マイクロフルイディック・デバイスにおける流体制御方法及びシステム
【課題】マイクロフルイディック・システムにおいて使用するバルブを提供する。
【解決手段】バルブ５０は、上流チャネル５２の中心軸６０に対してある角度をなして配された第１対向壁７４によって規定された導管によって合流させた上流チャネル５２と下流チャネル５４とを規定する基板を含む。感熱物質５６の少なくとも一部が、第１対向壁７４との衝合によって、導管を遮断する。感熱物質５６と熱的に接触状態にある熱源３７の作動時に、感熱物質５６の開口運動によって導管を開放する。
【解決手段】バルブ５０は、上流チャネル５２の中心軸６０に対してある角度をなして配された第１対向壁７４によって規定された導管によって合流させた上流チャネル５２と下流チャネル５４とを規定する基板を含む。感熱物質５６の少なくとも一部が、第１対向壁７４との衝合によって、導管を遮断する。感熱物質５６と熱的に接触状態にある熱源３７の作動時に、感熱物質５６の開口運動によって導管を開放する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロフルイディック・システムを用いてサンプルを操作するための方法及び構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフルイディック・システムは、寸法がナノメートルから１００μｓ程度で、協同して種々の所望の機能を実行する構造を有するデバイスを含む。即ち、マイクロフルイディック・デバイスは、化学的分析又は物理的分析を行う場合のような、材料分析機能や操作機能を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マイクロフルイディック技術の一種に、物質の連続的な流動ストリームに加えて、サンプルや試薬のような、離散量の物質の操作を可能にするものがある。このようなデバイスは、例えば、２０００年５月２日に発行され、"Microscale Devices And Reactions In Microscale Devices" （マイクロスケール・デバイス及びマクロスケール・デバイスにお
ける反応）と題する米国特許第６，０５７，１４９号、２０００年４月１１日に発行され、"Thermal Microvalves in a Fluid Flow Method"（流体流動法における熱微小バルブ）と題する米国特許第６，０４８，７３４号、及び２０００年１０月１０日に発行された米国特許第６，１３０，０９８号に開示されている。これらのデバイスでは、ガス圧力のような機動力を用いて、物質をデバイスのある領域から別の領域に推進させる。例えば、サンプルを処理チャンバまで推進又は牽引し、処理チャンバ内で、同様にチャンバ内に持ち込まれた試薬と反応させることができる。各デバイスは、他に多くのチャンバ又はチャネルを有することができ、これらが処理チャンバと交差するので、バルブを用いることによって、デバイスの１つの領域にある物質を、デバイスの別の領域から隔離することができる。理想的なバルブの場合、閉鎖すると漏れを防止し、過剰な圧力が閉鎖中のバルブに作用しても閉鎖したままとなっている。
この章又は本願のいずれの章においても、いずれの参考文献の引用又は特定も、このような参考文献が本発明に対する従来技術として使用可能であるとは解釈しないこととする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、マイクロフルイディック・システムにおいて使用するバルブに関し、このバルブは、通路によって合流する上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板を備えている。この通路は、第１表面を備え、感熱物質質（ＴＲＳ）が配されており、バルブが閉鎖状態にあるとき、通路を実質的に遮断する。上流チャネル内にある圧力が、第１表面に対抗してＴＲＳの少なくとも一部を推進する。好ましくは、通路は、中心軸を規定し、第１表面を中心軸に対してある角度をなすように配置する。通路を開放すると、ＴＲＳの少なくとも一部が溶融し、下流チャネルに流入することができる。
【０００５】
一実施形態では、バルブは更に、ＴＲＳと熱的に接触している熱源を備えており、この熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって、通路を開放する。
通路は更に、縦横軸に対して第２角度をなしている第２表面も備えることができる。通路を遮断するＴＲＳの少なくとも第２部分が、第２表面と接触する。第１及び第２表面は通路に迫り出していてもよい。第１及び第２表面は、それらの間に絞りを形成する。
【０００６】
本発明の別の実施態様は、マイクロフルイディック・システム用のバルブの生産方法に関し、マイクロフルイディック・システムの上流チャネル及び下流チャネルを合流させる通路を規定する基板を設けることを含む。通路は、保持面を備えており、塊状の感熱材（ＴＲＳ）を通路に導入する。バルブが閉鎖状態にあるとき、上流チャネル内の圧力がＴＲＳを保持面に向けて押圧する。
【０００７】
本発明の更に別の実施形態は、マイクロフルイディック・システム用のバルブの生産方法に関し、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネルを合流させる通路を規定する基板を設け、塊状の感熱物質（又は感温物質）（ＴＲＳ）を、通路に隣接するリザーバ・チャネル内に導入することからなる。毛細管作用によって、ＴＲＳを通路内に引き込み、ＴＲＳの表面張力によって、通路内のＴＲＳが上流又は下流チャネルに流入するのを実質的に防止する。
【０００８】
本発明の一実施形態は、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネル間に通路を設けるバルブに関する。このバルブは、感熱物質（ＴＲＳ）を備えており、第１温度において、ＴＲＳが通路を遮断するように配し、第２温度において、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することにより、通路を開放する。
通路を遮断するＴＲＳの少なくとも約７５％は、通路の解放時に、下流チャネルに流入することができる。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネル間に通路を設けるためのバルブに関する。このバルブは、通路を実質的に遮断するように構成された感熱物質（ＴＲＳ）と、ＴＲＳと熱的に接触して配置された熱源とを備え、熱源の作動時に、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することによって、通路を開放する。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムに関し、処理チャンバ、ソース・チャネル、及び下流チャネルを規定する基板であって、ソース・チャネルが第１地点において処理チャンバと合流し、下流チャネルが第２遅延において処理チャンバと合流する、基板と、処理チャンバと下流チャネルとの間で通路を遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）と、ＴＲＳと熱的に接触している熱源であって、該熱源の作動時に、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することによって、通路を開放する、熱源とを備えている。
【００１１】
本発明の別の態様は、マイクロフルイディック・システムにおいて用いるためのバルブに関し、通路によって合流させた上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板と、通路を実質的に遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）とを備えており、通路を遮断するＴＲＳの長さは、通路に隣接する上流チャネルの幅よりも大きい。熱源が、ＴＲＳと熱的に接触しており、該熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって通路を開放する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムにおいて用いるためのバルブに関し、通路によって合流させた第１及び第２チャネルを規定する基板であって、第１チャネル及び通路がそれらの間に開口を規定する、基板と、通路を実質的に遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）であって、開口の高さが、開口に隣接する第１チャネルの高さよりも低く、毛細管作用によってＴＲＳを通路に引き込み、ＴＲＳの表面張力によって、当該ＴＲＳが第１又は第２チャンバに流入するのを実質的に防止するようにした、感熱物質と、ＴＲＳと熱的に接触している熱源であって、当該熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって通路を開放する、熱源とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるマイクロフルイディック・システムを示す図である。
【図２ａ】本発明のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図２ｂ】図２ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図３ａ】図２ａのバルブの斜視断面図である。
【図３ｂ】図３ａの断面３ｂに沿った断面図である。
【図４ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図４ｂ】図４ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図５ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図５ｂ】図５ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図６ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図６ｂ】図６ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図７ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図７ｂ】図７ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図８ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図８ｂ】図８ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図９ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図９ｂ】図９ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図１０ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図１０ｂ】図１０ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図１１ａ】本発明の別のバルブの上面図である。
【図１１ｂ】図１１ａのバルブの側面図である。
【図１１ｃ】図１１ａのバルブの斜視切欠図である。
【図１１ｄ】図１１ａのバルブの斜視切欠図である。
【図１２ａ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１２ｂ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１２ｃ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１３ａ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｂ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｃ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｄ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、マイクロフルイディック・システム用に改良したバルブ、及びこの改良したバルブを備えたマイクロフルイディック・システムに関する。図１を参照すると、本発明のマイクロフルイディック・システム７００は、サンプルや試薬のような少量の物質を用いて分析を行うように構成されている。この物質は、システムの異なる領域間で運搬することができる。異なる領域とは、例えば、チャンバ、チャネル及び通路が含まれ、これらについては、以下で論ずることにする。マイクロフルイディック・システム７００の重要な特徴の１つは、その異なる領域間における物質の通過を調整できることにある。例えば、システム７００は、物質導入チャネル７０２とチャンバ７０４との間で物質の通過を調整するバルブ７０６を含む。バルブ７０６が開放しているとき、物質をチャンバ７０４に導入し、物質を濃縮、希釈、混合、又は反応させることによって、処理することができる。一旦所望量の物質を導入したならば、バルブ７０６を閉鎖して、チャネル７０２に沿って余分な物質が流入するのを実質的に防止することができる。バルブ７０６は、多用途バルブとして動作し、性能を低下させることなく、開放及び閉鎖状態の間で切り換えることができる。
【００１５】
このような多用途バルブ５０の一実施形態を図２ａ及び図２ｂに示す。バルブ５０は、第１チャネル５２と第２チャネル５４との間で物質の通過を調整する。バルブ通路６８は、バルブを介してチャネルを接続する。図２ｂの開放状態では、ＴＲＳ５６がバルブ・リザーバ５５内に後退しているので、一方のチャネルから他方のチャネルに物質を通過させることができる。図２ａの閉鎖状態では、塊状感熱物質（ＴＲＳ）５６が実質的に通路６８を遮断する。バルブが閉鎖すると、チャネル５２、５４間の物質の通過が妨げられる。
【００１６】
バルブ開放動作は、好ましくは、熱源３７を作動させてＴＲＳ５６を加熱することによってＴＲＳ５６を軟化させる等、その物理的又は化学的特性を変化させることを含む。冷却部３６が、ＴＲＳ５６の端部３０に接触して捕獲されたガス３２を冷却する。その結果、ガス３２は収縮し、端部３０に作用する圧力が減少し、軟化したＴＲＳ５６をリザーバ５５内に後退させる。バルブ５０を閉鎖するには、ガス３２を加熱し、ガスを膨張させることによって、端部３０に作用する圧力を高め、ＴＲＳ５６を通路６８全域に膨張させる。
【００１７】
本発明のバルブの好適な実施形態では、バルブ通路を遮断するＴＲＳに過剰な圧力が作用しても、バルブからの漏洩を防止するように構成した１つ以上のエレメントを含む。過剰な圧力が発生するのは、バルブの一方側に存在する圧力が、他方側に存在する圧力より
も大きいときである。例えば、過剰な上流圧力は、上流チャネルからバルブの上流側に作用する圧力が、下流チャネルからバルブの下流側に作用する圧力よりも大きいことを意味する。この少なくとも１つのエレメントは、好適には、物質運搬通路に対向して配置された表面である。物質運搬経路は、開放状態のバルブを通過する物質が進む経路のことである。バルブが閉鎖すると、過剰な上流圧力は、対向する表面に向けてＴＲＳを押圧し、遮断された通路を通じた漏洩を引き起こすことはない。
【００１８】
図２ａに戻り、通路６８を遮断するＴＲＳは、リザーバ５５からバルブ壁７２まで膨張する。リザーバ５５は、ある量のＴＲＳ５７を含み、通路６８からずれているので、ＴＲＳ５７はバルブを通る物質の経路を邪魔しない。リザーバ５５は、好ましくは、通路の中心軸６０に対してバルブ壁７２とは逆側に配置する。ＴＲＳ５６の少なくとも第１衝合部(abutting portion)７０が壁７２に衝合する。ここで用いる場合、「衝合する」とは、ＴＲＳの衝合部と閉鎖したバルブの壁との間に空間が残っていても、液体のような物質の通過を実質的に防止する程に小さいことを意味する。好ましくは、壁に衝合するＴＲＳの部分は、壁に接触し、それらの間の空間を本質的に排除する。
【００１９】
壁７２は、通路の中心軸６１に対してある角度をなして配置することが好ましい、第１対向壁部７４を含む。バルブ５０が閉鎖すると、ＴＲＳ５６の第２衝合部７６が、第１対向壁部７４に衝合する。第２衝合部７６及び第１対向壁部７４は、ＴＲＳ５６の上流部８１に作用する圧力が、ＴＲＳ５６の下流部７８に加えられる圧力を上回るときでも、バルブ５０を通じた物質の通過を実質的に防止する。過剰な上流圧力は、第２衝合部７６を対向壁面７４に対して押圧することによって、バルブ５０を一層緊密に閉鎖する。対向壁部がないと、過剰上流圧力は、バルブ通路を遮断するＴＲＳの形状を歪ませ、バルブを通じた物質の漏れという望ましくない事態を招く可能性がある。
【００２０】
第１対向壁部７４は、通路６８を通過する物質が取る経路内に達する壁突出部８０と一体であることが好ましい。こうすると、上流側断面区域６６を通じて通路６８に進入する少なくとも一部の物質は、突出部８０に沿って通過しなければならない。例えば、図３ａ及び図３ｂは、上流点６２から通路６８に入る物質運搬経路６３が、対向壁部７４によって遮断されていることを示す。一般に、物質運搬経路は、サンプルや試薬のような物質が、上流位置から下流位置に進行する際に取る経路である。特定のバルブに関して、上流及び下流という用語は、バルブを介した物質運搬の好ましい方向に関連する。しかしながら、バルブは、バルブの下流側から上流側への物質の通過を、許可又は妨害するように動作可能であることは言うまでもない。
【００２１】
突出部８０は、第２対向壁面８６及び外壁８８を含む。第２チャネル５４の壁９０が、中心軸６１に対して外壁８８とは逆側に配されている。突出部８０が壁７２を超えて延出しているので、外壁８８と壁９０との間の距離８２は、上流点６２における第１チャネル５２の対向する壁間の対応する距離８４よりも小さくなっている。下流側の距離８２は、上流側の距離８４よりも、少なくとも１０％小さく、好ましくは少なくとも２０％小さく、更に好ましくは３０％小さい。したがって、突出部８０及び壁９０は絞りを構成し、下流側物質運搬経路５９の断面積６７は、上流側物質運搬経路５８の断面積６６よりも小さい。バルブに隣接した下流側断面積の方が小さいため、バルブ５０の容量が増大し、上流側圧力の上昇にも耐えて、過剰な漏洩を生ずることもない。また、突出部８０の存在のために、第２チャネル５４の中心軸６１が第１チャネル５２の中心軸６０からずれている。突出部８０は概略的に矩形状に示しているが、三角形又は円弧状面を有する形状というような、その他の形状を有する突出部を用いることもできる。
【００２２】
バルブ５０は、ＴＲＳ５６の温度が第１から第２の、好ましくは高い方の温度に変化すると、通路６８を開放又は閉鎖するように動作する。ＴＲＳ５６及び５７の少なく共一部
と熱的に接触している熱源４７の作動によって、十分な熱エネルギが供給され、ＴＲＳの加熱部分の物理的又は化学的特性を変化させる。好ましくは、特性の変化は、少なくともＴＲＳ５６の通路６８に対する運動を可能にする程度の軟化又はサイズの縮小である。バルブ５０は、物質５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、開放状態及び閉鎖状態の間で繰り返し切り換えることができる。
【００２３】
感熱物質（ＴＲＳ）とは、第１温度から第２の異なる温度への遷移に際して、少なくとも１つの物理的又は化学的特性の変化を呈する物質のことを言う。バルブの通路を遮断する塊状ＴＲＳは、本質的に中実の塊状体、又は協同して通路を遮断する小さな粒子の凝集体とすることができる。ＴＲＳの例には、はんだ、ワックス、ポリマ、プラスチック、及びそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定される訳ではない。好ましくは、前述の特性は、硬度の低下又はサイズ縮小の少なくとも一方である。例えば、一実施形態では、ＴＲＳは、第１温度からより高い第２温度への遷移に際して溶融する。溶融するＴＲＳは、溶融可能物質であり、例えば、ワックス（例えば、オレフィン）又は共晶合金（例えば、はんだ）が考えられる。第１及び第２温度は、近くにある電子部品やデバイスの基板のような物質に損傷を与える程高くないことが好ましい。第２温度は、好ましくは、４０゜〜９０℃であり、最も好ましくは５０゜〜７０℃である。
【００２４】
好適な実施形態では、ＴＲＳは、溶融時に分散せず、単に軟化するだけである。代替実施形態では、ＴＲＳは、遮断される通路を形成する物質とは異なる熱膨張係数を有する物質である。通路及びＴＲＳを加熱又は冷却することにより、ＴＲＳは通路に対して膨張又は収縮する。収縮状態では、ＴＲＳはチャネルに進入したりチャネルから後退するように作動することができる。これについては以下で説明する。
【００２５】
通路という用語は、バルブが完全に閉鎖されているときに、塊状ＴＲＳによって遮断されるバルブ内部の領域のことを言う。バルブが完全に開放している場合、通路は、液体のような物質がバルブを通じて上流位置から下流位置に通過できる領域となる。したがって、バルブ・リザーバの表面は通路の一部ではない。何故なら、通路内の物質をリザーバ内に流入させないことが好ましいからである。「塊状ＴＲＳ」とは、バルブ通路を実質的に遮断することによって、バルブを通じた物質の通過を実質的に防止するのに十分な量のＴＲＳのことを言う。物質の通過を防止すると、バルブの上流に位置する微小水滴の体積に望ましくない減耗を起こす程の量の物質でさえも、その通過を防止する。同様に、物質の通過を防止すると、上流側の物質が、バルブよりも下流に位置する微小水滴に悪影響を及ぼすのを防止する。例えば、下流側水滴の濃度又はｐＨは、上流側物質が閉鎖したバルブによって遮断されると、本質的に変化しない状態となる。好ましくは、閉鎖したバルブは、バルブに隣接するあらゆる液体又は粒子の通過を完全に防止する。
【００２６】
図２ｂを参照すると、バルブ５０の開放状態が示されており、この場合、ＴＲＳ５６は本質的に完全にリザーバ５５内部に後退しており、通路６８を開放することによって、第１及び第２チャネルの少なくも一方から他方に、バルブ５０を通じた物質の通過を可能にする。ほぼ完全に後退することとは、通路６８を遮断していたＴＲＳ５６のほぼ全てがリザーバ５５内部に後退し、通路６８に残留したり、バルブ５０の下流に分散するのではないことを意味する。ＴＲＳ５６を完全に後退させると、約１０％以下、好ましくは約５％以下、そして最も好ましくは約２％以下のＴＲＳ５６が通路６８内に残され、バルブ５０の下流に分散する。
【００２７】
開放運動を生じさせるには、ＴＲＳ衝合部７０に作用する圧力に対して、ＴＲＳ５７の端部３０に作用する圧力を減少させることが好ましい。圧力減少は、リザーバ５５の作動部３４に存在するガス３２のような流体を収縮させて発生することが好ましい。ガス３２
の収縮は、当該ガスを冷却してガスの温度を低下させ、体積を縮小させることによって得ることができる。ガス３２を冷却するには、ガス３２と熱的に接触しているペルチェ冷却器(Peltier cooler)のような冷却器を作動させることが好ましい。冷却器は、バルブ５０を構成する基板及び熱源３６と一体であることが好ましい。しかしながら、冷却器は、別個のデバイス内に配置し、動作中、基板を受け入れるようにすることも可能であることは言うまでもない。
【００２８】
バルブ５０の好ましい開放状態によって、第１チャネル５２から第２チャネル５４に運搬されるべき物質の通過が可能となる。ＴＲＳの衝合部７０から壁７２までの開放距離９２は、物質が通路を所望の物質運搬速度で通過できる程度に広くなっている。完全な開放状態では、開放距離９２は、少なくとも第２チャネル５４の距離８２と同程度に広いことが好ましい。しかしながら、バルブ５０は一部開放状態でも動作可能であり、その場合、開放距離９２は距離８２よりも小さいことは言うまでもない。
【００２９】
バルブ５０は、ＴＲＳ５６の閉鎖運動によってＴＲＳ衝合部７０が通路６８を横切って壁７２に接するように移動させたときに、通路６８を閉鎖するように動作する。閉鎖運動を生じさせるには、端部３０に作用する圧力を用いることが好ましい。この圧力は、ガス３２のような流体の膨張によって得られる。ガス３２の膨張を得るには、ガス３２と熱的に接触する熱源３６を作動させることによって、ガスの温度を上昇させることが好ましい。熱源３６は、バルブ５０を構成する基板と一体であることが好ましい。しかしながら、熱源は、動作中、基板を収容する補助デバイス内に配置可能であることは言うまでもない。
【００３０】
図４ａ及び図４ｂには、異なる開放動作を有するバルブ５０’が示されている。バルブ５０’の開放を行うには、通路６８’を遮断する塊状ＴＲＳ５６’の少なくとも一部の温度を変化させる。熱源３７’が、ＴＲＳ５６’と熱的に接触しており、これを作動させることによって熱エネルギを供給し、ＴＲＳ５６’を第１温度から第２の、好ましくはより高い温度に加熱する。第２温度は、ＴＲＳ５６’を溶融又は分散させることによって、通路６８’を開放するのに十分であることが好ましい。第２温度に加熱されるＴＲＳ５６’の部分は、通路６８’を開放するのに十分である。
【００３１】
リザーバ５５’に後退させる代わりに、少なくとも約３０％、好ましくは少なくとも約７５％、更に好ましくは約９０％のＴＲＳ５６’は、バルブ５０’から下流側にある、第２チャネル５４’に進入する。つまり、この形式のバルブ５０’は、ゲート型バルブであり、物質がリザーバに後退することによってバルブを開放するバルブ５０とは異なる。ＴＲＳ５６’が下流側チャネルに進入する際、ＴＲＳ５６’に対して過剰な上流圧力を加えることによって補助することが好ましい。上流圧力は、上流チャネルと流体連通するガス圧源を用いて供給することができる。
通路６８’の開放時にＴＲＳ５６’の少なくとも一部が下流側チャネルに進入するが、本発明のバルブ５０’のようなゲート型バルブは、一旦開放されると、閉鎖状態に戻すことができる。例えば、追加のＴＲＳをゲート・バルブに付随するリザーバから通路内に、少なくとも付随するリザーバを加熱することによって、流入させることができる。
【００３２】
熱源３７’は、第２チャネル５４’の下流側の長さ４５’を、分散又は溶融するＴＲＳが第２チャネル５４’を遮断するのを防止するのに十分な温度まで加熱するように構成することが好ましい。長さ４５’は、ＴＲＳ５６’によって遮断される通路６８’の長さの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％とする。熱源３７’は、下流チャネルの隣接部分の壁を加熱し、ＴＲＳ５６’を、度々、溶融又は分散するのに十分な温度にする。したがって、図４ｂに見られるように、分散又は溶融したＴＲＳ５６’の一部を、下流チャネルを遮断するには不十分なサイズを有するＴＲＳ５９’の小さな立体空間内で、下
流チャネル内部に残しておくことができる。また、ＴＲＳ５６’は、溶融することによってではなく、通路６８’を開放する物質で形成することもできる。例えば、代替実施形態の１つでは、遮断ＴＲＳは、粒子の凝集体で形成する。より高い温度への遷移時に、凝集された粒子が下流に分散することによって、バルブを開放する。
【００３３】
バルブ５０’は、リザーバ５５’を含み、ＴＲＳ５６’及び５７’を通路６８’及びリザーバ５５’にそれぞれ導入させることができる。ＴＲＳを通路６８’内に装荷するには、通路及びリザーバを、外部熱源等により加熱し、次いでＴＲＳをアクセス・ポート４０’に導入する。一旦ＴＲＳが通路を遮断したなら、直ちに外部熱源を取り除く。こうして、ＴＲＳ５６’は、バルブ５０’の通路６８’を遮断する。バルブ５０’は、バルブ５０と同様に動作し、上流側圧力に応答して漏洩を防止する。
【００３４】
熱源３７’を作動させるとき、リザーバ５５’内にあるＴＲＳ５７’の温度は、ＴＲＳ５７’を分散又は溶融する程の値まで上昇させないことが好ましい。こうすれば、ＴＲＳ５７’のほぼ全てがリザーバ５５’内に停留するので、アクセス・ポート４０’は通路６８’と流体連通しない。ＴＲＳ５７’の温度を低く保つには、ＴＲＳ５６’に加える熱の期間を制限し、通路６８’からのアクセス・ポート４０’の距離を増大することによって可能となる。
【００３５】
図５ａを参照すると、２つの下流側衝合部を有するバルブ１５０が閉鎖状態で示されている。バルブ１５０が閉鎖されていると、塊状感熱物質１５６が、第１及び第２チャネル１５２、１５４間の通路１６８を通じた物質の運搬を遮断する。ＴＲＳ１５６の第１衝合部１７０は、閉鎖バルブ１５０の壁１７２に衝合する。壁１７２は、第１対向壁部１７４を含み、これは中心軸１６０及び物質運搬経路１５８に対してある角度をなして配されている。感熱物質１５６は、バルブ１５０が閉鎖されたときに、第２対向壁部１７４に接触するように配された第２衝合部１７６を含む。ＴＲＳ１５６の第３衝合部２００は、バルブ１５０の対向壁部２０２に衝合する。対向壁部２０２は、中心軸１６０の対向壁部１７４とは逆側、好ましくはＴＲＳのリザーバ１５５に隣接して配されている。
【００３６】
衝合部１７６、２００及び壁面１７４、２０２は、ＴＲＳ１５６の上流部１８１に作用する圧力が下流部１７８に作用する圧力を上回るときに、バルブ１５０を通じた望ましくない漏洩を防止するように構成され配置されている。過剰な上流圧力によって、好ましくは、衝合部１７６及び２００をそれぞれ、対向壁部１７４及び２０２に向けて押圧することによって、バルブ１５０を一層確実に閉鎖する。２つの下流対向壁を設けたことによって、ＴＲＳ１５６が上流圧力に応答して歪む傾向を緩和する。
【００３７】
第１対向壁面１７４は、第１チャネル１５２の物質運搬経路１５８内に達する第１壁突出部１８０と一体であることが好ましい。突出部１８０は、第２対向壁部１８６及び外壁面１８８を含む。対向壁部２０２は、第２壁突出部２０４と一体となっている。第２壁突出部２０４も物質運搬経路１５８内に達している。突出部２０４は、第２対向壁部２０６及び外壁部２０８を含む。
【００３８】
外壁部１８８及び１９０間の距離１８２は、バルブ１５０から上流にある地点１６２における第１チャネル１５２の対向する壁間の対応する距離１８４よりも小さいことが好ましい。距離１８２は、上流側の距離１８４よりも、少なくとも１０％小さく、好ましくは少なくとも２０％小さく、更に好ましくは少なくとも３０％小さい。したがって、対向壁部１７４、２０２又は突出部１８０、２０４は、それらの間に絞りを形成する。絞りは、上流点１６２における断面積よりも小さい断面積を有する。突出部１８０及び２０４は、全体的に矩形として示すが、三角形や、円弧状表面を有する形状というようなその他の形状を有する突出部も使用可能である。
【００３９】
図５ｂを参照すると、バルブ１５０の開放状態が示されており、この場合、ＴＲＳ１５６はほぼ完全にリザーバ１５５内に後退して、通路１６８を開放することにより、第１及び第２チャネルの少なくとも一方から他方にバルブ１５０を通じた物質の通過が可能となる。完全な開放状態では、ＴＲＳの衝合部１７０から壁１７２までの開放距離１９２は、第２チャネル１５４の距離１８２と少なくとも同程度であることが好ましい。その場合、開放距離１９２は、距離１８２未満となる。先にバルブ５０について論じたように、バルブ１５０は、物質５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、繰り返し開放状態に再位置決めすることができる。
【００４０】
図６ａ及び図６ｂに見られるバルブ１５０’は、閉鎖状態に関しては、バルブ１５０の場合と同様に動作する。通路１６８’を開放する際は、バルブ１５０’は、バルブ５０’と同様に動作し、通路１６８’を遮断している塊状ＴＲＳ１５６’が分散又は溶融することによって、通路１６８’を開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ１５６’と熱的に接触している熱源３７を作動させることによって生じさせることが好ましい。
【００４１】
図７ａ及び図７ｂを参照すると、バルブ２５０は、第１及び第２対向壁部２７４、２８６を有する突出部２８０を含み、これらの壁部が協同して、上流及び下流圧力双方に応答して漏洩を防止する。閉鎖状態では、塊状感熱物質２５６がバルブ通路２６８を遮断することにより、第１チャネル２５２及び第２チャネル２５４間のいずれの方向においても物質の運搬を防止する。突出部２８０は、物質運搬経路２５８と整合しているＴＲＳ２５６の寸法２８７の中心に位置付けることが好ましい。突出部２８０は、ほぼ正方形であるように示したが、矩形、三角形、円弧形のように、任意の形状を有する突出部でも使用可能である。
【００４２】
ＴＲＳ２５６の第１衝合部２７６が、第１対向壁部２７４と衝合し、ＴＲＳ２５６の第２衝合部２７７が、第２対向壁部２８６と衝合する。第１及び第２衝合部２７６並びにそれぞれの対向壁部２７４、２８６は、大きな圧力がＴＲＳ２５６の第１側２７６又は第２側２７８のいずれかに加えられたときに、バルブ２５０を通じた物質の通過を実質的に防止する。例えば、第２側２７８に大きな上流圧力が作用すると、第２衝合部２７７を対向壁部２８６側に押圧することによって、バルブ２５０を一層確実に閉鎖する。バルブ２５０は、大きな上流圧力が第１側２８１に作用するときにも同様に応答する。つまり、バルブ２５０は、双方向バルブとして動作し、２つの流動方向のいずれからの大きな圧力にも応答して、漏洩を防止する。バルブ２５０を一層確実に閉鎖するためには、少なくとも第３の衝合部２７４がバルブ壁２７０に衝合する。バルブ壁２７０は、第１チャネル２５２の中心軸２６０と整合することが好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態では、物質運搬経路と整合した感熱物質の長さは、感熱物質によって遮断される通路の幅、及び上流チャネルの幅の少なくとも一方よりも広い。ここで用いる場合、長さという用語は、物質運搬経路に沿った距離のことをいい、チャネル又は通路の中心軸と整合していることが好ましい。幅という用語は、物質運搬経路又はそれを貫通する中心軸に対向するチャネル又は通路の大きい方の寸法のことを言う。例えば、図７ａを参照すると、ＴＲＳ２５６の寸法即ち長さ２８７は、通路２６８の幅２８９及び第１チャネル２５２の幅２８４よりも大きい。リザーバ２５５の寸法即ち幅２９１は、少なくとも長さ２８７と同程度であることが好ましい。ＴＲＳ２５６の寸法２８７は、第１チャネル２５２の幅２８４の少なくとも１５％、好ましくは少なくとも２５％、更に好ましくは少なくとも３０％である。
【００４４】
図７ｂを参照すると、バルブ２５０の開放状態が示されており、この例では、ＴＲＳ２
５６は、リザーバ２５５内にほぼ完全に後退し、通路２６８を開放することにより、バルブ２５０を通じた物質の通過を可能とする。ＴＲＳ２５６は、ほぼ完全にリザーバ２５５内に後退しており、下流方向に分散したり、通路２６８内に残留していないので、衝合部２７６、２７７は、突出部２８０の窪み形状を呈し続けることができる。
【００４５】
ＴＲＳ２５６から突出部２８０までの最小開放距離２９２を十分大きく取り、物質が所望の物質運搬速度で通路を通過できるようにする。図７ｂは、完全に開放状態のバルブ２５０を示すが、バルブ２５０は部分的開放状態にも動作可能であることは言うまでもなく、その場合、第３衝合部２７２が、壁２７０と衝合する完全閉鎖位置と、第１チャネル壁２７３と実質的に整合する完全解放位置との間の中間に配される。先に論じたように、バルブ２５０は、物質２５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、繰り返し開放状態に再位置決めすることができる。
【００４６】
図８ａ及び図８ｂに示したゲート・バルブ２５０’は、バルブ２５０と同様に動作してバルブを閉鎖する。通路２６８’を開放する際は、バルブ２５０’はバルブ５０’と同様に動作して、通路２６８’を遮断している塊状ＴＲＳ２５６’が分散又は溶融し、下流チャネルに流入することによってバルブを開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ２５６’と熱的に接触している熱源３７を作動させて行われることが好ましい。参照番号２５２’、２５４’、２５７’、２６０’、２７２’、２７４’、２７７’、２８０’及び２８６’によって特定される要素は、本明細書の他の部分に記載される類似の要素と同様に説明されるものである。
【００４７】
図９ａを参照すると、バルブ３５０は、第１チャネル３５２の物質運搬経路３６０内には達しない対向壁部３７４を含む。閉鎖状態では、塊状感熱物質３５６が通路３６８を遮断する。ＴＲＳ３５６の第１衝合部３７６が、第１対向壁部３７４に衝合する。ＴＲＳ３５６の第１面３７６に大きな上流圧があると、第１衝合部３７６を第１対向壁部３７４に向けて押圧することにより、バルブ３５０を一層確実に閉鎖する。
バルブ３５０は、第２対向壁部３８６を含むことが好ましく、この第２対向壁部３８６も物質運搬経路３６０内には達していない。第１及び第２対向壁部３７４、３８６は、互いに対向しているので、バルブ３５０は双方向バルブとして動作する。したがって、ＴＲＳ３５６の第２面３７８に大きな上流圧力があると、ＴＲＳ３５６の第２衝合部３７７を第２対向壁部３８６に向けて押圧する。
図９ｂに示したバルブ３５０の開放状態では、ＴＲＳ３５６はリザーバ３５５内に後退することによって通路３６８を開放し、これにより物質の通過が可能となる。
【００４８】
図１０ａ及び図１０ｂに示したゲート・バルブ３５０’は、バルブ３５０と同様に動作して閉鎖する。通路３６８’を開放する際は、バルブ３５０’はバルブ５０’と同様に動作し、通路３６８’を遮断している塊状ＴＲＳ３５７’が分散又は溶融することによってバルブを開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ３５７’と熱的に接触している熱源３７を作動させて行われることが好ましい。好ましくは、ＴＲＳ３５７’のほぼ全てが、バルブ３５０’から下流側にある第２チャネル３５４’に流入する。
【００４９】
図１１ａ〜図１１ｄを参照すると、毛細管補助装荷(capillary assisted loading)を行うように構成した表面５００を有するバルブ４５０の一実施形態が示されている。バルブ４５０は、第１及び第２チャネル４５２、４５４間に通路４６８を規定する。感熱物質は、説明の明確化のために図１１ａ〜図１１ｃには示していないが、先に論じたように、バルブを開放及び閉鎖するように動作する。一実施形態では、例えば、バルブ４５０の開放は、ＴＲＳのリザーバ４５５への後退運動からなる。好適な実施形態では、通路４６８の開放は、ＴＲＳの分散又は溶融からなり、ＴＲＳは少なくとも１つの下流チャネルに流入することによって、通路４６８を開放する。
【００５０】
装荷面５００は、ＴＲＳが通路４６８に進入するときに、チャネル４５２、４５４に流
入するＴＲＳの量を制限するように構成されている。通路４６８と第１チャネル４５２との間にある開口５１５により、断面積５１６が規定される。この断面積は、第１チャネル４５２内部の隣接する断面積５１８よりも少なくとも４０％小さく、好ましくは少なくとも５０％小さい。同様に、通路４６８と第２チャネル４５４との間にある開口５２０の断面積は、第２チャネル４５４内の隣接する断面積よりも小さいことが好ましい。
【００５１】
通路開口の断面縮小は、通路の高さを減ずることによって得ることが好ましい。ここで用いる場合のチャネル又は通路の高さとは、チャネル又は通路の最も小さい寸法のことを言う。例えば、装荷面５００及び対向面５０４間の距離５０２はそれぞれ、第１及び第２チャネル４５２及び４５４の対向面間の対応する距離５０６及び５０７よりも小さい。距離５０２は、距離５０６、５０７よりも少なくとも４０％、好ましくは少なくとも５０％、そして、最も好ましくは少なくとも６５％小さい。
【００５２】
ＴＲＳを通路４６８内に装荷するには、リザーバ及び通路４６８を十分に加熱し、ＴＲＳが内部で運動できるようにする。ＴＲＳは、アクセス・ポート４０を通じて導入される。毛細管作用によって、ＴＲＳを通路４６８内に引き込む。しかしながら、第１及び第２開口５１５及び５２０に到達すると、通路４６８内のＴＲＳは、低い方の断面積開口から第１及び第２チャネル４５２、４５４に移動する際に表面積の拡張に抵抗するＴＲＳの表面張力によって生ずるような抵抗を受ける。したがって、図１１ｄに示すように、装荷面５００は、バルブの通路を遮断するには十分であるが、隣接するチャネル４５２及び４５４に流入するには不十分な量のＴＲＳの導入を可能にする。
バルブ４５０は、前述した対向壁部のような、少なくとも１つの対向面を含み、バルブが閉鎖するときにいずれかのチャネルに存在する過剰圧力に応答して漏洩を防止することができる。
【００５３】
図１２ａ〜１２ｃを参照すると、バルブ１００１は、通路１００４からリザーバ１００２内にまで達する装荷面１０００を有する。説明の明確化のために、熱源及びバルブ１００１に付随するＴＲＳは、図１２ａには示されていない。バルブ１００１は、第１及び第２チャネル１００６、１００８、及び突出部１０１０を含む。突出部１０１０は、幅Ｗ１だけ通路１００４内に迫り出しており、通路の幅Ｗ３が第１及び第２チャネル１００６、１００８の幅Ｗ２よりも狭くなっている。幅Ｗ３は、幅Ｗ２の約５０％というように、幅Ｗ２の約２５％から約７５％であることが好ましい。第１及び第２チャネル１００６、１００８の幅は同一であることが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。しかしながら、第１又は第２チャネルの一方を広くすると、その高さを対応して減少させなければならない。リザーバの幅Ｗ４は、第１及び第２チャネルの幅Ｗ２よりも広くすることも、狭くすることも可能である。
【００５４】
装荷面１０００は、通路１００４及びリザーバ・チャネル１００２の装荷部１０１２の高さを削減する。好ましくは、通路１００４及び装荷部１０１２の高さは、第１及び第２チャネル１００６、１００８の高さ、並びにリザーバ１００２の遠端部１０１４の高さの約５０％というように、これらの高さの約２５％〜約７５％である。
バルブ１００１に装荷するには、ＴＲＳの先端が装荷面１０００の縁１０１６に達するまで、ある量のＴＲＳを孔１０１５を通じて導入する。縁１０１６に達すると、毛細管作用がＴＲＳを装荷部１０１２及び通路１００４内に引き込む。第１及び第２縁１０１７及び１０１８に達すると、表面張力によって、ＴＲＳが第１及び第２チャネル１００６、１００８に流入するのを防止する。図１２ｂに示すように、ＴＲＳの一部が突出部１０１０の表面に接触すると、バルブは閉鎖状態となり、第１及び第２チャネル１００６、１００８間の物質の通過を防止する。
【００５５】
バルブ１００１を開放するには、通路１００４を遮断しているＴＲＳの温度を上昇させ
、通路１００４を遮断しているＴＲＳの少なくとも一部が分散又は溶融して、第１及び第２チャネル１００６、１００８の少なくとも一方に流入することができるのに十分な温度とする。温度が上昇したならば、空気又は液体の圧力等が、第１及び第２チャネルの一方から、チャネルを遮断しているＴＲＳを変位させることが好ましい。開放動作の間、リザーバ内のＴＲＳの温度は、ＴＲＳを分散又は溶融するのに十分な値まで上昇させないことが好ましい。バルブ１００１は、リザーバ１００２内にあるＴＲＳを加熱することによって、閉鎖状態に戻すことができる。毛細管作用がＴＲＳを通路１００４に引き込むのは、先に論じた通りである。
【００５６】
バルブ１００１は、ある量のＴＲＳがリザーバ１００２の遠端部に残っている限り、繰り返し開放及び閉鎖することができる。リザーバの遠端部にあるＴＲＳの量は、通路を開放するときに分散したＴＲＳの量よりも多いことが好ましい。好ましくは、分散したＴＲＳは、第１及び第２チャネルの一方に流入する。リザーバの遠端部にあるＴＲＳの量は、ＴＲＳが通路１００４を完全に再閉鎖することを確保するためには、装荷部にあるＴＲＳの量よりも多いことが好ましい。
【００５７】
リザーバ１００２の遠端部１０１４内にあるＴＲＳの遠端の平均曲率半径（ＭＲＣ）は、装荷部１０００内又は通路１００４内にあるＴＲＳの近端のＭＲＣよりも大きいことが好ましい。遠端とは、通路１００４から離間したＴＲＳの部分を意味し、近端とは、通路１００４に隣接するか、あるいはその内部にあるＴＲＳの部分を意味する。好ましくは、ＴＲＳの装荷部の壁との接触角度は、ほぼ一定とする。
また、バルブ１００１は、図１１ａ〜図１１ｄに示すような対向面も含み、バルブが閉鎖状態にあるときに、物質の通過を防止するのに役立てるようにすることができる。また、バルブ１００１は、毛細管補助装荷バルブとして構成しないことも可能であり、その場合装荷面１０００は設けられない。
【００５８】
チャネル幅は一定である必要はない。したがって、幅が変化するチャネルも使用することができる。ＴＲＳが所定の方向に移動する傾向は、ドロップ(drop)の前面の平均曲率半径と、ドロップの背面の曲率半径との間の比率によって統制される。これらの曲率は、流体の物質との接触角度及びチャネルの寸法に基づく。
【００５９】
図１に戻って、マイクロフルイディック・システム７００の構造及び動作について更に詳細に説明する。基板７０１内に規定されているチャンバ７０４は、内部の物質を用いて少なくとも１つの化学的又は物理的プロセスを実行するように構成することが好ましい。物質には、例えば、流体、セルのような粒子、ＤＮＡ、ビールス、及び粒子含有流体のようなサンプル及び試薬が含まれる。一実施形態では、チャンバ７０４は、サンプルを試薬と混合し、化学反応を容易に起こさせるように構成することができる。あるいは、チャンバ７０４は、サンプルを濃縮又は希釈するように構成することもできる。ＰＣＲ増幅、濾過等のようなその他のプロセスも可能である。尚、チャンバ７０４は、チャネルと同じ寸法を有することができる。
【００６０】
出口チャネル７１０が、チャンバ７０４から過剰なサンプル又は試薬物質を除去する出口として設けられている。チャンバ７０４の動作の間、バルブ７１２を開放状態で動作させ、物質がチャネル７１０を通って、チャンバ７０４から退出できるようにする。好ましくは、チャネル７１０は、フィルタのような通過部材(flow through member)を含み、選
択した物質のみを、チャネル７１０を通ってチャンバ７０４から排出できるようにする。バルブ７１４は、チャンバ７０４内の物質が下流チャネル７１６に流入するのを防止する。バルブ７１８は、チャンバ７０４内の物質を機内圧力源(on-board pressure source)７２０に流入するのを防止する。機内圧力源７２０は、先に論じたような、熱作動型とすることが好ましい。圧力源７２０は、十分なガス圧力及びガス体積を供給し、チャンバ７０
４内にある物質を下流チャンバ７１６内に導入させるようにすることが好ましい。
【００６１】
チャンバ７０４内で行われる何らかのプロセスの完了時に、バルブ７１２を閉鎖して、いずれの物質をもチャネル７１０を通じてチャンバ７０４から出ることを防止する。物質を下流チャネル７１６に流入させるために、圧力源７２０並びにバルブ７１４及び７１８に付随する熱源を作動させることによって、双方のバルブを開放する。バルブ７１４の通路を通して物質を下流チャネル７１６に運搬し、分析又は次の処理を行う。下流処理チャンバは、好ましくは、バクテリア細胞等の細胞を溶解させるチャンバを含むことが好ましい。バクテリアの例には、グループＢ連鎖球菌属、及びバクテリア髄膜炎に関連するバクテリアが含まれる。当技術分野では公知であるが、細胞を界面活性剤及び／又は緩衝剤のような、溶解剤と接触させることによって細胞を溶解し、その中の核酸を放出することができる。このように、本システムには、チャネルによって溶解チャンバに接続されている緩衝剤のリザーバを備えることが好ましい。第２下流処理チャンバは、溶解した細胞から放出された核酸に対してＰＣＲ反応を実行するように構成することが好ましい。ＰＣＲチャンバは、核酸の増幅を容易にするのに適した酵素や緩衝剤のような試薬を導入するように構成されたチャネルによって、合体されている。
【００６２】
ここでは、バルブの開放及び閉鎖は、コンピュータ制御の下で自動的に行うことが好ましい。システム７００は、バルブ、ヒータ、処理チャンバ、バルブ状態を検出するセンサ等のような、種々の機内システム・エレメントとの電気的又は光学的通信を可能にする接点７２２を含むことが好ましい。熱的に作動するバルブを動作させるための好ましいコンピュータ制御システム及び方法は、２００１年３月２８日に出願された米国特許出願第０９／８１９，１０５号に開示されている。その内容全体は、本願にも含まれることとする。
【００６３】
チャンバやバルブのような基板を規定するエレメントは、シリコン、クオーツ、ガラス、及びポリマ材等の物質であれば、そのいずれでも形成することができる。基板は、均質であってもよく、また、接合したクオーツ・カバーを有するシリコン基板のように、１つ以上のエレメントを互いに接合して形成することもできる。カバー及び基板は、バルブ、通路、チャネル、ヒータを含むシステムの構造と共に、微細加工によって製作される。微細加工には、フォトリソグラフィのような製造技法、それに続く化学エッチング、レーザ研磨、直接刻印、ステレオ・リソグラフィ、及び射出成形が含まれる。例えば、好ましいマイクロフルイディック・システムは、１又は複数の環状オレフィンからなる基板の射出成形によって製造する。
【００６４】
図１中の挿入図を参照すると、バルブ７１４は、上流及び下流チャネル１０３０、１０３１、及びリザーバ１０３２を含む。説明の明確化のため、バルブ７１４に付随するＴＲＳは図示されていない。バルブ７１４は、突出部１０３４、及び通路１０３５に伴う対向面１０３３を含む。
【００６５】
図１３ａ〜図１３ｄを参照すると、本発明のシステムを微細加工する際に用いるのに適したフォトリソグラフ・マスクが示されている。フォトリソグラフィは、マイクロフルイディック・システムを製作する一手法を提供する。フォトリソグラフィック・プロセスの一例は、クロム及び金の少なくとも一方のような金属を基板上に堆積することから開始される。蒸着又は電子ビーム・スパッタリングのような技法を用いて、金属層を堆積することができる。チャネル、通路、及びバルブ・エレメントを製作するのに好ましい基板は、厚さ５００ミクロンのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社製７７４０パイレックス（登録商標）・ウエハである。このウエハに、スピン・コーティング等により、フォトレジスト層を被覆する。微細加工するエレメントを示すフォトリソグラフィック・マスク９５０をパターンとして用いる。マスクを適所に配して、基板を光源に曝しレジストを現像する。パターニ
ングによって、レジストを基板の区域から除去し、基板にエッチングを行う。
【００６６】
酸のようなエッチング材を用いて、レジストが除去されている基板の領域を保護する金属層を除去する。得られた基板の無保護区域を、好ましくは約５０ミクロンの深さまで、緩衝されたフッ化水素酸のようなエッチング材を用いてエッチングする。一旦エッチングが完了したなら、残留するレジスト及び金属を除去する。孔を穿設し、前述のような感熱物質の導入を可能にする。
【００６７】
ヒータ・エレメントは、厚さ５００ミクロンのクオーツ・ウエハのような第２基板上に製作することが好ましい。厚さ２５００オングストロームのアルミニウム層のような金属を基板上に堆積し、次いで、レジスト層で被覆する。レジストを除去した基板の区域から、エッチング等により、アルミニウムを除去する。続いて、残留するレジストを剥離して除去する。
低温酸化物層を、基板上に堆積する。クロム−金層のような金属層を、酸化物層の上に堆積する。金属層にレジストを被覆し、第３マスク９５４を用いてパターニングする。第３マスク９５４は、貫通部材を受容する凹陥となるパターンを規定することが好ましい。クロム金層をエッチングして、凹陥を形成する。
【００６８】
水性フッ化水素酸／硝酸混合物のようなエッチング材を用いて、低温酸化物を約１００ミクロンの深さまでエッチングする。レジスト及びクロム金層を除去する。続いて、酸化物層にレジスト層を被覆し、第４マスク９５６を用いてパターニングする。第４マスク９５６は、システムに対する電気接点のパターンを規定することが好ましい。緩衝されたフッ水素酸のようなエッチング材を用いて、露出している酸化物をエッチングして完全に除去する。チャネルの位置となるところに直接対向して、第２基板を貫通する孔を穿設する。当技術分野では周知のように、第１及び第２基板を互いに接合する。
【００６９】
本発明のシステムを製作するステレオリソグラフィック手法は、試作の効率及びマイクロフルイディック・デバイスの製造における効率を向上させる。高い分解能（約０．００４”のスポット・サイズ）のステレオリソグラフィでは、チャネル設計を迅速に作業システム内に形成することが可能である。時間の節約、コスト削減、及びステレオリソグラフィの柔軟性によって、より多くの設計の検査を一層迅速に、しかもこれまでよりも費用をかけずに行うことが可能となる。
【００７０】
従来のステレオリソグラフィ・デバイスが用いていたエポキシ系樹脂は、マイクロフルイディック・デバイスでは一部の使用には余り適していない。これらは高温に耐えることができず、流体を（ゆっくりと）吸収し、励起源の下では蛍光性であり、光学的に透明ではない。これらの特性は、基本的な流体工学検査には障害とならないが、デバイス機能性の総合的な検査や製造には障害となり、特性がもっと強健な物質、及びそれを形成する方法が必要である。Ｔｏｐａｓ５０１３のような、Ｔｏｐａｓと呼ばれるＴｉｃｏｎａ社（Ｃｅｌａｎｅｓｅ Ａ．Ｇ．の子会社）から発売されている物質系を用いることができる。Ｔｏｐａｓ材は、射出成形プロセスによって形成される。この目的のための半成形体は、ステレオリソグラフィによって生成される。これによって、成型品を作成するのに通常必要な先行期間が短縮する。奥行き(run)が短い部品には、この方法は効果的に機能する
。奥行きが長い場合、鋼鉄の成型品を作成するのが好ましい。射出成形部品は、フォトリソグラフィック・プロセスによってガラスやクオーツ内に作成する部品に対して、劇的なコスト節約をもたらす。
【００７１】
以上、本発明についてある好適な実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるのではないことに留意されたい。したがって、当業者であれば、これら好適な実施形態の変形を案出することができ、それらは本発明の技術思想の範囲に入る
ものであり、その範囲は特許請求の範囲に規定されている通りである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロフルイディック・システムを用いてサンプルを操作するための方法及び構成部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフルイディック・システムは、寸法がナノメートルから１００μｓ程度で、協同して種々の所望の機能を実行する構造を有するデバイスを含む。即ち、マイクロフルイディック・デバイスは、化学的分析又は物理的分析を行う場合のような、材料分析機能や操作機能を行う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マイクロフルイディック技術の一種に、物質の連続的な流動ストリームに加えて、サンプルや試薬のような、離散量の物質の操作を可能にするものがある。このようなデバイスは、例えば、２０００年５月２日に発行され、"Microscale Devices And Reactions In Microscale Devices" （マイクロスケール・デバイス及びマクロスケール・デバイスにお
ける反応）と題する米国特許第６，０５７，１４９号、２０００年４月１１日に発行され、"Thermal Microvalves in a Fluid Flow Method"（流体流動法における熱微小バルブ）と題する米国特許第６，０４８，７３４号、及び２０００年１０月１０日に発行された米国特許第６，１３０，０９８号に開示されている。これらのデバイスでは、ガス圧力のような機動力を用いて、物質をデバイスのある領域から別の領域に推進させる。例えば、サンプルを処理チャンバまで推進又は牽引し、処理チャンバ内で、同様にチャンバ内に持ち込まれた試薬と反応させることができる。各デバイスは、他に多くのチャンバ又はチャネルを有することができ、これらが処理チャンバと交差するので、バルブを用いることによって、デバイスの１つの領域にある物質を、デバイスの別の領域から隔離することができる。理想的なバルブの場合、閉鎖すると漏れを防止し、過剰な圧力が閉鎖中のバルブに作用しても閉鎖したままとなっている。
この章又は本願のいずれの章においても、いずれの参考文献の引用又は特定も、このような参考文献が本発明に対する従来技術として使用可能であるとは解釈しないこととする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、マイクロフルイディック・システムにおいて使用するバルブに関し、このバルブは、通路によって合流する上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板を備えている。この通路は、第１表面を備え、感熱物質質（ＴＲＳ）が配されており、バルブが閉鎖状態にあるとき、通路を実質的に遮断する。上流チャネル内にある圧力が、第１表面に対抗してＴＲＳの少なくとも一部を推進する。好ましくは、通路は、中心軸を規定し、第１表面を中心軸に対してある角度をなすように配置する。通路を開放すると、ＴＲＳの少なくとも一部が溶融し、下流チャネルに流入することができる。
【０００５】
一実施形態では、バルブは更に、ＴＲＳと熱的に接触している熱源を備えており、この熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって、通路を開放する。
通路は更に、縦横軸に対して第２角度をなしている第２表面も備えることができる。通路を遮断するＴＲＳの少なくとも第２部分が、第２表面と接触する。第１及び第２表面は通路に迫り出していてもよい。第１及び第２表面は、それらの間に絞りを形成する。
【０００６】
本発明の別の実施態様は、マイクロフルイディック・システム用のバルブの生産方法に関し、マイクロフルイディック・システムの上流チャネル及び下流チャネルを合流させる通路を規定する基板を設けることを含む。通路は、保持面を備えており、塊状の感熱材（ＴＲＳ）を通路に導入する。バルブが閉鎖状態にあるとき、上流チャネル内の圧力がＴＲＳを保持面に向けて押圧する。
【０００７】
本発明の更に別の実施形態は、マイクロフルイディック・システム用のバルブの生産方法に関し、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネルを合流させる通路を規定する基板を設け、塊状の感熱物質（又は感温物質）（ＴＲＳ）を、通路に隣接するリザーバ・チャネル内に導入することからなる。毛細管作用によって、ＴＲＳを通路内に引き込み、ＴＲＳの表面張力によって、通路内のＴＲＳが上流又は下流チャネルに流入するのを実質的に防止する。
【０００８】
本発明の一実施形態は、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネル間に通路を設けるバルブに関する。このバルブは、感熱物質（ＴＲＳ）を備えており、第１温度において、ＴＲＳが通路を遮断するように配し、第２温度において、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することにより、通路を開放する。
通路を遮断するＴＲＳの少なくとも約７５％は、通路の解放時に、下流チャネルに流入することができる。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムの上流及び下流チャネル間に通路を設けるためのバルブに関する。このバルブは、通路を実質的に遮断するように構成された感熱物質（ＴＲＳ）と、ＴＲＳと熱的に接触して配置された熱源とを備え、熱源の作動時に、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することによって、通路を開放する。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムに関し、処理チャンバ、ソース・チャネル、及び下流チャネルを規定する基板であって、ソース・チャネルが第１地点において処理チャンバと合流し、下流チャネルが第２遅延において処理チャンバと合流する、基板と、処理チャンバと下流チャネルとの間で通路を遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）と、ＴＲＳと熱的に接触している熱源であって、該熱源の作動時に、ＴＲＳの少なくとも一部が下流チャネルに流入することによって、通路を開放する、熱源とを備えている。
【００１１】
本発明の別の態様は、マイクロフルイディック・システムにおいて用いるためのバルブに関し、通路によって合流させた上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板と、通路を実質的に遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）とを備えており、通路を遮断するＴＲＳの長さは、通路に隣接する上流チャネルの幅よりも大きい。熱源が、ＴＲＳと熱的に接触しており、該熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって通路を開放する。
【００１２】
本発明の別の実施形態は、マイクロフルイディック・システムにおいて用いるためのバルブに関し、通路によって合流させた第１及び第２チャネルを規定する基板であって、第１チャネル及び通路がそれらの間に開口を規定する、基板と、通路を実質的に遮断するように配された感熱物質（ＴＲＳ）であって、開口の高さが、開口に隣接する第１チャネルの高さよりも低く、毛細管作用によってＴＲＳを通路に引き込み、ＴＲＳの表面張力によって、当該ＴＲＳが第１又は第２チャンバに流入するのを実質的に防止するようにした、感熱物質と、ＴＲＳと熱的に接触している熱源であって、当該熱源の作動時に、ＴＲＳの開放運動によって通路を開放する、熱源とを備えている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明によるマイクロフルイディック・システムを示す図である。
【図２ａ】本発明のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図２ｂ】図２ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図３ａ】図２ａのバルブの斜視断面図である。
【図３ｂ】図３ａの断面３ｂに沿った断面図である。
【図４ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図４ｂ】図４ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図５ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図５ｂ】図５ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図６ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図６ｂ】図６ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図７ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図７ｂ】図７ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図８ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図８ｂ】図８ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図９ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図９ｂ】図９ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図１０ａ】本発明の別のバルブの閉鎖状態を示す図である。
【図１０ｂ】図１０ａのバルブの開放状態を示す図である。
【図１１ａ】本発明の別のバルブの上面図である。
【図１１ｂ】図１１ａのバルブの側面図である。
【図１１ｃ】図１１ａのバルブの斜視切欠図である。
【図１１ｄ】図１１ａのバルブの斜視切欠図である。
【図１２ａ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１２ｂ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１２ｃ】本発明の毛細管補助負荷バルブの上面図である。
【図１３ａ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｂ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｃ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【図１３ｄ】本発明によるシステムを製造するのに適したフォトリソグラフ・マスクを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、マイクロフルイディック・システム用に改良したバルブ、及びこの改良したバルブを備えたマイクロフルイディック・システムに関する。図１を参照すると、本発明のマイクロフルイディック・システム７００は、サンプルや試薬のような少量の物質を用いて分析を行うように構成されている。この物質は、システムの異なる領域間で運搬することができる。異なる領域とは、例えば、チャンバ、チャネル及び通路が含まれ、これらについては、以下で論ずることにする。マイクロフルイディック・システム７００の重要な特徴の１つは、その異なる領域間における物質の通過を調整できることにある。例えば、システム７００は、物質導入チャネル７０２とチャンバ７０４との間で物質の通過を調整するバルブ７０６を含む。バルブ７０６が開放しているとき、物質をチャンバ７０４に導入し、物質を濃縮、希釈、混合、又は反応させることによって、処理することができる。一旦所望量の物質を導入したならば、バルブ７０６を閉鎖して、チャネル７０２に沿って余分な物質が流入するのを実質的に防止することができる。バルブ７０６は、多用途バルブとして動作し、性能を低下させることなく、開放及び閉鎖状態の間で切り換えることができる。
【００１５】
このような多用途バルブ５０の一実施形態を図２ａ及び図２ｂに示す。バルブ５０は、第１チャネル５２と第２チャネル５４との間で物質の通過を調整する。バルブ通路６８は、バルブを介してチャネルを接続する。図２ｂの開放状態では、ＴＲＳ５６がバルブ・リザーバ５５内に後退しているので、一方のチャネルから他方のチャネルに物質を通過させることができる。図２ａの閉鎖状態では、塊状感熱物質（ＴＲＳ）５６が実質的に通路６８を遮断する。バルブが閉鎖すると、チャネル５２、５４間の物質の通過が妨げられる。
【００１６】
バルブ開放動作は、好ましくは、熱源３７を作動させてＴＲＳ５６を加熱することによってＴＲＳ５６を軟化させる等、その物理的又は化学的特性を変化させることを含む。冷却部３６が、ＴＲＳ５６の端部３０に接触して捕獲されたガス３２を冷却する。その結果、ガス３２は収縮し、端部３０に作用する圧力が減少し、軟化したＴＲＳ５６をリザーバ５５内に後退させる。バルブ５０を閉鎖するには、ガス３２を加熱し、ガスを膨張させることによって、端部３０に作用する圧力を高め、ＴＲＳ５６を通路６８全域に膨張させる。
【００１７】
本発明のバルブの好適な実施形態では、バルブ通路を遮断するＴＲＳに過剰な圧力が作用しても、バルブからの漏洩を防止するように構成した１つ以上のエレメントを含む。過剰な圧力が発生するのは、バルブの一方側に存在する圧力が、他方側に存在する圧力より
も大きいときである。例えば、過剰な上流圧力は、上流チャネルからバルブの上流側に作用する圧力が、下流チャネルからバルブの下流側に作用する圧力よりも大きいことを意味する。この少なくとも１つのエレメントは、好適には、物質運搬通路に対向して配置された表面である。物質運搬経路は、開放状態のバルブを通過する物質が進む経路のことである。バルブが閉鎖すると、過剰な上流圧力は、対向する表面に向けてＴＲＳを押圧し、遮断された通路を通じた漏洩を引き起こすことはない。
【００１８】
図２ａに戻り、通路６８を遮断するＴＲＳは、リザーバ５５からバルブ壁７２まで膨張する。リザーバ５５は、ある量のＴＲＳ５７を含み、通路６８からずれているので、ＴＲＳ５７はバルブを通る物質の経路を邪魔しない。リザーバ５５は、好ましくは、通路の中心軸６０に対してバルブ壁７２とは逆側に配置する。ＴＲＳ５６の少なくとも第１衝合部(abutting portion)７０が壁７２に衝合する。ここで用いる場合、「衝合する」とは、ＴＲＳの衝合部と閉鎖したバルブの壁との間に空間が残っていても、液体のような物質の通過を実質的に防止する程に小さいことを意味する。好ましくは、壁に衝合するＴＲＳの部分は、壁に接触し、それらの間の空間を本質的に排除する。
【００１９】
壁７２は、通路の中心軸６１に対してある角度をなして配置することが好ましい、第１対向壁部７４を含む。バルブ５０が閉鎖すると、ＴＲＳ５６の第２衝合部７６が、第１対向壁部７４に衝合する。第２衝合部７６及び第１対向壁部７４は、ＴＲＳ５６の上流部８１に作用する圧力が、ＴＲＳ５６の下流部７８に加えられる圧力を上回るときでも、バルブ５０を通じた物質の通過を実質的に防止する。過剰な上流圧力は、第２衝合部７６を対向壁面７４に対して押圧することによって、バルブ５０を一層緊密に閉鎖する。対向壁部がないと、過剰上流圧力は、バルブ通路を遮断するＴＲＳの形状を歪ませ、バルブを通じた物質の漏れという望ましくない事態を招く可能性がある。
【００２０】
第１対向壁部７４は、通路６８を通過する物質が取る経路内に達する壁突出部８０と一体であることが好ましい。こうすると、上流側断面区域６６を通じて通路６８に進入する少なくとも一部の物質は、突出部８０に沿って通過しなければならない。例えば、図３ａ及び図３ｂは、上流点６２から通路６８に入る物質運搬経路６３が、対向壁部７４によって遮断されていることを示す。一般に、物質運搬経路は、サンプルや試薬のような物質が、上流位置から下流位置に進行する際に取る経路である。特定のバルブに関して、上流及び下流という用語は、バルブを介した物質運搬の好ましい方向に関連する。しかしながら、バルブは、バルブの下流側から上流側への物質の通過を、許可又は妨害するように動作可能であることは言うまでもない。
【００２１】
突出部８０は、第２対向壁面８６及び外壁８８を含む。第２チャネル５４の壁９０が、中心軸６１に対して外壁８８とは逆側に配されている。突出部８０が壁７２を超えて延出しているので、外壁８８と壁９０との間の距離８２は、上流点６２における第１チャネル５２の対向する壁間の対応する距離８４よりも小さくなっている。下流側の距離８２は、上流側の距離８４よりも、少なくとも１０％小さく、好ましくは少なくとも２０％小さく、更に好ましくは３０％小さい。したがって、突出部８０及び壁９０は絞りを構成し、下流側物質運搬経路５９の断面積６７は、上流側物質運搬経路５８の断面積６６よりも小さい。バルブに隣接した下流側断面積の方が小さいため、バルブ５０の容量が増大し、上流側圧力の上昇にも耐えて、過剰な漏洩を生ずることもない。また、突出部８０の存在のために、第２チャネル５４の中心軸６１が第１チャネル５２の中心軸６０からずれている。突出部８０は概略的に矩形状に示しているが、三角形又は円弧状面を有する形状というような、その他の形状を有する突出部を用いることもできる。
【００２２】
バルブ５０は、ＴＲＳ５６の温度が第１から第２の、好ましくは高い方の温度に変化すると、通路６８を開放又は閉鎖するように動作する。ＴＲＳ５６及び５７の少なく共一部
と熱的に接触している熱源４７の作動によって、十分な熱エネルギが供給され、ＴＲＳの加熱部分の物理的又は化学的特性を変化させる。好ましくは、特性の変化は、少なくともＴＲＳ５６の通路６８に対する運動を可能にする程度の軟化又はサイズの縮小である。バルブ５０は、物質５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、開放状態及び閉鎖状態の間で繰り返し切り換えることができる。
【００２３】
感熱物質（ＴＲＳ）とは、第１温度から第２の異なる温度への遷移に際して、少なくとも１つの物理的又は化学的特性の変化を呈する物質のことを言う。バルブの通路を遮断する塊状ＴＲＳは、本質的に中実の塊状体、又は協同して通路を遮断する小さな粒子の凝集体とすることができる。ＴＲＳの例には、はんだ、ワックス、ポリマ、プラスチック、及びそれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定される訳ではない。好ましくは、前述の特性は、硬度の低下又はサイズ縮小の少なくとも一方である。例えば、一実施形態では、ＴＲＳは、第１温度からより高い第２温度への遷移に際して溶融する。溶融するＴＲＳは、溶融可能物質であり、例えば、ワックス（例えば、オレフィン）又は共晶合金（例えば、はんだ）が考えられる。第１及び第２温度は、近くにある電子部品やデバイスの基板のような物質に損傷を与える程高くないことが好ましい。第２温度は、好ましくは、４０゜〜９０℃であり、最も好ましくは５０゜〜７０℃である。
【００２４】
好適な実施形態では、ＴＲＳは、溶融時に分散せず、単に軟化するだけである。代替実施形態では、ＴＲＳは、遮断される通路を形成する物質とは異なる熱膨張係数を有する物質である。通路及びＴＲＳを加熱又は冷却することにより、ＴＲＳは通路に対して膨張又は収縮する。収縮状態では、ＴＲＳはチャネルに進入したりチャネルから後退するように作動することができる。これについては以下で説明する。
【００２５】
通路という用語は、バルブが完全に閉鎖されているときに、塊状ＴＲＳによって遮断されるバルブ内部の領域のことを言う。バルブが完全に開放している場合、通路は、液体のような物質がバルブを通じて上流位置から下流位置に通過できる領域となる。したがって、バルブ・リザーバの表面は通路の一部ではない。何故なら、通路内の物質をリザーバ内に流入させないことが好ましいからである。「塊状ＴＲＳ」とは、バルブ通路を実質的に遮断することによって、バルブを通じた物質の通過を実質的に防止するのに十分な量のＴＲＳのことを言う。物質の通過を防止すると、バルブの上流に位置する微小水滴の体積に望ましくない減耗を起こす程の量の物質でさえも、その通過を防止する。同様に、物質の通過を防止すると、上流側の物質が、バルブよりも下流に位置する微小水滴に悪影響を及ぼすのを防止する。例えば、下流側水滴の濃度又はｐＨは、上流側物質が閉鎖したバルブによって遮断されると、本質的に変化しない状態となる。好ましくは、閉鎖したバルブは、バルブに隣接するあらゆる液体又は粒子の通過を完全に防止する。
【００２６】
図２ｂを参照すると、バルブ５０の開放状態が示されており、この場合、ＴＲＳ５６は本質的に完全にリザーバ５５内部に後退しており、通路６８を開放することによって、第１及び第２チャネルの少なくも一方から他方に、バルブ５０を通じた物質の通過を可能にする。ほぼ完全に後退することとは、通路６８を遮断していたＴＲＳ５６のほぼ全てがリザーバ５５内部に後退し、通路６８に残留したり、バルブ５０の下流に分散するのではないことを意味する。ＴＲＳ５６を完全に後退させると、約１０％以下、好ましくは約５％以下、そして最も好ましくは約２％以下のＴＲＳ５６が通路６８内に残され、バルブ５０の下流に分散する。
【００２７】
開放運動を生じさせるには、ＴＲＳ衝合部７０に作用する圧力に対して、ＴＲＳ５７の端部３０に作用する圧力を減少させることが好ましい。圧力減少は、リザーバ５５の作動部３４に存在するガス３２のような流体を収縮させて発生することが好ましい。ガス３２
の収縮は、当該ガスを冷却してガスの温度を低下させ、体積を縮小させることによって得ることができる。ガス３２を冷却するには、ガス３２と熱的に接触しているペルチェ冷却器(Peltier cooler)のような冷却器を作動させることが好ましい。冷却器は、バルブ５０を構成する基板及び熱源３６と一体であることが好ましい。しかしながら、冷却器は、別個のデバイス内に配置し、動作中、基板を受け入れるようにすることも可能であることは言うまでもない。
【００２８】
バルブ５０の好ましい開放状態によって、第１チャネル５２から第２チャネル５４に運搬されるべき物質の通過が可能となる。ＴＲＳの衝合部７０から壁７２までの開放距離９２は、物質が通路を所望の物質運搬速度で通過できる程度に広くなっている。完全な開放状態では、開放距離９２は、少なくとも第２チャネル５４の距離８２と同程度に広いことが好ましい。しかしながら、バルブ５０は一部開放状態でも動作可能であり、その場合、開放距離９２は距離８２よりも小さいことは言うまでもない。
【００２９】
バルブ５０は、ＴＲＳ５６の閉鎖運動によってＴＲＳ衝合部７０が通路６８を横切って壁７２に接するように移動させたときに、通路６８を閉鎖するように動作する。閉鎖運動を生じさせるには、端部３０に作用する圧力を用いることが好ましい。この圧力は、ガス３２のような流体の膨張によって得られる。ガス３２の膨張を得るには、ガス３２と熱的に接触する熱源３６を作動させることによって、ガスの温度を上昇させることが好ましい。熱源３６は、バルブ５０を構成する基板と一体であることが好ましい。しかしながら、熱源は、動作中、基板を収容する補助デバイス内に配置可能であることは言うまでもない。
【００３０】
図４ａ及び図４ｂには、異なる開放動作を有するバルブ５０’が示されている。バルブ５０’の開放を行うには、通路６８’を遮断する塊状ＴＲＳ５６’の少なくとも一部の温度を変化させる。熱源３７’が、ＴＲＳ５６’と熱的に接触しており、これを作動させることによって熱エネルギを供給し、ＴＲＳ５６’を第１温度から第２の、好ましくはより高い温度に加熱する。第２温度は、ＴＲＳ５６’を溶融又は分散させることによって、通路６８’を開放するのに十分であることが好ましい。第２温度に加熱されるＴＲＳ５６’の部分は、通路６８’を開放するのに十分である。
【００３１】
リザーバ５５’に後退させる代わりに、少なくとも約３０％、好ましくは少なくとも約７５％、更に好ましくは約９０％のＴＲＳ５６’は、バルブ５０’から下流側にある、第２チャネル５４’に進入する。つまり、この形式のバルブ５０’は、ゲート型バルブであり、物質がリザーバに後退することによってバルブを開放するバルブ５０とは異なる。ＴＲＳ５６’が下流側チャネルに進入する際、ＴＲＳ５６’に対して過剰な上流圧力を加えることによって補助することが好ましい。上流圧力は、上流チャネルと流体連通するガス圧源を用いて供給することができる。
通路６８’の開放時にＴＲＳ５６’の少なくとも一部が下流側チャネルに進入するが、本発明のバルブ５０’のようなゲート型バルブは、一旦開放されると、閉鎖状態に戻すことができる。例えば、追加のＴＲＳをゲート・バルブに付随するリザーバから通路内に、少なくとも付随するリザーバを加熱することによって、流入させることができる。
【００３２】
熱源３７’は、第２チャネル５４’の下流側の長さ４５’を、分散又は溶融するＴＲＳが第２チャネル５４’を遮断するのを防止するのに十分な温度まで加熱するように構成することが好ましい。長さ４５’は、ＴＲＳ５６’によって遮断される通路６８’の長さの少なくとも５０％、好ましくは少なくとも７５％とする。熱源３７’は、下流チャネルの隣接部分の壁を加熱し、ＴＲＳ５６’を、度々、溶融又は分散するのに十分な温度にする。したがって、図４ｂに見られるように、分散又は溶融したＴＲＳ５６’の一部を、下流チャネルを遮断するには不十分なサイズを有するＴＲＳ５９’の小さな立体空間内で、下
流チャネル内部に残しておくことができる。また、ＴＲＳ５６’は、溶融することによってではなく、通路６８’を開放する物質で形成することもできる。例えば、代替実施形態の１つでは、遮断ＴＲＳは、粒子の凝集体で形成する。より高い温度への遷移時に、凝集された粒子が下流に分散することによって、バルブを開放する。
【００３３】
バルブ５０’は、リザーバ５５’を含み、ＴＲＳ５６’及び５７’を通路６８’及びリザーバ５５’にそれぞれ導入させることができる。ＴＲＳを通路６８’内に装荷するには、通路及びリザーバを、外部熱源等により加熱し、次いでＴＲＳをアクセス・ポート４０’に導入する。一旦ＴＲＳが通路を遮断したなら、直ちに外部熱源を取り除く。こうして、ＴＲＳ５６’は、バルブ５０’の通路６８’を遮断する。バルブ５０’は、バルブ５０と同様に動作し、上流側圧力に応答して漏洩を防止する。
【００３４】
熱源３７’を作動させるとき、リザーバ５５’内にあるＴＲＳ５７’の温度は、ＴＲＳ５７’を分散又は溶融する程の値まで上昇させないことが好ましい。こうすれば、ＴＲＳ５７’のほぼ全てがリザーバ５５’内に停留するので、アクセス・ポート４０’は通路６８’と流体連通しない。ＴＲＳ５７’の温度を低く保つには、ＴＲＳ５６’に加える熱の期間を制限し、通路６８’からのアクセス・ポート４０’の距離を増大することによって可能となる。
【００３５】
図５ａを参照すると、２つの下流側衝合部を有するバルブ１５０が閉鎖状態で示されている。バルブ１５０が閉鎖されていると、塊状感熱物質１５６が、第１及び第２チャネル１５２、１５４間の通路１６８を通じた物質の運搬を遮断する。ＴＲＳ１５６の第１衝合部１７０は、閉鎖バルブ１５０の壁１７２に衝合する。壁１７２は、第１対向壁部１７４を含み、これは中心軸１６０及び物質運搬経路１５８に対してある角度をなして配されている。感熱物質１５６は、バルブ１５０が閉鎖されたときに、第２対向壁部１７４に接触するように配された第２衝合部１７６を含む。ＴＲＳ１５６の第３衝合部２００は、バルブ１５０の対向壁部２０２に衝合する。対向壁部２０２は、中心軸１６０の対向壁部１７４とは逆側、好ましくはＴＲＳのリザーバ１５５に隣接して配されている。
【００３６】
衝合部１７６、２００及び壁面１７４、２０２は、ＴＲＳ１５６の上流部１８１に作用する圧力が下流部１７８に作用する圧力を上回るときに、バルブ１５０を通じた望ましくない漏洩を防止するように構成され配置されている。過剰な上流圧力によって、好ましくは、衝合部１７６及び２００をそれぞれ、対向壁部１７４及び２０２に向けて押圧することによって、バルブ１５０を一層確実に閉鎖する。２つの下流対向壁を設けたことによって、ＴＲＳ１５６が上流圧力に応答して歪む傾向を緩和する。
【００３７】
第１対向壁面１７４は、第１チャネル１５２の物質運搬経路１５８内に達する第１壁突出部１８０と一体であることが好ましい。突出部１８０は、第２対向壁部１８６及び外壁面１８８を含む。対向壁部２０２は、第２壁突出部２０４と一体となっている。第２壁突出部２０４も物質運搬経路１５８内に達している。突出部２０４は、第２対向壁部２０６及び外壁部２０８を含む。
【００３８】
外壁部１８８及び１９０間の距離１８２は、バルブ１５０から上流にある地点１６２における第１チャネル１５２の対向する壁間の対応する距離１８４よりも小さいことが好ましい。距離１８２は、上流側の距離１８４よりも、少なくとも１０％小さく、好ましくは少なくとも２０％小さく、更に好ましくは少なくとも３０％小さい。したがって、対向壁部１７４、２０２又は突出部１８０、２０４は、それらの間に絞りを形成する。絞りは、上流点１６２における断面積よりも小さい断面積を有する。突出部１８０及び２０４は、全体的に矩形として示すが、三角形や、円弧状表面を有する形状というようなその他の形状を有する突出部も使用可能である。
【００３９】
図５ｂを参照すると、バルブ１５０の開放状態が示されており、この場合、ＴＲＳ１５６はほぼ完全にリザーバ１５５内に後退して、通路１６８を開放することにより、第１及び第２チャネルの少なくとも一方から他方にバルブ１５０を通じた物質の通過が可能となる。完全な開放状態では、ＴＲＳの衝合部１７０から壁１７２までの開放距離１９２は、第２チャネル１５４の距離１８２と少なくとも同程度であることが好ましい。その場合、開放距離１９２は、距離１８２未満となる。先にバルブ５０について論じたように、バルブ１５０は、物質５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、繰り返し開放状態に再位置決めすることができる。
【００４０】
図６ａ及び図６ｂに見られるバルブ１５０’は、閉鎖状態に関しては、バルブ１５０の場合と同様に動作する。通路１６８’を開放する際は、バルブ１５０’は、バルブ５０’と同様に動作し、通路１６８’を遮断している塊状ＴＲＳ１５６’が分散又は溶融することによって、通路１６８’を開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ１５６’と熱的に接触している熱源３７を作動させることによって生じさせることが好ましい。
【００４１】
図７ａ及び図７ｂを参照すると、バルブ２５０は、第１及び第２対向壁部２７４、２８６を有する突出部２８０を含み、これらの壁部が協同して、上流及び下流圧力双方に応答して漏洩を防止する。閉鎖状態では、塊状感熱物質２５６がバルブ通路２６８を遮断することにより、第１チャネル２５２及び第２チャネル２５４間のいずれの方向においても物質の運搬を防止する。突出部２８０は、物質運搬経路２５８と整合しているＴＲＳ２５６の寸法２８７の中心に位置付けることが好ましい。突出部２８０は、ほぼ正方形であるように示したが、矩形、三角形、円弧形のように、任意の形状を有する突出部でも使用可能である。
【００４２】
ＴＲＳ２５６の第１衝合部２７６が、第１対向壁部２７４と衝合し、ＴＲＳ２５６の第２衝合部２７７が、第２対向壁部２８６と衝合する。第１及び第２衝合部２７６並びにそれぞれの対向壁部２７４、２８６は、大きな圧力がＴＲＳ２５６の第１側２７６又は第２側２７８のいずれかに加えられたときに、バルブ２５０を通じた物質の通過を実質的に防止する。例えば、第２側２７８に大きな上流圧力が作用すると、第２衝合部２７７を対向壁部２８６側に押圧することによって、バルブ２５０を一層確実に閉鎖する。バルブ２５０は、大きな上流圧力が第１側２８１に作用するときにも同様に応答する。つまり、バルブ２５０は、双方向バルブとして動作し、２つの流動方向のいずれからの大きな圧力にも応答して、漏洩を防止する。バルブ２５０を一層確実に閉鎖するためには、少なくとも第３の衝合部２７４がバルブ壁２７０に衝合する。バルブ壁２７０は、第１チャネル２５２の中心軸２６０と整合することが好ましい。
【００４３】
本発明の一実施形態では、物質運搬経路と整合した感熱物質の長さは、感熱物質によって遮断される通路の幅、及び上流チャネルの幅の少なくとも一方よりも広い。ここで用いる場合、長さという用語は、物質運搬経路に沿った距離のことをいい、チャネル又は通路の中心軸と整合していることが好ましい。幅という用語は、物質運搬経路又はそれを貫通する中心軸に対向するチャネル又は通路の大きい方の寸法のことを言う。例えば、図７ａを参照すると、ＴＲＳ２５６の寸法即ち長さ２８７は、通路２６８の幅２８９及び第１チャネル２５２の幅２８４よりも大きい。リザーバ２５５の寸法即ち幅２９１は、少なくとも長さ２８７と同程度であることが好ましい。ＴＲＳ２５６の寸法２８７は、第１チャネル２５２の幅２８４の少なくとも１５％、好ましくは少なくとも２５％、更に好ましくは少なくとも３０％である。
【００４４】
図７ｂを参照すると、バルブ２５０の開放状態が示されており、この例では、ＴＲＳ２
５６は、リザーバ２５５内にほぼ完全に後退し、通路２６８を開放することにより、バルブ２５０を通じた物質の通過を可能とする。ＴＲＳ２５６は、ほぼ完全にリザーバ２５５内に後退しており、下流方向に分散したり、通路２６８内に残留していないので、衝合部２７６、２７７は、突出部２８０の窪み形状を呈し続けることができる。
【００４５】
ＴＲＳ２５６から突出部２８０までの最小開放距離２９２を十分大きく取り、物質が所望の物質運搬速度で通路を通過できるようにする。図７ｂは、完全に開放状態のバルブ２５０を示すが、バルブ２５０は部分的開放状態にも動作可能であることは言うまでもなく、その場合、第３衝合部２７２が、壁２７０と衝合する完全閉鎖位置と、第１チャネル壁２７３と実質的に整合する完全解放位置との間の中間に配される。先に論じたように、バルブ２５０は、物質２５６の多大な損失を生ずることなく、また閉鎖しているときのバルブを通じた物質の通過を防止する能力を著しく損なうことなく、繰り返し開放状態に再位置決めすることができる。
【００４６】
図８ａ及び図８ｂに示したゲート・バルブ２５０’は、バルブ２５０と同様に動作してバルブを閉鎖する。通路２６８’を開放する際は、バルブ２５０’はバルブ５０’と同様に動作して、通路２６８’を遮断している塊状ＴＲＳ２５６’が分散又は溶融し、下流チャネルに流入することによってバルブを開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ２５６’と熱的に接触している熱源３７を作動させて行われることが好ましい。参照番号２５２’、２５４’、２５７’、２６０’、２７２’、２７４’、２７７’、２８０’及び２８６’によって特定される要素は、本明細書の他の部分に記載される類似の要素と同様に説明されるものである。
【００４７】
図９ａを参照すると、バルブ３５０は、第１チャネル３５２の物質運搬経路３６０内には達しない対向壁部３７４を含む。閉鎖状態では、塊状感熱物質３５６が通路３６８を遮断する。ＴＲＳ３５６の第１衝合部３７６が、第１対向壁部３７４に衝合する。ＴＲＳ３５６の第１面３７６に大きな上流圧があると、第１衝合部３７６を第１対向壁部３７４に向けて押圧することにより、バルブ３５０を一層確実に閉鎖する。
バルブ３５０は、第２対向壁部３８６を含むことが好ましく、この第２対向壁部３８６も物質運搬経路３６０内には達していない。第１及び第２対向壁部３７４、３８６は、互いに対向しているので、バルブ３５０は双方向バルブとして動作する。したがって、ＴＲＳ３５６の第２面３７８に大きな上流圧力があると、ＴＲＳ３５６の第２衝合部３７７を第２対向壁部３８６に向けて押圧する。
図９ｂに示したバルブ３５０の開放状態では、ＴＲＳ３５６はリザーバ３５５内に後退することによって通路３６８を開放し、これにより物質の通過が可能となる。
【００４８】
図１０ａ及び図１０ｂに示したゲート・バルブ３５０’は、バルブ３５０と同様に動作して閉鎖する。通路３６８’を開放する際は、バルブ３５０’はバルブ５０’と同様に動作し、通路３６８’を遮断している塊状ＴＲＳ３５７’が分散又は溶融することによってバルブを開放する。分散又は溶融は、ＴＲＳ３５７’と熱的に接触している熱源３７を作動させて行われることが好ましい。好ましくは、ＴＲＳ３５７’のほぼ全てが、バルブ３５０’から下流側にある第２チャネル３５４’に流入する。
【００４９】
図１１ａ〜図１１ｄを参照すると、毛細管補助装荷(capillary assisted loading)を行うように構成した表面５００を有するバルブ４５０の一実施形態が示されている。バルブ４５０は、第１及び第２チャネル４５２、４５４間に通路４６８を規定する。感熱物質は、説明の明確化のために図１１ａ〜図１１ｃには示していないが、先に論じたように、バルブを開放及び閉鎖するように動作する。一実施形態では、例えば、バルブ４５０の開放は、ＴＲＳのリザーバ４５５への後退運動からなる。好適な実施形態では、通路４６８の開放は、ＴＲＳの分散又は溶融からなり、ＴＲＳは少なくとも１つの下流チャネルに流入することによって、通路４６８を開放する。
【００５０】
装荷面５００は、ＴＲＳが通路４６８に進入するときに、チャネル４５２、４５４に流
入するＴＲＳの量を制限するように構成されている。通路４６８と第１チャネル４５２との間にある開口５１５により、断面積５１６が規定される。この断面積は、第１チャネル４５２内部の隣接する断面積５１８よりも少なくとも４０％小さく、好ましくは少なくとも５０％小さい。同様に、通路４６８と第２チャネル４５４との間にある開口５２０の断面積は、第２チャネル４５４内の隣接する断面積よりも小さいことが好ましい。
【００５１】
通路開口の断面縮小は、通路の高さを減ずることによって得ることが好ましい。ここで用いる場合のチャネル又は通路の高さとは、チャネル又は通路の最も小さい寸法のことを言う。例えば、装荷面５００及び対向面５０４間の距離５０２はそれぞれ、第１及び第２チャネル４５２及び４５４の対向面間の対応する距離５０６及び５０７よりも小さい。距離５０２は、距離５０６、５０７よりも少なくとも４０％、好ましくは少なくとも５０％、そして、最も好ましくは少なくとも６５％小さい。
【００５２】
ＴＲＳを通路４６８内に装荷するには、リザーバ及び通路４６８を十分に加熱し、ＴＲＳが内部で運動できるようにする。ＴＲＳは、アクセス・ポート４０を通じて導入される。毛細管作用によって、ＴＲＳを通路４６８内に引き込む。しかしながら、第１及び第２開口５１５及び５２０に到達すると、通路４６８内のＴＲＳは、低い方の断面積開口から第１及び第２チャネル４５２、４５４に移動する際に表面積の拡張に抵抗するＴＲＳの表面張力によって生ずるような抵抗を受ける。したがって、図１１ｄに示すように、装荷面５００は、バルブの通路を遮断するには十分であるが、隣接するチャネル４５２及び４５４に流入するには不十分な量のＴＲＳの導入を可能にする。
バルブ４５０は、前述した対向壁部のような、少なくとも１つの対向面を含み、バルブが閉鎖するときにいずれかのチャネルに存在する過剰圧力に応答して漏洩を防止することができる。
【００５３】
図１２ａ〜１２ｃを参照すると、バルブ１００１は、通路１００４からリザーバ１００２内にまで達する装荷面１０００を有する。説明の明確化のために、熱源及びバルブ１００１に付随するＴＲＳは、図１２ａには示されていない。バルブ１００１は、第１及び第２チャネル１００６、１００８、及び突出部１０１０を含む。突出部１０１０は、幅Ｗ１だけ通路１００４内に迫り出しており、通路の幅Ｗ３が第１及び第２チャネル１００６、１００８の幅Ｗ２よりも狭くなっている。幅Ｗ３は、幅Ｗ２の約５０％というように、幅Ｗ２の約２５％から約７５％であることが好ましい。第１及び第２チャネル１００６、１００８の幅は同一であることが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。しかしながら、第１又は第２チャネルの一方を広くすると、その高さを対応して減少させなければならない。リザーバの幅Ｗ４は、第１及び第２チャネルの幅Ｗ２よりも広くすることも、狭くすることも可能である。
【００５４】
装荷面１０００は、通路１００４及びリザーバ・チャネル１００２の装荷部１０１２の高さを削減する。好ましくは、通路１００４及び装荷部１０１２の高さは、第１及び第２チャネル１００６、１００８の高さ、並びにリザーバ１００２の遠端部１０１４の高さの約５０％というように、これらの高さの約２５％〜約７５％である。
バルブ１００１に装荷するには、ＴＲＳの先端が装荷面１０００の縁１０１６に達するまで、ある量のＴＲＳを孔１０１５を通じて導入する。縁１０１６に達すると、毛細管作用がＴＲＳを装荷部１０１２及び通路１００４内に引き込む。第１及び第２縁１０１７及び１０１８に達すると、表面張力によって、ＴＲＳが第１及び第２チャネル１００６、１００８に流入するのを防止する。図１２ｂに示すように、ＴＲＳの一部が突出部１０１０の表面に接触すると、バルブは閉鎖状態となり、第１及び第２チャネル１００６、１００８間の物質の通過を防止する。
【００５５】
バルブ１００１を開放するには、通路１００４を遮断しているＴＲＳの温度を上昇させ
、通路１００４を遮断しているＴＲＳの少なくとも一部が分散又は溶融して、第１及び第２チャネル１００６、１００８の少なくとも一方に流入することができるのに十分な温度とする。温度が上昇したならば、空気又は液体の圧力等が、第１及び第２チャネルの一方から、チャネルを遮断しているＴＲＳを変位させることが好ましい。開放動作の間、リザーバ内のＴＲＳの温度は、ＴＲＳを分散又は溶融するのに十分な値まで上昇させないことが好ましい。バルブ１００１は、リザーバ１００２内にあるＴＲＳを加熱することによって、閉鎖状態に戻すことができる。毛細管作用がＴＲＳを通路１００４に引き込むのは、先に論じた通りである。
【００５６】
バルブ１００１は、ある量のＴＲＳがリザーバ１００２の遠端部に残っている限り、繰り返し開放及び閉鎖することができる。リザーバの遠端部にあるＴＲＳの量は、通路を開放するときに分散したＴＲＳの量よりも多いことが好ましい。好ましくは、分散したＴＲＳは、第１及び第２チャネルの一方に流入する。リザーバの遠端部にあるＴＲＳの量は、ＴＲＳが通路１００４を完全に再閉鎖することを確保するためには、装荷部にあるＴＲＳの量よりも多いことが好ましい。
【００５７】
リザーバ１００２の遠端部１０１４内にあるＴＲＳの遠端の平均曲率半径（ＭＲＣ）は、装荷部１０００内又は通路１００４内にあるＴＲＳの近端のＭＲＣよりも大きいことが好ましい。遠端とは、通路１００４から離間したＴＲＳの部分を意味し、近端とは、通路１００４に隣接するか、あるいはその内部にあるＴＲＳの部分を意味する。好ましくは、ＴＲＳの装荷部の壁との接触角度は、ほぼ一定とする。
また、バルブ１００１は、図１１ａ〜図１１ｄに示すような対向面も含み、バルブが閉鎖状態にあるときに、物質の通過を防止するのに役立てるようにすることができる。また、バルブ１００１は、毛細管補助装荷バルブとして構成しないことも可能であり、その場合装荷面１０００は設けられない。
【００５８】
チャネル幅は一定である必要はない。したがって、幅が変化するチャネルも使用することができる。ＴＲＳが所定の方向に移動する傾向は、ドロップ(drop)の前面の平均曲率半径と、ドロップの背面の曲率半径との間の比率によって統制される。これらの曲率は、流体の物質との接触角度及びチャネルの寸法に基づく。
【００５９】
図１に戻って、マイクロフルイディック・システム７００の構造及び動作について更に詳細に説明する。基板７０１内に規定されているチャンバ７０４は、内部の物質を用いて少なくとも１つの化学的又は物理的プロセスを実行するように構成することが好ましい。物質には、例えば、流体、セルのような粒子、ＤＮＡ、ビールス、及び粒子含有流体のようなサンプル及び試薬が含まれる。一実施形態では、チャンバ７０４は、サンプルを試薬と混合し、化学反応を容易に起こさせるように構成することができる。あるいは、チャンバ７０４は、サンプルを濃縮又は希釈するように構成することもできる。ＰＣＲ増幅、濾過等のようなその他のプロセスも可能である。尚、チャンバ７０４は、チャネルと同じ寸法を有することができる。
【００６０】
出口チャネル７１０が、チャンバ７０４から過剰なサンプル又は試薬物質を除去する出口として設けられている。チャンバ７０４の動作の間、バルブ７１２を開放状態で動作させ、物質がチャネル７１０を通って、チャンバ７０４から退出できるようにする。好ましくは、チャネル７１０は、フィルタのような通過部材(flow through member)を含み、選
択した物質のみを、チャネル７１０を通ってチャンバ７０４から排出できるようにする。バルブ７１４は、チャンバ７０４内の物質が下流チャネル７１６に流入するのを防止する。バルブ７１８は、チャンバ７０４内の物質を機内圧力源(on-board pressure source)７２０に流入するのを防止する。機内圧力源７２０は、先に論じたような、熱作動型とすることが好ましい。圧力源７２０は、十分なガス圧力及びガス体積を供給し、チャンバ７０
４内にある物質を下流チャンバ７１６内に導入させるようにすることが好ましい。
【００６１】
チャンバ７０４内で行われる何らかのプロセスの完了時に、バルブ７１２を閉鎖して、いずれの物質をもチャネル７１０を通じてチャンバ７０４から出ることを防止する。物質を下流チャネル７１６に流入させるために、圧力源７２０並びにバルブ７１４及び７１８に付随する熱源を作動させることによって、双方のバルブを開放する。バルブ７１４の通路を通して物質を下流チャネル７１６に運搬し、分析又は次の処理を行う。下流処理チャンバは、好ましくは、バクテリア細胞等の細胞を溶解させるチャンバを含むことが好ましい。バクテリアの例には、グループＢ連鎖球菌属、及びバクテリア髄膜炎に関連するバクテリアが含まれる。当技術分野では公知であるが、細胞を界面活性剤及び／又は緩衝剤のような、溶解剤と接触させることによって細胞を溶解し、その中の核酸を放出することができる。このように、本システムには、チャネルによって溶解チャンバに接続されている緩衝剤のリザーバを備えることが好ましい。第２下流処理チャンバは、溶解した細胞から放出された核酸に対してＰＣＲ反応を実行するように構成することが好ましい。ＰＣＲチャンバは、核酸の増幅を容易にするのに適した酵素や緩衝剤のような試薬を導入するように構成されたチャネルによって、合体されている。
【００６２】
ここでは、バルブの開放及び閉鎖は、コンピュータ制御の下で自動的に行うことが好ましい。システム７００は、バルブ、ヒータ、処理チャンバ、バルブ状態を検出するセンサ等のような、種々の機内システム・エレメントとの電気的又は光学的通信を可能にする接点７２２を含むことが好ましい。熱的に作動するバルブを動作させるための好ましいコンピュータ制御システム及び方法は、２００１年３月２８日に出願された米国特許出願第０９／８１９，１０５号に開示されている。その内容全体は、本願にも含まれることとする。
【００６３】
チャンバやバルブのような基板を規定するエレメントは、シリコン、クオーツ、ガラス、及びポリマ材等の物質であれば、そのいずれでも形成することができる。基板は、均質であってもよく、また、接合したクオーツ・カバーを有するシリコン基板のように、１つ以上のエレメントを互いに接合して形成することもできる。カバー及び基板は、バルブ、通路、チャネル、ヒータを含むシステムの構造と共に、微細加工によって製作される。微細加工には、フォトリソグラフィのような製造技法、それに続く化学エッチング、レーザ研磨、直接刻印、ステレオ・リソグラフィ、及び射出成形が含まれる。例えば、好ましいマイクロフルイディック・システムは、１又は複数の環状オレフィンからなる基板の射出成形によって製造する。
【００６４】
図１中の挿入図を参照すると、バルブ７１４は、上流及び下流チャネル１０３０、１０３１、及びリザーバ１０３２を含む。説明の明確化のため、バルブ７１４に付随するＴＲＳは図示されていない。バルブ７１４は、突出部１０３４、及び通路１０３５に伴う対向面１０３３を含む。
【００６５】
図１３ａ〜図１３ｄを参照すると、本発明のシステムを微細加工する際に用いるのに適したフォトリソグラフ・マスクが示されている。フォトリソグラフィは、マイクロフルイディック・システムを製作する一手法を提供する。フォトリソグラフィック・プロセスの一例は、クロム及び金の少なくとも一方のような金属を基板上に堆積することから開始される。蒸着又は電子ビーム・スパッタリングのような技法を用いて、金属層を堆積することができる。チャネル、通路、及びバルブ・エレメントを製作するのに好ましい基板は、厚さ５００ミクロンのＤｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ社製７７４０パイレックス（登録商標）・ウエハである。このウエハに、スピン・コーティング等により、フォトレジスト層を被覆する。微細加工するエレメントを示すフォトリソグラフィック・マスク９５０をパターンとして用いる。マスクを適所に配して、基板を光源に曝しレジストを現像する。パターニ
ングによって、レジストを基板の区域から除去し、基板にエッチングを行う。
【００６６】
酸のようなエッチング材を用いて、レジストが除去されている基板の領域を保護する金属層を除去する。得られた基板の無保護区域を、好ましくは約５０ミクロンの深さまで、緩衝されたフッ化水素酸のようなエッチング材を用いてエッチングする。一旦エッチングが完了したなら、残留するレジスト及び金属を除去する。孔を穿設し、前述のような感熱物質の導入を可能にする。
【００６７】
ヒータ・エレメントは、厚さ５００ミクロンのクオーツ・ウエハのような第２基板上に製作することが好ましい。厚さ２５００オングストロームのアルミニウム層のような金属を基板上に堆積し、次いで、レジスト層で被覆する。レジストを除去した基板の区域から、エッチング等により、アルミニウムを除去する。続いて、残留するレジストを剥離して除去する。
低温酸化物層を、基板上に堆積する。クロム−金層のような金属層を、酸化物層の上に堆積する。金属層にレジストを被覆し、第３マスク９５４を用いてパターニングする。第３マスク９５４は、貫通部材を受容する凹陥となるパターンを規定することが好ましい。クロム金層をエッチングして、凹陥を形成する。
【００６８】
水性フッ化水素酸／硝酸混合物のようなエッチング材を用いて、低温酸化物を約１００ミクロンの深さまでエッチングする。レジスト及びクロム金層を除去する。続いて、酸化物層にレジスト層を被覆し、第４マスク９５６を用いてパターニングする。第４マスク９５６は、システムに対する電気接点のパターンを規定することが好ましい。緩衝されたフッ水素酸のようなエッチング材を用いて、露出している酸化物をエッチングして完全に除去する。チャネルの位置となるところに直接対向して、第２基板を貫通する孔を穿設する。当技術分野では周知のように、第１及び第２基板を互いに接合する。
【００６９】
本発明のシステムを製作するステレオリソグラフィック手法は、試作の効率及びマイクロフルイディック・デバイスの製造における効率を向上させる。高い分解能（約０．００４”のスポット・サイズ）のステレオリソグラフィでは、チャネル設計を迅速に作業システム内に形成することが可能である。時間の節約、コスト削減、及びステレオリソグラフィの柔軟性によって、より多くの設計の検査を一層迅速に、しかもこれまでよりも費用をかけずに行うことが可能となる。
【００７０】
従来のステレオリソグラフィ・デバイスが用いていたエポキシ系樹脂は、マイクロフルイディック・デバイスでは一部の使用には余り適していない。これらは高温に耐えることができず、流体を（ゆっくりと）吸収し、励起源の下では蛍光性であり、光学的に透明ではない。これらの特性は、基本的な流体工学検査には障害とならないが、デバイス機能性の総合的な検査や製造には障害となり、特性がもっと強健な物質、及びそれを形成する方法が必要である。Ｔｏｐａｓ５０１３のような、Ｔｏｐａｓと呼ばれるＴｉｃｏｎａ社（Ｃｅｌａｎｅｓｅ Ａ．Ｇ．の子会社）から発売されている物質系を用いることができる。Ｔｏｐａｓ材は、射出成形プロセスによって形成される。この目的のための半成形体は、ステレオリソグラフィによって生成される。これによって、成型品を作成するのに通常必要な先行期間が短縮する。奥行き(run)が短い部品には、この方法は効果的に機能する
。奥行きが長い場合、鋼鉄の成型品を作成するのが好ましい。射出成形部品は、フォトリソグラフィック・プロセスによってガラスやクオーツ内に作成する部品に対して、劇的なコスト節約をもたらす。
【００７１】
以上、本発明についてある好適な実施形態を参照しながら説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるのではないことに留意されたい。したがって、当業者であれば、これら好適な実施形態の変形を案出することができ、それらは本発明の技術思想の範囲に入る
ものであり、その範囲は特許請求の範囲に規定されている通りである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフルイディック・システムにおいて用いるバルブであって、
通路によって合流された上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板と、
前記バルブが閉鎖状態にあるときに、前記通路を遮断するように設けられた感熱物質と、
前記通路内に突き出した第１の壁及び該第１の壁と反対側の第２の壁を備える突出部であって、上流方向及び下流方向の圧力に応答して、前記第１及び第２の壁が協働して漏洩を防止するように構成されている突出部と、
前記通路に隣接して設けられたリザーバであって、該感熱物質のうち前記通路を遮断しない一部を包含する、リザーバと、
前記感熱物質と熱的に接触した熱源であって、該熱源の作動時に、前記感熱物質の少なくとも一部が前記下流チャネルに入ることによって前記通路を開放するようにするための熱源と
からなることを特徴とするバルブ。
【請求項２】
請求項１記載のバルブにおいて、前記熱源は、前記下流チャネルの少なくとも一部を加熱して、前記下流チャネルに入った前記感熱物質が前記下流チャネルを遮断するのを防止するよう構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項３】
請求項１記載のバルブにおいて、前記熱源は、超微小構造であることを特徴とするバルブ。
【請求項４】
請求項１記載のバルブにおいて、前記基板は平面基板であり、該平面基板上に、前記上流及び下流チャネル並びに前記通路が超微小構造で形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項５】
請求項４記載のバルブにおいて、前記基板はポリマ材で構成され、前記超微小構造は射出成形で形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項６】
請求項４記載のバルブにおいて、該バルブはさらに別の基板を備え、該別の基板の第１の表面に、前記熱源が超微小構造で配置されていることを特徴とするバルブ。
【請求項７】
請求項６記載のバルブにおいて、前記基板は、シリコン、クオーツ、ガラス、ポリマ材から選択された材料で構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項８】
請求項６記載のバルブにおいて、前記熱源は、前記別の基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に配置されている加熱素子であることを特徴とするバルブ。
【請求項９】
請求項１記載のバルブにおいて、該バルブはさらに、前記リザーバ中のガスを冷却するための冷却手段を備え、該冷却手段の駆動により、前記ガスが収縮し、前記通路を遮断している前記感熱物質の少なくとも一部を前記リザーバに引き込むことにより、前記通路が開放されるように構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１０】
請求項９記載のバルブにおいて、前記冷却手段は、前記ガスと熱的に接触するペルチェ冷却器であることを特徴とするバルブ。
【請求項１１】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、ワックス又は共融合金で構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１２】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質の前記少なくとも一部は、該感熱物質の７５％以上であることを特徴とするバルブ。
【請求項１３】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部は、正方形、長方形、３角形、又はアーチ型の形状を有することを特徴とするバルブ。
【請求項１４】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部は、前記通路に沿った材料移動経路に配置されている前記感熱物質の寸法の中心に位置していることを特徴とするバルブ。
【請求項１５】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部の幅は、前記通路に沿った材料移動経路に整列されている前記感熱物質の寸法の幅よりも狭いことを特徴とするバルブ。
【請求項１６】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、第１の温度の場合に前記通路を遮断するように配置され、前記感熱物質の前記少なくとも一部が、第２の温度の場合に前記下流チャネルに入り込むよう構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１７】
請求項６記載のバルブにおいて、前記第２の温度は、約４０℃〜約９０℃の範囲内の温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項１８】
請求項６記載のバルブにおいて、前記第２の温度は、前記感熱物質の前記少なくとも一部を溶解することができる温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項１９】
請求項６記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、粒状体の塊で構成されており、前記第２の温度は、前記感熱物質の前記少なくとも一部を分散することができる温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項２０】
請求項１記載のバルブにおいて、該バルブはさらに、前記リザーバを加熱するための外
部熱源を備えていることを特徴とするバルブ。
【請求項２１】
請求項１記載のバルブにおいて、前記リザーバはさらに、前記感熱物質を前記通路及び前記リザーバに導入するためのアクセス・ポートを備えていることを特徴とするバルブ。
【請求項１】
マイクロフルイディック・システムにおいて用いるバルブであって、
通路によって合流された上流チャネル及び下流チャネルを規定する基板と、
前記バルブが閉鎖状態にあるときに、前記通路を遮断するように設けられた感熱物質と、
前記通路内に突き出した第１の壁及び該第１の壁と反対側の第２の壁を備える突出部であって、上流方向及び下流方向の圧力に応答して、前記第１及び第２の壁が協働して漏洩を防止するように構成されている突出部と、
前記通路に隣接して設けられたリザーバであって、該感熱物質のうち前記通路を遮断しない一部を包含する、リザーバと、
前記感熱物質と熱的に接触した熱源であって、該熱源の作動時に、前記感熱物質の少なくとも一部が前記下流チャネルに入ることによって前記通路を開放するようにするための熱源と
からなることを特徴とするバルブ。
【請求項２】
請求項１記載のバルブにおいて、前記熱源は、前記下流チャネルの少なくとも一部を加熱して、前記下流チャネルに入った前記感熱物質が前記下流チャネルを遮断するのを防止するよう構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項３】
請求項１記載のバルブにおいて、前記熱源は、超微小構造であることを特徴とするバルブ。
【請求項４】
請求項１記載のバルブにおいて、前記基板は平面基板であり、該平面基板上に、前記上流及び下流チャネル並びに前記通路が超微小構造で形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項５】
請求項４記載のバルブにおいて、前記基板はポリマ材で構成され、前記超微小構造は射出成形で形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項６】
請求項４記載のバルブにおいて、該バルブはさらに別の基板を備え、該別の基板の第１の表面に、前記熱源が超微小構造で配置されていることを特徴とするバルブ。
【請求項７】
請求項６記載のバルブにおいて、前記基板は、シリコン、クオーツ、ガラス、ポリマ材から選択された材料で構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項８】
請求項６記載のバルブにおいて、前記熱源は、前記別の基板の前記第１の表面とは反対側の第２の表面に配置されている加熱素子であることを特徴とするバルブ。
【請求項９】
請求項１記載のバルブにおいて、該バルブはさらに、前記リザーバ中のガスを冷却するための冷却手段を備え、該冷却手段の駆動により、前記ガスが収縮し、前記通路を遮断している前記感熱物質の少なくとも一部を前記リザーバに引き込むことにより、前記通路が開放されるように構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１０】
請求項９記載のバルブにおいて、前記冷却手段は、前記ガスと熱的に接触するペルチェ冷却器であることを特徴とするバルブ。
【請求項１１】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、ワックス又は共融合金で構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１２】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質の前記少なくとも一部は、該感熱物質の７５％以上であることを特徴とするバルブ。
【請求項１３】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部は、正方形、長方形、３角形、又はアーチ型の形状を有することを特徴とするバルブ。
【請求項１４】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部は、前記通路に沿った材料移動経路に配置されている前記感熱物質の寸法の中心に位置していることを特徴とするバルブ。
【請求項１５】
請求項１記載のバルブにおいて、前記突出部の幅は、前記通路に沿った材料移動経路に整列されている前記感熱物質の寸法の幅よりも狭いことを特徴とするバルブ。
【請求項１６】
請求項１記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、第１の温度の場合に前記通路を遮断するように配置され、前記感熱物質の前記少なくとも一部が、第２の温度の場合に前記下流チャネルに入り込むよう構成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１７】
請求項６記載のバルブにおいて、前記第２の温度は、約４０℃〜約９０℃の範囲内の温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項１８】
請求項６記載のバルブにおいて、前記第２の温度は、前記感熱物質の前記少なくとも一部を溶解することができる温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項１９】
請求項６記載のバルブにおいて、前記感熱物質は、粒状体の塊で構成されており、前記第２の温度は、前記感熱物質の前記少なくとも一部を分散することができる温度であることを特徴とするバルブ。
【請求項２０】
請求項１記載のバルブにおいて、該バルブはさらに、前記リザーバを加熱するための外
部熱源を備えていることを特徴とするバルブ。
【請求項２１】
請求項１記載のバルブにおいて、前記リザーバはさらに、前記感熱物質を前記通路及び前記リザーバに導入するためのアクセス・ポートを備えていることを特徴とするバルブ。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１２ｃ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１３ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６ａ】
【図６ｂ】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１２ｃ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１３ｄ】
【公開番号】特開２０１０−１８１０３１（Ｐ２０１０−１８１０３１Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８０７０（Ｐ２０１０−６８０７０）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００３−５１７４７９（Ｐ２００３−５１７４７９）の分割
【原出願日】平成１４年３月２７日（２００２．３．２７）
【出願人】（５０４０３１０７８）ハンディラブ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【分割の表示】特願２００３−５１７４７９（Ｐ２００３−５１７４７９）の分割
【原出願日】平成１４年３月２７日（２００２．３．２７）
【出願人】（５０４０３１０７８）ハンディラブ・インコーポレーテッド (6)
【Ｆターム（参考）】
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