(57)【要約】マイクロ流体装置は、チャンネルと、容器から該チャンネル内へと流体を通すための流体入口と、該チャンネル内に配置されたセンサーと、該センサーから離れた該チャンネル内の位置に配置されたポンプアクチュエータであって、該チャンネルに流入する流体流れを引き起こすためのポンプアクチュエータとを備えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体装置であって、
チャンネルと、
容器から前記チャンネル内に流体を通すための流体入口と、
前記チャンネル内に配置されたセンサーと、
前記センサーから離れた前記チャンネル内の位置に配置されたポンプアクチュエータであって、前記チャンネルに流入する流体流れを引き起こすためのポンプアクチュエータ
を備えるマイクロ流体装置。
【請求項２】
前記流体から粒子をフィルリングするために前記入口内に配置されたフィルターをさらに備える、請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項３】
前記ポンプアクチュエータは、前記流体流れを引き起こすために前記チャンネルから流体を放出することからなる、請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項４】
前記チャンネルから前記容器へと流体を通すための出口をさらに備える、請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項５】
前記チャンネルは、一次チャンネルと二次チャンネルを有し、前記二次チャンネルは、前記一次チャンネルと流体連絡する第２の入口及び第２の出口を有し、前記センサーは、前記二次チャンネル内に配置される、請求項１のマイクロ流体装置。
【請求項６】
前記第２の入口内に配置されたフィルターと、前記第２の出口内に配置されたフィルターをさらに備える、請求項５のマイクロ流体装置。
【請求項７】
マイクロ流体センサー装置であって、
基板と、
流体容器と、
電気的インターフェースと、
前記流体容器と流体連絡し、かつ、前記電気的インターフェースと電気通信をするマイクロ流体構造
を備え、
前記マイクロ流体構造は、チャンネルと、電気センサーと、前記チャンネル内に前記電気センサーを横切って流入する流体流れを引き起こすためのポンプアクチュエータとを有することからなる、マイクロ流体センサー装置。
【請求項８】
前記電気センサーは、前記流体内の粒子が前記チャンネルを通って流れるときのインピーダンス変化を検出するためのインピーダンスセンサーである、請求項７のマイクロ流体センサー装置。
【請求項９】
前記ポンプアクチュエータは、前記チャンネルから流体を放出することによって前記チャンネル内に流体流れを引き起こす、請求項７のマイクロ流体センサー装置。
【請求項１０】
前記ポンプアクチュエータは、前記流体を前記流体容器へと戻すように再循環させることによって前記チャンネル内に流体流れを引き起こす、請求項７のマイクロ流体センサー装置。
【請求項１１】
前記チャンネルは、一次チャンネルと二次チャンネルを有し、前記二次チャンネルは、前記一次チャンネルと流体連絡する、請求項７のマイクロ流体センサー装置。
【請求項１２】
診断用センサーシステムであって、
センサー装置モジュールと、
電子制御装置モジュール
を備え、
前記センサー装置モジュールは、流体容器、マイクロ流体装置、及び電気的インターフェースを有し、前記マイクロ流体装置は、前記流体容器と流体連絡し、かつ、前記電気的インターフェースと電気通信をし、
前記電子制御装置モジュールは、前記センサー装置モジュールに取り外し可能に結合され、前記電子制御装置モジュールは、前記電気的インターフェースを介して前記マイクロ流体装置と電気通信をする電子制御装置を備えることからなる、診断用センサーシステム。
【請求項１３】
前記電子制御装置は、ホスト装置に対するインターフェースを備える、請求項１２の診断用センサーシステム。
【請求項１４】
前記マイクロ流体装置は、チャンネル、前記チャンネル内に配置されたインピーダンスセンサー、及び、前記チャンネルに流入する流体流れを引き起こすために前記チャンネル内に配置されたポンプアクチュエータを備えることからなる、請求項１２の診断用センサーシステム。
【請求項１５】
前記チャンネルは、一次チャンネルと二次チャンネルを有し、前記二次チャンネルは、前記一次チャンネルと流体連絡する、請求項１４の診断用センサーシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
マイクロフルイディクス（microfluidics：マイクロ流体工学ともいう）は、ますます重要な技術となってきており、工学、物理学、化学、マイクロテクノロジー、及びバイオテクノロジーを含む種々の分野に適用されている。マイクロフルイディクスには、種々のマイクロ流体システム、並びに、マイクロ流体チップなどのデバイスにおける、少量の流体の研究及びそのような少量の流体の操作、制御、及び使用法の研究が含まれる。たとえば、マイクロ流体バイオチップ（「ラボオンチップ（lab-on-chip）」と呼ばれる）が、酵素及びＤＮＡの分析、生化学的毒素及び病原菌の検出、病気の診断などの目的で分析作業を統合するために、分子生物学の分野で使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】（補充可能性あり）
【図面の簡単な説明】
【０００３】
本発明のいくつかの実施形態は添付の図面に関して説明される。
【図１】１実施例にしたがうマイクロ流体診断システムを示す。
【図２】１実施例にしたがう、図１に示されている診断システムの構成の１例を示すブロック図である。
【図３】１実施例にしたがうセンサーモジュールを示すブロック図である。
【図４】１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造の略図である。
【図５】１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造の略図である。
【図６】１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造の略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
生きている細胞は、有機体の基本的な構造的及び機能的単位である。ほとんどの動物及び植物の細胞は、１マイクロメートル〜１００マイクロメートルの大きさの範囲内であって、極めて重要な健康に関する情報を含んでいる。細胞ベースの診断は、感染症（ＨＩＶ、マラリア、結核）並びに慢性疾患（がん、心臓病、自己免疫疾患）を見つけるための理想的な基準（gold standard）である。従来の細胞レベルでの診断ツールは、高価で、操作するには特別な訓練が必要であり、ポイント・オブ・ケア状況（point-of-care setting）に常に配備できるというわけではない。本明細書に記載されているマイクロ流体診断システムを用いて、構成可能で機動性のあるプラットフォームを提供することができ、これによって、手頃な価格の健康診断に対する世界的なニーズに応えることができる。そのいくつかの例が本明細書に記載されている。
【０００５】
図１は、１実施例にしたがうマイクロ流体診断システム１００を示している。この例示的なマイクロ流体診断システム１００は、マイクロ流体装置１０２、外部の流体容器（以下、外部流体容器という。尚、容器はリザーバともいう）１０４、電子制御装置（電子コントローラ）１０６、及びホスト装置１０８を備えている。一般に、流体は、流体容器１０４に入れられる。流体を、粒子(たとえば、血液サンプル、または顔料／粒子を含むインクなど)を有するホスト流体（host fluid）とすることができる。流体１０２は、電子制御装置１０６の制御下で、マイクロフルイディクスによって処理されて、マイクロ流体装置１０２内のセンサーに加えられる。マイクロ流体装置１０２は、センサーデータを表す電気出力信号を電子制御装置１０６に提供する。電子制御装置１０６は、ホスト装置１０８の制御下にある。ホスト装置１０８は、マイクロ流体装置１０２を制御するためのコマンド情報、及びマイクロ流体装置１０２から得られたセンサーデータを含むデータを、電子制御装置１０６とやり取りすることができる。
【０００６】
ホスト装置１０８は、一般に、中央処理装置（ＣＰＵ）１１０、種々のサポート（支援）回路１１２、メモリ（記憶装置）１１４、種々の入出力（ＩＯ）回路１１６、及び外部インターフェース１１８を備えている。ＣＰＵ１１０は、本技術分野において既知の任意のタイプのマイクロプロセッサを含むことができる。サポート回路１１２は、キャッシュ、電源、クロック回路、データレジスターなどを含むことができる。メモリ１１４は、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ、キャッシュメモリ、磁気式リード／ライトメモリなど、または、これらのメモリデバイスの任意の組み合わせを含むことができる。ＩＯ回路１１６は、外部インターフェース１１８と協働して、通信媒体１１９を介する電子制御装置１０６との通信を容易にすることができる。通信媒体１１９を、任意のタイプの電気伝送路、または光伝送路、または無線周波数（ＲＦ）伝送路などとすることができる。
【０００７】
１例では、外部インターフェース１１８は、ＵＳＢケーブルを介して、電子制御装置１０６にデータを送信し及び電子制御装置１０６からデータを受信することができ、並びに、電子制御装置１０６に電力を提供することができるユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）コントローラを備えることができる。電子制御装置１０６に対する他のタイプの電気インターフェースもしくは光インターフェースもしくはＲＦインターフェースを使用して、データを送受信し及び／または電力を供給することができることが理解されよう。
【０００８】
メモリ１１４は、オペレーティングシステム（ＯＳ）１０９及びドライバ１１１を格納（記憶）することができる。ＯＳ１０９及びドライバ１１１は、ＣＰＵ１１０が実行できる命令であって、ホスト装置１０８を制御するための、及び、外部インターフェース１１８を介して電子制御装置１０６を制御するための命令を含むことができる。ドライバ１１１は、ＯＳ１０９と電子制御装置１０６間のインターフェースを提供する。したがって、ホスト装置１０８は、たとえば非一時的なプロセッサ／コンピュータ可読媒体（たとえばメモリ１１４）に、１以上のソフトウェアモジュールの形態で格納された機械可読命令を含んでいるプログラマブルデバイス（またはプログラム可能な装置）を備えている。
【０００９】
ホスト装置１０８は、ディスプレイ（表示装置）１２０を備えることができ、ＯＳ１０９は、該ディスプレイを通じてユーザーインターフェース（ＵＩ）１２２を提供することができる。ユーザーは、ＵＩ １２２を使って、ＯＳ １０９及びドライバ１１１と相互作用ないし対話をすることによって、電子制御装置１０６を制御することができ、及び、電子制御装置１０６から受け取ったデータを表示することができる。ホスト装置１０８を、任意のタイプの汎用コンピューティング装置もしくは特定目的用途のコンピューティング装置とすることができることが理解されよう。１例では、ホスト装置１０８を、「スマートフォン」や「タブレット」などのモバイルコンピューティング装置とすることができる。
【００１０】
外部流体容器１０４は、マイクロ流体装置１０２と流体連絡している（すなわち、両者間で流体が行き来できるようになっている）。外部流体容器１０４は、流体成分／流体サンプル及び／または溶液を保持して、それらをマイクロ流体装置１０２に供給するように構成されている。マイクロ流体装置１０２を、チップベースの（すなわちマイクロチップを用いた）装置として実施することができる。装置１０２の種々の例示的な実施例が後述されるが、それらは、一般に、（１以上の）入口／出口室（入口／出口チャンバーともいう）１２４、（１以上の）マイクロ流体チャンネル１２６、（１以上の）アクチュエータ１２８、（１以上の）マイクロ流体フィルター１３０、（１以上の）センサー１３１、及び電気的インターフェース１３２を備えることができる。電子制御装置１０６は、（１以上の）アクチュエータ１２８及び（１以上の）センサー１３１に電力を供給するために電気的インターフェース１３２に結合されている。一般に、チップベースのマイクロ流体装置１０２の構造及びコンポーネント（構成要素）を、電鋳法、レーザーアブレーション、異方性エッチング、スパッタリング、ドライ及びウェットエッチング、写真平板（フォトリソグラフィー）、キャスティング、成形（モールディング）、スタンピング、機械加工、スピンコーティング、積層法などの従来の集積回路微細加工技術を用いて製造することができる（本明細書においてチャンネルはたとえば流路を意味する）。
【００１１】
１例では、電子制御装置１０６は、コントローラ１３４、ＩＯ回路１３６、及びメモリ１３８を備えている。コントローラ１３４は、本技術分野において既知の任意のタイプのマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを含むことができる。１例では、電子制御装置１０６は、ホスト装置１０８から電力を受け取る。別の例では、電子制御装置１０６は電源１４２を備えることができる。
【００１２】
メモリ１３８はファームウェア１４０を格納することができ、該ファームウェアは、コントローラ１３４が実行できる命令であって、マイクロ流体装置１０２を制御するための及びホスト装置１０８と通信するための命令を含むことができる。したがって、電子制御装置１０６は、たとえば非一時的なプロセッサ／コンピュータ可読媒体（たとえばメモリ１３８）に、１以上のソフトウェア／ファームウェアモジュールの形態で格納された機械可読命令を含んでいるプログラマブルデバイス（またはプログラム可能な装置）を備えている。ファームウェアからの命令を実行するコントローラとして説明されている電子制御装置１０６を、ハードウェア、またはソフトウェア／ファームウェア、またはそれらの組み合わせを用いて実施できることが理解されよう。たとえば、電子制御装置１０６の全てもしくは一部を、プログラム可能な論理デバイス（ＰＬＤ）や特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などを用いて実施することができる。
【００１３】
図２は、１実施例にしたがう、図１に示されている診断システム１００の例示的な構成２００を示すブロック図である。この例では、流体容器１０４、マイクロ流体装置、及び電気的インターフェース１３２は、第１のモジュール２０２の一部である。電子制御装置１０６は第２のモジュール２０４の一部である。電子制御装置１０６が電気的インターフェース１３２に電気的に結合するように、第１のモジュール２０２を第２のモジュール２０４に機械的に結合することができる。必要に応じて第１のモジュール２０２を（第２のモジュール２０４に）結合したり分離したりできるように、第１のモジュール２０２は第２のモジュール２０４に着脱可能（または取り外し可能）に結合される。上述したように、電子制御装置１０６をホスト装置１０８に結合することができる。
【００１４】
図３は、１実施例にしたがうセンサーモジュール３００を示すブロック図である。センサーモジュール３００を、図１及び図２に示されている診断システム１００のモジュール２０２として使用することができる。センサーモジュール３００は、基板３０２、マイクロ流体構造３０４、流体容器３０６、及び電気的インターフェース３０８を備えている。電気的インターフェース３０８は、基板３０２上の導体３１０を通じて、マイクロ流体構造３０４内の能動要素（または能動素子）にエネルギー（電力）を伝える。流体容器３０６は、流体成分／流体サンプル及び／または溶液を保持して、それらをマイクロ流体構造３０４に供給するように構成されている。例示的なマイクロ流体構造が後述されている。
【００１５】
図４は、１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造４００の略図である。マイクロ流体構造４００は、マイクロ流体チャンネル４０２、ポンプアクチュエータ４０４、センサー４０６、ノズル４０５（たとえば出口）、及び入口４０８を備えている。流体容器の一部４１４が図示されている。１例では、加えられる流体サンプル内の粒子をフィルタリングする（すなわちフィルターにかけて除去する）ために、流体容器４１４内にメッシュフィルター４１２を設けることができる。流体チャンネル４０２の形状は、本開示を通じて、「Ｕ字形」として示されているが、これは、チャンネル４０２の形状を限定することを意図したものではない。したがって、チャンネル４０２の形状には、曲線形状、または蛇のように曲がりくねった形状、またはかどのある形状、またはそれらの組み合わせなどの他の形状を含めることができる。さらに、チャンネル４０２は、特定の縮尺または比率で図示されてはいない。装置上に作製されるチャンネル４０２の幅の縮尺または比率は、本開示の図面に示されている縮尺または比率とは異なりうる。該チャンネル内の矢印は、該チャンネルを通って流れる流体流れの方向の１例を示している。
【００１６】
入口４０８は、流体を受けるための開口をチャンネル４０２に提供する。フィルター４１０が入口４０８内に配置されている。フィルター４１０は、流体内の特定の大きさの粒子（該特定の大きさはフィルター４１０のサイズに依存する）がチャンネル４０２に入るのを阻止する。入口４０８の幅をチャンネル４０２の幅よりも大きくし、かつ、入口４０８の体積をチャンネル４０２の体積よりも大きくすることができる。
【００１７】
１例では、センサー４０６は、入口４０８の近くのチャンネル４０２内の位置（たとえば、ポンプアクチュエータ４０４よりも入口４０８に近い位置）に配置される。別の例では、センサー４０６を入口４０８内に配置することができる。センサー４０６を、既知の半導体技術を使用して形成されたインピーダンスセンサー（インピーダンスセンサともいう）とすることができる。センサー４０６は、流体内の粒子がセンサー４０６を横切る（または該センサーの上を通過する）ときのインピーダンス変化を検出することができる。
【００１８】
ポンプアクチュエータ４０４は、センサー４０６から下流側にあるチャンネル４０２の閉じた端部の近くに配置されている。ポンプアクチュエータ４０４を、多種多様の構造を用いて実施することができる流体慣性ポンプアクチュエータ（fluidic inertial pump actuator）とすることができる。たとえば、ポンプアクチュエータ４０４を、チャンネル４０２内に流体変位（または流体移動）を生じさせるための蒸気泡を生成する熱抵抗器とすることができる。変位（または移動）させられた流体をノズル４０５から放出（または吐出）することができる。アクチュエータを、電気的に誘発された（たわみなどの）変形によってチャンネル４０２内に流体変位を生じさせる圧電素子（たとえばＰＺＴ）として実施することもできる。電気や磁気やその他の力によって作動するその他の可撓性膜要素（deflective membrane element）を、ポンプアクチュエータ４０４を実施するのに使用することも可能である。
【００１９】
図５は、１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造５００の略図である。図４の要素と同じかまたは該要素に類似する図５の要素については既に詳しく説明されている。図４の例では、流体流れは、ポンプアクチュエータ４０４を用いた放出（または吐出）によって引き起こされる。図５の例では、流体流れは、ポンプアクチュエータ４０４を用いた再循環（または循環）によって引き起こされる。チャンネル４０２は、出口５０６の反対側のチャンネル４０２の端部に入口５０４を有している。（フィルターのサイズに基づいて）所望の大きさの粒子をフィルタリングするために、フィルター５０２を入口５０４内に形成することができ、フィルター５０８を出口５０６内に配置することができる。矢印は、チャンネル４０２内の流体流れ（流体の流れ）の方向を示している。チャンネル４０２は、流体を放出（または吐出）する代わりに、流体が容器に戻るように流体を再循環させる。
【００２０】
図６は、１実施例にしたがうマイクロ流体センサーを実施するのに適したマイクロ流体構造６００の略図である。図６の例は、チャンネル内で異なる大きさの粒子を分離することができるクロスフロー構造を示している。この例では、構造６００は、一次チャンネル６０４と二次チャンネル６０５を備えている。矢印は、入口６１８から出口６１６へと流れる流体流れの方向の１例を示している。この流体流れの方向は１例であって、流体はこれとは逆の方向に流れることができることに留意されたい。流体は、容器からオプションのメッシュフィルター６０６を通って一次チャンネル６０４に入ることができる。さらに、明瞭化のために省かれているが、上記の構造に関して説明したように、入口６１８及び／または出口６１６内にフィルターを配置することができる。ポンプアクチュエータ６０２は、入口６１８の近くの一次チャンネル６０４内の位置に配置されている。二次チャンネル６０５は、入口６０９及び出口６１１を有している。フィルター６０８を入口６０９内に、フィルター６１４を出口６１１内に、それぞれ配置することができる。センサー６１０は、入口６０９の近くの二次チャンネル６０５内の位置に配置されている。ポンプアクチュエータ６１２は、二次チャンネル６０５内に配置されている。
【００２１】
流体は、入口６１８から一次チャンネル６０４内へと流れる。ポンプアクチュエータ６０２は、一次チャンネル６０４に流入する流体流れを引き起こす。二次チャンネル６０５の入口６０９において、流体は、二次チャンネル６０５へと流れると共に、一次チャンネル６０４に沿って流れを継続することができる。フィルター６０８とフィルター６１４を、二次チャンネル６０５内へと流れる粒子が一次チャンネル６０４内を流れる粒子よりも小さくなるように設計ないし構成することができる。（二次チャンネルに流入する）より小さな粒子は、出口６１１で一次チャンネル６０４内の流体に再び加わる。ポンプアクチュエータ６１２は、二次チャンネル６０５に流入する流体流れを引き起こす。センサー６１０は、二次チャンネル６０５内の粒子を測定する（たとえばインピーダンスセンシング（たとえばインピーダンスの計測）を行う）ことができる。
【００２２】
１例として、マイクロ流体構造６００を、２つのチャンネル（一次チャンネルと二次チャンネル）を有するものとして図示し説明した。マイクロ流体構造は任意の数のチャンネルを有することができることが理解されよう。たとえば、マイクロ流体構造は、１つの一次ループに流体的に（すなわち流体連絡可能に）結合された２つの異なる二次ループを有することができる。別の例では、マイクロ流体構造は、１つのループが別のループに結合され、該別のループが他のループに結合され、以下同様にループが結合されたループ構造を有することができる。任意の数のチャンネルもしくはループを有するマイクロ流体装置の種々の構成を考え出すことができる。
【００２３】
上記の説明では、本発明を理解できるようにするために多くの細部が説明されている。しかしながら、当業者には、それらの細部なくして本発明を実施できることが理解されよう。限られた数の実施形態に関して本発明を開示したが、当業者には、それらの実施形態に対する多くの修正形態及び変形形態が理解されよう。特許請求の範囲は、本発明の真の思想及び範囲内に入るそのような修正形態及び変形形態をカバーすることが意図されている。
【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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【国際調査報告】
2016520823.tif 000009
2016520823.tif 000010