(57)【要約】本発明は、マイクロ処理制御に使用されるコンポーネントであって、少なくとも１つの処理制御マイクロ流体要素（４）およびマイクロ流体チャネル接続部（９）を備え、マイクロ流体要素（４）を包囲する断熱性のハウジング（１）が設けられたものに関する。このマイクロ流体チャネル接続部（９）は、ハウジング（１）を介して案内される。個々のハウジング（１）を連結するための連結要素は、それぞれ整列したマイクロ流体チャネル接続部（９）が密封状態で相互連結可能なように、ハウジング（１）に配置される。マイクロ流体要素（４）は、接続ブロック（３）と熱輸送ブロック（２）の間に差し込まれ、熱輸送ブロック（２）および接続ブロック（３）の温度、すなわちマイクロ流体要素（４）の温度が制御可能である。個々のハウジング（１）を相互連結するための連結要素は、ネジ山部（２２）を含むコニカルスクリュー（２１）および円錐状テーパ部（２３）を有する。コニカルスクリュー（２１）に適合する穴（１９）を備え、相互接続される第１のハウジング（１）から突出する止めピン（１８）は、止めピン（１８）に適合する第２のハウジングの凹み部（２０）に導入される。この止めピンは、円錐状テーパ部（２３）が止めピン（１８）の孔（１９）と嵌合するように、コニカルスクリュー（２１）によって前記凹み部に強く押圧される。
2006526492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのマイクロ流体処理要素（４）およびマイクロ流体チャネル接続部（９）を備えるマイクロ処理部品であって、該マイクロ処理部品は、断熱性のハウジング（１）内に配備され、前記マイクロ流体チャネル接続部（９）は、前記ハウジング（１）によって貫通され、個々のハウジング（１）を接続するための接続要素は、それぞれ関連付けられるマイクロ流体チャネル接続部（９）が、互いに強固に接続可能なようにハウジング（１）に配備される、前記マイクロ処理部品。
【請求項２】
マイクロ流体要素（４）が、熱伝導性の物質によって本質的に完全に包囲されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ処理部品。
【請求項３】
熱伝導性の物質が、アルミニウムまたは銅であり、ハウジング（１）は、断熱性の物質、特に、たとえばポリアリルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのプラスチック、またはセラミックから構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロ処理部品。
【請求項４】
マイクロ流体要素（４）が、接続ブロック（３）であって、該接続ブロック（３）に配備されるマイクロ流体チャネル接続部（９）を備える前記接続ブロックと、温度制御のためのデバイスを備える熱輸送ブロック（２）との間に配備されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項５】
接続ブロック（３）が、温度制御のためのデバイスを備えることを特徴とする、請求項４に記載のマイクロ処理部品。
【請求項６】
マイクロ流体要素（４）の温度が、電気的に動作される温度制御デバイスおよび／または流体熱輸送媒体によって、制御可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項７】
マイクロ流体要素（４）の温度が調節可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項８】
たとえば圧力センサ、流量センサ、伝導率センサ、ｐＨセンサまたは光学センサなどのセンサが、ハウジング（１）内のマイクロ流体要素（４）に配備されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項９】
たとえばバルブ、逆止弁またはポンプなどのマイクロ流体コンポーネントが、マイクロ流体要素（４）および／またはマイクロ流体チャネル接続部（９）に配備されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項１０】
個々のハウジング（１）を接続するための接続要素が、止めピン（１８）を押圧するコニカルスクリュー（２１）を備え、該止めピンは、コニカルスクリュー（２１）に適合する穴（１９）を有するとともに、接続される第１のハウジング（１）から、止めピン（１８）に適合する第２のハウジングの凹み部（２０）に向かって突出し、着脱可能に固定される形態となることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項１１】
ハウジング（１）が、個々のハウジング（１）に対して互いに正の配置となるように、その側面に、突出形状および凹み部を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【請求項１２】
ハウジング（１）が、突出ガイドピン（１６）およびそれに適合する穴（１７）を有する、請求項１１に記載のマイクロ処理部品。
【請求項１３】
ハウジング（１）の底面に、マイクロ処理部品の基板への着脱可能な取付けのためのデバイスを備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロ処理部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つのマイクロ流体処理要素を備えるマイクロ処理部品に関する。
【０００２】
近年、流体技術をさらに小型化することが可能になってきており、マイクロリットル単位またはより少量の流体の使用を制御することは、化学、薬学および生化学分野において研究目的または開発目的のために大いに利用されている。たとえば、極少量の液体もしくはガスの混合、分離、温度制御および解析を補助する、種々のマイクロ反応器要素が開発されている。完全なマイクロ反応システムは、単に非常に効率がよく、かつ化学物質の安価な製造および解析を可能にするだけでなく、この方法で小型化されたマイクロ流体構造を使用することで確立した修正流体力学によって、かつては不可能であった反応プロセスを初めて可能にすることを補助している。
【０００３】
マイクロ反応システムの製造は、個々の構造および接続部の寸法が小さいために、非常に複雑である。マイクロ反応システムは、取扱いが複雑であり、研究室での常用により容易に損傷を受け得る。特に研究施設での需要に対して、モジュラー式マイクロ反応システムが開発されているが、これは、互いに接続可能な個々のモジュールからなり、それぞれが１または２以上のステップのプロセスを含み得る。そのため、複雑なマイクロ反応システムは、たとえばポンプ、ミキサーまたは解析デバイスなどのマイクロ流体要素を含む、個々のモジュールから構築され得る。これらの個々のモジュールは、製造コストが非常に安価であるとともに、損傷した場合には、マイクロ反応システム全体を置換することなく、その置換が可能である。
【０００４】
個々の部品は、流体を含み、さらに任意に接続部を備え、この接続部は、それぞれ互いに接続されるか、または複数の部品から構成されるマイクロ反応システムの構造に含まれる外部機器の接続部に接続されなければならない。しかし、今日までに知られたこの種のマイクロ反応モジュールは、普遍的に使用可能で、標準規格化された流体用の接続部およびたとえば電気接続部を有しない。たとえ特定のシステム供給者から標準的なコンポーネントを専ら使用したとしても、接続技術が複雑であることは、長い構築時間が必要になることを意味する。ところが研究目的においては特に、頻繁に変更がある、つまり個々の部品の配置変更を伴う実験設定が必要であり、使用の際に必要な時間が長くなることになる。
【０００５】
さらに、マイクロ反応のプロセスの個々のステップまたはすべてのステップに明確に影響を与えるための複雑な制御機構は、多数の反応および解析処理において必要である。多くのマイクロ処理システムは、たとえば調節された加熱槽（heating bath）などの所定の与条件の下で冷却可能であり、かつ／または加熱可能である。プロセスの個々のステップのみに対して温度を個別制御することは、この方法では不可能である。個々のマイクロ反応モジュールを完全に互いに隔離して構築し、相互に独立した温度制御とすることも考えられる。しかし、これでは高い空間要件が課され、温度のモニタリングがされない場合が多い流体的接続ラインを介する、複雑で信用性に欠ける接続技術となる。個々の部品の置換、または実験設定の修正は、この方法では時間がかかり、より困難である。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、個々の部品が実質的に断熱されることを保証するとともに、特に個々の部品の流体的接続部を迅速に接続することができるようなマイクロ処理部品を設計することである。
【０００７】
この目的は、本発明にしたがって、少なくとも１つのマイクロ流体処理要素およびマイクロ流体チャネル接続部を備えるマイクロ処理部品であって、該マイクロ処理部品は、断熱性のハウジング内に配備され、前記マイクロ流体チャネル接続部（９）は、前記ハウジング（１）によって貫通され、個々のハウジング（１）を接続するための接続要素は、それぞれ関連付けられるマイクロ流体チャネル接続部（９）が、互いに強固に接続可能なようにハウジング（１）に配備される、前記マイクロ処理部品によって達成される。
【０００８】
このマイクロ処理部品を断熱性のハウジング内に配備するということは、複数の部品から構築された複雑なマイクロ反応システムの個々の部品が、マイクロ処理部品の個々のマイクロ流体要素を個別に温度制御できるように、互いに熱的に分離されることを意味する。このハウジングは、２つのハウジングを互いに接続した場合に、それぞれ関連付けられた接続部も同様に互いに接続されるように、外部に配備された接続部を備える。単純に接続部を接触点に移動させるのであるが、たとえば電気的接続の場合には、流体的接続部は、適切な接続デバイスの使用により、互いに強固に接続可能であり、また接続されなければならない。互いに接続されるハウジングの接触圧が小さい場合でも、商用の流体的接続部を介して強固な流体的接続が得られることがわかっている。機械的接続および流体的接続の技術は、実質的にハウジングに一体化されており、接続要素が突出するのを防ぐことが可能になる。そうしないと、研究室で常用する際に機械的ストレスが増大する。
【０００９】
マイクロ流体要素が熱伝導性の物質によって本質的に完全に包囲されるものが好適に提供される。このマイクロ流体要素は、たとえば絶縁性のハウジングの内部に配備された金属ブロック内に収容され得る。取り囲んだハウジングによって個々のマイクロ流体要素の熱絶縁が達成されるとともに、金属ブロックの良好な熱伝導性により、その中に収容されるマイクロ流体要素の温度制御が均一になることが保証される。絶縁性ハウジングによって熱的に他の部品と分離されている、このような熱的制御可能なマイクロ流体要素の構築により、プロセスの個々のステップに対して独立した、極めて正確な温度制御が可能となる。これは、単に個々の絶縁層、たとえばプラスチックフィルムなどによって互いに隔離されたマイクロ反応モジュールで達成することは現実的に不可能である。
【００１０】
本発明の思想の有利な態様にしたがって、熱伝導性の物質が、アルミニウムまたは銅であり、ハウジングが、たとえばプラスチックまたはセラミックなど、要件を満たす適当ないずれかの物質で構成可能であるものが提供される。これらの物質は、多くの要件に対して十分に良好な熱的特性を有し、容易に処理され得、また研究室での常用に対して十分に耐え得る。
【００１１】
その中に流体的接続部を配備してなる流体的接続ブロックと、温度制御用デバイスを備えた熱輸送ブロックとの間に配備されたマイクロ流体要素が有利に提供される。このマイクロ流体要素は、これら２つのブロックの間に配備することができる。これらのブロックは、好ましくはアルミニウムまたは銅からなり、それぞれの接続部から離れるようにして、また使用される熱伝導性の高い物質によって完全に取り囲まれるようにして互いに着脱可能な形態で接続され得る。マイクロ流体要素および温度制御のための接続部および接触部は、個々のブロックに一体化される。すべての流体的接続部、たとえば電気的接続部を伴うマイクロ流体要素は、包囲ブロック内で接続され、これは、マイクロ流体要素の設置、通常はマイクロ反応チップの設置をすること、およびその後に熱輸送ブロックに接続ブロックを接続することによりなり、個々の接続をそれぞれ人の手で行う必要はない。当然ながら異なる設計のマイクロ流体要素を用いることも可能であり、必ずしもチップ形状に作られるわけではなく、それぞれの場合において接続ブロックまたは熱輸送ブロックの形状はマイクロ流体要素に適合させる。
【００１２】
接続ブロック内の個々の接続部は、ホースおよびラインを介してハウジング内に配備された接続部に接続される。マイクロ流体要素がうまく作動しない場合には、余分な手間をかけることなく、特に、人の手で行う取外しおよび接続部と接続ラインの再接続をすることなくこれを取り外すことができ、また置換することができる。さらに、形状および接続の構成がマイクロ流体要素の種々の幾何学形状に適合する、種々の接続ブロックまたは熱輸送ブロックを用いることができる。
【００１３】
本発明の思想の態様にしたがって、接続ブロックが温度制御用のデバイスを備えるものが提供される。ここで可能なものは、たとえば電気的加熱、特に抵抗加熱、または予め定めた流体温度を有する流体駆動の熱交換器であり、これは、熱輸送ブロック内、および任意に接続ブロック内に配備される。誘導性による、またはマイクロ波誘起による、１または２以上のペルチェ素子による温度制御も同様に用いることができる。また、現在実行されている反応プロセスに応じて、種々の温度制御方法を互いに組み合わせること、またはこれらを同時に使用すること、あるいは異なる時間に使用することも可能である。
【００１４】
マイクロ流体要素の温度が調節可能であることが好適に提供される。この目的のために、温度測定のための１または２以上のセンサが、マイクロ流体要素の近傍に配備される。接続ブロックおよび熱輸送ブロックは、結果としてブロックが低い熱容量となることで、温度変化の際にわずかな熱慣性となるように十分に小さな寸法を有する。このように、広い温度範囲にわたる迅速かつ効果的な温度制御が可能であり、実験用の極少量の化学物質の生産および迅速なパラメータ検査（parameter screening）が可能となる。
【００１５】
本発明の思想によるさらなる態様にしたがって、センサ、たとえば圧力センサ、流量センサ（flow sensor）、伝導率センサ、温度センサ、光学センサまたはｐＨセンサなどをハウジング内のマイクロ流体要素に配備することが提供される。個々のセンサは、ハウジングを貫通し、着脱可能な接続部とともに提供される、対応する接続ラインを介して、外部測定機器に接続することができ、これらの測定機器に測定値を供給する。個々のセンサは、それぞれの場合にハウジングの内部に位置し、必要なときに起動させることができるので、マイクロ流体要素内での反応の進行に対する望ましくない影響を実質的に排除する。個々のセンサの構成は、マイクロ流体要素を変えても変更する必要がなく、したがって、多数回に及ぶ一連の実験のを通じて再現可能なままであり、信頼性が高くかつ繰り返し可能な測定が可能である。
【００１６】
マイクロ流体コンポーネント、たとえばバルブ、逆止弁またはポンプが、マイクロ流体要素および／またはマイクロ流体チャネル接続部に配備されたものも同様に提供される。このタイプのマイクロ流体コンポーネントは、外部の流体供給またはその後のプロセスのステップとは実質的に独立しているマイクロ処理部品またはマイクロ流体要素内部における反応の実行制御および流体制御を容易にする。
【００１７】
個々のハウジングを接続するための接続要素が、止めピンを押圧するコニカルスクリューを備え、該止めピンが、コニカルスクリューに適合する穴を有するとともに、接続される第１のハウジングから、止めピンに適合する第２のハウジングの凹み部に向かって突出し、着脱可能に固定される形態となるものが有利に提供される。２つのハウジングが接続されると、まず第１のハウジングの止めピンが、それに適合する第２のハウジングの凹み部（通常穴からなる）に挿入され、そして、第２のハウジングに螺入可能であって、円錐状テーパ部が止めピンの穴を貫通して突出するコニカルスクリューによって、固定される形態で第２のハウジングに接続される。止めピンの穴の構成およびコニカルスクリューの円錐状部は、コニカルスクリューと第２のハウジングとの螺合が強まると、止めピンおよびそれに接続される第１のハウジングがより強く第２のハウジングに押圧されるように互いに適合する。この方法では、２つのハウジングの所定の接触圧を簡単な手段によって達成することができ、また、関連する２つのハウジングの流体的接続を強固な接続とすることを確実にする。
【００１８】
本発明の思想による一態様にしたがって、ハウジングが、個々のハウジングに対して互いに正の配置となるように、その側面に、突出形状および凹み部を有するものが提供される。止めピンに加えて、突出部およびそれに適合する凹み部は、互いに接続すべきハウジングの正確な位置決めを容易にする。そのため、２つのハウジングの接続を迅速になすべき場合においても、しっかりと強固に、関連の流体的接続が接続され、また任意の電気接触部が形成される。さらに、このタイプの接続部は、接続される２つのハウジングの側面の混同に対する安全を保証する。
【００１９】
マイクロ処理部品が、ハウジング（１）の底面に、マイクロ処理部品の基板への着脱可能な取付けのためのデバイスを備えるものが有利に提供される。個々のハウジングの接続技術は、多くの場合に、複数のハウジング間の信頼性の高い接続を容易にし、追加の補助を受けずに複雑なマイクロ反応プラントの構築を容易にするものであるが、特定の適用に対して個々のマイクロ処理部品を共通の基板に取り付けることが賢明である場合がある。この共通の基板は、一方では、個々のマイクロ処理部品の接続を付加的で信頼性の高いものとすることに寄与し、他方では、このマイクロ反応システムとともに使用されるさらなる追加のコンポーネント、たとえば外部測定機器などの取付けを容易にする。
【００２０】
さらに下位クレームは、本発明の思想のさらなる態様に関する。以下、図面を参照して、本発明を説明するための態様を詳細に述べる。
【００２１】
図１は、マイクロ処理部品を説明するための態様を示し、個々のコンポーネントを分けて示してある。図１に示すように、このマイクロ処理部品は、個々のコンポーネントの組立ての際に、通常下側が下方を向くようにして保持される。
【００２２】
図示された態様において、マイクロ処理部品は、ハウジング１を有し、これはその望ましい熱絶縁特性のためにポリアリルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で構成される。ハウジング１は、その他の適当な熱絶縁性物質、たとえば要件を充足するセラミックまたはプラスチックのいずれかからも構成することができる。熱輸送ブロック２および接続ブロック３がハウジング１の内部に配備され、これらの間にマイクロ反応チップ４が位置する。所望のマイクロ流体要素の具体例として、マイクロ反応チップ４は流体チャネル（図示せず）を備え、その特徴的な寸法はミクロン単位である。マイクロ反応チップ４は、既知の成形手段または構造形成手段によって、通常薄いガラスプレートまたはシリコンチップから作られる。さらに、金属またはプラスチックから作られるマイクロ反応チップ４の他のタイプのものが既知であり、考えられ得る。マイクロ反応チップ４または非常に一般的なマイクロ流体要素の種々の態様が知られており、これらは、測定、温度制御、反応、混合、ホールドアップ、抽出、分離、蒸発または精留などの処理作業を容易にする。
【００２３】
マイクロ反応チップ４の温度制御を可能な限り最も速くかつ最も均一にすることを確実にするために、高熱伝導性の物質、たとえば銅またはアルミニウムなどが熱輸送ブロック２および接続ブロック３として用いられる。
【００２４】
製造の結果、熱輸送ブロック２は、温度制御媒体を通過させるための曲折形状の溝６を有するベースブロック５からなる。曲折形状の溝６は、シーリングプレート７によって強固に覆われる。シーリングプレート７は、マイクロ反応チップ４の寸法に適合する凹み部８を接続ブロック３の側に有する。
【００２５】
複数のマイクロ流体的接続部９は、通常の異なるマイクロ反応チップ４をそれぞれにおいて流体と接触せしめることができるように、接続ブロック３内に配備される。ここで、商用の接続システムが使用され、このシステムは、適当な接触圧の下で強固な流体的接続をなす。
【００２６】
マイクロ反応チップ４が凹み部８内に設置された後、接続ブロック３と熱輸送ブロック２とを互いに強固に螺合させる。温度制御媒体１０および加熱カートリッジ１１用の供給ラインは、それぞれの適合する穴を介して、ハウジング１を介して外側から熱輸送ブロック２に接続される。この手法では、電気的に動作可能な温度制御デバイス、または流体熱輸送媒体による温度制御デバイスによって、マイクロ流体要素の温度を制御可能とすることが達成される。
【００２７】
図示された説明のための態様において、熱輸送ブロック２は、センサ１３を収容するためのさらなる凹み部１２を備える。センサ１３は、熱輸送ブロック２内にはめ込まれているため、マイクロ反応チップ４と同じ温度になり、実質的に正しい測定が可能になる。
【００２８】
マイクロチャネル流体的接続部９は、図式的にのみ示された配管１４を介してハウジング１の側壁面に配備される流体的接続部１５に接続される。接続ブロック３もしくは熱輸送ブロック２とハウジング１の外側との間のさらなる電気接続部は、図示されていない。これは、たとえばエネルギー輸送またはさらなる測定用デバイスの制御および評価をする役割を担う。この電気接続部（図示せず）に接触させるために、たとえば個々のプラグ接続部、複数のプラグ接続部またはターミナルストリップ（端子片）などの追加の接続部を、ハウジング１の外側に与えてもよい。
【００２９】
ハウジングの外側にＬＥＤ形式のディスプレイまたは液晶ディスプレイを配備することが可能であるが、これも同様に図示されていない。これらは、外部測定機器およびディスプレイ機器を必要とすることなく、ハウジング内部で計測される状態および特性を示すことができる。
【００３０】
ハウジング１は、突出ガイドピン１６とそれに適合する穴１７を備える。２つのハウジング１を接続すると、第１のハウジング１のガイドピン１６は、第２のハウジング１の穴１７に導入されなければならず、個々のハウジング１を互いに正確かつ信頼性の高い配列とすることが可能となる。
【００３１】
第１のハウジング１に強固に接続され、その長さ方向の軸に横方向に延在する穴１９を有する止めピン１８が、第２のハウジング１の側壁面において穴２０に挿入され、この穴に適合する。ネジ山部２２および円錐状テーパ部２３を備えるコニカルスクリュー２１は、第２のハウジング１に螺入され、これは、円錐状テーパ部２３が、第１のハウジング１の止めピン１８の穴に嵌合し、止めピン１８および止めピンに接続される第１のハウジング１を第２のハウジング１に対してより強固に押圧するようにしてなる。このように、個々のマイクロ処理部品は、ネジ入れ、またはコニカルスクリュー２１をゆるめるといった簡便な形態で互いに接続し、あるいは再び互いに分離することができる。それぞれ関連する２つのハウジング１の流体的接続１５を強固な接続とするために必要な接触圧は、対応するコニカルスクリュー２１のネジ入れによって確実なものにすることができる。
【００３２】
周囲環境の影響から保護するために、ハウジング１は、ハウジング１に螺入される基板２４によって密封される。
【００３３】
図２に示す、複数のマイクロ処理部品からなる複雑なマイクロ反応システムを説明する態様において、７つのマイクロ処理部品が互いに接続されている。さらなるマイクロ処理部品を、ガイドピン１６および関連する穴１７を介して簡便な形態で、図示されたマイクロ反応システムに接続することができる。ここで、新しく付加されるマイクロ処理部品の止めピン１８と止めピンに接続されるハウジング１とは強固に接続され、それぞれの関連する流体的接続部１５は、コニカルスクリュー２１に螺入することで互いに強固に接続される。
【００３４】
説明した接続技術は、単に個々のマイクロ処理部品を組み立てることによって、複雑なマイクロ反応システムの構築を補助する。種々の適用に際し、個々のマイクロ処理部品を共通の基板に取り付けることは賢明であるといえる。個々のハウジングは、各基板２４を介して固定され、これは、適合する基板の凹み部に位置し、任意に付加的に取り付けられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】基本的なマイクロ処理部品の構造を示す図であって、明確化のために個々のコンポーネントを分けて図示したものである。
【図２】互いに接続された複数の図１に示すマイクロ処理部品を含む、複雑なマイクロ処理システムの構造を示す図である。
【図１】
2006526492.tif 000003
【図２】
2006526492.tif 000004
【国際調査報告】
2006526492.tif 000005
2006526492.tif 000006
2006526492.tif 000007
2006526492.tif 000008
2006526492.tif 000009
2006526492.tif 000010