(57)【要約】回路（１０）に接続された外部バルブおよびポンプを用いて、微小流体回路（１０）内の流体流動を制御する方法が開示されている。微小流体基板（１１）の一部ではない外部バルブおよびポンプが、流体のポンプ圧、および流体が回路（１０）に進入する際の流体回路（１０）からの空気（１７）の排出を制御する。バルブが閉鎖されていると、空気（１７）を回路から排出することができず、（通常の動作圧下において）この空気が流体の回路内での前進を阻止する空気バリア（１８）を生じるす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流動のための少なくとも１本のチャネルと、接続点において前記少なくとも１本のチャネルに接続する少なくとも１本の空気路とを有する基板と、
前記接続点付近の少なくとも１つの停止点とを備え、該停止点において前記少なくとも１本のチャネル内の流体の流動を制御可能な空気圧バリアによって少なくとも一時的に停止させることが可能である、微小流体回路。
【請求項２】
前記少なくとも１本の空気路は、前記空気圧バリアを制御するように構成される請求項１に記載の微小流体回路。
【請求項３】
回路内の各停止点には１本の空気路が連通している請求項２に記載の微小流体回路。
【請求項４】
少なくとも１本の空気路が、流体と接触すると膨張して前記空気路内の流体の流動を低減または遮断するように構成された膨張可能材料をさらに備える請求項２に記載の微小流体回路。
【請求項５】
前記膨張可能材料はハイドロゲル材料からなる請求項４に記載の微小流体回路。
【請求項６】
少なくとも１本の前記空気路が、流体が空気路に進入するのを阻止するのに適合された毛細管バリアをさらに供える請求項２に記載の微小流体回路。
【請求項７】
前記空気圧バリアは、前記少なくとも１本のチャネル内の流体の流動が前記流体の下流に位置する前記少なくとも１本のチャネル内の閉鎖された空気柱に対向する場合に形成され、前記空気圧バリアは前記閉鎖された空気柱内の空気が解放されると除去される請求項２に記載の微小流体回路。
【請求項８】
前記空気は前記空気路の少なくとも１本を介して解放される請求項７に記載の微小流体回路。
【請求項９】
前記空気路は、前記空気を閉鎖可能な外部バルブを介して解放するように構成されている請求項８に記載の微小流体回路。
【請求項１０】
前記閉鎖可能な外部バルブは、流体が空気路と前記チャネル間の接続点付近の停止点に到達したときに閉鎖し、その流体が前記空気路に進入することを阻止するように構成されている請求項９に記載の微小流体回路。
【請求項１１】
前記閉鎖可能な外部バルブは、流体が選択された停止点に到達したときに閉鎖し、流体が前記チャネル内に前進することを阻止するように構成されている請求項９に記載の微小流体回路。
【請求項１２】
各空気路は、流体が関連する停止点を越えて前進するのを阻止するとともに、流体が空気路に進入するのを阻止するように構成された一定体積の拡張袋内に、空気を逃がすことができるように構成されている請求項２に記載の微小流体回路。
【請求項１３】
回路内の流体の位置を判定し、空気が逃げられずに流体の流動が停止点で停止されるように、外部バルブを閉鎖するための信号を発生する、センサをさらに含む請求項９に記載の微小流体回路。
【請求項１４】
センサは光学検知素子からなる請求項１３に記載の微小流体回路。
【請求項１５】
センサは流体にかかる背圧を測定する圧力センサからなる請求項１３に記載の微小流体回路。
【請求項１６】
センサは流量センサからなる請求項１３に記載の微小流体回路。
【請求項１７】
流量センサはいずれか１本の空気路内に配置され、空気流を検知する請求項１６に記載の微小流体回路。
【請求項１８】
センサは、いずれか１本の空気路内に配置される圧力センサからなる請求項１２に記載の微小流体回路。
【請求項１９】
微小流体回路内における流体の流動を制御する方法であって、
（ａ）流体を回路に導入する入口と、前記入口と流体が流れるように連通した流体流動のための少なくとも１本の微小チャネルと、上流停止点付近で前記少なくとも１本の微小チャネルと連通する少なくとも１本の上流空気路と、下流停止点付近で前記少なくとも１本の微小チャネルと連通する少なくとも１本の下流空気路とを備える微小流体回路を提供する工程と、
（ｂ）流体を導入する工程と、
（ｃ）空気路の開閉を制御することにより、少なくとも１つの前記停止点付近で空気圧バリアを解放および発生させて、前記少なくとも１本の微小チャネル内の流体の流動を制御する工程とからなる方法。
【請求項２０】
前記流体は圧力下で前記微小流体回路内へ導入される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
空気路は外部バルブによって開閉される請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
（ａ）少なくとも１本の上流空気路と下流空気路を開放する工程と、
（ｂ）開放した下流空気路内に気体を注入し、注入された気体を開放した上流空気路から逃がす工程であって、前記少なくとも１本の微小チャネル内を前進している流体が上流空気路を覆う場合には、前記注入された気体が前記空気圧バリアを強化するような工程とをさらに備える請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）微小流体回路内の流体の位置を検知する工程と、
（ｂ）前記流体の位置に基づいて空気路を開閉して空気バリアを発生または解放することにより、回路内の所望の停止点において流体流動を停止または開始させる工程とをさらに備える請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
微小流体回路が、下流空気路内に配置され回路内の流体の位置を検知する圧力センサをさらに含み、
（ａ）前記圧力センサによって、開放した下流空気路に注入される空気の背圧を検知する工程と、
（ｂ）それぞれ異なる停止点において、空気の背圧と流体の位置とを工程とをさらに備える請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
（ｃ）回路内の流体の位置に基づいて空気路を開閉して空気バリアを発生または解放することにより、回路内の所望の停止点において流体流動を停止または開始させる工程をさらに備える請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１本の空気路は、拡張して流体が前進することによって排出される空気を収容するように構成された一定体積の空気袋と連通し、前記空気袋が前記一定体積まで拡張した後には、前記空気路内では本質的にそれ以上の空気流が起こらず、前記微小チャネル内に空気圧バリアが生成される請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
（ａ）少なくとも１本の上流空気路を開放して、空気バリアを弱め、流体が少なくとも１本の上流空気路に到達して該空気路を覆うまで、該流体を前記少なくとも１本の微小チャネル内で前進させ、それにより、空気バリアを強化し、少なくとも１つの上流停止点を超えて流体が流れるのを阻止する工程と、
（ｂ）少なくとも１本の下流空気路を開放して、流体を前記少なくとも１本の微小チャネル内を、前記下流空気路に連通する停止点まで前進させる工程とをさらに備える請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
微小流体回路は、回路内の流体の位置を検知するための少なくとも１つのセンサをさらに備え、
（ａ）センサによって回路内の流体の位置を検知する工程と、
（ｂ）回路内の流体流動を制御するために、流体の位置に基づいて空気路を選択的に開閉する工程とをさらに有する請求項１９に記載の方法。
【請求項２９】
前記微小チャネル内の流体流動は空気路を閉鎖することによって停止される請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記微小チャネル内の流体流動は空気路を開放することによって開始される請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記流体回路は、少なくとも１本の前記空気路の上流で前記少なくとも１本の微小チャネルに接続する分岐微小チャネルを備え、少なくとも１本の前記空気路を閉鎖して前記少なくとも１本の微小チャネル内に空気圧バリアを発生させることにより、流体流動が前記少なくとも１本の微小チャネルから前記分岐微小チャネルに進路変更される請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
少なくとも１つのセンサは、流体の圧力を検知する光学センサである請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
少なくとも１つのセンサは、流体内の背圧を測定するように流体入口に配置される請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
（ａ）微小流体回路に導入される流体の背圧を監視する工程と、
（ｂ）監視された背圧に基づいて流体の位置を判定する工程と、
（ｃ）回路内での流体の位置に基づいて空気路を開閉して空気バリアを発生または解放することにより、回路内の流体流動を制御する工程とをさらに備える請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
微小チャネル内の流体の流動を制御する方法であって、前記流体の下流で前記微小チャネルと連通する空気路を開閉することにより前記微小チャネル内において空気バリアを発生または解放する流動制御方法。
【請求項３６】
（ａ）複数の接続された微小チャネルと、
（ｂ）流体を回路内に導入するための入口と、
（ｃ）前記微小チャネルと連通する複数の空気路とを備え、
前記空気路を選択的に開閉して、前記微小チャネルに流入または該微小チャネルから流出する気体流を制御して、前記微小チャネル内で空気バリアを発生または解放することにより、回路内の流体流動を制御する微小流体回路。
【請求項３７】
前記各空気路は、前記空気路と気体連通する外部バルブによって選択的に開閉される請求項３６に記載の微小流体回路。
【請求項３８】
少なくとも１本の分岐した微小チャネルを含む流体回路であって、前記微小チャネルの少なくとも１本の支流内には空気圧バリアが存在し、前記空気バリアは前記流体回路内を前進している流体を、前記空気圧バリアが存在する前記支流ではなく、前記微小チャネルの隣接する支流に好適に流れさせる流体回路。
【請求項３９】
流体取扱いシステムであって、
（ａ）入口と、前記入口と流体連通する少なくとも１本の微小チャネルと、前記微小チャネルと連通する少なくとも１本の空気路とを備える微小流体回路が内部に形成された基板と、
（ｂ）前記微小流体回路に流体を導入するための、前記入口に接続された流体源と、
（ｃ）前記少なくとも１本の空気路を通過する気体の流動を制御するための、前記少なくとも１本の空気路に接続された外部バルブとを備える流体取扱いシステム。
【請求項４０】
前記流体源は流体を圧力下で前記微小流体回路内に導入する請求項３９に記載の流体取扱いシステム。
【請求項４１】
前記少なくとも１本の微小チャネルは、第１の子チャネルと第２の子チャネルとを有する分岐した微小チャネルからなる請求項３９に記載の流体取扱いシステム。
【請求項４２】
前記微小流体回路は、前記第１の子チャネルと連通する第１の空気路と、前記第２の子チャネルと連通する第２の空気路とを備える請求項４１に記載の流体取扱いシステム。
【請求項４３】
前記第１および第２の子チャネルの少なくとも一方の下流に接続されたウェルをさらに備える請求項４２に記載の流体取扱いシステム。
【請求項４４】
微小流体回路内の流体流動を制御する方法であって、
（ａ）入口と、少なくとも１本の微小チャネルと、前記少なくとも１本の微小チャネルと連通する少なくとも１本の空気路とを備える微小流体回路を提供する工程と、
（ｂ）流体を前記入口を介して前記微小流体回路に導入する工程と、
（ｃ）前記空気路を介した前記微小チャネルからの空気の流出を可能にしている間に、流体を１本の前記空気路の上流の前記微小チャネル内に前進させる工程と、
（ｄ）前記空気路を介して前記微小チャネルから流出する空気の流動を阻止することにより、前記微小チャネル内において同微小チャネル内の流体の前進に対向する空気圧バリアを発生させる工程とを備える方法。
【請求項４５】
前記空気路を介した前記微小チャネルからの空気の流出は、前記空気路内の空気の流動を遮断することによって阻止される請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記空気路を介した前記微小チャネルからの空気の流出は、前記空気路内に加圧空気を導入することによって阻止される請求項４４に記載の方法。
【請求項４７】
前記微小流体回路は、前記空気路の上流の前記少なくとも１本の微小チャネルから分岐する第２の微小チャネルを備え、前記空気圧バリアは流体流動を前記少なくとも１本の微小チャネルから前記第２の微小チャネルへ進路変更させる請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
（ａ）前記少なくとも１本の空気路を介した前記微小チャネルからの空気の流出を可能にすることより、前記微小チャネル内の前記空気圧バリアを解放し、前記微小チャネル内の流体の前進を可能にする工程をさらに備える請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記微小チャネルからの空気の流出を可能にする工程は、前記空気圧バリアを発生するために用いられた空気路の下流の空気路を開放することにより実施される請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
（ａ）前記微小チャネル内を前進する流体の位置を判定する工程と、
（ｂ）前記微小チャネル内の選択位置に流体が到達したことに相関して、前記空気路を介して前記微小チャネルから空気が流出するのを阻止する工程を実施する工程とをさらに備える請求項４４に記載の方法。
【請求項５１】
（ａ）前記微小チャネル内を前進する流体の位置を判定する工程と、
（ｂ）前記微小チャネル内の選択位置に流体が到達したことに相関して、前記空気路を介した前記微小チャネルからの空気の流出を可能にする工程を実施する工程とをさらに備える請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
微小流体装置であって、
（ａ）基板と、
（ｂ）前記基板内に形成された微小流体回路であって、
（１）入口と、
（２）前記入口と流体連通する少なくとも１本の微小チャネルと、
（３）前記微小チャネルと連通する少なくとも１本の空気路とを有する微小流体回路と、
（ｃ）前記微小流体回路内の流体の位置を検知するセンサとを備える微小流体装置。
【請求項５３】
前記少なくとも１本の微小チャネルは、第１の子チャネルと第２の子チャネルを有する分岐した微小チャネルからなる請求項５２に記載の微小流体装置回路。
【請求項５４】
前記第１の子チャネルと連通する第１の空気路と、前記第２の子チャネルと連通する第２の空気路とをさらに備える請求項５３に記載の微小流体装置。
【請求項５５】
前記第１および第２の子チャネルの少なくとも一方よりも下流に接続されたウェルをさらに備える請求項５４に記載の微小流体装置。
【請求項５６】
前記基板に嵌合して、前記微小流体回路の少なくとも一部を被覆して封止するように適合された上面板をさらに備える請求項５２に記載の微小流体装置。
【請求項５７】
前記基板に嵌合して、前記微小流体回路の少なくとも一部を被覆して封止するように構成された下面板をさらに備える請求項５２に記載の微小流体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の技術分野）
本発明は、生物化学的なプロセスまたは反応のための微小流体回路の分野に関する。本発明はより詳細には、微小流体回路を通過する流体の圧力および移動の検知および調節に関する。
【０００２】
（背景）
マイクロフルイディクス（微小流体工学）は、シリコン、プラスチック、ガラスなどの基板で形成される微小寸法を有する構造物内で、小体積の流体を操作することを含む。微小流体装置は、複数のチャネルまたはウェルを含んでいる場合が多く、液体試料の化学的または生物学的処理や分析のために用いられている。微小流体装置における上記のチャネルやウェルは、微小流体回路として知られている。微小流体回路がある程度の複雑さを有している場合、回路内での流体の流動を制御するために、能動的または受動的のいずれかの方法が必要になる。
【０００３】
流体制御の能動的方法としては、機械的バルブの使用、および電場または磁場の印加により微小流体回路内の流体（または流体中の粒子）の運動に影響を与えることなどが挙げられる。しかしながら、微小流体回路中に機械的バルブを組み込むことで、微小流体回路は複雑かつ高額になってしまうこともある。電磁場の方法では、複雑なインターフェースと、場合によっては高電圧を要することも考えられる。
【０００４】
流体制御の受動的方法としては、通常、毛細管力を操作して流体の運動を停止または駆動することなどが挙げられる。受動的方法は、流体自体が高濃度の溶媒、界面活性剤、脂質または脂肪族化合物であるか、または流体がこのような物質を含有している場合には不可能である場合がある。これは上記の溶媒等が流体の表面張力を低下させて、その結果毛細管力が低下するためである。
【０００５】
受動的方法を使用することができず、場による方法の特性が望ましくない場合には、能動的流体制御に用いられる複雑なバルビング機構を基板から除去できれば有益であろうことは認識されている。このようにして、複雑かつ高価な部品を恒久的な設備に移し、これにより微小流体基板部分を低価格化かつ使い捨て可能にすることにより、微小流体回路基板を可及的に低下価格化することができると考えられる。
【０００６】
そのような設計の一例として、外部ポンプおよびバルブによって行なわれる空気圧作動を用いることが挙げられる。別の例としては、回路内にあるダイヤフラム膜バルブを動かすために外部アクチュエータを使用することが挙げられる。しかしながら、これらの２つの例でも、基板内に疎水性の空気路または可撓性膜などの複雑な構造を必要とする。したがって、複雑な機械的構造物を基板から除去するための上記の試みは、望まれているよりもはるかに複雑である。
【０００７】
微小流体回路内を通過する流体の運動を調節するため他の例示的方法としては、受動的制御方法と能動的制御方法とを組み合わせて、毛細管バリアに補助される通気口（または空気路）を毛細管停止接合部と協働させて用いる方法が挙げられる。この方法において、流体は毛細管チャネル内を流動し、主として毛細管停止接合部によって制御される。毛細管停止接合部の信頼性は、通気口を追加することによって高められる。水性流体が親水性チャネルを介して毛細管力によって引込まれるといったように、流体は正の毛細管力によって微小流体回路内に引き込まれる。通気口が閉鎖している場合には、該通気口は、毛細管停止接合部の毛細管バリアを支持して、微小流体回路内における流体の前進を制御する。通気口が毛細管バリアを支持するため、この流体制御方法は毛細管接合部と独立して機能することはない。
【０００８】
微小流体回路内での流体の流動を効果的に制御するための上記の試みは、流動バリアを提供するために、主として基板内の高価な機械的素子または毛細管力に依存している。毛細管力を用いずに流体の流動を制御することのできる微小流体回路を提供することは、当該技術における著しい改良になると考えられる。また、複雑または高価な部品を全く組み込まない微小流体回路用の基板を提供し、基板を安価かつ使い捨て可能なものにすることは、当該技術における著しい進歩をもたらすと考えられる。
【０００９】
（発明の概要）
本発明は、回路内の空気の排出を制御する外部バルブにより、回路内の流体の流動が調節される微小流体回路に関する。外部バルブには排気路が接続されている。バルブが開放されると、流体は、たとえば外部シリンジポンプによって発生されるような正の静水圧に駆動されて回路内に前進する。バルブが閉鎖されると、前進中の流体が閉鎖された空気柱、すなわち空気圧バリアを押圧し、その空気柱、すなわち空気圧バリアは前記正常な動作パラメータ下において流体のさらなる前進を停止する。空気圧バリアは、回路内の流体の前進を停止するためだけでなく、流体流動を遮断されたチャネルから隣接する開放したチャネルに進路変更させるためにも用いることができる。このようにして、流体を場合によっては複雑で高度に複合化された系を前進する際にも制御することができる。この制御は、微小流体基板内に組み込む必要のない外部バルブおよびポンプを用いることによって行われる。流体が排気用空気路に到達したところで、流体チャネルと空気路との間にある毛細管バリアまたは他の受動バルブを用いることにより、または、ハイドロゲルなどの膨張可能材料によって空気路を遮断することにより、流体が空気路内に流入することが阻止される。空気路内への流体の侵入は、流体操作における適切な時間に外部空気路バルブを閉鎖することによって、または空気路の出口に一定体積の空気袋を配置することにより遮断することができる。いずれの方法も流体の前進をせき止める閉鎖された空気柱を確立する働きをする。
【００１０】
微小流体回路は基板内に構築される。基板は流体流動のための少なくとも１本のチャネルと、各チャネルと流通する少なくとも１本の空気路とを有している。また回路内には流体が少なくとも一時的に停止する少なくとも１つの停止点がある。流体は、回路内の制御可能な空気圧バリアによって上記停止点で停止される。好都合なことに、チャネルと流通する空気路は空気圧バリアを制御するように構成されており、回路内の各停止点と流通する空気路が存在する。
【００１１】
回路を通過する流体の前進を制御する空気圧バリアは、回路に流入しチャネルと空気路内の空気を圧縮する流体によって形成される。圧縮された空気に対しては出口が存在しないため、この圧縮された空気が流体の前進を阻害する。この圧縮された空気を逃す下流の空気路を開放することにより、流体が前進できるようになる。下流の空気路は大気圧に対して開放されてもよいし、または一定体積の膨張袋に対して開放されてもよい。好ましくは、空気路は、各空気路が関連付けられている停止点に達したときに閉鎖するように構成されて、流体の回路内での進行を停止させたり、また流体が空気路内をそれ以上前進するのを妨げたりする。
【００１２】
空気路の適切な開閉を容易にするために、微小流体回路は、回路内の流体の位置を判定し、流体流動が少なくとも一時的に停止点に停止するように空気路を閉鎖するための信号を送信するセンサをさらに備え得る。このセンサは、光学センサであってよく、流体チャネルの上に置かれる上面板に配置され得る。これに代わって、前記センサは、流体への背圧または空気圧を測定するように流体入口に配置される流体圧センサであってもよいし、または空気路内の圧力または流動を測定するように空気路上に配置された流動センサであってもよい。
【００１３】
本発明は、上述の微小流体回路および空気圧バリアを用いて微小流体回路内の流体の流動を制御する方法にも関する。空気路の開閉と流体の移動に加えて空気の注入を用いて、空気圧バリアを発生させる。たとえば、一方の端部でのみ開口するチューブに流体を導入することは、困難若しくは不可能である。同様に、一方の端部が開口しており他方の端部が閉鎖したバルブに接続されているチューブに流体を導入することも困難である。バルブが開放されていれば、流体がチューブに進入するのと同時に空気を逃すことができる。したがって、バルブは流体がチューブ内に流入するか否かの制御を行う。流動の制御に加えて、本発明は空気路を流動チャネルに接続するための方法および装置も開示している。空気路が開放されていた後に該空気路を閉鎖する様々な方法についても検討されている。本明細書における「空気」という用語の使用は、単なる説明的なものであって、組成にかかわらずあらゆる気体や気体相を含むことを意図している。
【００１４】
上記で簡単に説明した本発明について、添付の図面を参照してより詳細に説明する。図面は本発明の典型的な実施形態に関する情報を与えているだけであり、本発明の範囲を限定するものとは考えるべきでない。この認識のもとで、以下、添付の図面を用いてさらなる具体例や詳細により本発明について記載し説明する。
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態を図１〜１１を参照して説明する。図面において、同様の参照符号は同一または機能的に類似した要素を示している。図面中に一般的に記載し説明されている本発明の構成要素は、広範な構成で具現することができる。したがって、図面に示されるような、以下に記載する本発明の装置および方法の実施形態のより詳細な説明は、特許請求に記載した本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の現時点で好適な実施形態の代表にすぎない。
【００１６】
流体は、高圧下で圧送されるか、毛細管中の空気を逃すための手段が存在しない限り、閉鎖した毛細管に進入することはできない。系から空気を排出させる下流開口部が存在している場合、または毛細管への入口が流体入口と空気出口のどちらとしても作用するのに十分な大きさを有している場合に、空気は逃げ得る。本明細書における「空気」という用語の使用は、単なる説明的なものであって、組成にかかわらずあらゆる気体や気体相を含むことを意図している。
【００１７】
流動バリア
ある種の受動流体制御方法は、毛細管力または負の毛細管力が、微小流体回路内の流体制御に有用な圧力バリアを形成するだけの十分な強さを有する場合に、良好に機能する。しかしながら、複雑な流体試料を処理している場合など、毛細管力に頼ることができない場合には、代替の流体制御方法が必要になる。複雑な流体試料とは、系内の流体の表面張力を実質的に低下させる成分であるか、もしくはそのような成分を含んだもの、または流体チャネルを構成する材料に対して９０°前後の接触角を有する流体である。
【００１８】
毛細管力停止接合部などの代替となるのは、空気圧バリアである。空気圧バリアは、微小流体回路内を前進する流体の流動を停止するのに十分な圧力を発生する閉鎖された空気柱である。閉鎖された空気柱に必要な圧力は、前進中の流体による空気の圧縮によって、または、外部ポンプによる空気路への空気の挿入によって発生させることができる。流体回路内の流体の前進は、毛細管力が十分な強さで存在し得ないため、毛細管力によるものではなく、たとえば外部シリンジポンプまたは一体型マイクロポンプを利用した圧力駆動流動によるものである。必要であれば、流体が系に進入する前に該流体に界面活性剤または溶剤を添加することによるか、または、水性試料によって負の毛細管力を生み出す疎水性流動チャネルを用いることによって、正の毛細管力を確実に無くすことができる。親水性流動チャネルを非極性溶液とともに用いると、同種の効果が得られる。
【００１９】
図１Ａ〜図１Ｃは、基板１１中に形成された微小流体回路１０に適用された本原理の簡単な例を示している。図１Ａ〜１Ｃには、流体チャネル１３内の流体１２が空気路１４，１５，１６によってどのように制御されているかを示した３つの画像を示している。流体チャネル１３および空気路１４，１５，１６は、基板１１内に形成されている。この簡略化した図においては、空気路は開放した状態にある場合しか示されていない。というのも閉鎖した空気路は、実質的には空気路が存在しないことと機能的に等価であるからである。図１Ａに示されるように、流体１２は上流空気路１４まで前進し、空気柱１７によって停止される。この空気柱１７は、上流空気路１４を遮断している流体によって空気が逃げないようにされている場合に、流体チャネル１３の閉鎖した端部において形成される。流体１２は、該流体が上流空気路１４を通過してこの空気路を遮断してしまうまで、流動チャネル１３内において有意な空気の圧縮を行わないことが分かるであろう。前進中の流体が上流空気路１４を遮断するまで、空気は空気路１４を介して流動チャネル１３から脱出する。流体１３は、該流体が空気路１４を覆うと、空気圧バリア１８によって停止される。したがって、空気圧バリア１８は空気路１４に近接している。図１Ｂに示されるように、第１の下流空気路１５が開放されると、流体は第１の下流空気路１５に達して該空気路を遮断するまで前進し、この地点において、流体は流体チャネル１３の下流端において空気柱１７によって形成された空気圧バリア１９によって再び停止される。同様に、図１Ｃに示されるように、第２の下流空気路１６が開放されると、流体１２は流体チャネル１３内をさらに前進する。
【００２０】
流体の流動を停止させるために必要な空気圧は、前進中の流体１２の圧力ヘッドによって決まる。必要な空気圧は、流動を完全に停止させる必要があるのか、単に別のチャネルに進路変更させるだけでよいかによっても左右される。
【００２１】
数式（１）は、圧縮空気柱１７によって発生され得る圧力を表している。
【００２２】
【数１】
2004506146.tif 000003
上記式中、
ΔＰは、発生される圧力（Ｐｃ−Ｐｏと等価）であり、
Ｐｃは、圧縮空気圧であり、
Ｐｏは、元の空気圧（通常は大気圧）であり、
Ｖｏは、元の空気体積であり、
Ｖｃは、圧縮空気体積である。
【００２３】
数式（２）は、空気体積の変化ΔＶ（＝Ｖｏ−Ｖｃ）を、ΔＰに比例する、体積百分率変化Ｖ％と関連づけている。
【数２】
2004506146.tif 000004
【００２４】
数式（２）からは、Ｐｏが大気圧（約１０１ｋＰａ（１４．７ｐｓｉ））にある場合、１．７％の体積変化によって、約１．７２ｋＰａ（０．２５ｐｓｉ）のΔＰが生じることがわかる。約１．７２ｋＰａ（０．２５ｐｓｉ）の空気圧バリアは一見有意でないようだが、低流動条件下では、隣接するチャネルに流れを進路変更させたり、ポンプ圧が空気圧バリアより小さい場合には流れ全体を停止させるのに十分である。約１４ｋＰａ（２ｐｓｉ）の空気圧バリアを発生させるためには、通常の大気圧条件下においては１３．６％の体積変化が必要である。
【００２５】
図２Ａ〜２Ｃは、２本の第１世代の子チャネル２１，２２に分岐する単一の上流または入口チャネル２０を含む微小流体回路の一部を示しており、上記第１世代の子チャネル２１，２２のそれぞれは、再度分岐して２本の第２世代子チャネル２３，２４，２５，２６を形成する。従来であれば、機械的なバルブまたは毛細管力を用いずして、入口チャネル２０に進入する流体を子チャネル間で等しく分配することは困難であった。空気圧バリアはこの課題を果すために用いることのできる代替方法を提供する。
【００２６】
図２Ａ〜２Ｃは、空気を逃がす空気路として機能する３組のより小さいサイドチャネルを示したものである。空気路２８，２９は、第１世代子チャネル２１、２２が２本の第２世代子チャネルに分岐する地点の近くに配置されている。空気路３０，３１，３２，３３は、それぞれ子チャネル２３，２４，２５，２６から供給を受ける第１ウェル３４，３５，３６，３７の出口に配置される。空気路３８，３９，４０，４１は、それぞれ第２ウェル４２，４３，４４，４５の出口に配置される。空気路２８，２９は、流体チャネル２１，２２から分岐して、図３Ａ〜３Ｃに示されるように、基板１０内を基板の反対側に貫通し、そこで第１の共通空気路５０に開口する。同様に、空気路３０，３１，３２，３３は、基板１１内を第２の共通空気路５１へ貫通し、空気路３８，３９，４０，４１は、基板１１内を通過して第３の共通空気路５２に連通する。共通空気路５０，５１，５２のそれぞれは、それぞれ外部バルブ５３，５４または５６に繋がっている。流体を第１世代子チャネル２１，２２の間で等しく分配するために、図３Ａに示されるように、第２の共通空気路５２上のバルブ５４および第３の共通空気路５３上のバルブ５６を閉鎖した状態で、第１の共通空気路５０上のバルブ５３が開放される。流体１２が入口チャネル２０内にポンピングられると、該流体は第１の分岐点に進められ、ここで等しく分配されてもよいし、または最初に第１世代子チャネル２１，２２の一方または他方に流れ込ませることもできる。たとえば、流体１２が最初に子チャネル２１を通過する場合には、該流体は空気路２８まで進入し、ここで空気圧バリア６０に遭遇する。空気圧バリア６０は、流体１２によって覆われている開放した空気路２８と、閉鎖されている全ての下流空気路によってもたらされる。こうして流体１２は子チャネル２２へと進路変更され、子チャネル２２を充満させる。
【００２７】
流体１２が子チャネル２１，２２に均等に分配されたところで、図３Ｂに示されるように、共通空気路５１に接続された外部空気バルブ５４を開放することができる。これは流体が空気路２８，２９に到達してから相当に迅速に行うことができ、したがって、流体のポンピングを必ずしも一時停止させる必要がなくなる。ポンピングを一時停止させる必要がなければ、空気路２８，２９における流体１２の位置を本願で開示する様々な方法で検知することができる。外部空気バルブ５４を開いて空気路３０，３１，３２，３３を開放した後も、ポンピングを続けることにより、流体１２は第２世代子チャネル２３，２４，２５，２６内を第１ウェル３４，３５，３６，３７へと流下する。流体は一般にまず１本の子チャネルとこれに関連するウェルに流入する。その流体はウェルの出口にある停止点に到達すると停止し、流体の流動は別の子チャネルとそれに関連するウェルに進路を変更する。したがって、流体１２がいずれかの第１ウェルからいずれかの第２ウェルに通過する以前に、すべての第１ウェル３４，３５，３６，３７は充填されていることになる。すでに流体１２が通過した共通空気路に接続された外部バルブは、系の必要性に応じて開放されたままにしておいてもよいし、閉鎖されてもよい。
【００２８】
特定のチャネルまたはウェル内に流体が停止点の空気圧バリアによって停止されるまで進入した後に起こりうる問題としては、ポンピングが続いている（したがって、流体圧力が増加している）ため、流体流動が別の流体チャネルまたはウェルに進路変更されるのではなく、空気路に流入してしまうことである。流体が空気路を流下せずに、別の流体チャネルを流下するようにするために、いくつかの方法を採用することができる。このことは、図２Ａ〜２Ｃに示される例示的流体回路と関連して検討することにする。空気路２８，２９は基板１０内で共通空気路５０を介して連通しているので、共通空気路５０上の外部空気バルブ５３は、流体が子チャネル２１を充填した後に閉鎖することができない。これは、前記閉鎖により子チャネル２２への流動も止めてしまうためである。したがって、流体１２が子チャネル２１から、子チャネル２２にではなく空気路２８へ流入してしまう可能性がある。
【００２９】
しかしながら、空気路２８，２９が疎水性で非常に小型に形成されていれば、流体１２を空気路２８に押し込むのに必要な圧力は、流体１２を子チャネル２２に押し込むのに必要な圧力よりも大きくなる。子チャネル２２内の流体１２がその空気路２９に達したら、必要に応じて共通空気路５０を介して空気路２８，２９に接続されている外部空気バルブ５３を閉鎖することもできる。次に、空気路に流体が流入するのを阻止するための多くの代替の方法について検討する。多くの場合において、空気を排出する経路を長くすることにより、隣接するチャネル内の流体がその開放した空気路位置に追従できるだけの十分な背圧が得られる。
【００３０】
上で検討した問題の他の解決法としては、図４に示されるように、各レベルにある空気路を互いに全く連通しないように構成することがある。図４は、たとえば、図３Ａ〜３Ｃに示されるような共通空気路５０と空気路２８，２９を、独立した空気路７０，７１で置き換えることができることを示している。一連の組み合わされた空気路を制御する単一のバルブではなく、各空気路を個々に制御するための外部バルブが必要とされるであろう。これにより、インターフェースが複雑になるという犠牲はともなうが、前進中の流体をより良好に制御できるようになる。この場合、流体が個々の空気路に達すると、隣接するチャネル内の流体が該チャネル内の同一位置に追いつくのを待たずに、当該空気路に対するバルブを即座に閉鎖することができる。個々の空気路全体を制御することにより、流体を分岐したチャネル内へ均等に分配してもよいし、または流体を４本のチャネルのうちの１本の端部まで至らせてから残りの任意のチャネル内に進行させてもよい。
【００３１】
空気チャネル内での流体流動の阻止
毛細管力が空気路内に存在する場合には、毛細管停止接合部、毛細管停止バルブ、または当該技術において知られている他の方法を用いて、流体が空気路に進入するのを阻止することができる。毛細管力が存在しない場合には、流体の空気路内への進入、または少なくとも空気路内でさらに遠くまで流入することを阻止するための他の手段が必要になる。
【００３２】
１つの選択肢としては、流体が接触した場合に空気路を閉鎖する膨張可能な材料または膜を用いることがある。膨張可能な膜の例としては、乾燥ハイドロゲル滴が挙げられる。ハイドロゲルは、ピペットまたは何らかの他の手段によって微小流体回路の空気路内に堆積されて、乾燥させることができる水性高分子懸濁液である。微小流体回路の空気路内で膨張可能材料を使用した様子が図５に示されている。この例では、流体チャネル１００および空気路１０１，１０２が基板１０５内に形成されている。第１の膨張可能材料１０６は空気路１０１内に配置されており、第２の膨張可能材料１０７は空気路１０２内に配置されている。膨張可能材料１０６および膨張可能材料１０７は、同一の材料であってもよいし異なる材料であってもよい。流体１２は第１の膨張可能材料１０６と接触するまで流体チャネル１００内を前進する。第１の膨張材料１０６は、流体１２と接触すると、その組成および該材料に接触する流体の特性に応じた体積まで膨張する。この膨張は、流体１２のさらなる前進を阻止するために、空気路１０１を部分的に閉鎖するものであってもよいし、完全に閉鎖するものであってもよい。図５において、膨張可能材料１０６は流体１２と接触した後の膨張した状態で示されており、一方、膨張可能材料１０７は、流体１２と接触する前の非膨張状態で示されている。
【００３３】
図６は、流体が空気口へ流入するのを阻止するための他の方法を図示したものである。基板１１３内に形成された流体チャネル１１０、空気路１１１および空気路１１２から構成される微小流体回路が示されている。空気路１１１はバルブ１１４と、該空気路１１１の出口に取り付けられた展開可能な空気袋１１５とを有している。同様に、空気路１１２はバルブ１１６と、該空気路１１２の出口に展開可能な空気袋１１７とを備えている。展開可能な空気袋１１５，１１７は、一定または既知の容積（この場合、実線の囲い１１８で定義される）を有し、それぞれ空気路１１１，１１２を介して回路から排出された空気を回収するために用いられる。前記袋は、前進中の流体１２によって排出される適切な空気体積と等しい最大体積に達すると、それ以上展開せず、系内の流体１２のそれ以上の移動を阻止する。
【００３４】
流体が空気路に流入するのを阻止するための、膨張可能なバルブと展開可能な袋のどちらの方法も、空気路バルブを開放させて、回路内の流体の前進移動を可能にするが、その後、流体が空気路内に流入するのを阻止するためにバルブを閉鎖する必要がない、という利点を有している。
【００３５】
流体が空気路に流入するのを阻止するための他の方法（図示せず）は、前進中の流体によって排出される空気の体積が既知である場合に、気流計を用いて空気路から排出された空気の体積を測定し、所定体積の空気が正確に排出された時点で当該空気路を制御しているバルブを閉鎖することである。この方法と展開可能な袋を用いた方法のいずれも、空気路に流入する流体への空気バリアを利用している。
【００３６】
図７Ａ〜７Ｃを参照すると、流体１２が流体チャネル１２１を通過する際の該流体１２の背圧を測定する外部センサ１２０を用いることも有用である。流体の前進は発生される流体の背圧によって監視することができる。この背圧は、殆ど固定したレベルを維持してもよいし、下流チャネルの直径および数に応じて、僅かにまたは急激に上昇してもよい。流体が空気路、チャネル接合部、ウェルおよび微小流体回路内の他の構造物に遭遇すると、測定背圧において変化が検出されることになる。
【００３７】
上流空気路１２２上のバルブ１２５が開放している場合に、それぞれ下流空気路１２３，１２４上のバルブ１２６，１２７が閉鎖されると、前進中の流体によって排出された空気が図７Ａに示されるように上流空気路１２２を介して退出する。流体圧力Ｐｆは、流体が上流空気路１２２に向かって前進するにつれ、図７Ｄに図示されるように、徐々に増大する。図７Ｂに示されるように、一旦、流体１２が空気路１２２に到達すると、閉鎖された前方のバルブ１２６，１２７によって空気圧バリア１２８が生じているために、該流体１２のとり得る唯一の経路は空気路１２２そのものを通過することである。しかしながら、正の毛細管力が存在しない場合には、空気路１２２が実質的に流体チャネル１２１よりも小さければ、流体１２を通常の流体チャネル１２２を介してポンピングするよりも、流体１２を空気路１２２中に押し込む方がより大きな圧力を要する。背圧の増大（図７Ｅに示されるように）は、センサ１２０によって検知される。該センサ１２０は、アクチュエータに空気路１２２を閉鎖させて、図７Ｃに示されるような状態を達成するような信号を提供することができる。図７Ｃに示されるように、バルブ１２５，１２６，１２７が閉鎖した状態で流体に圧力が与えられると、測定される背圧は図７Ｆに示されるように、より大きな勾配で上昇し続けることになる。
【００３８】
数式（３）は、圧力低下とチャネル半径（断面が円形のチャネル）との関係を示したものである。
【数３】
2004506146.tif 000005
上記式中、
ΔＰは、所定距離Ｌの間での圧力低下であり、
Ｑは、流体の流速であり、
μは、流体の粘度であり、
ｒは、流動チャネルの半径である。
【００３９】
数式（３）からわかるように、一定距離の間での圧力は、チャネルの半径の４乗に反比例する。流体チャネルの半径が、空気路の半径の２倍しかなければ、流体が空気路内を流れる場合の所定距離における圧力降下の大きさは、流体が流体チャネル内を流れる場合の１６倍である。空気路が１０分の１の大きさであれば、圧力低下の大きさは１０，０００倍になる。したがって、図７Ａ〜７Ｆを再度参照すると、流体の背圧を監視することは、流体チャネル１２１内の流体１２の位置を検知するだけでなく、空気路のバルブ（たとえば、バルブ１２５）をいつ閉鎖するかを知るためにも有用であろう。または、圧力センサ１３０の代わりにフローメータを用いることにより、背圧ではなく流体の流動を監視するようにしてもよく、この場合、圧力の増加ではなく流量の増加が流体の停止点への到達を示すことになる。
【００４０】
図８Ａ〜８Ｃを参照すると、図７Ａ〜７Ｆに示したような流体回路に圧力センサ１３０を設けて、下流空気路１２３から上流空気路１２２に通過する空気の圧力を検知することも有用であろう。この空気の流動は図８Ａの矢印によって示されている。空気流は小さく、よってセンサ１３０は図８Ｄに示されるように極小さい圧力を検出するであろう。流体１２が図８Ｂに示されるように上流の空気路１２２に達したところで、空気流のための退出経路が遮断され、その結果、図８Ｅに示されるように空気圧が急激に上昇する。この上昇を検出して、上流の空気路バルブ１２５を遮断して図８Ｃに示されるような状態を得るための信号として利用することができる。圧力の上昇は、微小流体回路内での流体１２の位置の指標としても用いることができる。空気流は、圧縮空気または気体源、またはポンプによっても発生され得る。
【００４１】
上述のように、圧力信号は、空気が上流空気路１２２を介して逃げられるように、該空気を下流空気路１２３内でゆっくり流動させることにより発生させることができる。圧力信号は、空気輸送系において検知され、上流空気路１２２が前進中の流体１２によって覆われると上昇を示す。
【００４２】
この系は、前進中の流体１２によって圧縮される空気体積と同等の体積の空気を流体チャネル１２１に輸送することにより、空気圧バリア１２８の大きさを増大させる能力を与える。このようにして、前進中の流体をチャネル１２２内にさらに流下させて空気を圧縮する必要なく、より大きな空気圧バリア１２８を生み出すことができる。数式（１）および（２）から、“Ｐｏ”の項が効果的に増大されると、より小さなΔＶでΔＰを高めることができる。
【００４３】
下流空気路１２３から上流空気路１２２への空気流は低く保たれているため、前進中の流体１２が押している空気背圧は極めて小さい。圧力は上流空気路１２２が前進中の流体１２によって覆われた時にのみ著しく上昇する。上流の空気路バルブ１２５は、できるだけ迅速に閉鎖されて（同じ組のなかの他の空気路との構成に応じて）、空気圧の上昇によって流体が空気路１４内のさらに遠くまで押し込まれないようにしなければならない。このとき、空気圧バリア１６は、調節可能な静空気ポンプ圧の値まで増加する。したがって、空気圧バリア１２８は、系内の気体を圧縮するために必要な流体１２の移動とは独立して制御することができる。
【００４４】
系内の全ての空気路が、図３Ａ〜３Ｃに示されるように、基板１０の背面上でチャネルを介して、または他の何らかの手段によって接続されている場合、一旦、１本の空気路（たとえば空気路２８または２９）が覆われると、空気圧バリアが静空気ポンプ圧まで上昇することはない。その代わりに、上流空気路から逃げる空気の流速は低減されるが、停止されることはない。前記空気が停止されるのは、全ての周囲の空気路（この場合、２８と２９の双方）が覆われたときのみである。しかしながら、空気が逃げる際に通る領域が背圧を発生させるのに十分である場合には、上記流速の低下は系内の周囲圧力の増加とも解釈できる。この系の圧力の増加を検知して、流体の位置および前進に関する情報を提供することができる。しかし、それにより、既にその空気路にあった流体に対するある種の空気圧バリアも提供され、既に空気路にあった流体が系をそれ以上流下しない。これは、相互接続された空気路の場合の潜在的問題である。
【００４５】
図８Ａ〜８Ｆを再度参照すると、同様の系において、前方のチャネルに進入する空気または後方のチャネルから流出する空気の流速を監視するためにフローメータ１３０を用いることもできる。流体１２が上流空気路１２２への開口部を覆うと、空気流は急激に低下する。このことは、適切なバルブ１２５，１２６等を閉鎖するための信号としてだけでなく、位置決めセンサとしても用いることができる。
【００４６】
微小流体装置の好ましくは据置（すなわち使い捨て不可能な）部分に設けられた様々なタイプのセンサを、回路内の流体の位置を検知するために用いることができる。可能なセンサの１つが図９に示されている。参照符号１５１によって一般的に示される、流体チャネルを含む微小流体回路は、基板１５０内に形成されている。基板１５０は単純で安価にて製造できるものとして、微小流体装置の使い捨て可能または非据置部分とすることができる。上面板１５２は、微小流体回路を封入するとともに該回路の上面を形成する。少なくとも１つの光学光源１５３と少なくとも１つの光学検出器１５４とを、図９に図示されるように上面板１５２内に配置してもよいし、または、光源および光学検出器を遠隔地に配置して、光ファイバーを介して上面板との間で光学信号を送受信するようにしてもよい。流体チャネル１５１内の流体間のあらゆる空間は、使用する光の波長に関わらず概ね透過性でなければならない。流体を光学的に検知するための様々な機構を想定することができる。たとえば、流体が存在すると検知される光量が低下するように装置を構成してもよい。この構成は、流体の非存在下においては、屈折率のミスマッチにより大半の光が上面板の下面で反射されて検出器１５４に戻り、反対に、流体の存在下においては、より多くの光が上面板の下面を透過して流体内に至りこの流体内で散乱され、反射信号の低下を招くといったケースである。検出すべき流体が蛍光性である別の検出方法においては、光源１５３が第１の波長において励起信号を発生し、流体が存在する場合には該流体が異なる波長の蛍光信号を発生し、この信号を検出器１５４で検知する。さらに、別個の光源１５３および検出器１５４の代わりに、前進信号と反射信号の両方を含む１つのファイバーを用いて、これらの２つの信号を系内の都合の良い場所で分割し検知するようにすることもできる。
【００４７】
流体の圧力を検知するために用いられる別のタイプのセンサとしては、磁気、容量性、ＮＭＲ、化学および音響センサが挙げられる。光学検知装置の場合と同様に、微小流体基板をできるだけ簡単かつ安価にできるように、検知装置は、微小流体組立体の耐久性部分１５２内に恒久的に固定することが好ましい。検知用の電子部品は、流体回路内の特定の位置における流体の有無を示す、閾値信号を検知するように改変することもできる。この信号は、空気路バルブ１８を閉鎖するか、またはポンプを停止させるために用いられ得る。
【００４８】
流動の停止または進路変更
すでに述べたように、流体は好ましくは圧力によって駆動されるポンピング機構、たとえばシリンジポンプやマイクロポンプなどを用いて微小流体回路内を押し進められる。これにより、毛細管または重力によって駆動される系においては不可能であるか、可能であったとしても非常に限られた様式でしかできなかった、ポンプ圧およびポンプ流量の制御を行うことができるという利点が得られる。
【００４９】
ポンプ制御のさらなる利点は、流体の流動を進路変更または停止させるために空気圧バリアを用いることができることにある。流動を停止させる場合、ポンプは、数式（１）および（２）によって表されるように、系の空気体積を著しく圧縮することなく、空気圧バリアによって克服されうる以上のポンプ圧を有し得る。この潜在的に高い圧力はまた、系全体の物理的統合性に対して負の影響をも与え得る。しかしながら、流体の流動を停止するためにこのような圧力に達する必要はない。たとえば前述の項に記載した検知方法のいずれかによって、流体が所望の停止点まで到達したことを判定するだけでよく、その後、流体が回路内をさらに前進することが所望されるまでの間、ポンプは停止され得る。
【００５０】
流体の流動を進路変更させるために必要な主たる要件は、空気圧バリアが、流体の前進移動を停止させるのに十分なバリアを与えて、流体を、該流体に対するバリアを全くまたは殆ど与えない経路に沿うように再指向することである。圧縮気体の圧縮が進むにつれ、空気圧バリアは大きくなるので、この場合の目的は、圧縮をもたらす流体移動の許容範囲内で、流体再指向するのに十分なバリアを与えることにある。
【００５１】
マイクロフルイディクスにおいては、流動様式が著しく層流になっていることが多い。実際に、マイクロフルイディクスにおける流動を特徴付けるレイノルズ数は、０．１〜０．００１未満の場合が多い。レイノルズ数が１未満である場合、通常これは層流であるとみなされる。レイノルズ数は慣性力を粘性力で割った比であり、下記の数式（４）によって表される。
【数４】
2004506146.tif 000006
上記式中、
Ｖは、移動中の流体の速度であり、
ｄは、流動チャネルの直径であり、
ｖは、流体の動粘度である。
【００５２】
１よりはるかに小さいレイノルズ数を有する場合、移動中の流体１１は実質的には全く運動量を有さない。理論と組み合わせなくとも、約０．７ｋＰａ（０．１ｐｓｉ）未満の圧力バリアは、直径が１００μｍを超える流動チャネル１２において、流体１１をその主チャネル１２からサイドチャネル１２に流速４μＬ／分以下で再指向する際に大抵の場合は効果的であるに違いない。数式（１）および（２）からは、約０．７ｋＰａ（０．１ｐｓｉ）の圧力バリアが約０．７％の気体体積圧縮と等しいことがわかる。流動チャネル１２がバリア１６の地点で３００μｍの直径を有するとすれば、流体回路における全下流空気体積は１５μＬであり、空気体積が０．７％圧縮されると流体１１は流動チャネル１２を約１．５ｍｍ流下することになり、これは殆どの用途に対して妥当である。
【００５３】
基板へのインターフェース
上述の適用において発生された空気圧バリアの１つの目的は、十分な流動制御を提供するために毛細管力だけに頼ることができない場合に、流体の流動の制御を提供することである。前述したように、一体化された機械的バルブを用いることができるが、そのようなバルブは実質的に微小流体装置のコストを上昇させてしまう。同様に、電界または磁界に基づいた装置もそれなりの不都合を有する。
【００５４】
外部バリアおよびポンプを用いて発生される空気圧バリアにより、微小流体装置そのものをできるだけ単純かつ安価に保ちながらも、微小流体基板内の流体流動を制御することが可能になる。しかしながら、そのような装置の設計においては、外部の流体および空気素子のインターフェースが複雑になりすぎないように、注意を払う必要がある。
【００５５】
図１０は、本発明に従う微小流体装置の構造を示している。微小流体回路は基板１６０内に形成されている。入口チャネル１６０を基板１６１の側面に穿孔し、入口チャネル１６０と表面チャネル１６３とを連通させるようにチャネルを交差して穿孔することにより、第２の入口チャネル１６２を形成することができる。表面チャネル１６３，１６４，１６５は、たとえば、レーザーアブレーションによって、基板１６０の上面内に形成され得る。表面チャネルを作成するためには、基板や所望とする流動装置の許容度に応じて多くの方法を用いることができる。レーザーアブレーション以外の他の方法としては、ＤＲＩＥ（ディープ反応性イオンエッチング）、湿式化学エッチング、イオンビームエッチング、ホットエンボシング、機械加工、および射出成形などが挙げられる。入口チャネル１６１および第２の入口チャネル１６２も、上記の方法の多くを用いて形成することができる。図１０には、微小流体回路内を移動する流体が滞留し、様々な化学反応または処理を受けることができる２つのウェル１６６，１６７も示されている。表面チャネル１６９の端部は、交差チャネル１７０とサイドチャネル１７１によって形成される空気路１６９に接続している。基板１６０内に形成される微小流体回路は、上面板１６８によって被覆され封止されている。
【００５６】
空気路１６９は、流体チャネル１６１，１６２，１６３，１６５または１６７と同様の方法を用いて形成され得る。というのもこれらは、大体同じ寸法を有している（およそ１〜１０００μｍ）からである。いくつかの実施形態において、空気路１６９は、基板１０の上面の他の場所に配置することもできる。図１１に示されるように他の実施形態において、フルイディクスまたは空気の取り扱いの複雑さから、ここでは参照符号１７５，１７６で示される空気路が、基板１６０を介して基板１６０の底面１７７へと通過するようにすることが望ましいことがあり、空気路を基板の側方にある出口１８０に接続するために別の接続用空気路１７８，１７９が必要になることがある。基板１６０の反対側に空気路を配置することにより、基板１６０内にさらに多くの流体チャネルおよび空気路を形成することができる。チャネルおよび空気路を基板１６０の両側に形成する場合、基板１６０の反対側にある上面板１６８と同様に、下面板１８２も底面１７７内の空気路またはチャネルを閉鎖するために用いられなければならない。
【００５７】
続いて図１０および図１１を参照すると、表面構造物（チャネルまたはウェル）１６３，１６７は、様々な方法によって恒久的または一時的に「封止」され得る。そのような方法としては、表面構造物を覆うように上面板１６８を超音波溶接するか、若しくは接着剤により接合するか、または、基板１６０の上面に柔軟なフィルムを載置し、このフィルムを基板１６０に封着させて表面構造物を封止するように加圧することが挙げられる。どの方法を用いるにせよ、表面構造物は該構造物を通過すべき流体または空気に対して開放していることが重要である。
【００５８】
図１１に示されるように、空気路を基板１６０の裏面に導かれた場合には、これらの空気路は、基板１６０の上面においてチャネルおよびウェルに関して説明したのと同様の方法によって「封止」することができる。上面板１６８または下面板１８２の代わりに、基板１６０内の表面構造物を封止するために任意の適切な形状を有する表面を用いることができる。たとえば、微小流体装置の別の部品の表面、基板１６０が取り付けられている構造物、または他の構造物が、微小流体表面構造物を閉鎖し被覆するように作用し得る。
【００５９】
流体または空気連通のいずれかのためには、横孔１６１，１７１または１８０内にチューブを単に摩擦嵌合させるだけで十分である。チューブは適所に接合されてもよいし、または、チューブを容易に接続可能にするような何らかの種類のニップルが側面に形成されるように、基板１６０を成形してもよい。基板が分厚い場合には、標準的なチューブ（約１．６ｍｍ（１／１６インチ）のテフロン（商標名）チューブ）を用いることができる。基板が薄い場合には、チューブの径を首状に小さくすることが必要なこともあるし、あるいは小さい直径（たとえば約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）ＰＥＥＫ）のチューブが必要になることもある。現時点で好適な実施形態においては、約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）ＰＥＥＫチューブをテフロン基板の側面に摩擦嵌合したところ、約１７２ｋＰａ（２５ｐｓｉ）ゲージの圧力まで基板に対する気密接続を維持した。
【００６０】
流体制御の１つの目的は、流体１２を流体チャネル内で適切に移動させることであるが、最終的には流体１２は、新しい化学種を生成したり、種を沈殿させたり、種を増幅したり、または何らかの他の目的のために、化学反応などの何らかの形の処理を必要とすると考えられる。これらの反応は、図１０においてはウェル１６６，１６７、図２Ａ〜２Ｃにおいてはウェル３４〜３７またはウェル４２〜４５などの反応ウェル中で起こることが多い。図２Ａ〜２Ｃに示されるように、装置が高度に複合化されている場合には、反応は，通常、試料が処理回路内をさらに流下する前に、複合化されたウェル３４〜３７のそれぞれの中で同時に起こることが望ましい。図２Ａ〜２Ｃは、４本の子チャネル２３〜２６に分岐している１本の入口チャネル２０を示しており、これらの４本の子チャネル２３〜２６は、各チャネルに沿った２カ所に、それぞれ反応ウェル３４〜３７および反応ウェル４２〜４５を有している。各ウェルの出口の空気路３０〜３３および空気路３８〜４１は、空気圧バリアによって流体流動を停止させ、流体１２を各ウェル内に収容することを可能にする。流体は主チャネルに沿って進行し、前述のように均一に分岐することができる。しかしながら、ポンプは実際にポンピングを停止する必要ははい。ポンプはゆっくりと安定したポンプ流量を維持することができ、流体１２は自動的にチャネル２３〜２６に分岐していくことになる。しかしながら、流体１２をまとめて停止しなければならない場合、機構は少し複雑になる。
【００６１】
流体１２をウェル３４〜３７内に停止させるために、たとえば、全てのウェルが満たされたところで、ウェル３４〜３７の出口にある空気路３０〜３２を通過する空気の流量を制御するバルブ５４を一旦閉鎖する必要がある。全ての下流のバルブを閉鎖することが好ましい。ここで、空気圧バリアは前方ポンピング運動に対抗するのに十分大きくなければならないが、好ましくは、既知体積が送給されたか、またはポンプを停止する信号が発生されたかのいずれかにより、ポンピングが停止される。この信号は、図２Ｂに示されるように、該当するウェル３４〜３７の全てが流体で満たされたことを装置が、前述のいずれかの方法により検知することによって発生される。本願における「ウェル」という用語は、必ずしもチャネルの拡大部ではない任意の反応ゾーンを意味する。
【００６２】
所望の反応が完了したところで、次の一連の下流空気路３８〜４１が開放されて、圧力バリア１６を除去し、ポンピングが再開されて、流体はウェル４２〜４５に流入できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明の簡単な微小流体チャネルの平面図。
【図１Ｂ】本発明の簡単な微小流体チャネルの平面図。
【図１Ｃ】本発明の簡単な微小流体チャネルの平面図。
【図２Ａ】本発明の複合化微小流体回路の平面図。
【図２Ｂ】本発明の複合化微小流体回路の平面図。
【図２Ｃ】本発明の複合化微小流体回路の平面図。
【図３Ａ】図２Ａの背面図。
【図３Ｂ】図２Ｂの背面図。
【図３Ｃ】図２Ｃの背面図。
【図４】図３Ａ〜３Ｃの代替実施形態の平面図。
【図５】流体が空気路に進入した後にハイドロゲル滴が空気路を閉鎖した状態の流体チャネルと本発明の空気路の一実施形態の斜視図。
【図６】膨張可能な空気袋が微小流体回路から排出された空気を回収する本発明の空気路の代替実施形態の平面図。
【図７Ａ】背圧が監視されている微小流体回路の平面図。
【図７Ｂ】背圧が監視されている微小流体回路の平面図。
【図７Ｃ】背圧が監視されている微小流体回路の平面図。
【図７Ｄ】図７Ａ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図７Ｅ】図７Ｂ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図７Ｆ】図７Ｃ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図８Ａ】空気路内に圧力センサを配置した微小流体回路の平面図。
【図８Ｂ】空気路内に圧力センサを配置した微小流体回路の平面図。
【図８Ｃ】空気路内に圧力センサを配置した微小流体回路の平面図。
【図８Ｄ】図８Ａ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図８Ｅ】図８Ｂ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図８Ｆ】図８Ｃ示された微小流体回路についての、流体圧力対時間のグラフ。
【図９】本発明のセンサの１つの実施形態の平面図。
【図１０】微小流体回路の断面図。
【図１１】図１０の代替実施形態を表す図。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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