(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖系内の静止したあるいは流動する標的流体中に、投与される流体を指向的に導入するための流体マイクロダイオードであって、両側が開口した微細毛細管の１つあるいは両側が開口した近接した複数の微細毛細管の系を備え、前記微細毛細管はその出口側で標的流体と直接接触しており、その入口側は空気または気体クッションと接触し、この入口側において標的流体は表面張力により形が決定されるメニスカスを形成し、ここに投与される流体が非連続的に供給されることを特徴とする前記流体マイクロダイオード。
【請求項２】
前記流体マイクロダイオードは、閉鎖系内の静止したあるいは流動する標的流体中に、投与される流体をマイクロリットル未満の範囲で指向的に導入するためのものである、請求項１に記載の流体マイクロダイオード。
【請求項３】
前記流体マイクロダイオードは、シリコン、ガラス、セラミックス、金属、あるいはこれらの材料の組み合わせから製造される部品を含む、請求項１または２に記載の流体マイクロダイオード。
【請求項４】
<100>または<110>配向を有するシリコンから形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体マイクロダイオード。
【発明の詳細な説明】
本発明は、マイクロリットル未満の量の流体媒体を、閉鎖系に含まれる静止したあるいは流動する別の標的流体に指向的に導入するための、一方向にのみ流体が透過することが可能な流体マイクロダイオードに関する。このようなものに対する要請は、特に生物医学工学及び化学マイクロセンサー技術の分野における応用のためのマイクロリットル未満の範囲の流体を投与し、混合し、注入することにおいて存在する。
閉鎖系に含まれる液体中へ別の液体を導入することは、医学工学及びフローインジェクション分析の分野で広く普及した手法である。一般に知られるように、そのような導入は、ゴム隔膜を通した注入により行われる[P.W.Alexander et al.,Analyst 107(1982)1335]か、あるいは回転注入バルブを使用して行われる[M.D.Lugue de Castro et al.,Analyst 109(1984)413]か、あるいは流体力学的注入に基づくものである[J.Ruzicka et al.,Anal.Chem.Acta,145(1983)1]。これらの技術を使用する現在市販されている用具は、例外なくコストのかかる微細機械製造技術に依るものである。また、特に化学微細分析器に使用するための、シリコン技術に基づいた圧電駆動マイクロメカニカルバルブを扱う開発計画があることも知られている[van der Schoot et al.,A Silicon Integrated Miniature Chemical Analysis System,Sensors and Actuators B6(1992)57-60]。ここで起こる問題はまだ十分には理解されておらず、開発はまだ未熟なものである。現在、以下のような問題が見られる。メカニカルバルブは完全に閉じることができず、これにより投与の正確さが制限される。第２の問題はそのような微細機械部材が大きな空間を必要とすることである。第３の問題は、バルブ構造が複雑であることにより製造技術が複雑になることである。
本発明の目的は、マイクロメカニカルバルブが直面する問題を回避し、投与される流体をマイクロリットル未満の範囲で高い投与の正確さをもって静止または流動標的流体に導入することの問題の技術的解決手段を提供し、標的流体が投与される流体に流れ込むことを防ぐことにおいて最大の信頼性を提供することである。
この目的は、両側が開口した微細毛細管の１つあるいはいくつかの系からなり、前記微細毛細管は出口側で標的流体と直接接触しており、投与される流体に面した入口側は空気または気体クッションにより投与される流体から分離されており、前記毛細管中を広がって上昇する標的流体が表面張力によりさらに広がるのが防止され、メニスカスを形成するようになっている、流体を一方向にのみ透過させ得る本発明の流体マイクロダイオードにより達成される。投与される流体は前記メニスカス上に、好ましくは自己支持流体射出物として非連続的に置かれ、拡散及び対流プロセスにより標的流体中に導入される。
本発明の流体マイクロダイオードは、好ましくは顕微鏡技術的なフローチャンネルに一体化され、フローチャンネル中に静止しあるいはその中を流動する液体（標的流体）が流出することを高い信頼度で防止し、外部からこの流体マイクロダイオード上にもたらされる第２の液体（投与される流体）の進入を確保するものである。本発明による、フローチャンネルに隣接する微細毛細管の網目状構造の配置においては、投与される流体の微細液滴の導入のための結合表面が、多数の外側に向いた開放毛細管によって形成される。いかなる場合も流体マイクロダイオードの機能を維持するための各微細毛細管の末端の気体／液体界面はこの構造エレメントの機能に必須のものであり、従ってこの構造エレメントの一部である。
微細毛細管は、μｍの３次元的範囲の寸法を有しており、その幾何学的形状に高い精度が要求されることから、<100>または<110>シリコン基板の異方性エッチングにより製造されることが好ましい。個々の微細毛細管のそれぞれは、標的流体が毛細管末端まで広がって上昇し、表面張力及び流体重力圧の作用下に各毛細管の末端でメニスカスの形態の規定された液体／気体界面を形成するような長さとする。メニスカスの形成により各微細毛細管中を液体が広がるプロセスが終了し、従って結合表面は再現可能な条件のものとなる。この条件は、静止重力圧間、そして標的流体がフローチャンネル中を流動している場合には流体力学的圧力間の卓越平衡を示すものである。圧力の平衡条件が合致している限り、全結合表面の全てのメニスカスにおいて所望の指向性が存在する。これは、フローチャンネル中を流動するかその中に静止する標的流体は液滴チャンバーの方向に微細毛細管を離れることができないが、液滴チャンバーの気体スペースを通っていずれかのメニスカス上に射出された投与される流体は微細毛細管の内部、従ってフローチャンネルに到達することができることを意味する。第１の液体のメニスカスを通してのフローチャンネル中への第２の液体の妨害されない進入は拡散及び／または対流のメカニズムにより起こる。フローチャンネル中の流速が正確にゼロであるか、流体マイクロダイオードの微細毛細管が十分な長さを有するように選択されているならば、拡散成分のみが投与された流体と標的流体の混合を起こす。チャンネル内のいずれかの流速がゼロでない場合は、これは直接微細毛細管中に対流成分の形成を生じ、拡散成分と重ね合わされる。微細毛細管の結合表面を通してフローチャンネル中へ投与される流体の流入速度は、毛細管の幾何学的寸法を選択することにより調整され得る。
このような配置は、これまで機械的に接触するリップシールを使用してプラスチックまたは弾性シール材から製造されていた慣用のバルブポンプ形態を使用することなく流体の流入あるいは混合部位を実現できることにおいて特に有利である。上記のような形態は顕微鏡を必要としない技術による製造においても複雑であり、顕微鏡技術的装置においては、本質的な欠点となるような価格でしか使用できない。従って、顕微鏡を必要としない技術による製造に基づく、文献から公知の形態は、一般にはいくらかの量のもれを起こす。しかし、環境工学及び生物医学工学の微細システムにおける使用については、ピコリットルからナノリットルの範囲の高度に濃縮された活性化合物を適用する必要から、そのような漏れが起こることは許容されない。
フローチャンネル中での重力圧の変化に対して比較的感度の低い液滴チャンバーの領域での規定された気体／液体界面は、ここでは流体マイクロダイオード中のメニスカスの形態で使用されるが、これを形成することにより、単純ながら有効であり、またその有効性において慣用のバルブポンプ形態に匹敵し、しかも実質的に漏れを生じない装置を製造するためにも有用な構造形態が得られる。
以下において、図面に記載した態様を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
図は、本発明の流体マイクロダイオード（以下ＦＭＤという）そのものを含むＦＭＤ装置全体の平板状構造物の断面図である。ＦＭＤは<100>または<110>シリコンから一体的に製造されたチップ状デバイス１である。これは一方の面において網目状構造６に、他方の面において連続的なフローチャンネル９にエッチングされている。ＦＭＤチップ１は、やはりシリコンからなるスペーサーチップ２と共にガラス／シリコンフローセル３に装着され、標的流体７は妨害されずにＦＭＤを通って移動して網目状構造６において小さなマイクロメニスカスを形成することができるようにされている。網目状構造は、スペーサーチップ２の方向に流体マイクロダイオードの結合表面を形成する。ＦＭＤチップ１の製造はKOH溶液中での両面の異方性エッチングにより行う。これにより、長さ：幅：高さ＝1000μm:500μm:250μmの寸法を有するＦＭＤチップ１中のフローチャンネル９と長さ：幅：高さ＝50μm:50μm:150μmの寸法を有する微細毛細管が形成される。アノードボンディングにより形成されるガラス／シリコンフローセル３、４中のフローチャンネルの寸法は幅：高さ＝500μm:250μmである。ＦＭＤデバイスの全体は、ウェハーボンディングあるいは接着ボンディングにより結合された、フローチャンネル７、９及びチャンネルストップ８を有する流体フローセル３、４、微細毛細管アレイ６を有するＦＭＤチップ１、及び前記微細毛細管アレイの上に隣接する気体または空気クッションを形成するスペーサーチップ２の積層構造を含む。液滴チャンバーを形成するスペーサーチップ２も<100>シリコンの異方性エッチングにより製造される。
そして、フローチャンネル７を標的流体が通過すると、標的流体が微細毛細管を濡らし、その反対側の開口に広がって上昇し、そこで流速からは独立し、その表面張力とシステムに内在する重力圧に依存して標的流体メニスカス６を形成し、毛細管開口の全面積が投与される流体のための結合表面を形成する。投与される流体５が顕微鏡技術的なポンプによりこの結合表面６に射出されると、ＦＭＤ装置１を通過し、標的流体のフローチャンネルに直接到達することができる。
本発明の流体マイクロダイオードにより、流体の微細な取り扱いのための、機械的なバルブを使用しない新規なエレメントが提供される。本発明の流体マイクロダイオードの構造はマイクロメカニカルバルブよりも実質的に簡易であり、より小さいスペースですむことに加え、より安価に製造できる。特に、閉鎖系内に含まれる流動標的流体に自己支持流体の射出物を導入するという新規な概念を前記流体マイクロダイオードにより実現できる。
【図１】
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