(57)【要約】未知の粘度または可変粘度を有する流体サンプルの流速を制御するための方法および装置が開示される。流体サンプルが、ミクロ流体チャネルに第１流体流れとして提供される。第２流体が、第１流体の周りにシースとしてチャネルに提供される。１つの実施形態において、第２流体は、第１流体とチャネルの内面との間に注入される。別の実施形態において、第２流体は、第１流体を平行な流れまたはシースの流れとして完全に囲む。第２流体は、ある流速を達成するために選択された既知の粘度を有する。第１流体は、第２流体の達成される流速と同じ速度で流れる。
2004536699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程；および
該第１流体を、既知の粘度を有する第２流体で覆う工程であって、その結果、該第１流体が、該第１流体との界面における該第２流体の流速と実質的に等しい流速を有する、工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記第１流体を前記第２流体と接触させる工程をさらに包含する、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記第１流体および前記第２流体が、互いに接触して流れる、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記第１流体を覆う工程が、前記第２流体を、該第１流体の少なくとも部分的に周りで、前記チャネルに注入する工程を包含する、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記第２流体が、２次元シースフローで前記第１流体のいずれかの側において注入される、方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法の方法であって、前記第２流体が、３次元シースフローで前記第１流体を完全に取り囲む、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記３次元シースフローが、丸い断面のプロフィールを有する、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記３次元シースフローが、矩形断面プロフィールを有する、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法であって、前記第２流体が、前記第１流体と前記ミクロ流体チャネルの内面との接触を最小化するように構成される、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法であって、前記第２流体が、前記ミクロ流体チャネルの内面との接触から前記第１流体を分離するように構成される、方法。
【請求項１１】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体をミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程であって、該第１流体が、未知の粘度または可変粘度を有する、工程；および
該第１流体を、既知の粘度を有する第２流体で覆う工程であって、その結果、該第１流体が、該第１流体との界面における該第２流体の流速と実質的に等しい流速を有する、工程、
を包含する、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記第２流体の既知の粘度が、前記ミクロ流体チャネル中の第１流体について特定の流速を維持するように適応されている、方法。
【請求項１３】
ミクロ流体チャネル中の流体サンプルの流れを制御するための装置であって、該方法が、以下：
第１流体であって、該第１流体が、該ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供される、第１流体；
第２流体であって、該第２流体が、該チャネルの内面と該第１流体との間の流れとして提供され、該第２流体が、該第１流体との界面において、一定の流速を達成するように調整された既知の粘度を有し、その結果、該第１流体が、該第１流体と関連する粘度に依存しない、実質的に一定の流速を達成する、第２流体、
を備える、装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって、前記第２流体が、前記第１流体を覆う、装置。
【請求項１５】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程；および
第２流体を、該ミクロ流体チャネル中の、該第１流体と該ミクロ流体チャネルの内面との間の流れとして、提供する工程であって、該第２流体が、既知の粘度を有し、その結果、該第１流体が、該第１流体との界面における該第２流体の流速と実質的に等しい流速を有する、工程、
を包含する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記第２流体が、前記第１流体を覆う、方法。
【請求項１７】
ミクロ流体プロセスを実施するためのシステムであって、該システムが、以下：
ミクロ流体チャネルであって、該ミクロ流体チャネルが、第１流体流れを受容するための第１入り口、および該第１流体流れと該チャネルの内面との間に第２流体流れを受容するための第２入り口を有し、該第２流体が、該第１流体との界面において特定の一定の流速を達成するために選択される粘度を有し、その結果、該第１流体流れが、該第１流体との界面における該第２流体の流速と実質的に等しい流速を達成する、ミクロ流体チャネル、
を備える、システム。
【請求項１８】
請求項１７に記載のシステムであって、前記第２入り口が、前記第１入り口を取り囲む、システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のシステムであって、前記第１入り口および／または前記第２入り口が、矩形である、システム。
【請求項２０】
請求項１７に記載のシステムであって、前記第１入り口および／または前記第２入り口が、丸形である、システム。
【請求項２１】
請求項１７に記載のシステムであって、前記第１流体が、未知の粘度または可変粘度を有する、システム。
【請求項２２】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルに注入する工程；および
第２流体を、該第１流体に隣接する該チャネルに注入する工程であって、該第２流体が、既知の粘度を有し、その結果、該第１流体が、該第１流体と該第２流体との間の界面における該第２流体の流速と実質的に等しい流速を有する、工程、
を包含する、方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、前記第２流体を注入する工程が、該第２流体を用いて前記第１流体の周りにシースを形成する工程をさらに包含する、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、前記第２流体が、前記ミクロ流体チャネルの内面との接触から前記第１流体を分離する、方法。
【請求項２５】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程であって、該第１流体が、該第１流体の流れに影響する力に感受性である、非溶解性粒子を含有する、工程；および
該第１流体を、制御された流れを有する第２流体で覆って、該力から該第１流体を実質的に分離する、工程、
を包含する、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法であって、前記力が、前記ミクロ流体チャネル内の流体力学剪断応力を含む、方法。
【請求項２７】
請求項２５に記載の方法であって、前記第２流体が、該ミクロ流体チャネル内で、特定の流れプロフィールを達成するために選択された既知の粘度を有する、方法。
【請求項２８】
流体サンプルの流れを制御する方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程であって、該第１流体が、非溶解性粒子を含有し、該非溶解性粒子が、該ミクロ流体チャネル内の該非溶解性粒子の流れに影響する力に感受性である、工程；および
該第１流体を、制御された流れを有する第２流体で覆って、該力から該第１流体を実質的に分離する、工程、
を包含する、方法。
【請求項２９】
流体サンプルの流れを制御するための方法であって、該方法が、以下：
第１流体を、ミクロ流体チャネルにおける流れとして提供する工程であって、該第１流体が、非溶解性粒子を含有し、該非溶解性粒子が、該ミクロ流体チャネル内の該非溶解性粒子の流れの方向に対して実質的に垂直な力に感受性である、工程；および
該第１流体を、制御された流れを有する第２流体で覆って、該力から該第１流体を実質的に分離する、工程、
を包含する、方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法であって、前記力が、前記ミクロ流体チャネル内の流体力学剪断応力を含む、方法。
【請求項３１】
請求項２９に記載の方法であって、前記力が、前記ミクロ流体チャネル内の流体力学剪断揚力を含む、方法。
【請求項３２】
請求項２９に記載の方法であって、前記力が、前記ミクロ流体チャネル内の粒子の弾性衝突を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の記載）
本出願は、２０００年６月２３日に出願された米国仮出願番号６０／２１３，８６５の、表題「ＭＩＣＲＯＦＬＵＩＤＥＣ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」（この出願は、本明細書中でその全体が援用されている）の利益を主張する。本出願はまた、１９９９年１０月２８日に出願された米国特許出願番号０９／４２８，８０７号の、表題「ＳＨＥＡＴＨ  ＦＬＯＷ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ」（この出願は、全ての目的のために本明細書中で参考として援用されている）に関連している。
【０００２】
本発明は、一般に、ミクロ流体に関連し、そしてより具体的には、ミクロ流体回路中で、流体の流れを制御することに関連する。ミクロ流体は、キャピラリー寸法のミクロサイズチャネルにおける、流体の物理的特性および流体特徴を利用するシステムに関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
容積制御ミクロ流体回路において、互いに隣接して流れる異なる粘度を有する流体は、チャネル内において異なる断面積または異なる相対容積のいずれかを有することによって、チャネル内において異なる量のスペースを占める。同様に、圧力制御ミクロ流体回路（例えば、重力送り回路（ｇｒａｖｉｔｙ−ｆｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を含む）において、異なる粘度を有し、そして互い隣接して流れる流体は、同一量のスペースを占めるが、異なる体積流量で流れる。未知の粘度または可変粘度を有する流体に対して、この現象は、一定の流速または正確な流速が必要とされる場合または互いに隣接する２種の流体間の位置を知らなければならない場合に問題が生じる。
【０００４】
さらに、流体内で分散された、非溶解性粒子を有する流体は、流体の粘度が類似している場合でも、粒子を含まない流体の流れ性質と異なる流れ性質を示す。粒子間、粒子と流体との間で生じ得る種々の力、ならびに流体力学的剪断応力およびミクロチャネル内の流れプロフィールによって粒子に付与される他の力に依存して、このような粒子含有流体はまた、容積制御回路において、異なる量のスペースを占め得るか、または圧力制御回路において、異なる流速を有し得る。さらに、この粒子自体は、これらの力のいずれかによって、チャネルの異なる領域に対して、制御不能に力が加えられ得るので、粒子が含まれる流体は、所定の場所に存在するままである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
流速は、チャネル内の流体の断面積、および流体がチャネルを通って進む速度の関数である。流体の流速に影響を与えるいくつかの他の因子としては、流体の粘度、または流れに対する抵抗特性、チャネルの組成および構成、ならびに他の近隣を流れる流体の存在が挙げられる。一般に、流速に対する流体の粘度の影響は、通常、チャネル壁によって規定されるチャネルの内面近くで著しい。図１は、この特性を例示しており、ここで、既知の粘度を有する流体の流速は、ミクロチャネル内に放物線状分布１００を有し、この流れは、チャネルの壁１０３およびその付近でより遅く、そしてチャネルの中央に向かってより速くなる。
【０００６】
図１を参照すると、放物線状分布１００の中央領域１０１は、実質的に平らであり、この領域を通過する、一定またはほぼ一定の流速を表す。本発明に従って、一定な流速または正確な流速を必要とする流体サンプル１０２は、第２流体１０４に覆われる（ｓｈｅａｔｈｅｄ）。この流体サンプル１０２（すなわち、第１流体）は、好ましくは、流速が一定である領域１０１中の全流れの小さな中央部分内のチャネルに流れとして注入される。この第１流体は、他に一定の流速または正確な流速を阻害する、未知の粘度または可変粘度を有し得る。第２流体１０４は、第１流体１０２を覆い、そして既知の粘度を有し、その結果、第２流体は、第１流体１０２との界面において一定の流速または正確に既知の流速を有する。従って、第１流体１０２は、この界面において第２流体と実質的に同一な一定の流速または正確な流速を維持する。
【０００７】
この第１流体１０２はまた、非溶解性粒子を含む場合、第１流体の流速および方向に影響を与え得る力、またはこの第１流体中に分散された任意の非溶解性粒子に対して保護される。これらの力は、この第１流体１０２の流れの方向に対して実質的に垂直である。これらの力に対して感受性であることにより、非溶解性粒子は、第１流体１０２の流れを変化させて移動され得る。これらの力としては、流体力学剪断応力、流体力学的剪断揚力、および粒子の弾性衝突が挙げられるが、これらに限定されない。
【０００８】
多くの異なるミクロ流体構造体および注入機構を使用して、流体サンプルの一定の流速および／または正確な流速を達成するために、既知の粘度の流体で流体サンプルを覆い得る。米国特許第５，９３２，１００号（Ｙａｇｅｒら）、同第５，９４８，６８４号（Ｗｅｉｇｌら）、および同第６，１５９，７３９号（Ｗｅｉｇｌら）（これらの内容は、本明細書中でその全体が参考として援用されている）は、他の流体内の流体を覆うための種々の構造体、機構および方法を記載している。
【０００９】
図２は、「Ｔ」センサとして公知のデバイスと一致した注入構造体２００の２次元断面図であり、この構造体は、内面を規定する側壁２０３を有するミクロ流体チャネル２０１を備える。このミクロ流体チャネル２０１は、第１流体流れを受容するための第１入り口２０２、および１以上の第２流体流れを受容するために第２入り口２０４を有する。当業者は、第２入り口２０４が分離部として示されることを認識するが、３次元構造において１つの入り口の異なるパーツを形成し得ることを認識する。
【００１０】
第２流体は、第１流体を覆い、チャネル２０１の側壁２０３から第１流体を分離する。この第１流体は、未知の粘度または可変粘度を有し、この粘度は、第１流体の流速に最小の影響を与える。なぜならば、第１流体は、この２種の流体が接する２０５における第２流体と実質的に同一の速度で流れるからである。第２流体は、界面２０５において、特定の流速を達成するために選択された既知の粘度を有する。
【００１１】
図２に示される構造２００は、例示のみであり、限定しない、２次元として示される。３次元において、多くの異なる断面プロフィールが、使用され得る。図３〜５は、ミクロ流体チャネルへの入り口または注入器のいくつかの実施形態を示す。多くの他の実施形態は、本発明の範囲内で可能である。図３は、入り口の円形配置３００の断面である。この配置は、第１流体を提供するための第１入り口３０２、およびこの第１流体を覆う第２流体を提供するための第２入り口３０４を備える。示される配置において、第２入り口３０４は、少なくともこのチャネルのほぼ近位において、第１入り口３０２を取り囲む。
【００１２】
図４は、第１入り口４０２および第２入り口４０４が矩形である、類似の配置４００を示す。任意の実施形態において、第２入り口は、第１入り口の正確な形状と必ずしも一致する必要はないことが理解される。従って、図４を参照して、第２入り口４０４は、第１入り口４０２以外の異なる形状（例えば、円形）であり得る。この第２流体は、好ましくは、第１流体を覆うか、もしくは取り囲むか、またはチャネルの内面との接触により第１流体を少なくとも分離するための第２入り口４０４によって提供される。
【００１３】
図５は、第２入り口５０４が、第１入り口５０２を部分的にのみ取り囲む、配置５００の代替実施形態を示す。このような配置において、第１流体の粘度の影響は、壁５０３上のコーティング５０５により、第２流体で完全には覆われない（ｉｎｔｅｒｃｅｄｅｄ）チャネル壁５０３において軽減され得る。
【００１４】
他の実施形態において、本発明の組み合わせおよび改変は、これらの教示を考慮して、当業者にとって容易に想到し得る。従って、本発明は、上記の特許請求の範囲によってのみ限定され、上記明細書および添付の図面と組み合わせて参照した場合、このような全ての実施形態および改変を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、それぞれ、内面を規定する２つの側壁を有する、ミクロチャネル内の放物型流速分布を例示する図である。
【図２】図２は、本発明に対して適切な、注入構造体の一つの実施形態を示す。
【図３】図３は、ミクロ流体チャネルに対する、種々の入口の代替断面を例示する。
【図４】図４は、ミクロ流体チャネルに対する、種々の入口の代替断面を例示する。
【図５】図５は、ミクロ流体チャネルに対する、種々の入口の代替断面を例示する。
【図１】
2004536699.tif 000003
【国際公開パンフレット】
2004536699.tif 000004
2004536699.tif 000005
2004536699.tif 000006
2004536699.tif 000007
2004536699.tif 000008
2004536699.tif 000009
2004536699.tif 000010
2004536699.tif 000011
2004536699.tif 000012
2004536699.tif 000013
2004536699.tif 000014
2004536699.tif 000015
2004536699.tif 000016
2004536699.tif 000017
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004536699.tif 000018
【国際調査報告】
2004536699.tif 000019
2004536699.tif 000020