(57)【要約】  本開示は、所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムの機構（１００）に関する。この機構は、サンプル流体を受け取るように構成されたサンプル貯槽（ＳＲ）と、サンプル貯槽（ＳＲ）と流体連通し、第１の弁（Ｖ１）において終結する第２のチャネル（Ｃ２）と第２の弁（Ｖ２）において終結する第３のチャネル（Ｃ３）とに分岐する、第１のチャネル（Ｃ１）とを備える。第２のチャネル（Ｃ２）および第３のチャネル（Ｃ３）は、ともに所定の容積を有し、第１のチャネル（Ｃ１）は、第２のチャネル（Ｃ２）と第３のチャネル（Ｃ３）とを所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用して、サンプル貯槽（ＳＲ）からサンプル流体を吸い出すように構成されている。第１の弁（Ｖ１）および第２の弁（Ｖ２）を選択的に開くことによって毛細管駆動の流れが形成され得、それによって所定の体積のサンプル流体が第１の弁（Ｖ１）を通って流れ出る。
2020517937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムにおける機構（１００）であって、
サンプル流体を受け取るように構成されたサンプル貯槽（ＳＲ）と、
前記サンプル貯槽（ＳＲ）と流体連通し、第１の弁（Ｖ１）において終結する第２のチャネル（Ｃ２）と第２の弁（Ｖ２）において終結する第３のチャネル（Ｃ３）とに分岐する、第１のチャネル（Ｃ１）と、ここで、前記第２のチャネル（Ｃ２）および前記第３のチャネル（Ｃ３）がともに所定の容積を有し、前記第１のチャネル（Ｃ１）が、前記第２のチャネル（Ｃ２）と前記第３のチャネル（Ｃ３）とを前記所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用して、前記サンプル貯槽（ＳＲ）からサンプル流体を吸い出すように構成されているものであり、
前記第２のチャネル（Ｃ２）と前記第３のチャネル（Ｃ３）とがサンプル流体で満たされた後に前記サンプル貯槽（ＳＲ）を空にするように構成された毛細管ポンプ（ＣＰ１）と、
バッファ流体を受け取るように構成されたバッファ貯槽（ＢＲ）と、
第４のチャネル（Ｃ４）と、ここで、前記第２の弁（Ｖ２）が前記第４のチャネル（Ｃ４）を介して前記バッファ貯槽（ＢＲ）に対して流体的に接続されており、前記第４のチャネル（Ｃ４）が、前記サンプル貯槽（ＳＲ）が空になった後に毛細管力を使用して前記バッファ貯槽（ＢＲ）からバッファ流体を吸い出し、前記第４のチャネル（Ｃ４）のバッファ流体が前記第２の弁（Ｖ２）に到達するとき前記第２の弁（Ｖ２）を開くように構成されていることにより、前記第４のチャネル（Ｃ４）と、前記第３のチャネル（Ｃ３）と、前記第２のチャネル（Ｃ２）とを含む流体経路が、前記バッファ貯槽（ＢＲ）から前記第１の弁（Ｖ１）まで開かれるものであり、
前記サンプル貯槽（ＳＲ）が空になった後に前記第１の弁（Ｖ１）を開くことにより、流体経路に毛細管駆動の流れを生じさせ、それによって、前記第２のチャネル（Ｃ２）および前記第３のチャネル（Ｃ３）における前記所定の体積のサンプル流体を、前記第１の弁（Ｖ１）を通して流出させるように構成された第１の制御回路（Ｔ１）と
を備える機構。
【請求項２】
前記第１の制御回路が、前記第１の弁（Ｖ１）を前記バッファ貯槽（ＢＲ）に対して流体的に接続する第１の流体回路（Ｔ１）を備え、前記第１の流体回路（Ｔ１）が、前記バッファ貯槽（ＢＲ）からバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が前記第１の弁（Ｖ１）に到達するとき前記第１の弁（Ｖ１）を開くように構成されている、請求項１に記載の機構。
【請求項３】
第３の弁（Ｖ３）と、ここで、前記第３の弁（Ｖ３）は、前記バッファ貯槽（ＢＲ）から吸い出されたバッファ流体が前記第４のチャネル（Ｃ４）に入る前に前記第３の弁（Ｖ３）を通過するように、前記第４のチャネル（Ｃ４）に対して流体的に接続されるものであり、
前記サンプル貯槽（ＳＲ）が空になった後に前記第３の弁（Ｖ３）を開くように構成された第２の制御回路（Ｔ２）と、
をさらに備える、請求項１または２に記載の機構。
【請求項４】
前記第２の制御回路が、前記第３の弁（Ｖ２）を前記バッファ貯槽に対して流体的に接続する第２の流体回路（Ｔ２）を備え、前記第２の流体回路（Ｔ２）が、前記バッファ貯槽（ＢＲ）からバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が前記第３の弁（Ｖ３）に到達するとき前記第３の弁（Ｖ３）を開くように構成されている、請求項３に記載の機構。
【請求項５】
前記第１の制御回路（Ｔ１）および前記第２の制御回路（Ｔ２）のうち少なくとも１つが、前記第１の弁（Ｖ１）および前記第２の弁（Ｖ２）のうちの少なくとも１つに対して電気制御信号を配送するように構成されており、前記第１の弁（Ｖ１）および前記第２の弁（Ｖ２）のうち少なくとも１つが、前記電気制御信号を受け取ると開くように構成されている、請求項３に記載の機構。
【請求項６】
前記第１の制御回路（Ｔ１）が、前記第２の弁（Ｖ２）が開くのと同時に、または開いた後に、前記第１の弁（Ｖ１）を開くように構成されている、請求項３〜５のいずれか一項に記載の機構。
【請求項７】
前記第１のチャネル（Ｃ１）が、前記サンプル貯槽からサンプル流体を直接吸い出すように前記サンプル貯槽（ＳＲ）に対して流体的に接続されており、前記毛細管ポンプ（ＣＰ１）が、第１の流れ抵抗器（Ｒ１）を介して前記サンプル貯槽（ＳＲ）に対して流体的に接続されており、前記第１の流れ抵抗器（Ｒ１）の流体抵抗が、前記第２のチャネル（Ｃ２）と前記第３のチャネル（Ｃ３）とがサンプル流体で満たされた後に前記サンプル貯槽（ＳＲ）が空になるように、前記サンプル貯槽（ＳＲ）から前記毛細管ポンプ（ＣＰ１）への流量を制御するように選択されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機構。
【請求項８】
前記第１のチャネル（Ｃ１）よりも毛細管圧が低い第５のチャネル（Ｃ５）をさらに備え、前記第１のチャネル（Ｃ１）が前記第５のチャネル（Ｃ５）を通じて前記サンプル貯槽（ＳＲ）から流体を吸い出すように構成されるように、前記第１のチャネル（Ｃ１）が前記第５のチャネル（Ｃ５）に対する分岐として構成されており、前記毛細管ポンプ（ＣＰ１）が、前記第５のチャネル（Ｃ５）を含む経路を介して前記サンプル貯槽（ＳＲ）に対して流体的に接続されており、前記第２のチャネル（Ｃ２）と前記第３のチャネル（Ｃ３）とがサンプル流体で満たされた後に前記毛細管ポンプ（ＣＰ１）が前記第５のチャネル（Ｃ５）を通じて前記サンプル貯槽（ＳＲ）を空にするように構成されるように、前記第５のチャネル（Ｃ５）が流れ絞り機構（Ｒ’）を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の機構。
【請求項９】
前記サンプル流体および／または前記バッファ流体の内部で混合された気体が前記機構から流出することを可能にすることなどのために、前記サンプル流体および／または前記バッファ流体が前記機構の周囲と少なくとも部分的に気体連通している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の機構。
【請求項１０】
周囲との前記気体連通が気体透過性シートを介して生じる、請求項９に記載の機構。
【請求項１１】
周囲との前記気体連通が、前記第１の弁（Ｖ１）および前記第２の弁（Ｖ２）のうちの１つまたは複数に対して流体的に接続された１つまたは複数のさらなる弁（Ｖ５、Ｖ６）を介して生じ、前記１つまたは複数のさらなる弁（Ｖ５、Ｖ６）が、気体は通すが液体は阻止するように構成されている、請求項１０に記載の機構。
【請求項１２】
前記第１の弁（Ｖ１）を通って流れ出る前記所定の体積のサンプル流体が、第４の弁（Ｖ４）において終結する第６のチャネル（Ｃ６）によって受け取られ、前記第４の弁（Ｖ４）が、希釈されたサンプル流体を生成するように、前記第６のチャネル（Ｃ６）から受け取られる前記所定の体積のサンプル流体を、前記バッファ貯槽（ＢＲ）から第２の流れ抵抗器（Ｒ２）を通して受け取られるバッファ流体で希釈するように構成されており、
前記第４のチャネル（Ｃ４）が第３の流れ抵抗器（Ｒ３）を備え、
前記第６のチャネル（Ｃ６）から受け取られるサンプル流体の流量と、前記バッファ貯槽（ＢＲ）から受け取られる前記バッファ流体の流量との間の比が、前記第２の流れ抵抗器（Ｒ２）の抵抗および前記第３の流れ抵抗器（Ｒ３）の抵抗によって少なくとも部分的に決定される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の機構。
【請求項１３】
希釈されたサンプル流体を混合するように構成されて第４の弁（Ｖ４）の出力に対して流体的に接続されたミキサ（ＭＸ１）と、
前記ミキサ（ＭＸ１）を通る前記希釈されたサンプル流体の流量を維持するように構成されて前記ミキサ（ＭＸ１）と流体連通するさらなる毛細管ポンプ（ＣＰ２）と
をさらに備える、請求項８に記載の機構。
【請求項１４】
所定の体積のサンプル流体を計量するための方法であって、
サンプル貯槽（ＳＲ）にサンプル流体を追加するステップ（Ｓ１０２）と、
第１のチャネル（Ｃ１）が、前記第１のチャネル（Ｃ１）の分岐である、第２のチャネル（Ｃ２）と第３のチャネル（Ｃ３）とを所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用して前記サンプル貯槽からサンプル流体を吸い出すように、前記第１のチャネル（Ｃ１）を、前記サンプル貯槽と流体連通するように設定するステップ（Ｓ１０４）と、ここで、前記第２のチャネル（Ｃ２）が第１の弁（Ｖ１）において終結し、前記第３のチャネル（Ｃ３）が第２の弁（Ｖ２）において終結するものであり、
前記第２のチャネル（Ｃ２）と前記第３のチャネル（Ｃ３）とが前記所定の体積のサンプル流体で満たされた後に、毛細管ポンプ（ＣＰ１）を使用してサンプル流体を除去することにより、前記サンプル貯槽（ＳＲ）を空にするステップ（Ｓ１０６）と、
前記サンプル貯槽（ＳＲ）が空になった後に、第４のチャネル（Ｃ４）を介してバッファ流体で満たされたバッファ貯槽（ＢＲ）と流体連通している前記第２の弁（Ｖ２）を、前記第４のチャネル（Ｃ４）が、毛細管力を使用して前記バッファ貯槽（ＢＲ）からバッファ流体を吸い出して、前記第４のチャネル（Ｃ４）のバッファ流体が前記第２の弁（Ｖ２）に到達するとき前記第２の弁（Ｖ２）を開くことにより、前記第４のチャネル（Ｃ４）と、前記第３のチャネル（Ｃ３）と、前記第２のチャネル（Ｃ２）とを含む流体経路が、前記バッファ貯槽（ＢＲ）から前記第１の弁（Ｖ１）まで開かれる、ように設定するステップ（Ｓ１０８）と、
第１の制御回路（Ｔ１）によって前記第１の弁（Ｖ１）を開くステップ（Ｓ１１０）と、ここで、このステップによって前記流体経路において毛細管駆動の流れが生じ、それによって前記第２のチャネル（Ｃ２）および前記第３のチャネル（Ｃ３）における前記所定の体積のサンプル流体を、前記第１の弁（Ｖ１）を通して流出させるものである、
を備える方法。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の機構を備える診断デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
例示的実施形態は、所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムの機構と、そのための方法とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微少流体技術は、少量の、一般的にはサブミリメートルの規模まで幾何学的に抑制された流体の挙動と、正確な制御および操作とを扱うものである。微少流体技術に基づく技術は、たとえばインクジェットプリンタヘッドと、ラブオンチップ技術の範囲内のＤＮＡチップとに使用される。微少流体技術の用途では、流体は、一般的には動かされ、混合され、分離され、またはそうでなく処理される。多くの用途においてパッシブな流体制御が使用される。これは、サブミリメートルのチューブの内部で生じる毛細管力を利用することによって実現され得る。いわゆる毛細管駆動型流体システムを念入りに設計することにより、流体の制御と操作とを遂行することが可能になり得る。
【０００３】
毛細管駆動型流体システムは、流体サンプルの体積を計量するかまたは正確に測定するのに有効であり得る。そのような用途の１つには、処理された血液サンプルの体積が正確に知られる必要のある血液細胞の区別または計数がある。比較的大量の血液（＞１０ｍＬ）がサンプル貯槽に追加されるシステムでは、血液細胞組織の正確な統計を得るために必要とされるのは微量（＜１０μＬ）でしかないため、血液の全体のサンプルを処理するのは望ましくないであろう。したがって、微少流体技術のシステムでは、サンプル貯槽から血液の既知量を処理用に測定する必要がある。毛細管駆動型微少流体技術のシステムでは、大抵の既存の毛細管ベースの弁技術は、一旦始動してしまうと流体流れを遮断することまたは閉鎖することが不可能であるため、計量は難易度が高い。したがって、サンプル貯槽から、過剰なサンプルがシステムに流れ込むのを防止するために流れを遮断することによって流体の計量された体積が簡単に抽出されることは、あり得ない。よって、毛細管駆動型流体システムにおいて所定の体積のサンプル流体を正確に計量することを可能にし得る改善された機構が必要である。
【発明の概要】
【０００４】
例示的実施形態は、毛細管駆動型流体システムを使用して所定の体積のサンプル流体の正確な計量を可能にする機構を提供するものである。この機構は、所定の容積を有する当初は空の空間をサンプル流体で満たすことを可能にする。そこで、この機構は、計量されたサンプル流体が毛細管力によって空間から吸い出されるとき空間を満たすバッファ流体を用いて、計量されたサンプル流体を空間から除去することを可能にする。次いで、計量されたサンプル流体は、バッファ流体の一部分とともに、たとえばサンプル流体の特性の測定を可能にするための診断システムなどの２次システムに入ってよい。
【０００５】
上記の特徴および利点に加えて追加の特徴および利点は、添付図面を参照しながら本明細書で説明されるいくつかの実施形態の以下の例示の非限定的で詳細な説明によって一層よく理解されるはずであり、図面では同一の参照数字は類似の要素に関して使用されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の実施形態による毛細管駆動型流体システムの機構の概略回路図。
【図２】本開示の実施形態による機構を使用して所定の体積のサンプル流体を計量するための方法の流れ図。
【図３】本開示の実施形態による毛細管駆動型流体システムの機構の概略回路図。
【図４】本開示の実施形態による毛細管駆動型流体システムの機構の概略回路図。
【図５】本開示の実施形態による毛細管駆動型流体システムの機構の概略回路図。
【図６】本開示の実施形態による機構の概略回路図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
目的は、所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムの改善された機構を提供することである。
【０００８】
第１の態様によれば、これらおよび他の問題は、所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムの機構によって全面的または少なくとも部分的に解決され、この機構は、サンプル流体を受け取るように構成されたサンプル貯槽と、サンプル貯槽と流体連通し、第１の弁において終結する第２のチャネルと第２の弁において終結する第３のチャネルとに分岐する第１のチャネルと、ここにおいて、第２のチャネルおよび第３のチャネルはともに所定の容積を有し、第１のチャネルは、第２のチャネルと第３のチャネルとを所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用して、サンプル貯槽からサンプル流体を吸い出すように構成されている、第２のチャネルと第３のチャネルとがサンプル流体で満たされた後に、サンプル貯槽を空にするように構成された毛細管ポンプと、バッファ流体を受け取るように構成されたバッファ貯槽と、第４のチャネルと、ここにおいて、第２の弁が、第４のチャネルを介してバッファ貯槽に対して流体的に接続されており、第４のチャネルが、サンプル貯槽が空になった後に毛細管力を使用してバッファ貯槽からバッファ流体を吸い出し、第４のチャネルのバッファ流体が第２の弁に到達するとき第２の弁を開くように構成されていることにより、第４のチャネルと、第３のチャネルと、第２のチャネルとを含む流体経路が、バッファ貯槽から第１の弁まで開かれる、サンプル貯槽が空になった後に第１の弁を開くことによって前記流体経路に毛細管駆動の流れを生じさせることにより第１の弁を通して第２のチャネルおよび第３のチャネルの中の所定の体積のサンプル流体を流出させるように構成された第１の制御回路とを備える。
【０００９】
この機構は、複数のステップが所定のタイミングシーケンスで遂行されることを可能にすることにより、サンプル流体の正確な計量を達成するものである。最初のステップは、当初は空の所定の容積の空間をサンプル流体で完全に満たすためのものである。この空間が第２のチャネルと第３のチャネルとを構成する。したがって、所定の容積は、第２のチャネルと第３のチャネルとを結合した容積になる。次のステップは、毛細管力が計量されたサンプル流体を空間から吸い込んでいる間に、空間を満たすバッファ流体を用いて、計量されたサンプル流体の空間からの除去を可能にすることである。次いで、計量されたサンプル流体は、バッファ流体の一部分とともに、たとえばサンプル流体の特性の測定を可能にするための診断システムなどの２次システムに入ってよい。機構が作動するためには、以下でさらに詳述されるように複数の付加手順も必要とされる。
【００１０】
提案された機構は、サンプル流体の正確な計量がアクティブな制御なしで達成されることを可能にするので有利である。これによって、この機構は、制御ユニットおよび／または外部電源を含まずに動作可能であり得るので簡単になる。したがって、この機構は、現場において使用されることを意図されたハンドヘルドデバイスにおいて有効であり得る。各ステップは、流体移動が所定のやり方で生じることを可能にするなど、機構を念入りに設計することによって、互いに異なる時間において起動されることが可能にされてよい。そこで、流体は、予定時間において流体システムの所定位置に到達するように構成され得る。前記位置において、流体は、たとえば流体システムの新規の流体経路を開通させることにより、機構が動作するやり方を変更することを可能にするためなど、弁を作動させるようにさらに構成され得る。この機構は、もっぱらこの機構のチャネルの中の流体に作用する毛細管力を用い、既存の微少流体技術の弁技術を使用して動作され得るものである。具体的には、本開示は、微少流体技術の弁を備える微少流体技術のシステムを使用して、いかなる弁も閉じる必要なく、サンプルの体積を正確に計量するやり方を提供するものである。
【００１１】
サンプル流体は、この機構を使用して計量されるべき任意の流体として理解されたい。サンプル流体は、サンプル流体における置換分の濃度を測定することなど、その特性のうち１つまたは複数の点からサンプル流体を特徴づけることの前に、準備のステップとして計量されてよい。サンプル流体はたとえば血液でよい。あるいは、サンプル流体は液状の化合物でよい。また、サンプル流体は、たとえば液体の中で分散したパウダーなど固液の混合でよい。
【００１２】
バッファ流体は、計量されたサンプル流体が毛細管力によって空間から吸い出されるとき空間を満たすのに適切な任意の流体として理解されたい。バッファ流体は、たとえば、水に溶かされた塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）またはリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ：phosphate buffered saline）溶液であってよい。
【００１３】
場合によっては、バッファ流体はサンプル流体と反応する流体でよい。例示のシステムは、測定される必要のある検体を含有しているサンプル流体から成り得、バッファ流体は、検体に結合されたときには蛍光を強く発し、そうでなければ弱く発する蛍光性の分子を含有している。サンプル流体とバッファ流体を混合した後に、サンプルの計量された体積の中にどれだけの検体が含有されているかを確かめるために蛍光強度が測定され得る。
【００１４】
一実施形態によれば、第１の制御回路は、第１の弁をバッファ貯槽に流体的に接続する第１の流体回路を備え、第１の流体回路は、バッファ貯槽からバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が第１の弁に到達するとき第１の弁を開くように構成されている。この実施形態のための適切な弁技術の一例には毛細管のトリガ弁があり、この弁は、形状の急激な変化による液体−蒸気の境界面の進出を止めて液体のさらなる湿潤を防止し、流体制御回路によって、液体−蒸気境界面の、形状の急激な変化を通り越す進出を再開するように作動される。第１の弁を開くために流体回路を使用すると、簡単なやり方で機構が作製され得るので有利であり得る。具体的には、たとえば電子回路および／または電気機械技術などの別の技術に基づく制御回路および／またはシステムを導入する必要性はない。この機構は、代わりに、純粋に微少流体技術に基づく回路によって実現され得る。
【００１５】
一実施形態によれば、この機構は、第３の弁と、第３の弁が、バッファ貯槽から吸い出されたバッファ流体が第４のチャネルに入る前に第３の弁を通過するように、第４のチャネルに対して流体的に接続される、サンプル貯槽が空になった後に第３の弁を開くように構成された第２の制御回路とをさらに備える。第３の弁を導入すると、この機構のタイミングの改善された制御が可能になり得る。具体的には、バッファ流体が、バッファ貯槽にいつでも投与され得る。次いで、バッファ流体は、第４のチャネルを満たすことが可能とされるが、第３の弁を越えることはできない。次いで、選択的に第３の弁を開くことにより、適切な時間にバッファ流体が導入される。
【００１６】
一実施形態によれば、第２の制御回路は、第３の弁をバッファ貯槽に流体的に接続する第２の流体回路を備え、第２の流体回路は、バッファ貯槽からバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が第３の弁に到達するとき第３の弁を開くように構成されている。第２の制御回路は第３の弁を制御するために使用される。これは、第３の弁が第２の制御回路によって開かれ得ることを意味する。第１の制御回路に関して、第２の流体回路を使用することの利点は、機構が純粋に微少流体技術に基づく回路によって実現され得るので解決策が簡単になることである。
【００１７】
一実施形態によれば、第１の制御回路および第２の制御回路のうち少なくとも１つが、第１の弁および第２の弁のうち少なくとも１つに電気制御信号を配送するように構成されており、ここにおいて、第１の弁および第２の弁のうち少なくとも１つが電気信号を受け取ると開くように構成されている。一例として、弁技術は、毛細管を電気的に停止させるものであり得る。弁は、形状の急激な変化によって進む液体−蒸気境界面を停止させ、液体によるさらなる湿潤を防止する。次いで、静電力によって、液体−蒸気境界面を、形状の急激な変化を通り越して進める電極を使用することにより、流体が作動され、液体−蒸気境界面が弁のさらに下流へ進むことが可能になる。この代替実施形態ではタイミングを調節することが可能になるので、いくつかの用途にとって有利であり得る。純粋に微少流体技術のシステムは、ほとんどの場合所定の設計を有し、このことは、具体的には、一旦機構が設計されたら遅延タイミングなどを調節するのは不可能であることを意味する。
【００１８】
一実施形態によれば、第１の制御回路は、第２の弁を開くのと同時に、または開いた後に、第１の弁を開くように構成されている。第２の弁と同時に第１の弁を開くと、第２のチャネルおよび第３のチャネル中のサンプル流体が第３の弁から流れ出ることが可能になり得る。あるいは、第１の弁から下流のシステムを、第２の弁を作動させる前にバッファ流体で満たすことを可能にするために、第１の弁は第２の弁の後に開かれてよい。
【００１９】
一実施形態によれば、第１のチャネルは、サンプル貯槽からサンプル流体を直接吸い出すように、サンプル貯槽に対して流体的に接続されており、ここにおいて、毛細管ポンプは、第１の流れ抵抗器を介して、サンプル貯槽に対して流体的に接続されており、ここにおいて、第１の流れ抵抗器の流体抵抗は、第２のチャネルと第３のチャネルとがサンプル流体で満たされた後にサンプル貯槽が空になるように、サンプル貯槽から毛細管ポンプへの流量を制御するように選択されている。サンプル貯槽と毛細管ポンプの間を常に流体接続することにより、追加の弁などが不要になるので、機構をさらに簡単にすることができる。第１の流れ抵抗器は、サンプル貯槽が、あまりに速く、すなわち計量チャネル（第２のチャネルおよび第３のチャネル）がサンプル流体で満たされる前に、空にならないように流量を制御することを可能にするので、有利であり得る。
【００２０】
一実施形態によれば、機構は、第１のチャネルよりも毛細管圧が低い第５のチャネルをさらに備え、ここにおいて、第１のチャネルは、サンプル貯槽から第５のチャネルを通して流体を吸い出すように構成されるように、第５のチャネルに対する分岐として構成されており、ここにおいて、毛細管ポンプは、第５のチャネルを含む経路を介してサンプル貯槽に対して流体的に接続されており、第５のチャネルは、毛細管ポンプが第２のチャネルおよび第３のチャネルがサンプル流体で満たされた後に第５のチャネルを通じてサンプル貯槽を空にするように構成されるように、流れ絞り機構を含む。この代替実施形態は、第２のチャネルおよび第３のチャネルが完全に満たされる前に、毛細管ポンプによってサンプル貯槽が空になる、不正確な計量をもたらす状況のリスクを低減し得るので有利であり得る。加えて、この代替実施形態は、サンプルバッファに対する２重の接続を使用する必要なく所望の機能性をもたらし、したがって幾何学的レイアウトが簡単になり得る。
【００２１】
この機構は、様々な異なる方法を使用して製作され得る。可能性の１つには、シリコン微細加工技術を使用するものがある。そのような技術を使用すると、チップ上に完全な微少流体技術の機構を形成することが可能になり、したがってラブオンチップ解決策が可能になる。２段階のディープリアクティブイオンエッチングプロセスが使用され得る。そのようなプロセスを使用すると、信頼できる毛細管の弁構造を生成するために有益な２つの異なる深さのチャネルを形成することが可能になり得る。チャネルの上面または全体の機構は、上蓋が開いているかまたは閉じられているかのいずれかでよい。具体的には、一実施形態によれば、サンプル流体および／またはバッファ流体の内部で混合された気体が機構から流出することを可能にすることなどのために、サンプル流体および／またはバッファ流体は機構の環境と少なくとも部分的に気体連通している。これは、気体がシステムに閉じ込められない設計が可能になるので、有利であり得る。そのような設計は、開いた流体工学設計であり得る。具体的には、一実施形態によれば、環境との気体連通は気体透過性シートを介して生じる。したがって、上蓋は、液体ではなく気体の流れを可能にする気体透過性シートでよい。気体透過性シートの場合には、接触角は、毛細管の弁の初期故障の原因となるようなあまり小さいものでないのがよい。開いた流体のシートまたは気体透過性シートは、液体−蒸気境界面がデバイスを通って進むとき、空気を閉じ込めずに、気体が逃げることを可能にする。
【００２２】
一実施形態によれば、環境との気体連通は、第１の弁および第２の弁のうちの１つまたは複数に対して流体的に接続された１つまたは複数のさらなる弁を介して生じ、前記１つまたは複数のさらなる弁は、気体は通すが液体は阻止するように構成されている。１つまたは複数のさらなる弁の各々が、排気口に対して流体的にさらに接続されてよい。これにより、弁を通過した気体がシステムから出ることが可能になり得る。これは、開いた流体の設計がそれほど優れた代替形態ではない場合には有利であり得る。液体−蒸気境界面の接触角は、毛細管の弁の初期故障の原因となるほど小さくするべきでない。したがって、前記１つまたは複数のさらなる弁は、液体が近づくとき気体が逃げることを許すように構成されなければならない。
【００２３】
一実施形態によれば、第１の弁を通って流出する所定の体積のサンプル流体は、第４の弁において終結する第６のチャネルによって受け取られ、ここにおいて、第４の弁は、希釈されたサンプル流体を生成するように、第６のチャネルから受け取られる所定の体積のサンプル流体を、バッファ貯槽から第２の流れ抵抗器を通して受け取られるバッファ流体で希釈するように構成されており、ここにおいて、第４のチャネルは第３の流れ抵抗器を備え、ここにおいて、第６のチャネルから受け取られるサンプル流体の流量と、バッファ貯槽から受け取られるバッファ流体の流量との間の比は、第２の流れ抵抗器の抵抗および第３の流れ抵抗器の抵抗によって少なくとも部分的に決定される。これは、所定のサンプル流体を希釈された形態で出力することが可能になるので有利であり得、ここにおいて希釈率は既知であり得る。これは、細胞計数を遂行するときなど、希釈されていないサンプル流体における細胞個数濃度が、正確な読取り値をもたらすには大きすぎる可能性があるいくつかの用途にとって有益であり得る。
【００２４】
この実施形態では、サンプル貯槽のサンプル流体とバッファ貯槽のバッファ流体との間の混合比率は、すべての他のチャネルの抵抗が無視できると想定して、主として抵抗体素子Ｒ２およびＲ３の抵抗によって決定される。流れ抵抗器は、上記で開示されたものと異なって構成されてよい。具体的には、第３の流れ抵抗器は、たとえば第６のチャネルにおいて第１の弁の下流に構成されてよい。そのような場合には、サンプル流体および／またはバッファ流体の粘度も希釈率に影響を与え得る。
【００２５】
一実施形態によれば、この機構は、希釈されたサンプル流体を混合するように構成されて第４の弁の出力に対して流体的に接続されたミキサと、ミキサを通る希釈されたサンプル流体の流量を維持するように構成されてミキサと流体連通するさらなる毛細管ポンプとをさらに備える。ミキサを使用することにより、サンプル流体とバッファ流体を均質的に混合するのをさらに支援する。これは、細胞計数を遂行するときなど、いくつかの用途にとって有益であり得、ここにおいて、混合が不均一であると、正確な読取り値をもたらすためには細胞個数濃度が大きすぎる局所領域が生じる恐れがある。
【００２６】
具体的には、この機構は、ミキサからの希釈されたサンプル流体出力が計数検知器を通ってさらなる毛細管ポンプに向けて移送されるように、ミキサの出力と、さらなる毛細管ポンプとに対して流体的に接続された計数検知器をさらに備え得る。そのような計数検知器の一例には細胞計数検知器がある。細胞計数検知器は、たとえば希釈された血液サンプルの中に存在する赤血球をカウントするように構成され得る。
【００２７】
第２の態様によれば、所定の体積のサンプル流体を計量するための方法が提供され、この方法は、
−  サンプル貯槽にサンプル流体を追加するステップと、
−  第１のチャネルが、第１のチャネルの分岐である第２のチャネルと第３のチャネルとを所定の体積のサンプル流体で満たすために毛細管力を使用してサンプル貯槽からサンプル流体を吸い出すように、第１のチャネルをサンプル貯槽と流体連通するように設定するステップと、ここにおいて、第２のチャネルは第１の弁において終結し、第３のチャネルは第２の弁において終結する、
−  第２のチャネルと第３のチャネルとが所定の体積のサンプル流体で満たされた後に、毛細管ポンプを使用してサンプル流体を除去することにより、サンプル貯槽を空にするステップと、
−  サンプル貯槽が空になった後に、第４のチャネルを介してバッファ流体で満たされたバッファ貯槽と流体連通している第２の弁を、第４のチャネルが、毛細管力を使用してバッファ貯槽からバッファ流体を吸い出して、第４のチャネルのバッファ流体が第２の弁に到達するとき第２の弁を開くことにより、第４のチャネルと、第３のチャネルと、第２のチャネルとを含む流体経路が、バッファ貯槽から第１の弁まで開かれる、ように設定するステップと、
−  第１の制御回路によって第１の弁を開くステップと、それによって前記流体経路に毛細管駆動の流れが生じ、それによって、第２のチャネルおよび第３のチャネルにおける所定の体積のサンプル流体が第１の弁を通って流れ出る、を備える。
【００２８】
第３の態様によれば、第１の態様による機構を備える診断デバイスが提供される。たとえば、第１の態様の機構は、診断のための携帯用デバイスとともに使用可能なカートリッジにおいて実施され得る。
【００２９】
第２の態様のおよび第３の態様の効果および特徴は、第１の態様に関連して上記で説明されたものと大半が類似である。第１の態様に関連して言及された実施形態は、第２の態様および第３の態様と大半が互換性がある。発明概念は、明示的に別様に明言されなければ、特徴のすべての可能な組合せに関することがさらに注目される。
【００３０】
次に、様々な実施形態が、添付図面を参照しながら以下でより十分に説明される。しかしながら、発明概念は、様々な形態で具現され得、本明細書で説明された実施形態に限定されるように解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底性および完全性のために提供され、当業者に対して発明概念の範囲を完全に伝達するものである。
【００３１】
図１を参照して、所定の体積のサンプル流体を計量するための毛細管駆動型流体システムの機構１００が、ここで詳細に説明される。この機構は、一般的にはチャネル、空洞などのエッチングされた構造を有するチップの一部分でよい。
【００３２】
機構１００は、サンプル流体を受け取るように構成されたサンプル貯槽ＳＲを備える。サンプル流体は、たとえば患者からの血液でよい。しかしながら、サンプル流体は、液状の化合物、液体の中に分散した粉末など、任意の種類の対象となる流体でよい。
【００３３】
機構１００は、サンプル貯槽ＳＲと流体連通している第１のチャネルＣ１をさらに備える。第１のチャネルＣ１は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とに分岐する。第２のチャネルＣ２は第１の弁Ｖ１において終結し、第３のチャネルＣ３は第２の弁Ｖ２において終結する。第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３はともに所定の容積を有する。言い換えれば、この機構は、サンプル流体の体積を、サンプル流体の第２のチャネルＣ２の容積と第３のチャネルＣ３の容積の合計として計量することができるはずである。これは、チャネルＣ２とＣ３とが一旦設計されると、計量される体積（すなわち所定の体積）が固定されることを意味する。
【００３４】
第１のチャネルＣ１は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とを所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用して、サンプル貯槽ＳＲからサンプル流体を吸い出すように構成されている。
【００３５】
機構１００は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とがサンプル流体で満たされた後にサンプル貯槽ＳＲを空にするように構成された毛細管ポンプＣＰ１をさらに備える。毛細管ポンプは様々なやり方で実現され得る。簡単な毛細管ポンプは、特定の場合に変位される必要のある液体の体積を収容するための十分な容積を有するマイクロチャネルである。別の簡単な毛細管ポンプは、用途に適合するための十分な容量を有する一方で十分な毛細管力を生成するために、ポスト、ピラー、パックされたビード、または何か他の多孔質構造で満たされ得る空洞である。毛細管ポンプの毛細管圧は、より小さい平行なマイクロチャネルを使用することによって増加され得る。
【００３６】
この実施形態では、第１のチャネルＣ１は、サンプル貯槽からサンプル流体を直接吸い出すように、サンプル貯槽ＳＲに対して流体的に接続されている。その上、毛細管ポンプＣＰ１は、第１の流れ抵抗器Ｒ１を介して、サンプル貯槽ＳＲに対して流体的に接続されている。第１の流れ抵抗器Ｒ１の流体抵抗は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とがサンプル流体で満たされた後にサンプル貯槽ＳＲが空になるように、サンプル貯槽ＳＲから毛細管ポンプＣＰ１への流量を制御するように選択されている。言い換えれば、第１の流れ抵抗器Ｒ１は、サンプル流体が第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３の計量された容積を完全に満たすための十分な時間が与えられた後に、サンプル流体が吸い出されてサンプル貯槽ＳＲが空になるように設計されている。
【００３７】
機構１００は、バッファ流体を受け取るように構成されたバッファ貯槽ＢＲをさらに備える。この実施形態では、バッファ流体がバッファ貯槽に追加されるのは、サンプル流体が吸い出されてサンプル貯槽が空になった後でなければならない。バッファ流体は、たとえばリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ：phosphate buffered saline）溶液でよい。
【００３８】
機構１００は第４のチャネルＣ４をさらに備える。第４のチャネルＣ４は、第２の弁Ｖ２が第４のチャネルＣ４を介してバッファ貯槽ＢＲに対して流体的に接続されるように構成されている。したがって、第４のチャネルＣ４は、サンプル貯槽ＳＲが空になった後に、毛細管力を使用してバッファ貯槽ＢＲからバッファ流体を吸い出すように構成されている。第４のチャネルＣ４は、第４のチャネルＣ４の中のバッファ流体が第２の弁Ｖ２に到達するとき第２の弁Ｖ２を開くようにさらに構成されている。第２の弁Ｖ２が開くと、流体経路が開くことが可能になる。流体経路は、第４のチャネルＣ４と、第３のチャネルＣ３と、第２のチャネルＣ２とを含む。流体経路はバッファ貯槽ＢＲから第１の弁Ｖ１まで開かれる。
【００３９】
機構１００は、サンプル貯槽ＳＲが空になった後に第１の弁Ｖ１を開くように構成された第１の制御回路Ｔ１をさらに備える。これは、流体経路に毛細管駆動の流れが生じることを可能にし、それによって第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３の中の所定の体積のサンプル流体が第１の弁Ｖ１を通って流れ出る。第１の制御回路は、第１の弁Ｖ１をバッファ貯槽ＢＲに対して流体的に接続する第１の流体回路Ｔ１の形態でよい。第１の流体回路Ｔ１は、バッファ貯槽ＢＲからバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が第１の弁Ｖ１に到達するとき第１の弁Ｖ１を開くように構成されている。第１の流体回路は、バッファ貯槽ＢＲを第１の弁Ｖ１に対して流体的に接続する１つまたは複数のさらなるチャネルでよい。第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３における計量された体積を希釈するのが望ましくない場合には、第１の流体回路の抵抗をチャネルＣ２と、Ｃ３と、Ｃ４との結合の抵抗よりもはるかに大きくする。
【００４０】
機構のタイミングは以下のように作用する。第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とがサンプル流体で満たされ、サンプル貯槽ＳＲの残りのサンプル流体が毛細管ポンプＣＰ１によって完全に吸い出された後に、第１の弁Ｖ１と第２の弁Ｖ２とが開かれる。サンプル貯槽を空にするプロセスは、サンプル貯槽ＳＲの中のサンプル流体の全体量が毛細管ポンプＣＰ１に流れ込むのに必要な時間に依拠するので、流れ抵抗器Ｒ１に依拠するプロセスとなる。よって、各ステップが望ましいタイミングシーケンスに従って生じ得るように、この機構は、システムの部品の各々が他の部品の流体搬送速度に関連した流体搬送速度をもたらすように、システムの２つ以上の部品の念入りな設計を必要とし得ることが理解される。第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３の中の所定の体積のサンプル流体は、第１の弁Ｖ１を通って流れ出ることが一旦可能になると、第６のチャネルＣ６に入る。第６のチャネルＣ６は、計量されたサンプル流体を受け取るように構成された外部システムに対して流体的に接続されてよい。そのような外部システムは、たとえばサンプル流体の濃度またはサンプル流体における置換基の濃度などのサンプル流体の特性を決定するように構成された計測デバイスでよい。
【００４１】
本明細書で説明された（第１の弁Ｖ１および第２の弁Ｖ２などの）弁は、一般に異なる種類のものでよい。しかしながら、この実施形態では、これらの弁は、微少流体技術の弁、いわゆる毛細管のトリガ弁であり、これは、個別の制御入力を通って弁に入る制御流体によって到達されるとき、主要な入力を通って弁に入る流体の通路のために開くように構成されている。
【００４２】
次に、所定の体積のサンプル流体を計量するための方法が、図１と、図２の流れ図とを参照しながらさらに説明される。しかしながら、この方法は、本明細書で開示された機構の任意の他の実施形態に対して同様にうまく適用可能であることを理解されたい。
【００４３】
第１のステップＳ１０２において、サンプル貯槽ＳＲにサンプル流体が追加される。サンプル流体はたとえば血液でよい。
【００４４】
第２のステップＳ１０４において、第１のチャネルＣ１がサンプル貯槽ＳＲと流体連通するように設定される。そうする際、第１のチャネルＣ１は、第１のチャネルＣ１の分岐である、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とを所定の体積のサンプル流体で満たすために、毛細管力を使用してサンプル貯槽ＳＲからサンプル流体を吸い出すことになる。この段階では第１の弁Ｖ１および第２の弁Ｖ２が閉じており、それによって、サンプル流体は、それぞれ第１の弁Ｖ１および第２の弁Ｖ２に到達すると一旦停止する。
【００４５】
機構１００については、第１のステップＳ１０２においてサンプル貯槽ＳＲにサンプル流体を追加した結果として、第２のステップＳ１０４が当然起こり得ることに留意されたい。代替実施形態については、第２のステップは、たとえば弁を開くことまたは類似のことによってアクティブに実行されなくてはならないことがある。
【００４６】
第３のステップＳ１０６において、サンプル貯槽ＳＲは、毛細管ポンプＣＰ１を使用してサンプル流体を除去することによって空にされる。第３のステップＳ１０６は、図２の破線によって示されるように第２のステップＳ１０４と並行して進行し得る。たとえば、図１を参照して、毛細管ポンプＣＰ１は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とが第１のチャネルＣ１を通じてサンプル流体で満たされるのと同時に、毛細管力によって、サンプル貯槽から流れ抵抗器Ｒ１を通してサンプル流体を除去してよい。その場合、毛細管ポンプＣＰ１への流体抵抗Ｒ１は、サンプル貯槽ＳＲがあまりに速く空になることがないように選択されるべきであり、すなわち、流体抵抗は、サンプル貯槽が空になる前に計量チャネルＣ２およびＣ３が完全に満たされるように、十分に大きくなくてはならない。サンプル貯槽ＳＲを空にするための図５の設定が使用されるときなどの他の実施形態では、ステップＳ１０４およびＳ１０６は、毛細管ポンプＣＰ１がサンプル貯槽ＳＲを空にするのを開始する前に計量チャネルＣ２およびＣ３が満たされるという点で、むしろ逐次的である。
【００４７】
毛細管ポンプＣＰ１によってサンプル貯槽ＳＲが空にされた後に、第４のステップＳ１０８が起動される。第４のステップＳ１０８において、第２の弁Ｖ２がバッファ貯槽ＢＲと流体連通するように設定され、バッファ貯槽ＢＲは第４のチャネルＣ４を通じてバッファ流体で満たされる。そうする際、第４のチャネルＣ４は、毛細管力を使用してバッファ貯槽ＢＲからバッファ流体を吸い出し始め、第４のチャネルＣ４の中のバッファ流体が第２の弁Ｖ２に到達するとき第２の弁Ｖ２を開く。したがって、この段階において、この機構のバッファ貯槽ＢＲから第１の弁Ｖ１まで、低抵抗の新規の流体経路が開かれる。新規の流体経路は、第４のチャネルＣ４と、第３のチャネルＣ３と、第２のチャネルＣ２とを含む。
【００４８】
機構１００に関して、第２の弁Ｖ２は、バッファ貯槽ＢＲと常に流体連通していることに留意されたい。したがって、第４のステップＳ１０８は、特定の時間においてバッファ貯槽ＢＲにバッファ流体を追加することによって起動されなくてはならないことがある。これは、第２の弁Ｖ２がバッファ貯槽ＢＲと流体連通するように設定されて、バッファ貯槽ＢＲが第４のチャネルＣ４を通じてバッファ流体で満たされるのを保証することになる。代替実施形態については、第２のステップは、図３〜図６に対して関連して説明されるように、たとえばさらなる弁を作動させることによってアクティブに実行され得る。そのような場合には、バッファ貯槽ＢＲの中にはバッファ流体が常に存在し得る。
【００４９】
第５のステップＳ１１０において、第１の制御回路Ｔ１によって第１の弁Ｖ１が開かれる。そうする際、新しく開かれた流体経路Ｃ４−Ｃ３−Ｃ２において毛細管駆動の流れが生じる。この段階において、計量された体積のサンプル流体が毛細管力によってチャネルＣ６へ吸い出されるので、バッファ貯槽ＢＲからのバッファ流体が、計量チャネルＣ３およびＣ２におけるサンプル流体を置換することになる。そのように、第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３の中の所定の体積のサンプル流体が第１の弁Ｖ１を通って流れ出る。第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３はバッファ流体によって補充され、一方、所定の体積のサンプル流体は毛細管のシステムのさらに下流に輸送される。
【００５０】
タイミングを制御すると、サンプル流体が第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３に到達してこれらを満たし、サンプル貯槽ＳＲが空になるまで、第２の弁Ｖ２が開かないように、機構の動作を制御することが可能になる。そうしないと、結局は、追加のサンプル流体がサンプル貯槽ＳＲから第１のチャネルＣ１を通って吸い出され、第１の弁Ｖ１を通って流れ出るという状況に至り得る。言い換えれば、計量チャネルＣ２とＣ３とが満たされ、サンプル貯槽ＳＲが空になるまでは、弁Ｖ１とＶ２のどちらも開かれてはならない。弁Ｖ２を開くことに対する弁Ｖ１を開くことの代替のタイミングが使用されてよい。しかしながら、好ましくは、制御回路は、第１の弁Ｖ１を、第２の弁Ｖ２と同時に、またはＶ２の後に開くように構成される。
【００５１】
図１の実施形態では、計量プロセスを開始するときにはバッファ貯槽ＢＲが空になっているのが実用上望ましいので、第２の弁Ｖ２を開くことはバッファ流体によって制御される。一旦、サンプル流体が第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とを成功裡に満たし、毛細管ポンプＣＰ１によってサンプル流体が吸い出されてサンプル貯槽ＳＲが空になると、バッファ貯槽ＢＲにバッファ流体が与えられてよく、それによって、バッファ流体は、第４のチャネルＣ４の中の毛細管駆動の流れによって第２の弁Ｖ２に到達することが可能になり得る。
【００５２】
しかしながら、他の実施形態では、バッファ流体が第２の弁Ｖ２に到達する時間をアクティブに制御する手段を追加すれば、タイミング制御が改善され得る。そのような仕組みを備える一実施形態が図３に示されている。図３の機構２００は、バッファ貯槽ＢＲから吸い出されたバッファ流体が第４のチャネルＣ４に入る前に第３の弁Ｖ３を通過するように、第４のチャネルＣ４に対して流体的に接続された第３の弁Ｖ３をさらに備えるという点で機構１００とは異なる。機構２００は、サンプル貯槽ＳＲが空になった後に第３の弁Ｖ３を開くように構成された第２の制御回路Ｔ２をさらに備える。
【００５３】
同様に、第１の制御回路Ｔ１に関して、機構２００の第２の制御回路は第２の流体回路Ｔ２を備え得る。第２の流体回路Ｔ２は、バッファ貯槽ＢＲに対して第３の弁Ｖ３を流体的に接続する。第２の流体回路Ｔ２は、バッファ貯槽ＢＲからバッファ流体を吸い出して、バッファ流体が第３の弁Ｖ３に到達するとき第３の弁Ｖ３を開くように構成されている。第２の流体回路Ｔ２は、バッファ貯槽ＢＲを第３の弁Ｖ３に対して流体的に接続する１つまたは複数のさらなるチャネルでよい。
【００５４】
次に、第２の制御回路Ｔ２によって第３の弁Ｖ３を開くタイミングが論じられる。好ましくは、サンプル貯槽ＳＲが空になるまで、第２の弁Ｖ２は開かれなくてよい。正確なタイミングは、バッファ流体がバッファ貯槽ＢＲから第３の弁Ｖ３まではるばる到達するのに要する時間が、サンプル貯槽ＳＲからサンプル流体が吸い出されて空にされた後に第２の弁Ｖ２を開くことを可能にするのに十分なものとなるように、第２の流体回路Ｔ２を念入りに設計することによって達成され得る。第１の制御回路Ｔ１は、第２の弁Ｖ２が開くのと同時に、または開いた後に、第１の弁Ｖ１を開くように構成されてよい。以前に言及されたように、これは、機構の様々な部品における流体の流れ速度が、意図されたように機構を作動させるための特定のやり方で互いに関連するように、機構の様々な部品が設計されなければならないことを意味する。具体的には、これは異なる流路長さ、異なるチャネル断面などを使用することによって実現され得る。
【００５５】
図１および図３の実施形態では、第１の制御回路Ｔ１および第２の制御回路Ｔ２は微少流体技術のチャネルであった。したがって、第１の弁Ｖ１および第３の弁Ｖ３は、それぞれ第１の弁Ｖ１および第３の弁Ｖ３に到達するバッファ流体によって制御され、すなわち微少流体技術の毛細管トリガ弁である。あるいは、第１の弁Ｖ１および第３の弁Ｖ３の開放は電気的に制御されてよい。より詳細には、第１の制御回路Ｔ１および第２の制御回路Ｔ２のうち少なくとも１つが、第１の弁Ｖ１および第２の弁Ｖ２のうち少なくとも１つに電気制御信号を配送するように構成されてよく、ここにおいて、この第１の弁Ｖ１および第２の弁Ｖ２のうち少なくとも１つの弁は電気信号を受け取ると開くように構成されている。この目的のために、この機構は、第１の弁Ｖ１および／または第３の弁Ｖ３に対して電気的に結合された、たとえばマイクロコントローラの形態のコントローラをさらに備え得る。これは、第１の弁Ｖ１および第３の弁Ｖ３が別のタイプの微少流体技術の弁でもよいことを意味する。電磁力または静電力、導電性高分子材料の膨張などに基づく、異なる電気作動の弁機構が存在する。コントローラは図３における要素２１０として示されているが、本明細書で示された任意の他の機構１００、２００、３００、４００、５００にも、もちろん同様に含まれ得る。マイクロコントローラは、機構１００、２００、３００、４００、５００と同一の流体チップに組み込まれ得るか、または個別のシリコンチップであり得るかのいずれかである。センサはまた、マイクロコントローラに対する入力として働くように、機構１００、２００、３００、４００、５００のシリコン流体チップに組み込まれてよく、マイクロコントローラは、センサ入力に応答して弁Ｖ１および／またはＶ３を作動させる。たとえば、センサは、チップの特定の区域に液体があるとき感知し得、マイクロコントローラはその信号に応答して弁を作動させることができる。センサは、キャパシタンスセンサ、インピーダンスセンサ、光学センサ、または他のセンサのいずれかであり得る。
【００５６】
この機構は、様々な異なる方法を使用して製作され得る。可能性の１つには、シリコン微細加工技術を使用するものがある。２段階のディープリアクティブイオンエッチングプロセスが使用され得る。そのようなプロセスを使用すると、信頼できる毛細管の弁構造を生成するために２つの異なる深さのチャネルを形成することが可能になり得る。全体の機構のチャネルの上面は、開いたものでよく、または上蓋で閉じられてもよい。具体的には、図１の実施形態および図３の実施形態によれば、サンプル流体および／またはバッファ流体の内部に閉じ込められた気体が機構１００、２００から流出することを可能にすることなどのために、サンプル流体および／またはバッファ流体は機構１００、２００の環境と少なくとも部分的に気体連通している。たとえば、上面は気体透過性シートによって覆われてよい。気体透過性シートは、気体を逃がすが液体は逃がさない上蓋を形成する。接触角は、毛細管の弁の初期故障の原因となるほど小さくしないのがよい。開いた流体のシートまたは気体透過性シートは、液体−蒸気境界面がチャネルを通って進むとき、空気を閉じ込めず、気体が逃げることを可能にする。
【００５７】
あるいは気密上蓋が使用され得る。そのような場合に気体が逃げることを可能にするために、代わりに１つまたは複数の排気口が使用され得る。図４は、そのような仕組みを利用する機構３００を示す。機構３００は、第２の弁Ｖ２に対して流体的に接続されたさらなる弁Ｖ５を介して環境との気体連通が生じる点で機構２００とは異なる。さらなる弁Ｖ５は、気体が通ることを許す一方で液体を阻止する。過剰空気は排気口を通って環境へ通気される。そのような排気口は、たとえば小さいノズルまたは穴であり得る。
【００５８】
図１、図３および図４に示された機構の実施形態は、個別の分岐を通じてサンプル貯槽と流体的に連絡する毛細管ポンプＣＰ１に頼るものである。図５は、毛細管ポンプＣＰ１と第１のチャネルＣ１が、むしろサンプル貯槽に対する共通の接続を有する機構４００を示す。機構４００は、第１のチャネルＣ１にサンプル流体が与えられるやり方においてのみ機構３００と異なることに留意されたい。第１のチャネルＣ１に流体を与えるこの代替のやり方は、もちろん図１の機構１００および図３の機構２００においても実施され得るものである。
【００５９】
機構４００は、第１のチャネルＣ１、第２のチャネルＣ２、および第３のチャネルＣ３よりも毛細管圧が低い第５のチャネルＣ５をさらに備える。第１のチャネルＣ１は第５のチャネルＣ５に対する分岐として構成されている。したがって、第１のチャネルＣ１は、使用において、サンプル貯槽ＳＲから第５のチャネルＣ５を通じて流体を吸い出すように構成されている。毛細管ポンプＣＰ１は、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とがサンプル流体で満たされた後に第５のチャネルＣ５を通じてサンプル貯槽ＳＲを空にするように構成されるように、流れ絞り機構Ｒ’を含んでいる第５のチャネルＣ５を含む経路を通じてサンプル貯槽ＳＲに対して流体的に接続されている。毛細管ポンプＣＰ１の毛細管圧は、サンプル貯槽ＳＲが空になった後に、液体を吸引して抵抗器Ｒ’とチャネルＣ５とを乾燥させるのに十分なものに設計されるべきである。弁Ｖ７は、弁Ｖ１およびＶ２が一旦作動されると液体がサンプル計量チャネルＣ２およびＣ３からチャネルＣ１を通ってチャネルＣ５へ逆流するのを防止するための、一方向の毛細管停止弁として機能する。一方向の毛細管停止弁Ｖ７は、流体がチャネルＣ５からチャネルＣ１へ制限なく流れることを許すが、チャネルＣ５を乾燥させるときには、流体がチャネルＣ１を通ってチャネルＣ５へ逆流するのを毛細管力によって防止する。
【００６０】
使用するとき、機構４００は以下のように動作する。サンプルが、サンプル貯槽ＳＲに追加され、流れ絞り機構Ｒ’を通って第５のチャネルＣ５へ吸い込まれる。流れ絞り機構Ｒ’は、たとえば、その長さが流体抵抗の原因となる流体チャネルの形態でよい。流れ絞り機構Ｒ’は、流れが制限される、第５のチャネルＣ５に対するオリフィスの形態でもよい。流れ絞り機構Ｒ’は、第５のチャネルＣ５自体に含まれることも可能である。たとえば、第５のチャネルＣ５は、相当な長さに設計され得ることによって流れ絞り機構として働く。第５のチャネルＣ５は、一般的には、機構４００の他のチャネルよりも大きなチャネル断面を有する。チャネル断面がより大きければ毛細管圧はより低くなり、その結果、チャネルの内部の流体にかかる力がより小さくなる。第１のチャネルＣ１は第５のチャネルＣ５よりも毛細管圧が高く、しかも流れ絞り機構Ｒ’の抵抗があるので、毛管流れは、第５のチャネルＣ５を満たし続けるのではなく第１のチャネルＣ１を優先的に満たす。
【００６１】
流れは、第１のチャネルＣ１を満たした後に、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３に分かれる。チャネルＣ２およびＣ３は、毛細管圧が第５のチャネルＣ５よりも高くなるように設計されており、その結果、毛細管駆動の流れは、第１のチャネルＣ１を満たした後に、液体−蒸気境界面が第１の弁Ｖ１と第２の弁Ｖ２とに到達するまで、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とを満たし続ける。毛細管の境界面が第１の弁Ｖ１と第２の弁Ｖ２とに一旦到達すると、サンプル流体の流れは、第１のチャネルＣ１と、第２のチャネルＣ２と、第３のチャネルＣ３とから成る分岐の中を進行するのを停止する。代わりに、サンプル流体の流れは、第５のチャネルＣ５が満たされて毛細管の境界面が毛細管ポンプＣＰ１に到達するまで、第５のチャネルＣ５において再出発することになる。その一方で、バッファ貯槽ＢＲにバッファ流体が追加される。毛細管力が、バッファ流体を第２のチャネルＣ２に吸い込む。第２のチャネルＣ２が満たされた後に、流れは第３の弁Ｖ３において停止する。第１の制御回路Ｔ１および第２の制御回路Ｔ２の機能は、機構３００のものと同一である。第２の制御回路は第２の流体回路Ｔ２でよく、第３の弁Ｖ３を開くように構成されている。次いで、バッファ流体は第４のチャネルＣ４に入って第２の弁Ｖ２を開く。バッファ流体はさらなる弁Ｖ５に到達するまで流れて、そこで停止する。第１の制御回路は第１の流体回路Ｔ１でよく、第１の弁Ｖ１を開くように構成されている。第１の弁Ｖ１が一旦開かれると、計量された体積（すなわち第２のチャネルＣ２および第３のチャネルＣ３）のサンプル流体は、毛細管力によって、機構４００を外部システムに接続するように構成された第６のチャネルＣ６に吸い込まれる。サンプル流体が第１の弁Ｖ１を通って第６のチャネルＣ６に移動されるとき、第２のチャネルＣ２と第３のチャネルＣ３とがバッファ流体によって再び満たされる。
【００６２】
いくつかの用途については、サンプル流体を希釈するのが有益であり得る。そのような用途はたとえば血球計算であり得、その場合、希釈されていないサンプルは濃すぎるため、個々の血液細胞をカウントすることができない。希釈はサンプル計量の後に実行されてよいが、有利には計量プロセスのサブステップとして実行され得る。図６は、サンプル流体の計量と希釈の両方が可能な機構５００を示す。機構５００は図４に示された機構３００に基づくものであり、どちらの実施形態でも計量は同様に実行される。
【００６３】
機構５００では、第１の弁Ｖ１を通って流出する所定の体積のサンプル流体は、第４の弁Ｖ４において終結する第６のチャネルＣ６によって受け取られる。第４の弁Ｖ４は、希釈されたサンプル流体を生成するように、第６のチャネルＣ６から受け取られる所定の体積のサンプル流体を、バッファ貯槽ＢＲから第２の流れ抵抗器Ｒ２を通して受け取られるバッファ流体で希釈するように構成されている。第４のチャネルＣ３は第３の流れ抵抗器Ｒ３を備える。この構成によって、第６のチャネルＣ６から受け取られるサンプル流体の流量と、バッファ貯槽ＢＲから受け取られるバッファ流体の流量との間の比は、第２の流れ抵抗器Ｒ２の抵抗および第３の流れ抵抗器Ｒ３の抵抗によって少なくとも部分的に決定される。したがって、サンプル貯槽のサンプル流体とバッファ貯槽のバッファ流体との間の混合比率は、すべての他のチャネルの抵抗が無視できると想定して、主として第２の流れ抵抗器Ｒ２および第３の流れ抵抗器Ｒ３の抵抗によって決定される。
【００６４】
機構５００は、希釈されたサンプル流体を混合するように構成されて第４の弁Ｖ４の出力に対して流体的に接続されたミキサＭＸ１をさらに備える。実際には、様々な異なるミキサは、平行積層ミキサ、ヘリンボンミキサ、または蛇行チャネルなどとして実施され得る。毛管流れ用途に関しては、蛇行チャネルは、気泡を閉じ込めることに対するその弾力性および設計の簡単さのために、望ましいものであり得る。蛇行チャネルミキサのチャネル幅は、高速の拡散を可能にするために十分に小さくするべきであり、一方チャネル長は、流体流れを完全に混合するように十分にとるべきである。
【００６５】
機構５００は、検知チャネルＣ９を通じてミキサＭＸ１と流体連通しているさらなる毛細管ポンプＣＰ２をさらに備え、さらなる毛細管ポンプは、検知チャネルＣ９を通る希釈されたサンプル流体の流量を維持するように構成されている。ミキサＭＸ１は、最終結果が均質の溶液となるように、サンプル流体をバッファ流体と混合するように設計されている。検知チャネルＣ９は、たとえば血液細胞の計数といった対象の量の測定を可能にするように設計されている。計数は、光学的に、電気的に、または他の手段によって遂行され得る。さらなる毛細管ポンプＣＰ２は、分析するのに必要な時間期間にわたって流量を維持する。
【００６６】
機構５００は、関連する排気口を有する任意選択の弁Ｖ６をさらに備える。この排気口は、ミキサＭＸ１の液圧抵抗が大きく（＞１０16Ｐａ＊ｓ／ｍ3）、空気がＭＸ１と毛細管ポンプＣＰ２とを通って逃げるのが困難な場合に必要とされることがある。実際には、毛細管ポンプＣＰ１およびＣＰ２は、一般的には大気へ排気孔をつけられることに留意されたい。しかしながら、ミキサＭＸ１の液圧抵抗が小さい場合には、弁Ｖ６および関連する排気口は省略され得る。
【００６７】
第４の弁Ｖ４は、２つの流体を混合するように構成されているが、たとえば第１の弁Ｖ１に使用されたものと同一の弁タイプでよいことを理解されたい。たとえば、弁タイプは、毛細管のトリガ弁タイプなど微少流体技術の弁タイプでよい。
【００６８】
実際には、毛細管のトリガ弁を使用すると、第１の弁Ｖ１は、主入力からの液体と制御入力からの液体とを混合することも可能になる。混合の程度は、２つの入力における流体抵抗によって制御される。具体的には、第１の弁Ｖ１に関して、制御入力は一般的には主入力と比較してかなり大きい流体抵抗を有する（すなわち、接続するチャネルが比較的長い、および／または断面が比較的小さい）。これは、バッファ流体とサンプル流体の間の混合が無視できることを保証する。しかしながら、第４の弁Ｖ４については、入力チャネルにおける流体抵抗が類似であり、したがってサンプル流体とバッファ流体はどちらも弁を通ることができる。
【００６９】
本明細書で説明された実施形態は前述の例に限定されない。様々な代替形態、修正形態、および等価物が使用され得る。たとえば、さらなる弁が含まれてよく、機構のタイミング制御をさらに改善する。その上、代替の弁技術が使用されてもよい。したがって、本開示は、本明細書で説明された特定の形態に限定されるべきではない。本開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、上記で言及されたもの以外の実施形態が、特許請求の範囲内で同様に可能である。
【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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【国際調査報告】
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