マイクロ流体素子
【課題】毛細管バルブの噴出回転数を調整することにより、チャンネルに流入する流量の制御特性が改善された、遠心力で機能するマイクロ流体素子を提供する。
【解決手段】マイクロ流体素子は、本体、複数のチャンネル、複数のリザーバ３１、３２、３３、３４及び複数の毛細管バルブ４１、４２、４３、４４を備える。リザーバは本体上に形成されている。本体上にチャンネルが形成されており、各チャネルは対応するリザーバにつながる。チャンネルは、主チャンネル２０と、少なくとも１つの枝チャンネル２１とを含む。主チャンネルは本体の上面に形成されており、該本体の中心からその円周へ向けて伸長する。各毛細管バルブが、対応するチャンネルに、毛細管バルブ間の噴出回転数の差が増大するように、本体の中心に実質的に近い距離で、設置されている。マイクロ流体素子は、毛細管バルブの個々の噴出回転数を経て、優れた流量制御特性で流体を連続して放出する。
【解決手段】マイクロ流体素子は、本体、複数のチャンネル、複数のリザーバ３１、３２、３３、３４及び複数の毛細管バルブ４１、４２、４３、４４を備える。リザーバは本体上に形成されている。本体上にチャンネルが形成されており、各チャネルは対応するリザーバにつながる。チャンネルは、主チャンネル２０と、少なくとも１つの枝チャンネル２１とを含む。主チャンネルは本体の上面に形成されており、該本体の中心からその円周へ向けて伸長する。各毛細管バルブが、対応するチャンネルに、毛細管バルブ間の噴出回転数の差が増大するように、本体の中心に実質的に近い距離で、設置されている。マイクロ流体素子は、毛細管バルブの個々の噴出回転数を経て、優れた流量制御特性で流体を連続して放出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体素子に関し、より詳細には、毛細管バルブの噴出回転数を調整することにより、チャンネルに流入する流量の制御特性が改善された、遠心力で機能するマイクロ流体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、薬学、バイオ工学及び環境モニタリングの進歩のために、圧倒的な化学分析、その関連装置及び専門家が必要とされている。しかしながら、一般の人々にとって、専門知識、装置及び理由に制限を受けることなく、より便利で、より簡単な分析プロセスが必要である。
【０００３】
マイクロエレクトロニクス技術及び半導体の進歩に伴い、多大な努力が、生物学的分析及び生物医学的診断法の分野で、効率的で、敏感で、精密な小型の自動検出技術の開発に捧げられてきた。マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ）の概念は、２９９０年代の初期に提案された。単に１つのμＴＡＳで、完全な化学分析工程として、サンプル準備、化学反応、検体の分離及び精製ならびに検出及び分析が可能となる。このように、μＴＡＳは、より便利で、より簡単な分析プロセスの必要性を満たしている。
【０００４】
μＴＡＳの小型化は、運び易いという点で、有益である。μＴＡＳにマイクロ電子部品を使用することは、電力消費を下げて、コストを下げる。さらに、μＴＡＳは、少量のサンプル又は試薬しか要求しないので、試薬の経費を減少させる。さらに、自動的な化学プロセスの手順の間の、流量、材料の量及び各プロセスでの一連の反応は、分析結果に強い影響を及ぼす。μＴＡＳは、最小化されたバッチ化学処理と見なされている。μＴＡＳの主要な研究の焦点は、マイクロ流体技術である。前記マイクロ流体技術は、バルブ調整、混合、計量、分割及び分離などの種々の流体機能を含んでいる。
【０００５】
微少流体は、機械的マイクロポンプ及び非機械的マイクロポンプを含めて、様々な方法で動かされる。前者は、ぜん動ポンプ、超音波ポンプ及び遠心ポンプを含む。後者は、電気、磁気及び重力の力によって汲み上げるものを含む。遠心ポンプの場合、それが、マイクロ流体ディスクシステムと称されるディスクタイプのマイクロ分析システムで使用される。前記マイクロ流体ディスクシステムは、遠心力によって流体の流れを作り、受動的な毛細管バルブを使って、流体の流れを制御する。受動的な毛細管バルブの根本のメカニズムは、毛細管圧力差すなわちラプラス圧力差が流体の流れを妨げることにある。したがって、流体の流れは、遠心力と毛細管圧との間のバランスを操作することによって、調節することができる。毛細管圧力に打ちかつ遠心力に対応する臨界回転数は、噴出回転数と呼ばれている。
【０００６】
マイクロ流体システムの毛細管バルブについては、現在、多数の関連技術が公開されている。米国特許第6,143,248号明細書は、毛細管圧力が毛細管バルブ及びリザーバの配置、幾何学形状及び表面特性に関連すること、及び流体の量的変化は関連の法則に従うことを開示する。２００１年、アンダーソン（Anderson）等は、マイクロチャネルの一部に疎水性の表面を形成するために、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）により、疎水性材料でマイクロチャネルの一部を改質した。表面特性の変化は、疎水性バルブと呼ばれるバルブ効果を引き起こす。２００３年、フェング（Feng）等は、疎水性バルブが、また、前記バルブ効果を生じさせるために、チャンネルの幾何学を変更することにより、自己組織化単分子膜（ＳＡＭｓ）によって疎水性バルブを作ることができることを開示した。２００４年、チョー（Cho）等は、毛細管バルブに環状チャンネルと長方形チャンネルを採用し、開口部の異なる角度（６０°、９０°及び１２０°）を有する毛細管バルブのモデルを提案し、予測された噴出回転数を実験結果で確認した。２００６年、クワング（Kwang）等は、毛細管バルブで調整することがマイクロ流体管理プロセスに有益であることを示唆し、さらに、マイクロチャネルの幾何学及び表面特性の変化で、毛細管バルブにより、流体の流れを制御し得ることを示した。
【０００７】
しかしながら、前述した参照は、幾何学の変化及び表面改質で流体の流れを調整すること及び噴出回転数を予測する方法を提案するに過ぎない。それらのいずれも、マイクロ流体システムでの毛細管バルブの位置、配置又は姿勢の関係、特に、流体の流れ制御で、マイクロ流体ディスクの中心に近位の位置の意義を明らかにしていない。さらに、より多くのマイクロチャネルを満たすことができるので、現在のほとんどすべてのマイクロチャネルは、マイクロ流体ディスクのより大きな半径方向位置に配置されている。それらのデザイン下では、前記バルブの噴出回転数は、通常２０００ＲＰＭより低い。様々な半径方向距離を有する位置の毛細管バルブの噴出回転数が２０００ＲＰＭより低く制限されるので、それらは、相互に重複する傾向がある。したがって、現在の技術による噴出バルブは、正しい順序で流体を効果的に放出することができない欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,143,248号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記欠点を克服すべく、本発明の目的は、前記した問題を緩和もしくは除去し得るマイクロ流体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るマイクロ流体素子は、本体、複数のチャンネル、複数のリザーバ、複数の毛細管バルブ及びカバーを含む。
【００１１】
前記本体は、円形ディスクの形状であり、上面、中心及び円周を有する。リザーバが前記本体の前記上面に形成されている。チャンネルが前記本体の前記上面に形成されており、各チャンネルは対応する前記リザーバにつながる。前記チャンネルは、主チャンネルと、少なくとも１つの枝チャンネルとを含む。前記主チャンネルは、前記本体の前記上面上に形成されている。前記中心から前記本体の前記円周へ向けて伸長する。
各毛細管バルブが、対応する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置されている。前記カバーは、前記本体の前記上面に設置され、前記リザーバに対応する複数の開口を有する。
【００１２】
好ましくは、前記各毛細管バルブの前記本体の前記中心への距離は、４ｃｍより短い。
【００１３】
好ましくは、前記主チャンネルは、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に、また該第１の端部と前記本体の前記円周との間にある。前記複数の枝チャンネルは、前記主チャンネルにつながる。前記複数のリザーバは、第１のリザーバと、第２のリザーバとを含む。前記第１のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる。前記第２のリザーバは、前記第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成されており、前記枝チャンネルにつながり、前記主チャンネルと連通する。前記毛細管バルブは、第１の毛細管バルブと、第２の毛細管バルブとを含む。前記第１の毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置されている。前記第２の毛細管バルブは、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され、該両者を接続する。
【００１４】
好ましくは、前記第１の毛細管バルブの幅（内径）は、前記第２の毛細管バルブの幅(外径)より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１５】
好ましくは、前記配置は、第３のリザーバ、第４のリザーバ及び第５のリザーバを含む複数のリザーバを有する。前記第５のリザーバは、前記主チャンネルの前記第２の端部につながる。前記第３のリザーバは、前記第２のリザーバと前記第４のリザーバとの間に設置され、対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記第４のリザーバは、前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され、他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記複数の毛細管バルブは、さらに第３の毛細管バルブと、第４の毛細管バルブとを含む。前記第３の毛細管バルブは、対応する前記枝チャンネルに、また前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置される。前記第４の毛細管バルブは、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で対応する前記枝チャンネルに設置される。
【００１６】
好ましくは、前記第２の毛細管バルブの幅は、前記第３の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１７】
好ましくは、前記第３の毛細管バルブの幅は、前記第４の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１８】
好ましくは、前記第１の毛細管バルブは、疎水性に改質された内面を有する。
【００１９】
好ましくは、前記第４の毛細管バルブ（周縁近くの毛細管バルブ）を除き、前記第１の毛細管バルブ、第２の毛細管バルブ及び第３の毛細管バルブのそれぞれは、疎水性に改質された内面を有する。
【００２０】
さらに好ましくは、本発明に係るマイクロ流体素子は、追加の枝チャンネルを含む。前記追加の枝チャンネルは、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置され、遠位端部及び近位端部を有する。前記遠位端部は、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる。前記近位端部は、前記遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、前記主チャンネルと非平行である。さらに好ましくは、前記追加の枝チャンネルの前記近位端部は、遠心方向に垂直である。
【００２１】
好ましくは、前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である。
【００２２】
好ましくは、前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる。
【００２３】
前述した説明に基づき、本発明に係る前記毛細管バルブの半径方向距離は４ｃｍより小さい。従来のマイクロ流体技術に比較して、前記毛細管バルブは、前記本体の前記中心に、より近い。本発明に係る前記マイクロ流体素子は、流体を連続して放出する点で有益であり得る。前記毛細管バルブの前記バルブ幅、姿勢及び表面改質によって調節することができるので、本発明に係る前記マイクロ流体素子の流体の連続した放出の優れた効果は、化学の分析プロセスへの種々の応用に有益である。
【００２４】
発明の他の目的、利点及び斬新な特徴は、添付図面に関連する以下の詳細な説明から、より明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】毛細管バルブ内の毛細管圧力と遠心力とを説明する図面であり、
【図２】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の平面図であり、
【図３】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の分解斜視図であり、
【図４】図３の主チャンネル、枝チャンネル及びリザーバの組み合わせの平面図であり、
【図５】毛細管バルブの半径方向距離と噴出回転数との関係を示す図面であり、
【図６Ａ】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の第２の具体例の平面図であり、
【図６Ｂ】図６Ａのマイクロ流体素子の一部を拡大した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、低容量の流体を動かす主な推進力の根拠を遠心法に置く。マイクロチャンネル内を毛細管バルブへ向けて流体が流れる場合、表面張力と、液体、気体及び固体の各相間での界面自由エネルギー変化とに起因する毛細管圧力差は、流れの振る舞いを変化させ、またその流れを停止させる。そのため、受動的な毛細管バルブ調整は、その配置、幾何学形状及び表面改質によって変更することができる。
【００２７】
図１を参照するに、本発明に係る毛細管バルブは、遠心力によって引き起こされた圧力（ΔＰｃ）と、毛細管圧力（ΔＰｃ）とのバランスによって決まる噴出回転数を有する。前記毛細管圧力が一定の場合、前記遠心力によって引き起こされた圧力は、噴出回転数に影響する重要なファクタになる。前記遠心力によって引き起こされた圧力は、下式によって決まる。
【００２８】
毛細管圧力は、下式によって決まる。
【００２９】
プラットホームの回転数を変更することにより、マイクロ流体ディスクの中心から異なる半径距離に置かれたリザーバで遠心力によって引き起こされた圧力を調整することができる。前記プラットホームの回転数が予め決められたリザーバの噴出回転数よりも高くなると、該予め決められたリザーバ内流体サンプルは、遠心力に動かされ、前記毛細管バルブを流れ過ぎるように前記毛細管バルブの毛細管圧力に打ち勝つ。
【００３０】
図２及び図３を参照するに、本発明は、本体１０と、主チャンネル２０と、複数の枝チャンネル２１と、複数のリザーバ３０と、複数の毛細管バルブ４０と、カバー５０とを含むマイクロ流体素子を提供する。
【００３１】
本体１０は、円形のディスク形状であり、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）及び環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）及びそれらの代用材料から成るグループから選ばれた材料で作られる。本体１０は、上面、中心及び円周を有する。
【００３２】
主チャンネル２０及び枝チャンネル２１は、本体１０の上面に形成されている。 主チャンネル２０は、本体１０の中心から本体１０の円周の方向へ向けて伸長し、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側にあり、該第１の端部と本体１０の前記円周との間に置かれている。各枝チャンネル２１は、主チャンネル２０につながり、又該主チャンネルに連通する。
【００３３】
各リザーバ３０は、本体１０の前記上面に形成されている。リザーバ３０の数は、分析の要件によって決められる。本発明の好適な具体例では、図４を参照するに、本発明に係る前記マイクロ流体素子は、第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３、第４のリザーバ３４及び第５のリザーバ３５を含む５個のリザーバを備える。第１のリザーバ３１は、主チャンネル２０の前記第１の端部につながる。第１のリザーバ３１の半径方向の距離は、すべての前記リザーバの中で最も短い。第１のリザーバ３１は、前記リザーバのうち、本体１０の前記中心に最も近い。本書で使用されている「半径方向距離」は、本体１０の前記中心から対象までの距離をいう。第５のリザーバ３５は、主チャンネル２０の前記第２の端部につながり、該第２の端部に連通する。第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４は、第１のリザーバ３１と第５のリザーバ３５との間に位置しており、対応する枝チャンネル２１にそれぞれつながり、また連通する。さらに図２を参照するに、第５のリザーバ３５は、混合室３５１及び廃棄物室３５２を含む。混合室３５１は、主チャンネル２０から流出する流体を収集するために、主チャンネル２０の前記第２の端部につながる。廃棄物室３５２は、混合室３５１から流出する流体を収集するために、混合室３５１につながる。
【００３４】
主チャンネル２０、枝チャンネル２１及びリザーバ３１、３２、３３、３４、３５は、機械加工、鋳造又はホトリソグラフィ及びそれらの代用の処理により、本体１０の前記上面に形成される。
【００３５】
各毛細管バルブ４０は、対応する主チャンネル２０又は対応する枝チャンネル２１に設置されている。毛細管バルブの数及び配置は、分析又は製造の要件によって決められる。本発明に係る好適な具体例では、さらに図４を参照するに、前記マイクロ流体素子は、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４を含む４つの毛細管バルブ４０を備える。第１の毛細管バルブ４１は、主チャンネル２０に設置され、該主チャンネルに連通する。第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４は、それぞれ対応する枝チャンネル２１に設置され、該枝チャンネルに連通する。第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の幾何学的配置の変更やそれらの内面を改質することにより、流体の流れに対する抵抗が生じる。取り扱う流体のほとんどが水溶液であるので、第１、第２及び第３の毛細管バルブ４１、４２及び４３の内面は、疎水性であり、噴出回転数の範囲を拡大できるように、第４（又は最後）の毛細管バルブ４４に疎水性の処理をするべきではない。さらに、バルブ幅は、前記第１（内方）のバルブ４１から第４（外方）のバルブ４４へ向けて内方のバルブほど小さな幅を有する。
【００３６】
さらに図４を参照するに、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離は、それぞれｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４である。好適な具体例では、ｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４
は４ｃｍより短い。
【００３７】
図３を参照するに、カバー５０は、本体１０の前記上面に設置され、複数の開口５１を有する。開口５１は、それぞれ第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４に対応する。カバー５０は、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン、環状オレフィン共重合体及びそれらの代用の物質で作られる。
【００３８】
他の好適な具体例では、図７に示されているように、本発明に係るマイクロ流体素子は、回転プラットホーム６０への設置に適する。回転プラットホーム６０は、複数の柱６１と、フランジ６２とを備える。フランジ６２は、回転プラットホーム６０の前記中心に向けて伸びる複数の突起部６２１を有する。本体１０Ａ は、さらに、複数の位置決め開口１１Ａと、複数のノッチ１２Ａとを有する。位置決め開口１１Ａは、それぞれ本体１０Ａの上面及び下面に貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。ノッチ１２Ａは、前記本体の縁部にそれぞれ形成され、突起部６２１に対応して該突起部に係合する。カバー５０Ａは、さらに、複数の位置決め穴５２Ａ及び複数の凹所５３Ａを有する。位置決め穴５２Ａは、それぞれカバー５０Ａの上面及び下面を貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。凹所５３Ａは、それぞれカバー５０Ａの縁部に形成され、回転プラットホーム６０のフランジ６２の突起部６２１に対応して該突起部に係合する。前記構造体では、回転プラットホーム６０の回転時、本体１０Ａ及びカバー５０Ａを回転プラットホーム６０に確実に取り付けることができ、また突起部６２１とノッチ１２Ａ及び凹所５３Ａとの間、柱６１と位置決め開口１１Ａ及び位置決め穴５２Ａとの間の係合を介して互いの位置合わせを容易になすことができる。
【例】
【００３９】
1.毛細管バルブの半径方向距離と、噴出回転数との間の評価関係
【００４０】
毛細管バルブ４０の１つは、０．５ｃｍの半径方向距離で形成され、その他のバルブは、本体１０上に０．４ｃｍの間隔で形成される。各毛細管バルブ４０のバルブ幅は２００μｍである。各毛細管バルブの噴出回転数が決めらる。前記毛細管バルブの半径方向距離と噴出回転数との間の関係が、図５に示されている。０と１．５ｃｍとの間の比較的短い半径方向距離の範囲内では、各毛細管バルブ４０の噴出回転数は、半径方向距離につれて大きく異なる。他方、２．０と４．５ｃｍとの間のより長い半径方向距離の範囲内では、毛細管バルブ４０の噴出回転数は、互いに僅かしか異ならず、重なり合いさえする。
【００４１】
2.毛細管バルブの噴出回転数と異なる半径方向距離との比較
【００４２】
表１は第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離及びバルブ幅を示す。主チャンネル２０と枝チャンネル２１の深さは、すべて２００μｍである。毛細管バルブ４１、４２、４３、４４の内面は、疎水性の試薬によって改質され、その後、開口５１を経て対応するリザーバ３１、３２、３３、３４に１．０から１．４μｌの液体が注入される。前記マイクロ流体素子が回転する時、回転数は、１００ＲＰＭ／秒の角加速度で始まり、５００ＲＰＭになると、１０００ＲＰＭ／秒の角加速度で３０秒について５０ＲＰＭの増加が続く。液体が毛細管バルブ４１、４２、４３、４４に噴出し、チャンネル２０、２１内を流れる時点で検出された回転速度は、先に述べた毛細管状のバルブの噴出回転数として決定される。本発明に開示された配置（中心の近くにバルブを配置した状態）と、従来のバルブ配置（中心から離れてバルブを置いた状態）と比較するに、表１に示されているように、同様なバルブ配置に関し、第１の毛細管バルブ４１の噴出回転数が約２．５倍に増大し、第１の毛細管バルブ４１と第２の毛細管バルブ４２の噴出回転数の差が４倍に増大する。同様な結果が毛細管バルブ４２、４３、４４の残りから観察され、より小さな半径方向距離での毛細管の噴出回転数は、より大きい半径方向距離でのそれに比較して、大きく増加することを示している。
【００４３】
【表１】
【００４４】
従来のマイクロ流体素子の毛細管バルブについては、半径方向距離は、通常１．５ｃｍから６ｃｍの間で設計される。その理由は、ディスクが射出成形で製造され、中心が射出点として使われており、取り除く必要があるため（ＣＤ製造など）、あるいは回転軸にディスクを設置するために中心が固定点として通常使われるためである。しかしながら、遠心力の変化割合は、半径方向距離がより大きくなる位置では、ほとんど異ならない。例えば、４ｃｍと５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ間の遠心力の比率は４：５である。それらの間の変化割合が小さいため、５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出するとき、４ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は、また急に噴出するかもしれない。しかし、１ｃｍの同じ間隔であれば、１ｃｍと２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブの間の遠心力の比率は１：２である。２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出した時、１ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は噴出しないかもしれない。したがって、リザーバから前記毛細管バルブを通ってチャンネル内に流体を連続して放出するために、毛細管バルブ間での噴出回転数の差は十分に大きくするべきである。
【００４５】
3.毛細管バルブの内面のバルブ幅、姿勢、特性及び流体の連続放出の関係の評価
【００４６】
図６Ａ及び６Ｂを参照するに、本発明に係るマイクロ流体素子の好適な具体例が実施されており、該具体例では、枝チャンネル２１Ａが主チャンネル２０Ａと第１のリザーバ３１Ａとの間に設置されており、枝チャンネル２１Ａは遠位端部２１１と、近位端部２１２とを有する。遠位端部２１１は第１の毛細管バルブ４１Ａにつながっている。近位端部２１２は前記遠位端部及び主チャンネル２０Ａにつながっている。前記近位端部は主チャンネル２０Ａと非平行である。より具体的には、前記近位端部は主チャンネル２０Ａ（遠心方向）に垂直である。第１の毛細管バルブ４１Ａは、近位端部２１２と遠位端部２１１との間に設置されている。したがって、第１の毛細管バルブ４１Ａの噴出回転数はさらに増大する。
【００４７】
図６及び表１に示されているように、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅が最も小さく、第２の毛細管バルブ４２Ａのバルブ幅は、第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅よりも広く、第３の毛細管バルブ４３Ａ及び第４の毛細管バルブ４４Ａに対しても同様である。第４の毛細管バルブ４４Ａは、本体１０Ａの中心から最も遠く、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で最も広いバルブ幅を有し、バルブ幅が広ければ広いほど、バルブの噴出回転数はより低い値となる。毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａのバルブ幅の適切な調整によって、毛細管バルブ間の噴出回転数の間隔は大きく増大することができる。
【００４８】
上記の例によると、２つの隣接した毛細管バルブ間の差は、半径方向距離と共に減少する。したがって、水溶液では、本体１０Ａの前記中心から遠い毛細管バルブを除いて、本体１０Ａの前記中心にそれより近い毛細管バルブ４１Ａ、４２
Ａ、４３Ａの内面を疎水性に改質することにより、毛細管バルブ間の噴出回転数の差は大きく増大し、疎水性溶液のためにはその逆もまた同様である。
【００４９】
前述した説明に基づき、流体の連続放出は、前記バルブの前記半径方向位置、前記毛細管バルブのバルブ幅、姿勢及び表面改質の調整によって最適化される。 したがって、本発明に係るマイクロ流体素子は種々の化学の分析プロセスに有益である。
【００５０】
本発明の多数の特徴及び利点が本発明の構造及び機能の詳細と共に述べられたが、開示は説明のために過ぎない。変更は細部にわたって、特に、部品の形状、寸法及び配置の事項について、添付された特許請求の範囲に表現された広義の一般的な意味によって示される充分な範囲で本発明の原理内でなすことができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０、１０Ａ 本体
１１Ａ 位置決め開口
１２Ａ ノッチ
２０、２０Ａ 主チャンネル
２１、２１Ａ 枝チャンネル
２１１ 遠位端部
２１２ 近位端部
３０（３１、３１Ａ、３２、３３、３４） リザーバ
３５１ 混合室（検出室）
３５２ 廃棄物室
４０（４１、４１Ａ、４２、４３、４４） 毛細管バルブ
５０、５０Ａ カバー
５１ 開口
５２Ａ 位置決め穴
５３Ａ 凹所
６０ プラットホーム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体素子に関し、より詳細には、毛細管バルブの噴出回転数を調整することにより、チャンネルに流入する流量の制御特性が改善された、遠心力で機能するマイクロ流体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療、薬学、バイオ工学及び環境モニタリングの進歩のために、圧倒的な化学分析、その関連装置及び専門家が必要とされている。しかしながら、一般の人々にとって、専門知識、装置及び理由に制限を受けることなく、より便利で、より簡単な分析プロセスが必要である。
【０００３】
マイクロエレクトロニクス技術及び半導体の進歩に伴い、多大な努力が、生物学的分析及び生物医学的診断法の分野で、効率的で、敏感で、精密な小型の自動検出技術の開発に捧げられてきた。マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ）の概念は、２９９０年代の初期に提案された。単に１つのμＴＡＳで、完全な化学分析工程として、サンプル準備、化学反応、検体の分離及び精製ならびに検出及び分析が可能となる。このように、μＴＡＳは、より便利で、より簡単な分析プロセスの必要性を満たしている。
【０００４】
μＴＡＳの小型化は、運び易いという点で、有益である。μＴＡＳにマイクロ電子部品を使用することは、電力消費を下げて、コストを下げる。さらに、μＴＡＳは、少量のサンプル又は試薬しか要求しないので、試薬の経費を減少させる。さらに、自動的な化学プロセスの手順の間の、流量、材料の量及び各プロセスでの一連の反応は、分析結果に強い影響を及ぼす。μＴＡＳは、最小化されたバッチ化学処理と見なされている。μＴＡＳの主要な研究の焦点は、マイクロ流体技術である。前記マイクロ流体技術は、バルブ調整、混合、計量、分割及び分離などの種々の流体機能を含んでいる。
【０００５】
微少流体は、機械的マイクロポンプ及び非機械的マイクロポンプを含めて、様々な方法で動かされる。前者は、ぜん動ポンプ、超音波ポンプ及び遠心ポンプを含む。後者は、電気、磁気及び重力の力によって汲み上げるものを含む。遠心ポンプの場合、それが、マイクロ流体ディスクシステムと称されるディスクタイプのマイクロ分析システムで使用される。前記マイクロ流体ディスクシステムは、遠心力によって流体の流れを作り、受動的な毛細管バルブを使って、流体の流れを制御する。受動的な毛細管バルブの根本のメカニズムは、毛細管圧力差すなわちラプラス圧力差が流体の流れを妨げることにある。したがって、流体の流れは、遠心力と毛細管圧との間のバランスを操作することによって、調節することができる。毛細管圧力に打ちかつ遠心力に対応する臨界回転数は、噴出回転数と呼ばれている。
【０００６】
マイクロ流体システムの毛細管バルブについては、現在、多数の関連技術が公開されている。米国特許第6,143,248号明細書は、毛細管圧力が毛細管バルブ及びリザーバの配置、幾何学形状及び表面特性に関連すること、及び流体の量的変化は関連の法則に従うことを開示する。２００１年、アンダーソン（Anderson）等は、マイクロチャネルの一部に疎水性の表面を形成するために、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）により、疎水性材料でマイクロチャネルの一部を改質した。表面特性の変化は、疎水性バルブと呼ばれるバルブ効果を引き起こす。２００３年、フェング（Feng）等は、疎水性バルブが、また、前記バルブ効果を生じさせるために、チャンネルの幾何学を変更することにより、自己組織化単分子膜（ＳＡＭｓ）によって疎水性バルブを作ることができることを開示した。２００４年、チョー（Cho）等は、毛細管バルブに環状チャンネルと長方形チャンネルを採用し、開口部の異なる角度（６０°、９０°及び１２０°）を有する毛細管バルブのモデルを提案し、予測された噴出回転数を実験結果で確認した。２００６年、クワング（Kwang）等は、毛細管バルブで調整することがマイクロ流体管理プロセスに有益であることを示唆し、さらに、マイクロチャネルの幾何学及び表面特性の変化で、毛細管バルブにより、流体の流れを制御し得ることを示した。
【０００７】
しかしながら、前述した参照は、幾何学の変化及び表面改質で流体の流れを調整すること及び噴出回転数を予測する方法を提案するに過ぎない。それらのいずれも、マイクロ流体システムでの毛細管バルブの位置、配置又は姿勢の関係、特に、流体の流れ制御で、マイクロ流体ディスクの中心に近位の位置の意義を明らかにしていない。さらに、より多くのマイクロチャネルを満たすことができるので、現在のほとんどすべてのマイクロチャネルは、マイクロ流体ディスクのより大きな半径方向位置に配置されている。それらのデザイン下では、前記バルブの噴出回転数は、通常２０００ＲＰＭより低い。様々な半径方向距離を有する位置の毛細管バルブの噴出回転数が２０００ＲＰＭより低く制限されるので、それらは、相互に重複する傾向がある。したがって、現在の技術による噴出バルブは、正しい順序で流体を効果的に放出することができない欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第6,143,248号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記欠点を克服すべく、本発明の目的は、前記した問題を緩和もしくは除去し得るマイクロ流体素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るマイクロ流体素子は、本体、複数のチャンネル、複数のリザーバ、複数の毛細管バルブ及びカバーを含む。
【００１１】
前記本体は、円形ディスクの形状であり、上面、中心及び円周を有する。リザーバが前記本体の前記上面に形成されている。チャンネルが前記本体の前記上面に形成されており、各チャンネルは対応する前記リザーバにつながる。前記チャンネルは、主チャンネルと、少なくとも１つの枝チャンネルとを含む。前記主チャンネルは、前記本体の前記上面上に形成されている。前記中心から前記本体の前記円周へ向けて伸長する。
各毛細管バルブが、対応する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置されている。前記カバーは、前記本体の前記上面に設置され、前記リザーバに対応する複数の開口を有する。
【００１２】
好ましくは、前記各毛細管バルブの前記本体の前記中心への距離は、４ｃｍより短い。
【００１３】
好ましくは、前記主チャンネルは、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に、また該第１の端部と前記本体の前記円周との間にある。前記複数の枝チャンネルは、前記主チャンネルにつながる。前記複数のリザーバは、第１のリザーバと、第２のリザーバとを含む。前記第１のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる。前記第２のリザーバは、前記第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成されており、前記枝チャンネルにつながり、前記主チャンネルと連通する。前記毛細管バルブは、第１の毛細管バルブと、第２の毛細管バルブとを含む。前記第１の毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置されている。前記第２の毛細管バルブは、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され、該両者を接続する。
【００１４】
好ましくは、前記第１の毛細管バルブの幅（内径）は、前記第２の毛細管バルブの幅(外径)より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１５】
好ましくは、前記配置は、第３のリザーバ、第４のリザーバ及び第５のリザーバを含む複数のリザーバを有する。前記第５のリザーバは、前記主チャンネルの前記第２の端部につながる。前記第３のリザーバは、前記第２のリザーバと前記第４のリザーバとの間に設置され、対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記第４のリザーバは、前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され、他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記複数の毛細管バルブは、さらに第３の毛細管バルブと、第４の毛細管バルブとを含む。前記第３の毛細管バルブは、対応する前記枝チャンネルに、また前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置される。前記第４の毛細管バルブは、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で対応する前記枝チャンネルに設置される。
【００１６】
好ましくは、前記第２の毛細管バルブの幅は、前記第３の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１７】
好ましくは、前記第３の毛細管バルブの幅は、前記第４の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。
【００１８】
好ましくは、前記第１の毛細管バルブは、疎水性に改質された内面を有する。
【００１９】
好ましくは、前記第４の毛細管バルブ（周縁近くの毛細管バルブ）を除き、前記第１の毛細管バルブ、第２の毛細管バルブ及び第３の毛細管バルブのそれぞれは、疎水性に改質された内面を有する。
【００２０】
さらに好ましくは、本発明に係るマイクロ流体素子は、追加の枝チャンネルを含む。前記追加の枝チャンネルは、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置され、遠位端部及び近位端部を有する。前記遠位端部は、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる。前記近位端部は、前記遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、前記主チャンネルと非平行である。さらに好ましくは、前記追加の枝チャンネルの前記近位端部は、遠心方向に垂直である。
【００２１】
好ましくは、前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である。
【００２２】
好ましくは、前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる。
【００２３】
前述した説明に基づき、本発明に係る前記毛細管バルブの半径方向距離は４ｃｍより小さい。従来のマイクロ流体技術に比較して、前記毛細管バルブは、前記本体の前記中心に、より近い。本発明に係る前記マイクロ流体素子は、流体を連続して放出する点で有益であり得る。前記毛細管バルブの前記バルブ幅、姿勢及び表面改質によって調節することができるので、本発明に係る前記マイクロ流体素子の流体の連続した放出の優れた効果は、化学の分析プロセスへの種々の応用に有益である。
【００２４】
発明の他の目的、利点及び斬新な特徴は、添付図面に関連する以下の詳細な説明から、より明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】毛細管バルブ内の毛細管圧力と遠心力とを説明する図面であり、
【図２】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の平面図であり、
【図３】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の分解斜視図であり、
【図４】図３の主チャンネル、枝チャンネル及びリザーバの組み合わせの平面図であり、
【図５】毛細管バルブの半径方向距離と噴出回転数との関係を示す図面であり、
【図６Ａ】本発明に係るマイクロ流体素子の本体の第２の具体例の平面図であり、
【図６Ｂ】図６Ａのマイクロ流体素子の一部を拡大した平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は、低容量の流体を動かす主な推進力の根拠を遠心法に置く。マイクロチャンネル内を毛細管バルブへ向けて流体が流れる場合、表面張力と、液体、気体及び固体の各相間での界面自由エネルギー変化とに起因する毛細管圧力差は、流れの振る舞いを変化させ、またその流れを停止させる。そのため、受動的な毛細管バルブ調整は、その配置、幾何学形状及び表面改質によって変更することができる。
【００２７】
図１を参照するに、本発明に係る毛細管バルブは、遠心力によって引き起こされた圧力（ΔＰｃ）と、毛細管圧力（ΔＰｃ）とのバランスによって決まる噴出回転数を有する。前記毛細管圧力が一定の場合、前記遠心力によって引き起こされた圧力は、噴出回転数に影響する重要なファクタになる。前記遠心力によって引き起こされた圧力は、下式によって決まる。
【００２８】
毛細管圧力は、下式によって決まる。
【００２９】
プラットホームの回転数を変更することにより、マイクロ流体ディスクの中心から異なる半径距離に置かれたリザーバで遠心力によって引き起こされた圧力を調整することができる。前記プラットホームの回転数が予め決められたリザーバの噴出回転数よりも高くなると、該予め決められたリザーバ内流体サンプルは、遠心力に動かされ、前記毛細管バルブを流れ過ぎるように前記毛細管バルブの毛細管圧力に打ち勝つ。
【００３０】
図２及び図３を参照するに、本発明は、本体１０と、主チャンネル２０と、複数の枝チャンネル２１と、複数のリザーバ３０と、複数の毛細管バルブ４０と、カバー５０とを含むマイクロ流体素子を提供する。
【００３１】
本体１０は、円形のディスク形状であり、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）及び環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）及びそれらの代用材料から成るグループから選ばれた材料で作られる。本体１０は、上面、中心及び円周を有する。
【００３２】
主チャンネル２０及び枝チャンネル２１は、本体１０の上面に形成されている。 主チャンネル２０は、本体１０の中心から本体１０の円周の方向へ向けて伸長し、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側にあり、該第１の端部と本体１０の前記円周との間に置かれている。各枝チャンネル２１は、主チャンネル２０につながり、又該主チャンネルに連通する。
【００３３】
各リザーバ３０は、本体１０の前記上面に形成されている。リザーバ３０の数は、分析の要件によって決められる。本発明の好適な具体例では、図４を参照するに、本発明に係る前記マイクロ流体素子は、第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３、第４のリザーバ３４及び第５のリザーバ３５を含む５個のリザーバを備える。第１のリザーバ３１は、主チャンネル２０の前記第１の端部につながる。第１のリザーバ３１の半径方向の距離は、すべての前記リザーバの中で最も短い。第１のリザーバ３１は、前記リザーバのうち、本体１０の前記中心に最も近い。本書で使用されている「半径方向距離」は、本体１０の前記中心から対象までの距離をいう。第５のリザーバ３５は、主チャンネル２０の前記第２の端部につながり、該第２の端部に連通する。第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４は、第１のリザーバ３１と第５のリザーバ３５との間に位置しており、対応する枝チャンネル２１にそれぞれつながり、また連通する。さらに図２を参照するに、第５のリザーバ３５は、混合室３５１及び廃棄物室３５２を含む。混合室３５１は、主チャンネル２０から流出する流体を収集するために、主チャンネル２０の前記第２の端部につながる。廃棄物室３５２は、混合室３５１から流出する流体を収集するために、混合室３５１につながる。
【００３４】
主チャンネル２０、枝チャンネル２１及びリザーバ３１、３２、３３、３４、３５は、機械加工、鋳造又はホトリソグラフィ及びそれらの代用の処理により、本体１０の前記上面に形成される。
【００３５】
各毛細管バルブ４０は、対応する主チャンネル２０又は対応する枝チャンネル２１に設置されている。毛細管バルブの数及び配置は、分析又は製造の要件によって決められる。本発明に係る好適な具体例では、さらに図４を参照するに、前記マイクロ流体素子は、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４を含む４つの毛細管バルブ４０を備える。第１の毛細管バルブ４１は、主チャンネル２０に設置され、該主チャンネルに連通する。第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４は、それぞれ対応する枝チャンネル２１に設置され、該枝チャンネルに連通する。第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の幾何学的配置の変更やそれらの内面を改質することにより、流体の流れに対する抵抗が生じる。取り扱う流体のほとんどが水溶液であるので、第１、第２及び第３の毛細管バルブ４１、４２及び４３の内面は、疎水性であり、噴出回転数の範囲を拡大できるように、第４（又は最後）の毛細管バルブ４４に疎水性の処理をするべきではない。さらに、バルブ幅は、前記第１（内方）のバルブ４１から第４（外方）のバルブ４４へ向けて内方のバルブほど小さな幅を有する。
【００３６】
さらに図４を参照するに、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離は、それぞれｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４である。好適な具体例では、ｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４
は４ｃｍより短い。
【００３７】
図３を参照するに、カバー５０は、本体１０の前記上面に設置され、複数の開口５１を有する。開口５１は、それぞれ第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４に対応する。カバー５０は、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン、環状オレフィン共重合体及びそれらの代用の物質で作られる。
【００３８】
他の好適な具体例では、図７に示されているように、本発明に係るマイクロ流体素子は、回転プラットホーム６０への設置に適する。回転プラットホーム６０は、複数の柱６１と、フランジ６２とを備える。フランジ６２は、回転プラットホーム６０の前記中心に向けて伸びる複数の突起部６２１を有する。本体１０Ａ は、さらに、複数の位置決め開口１１Ａと、複数のノッチ１２Ａとを有する。位置決め開口１１Ａは、それぞれ本体１０Ａの上面及び下面に貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。ノッチ１２Ａは、前記本体の縁部にそれぞれ形成され、突起部６２１に対応して該突起部に係合する。カバー５０Ａは、さらに、複数の位置決め穴５２Ａ及び複数の凹所５３Ａを有する。位置決め穴５２Ａは、それぞれカバー５０Ａの上面及び下面を貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。凹所５３Ａは、それぞれカバー５０Ａの縁部に形成され、回転プラットホーム６０のフランジ６２の突起部６２１に対応して該突起部に係合する。前記構造体では、回転プラットホーム６０の回転時、本体１０Ａ及びカバー５０Ａを回転プラットホーム６０に確実に取り付けることができ、また突起部６２１とノッチ１２Ａ及び凹所５３Ａとの間、柱６１と位置決め開口１１Ａ及び位置決め穴５２Ａとの間の係合を介して互いの位置合わせを容易になすことができる。
【例】
【００３９】
1.毛細管バルブの半径方向距離と、噴出回転数との間の評価関係
【００４０】
毛細管バルブ４０の１つは、０．５ｃｍの半径方向距離で形成され、その他のバルブは、本体１０上に０．４ｃｍの間隔で形成される。各毛細管バルブ４０のバルブ幅は２００μｍである。各毛細管バルブの噴出回転数が決めらる。前記毛細管バルブの半径方向距離と噴出回転数との間の関係が、図５に示されている。０と１．５ｃｍとの間の比較的短い半径方向距離の範囲内では、各毛細管バルブ４０の噴出回転数は、半径方向距離につれて大きく異なる。他方、２．０と４．５ｃｍとの間のより長い半径方向距離の範囲内では、毛細管バルブ４０の噴出回転数は、互いに僅かしか異ならず、重なり合いさえする。
【００４１】
2.毛細管バルブの噴出回転数と異なる半径方向距離との比較
【００４２】
表１は第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離及びバルブ幅を示す。主チャンネル２０と枝チャンネル２１の深さは、すべて２００μｍである。毛細管バルブ４１、４２、４３、４４の内面は、疎水性の試薬によって改質され、その後、開口５１を経て対応するリザーバ３１、３２、３３、３４に１．０から１．４μｌの液体が注入される。前記マイクロ流体素子が回転する時、回転数は、１００ＲＰＭ／秒の角加速度で始まり、５００ＲＰＭになると、１０００ＲＰＭ／秒の角加速度で３０秒について５０ＲＰＭの増加が続く。液体が毛細管バルブ４１、４２、４３、４４に噴出し、チャンネル２０、２１内を流れる時点で検出された回転速度は、先に述べた毛細管状のバルブの噴出回転数として決定される。本発明に開示された配置（中心の近くにバルブを配置した状態）と、従来のバルブ配置（中心から離れてバルブを置いた状態）と比較するに、表１に示されているように、同様なバルブ配置に関し、第１の毛細管バルブ４１の噴出回転数が約２．５倍に増大し、第１の毛細管バルブ４１と第２の毛細管バルブ４２の噴出回転数の差が４倍に増大する。同様な結果が毛細管バルブ４２、４３、４４の残りから観察され、より小さな半径方向距離での毛細管の噴出回転数は、より大きい半径方向距離でのそれに比較して、大きく増加することを示している。
【００４３】
【表１】
【００４４】
従来のマイクロ流体素子の毛細管バルブについては、半径方向距離は、通常１．５ｃｍから６ｃｍの間で設計される。その理由は、ディスクが射出成形で製造され、中心が射出点として使われており、取り除く必要があるため（ＣＤ製造など）、あるいは回転軸にディスクを設置するために中心が固定点として通常使われるためである。しかしながら、遠心力の変化割合は、半径方向距離がより大きくなる位置では、ほとんど異ならない。例えば、４ｃｍと５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ間の遠心力の比率は４：５である。それらの間の変化割合が小さいため、５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出するとき、４ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は、また急に噴出するかもしれない。しかし、１ｃｍの同じ間隔であれば、１ｃｍと２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブの間の遠心力の比率は１：２である。２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出した時、１ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は噴出しないかもしれない。したがって、リザーバから前記毛細管バルブを通ってチャンネル内に流体を連続して放出するために、毛細管バルブ間での噴出回転数の差は十分に大きくするべきである。
【００４５】
3.毛細管バルブの内面のバルブ幅、姿勢、特性及び流体の連続放出の関係の評価
【００４６】
図６Ａ及び６Ｂを参照するに、本発明に係るマイクロ流体素子の好適な具体例が実施されており、該具体例では、枝チャンネル２１Ａが主チャンネル２０Ａと第１のリザーバ３１Ａとの間に設置されており、枝チャンネル２１Ａは遠位端部２１１と、近位端部２１２とを有する。遠位端部２１１は第１の毛細管バルブ４１Ａにつながっている。近位端部２１２は前記遠位端部及び主チャンネル２０Ａにつながっている。前記近位端部は主チャンネル２０Ａと非平行である。より具体的には、前記近位端部は主チャンネル２０Ａ（遠心方向）に垂直である。第１の毛細管バルブ４１Ａは、近位端部２１２と遠位端部２１１との間に設置されている。したがって、第１の毛細管バルブ４１Ａの噴出回転数はさらに増大する。
【００４７】
図６及び表１に示されているように、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅が最も小さく、第２の毛細管バルブ４２Ａのバルブ幅は、第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅よりも広く、第３の毛細管バルブ４３Ａ及び第４の毛細管バルブ４４Ａに対しても同様である。第４の毛細管バルブ４４Ａは、本体１０Ａの中心から最も遠く、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で最も広いバルブ幅を有し、バルブ幅が広ければ広いほど、バルブの噴出回転数はより低い値となる。毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａのバルブ幅の適切な調整によって、毛細管バルブ間の噴出回転数の間隔は大きく増大することができる。
【００４８】
上記の例によると、２つの隣接した毛細管バルブ間の差は、半径方向距離と共に減少する。したがって、水溶液では、本体１０Ａの前記中心から遠い毛細管バルブを除いて、本体１０Ａの前記中心にそれより近い毛細管バルブ４１Ａ、４２
Ａ、４３Ａの内面を疎水性に改質することにより、毛細管バルブ間の噴出回転数の差は大きく増大し、疎水性溶液のためにはその逆もまた同様である。
【００４９】
前述した説明に基づき、流体の連続放出は、前記バルブの前記半径方向位置、前記毛細管バルブのバルブ幅、姿勢及び表面改質の調整によって最適化される。 したがって、本発明に係るマイクロ流体素子は種々の化学の分析プロセスに有益である。
【００５０】
本発明の多数の特徴及び利点が本発明の構造及び機能の詳細と共に述べられたが、開示は説明のために過ぎない。変更は細部にわたって、特に、部品の形状、寸法及び配置の事項について、添付された特許請求の範囲に表現された広義の一般的な意味によって示される充分な範囲で本発明の原理内でなすことができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０、１０Ａ 本体
１１Ａ 位置決め開口
１２Ａ ノッチ
２０、２０Ａ 主チャンネル
２１、２１Ａ 枝チャンネル
２１１ 遠位端部
２１２ 近位端部
３０（３１、３１Ａ、３２、３３、３４） リザーバ
３５１ 混合室（検出室）
３５２ 廃棄物室
４０（４１、４１Ａ、４２、４３、４４） 毛細管バルブ
５０、５０Ａ カバー
５１ 開口
５２Ａ 位置決め穴
５３Ａ 凹所
６０ プラットホーム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面、中心及び円周及び下面を有する円形ディスク形状の本体と、
前記本体の前記上面に形成された複数のリザーバと、
前記本体の前記上面に形成され前記本体の前記中心から前記円周方向へ伸びる主チャンネル及び前記本体の前記上面に形成され前記リザーバにつながる少なくとも１つの枝チャンネルを含み、前記本体の前記上面に形成された複数のチャンネルと、
複数の毛細管バルブであってそれぞれが対向する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置された複数の毛細管バルブと、
前記本体の前記上面に設置され前記リザーバに対応する複数の開口を有するカバーとを含む、マイクロ流体素子。
【請求項２】
前記各毛細管バルブの前記本体の前記中心への距離は、４ｃｍより短い、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項３】
前記主チャンネルは、第１の端部と、該第１の端部と反対側に該第１の端部と前記本体の前記円周との間の第２の端部とを有し、
複数の枝チャンネルは前記主チャンネルにつながり、
前記複数のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる第１のリザーバと、該第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成され１つの前記枝チャンネルにつながりまた前記主チャンネルに連通する第２のリザーバとを含み、
前記毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルの前記第１の端部との間に設置された第１の毛細管バルブと、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され該両者を接続する第２の毛細管バルブとを含む、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項４】
前記第１の毛細管バルブの幅は、前記第２の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、その噴出回転数間の差は増大する、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項５】
前記複数のリザーバは、さらに、
前記主チャンネルの前記第２の端部につながる第５のリザーバと、
前記第２のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第３のリザーバと、
前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第４のリザーバとを含み、
前記複数の毛細管バルブは、さらに、
前記対応する枝チャンネルに、前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第３の毛細管バルブと、
前記対応する枝チャンネルに、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第４の毛細管バルブとを含む、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項６】
前記第２の毛細管バルブの幅は、前記第３の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、両者の噴出回転数間の差は増大する、請求項５に記載のマイクロ流体素子。
【請求項７】
前記第３の毛細管バルブの幅は、前記第４の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、両者の噴出回転数間の差は増大する、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項８】
前記第１の毛細管バルブは、疎水性に改質された内面を有する、請求項４に記載のマイクロ流体素子。
【請求項９】
前記第２の毛細管バルブ、前記第３の毛細管バルブ及び前記第４の毛細管バルブのぞれぞれは、疎水性に改質された内面を有する、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１０】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１１】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項８に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１２】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項９に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１３】
前記近位端部は、前記本体の半径方向に垂直である、請求項１０に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１４】
前記近位端部は、前記本体の半径方向に垂直である、請求項１１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１５】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１６】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項７に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１７】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項８に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１８】
前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１９】
前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる、請求項４に記載のマイクロ流体素子。
【請求項２０】
前記本体は、さらに、該本体の前記上面及び下面を貫通する複数の位置決め開口と、前記本体の縁部に形成された複数のノッチとを備え、
前記カバーは、さらに、前記カバーの上面及び下面を貫通し前記本体の前記位置決め開口に対応する複数の位置決め穴と、前記カバーの縁部に形成され前記本体の前記ノッチに対応する複数の凹所とを備える、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１】
上面、中心及び円周及び下面を有する円形ディスク形状の本体と、
前記本体の前記上面に形成された複数のリザーバと、
前記本体の前記上面に形成され前記本体の前記中心から前記円周方向へ伸びる主チャンネル及び前記本体の前記上面に形成され前記リザーバにつながる少なくとも１つの枝チャンネルを含み、前記本体の前記上面に形成された複数のチャンネルと、
複数の毛細管バルブであってそれぞれが対向する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置された複数の毛細管バルブと、
前記本体の前記上面に設置され前記リザーバに対応する複数の開口を有するカバーとを含む、マイクロ流体素子。
【請求項２】
前記各毛細管バルブの前記本体の前記中心への距離は、４ｃｍより短い、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項３】
前記主チャンネルは、第１の端部と、該第１の端部と反対側に該第１の端部と前記本体の前記円周との間の第２の端部とを有し、
複数の枝チャンネルは前記主チャンネルにつながり、
前記複数のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる第１のリザーバと、該第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成され１つの前記枝チャンネルにつながりまた前記主チャンネルに連通する第２のリザーバとを含み、
前記毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルの前記第１の端部との間に設置された第１の毛細管バルブと、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され該両者を接続する第２の毛細管バルブとを含む、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項４】
前記第１の毛細管バルブの幅は、前記第２の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、その噴出回転数間の差は増大する、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項５】
前記複数のリザーバは、さらに、
前記主チャンネルの前記第２の端部につながる第５のリザーバと、
前記第２のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第３のリザーバと、
前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第４のリザーバとを含み、
前記複数の毛細管バルブは、さらに、
前記対応する枝チャンネルに、前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第３の毛細管バルブと、
前記対応する枝チャンネルに、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第４の毛細管バルブとを含む、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項６】
前記第２の毛細管バルブの幅は、前記第３の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、両者の噴出回転数間の差は増大する、請求項５に記載のマイクロ流体素子。
【請求項７】
前記第３の毛細管バルブの幅は、前記第４の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、両者の噴出回転数間の差は増大する、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項８】
前記第１の毛細管バルブは、疎水性に改質された内面を有する、請求項４に記載のマイクロ流体素子。
【請求項９】
前記第２の毛細管バルブ、前記第３の毛細管バルブ及び前記第４の毛細管バルブのぞれぞれは、疎水性に改質された内面を有する、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１０】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項３に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１１】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項８に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１２】
さらに、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置された追加の枝チャンネルを含み、該追加の枝チャンネルは、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる遠位端部と、該遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、該主チャンネルに非平行な近位端部とを含む、請求項９に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１３】
前記近位端部は、前記本体の半径方向に垂直である、請求項１０に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１４】
前記近位端部は、前記本体の半径方向に垂直である、請求項１１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１５】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項６に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１６】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項７に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１７】
前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である、請求項８に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１８】
前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【請求項１９】
前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる、請求項４に記載のマイクロ流体素子。
【請求項２０】
前記本体は、さらに、該本体の前記上面及び下面を貫通する複数の位置決め開口と、前記本体の縁部に形成された複数のノッチとを備え、
前記カバーは、さらに、前記カバーの上面及び下面を貫通し前記本体の前記位置決め開口に対応する複数の位置決め穴と、前記カバーの縁部に形成され前記本体の前記ノッチに対応する複数の凹所とを備える、請求項１に記載のマイクロ流体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１９４０２６（Ｐ２０１２−１９４０２６Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５７６４６（Ｐ２０１１−５７６４６）
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（５０８１４７９４６）揚博科技股▲ふん▼有限公司 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１６日（２０１１．３．１６）
【出願人】（５０８１４７９４６）揚博科技股▲ふん▼有限公司 (2)
【Ｆターム（参考）】
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