネルギー密度で気化しない材料層にあたっているので、全ビームエネルギーが格納されるわけではなかった。
【０１９１】
実施例3
本発明によるレーザーの性能を、以下の実施例を参照して、さらに理解することができる。使用されたレーザー発光源は、ナノスタック技術を有するOSRAMのSPL PL90_3であった。ナノスタック技術は、半導体チップ上の多数の別々のエミッタの「縦型」又はエピタキシャル統合にあり、これは、最大出力の2〜3倍の増大を作り出す。特定のダイオードは、100nsパルス長に制限された時ほぼ75Wの光出力に達する3つの重なったエミッタからの、200×10ミクロンの開口を示す。CWモードで、!0A及び5Aにおいて、20ns〜1μsの動作有効時間をカバーすることのできる、DirectedEnergyInc,製のDEI PCX7410ダイオードレーザードライバーにより、ダイオードはパルス化される。10A以上でその動作有効時間に到達するためには、DEI PCO 7120ハイブリッドOEMドライバーが用いられた。パルス電圧及び電流は、Tektronix TDS2014で監視されて、ダイオード上で電力を再構成し、ダイオードの仕様に基づいて、その光出力を推定した。
【０１９２】
集光レンズ、及び対物レンズの双方とも、(光ディスクシステムにおいて使用されるような)非対面レンズから選択することができ、かつ、ガラス多重線は、近赤外領域(700-1100nm)で動作するように最適化される。入射ビームは、半反射ウィンドウによりビームを遮断する、レーザーダイオードドライバーで起動されるMelles Griot(MG)wincamD CCDにより監視される。ビームは、対物レンズ内で平行化され、様々なLongitech QC 4000 Pro CCDにより調整され、これらのCCDは、対物レンズ上のビームスポットのサイズ、サンプル上の衝突点、及びサンプルから逆向きに反射された光を監視した。
【０１９３】
好ましい構成では、対物レンズは、電流制御によって2つの軸に沿って動かすことのできるボイスコイルアクチュエーターを持つCDレンズである。この構成は、光学条件の最適化を可能にし、かつ、レーザービームが最適な構成であることのショット検証によるショットを許可し、また、図9に示すような、サンプル上でナノスタック構造を示すレーザーダイオードエミッタの刻印を許可した。ナノスタック構造は、実験で使用されたPL90-3レーザーダイオードの3つの放出接合に対応する3つの重なり合った狭いスリット901、902、及び903のように見える。試験対象のサンプルは、ほぼ20μmの厚さの使い捨てバッグからのポリエチレン(PE)フィルムであった。フィルムは、カーボンブラックの高い充填で特徴付けられた。サンプルは、6.5mm対物レンズ(NA=0,615)MG 06GLC001、及び25.6mm集光レンズ(NA=0.156)MG 06GLC004で露光され、基盤穿孔の形跡を残す。ダイオードレーザーのパラメーターは、100μ秒のパルス長でI=10Aであって、焦点合わせは、基盤上のレーザースポットを直接観測することなく、前方向への回折リングを観測することによって実行された。パルスの推定光エネルギーは3μJ以下であり、この3μJは、ダイオードの温度、及びこの特定のパルス長領域において、このダイオードについて生じると予想される出力減衰に依存するものであった。光の殆どは、基盤の後ろで検出され、かつ、サンプル材料によって吸収されないことがわかった。
【０１９４】
穿孔の入口孔1001を図10に示す。穿孔の出口孔1101を図11に示す。入口孔と出口孔の間のピッチは、平均で短軸について約52ミクロン、及び長軸について57ミクロンの推定値に備えるほぼ174ミクロンである。
【０１９５】
実施例4
ほぼ950,000ドルトンの分子量を持つMicrochem製のPMMAの溶液は、アニソール内に11%で溶解していて、結果として生じるフィルムの剥離のために処理されるシリコン基板上をスピンコートした。フィルムは、約20℃で、ほぼ24時間乾かされた。スピンコーティング技術は、4インチのウェハー上のほぼ1ミクロンの一様な厚さを持つフィルムという結果になった。第一ステップで測定された表面租度は、ほぼ39.6nmの平均租度値であり、ほぼ53.8nm二乗平均租度であった。PMMAフィルムの力学的性質は、その赤外光に対する全透過性によって適合され、そのため、レーザーへのその露光は、全く観測可能な影響をもたらさなかった。
【０１９６】
American Dye Source Inc.の赤外染料ADS905の重さに対してほぼ0.5%の充填で、更なるPMMAフィルムが作成されて、その吸収スペクトルを図12に示す。そのフィルムは、視覚検査では光学的に完璧であったが、微細分析は、染料がPMMA内に均一に溶解されていないことを明らかにした。微細分析時、染料は、「乳濁液」形の一種であるか、又は図13に示すような不均一な小球1301として分散されていることがわかった。この均一性の欠如にもかかわらず、観測可能なレーザー光は、染料充填フィルムを通して全く搬送されなかった。
【０１９７】
40Aでの100nsの単一レーザーショットへの露光時、染料充填フィルムは、染料小球内にエネルギー損失を生み出す。表面上の不均一小球1301がしばしば破裂している間、この露光での浸透は、全く生じなかった。
【０１９８】
1KHzの周波数での、実施例3で示すような構成を持つ複数のレーザーショットへの露光時、目に見える浸透が観測された。このような浸透は、20ミクロンのサンプルの深さを達成しなかったが、しかしながら、レーザー光が、ポリマー箔を通して搬送され始める。ことによると、この搬送は、照射領域内の染料吸収の悪化を示している。如何なる特定の理論にも縛られることなく、この結果は、熱生成、及びその後の染料分子(C62H96N6SbF6)の熱劣化によるものと考えられる。
【０１９９】
10μsの継続時間、及び10Aの電流の単一レーザーショットは、正確に焦点わせられた時のみ通過する開口を作ることができることがわかった。本実施例のようなレーザーショットを作り出すために使用されたレーザー機構は、小さい出力での手動の書店合わせを必要とし、そのレーザー機構内で使用されるような実験室級の25.6mmの集光レンズを利用した商用CDピックアップの対物レンズを利用した。孔の直径は、約20〜25ミクロン(短軸)×約30ミクロン(長軸)であった。孔の形状は、入口側面上に、レーザーの口径形状の記憶を示した。このレーザー形状の記憶は、問題でもなく、限定でもない。レーザーの焦点合わせが完璧でないとき、その孔は、しばしば通り抜けではないことがわかった。レーザーショットを20マイクロ秒まで増やすことは、通り抜けをもたらすのに充分であろうことも、またわかった。レーザーが正しく焦点を合わせられたならば、これらの条件における穿孔には、10Aでの10μsのレーザーショットで充分であり、光学染料は均一に分散され、材料層は約8ミクロンであると、結論付けられた。
【０２００】
実施例5
以下の実験は、VLV(仮想レーザーバルブ)を開くことによって誘導される、様々な生体サンプルへの損傷を最大化するために設計された。これは、以下の方策で実現された。所定体積の流体内のバルブの数を最大化し、その試作品/製品について予想されたエネルギーよりも著しく高い値までレーザーショットエネルギーを増大させ、VLV損傷にさらされない/VLV損傷に影響を受けない、実験で使用される生体サンプルの量を最小化し、かつ、仮定の正しさを評価し、実験の整合性を検証するための様々な手段(冗長性、較正サンプル、及び統計的試験)を持つ。
【０２０１】
第一の対物レンズは、大きいVLV密度、及び、短時間(30分以下)で多数のVLVを開く能力を含む。100VLV/mm2から600VLV/mm2の間の行列が作成されて、最後のバルブは、既知のパラメータ範囲内のレーザーで基盤が破壊(切断)される状態に対応していた。
【０２０２】
すべての実験の間、レーザーパラメーターは、160μJの光エネルギーを生み出す100μsのショットに等しく維持され、これは、充分な余地をもって穿孔するのにほぼ充分であった。
【０２０３】
サンプル内に既知の濃度で混合された蛍光ビーズは、殆どの実験において、希釈の定量チェック、及びサンプル復元効率のために使用された。
【０２０４】
サンプルは、実験チップ内部、及びいわゆる「落下」構成、の2つの主要構成で示された。すべてのケースにおいて、材料層は、厚さ及び染料充填について同一であった。
【０２０５】
ビーズ、及び較正サンプルについての生体測定について独立して、較正サンプルを平均化し、1(100)に正規化する固有の手法で、データは提供された。どの結果も、サンプルがバルブの作用を受けた時に収集された材料を、バルブの作用を受けていない対応する基準サンプルで割った相対量として表現された。「損失」という語は相対差異(REF-VLV)/REFに対応し、それは、生体損失又は損傷の場合、正の数であり、作用を受けたサンプルが基準サンプルより多くの材料を有する場合、負の数であった。
【０２０６】
プロインシュリンとの接触を除いて、50ビーズ/μLの濃度を実現するために、最後の希釈の後、1マイクロメートル直径のYCカルボキシル化された蛍光ビーズ(USA,PA,WashingonのPolysciences製Polybeads)をサンプルに加えた。チップ内部のサンプルを定性的に検証するため、及び、蛍光顕微鏡によってチップのすすぎ水を監視するために、ビーズはまた使用された。負性サンプルと同様に、較正サンプルも、標準の希釈技術によって生み出された。
【０２０７】
この実施例により使用される実験チップ1400を、図14に示す。2つの側面の調整不良、及び、一方の側面が蛍光ビーズで満たされるという事実は、深さについて、その構成を解きほぐすことにおいて役立つ。図14に示すように、内径0.19又は0.25mmのタイゴン管を通して約5μL/minで動作する(示されていない、Ismatec製の)蠕動ポンプによって、サンプルを、吸入口1401内に満たした。前の実験は、管がサンプルへの損傷を誘導しないことを示していた。各実験において、相互汚染を避けるために、新しい管を使用した。殆どの場合、チップ1400は、気泡のない流体で満たされ、気泡が存在する少数の場合、顕微鏡上に取り付けられたカメラで取られた映像についてとった測定値によって、実際の流体体積が修正された。チップ1400の一方の側面のみ、この場合、第一の側面1402が、流体で満たされた。
【０２０８】
満たす手順の重要な要件は、全ての流体(サンプル)がチップ1400の入口1401及び出口1402から取り除かれることを確実にすることにあった。これは、ピペットで取ること、及び、接続タンク内にビーズが全く存在しない蛍光顕微鏡使用法での後の検査、によって実現された。流体が検出された場合には、蛍光ビーズがなくなるまで、それは、タンクからピペットで取られた。チップ1400の規格容量の決定は、それ自身で、非常に難しい。チップ1400の設計のため、液体で満たされたタンクは、ほぼ3000×1400×50μmの規格容量を有した。
【０２０９】
チップ1400の設計の結果として、2つの望ましくない現象が生じる。一方の側面上で、流体上のポンプによって生成された圧力が、非常に大きく(反応装置の断面と入力細管の断面との間の比率が約80Xで、これは、反応装置内の基盤上に加えられた力が、細管内の基盤に対して80X以上であることを意味する)なり得るということである。さらに、材料層が深さについて10μm移動することは、タンクの規格容量の20%の変化を定める。入口圧力が加えられるとき、満たす過程の間、基盤が移動することが明らかにされた。この基盤の動きのため、大きな圧力が材料層上に加えられて、そのため、材料層は、逆側の側面の表面に接触させられ、規格容量の約2倍のタンクの絶対容量を定めるようにされる。2つの満たす操作において、サンプルを全く同じように取り扱うことに、注意を払った。
【０２１０】
チップ1400が、仮想レーザーバルブ(VLV)の作用を受けない時、すすぎ手順は、50μLと400μLとの間の量の緩衝剤をチップ1400内に移すことによってサンプルを取り除くこと、から構成された。入口1401に正の圧力を加え、出口1404から流体を集めることにより、緩衝剤が挿入された。すすぎの処理は、典型的には、これらの一連の操作によって行われたが、チップ1400の流体が完全に空になったとき、数分で分離されるものであった。細管の断面積のため、すすぎの速度は、1分あたり約50マイクロリットルに制限された。細管において、この流れは、0.3m/s(1km/h)の流体速度に対応する。チップ1400内の流体速度は、かろうじて0.4cm/sに達し、これは、流体のビーズ含有量の1桁降下を観測するため、及び生体サンプル濃度についても同様に観測するために必要な長いすすぎ処理(30分から1時間)を説明していた。
【０２１１】
作用を受けるためのチップ充填は、較正充填とできるだけ同じに保たれ、ビーズ含有量の分析において同じ基準を適用した。
【０２１２】
VLV露光は、幾つかの場合ではレーザー方向の「下り方向」において、及び、幾つかの場合では「上り方向」において実行された。
【０２１３】
４つの全ての入口が流体伝導状態であるので、VLVの作用を受けたチップ1400のすすぎは、前に説明したものとは異なるものであった。出口1404接続は、蠕動ポンプ(独立したチャネル)に接続され、緩衝剤を提供された。流体速度は、10μL/分から約40μL/分の間に保たれた。
【０２１４】
ビーズが存在する実験では、各最終eppendorf管からの1μLの2滴がとられ、ラベルの貼られた顕微鏡スライド上に置かれた。その液滴は、徐々に蒸発することが可能であって、その結果、液滴内に含まれる全てのビーズが、小さい計量計内部のガラス平面上に集められた。ビーズの映像がとられ、Scionソフトウェアパッケージによって、その数が手探りで数えられた。両方の液滴とも、処理における可能性のあるエラーをチェックするための分析において、体系的に使用された。
【０２１５】
液滴実験の説明
前の実験手順の分析は、サンプルの準備、流体処理用のニ滴の準備、一滴のバルブ露光、二滴収集、ビーズ測定、及び生体処理から構成される簡易実験により、系統的誤差を取り除くことのできる可能性を示した。
【０２１６】
液滴露光は、チップ実験とともにしばしば行われて、濃度分析によってその結果を検証した。この理由のため、サンプル準備は、予想結果を「平準化する」という事前の対応策と同じであった(同じ最終濃度)。
【０２１７】
二滴の準備は、その角でガラス枠に取り付けられた4×4mm2の一材料層上に、1μLの液滴を置くことから構成された。角は、わずかな水滴によってガラスに取り付けられて、これは、二つの表面間の引力を生み出した。サンプルの液滴は、円形であり、その先端で堆積された。この方法を使って、液滴は、材料層の端に決して到達せず、また如何なる他の材料にも到達しなかった。同じ緩衝剤/サンプルで作られた全ての液滴は同じであり、その形状を定める一貫した接触角で材料層に付着されたことに注目した。しかしながら、生体サンプル、その濃度、及び緩衝材流体が、液滴形状についての多様性を生じさせることがわかった。液滴は、水緩衝剤内で7μg/μLのプロインシュリンの場合、約2mm2の接触領域を持ち、約1E〜6Ecoli/μLの濃度の大腸菌培養媒質では、約1mm2の接触領域を持った。
【０２１８】
一滴の露光は、二滴のうちの一方を任意に選択し、それをレーザー輻射に露光することから構成される。液滴表面は、実質的に液滴体積に比例する(1〜2〜3μLの液滴、及びカメラ映像で試験された)ので、利用可能な領域で与えられる、開くことのできるバルブの最大数に、全体的な制約が存在した。
【０２１９】
二滴収集は、液滴を持つ材料層サンプルをガラス枠から取り除き、各サンプルをeppendorf管内に置くことから構成される。その材料層は、非酸化クランプによって管内ですすがれ、各露光の前に厳密に洗浄されて、相互汚染を避けた。最終eppendprf管は、体積50μLから400μLの間の緩衝材を収容し、そこに、基盤が浸された。
【０２２０】
実験手順はビーズで試験されて、VLVを開いた後、流体が開口内に入り、VLV体積を満たしたことに注目した。表面張力は、流体が液滴と反対側の表面を濡らさないように防いだ。
【０２２１】
上の手順を使って、実験は、仮想レーザーバルブの影響を受けた耐アンピシリン大腸菌(E-Coli)バクテリアの生存可能性を試験することを目的とした。バクテリアは、試験目的のため、溶液で提供され、また、評価のため、溶液で戻された。戻されたサンプルの各々について、異なる希釈で、三倍平板培養が実行された。最初のバクテリアの濃度は、培養緩衝剤内で、約5E5 E-Coli/μLで保たれていて、そのサンプルは、濃度50ビーズ/μLで、同じ緩衝剤内でビーズと混合された。
【０２２２】
図14に示すようなチップ1400と同様な実験チップは、2000×2000μm規格の反応器を有した。詰まりの形跡なく、チップ1400は満たされ、関連ステップのいずれにおいても、実質的に全く気泡は明らかでなかった。すすぎの方法は、サンプル内のビーズ/E-coli含有量を観測及び測定するための、100μLごとの4つのすすぎステップにあった。
【０２２３】
液滴実験は4倍で実行されて、材料層は、分析に送られる前に、eppendorfから取り除かれた。2つの較正サンプルに加えて、2つの負のサンプルがデータセット内に存在した。310nLの容量(規格)、及び完全なすすぎという仮定において、チップ実験の同じコロニー数を生成するために、較正サンプルは希釈された。
【０２２４】
以下の表1に示すように、両方の列について、較正と較正IIとの平均にデータを再正規化した。一列の期待値に対応する数は、それぞれ、181.5コロニー、及び43.3ビーズである。
表1
2006508790.tif 000003
【０２２５】
コロニーは、異なる濃度で、2倍に平板培養され、両方のプレートとも一致した。同じパラメータがビーズに適用された。
【０２２６】
較正しいサンプル、及び負のサンプルとも、ビーズ及びコロニーの集計に関して、完全に互換性があった。ビーズの集計は、ほぼ50ビーズを含む2滴の平均から生じるので、10%の統計的誤差が予想された。
【０２２７】
NOVLV液滴は、更なる較正サンプルと見なすことができた。コロニーの観点では、平均が89%であったのに対して、ビーズの観点では、平均が101%であった。
【０２２８】
チップすすぎのデータを図15に示した。サンプルは、157μLのすすぎ崩壊定数に変換された100μLのデータポイントを参照する。ビーズとコロニーの間に著しい差異はなく、これは、すすぎが、すすがれる粒子の形式とは独立していることを示唆していた。7%より少ないサンプルがチップ内に残ると予想され、この量は、実験誤差より小さいので、結果として修正はなかった。
【０２２９】
チップの物理体積は、チップを映像化することによって見積もられ、ほぼ520nLであることがわかった。この体積は、側面上の細管、及び基盤湾曲を含んでいた。その体積は、167%に対応した。チップからの全集計は、以下のようである。
全参照データ              185.67%
全参照ビーズ              173.41%
全VLVデータ               145.45%
全VLVビーズ               124.86%
【０２３０】
NOVLVデータの期待値をうまく一致させる。損失の測定値は、VLV/NOVLVの比率から生じ、ビーズについて28%の損失、及びバクテリアの22%の損失に対応していた。ビーズ及びバクテリアの生存可能性の減少は、ビーズと同様にE-Coliが損傷を受けることを示唆していた。この結果は、液滴実験によって、独立して検証された。露光されなかった液滴と露光された液滴との間の比率が、E-Coli及びビーズの両方について、図16に図表で示されている。
【０２３１】
データは、液滴が露光されたときの、ビーズの10%の一貫した損失を示していた。E-Coli損失は、露光されなかった液滴に対して、露光された液滴には、平均して15%少ないE-Coliが存在しているという点で等価であった。どの10Xバルブも、チップ内部では0.7nL未満、液滴実験では0.9nL未満だけ、サンプルを減らすようだと結論付けられた。従って、E.Coliについては0.83nL/バルブ、及び、ビーズについては0.79nL/バルブの損失があった。
【０２３２】
実施例5
仮想レーザーバルブによる損傷に対するアンピシリン耐性をコードするDNAプラスミドの耐性が利用された。この耐性は、同じ材料でトランスフェクトされた後の、細胞のアンピシリンに対する耐性を測定することによって定められた。高濃度のサンプルDNAは、TE緩衝剤で提供され、そのサンプルは、濃度50ビーズ/μLのビーズと混合された。この実施例で使用されたチップは、2000×2000μMの規格反応器であって、そのすすぎ方法は、400μLごとの2つのすすぎステップから構成された。液滴実験は3倍で実行されて、基盤は、分析のために送られる前に、Eppendorfから取り除かれた。使用された全てのサンプルは、400μLの緩衝剤体積ないで希釈された。
【０２３３】
較正サンプルと同様に、負のサンプルもデータセット内に含まれていた。較正サンプルは、希釈されて、チップ実験及び310nLの体積(規格)の仮定の同じコロニー数、及び、完全なすすぎを生み出した。
【０２３４】
以下の表2に示す次のデータは、上記の実施例で示した一般的な手順により、較正サンプルに再正規化されたものであった。較正サンプルについての対応する集計は、トランスフェクトされた細胞の336コロニーである。トランスフェクションは2倍で実行され、「較正」、「NOVLV チップ1」、「VLV 液滴1」、及び「NOVLV 液滴2」の場合、2倍でのトランスフェクションが、一瞬の間に繰り返された。
表2
2006508790.tif 000004
【０２３５】
負のサンプルは、予測値と一致した。さらに、チップのすすぎは、100μLではなく400μLの容積で実行され、第二のすすぎのステップにおけるデータは、前のデータからの予測値と一致した。
【０２３６】
チップの物理体積は、チップを映像化することによって、表2で示された尺度で165%と見積もられ、チップについての全集計は以下のようであった。
全参照データ              312.20%
全VLVデータ               200.89%
【０２３７】
注目すべきことに、露光されなかったチップから抽出されたDNAの量は、予測値の約2倍であった。トランスフェクション効率の変化の仮定は、較正サンプル、及び最高点(NOVLV チップ1)について同じ時間行われる、トランスフェクションステップの繰り返しによって、捨て去られた。
【０２３８】
露光された液滴と露光されなかった液滴との間の額面値の比率は、DNAの35%の損失を指し示しているが、しかしながら、露光されたサンプルは、チップの幾何体積からの予測値と一致するコロニー計数率を有する。
【０２３９】
液滴実験の結果を、図17に示す。その平均結果は、3%の損失を示唆している。
【０２４０】
実施例6
この実験は、一VLV液滴、一NOVLV液滴、及び7μg/μLの人間プロインシュリンの1μLの較正サンプルを作成することにある。基盤上の液滴は、50μLの緩衝剤内に浸された。先端の材料との流体の親和力が、予想より著しく高かったので、先端が使用された蛋白質の動きで、幾つかの問題が経験された。パラフィルムを持つ液滴の裏面の可能性のある接触を避けるために、液滴露光は変更された。最終eppendorf管が分析に送られ、まだ、露光された基盤サンプルを含んでいた。その過程において、ビーズは全く使用されなかった。
【０２４１】
ほぼ1.3μLのサンプル溶液が、HPLC注入のために使用されて、各eppendorfについて、HPLCは3倍で実行された。ピーク形状が分析されて、3つのサンプル間の差異の証拠は、全くわからなかった。サンプル蛋白質の変質又は変更が全く生じなかったようであった。四電極MSを使って、更なる分析が実行されて、HPLC結果を裏付けた。
【０２４２】
実施例7
様々な材料、厚さ、及び吸収特性の基盤についての穿孔限界を見つける目的で、異なるレーザーパルス長によってショットエネルギーを変えることにより、基盤充填最適化を検討した。効率的な光収集、及び、焦点合わせの正確さのため、その機構は実質的に最適化された(基盤からの近反射光の分析による焦点のCCD画像)。限界条件が求められると、同じレーザー源であるが、より小さい輝度のものを使い、ドイツのLasertechnik Berlin製のPEM100高温計によって伝播エネルギーを測定して、様々なサンプルについての光の吸収測定がなされた。そのデータを以下の表で公表するが、それは、フィルム穿孔を観測するのに必須の(同じ条件での)最小レーザー継続時間を含んでいる。最小レーザー穿孔条件は、基盤の吸光率、及びレーザーエネルギーに基づく予測値と定性的に一致しており、レーザースポットのサイズは、すべての実験において同じである。
【０２４３】
以下の表は、吸収特性と穿孔条件との間の相関関係を示している。形式及び濃度について様々な材料、及び様々な染料は、同一条件でのレーザー発光のパルス継続時間を減少させることによる輻射の輝度の減少を受けやすかった。穿孔のための最小インパルス時間が求められると、同一材料の染料を一度充填したものと、染料充填していないものとで、(層の穿孔、又は染料の損傷を避けるために、厳密に減らされた)レーザー輝度を比較することにより、伝播測定が実行された。材料及び染料充填の両方が、同一照射条件において、穿孔限界に影響を及ぼすことが、以下の表から明らかである。
表3
2006508790.tif 000005
【０２４４】
本発明のバルブ調節装置が、求心力に依存した回転プラットフォームで説明されるが、バルブ調節を使用することが望ましい場合には、そのようなバルブを如何なる微量流体装置上でも使用できることを、当業者は理解するであろう。同様に、例えば、レーザーダイオードバーによって、より大きいバルブおける全レーザー輝度を増加させることで、本発明のバルブ調節装置を、より大規模の分析装置に適応させることができることが、さらに理解されるであろう。同様に、ナノテクノロジーの領域において、より小規模の装置に対してさえも、バルブ調節技術を適用することができることも、当業者は理解するであろう。実際には、電磁放射を回折限界スポットまで下げることができることが明らかであり、バルブは、照明スポットの一部となり得るであろう。ナノメートルの範囲でのバルブは可能であり、これは、含まれる材料層の分子構造と適合する。
【０２４５】
本発明の装置内の材料層は、特定の分光特性を持つ染料を利用するが、望ましい吸収特性を持つ他の化合物、又は粒子を、材料層を穿孔するために電磁輻射を獲得するのに使用することができることを、当業者は理解するであろう。望ましい吸収特性を持つフィルム又は層もまた、電磁輻射を獲得するために使用できることも、さらに理解されるであろう。
【０２４６】
材料層を穿孔するために、本発明の装置内で電磁輻射を使用するが、このような電磁輻射を、バルブ調節目的のために使用された結晶構造を昇華、又は溶解させるために使用することができることが、当業者に理解されるであろう。
【０２４７】
本明細書内で使用される本発明のバルブ、及び実施例は、流体のバルブ調節に関するものであるが、気体、又はガス状液体をバルブ調節するために、本発明のバルブを使用できることを、当業者は理解すべきである。同様に、例えば、宇宙空間応用例における燃料電池、推力制御、燃焼のための混合制御、のような多くの適用例が、本発明のバルブ調節技術を利用できることが、さらに理解されるであろう。
【０２４８】
本発明の二、三の実施形態をここで説明して、前述は、単に例証にすぎず、限定的ではなく、例のみによって与えられたものであることが、当業者には明らかなはずである。多数の変更、及び、他の実施形態が、当業者の範囲内であり、本特許請求の範囲及びその等価物で定められる本発明の技術的範囲内に入るものとして意図される。本出願全体にわたって挙げられるどの参考文献の内容も、引用により本出願に組み入れられる。本発明、及びその実施形態のために、それらの文書の適当な構成部品、処理、及び方法を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２４９】
【図１Ａ】本発明によるディスクを構成する構成部品を示している。
【図１Ｂ】材料層の両側の微量流体構成部品を可能な構成で示した、本発明によるディスクを構成する構成部品を示している。
【図２Ａ】各上側面、及び下側面内の微量流体構成部品が材料層で分離される、本発明のディスクの一部を示している。
【図２Ｂ】各上側面、及び下側面内の微量流体構成部品が材料層で分離され、その下側面の微量流体構成部品が流体、又はサンプルを収容する、本発明のディスクの一部を示している。
【図２Ｃ】各上側面、及び下側面内の微量流体構成部品が材料層で分離され、その下側面の微量流体構成部品が流体、又はサンプルを収容し、材料層が電磁輻射によって穿孔される、本発明のディスクの一部を示している。
【図２Ｄ】各上側面、及び下側面内の微量流体構成部品が材料層で分離され、その下側面の微量流体構成部品が流体、又はサンプルを収容し、材料層が電磁輻射によって穿孔され、求心力によって、サンプルが、下の微量流体箱から上の微量流体箱へ移動する、本発明のディスクの一部を示している。
【図２Ｅ】各上側面、及び下側面内の微量流体構成部品が材料層で分離され、その下側面の微量流体構成部品が流体、又はサンプルを収容し、材料層が電磁輻射によって穿孔され、求心力によって、サンプルが、下の微量流体箱から上の微量流体箱へ移動する、本発明のディスクの一部を示している。
【図３Ａ】本発明のバルブの多重性の幾何学配置を示している。
【図３Ｂ】3つの異なる流体を適量に分け、様々な反応装置内に集める実施形態における、多重化装置、及び計量計の組み合わせた使用を示している。この例証の実施形態は、特定基質の酵素作用による薬品化合物の抑制を均一な方法で試験する、酵素分析の処理制御を図式的に説明している。
【図４】本発明による自己測定実施形態を含む、本発明のディスクの半分の部分を示している。
【図５Ａ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にある、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｂ】サンプル計測箱内の、計測されるサンプルが、流体が出ることを可能にする手法でバルブ調節される、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｃ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にあって、次のサンプル箱内の既知量の計測に備えるメニスカスを含む、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｄ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にあって、次のサンプル箱内の既知量の計測に備えるメニスカスを含む、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｅ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にあって、次のサンプル箱内の既知量の計測に備えるメニスカスを含む、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｆ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にあって、次のサンプル箱内の既知量の計測に備えるメニスカスを含む、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図５Ｇ】計測されるサンプルがサンプル計測箱内にあって、次のサンプル箱内の既知量の計測に備えるメニスカスを含む、本発明による自己計測実施形態を示している。
【図６】本発明による逆流の実施形態の、概略的な描写である。
【図７】本発明による光フィードバックを示す、概略的な描写である。
【図８】材料層の穿孔の後、通過するエネルギーの伝送のグラフ描写である。
【図９】サンプル物体上のレーザーダイオードのナノスタック構造を示している。
【図１０】サンプル物体上に放射されたレーザービームの穿孔の入口孔を示している。
【図１１】サンプル物体上に放射されたレーザービームの穿孔の出口孔を示している。
【図１２】穿孔層内に混合された赤外染料の波長吸収スペクトルのグラフ描写である。
【図１３】材料層内の赤外染料の分布を示している。
【図１４】生物学実験内で使用される微量流体チップを示している。
【図１５】生物学実験内のチップすすぎデータのグラフ表示である。
【図１６】露光されなかった液滴と、露光された液滴との比率のグラフ表示である。
【図１７】液滴実験の結果のグラフ表示である。
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【図３Ａ】
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【図４】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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