(57)【要約】      （修正有）【課題】精細な線、特徴および他の構造を形成することが可能な多孔性基板内の疎水性構造を有する化学分析デバイスを提供する。【解決手段】化学分析デバイス１００は、親水性基板１０４と、親水性基板の第１の面１３２から親水性基板の第２の面１３６へと延伸する１つまたは複数の疎水性構造とを含む。親水性基板内の疎水性構造は、第１の面と第２の面との間の垂直軸から２０°を下回る逸脱で、親水性基板の第１の面から親水性基板の第２の面へと延伸する流体バリア壁１０８、１１２を形成する。【選択図】図１
2016008968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学分析デバイスであって、
第１の親水性基板であって、前記第１の親水性基板は第１の面および第２の面、所定の長さおよび幅、ならびに１ミリメートル以下の厚さを有する、第１の親水性基板と、
疎水性材料から前記第１の親水性基板内に形成され、実質的に、前記第１の面から前記第２の面まで、前記第１の親水性基板の厚さを通じて浸透する第１の疎水性構造であって、前記第１の疎水性構造は、前記第１の親水性基板の前記第１の面および第２の面から、垂直からの２０°を下回る逸脱で前記第１の親水性基板の厚さを通じて延伸する流体バリア壁の表面によって、前記第１の親水性基板内に前記流体バリア壁を形成する、第１の疎水性構造と
を備える、化学分析デバイス。
【請求項２】
第１の面および第２の面を有する第２の親水性基板であって、前記第２の親水性基板の前記第１の面は前記第１の親水性基板の前記第２の面に係合し、前記第２の親水性基板は、別の所定の長さ、幅、および１ミリメートル以下の厚さを有する、第２の親水性基板と、
前記疎水性材料から前記第２の親水性基板内に形成され、実質的に、前記第１の面から前記第２の面まで、前記第２の親水性基板の厚さを通じて浸透する第２の疎水性構造であって、前記第２の疎水性構造は、前記第２の親水性基板の前記第１の面および第２の面から、垂直からの２０°を下回る逸脱で前記第２の親水性基板の厚さを通じて延伸する他の流体バリア壁の表面によって、前記第２の親水性基板内に別の流体バリア壁を形成する、  第２の疎水性構造と
をさらに備える、請求項１に記載の化学分析デバイス。
【請求項３】
前記第１の疎水性構造は実質的に、前記第１の疎水性構造の形成の前に形成される前記親水性基板の前記第１の面上の前記疎水性材料の第１の配列に形成される疎水性材料を含み、前記疎水性材料の前記第１の配列の第１の幅から前記疎水性構造の第２の幅への幅の増大に対応する拡散係数は３．０を超えない、請求項１に記載の化学分析デバイス。
【請求項４】
前記第１の疎水性構造は実質的に、前記第１の疎水性構造の形成の前に形成される前記親水性基板の前記第１の面上の前記疎水性材料の第１の配列内の疎水性材料を含み、前記疎水性材料の前記第１の配列の第１の幅から前記疎水性構造の第２の幅への幅の増大に対応する拡散係数は２．０を超えない、請求項１に記載の化学分析デバイス。
【請求項５】
前記第１の疎水性構造内の前記疎水性材料は、前記親水性基板の所定の空隙体積分画の５０％超を占める、請求項１に記載の化学分析デバイス。
【請求項６】
第１の面および第２の面を有する第２の親水性基板であって、前記第２の親水性基板の前記第１の面は前記第１の親水性基板の前記第２の面に係合し、前記第２の親水性基板は、別の所定の長さ、幅、および１ミリメートル以下の厚さを有する、第２の親水性基板と、
前記第１の親水性基板および前記第２の親水性基板をともに接合するための、前記第２の親水性基板および前記第１の親水性基板内に形成される第２の疎水性構造であって、前記第２の疎水性構造内の前記疎水性材料は、前記第２の親水性基板の前記第１の面上にのみ形成される前記疎水性材料の第２の配列から延伸し、前記第１の親水性基板および前記第２の親水性基板の両方に浸透する、第２の疎水性構造と
をさらに備える、請求項１に記載の化学分析デバイス。
【請求項７】
前記第２の疎水性構造は、実質的に、前記第１の面から前記第２の面まで、前記第２の親水性基板の厚さを通じて浸透し、前記第２の疎水性構造は、前記第２の親水性基板の前記第１の面および第２の面から、垂直からの２０°を下回る逸脱で前記第２の親水性基板の厚さを通じて延伸する他の流体バリア壁の表面によって、前記第２の親水性基板内に別の流体バリア壁を形成する、請求項６に記載の化学分析デバイス。
【請求項８】
前記第２の親水性基板は実質的に、ろ紙を含む、請求項６に記載の化学分析デバイス。
【請求項９】
化学分析デバイスであって、
第１の面および第２の面、所定の長さおよび幅、ならびに１ミリメートル以下の厚さを有する第１の親水性基板と、
疎水性材料から第１の親水性基板内に形成される複数の疎水性構造であって、前記複数の疎水性構造の中の各疎水性構造は、実質的に前記第１の面から前記第２の面まで、前記第１の親水性基板の厚さを通じて前記疎水性材料の複数の配列の中の１つの配列から延伸する疎水性材料を含み、前記疎水性材料の各配列は、単一の形状およびサイズで、前記疎水性材料が前記第１の親水性基板内に浸透する前に、前記第１の親水性基板の前記第１の面上にのみ形成され、前記複数の疎水性構造のうちの最大の疎水性構造の最大面積と、前記複数の疎水性構造のうちの最小の疎水性構造の最小面積との比は１．２５を下回る、複数の疎水性構造と
を備える、化学分析デバイス。
【請求項１０】
前記疎水性材料の各配列は、
対応する疎水性構造内にウェルを形成するための、前記第１の親水性基板の前記第１の面上に形成される所定の内径および外径を有する前記疎水性材料の環状配列をさらに含む、請求項９に記載の化学分析デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して化学分析デバイスに関し、より詳細には、親水性基板を通じた流体流を制御する疎水性構造を埋め込まれた親水性基板から形成される化学分析デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
紙ベースの化学分析デバイスは、可搬生物医学的デバイス、化学センサ、診断デバイス、ならびに、紙のような親水性基板、ワックスまたは相変化インクのような疎水性材料、および試験流体において化学分析を検出することができる１つまたは複数の化学試薬から作成される他の化学試験デバイスを含む。そのようなデバイスの一般的な例は、血液、尿および唾液のような流体を試験する生物医学的試験デバイスを含む。これらのデバイスは小さく、軽量で低コストであり、少し例を挙げるだけでも健康管理、軍事および国土安全保障における診断デバイスとしての潜在的な用途を有する。紙のような多孔性基板を通じた液体の流れを制御するために、デバイスは、ワックス、相変化インク、または、紙に浸透して、流体チャネルおよび流体を化学分析デバイス内の試薬を含む１つもしくは複数の部位に誘導する他の構造を形成する別の適切な疎水性材料から形成されるバリアを含む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現行の技術水準の紙化学分析デバイスは、ワックスが紙上に印刷された後にワックスチャネルのリフローを制御することができないことに起因して、流体特徴分解能および製造適合性に関して制約される。紙およびワックスはリフロー炉内に配置され、リフロー炉内で、ワックスが溶融し、紙の中に浸透する。図１２Ａおよび図１２Ｂは従来技術のリフロー炉、および、従来技術のデバイスの製造中の溶融ワックスの拡散を示す。しかしながら、溶融ワックスは、紙の厚さを通じてだけでなく、紙の表面方向に沿って側方にも、均一な様式で紙を通じて拡散する傾向にあり、これは、流体が横方向に拡散することを防止することができず、したがって、精細な線、特徴および他の構造を形成することが困難である。加えて、紙ベースの化学分析デバイスは、低コストデバイスであるように設計されるが、多層デバイスを形成するのに別個の炉および接着剤を必要とする既存の製造過程は、これらのデバイスの製造効率を低減し、汚染および材料適合性の問題の可能性を増大させる。結果として、多孔性基板内の疎水性構造および多層化学分析デバイスの構築に対する改善が有益となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一実施形態において、化学分析デバイスが開発されている。化学分析デバイスは、第１の親水性基板であって、第１の親水性基板は第１の面および第２の面、所定の長さおよび幅、ならびに１ミリメートル以下の厚さを有する、第１の親水性基板と、
疎水性材料から第１の親水性基板内に形成され、実質的に、第１の面から第２の面まで、第１の親水性基板の厚さを通じて浸透する第１の疎水性構造であって、第１の疎水性構造は、第１の親水性基板の第１の面および第２の面から、垂直からの２０°を下回る逸脱で第１の親水性基板の厚さを通じて延伸する流体バリア壁の表面によって、第１の親水性基板内に流体バリア壁を形成する、第１の疎水性構造と
を含む。
【０００５】
別の実施形態において、化学分析デバイスが開発されている。化学分析デバイスは、第１の面および第２の面、所定の長さおよび幅、ならびに１ミリメートル以下の厚さを有する第１の親水性基板と、疎水性材料から第１の親水性基板内に形成される複数の疎水性構造であって、複数の疎水性構造の中の各疎水性構造は、実質的に第１の面から第２の面まで、第１の親水性基板の厚さを通じて疎水性材料の複数の配列の中の１つの配列から延伸する疎水性材料を含み、疎水性材料の各配列は、単一の形状およびサイズで、疎水性材料が第１の親水性基板内に浸透する前に、第１の親水性基板の第１の面上にのみ形成され、複数の疎水性構造のうちの最大の疎水性構造の最大面積と、複数の疎水性構造のうちの最小の疎水性構造の最小面積との比は１．２５を下回る、複数の疎水性構造とを含む。
【０００６】
化学分析デバイスの上記の態様および他の特徴は、添付の図面とともに取り上げられる、以下の記載において説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、簡略化された単一層化学分析デバイスの図である。
【図２】図２は、親水性チャネルおよび疎水性バリアの図である。
【図３】図３は、図１の化学分析デバイス内の流体チャネルを示す図である。
【図４】図４は、複数の親水性基板から形成される化学分析デバイスの図である。
【図５】図５は、親水性基板内に疎水性構造を形成する装置の概略図である。
【図６】図６は、一方または両方の基板内に疎水性構造を形成する疎水性材料を使用して、疎水性構造をともに接合する構成にある、図５の装置の概略図である。
【図７】図７は、親水性基板内に疎水性構造を形成し、任意選択的に親水性基板をともに接合する別の装置の概略図である。
【図８】図８は、強度の側方変動を示す疎水性壁を有する従来技術の化学分析デバイスの断面図である。
【図９】図９は、わずかな側方変動を示す疎水性構造を有する図１の化学分析デバイスの一実施形態の断面図である。
【図１０】図１０は、大きい度合いの面積の変動を示す従来技術のウェル疎水性構造アレイの図である。
【図１１】図１１は、小さい度合いの面積の変動を示すウェル疎水性構造アレイの図である。
【図１２Ａ】図８および図１０に示す従来技術の実施形態を製造するのに使用される従来技術のリフロー炉の図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの従来技術のリフロー炉における、疎水性材料の側方拡散の度合いが高い浸透パターンの図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書に開示するシステムおよび方法に関する環境ならびにシステムおよび方法に関する詳細の全般的な理解のために、図面を参照する。図面において、同様の参照符号は全体を通じて同様の要素を指定するために使用されている。本明細書において使用される場合、「プリンタ」という単語は、デジタル複写機、製本機、ファクシミリ装置、多機能機などのような、媒体上の樹脂または着色剤を用いて画像を生成する任意の装置を包含する。下記の記載において、プリンタは、溶融ワックス、相変化インク、または他の疎水性材料を、紙のような多孔性基板上に堆積するようにさらに構成される。プリンタは任意選択的に、温度勾配および圧力を基板に加えるように構成されており、これによって、疎水性材料が拡散し、疎水性材料が多孔性基板内に浸透して、水を含む液体の基板を通じた毛細管流動を制御するチャネルおよびバリアを形成することが可能になる。
【０００９】
本明細書において使用される場合、「親水性材料」および「親水性基板」という用語は、水を吸収し、毛細管作用を介して材料を通じて水が拡散することを可能にする材料を指す。親水性基板の１つの一般的な例が紙であり、特定の一実施形態においては、セルロースろ紙のようなろ紙、または、クロマトグラフィ用紙が、親水性基板を形成する。親水性基板は、水、ならびに、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む他の生体液が、基板内に拡散することを可能にする多孔性材料から形成される。下記に記載するように、疎水性材料が親水性基板に埋め込まれて、親水性基板を通じた流体の拡散を制御する流体チャネルおよび他の疎水性構造を形成する。
【００１０】
本明細書において使用される場合、「疎水性材料」とは、水に対する癒着に抵抗し、毛細管運動を通じた水の流れに対して実質的に不浸透性である任意の材料を指す。紙のような多孔性基板に埋め込まれると、疎水性材料は、基板の、疎水性材料を含む部分を通じた水の拡散を阻害するためのバリアとして作用する。疎水性材料はまた、血液、尿、唾液、および他の生体液のような、水を含む多くの流体に対するバリアとしても作用する。下記に記載するように、疎水性材料が多孔性基板に埋め込まれて、基板を通じた流体の毛細管拡散を制御するチャネル壁および他の疎水性構造を形成する。一実施形態において、基板はまた、流体試料の様々な特性を試験するのに使用される生化学試薬をも含む。疎水性材料は、化学試薬の堆積物を有する、基板の複数の異なる箇所に流体を導くためのチャネルを形成する。疎水性材料はまた、疎水性材料と流体との間の化学反応を低減するかまたはなくすために、チャネル内の流体に対して実質的に、化学的に不活性でもある。単一の流体試料に対する複数の生化学的試験を実施するための単純で低コストなデバイスを提供するために、単一の流体試料が基板内のチャネルを通じて拡散して、基板の複数の異なる箇所にある複数の異なる試薬と反応する。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「相変化インク」とは、室温においては実質的に固体であるが、上昇した温度においては軟化および液化するタイプのインクを指す。いくつかのインクジェットプリンタは、相変化インクの液化した滴を、回転ドラムまたはエンドレスベルトのような間接受像部材上に吐出して、インク潜像を形成する。インク潜像は、紙シートのような基板に転写される。他のインクジェットプリンタは、インク液滴を、紙シートまたは長いロール紙のような印刷媒体上に直接吐出する。相変化インクは、疎水性材料でもある相変化材料の一例である。流体チャネルおよび親水性基板内の他の疎水性構造の形成に使用するのに適切である相変化インクの例は、コネティカット州ノーウォーク所在のＸｅｒｏｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって市販されている固体インクを含む。相変化インクは基板上の印刷画像内に形成された後に固相を形成するため、相変化インクは、親水性基板における流体の毛細管拡散を制御するためのチャネルおよび親水性基板上の他の疎水性構造内に形成することができる疎水性材料の一例である。
【００１２】
本明細書において使用される場合、「疎水性構造」という用語は、親水性基板を通じた流体の流れを制御するために親水性基板の厚さを通じて部分的にまたは完全に延伸する疎水性材料の配列を指す。疎水性構造の例は、限定ではないが、流体バリア、流体チャネル壁、ウェル、保護バリア、および、親水性基板に浸透する疎水性材料から形成される任意の他の適切な構造を含む。「ウェル」という用語は、流体試料を受け入れてウェル内に流体試料を収容するための、親水性基板内の円形または他の閉鎖領域を形成するタイプの疎水性構造を指す。下記に記載するように、装置は、温度勾配および圧力を加えて、親水性基板の表面上に形成される疎水性相変化材料の層を溶融させて、制御された様式で親水性基板内に種々の疎水性構造を形成する。いくつかの実施形態において、疎水性構造は複数の親水性基板内に形成され、疎水性材料はそれらの基板をともに接合し、複数の親水性基板を通る流体経路を形成する。化学分析デバイスにおいて、疎水性構造は所定のパターンに形成され、親水性基板の裸の部分の周囲に流体チャネル、堆積部位、および反応部位を含む疎水性構造を形成して、２つ以上の親水性基板をともに接合して多層デバイスにし、化学分析デバイスの汚染を防止する保護層を形成する。
【００１３】
回転円筒ローラまたはプレートのような２つの部材を使用して温度勾配および圧力を加えて、構造的形状およびロバスト性が改善し、構造サイズおよび形状の変動が低減した、親水性基板内の疎水性構造を形成し、中間接着層を必要とすることなく基板をともに接合する装置の例示的な実施形態が下記に説明される。本明細書において使用される場合、２つの部材の間で熱および圧力を加えて親水性基板内に疎水性構造を形成する装置内の部材を参照しているときの「係合」という用語は、部材と親水性基板の一方の表面もしくは基板のスタックとの間の直接的な接触、または、中間層を通じた間接的な接触のいずれかを指す。
【００１４】
本明細書において使用される場合、「プレート」という用語は、基板の一方の面に係合するように構成されている表面を有する部材を指し、基板に係合するプレートの表面の少なくともその部分は、実質的に平滑で平坦である。いくつかの実施形態において、プレートの表面は、基板の面全体に係合する。下記に記載するように、構造形成ユニットのいくつかの実施形態において、２つの部材はプレートである。２つのプレートは、温度勾配および圧力を１つの基板の２つの面または基板のスタックのいずれかの端部に加える。１つのプレートが、疎水性相変化材料の１つまたは複数の層を溶融させるのに十分に高い均一な表面温度を有するように加熱されると、疎水性材料は基板の１つまたは複数の層に浸透して、基板内に疎水性構造を形成する。他方のプレートがより低い温度のままである一方で１つのプレートが上昇した温度まで加熱されると、溶融した疎水性材料が、より低温のプレートよりも大きい度合いまで、より高温のプレートに向かって流れる。
【００１５】
本明細書において使用される場合、「滞留時間」という用語は、１つまたは複数の基板の所与の部分が、構造形成ユニット内の部材の間で過ごす時間量を指す。構造形成ユニット内の部材がローラである実施形態において、滞留時間の量は、ニップを形成するローラの表面積およびニップを通じた基板の直線速度に関係する。滞留時間は、相変化材料が基板に浸透して基板をともに接合することを可能にするように選択される。選択される滞留時間は、基板の厚さおよび多孔率、ニップ内の温度勾配、ニップ内の圧力、ならびに、基板をともに接合する相変化材料の粘度特性に基づいて変化し得る。ローラが大きくなるほど、一般的により大きい表面積を有するニップが形成される。したがって、ローラ径がより大きい接合装置の実施形態は、ローラ径がより小さい他の実施形態と同じ滞留時間を達成するのに、より高い直線速度で動作する。
【００１６】
従来のインクジェットプリンタにおいて、相変化インクは基板の片面に転写され、オプションとして、両面印刷動作において、複数の異なる相変化インク画像が基板の両面に転写される。プリンタは基板の表面上に相変化インク液滴を拡散させ、相変化インク画像は印刷媒体の表面上で冷却および固化して印刷画像が形成される。一方、下記に記載する実施形態は、基板の表面上の相変化インクまたは別の疎水性材料に熱および圧力を加えて、疎水性材料が基板内の多孔性材料を通じて浸透することを可能にして、基板の厚さを通じて、基板を通じた流体の拡散を制御する三次元バリアを形成する。
【００１７】
図１は、親水性基板１０４（またはより単純に「基板」）と、基板１０４内にチャネル１１６のようなチャネルおよび他の流体構造を形成する流体バリア壁１０８および１１２とを含む、単純化された単一層化学分析デバイス１００を示す。図１は、化学分析デバイス１００の俯瞰図およびその線１８０に沿った部分切取図を含む。基板１０４は、第１の面１３２および第２の面１３６を有する平坦な形状、所定の長さ１４０および幅１４２、ならびに１ミリメートル以下の厚さ１４４を有する。一実施形態において、親水性基板１０４は、約０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの厚さを有するセルロースろ紙から形成される。化学分析デバイスの長さ１４０および幅１４２は、疎水性構造およびデバイス上に配置される他の特徴の長さおよび幅寸法に基づいて選択される。たとえば、図１において、デバイス１００は約３ｃｍ×３ｃｍの長さおよび幅寸法を有するが、異なる化学分析デバイスは異なる寸法および長さと幅との比を有してもよい。いくつかの実施形態において、紙シートまたはロール紙のようなより大きい基板が、化学分析デバイスのアレイ内に流体バリア壁１０８および１１２ならびに他の疎水性構造を形成する疎水性材料の複数の印刷配列を搬送する。より大きな基板はその後、センサ１００内の基板１０４と同様のより小さい個々の基板片に切断される。
【００１８】
図１に示すように、化学分析デバイス１００は、限定ではないが、流体チャネル１１６を形成するために基板１０４の長さ１４０および幅１４２に沿って所定の距離だけ互いから分離される流体バリア壁１０８および１１２を含む複数の疎水性構造を含む。疎水性構造の一例として流体バリア壁１０８を使用するとき、流体バリア壁１０８は、基板１０４の第１の面１３２から、実質的に基板１０４の厚さ１４４全体を通じて基板１０４の第２の面１３６へと貫通して浸透する。
【００１９】
化学分析デバイス１０４内の疎水性構造は、基板１０４の一方の面上に堆積され、その後基板１０４に浸透して、基板１０４の厚さ１４４を通じて延伸する疎水性構造を形成する疎水性材料の１つまたは複数の配列から形成される。図１において、インクジェットプリンタまたは他の適切な堆積デバイスが、基板１０４の第１の面１３２上に疎水性材料の１つまたは複数の配列を形成する。基板１０４の表面上の疎水性材料の配列のサイズ、形状、および位置は直接、疎水性材料から基板１０４内に形成される疎水性材料のサイズ、形状、および位置に対応する。たとえば、図１は、基板１０４の第１の面１３２上に形成される疎水性材料の配列１７２および１７６を示す。疎水性材料の配列１７２および１７６の各々は、それぞれ流体バリア壁１０８および１１２の位置および長さに対応する直線形状に形成される。配列１７２および１７６の各々は、図１においては約４００μｍである所定の幅１８６、および、疎水性材料の厚さが基板の厚さに比例する一定範囲の基板厚さについて５０μｍ〜４００μｍである所定の厚さ１８４を有する疎水性材料から形成される。
【００２０】
化学分析デバイス１００において、流体チャネルバリア１０８および１１２は、それぞれ、基板１０４に浸透する疎水性材料の配列１７２および１７６から形成される。完成した化学分析デバイス１００において、元々は疎水性配列１７２および１７６内に形成されている疎水性材料のほとんどまたはすべてが、強制的に基板１０４内に入れられて、疎水性構造１０８および１１２を形成する。疎水性材料が基板１０４に浸透すると、疎水性材料は基板１０４の長さ１４０および幅１４２に沿ってある程度まで側方に拡散するが、側方拡散の度合いは従来技術のデバイスから大幅に低減される。かわりに、各疎水性構造を形成する疎水性材料のはるかにより大きい部分が、第１の面１３２から第２の面１３６に向かって基板１０４の厚さを通じて浸透して、従来技術のデバイスにおけるよりも特徴がより鮮鋭に画定された、かつ従来技術のデバイスにおけるよりも効果的に基板１０４に浸透した、流体バリア壁および他の疎水性構造を形成する。
【００２１】
一例として図１を使用して、基板１０４の第１の面１３２上に形成される疎水性材料の配列１７２は、約４００μｍの幅を有して形成される。疎水性材料は基板１０４に浸透して、約６７０μｍの第１の面１３２上の最大幅を有する疎水性流体バリア壁１０８を形成する。疎水性材料の印刷配列１７２の幅から疎水性構造１０８の最大幅への拡散の量は、親水性基板内への疎水性材料の流れおよび親水性基板の厚さに関連して決定される。本明細書において使用される場合、「拡散係数」（Ｓ）という用語は、親水性基板の表面上に形成される疎水性材料の配列の最初のより狭い幅から配列内の疎水性材料から形成される疎水性構造の最終的なより広い幅へと拡散する度合いに対応する係数を指す。疎水性材料の印刷配列から疎水性構造への絶対的な幅の増大は、基板の厚さに対応し、基板が厚くなるほど、受ける拡散の度合いは大きくなる。拡散係数Ｓは式
【００２２】
【数１】
2016008968.tif 000003
【００２３】
から経験的に求められ、ｌ１は親水性基板に浸透する前の疎水性材料の配列の幅（図１における幅１８６）であり、ｌ２は、疎水性構造の最大幅（図１における基板１０４の第１の面１３２の幅１４６）であり、ｔは基板の厚さ（図１における厚さ１４４）である。拡散係数Ｓは種々の紙厚に対して実質的に一定のままであるが、拡散の絶対的な度合いは、親水性基板の厚さによって影響を受ける。図５〜図７において下記に記載する装置の実施形態は、リフロー炉における親水性基板を通じた疎水性材料の等方性拡散に起因してより高い拡散係数をもたらす従来技術のリフロー炉よりも低い拡散係数で疎水性構造を形成することを可能にする。
【００２４】
図１の例示的な実施形態において、値Ｓは
【００２５】
【数２】
2016008968.tif 000004
【００２６】
であり、これは２：１よりも小さい。対照的に、従来技術のセンサは、はるかに大きい度合いの拡散
【００２７】
【数３】
2016008968.tif 000005
【００２８】
を呈する。任意の所与の基板厚について、図１の化学分析センサデバイスは、従来技術の化学分析デバイスよりもはるかに小さい度合いの拡散を含む。特定の値のＳを所与とした疎水性構造の拡散後の最終的な幅ｌ２は、ｌ２＝Ｓｔ＋ｌ１として与えられる。表１は、拡散の差を示すための、一定範囲の紙厚にわたる固定幅印刷パターンｌ１＝４００μｍに基づく従来技術Ｓ’＝３．９と比較した、化学分析デバイス１００および４５０における拡散係数Ｓ＝１．５についてマイクロメートル単位で測定される拡散の絶対的な度合いを示す。
【００２９】
【表１】
2016008968.tif 000006
【００３０】
下記に記載するように、疎水性構造の幅は第２の面に向かっていくらか先細りになるが、先細りの度合いならびに基板の第１の面および第２の面に対する垂直からの逸脱は小さい。疎水性材料の配列が親水性基板に浸透して上述した特性を有する疎水性構造を形成することを可能にする装置を下記により詳細に説明する。
【００３１】
図１に示す幅の比は、一般的に約３：１超である従来技術のデバイスの比よりも大幅に小さく、１つの従来技術のデバイスは、約２００μｍの厚さを有する基板において３００μｍの初期幅を有する疎水性材料の印刷ラインから約１０００μｍの幅を有するチャネル壁を形成する。したがって、たとえ基板１０４の第１の面１３２上の疎水性材料の配列１７２および１７６が同様の従来技術の配列よりも広くても、基板１０４内の対応する疎水性構造は、従来技術のデバイスよりも狭く、より良好に画定される。
【００３２】
いぜんとしてより狭くより良好に画定される疎水性構造を形成しながらより広い疎水性材料の配列を形成することが可能であることは、より広い疎水性材料配列は、その後、従来技術よりも密度の高い構成を有する疎水性構造を形成するより大きい体積の疎水性材料を含むため、有利である。親水性基板内の体積の第１の分画は、基板を形成する繊維材料（たとえば、多くの形態の紙においてはセルロース）によって占められる。本明細書において使用される場合、「空隙体積分画」という用語は、開孔、および、空気、水、または液化疎水性材料のような別の流体を充填することができる他の空隙を含む親水性基板の体積の分画を指す。液化疎水性材料はその後、固相に戻って、空隙を占める疎水性構造を形成する。空隙体積分画は、異なる品質の紙のような、異なるタイプの親水性材料に対しては変化し、ある品質の高多孔性ろ紙は、紙の総体積の２０〜２５％の空隙体積分画を有する。疎水性構造内の疎水性材料は親水性基板内の空隙のみを占めるため、特定の疎水性基板における空隙体積分画は、疎水性構造の密度の上限を形成する。
【００３３】
化学分析デバイス１００および４５０は、親水性基板内の高い割合の利用可能な最大空隙体積分画を占める疎水性構造を含む。たとえば、疎水性構造１０８において、疎水性材料配列１７２の所与の長さに対する初期体積と、疎水性構造１０８の所与の長さに対する
対応する体積との間の比は
【００３４】
【数４】
2016008968.tif 000007
【００３５】
であり、式中、ｗａおよびｈａはそれぞれ、疎水性材料の配列の幅および高さであり、ｗｓおよびｈｓはそれぞれ、配列中の疎水性材料から形成される疎水性構造の幅および高さである。空隙体積分画が２０％である親水性基板において、０．１７（１７％）のパラメータ
【００３６】
【数５】
2016008968.tif 000008
【００３７】
は、利用可能な空隙体積の大きい分画が疎水性材料によって占められていることに対応する。この疎水性構造は、疎水性材料を受け入れるのに利用可能である親水性基板の２０％の空隙体積分画のうちの８５％（１７％／２０％）を占める。対照的に、従来技術の化学分析デバイスにおける疎水性材料は、親水性基板内の利用可能な空隙を効率的に充填しないはるかに大きい度合いの拡散を受け、その体積比は、たとえば、
【００３８】
【数６】
2016008968.tif 000009
【００３９】
であり、疎水性材料は利用可能な空隙体積分画のうちの４１．５％（８．３％／２０％）しか占めない。従来技術の疎水性構造は、基板内の空隙体積分画のはるかにより大きい部分を占められないままにし（たとえば、５０％未満を占める）、これによって、従来技術の疎水性構造における空隙が、流体が流体チャネルから逃げるか、または他の様態で疎水性構造に浸透することを許容してしまう可能性が増大する。一方、化学分析デバイス１００および４５０内の疎水性構造は、利用可能な空隙体積の５０％を超えるより高い割合の空隙体積分画を充填し、これによって、従来技術の化学分析デバイスと比較して、間隙、または、流体が流体バリア壁または他の疎水性構造を通じて拡散することを許容してしまう他の欠陥を含む可能性がより低いよりロバストな疎水性構造が製造される。
【００４０】
図１の例示的な実施形態において、疎水性構造１７２および１７６は、流体チャネル１１６を形成するために、基板１０４の長さおよび幅に沿って互いから分離される。流体チャネル１１６は、基板１０４内の親水性材料の、疎水性材料を含まず基板１０４内の親水性材料を通じて流体が拡散することを可能にする部分から形成される。図１において、流体チャネル１１６は、第１の面１３２付近の約１００μｍ（寸法線１４８）から第２の面１３６付近の約１３０μｍ（寸法線１４９）まで変化する幅を有する。チャネル１１６の幅は、チャネル１１６の周囲の流体バリア壁１０８および１１２を形成する疎水性材料の拡散パターンに起因して変化する。図１の実施形態において、流体バリア壁１０８および１１２の面は各々、チャネル１１６の幅に沿って約１５μｍの側方変動を有し、これによって、両方の流体バリア壁１０８および１１２に対して、第１の面１３２付近のチャネル１１６の最も狭い部分から、第２の面１３６におけるチャネル１１６の最も広い部分までの約３０μｍの合計変動がもたらされる。流体チャネルを形成する流体バリア壁の幅の変動は、化学分析デバイス内の種々の流体チャネルの実際の幅に影響を与える。たとえば、従来技術の化学分析デバイスにおいて、チャネル壁を形成する疎水性材料は、図１における流体バリア壁１０８および１１２よりもはるかに大きい度合いまで側方に拡散する。一例において、従来技術のデバイスは、３５５μｍから７６５μｍまで変動する幅を有する流体チャネルを含み、これは従来技術の流体チャネルの最も広い部分と最も狭い部分との間の２：１の比よりも大きい。対照的に、図１の流体チャネル１１６は、従来技術の流体チャネルよりも大幅に狭い絶対幅であっても、約１．３〜１の最大幅対最小幅比しか有しない。チャネル壁内の疎水性材料の側方拡散に起因して従来技術のデバイスにおいてはチャネル幅の変動がより大きいことによって、流体チャネルバリアを形成する疎水性材料が実際にはともに融合してチャネルを閉塞させる状況において許容不可能な多数の閉塞したチャネルをもたらすことになる製造工程の変動のために、より大きいチャネル幅が必要とされる。一方、図１の化学分析デバイス１００において、流体バリア壁構造１０８および１１２は、幅の変動が大幅により少なく、変動が低減していることによって、従来技術のデバイスよりも大幅に狭いが、制御された様式で親水性基板１０４を通じた流体の拡散を可能にすることにおいて効率的でもある流体チャネルを有する化学分析デバイス１００を形成することが可能になる。
【００４１】
図２は、親水性基板の表面上に形成される疎水性材料の配列、基板に浸透する対応する疎水性構造、および、２つの疎水性構造の間に形成される流体チャネルの写真画像を示す。図２における写真は、図１のデバイス１００と同様の疎水性流体バリア壁を含む化学分析デバイスの実際の実施形態からのものである。図２において、画像２０４は、親水性基板２０２の第１の面上に形成される、相変化インクのような疎水性材料の配列２０８を示す。疎水性材料の配列２０８は、約３９１μｍの所定の幅２１２を有する。画像２１６は、配列２０８内の疎水性材料が基板２０２に浸透して、流体バリア壁２２０のような疎水性構造が形成された後の親水性基板の第１の面を示す。流体バリア壁２２０は、約６５４μｍの最大幅２２４を有する。図２において、画像２２８は、流体チャネルを形成するために基板２０２上で互いから分離されているほぼ同じ幅を有する流体バリア壁２２０および別の流体バリア壁２３２を示す。画像２２８は、流体バリア壁２２０および２２８が最大幅を有する基板２０２の第１の面のものである。流体チャネルは、基板の第１の面付近で約１０３μｍの幅２３６を有する。画像２４０は、流体バリア壁２２０および２２８が最小幅を有する基板の第２の面から、同じ流体バリア壁２２０および２２４を、流体チャネルとともに示す。画像２４０において、流体チャネルは約１３１μｍの幅２４４を有する。
【００４２】
図３は、流体バリア壁１０８および１１２における疎水性材料の拡散に起因するチャネル１１６の幅の変動を示す。図３において、流体バリア壁１０８および１１２は、それぞれ、チャネル１１６の２つの面上の内面３２４Ａおよび３２４Ｂを有して示されている。表面３２４Ａおよび３２４Ｂの各々は、第１の面１３２の平面と第２の面１３６の平面との間の垂直軸から逸脱しており、線３０８Ａおよび３０８Ｂは垂直軸を示す。逸脱の角度θは、基板１０４における疎水性材料の側方拡散の相対差に対応する。たとえば、図３において、流体バリア壁１０８および１１２の各々の側方拡散は、寸法線３２８が示すように約１５μｍである。寸法線１４４に沿った１８０μｍの厚さを有する親水性基板において、垂直からの逸脱の角度θは、
【００４３】
【数７】
2016008968.tif 000010
【００４４】
として求められる。角度θは、異なる親水性基板および疎水性材料組成および厚さに応じて変動し得るが、逸脱の角度は一般的に２０°未満である。本明細書に記載する実施形態における逸脱の角度は、従来技術のデバイスにおいては基板を通じた疎水性材料の拡散の度合いがはるかにより大きいことに起因して約４５°の逸脱の角度を有する従来技術の疎水性層よりも大幅に小さい。
【００４５】
図３は、平滑で直線的な形状を有する内面３２４Ａおよび３２４Ｂを示すが、図３は明瞭にするための簡略図であること、および、流体壁および親水性基板内の他の疎水性構造の表面は一般的に形状に変動を有することを当業者は認識しよう。たとえば、流体バリア壁１０８および１１２内の疎水性材料は親水性基板１０４に浸透して、図３に示す直線的な表面の代わりに、湾曲した形状を有するチャネル壁３２４Ａおよび３２４Ｂを形成する。加えて、疎水性材料は、繊維および親水性基板１０４内の他の構造上に逃げることが多く、これによって、チャネル壁３２４Ａおよび３２４Ｂの表面にばらつきが形成される。流体バリア壁の表面内の湾曲およびばらつきは、化学分析デバイス１００内の疎水性材料の浸透が制御されることに起因して、従来技術のデバイスよりも大幅に小さい。図８は、流体チャネルの周囲の流体バリア壁の表面を示す、従来技術の化学分析デバイスの写真画像を含む。図９は、化学分析デバイス１００の実際の実施形態の写真画像を含み、これは、デバイス１００における流体バリア壁および他の疎水性構造の構造的特性の改善を示す。図８は、流体チャネル８１６ならびに流体バリア壁８２４Ａおよび８２４Ｂを有する従来技術の化学分析デバイスを示す。流体バリア壁８２４Ａおよび８２４Ｂは、約４５°の角度Фだけ垂直軸８２８から逸脱している。図９は、親水性基板９０４の第１の面９３２から第２の面９３６へと延伸する面９２４Ａおよび９２４Ｂを有する単一の流体バリア壁９０８を示す。流体バリア壁９０８の両方の面９２４Ａおよび９２４Ｂについての図９における逸脱の角度θは約４．７°である。
【００４６】
再び図１を参照すると、化学分析デバイス１００の動作中、流体試料は、流体チャネル１１６ならびに反応部位１５８および１６８を含む、流体チャネルおよび反応部位の放射状アレイの中心に形成される堆積部位１５４内に配置される。基板１０４内に形成される疎水性構造は、親水性材料を通じた流体の拡散を制御して、中心堆積部位１５４からの流体の部分を反応部位へと誘導する。たとえば、チャネル１１６の周囲の流体バリア壁１０８および１１２を形成する疎水性材料は、流体サンプルがチャネル１１６を出て基板１０４内の領域１２０および１２４に拡散することを防止するために、液体試料に対して不浸透性である。加えて、流体バリア壁１０８および１１２内の疎水性材料は、流体試料に対する表面エネルギーが低く、これによって流体試料が流体バリア壁１０８および１１２に癒着することが防止される。したがって、試料中の流体は基板１０４を通じて、制御された様式で堆積部位１５４からチャネル１１６を通って反応部位１５８へと拡散する。種々の反応部位において親水性基板１０４内に埋め込まれている化学試薬が流体と反応して、流体の化学組成に基づいて基板１０４の色を変化させるか、または他の様態で分析結果を生成する。化学分析デバイス１００において、反応部位１５８、１６８および他の反応部位は任意選択的に、単一の化学分析デバイス１００が単一の流体試料に対して複数の分析を実施することを可能にするための複数の異なる化学試薬を含む。
【００４７】
図１の化学分析デバイス１００は、２自由度で基板の長さおよび幅に沿った流体試料の拡散を制御する単一の親水性基板を含む。他の化学分析デバイスの実施形態が２つ以上の親水性基板のスタックから形成され、これは、３自由度で、個々の基板の長さおよび幅に沿って、および、基板の間に形成される流体チャネルを通じた流体試料の拡散を制御する。多基板化学分析デバイスにおける積層基板はともに接合され、各基板内の流体チャネルの対応する領域は、１つまたは２つの隣接する基板内の流体チャネルと整列して、流体が基板スタック全体を通じて拡散することを可能にする。
【００４８】
図４は、多基板化学分析デバイス４５０を示す。化学分析デバイス４５０は、図４においては別個のろ紙シートとして具現化されている４つの親水性基板４５４、４５８、４６２、および４６６を含む。デバイス層４５４〜４６６は、複数の親水性基板、および、親水性基板内に流体チャネルを形成し親水性基板をともに接合する疎水性材料の層から成るスタックを形成する。一実施形態において、化学分析デバイス４５０は、基板４５４内の堆積部位４５６において体液の試料を受け入れ、反応部位４６８および４７０を含む、基板４６６内の反応部位のうちの１つまたは複数において結果を生成する生物医学的試験デバイスである。生物医学的試験デバイスの一般的な例は、血糖値および血液の他の特性を決定するために血液試料を試験するデバイスを含む。
【００４９】
化学分析デバイス４５０において、基板の各々は、疎水性材料から形成される流体チャネルを含み、基板はともに接合されて、デバイス４５０が形成される。化学分析デバイス４５０の図解例において、層４５４は、疎水性材料から形成される領域４５５、および、裸の紙基板から形成され、流体試料の液滴を受け入れる堆積部位４５６を有する入口層である。領域４５５内の疎水性材料は、化学分析デバイス４５０を一方の面からシールし、堆積部位４５６上に配置される生物医学的流体の拡散を制御する。層４５８および４６２は各々、流体を入口層４５４から層４６６内の複数の異なる試験部位に導く中間流体チャネルを形成する疎水性材料のパターンを含む。たとえば、試験部位４６８は、血液試料中のタンパク質レベルについて試験する化学試薬を含み、試験部位４７０は、血液試料中の血糖値について試験する化学試薬を含む。基板層４６６上の疎水性材料のパターンは、試験部位間での流体の拡散を防止するためのバリアを形成し、基板層４６６が基板層４６２に接合されることを可能にする。
【００５０】
上述のように、多基板化学分析デバイス４５０は、個々の親水性基板内に流体チャネルおよび他の疎水性構造を形成する同じ疎水性材料を使用してともに接合される複数の基板を含む。多基板化学分析デバイス４５０は、従来技術の多基板デバイスにおいて基板を接合するのに必要とされる、特別な接着材または親水性基板間の追加の中間接着層を必要としない。図４は、２つの基板層をともに接合する疎水性材料の構造を示すための、デバイス４５０からの基板４５４および４５８の部分断面図を示す。基板４５４において、疎水性材料は、流体堆積部位４５６を取り囲む領域４５５を形成する。領域４５５内の疎水性材料は、化学分析デバイス１００において上述した疎水性構造と同様に、実質的に基板４５４の厚さ全体に浸透する。基板４５８も、基板４５８を通る流体チャネルを形成する疎水性構造を含む。図４は、基板４５８内の疎水性構造４８２および４８８を示す。
【００５１】
基板４８２および４８８内の疎水性材料の第１の部分は、基板４５８に浸透して、それぞれ、領域４８６および４９２に示すような流体バリア壁および他の疎水性構造を形成する。構造４８２および４８８内の疎水性材料の第２の部分は、それぞれ領域４８４および４９０に示すように、基板４５４内に浸透する。基板４５８からの疎水性材料の、基板４５４に浸透する部分が、２つの部分をともに接合する。図４に示すように、基板４５８内の疎水性構造を形成する領域４８６および４９２内の疎水性材料のより大きい堆積と比較して、領域４８４および４９０内の疎水性材料のより小さい部分が、２つの基板をともに接合する。加えて、疎水性材料の一部分は基板４５４および４５８の間にあるままになって、２つの基板間の接合が維持される。図４に示すように、領域４８４および４９０内の疎水性材料のより小さい部分が基板４５４および４５８を接合するが、流体入口領域４６５を通じた流体の拡散を遮断しない。したがって、流体試料は、矢印４９５が示すように、堆積部位領域４５６を通じて流体チャネル４５９へと拡散する。加えて、基板４５４の疎水性構造４５５の、領域４８４および４９０と重なる部分にある疎水性材料は、基板４５８からの疎水性材料と融合して、２つの基板の間の接合の強度を増大させることができる。残りの親水性基板４６２および４６６は同様に、互いに、および基板４５８に接合される。
【００５２】
図１０は、従来技術の化学分析デバイスにおけるウェル構造のアレイを示す。図１０におけるウェル構造のアレイ１０００は、ウェル１０００内の疎水性材料を溶融させる、図１２Ａに示す炉のようなリフロー炉内で形成される。図１０のデバイス内の溶融した疎水性材料は基板内に拡散し、これによって、図１１に示すアレイ１１００と比較して疎水性材料のより大きい度合いの拡散がもたらされる。
【００５３】
図１１は、親水性基板１１０４、および、ウェル１１０８のようなウェル構造の二次元アレイを含む、図１および図４のデバイスと同様である化学分析デバイス内に形成されるウェル構造のアレイを示す。図１１に示すように、各ウェルは、親水性基板の内側円形領域１１１２を取り囲む、壁１１１０のような流体バリア壁を形成する疎水性構造の環状配列から形成される。図１１の実施形態において、環状ウェル壁は中心領域を完全に包囲し、流体試料は、基板１１０４の第１の面または第２の面の表面からウェルに入る。他の実施形態において、ウェル壁は、図１における反応部位１５８および１６８と同様に、流体が親水性基板を通じて横方向に入ることを可能にするための流体チャネルの開口を含む。
【００５４】
理想的には、それぞれのアレイ１０００および１１００内のウェル構造の各々は同じサイズおよび形状を有するべきであるが、実際の実施形態は、ウェル構造のサイズおよび表面積の変動を受ける。図１０内のウェル構造１０００についての表面積間の変動のレベルは、図１１のアレイ１１００においてよりも大きい。従来技術のウェルアレイ１０００において、最小および最大ウェルの間の最小面積に対する最大面積の比は、１．３５：１であり、大きいウェルアレイの面積の標準偏差は約０．０６８である。一方、ウェルアレイ１１００において、同じ最大面積と最小面積との比は１．１５：１であり、ウェル面積の標準偏差は約０．０３８である。
【００５５】
図１１のアレイ１１００においてはウェル間の変動における範囲がより狭くなっていることで、図１１のウェルおよび他の同様の構造を含む化学分析デバイスを使用して実施される試験からの結果の一貫性が改善する。多くの化学分析デバイスにおいて、各ウェル内の親水性基板の領域は、後に流体試料と反応する化学試薬を受け入れる。各ウェルは一般的に同じ量の試薬を受け入れるが、ウェル壁内の疎水性材料の拡散の変動に起因して内部ウェル面積が所定の目標サイズよりも大幅に小さいまたは大きい場合、各ウェル内の試薬の実効濃度も変化する。したがって、より一貫したサイズを有して形成される図１１のウェル構造は、１つの化学分析デバイス内の、および、生産工程における複数の異なる化学分析デバイスの間の複数のウェルにわたってより均一な試薬の分布を可能にする。試薬の濃度をより一貫させることによって、ウェルアレイ１１００および他の適切な疎水性構造を使用するデバイスのような化学分析デバイスが、使用中により一貫した結果をもたらすことが可能になる。
【００５６】
改善された疎水性構造特性を有する、上記で示した単一基板および多基板化学分析デバイスは、図１２Ａの従来技術のリフロー炉を使用しては形成されない。そうではなく、装置が熱および圧力を制御された様式で加えて、親水性基板内に上記で示した疎水性構造を形成する。下記に提示する実施形態は、図１、図４、および図１１の化学分析デバイス内に疎水性構造を形成するのに使用することができる例示的な装置である。
【００５７】
図５は、温度勾配および圧力を加えて上記で示した化学分析デバイス内に疎水性構造を形成する、第１の円筒ローラ５５４および第２の円筒ローラ５５８として具現化される２つの部材を有する装置５８０を示す。第１の円筒ローラ５５４の表面を、７０℃〜１４０℃のような、一般的にほぼ周囲温度のままである第２の円筒ローラ５５８の表面よりも高い温度に加熱するためのヒータ５２４が、第１の円筒ローラ５５４に動作可能に接続されている。第１のローラ５５４および第２のローラ５５８はニップ５５６において互いに係合し、疎水性材料５４４の層を有する第１の面５５６を有する親水性基板５５２が、ニップ５６６においてローラ５５４と５５８との間を移動する。疎水性材料５４４および基板５５２の第１の面５５６はより低温の第２のローラ５５８に係合し、一方で基板５５２の第２の白紙面５６０は、より高温の第１のローラ５５４に係合する。アクチュエータ５３２がローラ５５４および５５８の一方または両方に動作可能に接続されており、ローラ５５４と５５８との間に圧力を加え、アクチュエータ５３２の一実施形態は、８００ＰＳＩ〜３，０００ＰＳＩの範囲内の圧力を加える。任意選択の洗浄ローラ５７４が、第２のローラ５５８の表面から残留疎水性材料を除去する。
【００５８】
動作中、ローラ５５４および５５８は示されているように回転して、工程方向５３４において基板５５２を移動させる。ニップ５６６内の熱および圧力が疎水性材料５４４を溶融させて、疎水性材料が基板５５２に浸透して、疎水性構造５２８のような疎水性構造を形成することを可能にする。第１のローラ５５４のより高い温度および第２のローラ５５８のより低い温度が、ニップ５６６における温度勾配を生成する。ローラ５５４および５５８は、所定の温度および圧力を、従来技術のリフロー炉よりもはるかに制御された様式で基板に加える。加えて、ローラ５５４および５５８は、制御された速度において回転して、基板５５２の各部分が、種々の動作構成において一般的に０．１〜１０秒に及ぶ所定の滞留時間にわたってニップ５６６内に留まることを可能にする。
【００５９】
図５において、装置５８０は、熱および圧力を加えて、疎水性材料５４４が基板５５２内に浸透することを可能にする。ニップ５６６における温度上昇および圧力によって固化疎水性材料５４４が溶融し、液化疎水性材料が基板５５２の多孔性材料内へ水平および垂直の両方向に拡散する。液化疎水性材料の拡散距離Ｌは、ウォッシュバーンの式
【００６０】
【数８】
2016008968.tif 000011
【００６１】
によって与えられ、式中、γは溶融疎水性材料５４４の表面張力であり、Ｄは基板５５２内の細孔の孔径であり、ｔは、その間ニップにおける温度勾配および圧力が、疎水性材料５４４の粘度を低減するニップにおける基板の滞留時間であり、ηは溶融疎水液の粘度である。表面張力γおよび粘度ηの項は、疎水性材料５４４の特性から経験的に求められる。孔径Ｄは、紙または基板５５２を形成する他の親水性材料のタイプから経験的に求められる。装置５８０は、ニップ５６６においてもたらされる温度勾配によって、疎水性材料および基板が移動するときに疎水性材料の粘度ηおよび時間ｔを直接または間接的に制御する。ワックスまたは相変化インクのような疎水性材料は、材料の温度および疎水性材料に加えられる圧力に基づいて、様々な粘度レベルを有する液体状態に遷移する。液化疎水性材料の粘度は、材料の温度に逆相関する。ニップにおける温度勾配によって、面５６０および第１のローラ５５４付近のより高温の領域にある疎水性材料の粘度が、より低温の面５５６およびより低温のローラ５５８よりも高い度合いだけ低減する。したがって、温度勾配は、温度勾配のより高温の領域にあるインクが、増大した温度において粘度が低減していることに起因して、より低温の領域にあるインクと比較してより長い距離を浸透することを可能にする。
【００６２】
当該技術分野において既知であるように、ニップ５６６において加えられる圧力も、疎水性材料５４４の実効溶融温度を低減し、それによって、ニップ５６６内の疎水性材料５４４を溶融してその粘度レベルを低減するのに必要とされる温度レベルが、標準気圧における溶融温度よりも低くなる。基板５５２の一部分がニップ５６６を出ると、圧力および温度レベルは急速に降下し、これによって、疎水性材料５４４が図１２Ａに示す従来技術のリフロー炉よりも急速にかつ制御された様態で固化状態に戻ることが可能になる。ニップ５６６における基板５５２の各部分の滞留時間も、疎水性材料５４４が液体状態で過ごす時間量に影響を与える。
【００６３】
ニップ５６６において、温度勾配は、溶融疎水性材料５４４の異方性加熱を可能にする。面５６０上の第１のローラ５５４の温度がより高いことによって、疎水性材料５４４の粘度ηが、より低温の面５５６上よりも大きい度合いまで低下する。したがって、温度勾配によって、疎水性材料５４４が基板５５２の多孔性材料内へ、基板５５２の長さに沿った疎水性材料５４４の水平の流れよりも、第２の面５６０に向けてより長い距離にわたって流れることが可能になる。図５において、より長い矢印５２０は、基板５５２内の多孔性材料を通じた高温の面５６０に向かう疎水性材料５４４の流れＬのより長い距離を示し、一方で、より短い矢印５２４は、基板５５２の長さに沿ったより短い流れの距離を示す。相変化インク疎水性材料について、インクがより高温のローラ５５４に向かって基板５５２に浸透するときのインクの粘度ηが低減することによって、相変化インクが、基板を通じて印刷面５５６から第２の面５６０へと浸透することが可能になり、これによって、基板５５２の厚さ全体を通じて相変化インクの層が形成される。
【００６４】
装置５８０は、異方性温度勾配、ならびに、基板５５２の長さに沿ったより少ない拡散および印刷面５５６から白紙面５６０への基板５５２を通じた浸透の改善を呈する疎水性材料５４４による流体チャネルバリアおよび他の構造を形成するための疎水性材料５４４の液流パターンを生成し、従来技術のデバイスよりも密度が高く分散が低い疎水性構造をもたらす。さらに、装置５８０における異方性温度勾配は、疎水性材料５４４が、図１２Ｂに示す等方性温度勾配を有する従来技術のリフロー炉よりも大きい度合いまで、基板５５２内に浸透することを可能にする。バリアの幅が狭くなることで、より精細な特徴詳細を有するより小さいデバイスを製造することが可能になり、基板を通じた流体の毛細管拡散を制御する流体チャネルの有効性も改善する。ウォッシュバーンの式および温度勾配が図３に詳細に説明されているが、同様の原理が、下記に記載する単一層および多層化学分析デバイス形成装置に適用される。
【００６５】
図６は、装置５８０による２つの基板５５２および６１０に対する接合過程の間の装置５８０を示す。図６において、基板６６２は、図５に示す動作の間に形成される疎水性構造５２８を含む。図６における接合過程の間、基板５５２の第１の面６５６は第２のローラ５５８に係合し、一方、第２の面５６０は、第２の基板６１０の第１の面６０６および疎水性材料６１８の第２の層に係合する。第２の基板６１０の白紙面６１２は、より高温の第１のローラ５５４に係合する。
【００６６】
動作中、第１のローラ５５４および第２のローラ５５８は積層基板５５２および６１０に係合し、積層基板を工程方向５３４において移動させる。ローラ５５４と５５８との間のニップにおける温度および圧力が疎水性材料の層６１８を溶融させる。ローラ５５４と５５８との間の温度勾配が、層６１８内の疎水性材料が溶融して基板６１０に浸透することを可能にする。図６に示すように、矢印６２４が示すような側方の流れと比較して、溶融疎水性材料のより大きい部分が、矢印６２０が示すように、より高温の第１のローラ５５４に向かって流れる。ローラ５５４と５５８との間の温度勾配が、層６１８内の溶融疎水性材料が図５における装置５８０の動作と同様により高温の第１のローラ５５４に向かって流れることを可能にする。
【００６７】
層６１８内の疎水性材料の、基板６１０に浸透する部分が、流体バリアまたは流体チャネル壁のような、別の疎水性構造６３０を形成する。層６１８内の溶融疎水性材料のより小さい部分が、矢印６２８が示すように基板５５２に浸透し、これによって、２つの基板５５２および６１０がともに接合する。疎水性材料のいくらかは、接合を維持するため基板５５２と６１０との間にあるままである。疎水性材料６１８の一部分は、領域６３２内のバリア５２８内の疎水性材料と融合し、これによって、基板５５２と６１０との間の接合の強度が増大する。基板５５２内の疎水性バリア５２８は、基板６１０における流体構造形成および基板５５２と６１０との間の接合過程の間は実質的に完全なままである。図６の図解例において、装置５８０は、接合基板６１４を形成し、基板搬送装置が、接合基板６１４を所定の速度において工程方向５３４において移動させる。
【００６８】
図７は、化学分析デバイスのための親水性基板内に疎水性構造を形成し、複数の親水性基板をともに接合する装置７８０の別の構成を示す。装置７８０は、２つの部材７５４および７５８を含み、これらは装置７８０においてはプレートとして具現化され、装置７８０は、１つまたは複数の親水性基板を係合して温度勾配および圧力を加えて、基板内に疎水性構造を形成し、それらの基板をともに接合する。装置７８０は、第２のプレート７５８をより低い温度のままにしながら、第１のプレートの温度を所定のレベル（たとえば、７０℃〜１４０℃）まで上昇させるための、第１のプレート７５４に動作可能に接続されているヒータ７３４を含む。図１、図４、および図１１の実施形態に示す構造と同様である疎水性構造を形成するために基板上の疎水性材料の配列を溶融させるために、これらのプレートをともに１つまたは複数の親水性基板の周辺に移動させるためのアクチュエータ７６８が、プレート７５４および７５８の一方または両方に動作可能に接続されている。アクチュエータ７６８は、これらのプレートをともに移動させて、０．１秒〜１０秒の範囲内の滞留時間にわたって、８００ＰＳＩ〜３，０００ＰＳＩの範囲内の圧力を加える。図７の構成において、装置７８０は、単一の動作において、単一の親水性基板内に疎水性構造を形成し、この単一の親水性基板を、１つまたは複数の追加の親水性基板から成るスタックに接合する。装置７８０は任意選択的に連続した親水性基板を、「一度に単一の基板」様式でスタックに接合して多層デバイスを形成する。
【００６９】
図７において装置７８０は、２つの基板７５２および７６２を保持する。基板７５２は、第１のプレート７５４に係合する基板７５２の第１の面７５６および第２の面７６０上に形成される疎水性材料７４４の配列を含む。第２の基板７６２は、第２のプレート７５８に係合する第１の面７６４と、第１の面７５６および基板７５２上の疎水性材料の配列７４４に係合する第２の面７６６とを含む。一実施形態において、第２の基板７６２は、配列７４４内の疎水性材料による第２のプレート７５８の汚染を防止する犠牲または「キャリア」親水性基板である。キャリア基板７６２はその後、剥離または別の機械的分離過程によって疎水性構造を含む基板７５２から除去される。別の実施形態において、第２の基板７６２は、装置７８０内で以前に形成されている疎水性構造を含み、装置７８０は、追加の基板７５２を１つまたは複数の基板から成るスタックに接合して、多基板化学分析デバイスを形成する。多基板デバイスの形成中、既存の基板スタックが第２のプレート７５８に係合している間に、既存の基板スタックに接合される次の基板層が、第１のプレート７３４に係合する。
【００７０】
装置７８０の動作中、アクチュエータ７６８はプレート７５４および７５８をともに移動させて、積層基板７５２および７５６を係合する。図７に示すように、疎水性材料の配列７４４は、装置７８０内の熱および圧力に応答して溶融する。プレート７５４と７５８との間の温度勾配が、配列７４４内の疎水性材料が溶融して基板７５２に浸透することを可能にする。図７に示すように、矢印７２４が示すような側方の流れと比較して、溶融疎水性材料のより大きい部分が、矢印７２２が示すように、より高温の第１のプレート７５４に向かって流れる。プレート７５４と７５８との間の温度勾配が、配列７４４内の溶融疎水性材料が図５および図６の装置５８０の動作と同様により高温の第１のプレート７５４に向かって流れることを可能にする。
【００７１】
層７４４内の疎水性材料の、基板７５２に浸透する部分が、流体バリアまたは流体チャネル壁のような、別の疎水性構造７４８を形成する。層７４４内の溶融疎水性材料のより小さい部分が、基板７６２に浸透し、これによって、２つの基板７５２および７６２がともに接合する。図７において、疎水性材料７２８は、溶融して、矢印７３０が示すように第２の基板７６２に浸透する疎水性材料７４４のより小さい部分に対応する。疎水性材料のいくらかは、接合を維持するため基板７５２と７６２との間にあるままである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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