特許 5677414 ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置および方法ならびにこの装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5677414

(24)【登録日】2015年1月9日

(45)【発行日】2015年2月25日

(54)【発明の名称】ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置および方法ならびにこの装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 35/08 20060101AFI20150205BHJP

   B01J 19/00 20060101ALI20150205BHJP

   B81B 5/00 20060101ALI20150205BHJP

   F16K 7/10 20060101ALI20150205BHJP

   F16K 31/44 20060101ALI20150205BHJP

   G01N 37/00 20060101ALI20150205BHJP

【ＦＩ】

   G01N35/08 A

   B01J19/00 321

   B81B5/00

   F16K7/10

   F16K31/44 Z

   G01N37/00 101

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-512289(P2012-512289)

(86)(22)【出願日】2010年4月29日

(65)【公表番号】特表2012-528308(P2012-528308A)

(43)【公表日】2012年11月12日

(86)【国際出願番号】EP2010055817

(87)【国際公開番号】WO2010136298

(87)【国際公開日】20101202

【審査請求日】2012年3月27日

(31)【優先権主張番号】102009023430.6

(32)【優先日】2009年5月29日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】505258715

【氏名又は名称】ベーリンガー インゲルハイム フェトメディカ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】Ｂｏｅｈｒｉｎｇｅｒ Ｉｎｇｅｌｈｅｉｍ Ｖｅｔｍｅｄｉｃａ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100092093

【弁理士】

【氏名又は名称】辻居 幸一

(74)【代理人】

【識別番号】100082005

【弁理士】

【氏名又は名称】熊倉 禎男

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103609

【弁理士】

【氏名又は名称】井野 砂里

(74)【代理人】

【識別番号】100095898

【弁理士】

【氏名又は名称】松下 満

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100171675

【弁理士】

【氏名又は名称】丹澤 一成

(72)【発明者】

【氏名】グンブレヒト、ヴァルター

(72)【発明者】

【氏名】フリードリッヒ、カチャ

(72)【発明者】

【氏名】パウリカ、ペーター

【審査官】 遠藤 孝徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−２８２６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−８５５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 英国特許出願公開第１２４３４３５（ＧＢ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−１１００２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／１２１６９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特表２００３−５２４７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２０７２９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３０４２３３３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特表２００３−５３６０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第３９６４１９３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００４−１００６０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５２０２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５１９５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０９２４７２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第４００６７５３（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第３６１３７２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表平１１−５０２５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９４３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−５０４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２０１６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８３９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５４−７８５２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ３５／００ − ３７／００

Ｂ０１Ｊ １９／００ − １９／３２

Ｂ８１Ｂ ５／００

Ｆ１６Ｋ ７／００ − ７／２０

Ｆ１６Ｋ ３１／４４ − ３１／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mに配置され、フローチャネル（４'）内の流体流を制御するようにそれぞれ設計されている複数のバルブからなるバルブアレイを有し、ｎおよびｍは整数であり、さらに前記バルブの操作機構（１３）を有し、
前記バルブアレイは少なくとも２つのバルブを含み、各列Ｓ_nはバルブを有していないかまたは最多でも１つのバルブを有し、各行Ｚ_mは０〜ｎ個のバルブを有している、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置において、
前記バルブの操作機構（１３）は、ｎ'個の列Ｓ_n'およびｍ'個の行Ｚ_m'に配置され平面から突出する複数の隆起部を備える１つの平坦なプレート（１２）を有し、隣接する列Ｓ_n'の間隔はバルブの隣接する列Ｓ_nの間隔に等しい、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置。

【請求項2】

平坦な前記プレート（１２）は、前記バルブアレイの列Ｓ_nに平行に延びている第１の方向に前記バルブアレイに対して移動可能に支承されている請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記プレート（１２）の平面から突出する複数の隆起部は、平坦な前記プレート（１２）が前記第１の方向に沿って前記バルブアレイに対して移動する際に予め定められたプログラムに従って制御されながら個々のバルブが閉じられるとともに他のバルブが開かれるように、ｎ'個の列Ｓ_n'およびｍ'個の行Ｚ_m'に配置されている請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記バルブアレイはチップカードに配置され、前記チップカードはクレジットカード形状のプラスチック材料製の平たい本体（１）を含み、該本体の前面（１０）にはフィルム（５）が装着され、前記本体（１）には前記前面（１０）の表面にフローチャネル（４'）が切欠きとして配置され、バルブはそれぞれの前記フローチャネル（４'）に少なくとも部分的に隣接して配置されたエラストマー材料（２）を含んでいる請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。

【請求項5】

前記本体（１）はポリカーボネートまたはポリプロピレンから構成され、および／または前記エラストマー（２）は熱可塑性エラストマー、またはポリプロピレンとエチレン−プロピレン−ジエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物である請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記チップカードは前記バルブの操作機構（１３）の中にサンドイッチ状に配置され、前記チップカードの裏面（１１）には各バルブに対してそれぞれ機構プレート（７ａ）に各バルブを操作するための１つのピストン（８）が配置され、前記ピストン（８）は前記ピストン（８）とバルブとの間で押圧力が生じないように少なくとも１つのばねを介して前記機構プレート（７ａ）とピストン（８）との間に初期応力をかけられている請求項４または５に記載の装置。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の装置の制御方法において、複数のバルブがそれぞれ押圧力で各バルブを付勢することによって操作され、押圧力で付勢されないときはバルブは開いていてこのバルブを付設されたフローチャネル（４'）の中を流体が流れ、バルブが押圧力で付勢されるとそのバルブが閉じてこのバルブを付設されたフローチャネル（４'）内で流体流が遮断される、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置の制御方法。

【請求項8】

平坦なプレート（１２）が複数のバルブからなるバルブアレイに対して列Ｓ_nに平行に移動することによって、バルブの開閉が事前設定されたプログラムに従って行われる請求項７に記載の方法。

【請求項9】

平坦な前記プレート（１２）のｍ'個の行Ｚ_m'と、前記バルブアレイのｍ個の行Ｚ_mとの間の差が、少なくとも１つのバルブが操作されるプロセスステップの数を生じる請求項８に記載の方法。

【請求項10】

平坦な前記プレート（１２）は前記バルブアレイに対して相対的に固定的な速度で移動され、全ての行Ｚ_mの相互間隔が等しいときには１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_m'の相互間隔によって規定され、または、全ての行Ｚ_m'の相互間隔が等しいときには１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_mの相互間隔によって規定される請求項９に記載の方法。

【請求項11】

平坦な前記プレート（１２）は前記バルブアレイに対して相対的にプロセスステップの時間に合わせられた速度で移動され、行Ｚ_mはそれぞれ相互に、および行Ｚ_m'はそれぞれ相互に、等しい間隔をおいて配置される請求項９に記載の方法。

【請求項12】

請求項１から６のいずれか１項に記載の装置の製造方法において、ｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mへのアレイの複数のバルブの配置に依存して複数のフローチャネル（４'）が設けられる、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数のバルブからなるバルブアレイを有する、ラブ・オン・ア・チップ・システム（Lab-on-a-Chip-System）内の流体流の制御装置に関する。これらのバルブはｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mに配置され、ｎおよびｍは整数である。これらのバルブはそれぞれ、バルブが属するフローチャネル内の流体流を制御するように設計されている。さらに本装置はバルブの操作機構を有している。上に述べたような構成要件を備える本装置は、たとえば特許文献１から公知である。さらに本発明は、このようなラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御方法、および本装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

バイオセンサ工学では、生化学分析を並行して実施できるようにするために、ラブ・オン・ア・チップ・システムが使用されている。たとえばプラスチックカードからなる支持体に、マイクロ流体装置と、複数のセンサからなるセンサアレイを備えるチップとが組み込まれている。センサアレイは、たとえばチップ上の列および行に配置された複数の電気化学センサで構成されている。これらのセンサは、検出されるべき物質が特異的に結合する分子で被覆されている。特異的な結合が電流および／または電圧の変化を通じて電気化学式に検出される。それにより、たとえば血液や尿のような検査されるべき溶液において、たとえば抗体、ペプチド、ＤＮＡなどの生化学物質を検出することができる。

【0003】

測定された電気化学信号は、チップ上の集積回路によって直接処理することができ、または、外部の評価ユニットを介してチップから読み取ることができる。検査のために必要な薬品は、外部の評価ユニットから支持体へ供給することができ、または、たとえば乾燥試薬としてすでに支持体に存在している。検査にあたっては溶液すなわち液体が支持体に供給され、支持体のマイクロチャネルを介して反応室の中に案内される。反応室内にはセンサアレイを備えるチップがある。検出のために必要な反応は、マイクロチャネルおよび／または反応室の中で行うことができる。

【0004】

検出のために必要な複雑な生化学反応の際、溶液の液体流がコントロールされなくてはならない。たとえば、マイクロチャネルの領域で液体が事前設定された時間だけ滞留することが必要になる場合があり、これは、たとえば当該領域に保管されている乾燥試薬が溶けて、化学反応を行えるようにするためである。化学反応が完了した後で初めて、液体がマイクロチャネル内をさらに案内される。さらに、反応室内で生化学物質を検出する際、反応室を液密に閉止することが必要になる場合がある。このために、支持体には複数のバルブ（弁）が設けられている。これらのバルブは選択された特定の個所で、たとえば反応室の流入部および流出部で、支持体に配置される。

【0005】

特許文献１より、マイクロチャネルを閉止するように構成され複数のバルブからなるバルブアレイが公知である。マイクロチャネルは、マイクロチャネルの側で薄い隔膜により覆われた第１の支持体の中に配置されている。薄い隔膜は、第１の支持体と第２の支持体との間にサンドイッチ状に配置されている。第２の支持体には、ばねによって隔膜を介して第１の支持体のマイクロチャネルの開口部に押圧することができるピストン類似の機構が配置されている。このときマイクロチャネルは隔膜によって閉止される。記載されているバルブは、フローチャネルの位置に応じて支持体の上に配置される。これらのバルブは互いに別々に個別的に制御される。

【0006】

複雑な分析プロセスでは、複数の化学プロセスを互いに別々に同時に、１つのチップカード上で実施することが絶対に必要である。そのためには、バルブアレイの複数のバルブがチップカードの上で同時に操作されなくてはならない。たとえば特許文献１に記載されているような従来技術のシステムは、バルブを互いに別々に個別的に制御しており、このことは非常に手間がかかり、高いコストにつながる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】欧州特許第０１８００６４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そこで本発明の課題は、複数のバルブからなるバルブアレイを備え、簡単でコスト的に手頃な構造によって複数のバルブを同時に制御することができる装置を提供することにある。さらに本発明の課題は、高いコストのかかる電子装置や複数のバルブの個別的な電気制御なしで、固定的なプログラムに従って各バルブの制御を同時に可能にする方法を提供することにある。これらのバルブの配置を前提としたうえでバルブアレイを製造する方法も、本発明の課題である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の課題は、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置に関しては、ｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mに配置され、フローチャネル内の流体流を制御するようにそれぞれ設計されている複数のバルブからなるバルブアレイを有し、ｎおよびｍは整数であり、さらにバルブの操作機構を有し、バルブアレイは少なくとも２つのバルブを含み、各列Ｓ_nはバルブを有していないかまたは最多でも１つのバルブを有し、各行Ｚ_mは０〜ｎ個のバルブを有しているラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置において、バルブの操作機構は、ｎ'個の列Ｓ_n'およびｍ'個の行Ｚ_m'に配置され平面から突出する複数の隆起部を備える１つの実質的に平坦なプレートを有し、隣接する列Ｓ_n'の間隔はバルブの隣接する列Ｓ_nの間隔に等しいことによって解決される（請求項１）。
上述の課題は、このような装置の制御方法に関しては、複数のバルブがそれぞれ、特に少なくとも１つのピストンを介して与えられる押圧力で各バルブを付勢することによって操作され、押圧力で付勢されないときはバルブは開いていてこのバルブを付設されたフローチャネルの中を流体が流れ、バルブが押圧力で付勢されるとそのバルブが閉じてこのバルブを付設されたフローチャネル内で流体流が遮断されることによって解決される（請求項７）。
上述の課題は、このような装置の製造方法に関しては、ｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mへのアレイの複数のバルブの配置に依存して複数のフローチャネルが設けられることによって解決される（請求項１２）。

【0010】

本発明によるラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置の好ましい実施態様は、次の通りである。
・実質的に平坦なプレートは、バルブアレイの列Ｓ_nに平行に延びている第１の方向にバルブアレイに対して移動可能に支承されている（請求項２）。
・プレートの平面から突出する複数の隆起部は、実質的に平坦なプレートが第１の方向に沿ってバルブアレイに対して移動する際に予め定められたプログラムに従って制御されながら個々のバルブが閉じられるとともに他のバルブが開かれるように、ｎ'個の列Ｓ_n'およびｍ'個の行Ｚ_m'に配置されている（請求項３）。
・バルブアレイはチップカードに配置され、チップカードはクレジットカード形状のプラスチック材料製の平たい本体を含み、該本体の前面にはフィルム、特に粘着性フィルムが装着され、本体には前面の表面にフローチャネルが切欠きとして配置され、バルブはそれぞれのフローチャネルに少なくとも部分的に隣接して配置されたエラストマー材料を含んでいる（請求項４）。
・本体はポリカーボネートまたはポリプロピレンから構成され、および／またはエラストマーは熱可塑性エラストマー、特にゴム、またはポリプロピレンとエチレン−プロピレン−ジエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物である（請求項５）。
換言すれば、本体はポリカーボネートまたはポリプロピレンから構成され、
または、エラストマーは熱可塑性エラストマー、特にゴム、またはポリプロピレンとエチレン−プロピレン−ジエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物であり、
または、本体はポリカーボネートまたはポリプロピレンから構成され、かつ、エラストマーは熱可塑性エラストマー、特にゴム、またはポリプロピレンとエチレン−プロピレン−ジエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物である。
・チップカードはバルブの操作機構の中にサンドイッチ状に配置され、チップカードの裏面には各バルブに対してそれぞれ機構プレートに各バルブを操作するための１つのピストンが配置され、ピストンはピストンとバルブとの間で押圧力が実質的に生じないように少なくとも１つのばねを介して機構プレートとピストンとの間に初期応力をかけられている（請求項６）。
ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置の制御方法の好ましい実施態様は、次の通りである。
・実質的に平坦なプレートが複数のバルブからなるバルブアレイに対して列Ｓ_nに平行に移動することによって、バルブの開閉が事前設定されたプログラムに従って行われる（請求項８）。
・実質的に平坦な前記プレートのｍ'個の行Ｚ_m'と、バルブアレイのｍ個の行Ｚ_mとの間の差が、少なくとも１つのバルブが操作されるプロセスステップの数を生じる（請求項９）。
・実質的に平坦な前記プレートはバルブアレイに対して相対的に固定的な速度で移動され、全ての行Ｚ_mの相互間隔が等しいときには１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_m'の相互間隔によって規定され、または、全ての行Ｚ_m'の相互間隔が等しいときには１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_mの相互間隔によって規定される（請求項１０）。
・実質的に平坦な前記プレートはバルブアレイに対して相対的にプロセスステップの時間に合わせられた速度で移動され、行Ｚ_mはそれぞれ相互に、および行Ｚ_m'はそれぞれ相互に、等しい間隔をおいて配置される（請求項１１）。
なお、独立請求項の構成要件を従属請求項の構成要件と組み合わせることができ、および、従属請求項の構成要件を相互に組み合わせることができる。

【0011】

本発明によるラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置は複数のバルブからなるバルブアレイを有し、バルブはｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mに配置されている。ここでｎおよびｍは整数である。アレイは少なくとも２つのバルブを含み、各列Ｓ_nはバルブを有していないかまたは最多でも１つのバルブを有し、各行Ｚ_mは０〜ｎ個のバルブを有している。バルブはこのバルブを付設されたフローチャネルの中の流体流を制御するように設計されている。さらに本発明による装置は、バルブの操作機構を有している。

【0012】

アレイにおけるバルブの特別な配置が簡単な制御を可能にする。各列には１つのバルブしかない。しかし、行にある任意の多数のバルブによって、必要な如何なるバルブ構造であっても具体化可能である。というのは、列の数および行の数が自由に選択可能であるからである。制御されるべき化学プロセスの要求、従って分析ないし検査のときの流動性およびプロセス、特に異なる場所で同時に行われるプロセスの時間的進行の要求に応じて、複数のバルブからなるバルブアレイを設計することができる。流体のチャネルおよび室は、バルブアレイの設計に応じて配置される。アレイ形態で複数のバルブを配置することは、本発明による装置の、特に簡単かつ多数のプロセスに適するもしくは再現可能な製造を、簡単な手段によって可能にする。

【0013】

バルブの制御機構は１つの実質的に平坦なプレートを有することができ、このプレートは、ｎ’個の列Ｓ_n'およびｍ’個の行Ｚ_m'に配置され平面から突出する複数の隆起部を備えている。隣接する行Ｓ_n'の間隔は、バルブの隣接する列Ｓ_nの間隔に等しくなっていてよい。

【0014】

バルブの制御機構は、固定的なプログラムに従って同時に全てのバルブを機械式に制御することを可能にする。ｎ’個の列Ｓ_n'およびｍ’個の行Ｚ_m'での該機構の構築は、該機構をバルブアレイに適合させる。

【0015】

実質的に平坦なプレートが、バルブアレイの列Ｓ_nに平行に延びている第１の方向にバルブアレイに対して移動可能に支承されていることによって、実質的に平坦なプレートを動かすことでバルブを制御することができる。プレートの平面から突出する複数の隆起部は、一方では、バルブアレイに対して第１の方向に沿って実質的に平坦なプレートを動かすと、予め定められたプログラムに従って制御されながら個々のバルブが開閉されるように、ｎ’個の列Ｓ_n'およびｍ’個の行Ｚ_m'に配置されていてよい。

【0016】

バルブアレイの各列Ｓ_nには１つのバルブしか配置されていないので、実質的に平坦なプレートの１つの隆起部は、列に沿ってプレートを動かすと、その１つのバルブだけを制御する。隆起部の間隔と個数に応じて、この１つのバルブを開閉することができる。１つの行における複数の隆起部は、１つの行に配置された複数のバルブの同時操作を生じる。このようにバルブおよび隆起部を配置することは、各バルブが制御されるプログラムを規定する。複数のバルブをアレイとして予め定められたように配置すると、複数の隆起部の配置によってプログラムを決定することができる。

【0017】

バルブアレイはチップカードに配置され、チップカードは、クレジットカードの形態のプラスチック材料製の平たい本体を含むことができ、その本体の前面にはフィルム、特に粘着性フィルムが装着されている。本体には前面の表面に、切欠きとしての複数のフローチャネルと、それぞれフローチャネルに少なくとも部分的に隣接して配置されエラストマー材料（エラストマー素材）を含む複数のバルブとが配置されていてよい。それにより、特別に簡単かつコスト的に手頃に製造できるバルブアレイの構造が得られる。チップカードは特にバイオセンサ装置で慣用されており、したがって標準装置として使用することができる。このことも同じくコストを引き下げる。分析装置の全面的に新しいコンセプトを開発しなくてすむからである。

【0018】

プラスチック本体はポリカーボネートまたはポリプロピレンでできていてよい。エラストマーは熱可塑性エラストマー、特にゴム、またはポリプロピレンとエチレン−プロピレン−ジエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物であってよい。このような材料は簡単に加工することができ、コスト的に手頃であり、また、バイオセンサ装置で使用される大半の化学薬品に対して不活性である。しかも、このような材料は分析されるべき物質と全く反応しないかもしくは僅かしか反応しない。検査を誤らせる物質ないし分子の折り畳みの変化もしくはその他の反応は、このような材料によっては起こらないのが通常である。

【0019】

チップカードは、バルブの操作機構の中にサンドイッチ状に配置されていてよい。チップカードの裏面には、各バルブに関してそれぞれ１つの機構プレートに、各バルブを操作するための１つのピストンが配置されていてよく、ピストンは少なくとも１つのばねを介して機構プレートとピストンとの間で初期応力をかけられており、それゆえピストンとバルブとの間には実質的に押圧力が存在しない。それにより、機械的に高いコストがかかるためにコスト高となる部分はバルブの操作機構の中に収納される。１回だけ使用される使い捨て装置であるチップカードの場合、このようにして安価な材料を、高いコストのかかる生産プロセスなしで使用することができる。

【0020】

バルブの操作機構の中にチップカードをサンドイッチ状に配置することは、確実なかつ位置固定の支承につながり、それによって該機構に対するチップカードの滑りが生じない。それにより、ピストンがバルブを高い信頼度で操作できることが、いつの時点でも保証される。それによって信頼度の高い機能形態が保証される。

【0021】

上に説明した本発明の装置を制御する本発明の方法は、特に少なくとも１つのピストンを介して与えられる押圧力でそれぞれのバルブを付勢することによってバルブがそれぞれ操作されることを含んでいる。押圧力で付勢されないときにはバルブは開いていてこのバルブを付設されたフローチャネルの中を流体が流れ、押圧力でバルブが付勢されるとそのバルブが閉じて、このバルブを付設されたフローチャネル内で流体流が遮断される。

【0022】

この方法は特別に簡単であり、流体流を効率的に制御する。ここで重要なことは、バルブの気密および／または液密な閉止が保証されることである。押圧力による作動によって、バルブおよび作動構造の簡単な構成が可能である。頻繁な開閉がなされたときでも、材料疲労のない高い信頼度の機能形態が実現可能である。

【0023】

バルブの開閉は、実質的に平坦なプレートが列Ｓ_nに平行にバルブアレイに対して動くことによって、事前設定されたプログラムに従って行うことができる。

【0024】

電気的なプログラミングや、高いコストの制御調節ループは必要ない。このことは、頻繁に実施される常に同じ分析プログラムの場合、簡単で信頼度が高くコスト的に手頃な構造および方法につながる。バルブの制御は、実質的に平坦なプレートの運動により、機械式にのみ行うことができる。このことは、正に液体の取扱いや実験室の環境との関連で、高いコストのかかる制御電子装置に比べて故障の起こりやすさが低いので、検査の高い信頼性につながる。

【0025】

バルブの制御機構のｍ’個の行Ｚ_m'と、バルブアレイのｍ個の行Ｚ_mとの間の差は、少なくとも１つのバルブが操作されるプロセスステップの数を生じさせることができる。

【0026】

バルブの制御を含むプロセスは、一方では、実質的に平坦なプレートがバルブアレイに対して相対的に固定的な速度で動くことによって実行することができ、全ての行Ｚ_mのそれぞれの相互間隔が等しいときには、１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_m'のそれぞれの相互間隔によって規定され、または、全ての行Ｚ_m'のそれぞれの相互間隔が等しいときには、１つのプロセスステップの時間は行Ｚ_mのそれぞれの相互間隔によって規定される。

【0027】

実質的に平坦なプレートは一定の速度で、加速する速度の場合よりも簡単かつ少ないコストで確実に駆動することができる。一定の速度での駆動はコスト的に手頃であり、信頼度が高い。プロセスステップの時間を各行の間隔によって規定することは、検査の高い再現性と信頼度につながる。

【0028】

バルブの制御を含むプロセスは、他方では、実質的に平坦なプレートがバルブアレイに対して相対的に、プロセスステップの時間にその都度合わせられている速度で動かされることによって実施することができ、行Ｚ_mはそれぞれ相互に、および行Ｚ_m'はそれぞれ相互に、等しい間隔をおいて配置される。

【0029】

複数の行の等しい相互間隔は本発明による装置の構造と製造を簡素化する。ただし、実質的に平坦なプレートを駆動するためのコストは、加速する運動の場合には高くなる。

【0030】

上に説明した本発明による装置の製造方法は、ｎ個の列Ｓ_nおよびｍ個の行Ｚ_mへのアレイの複数のバルブの配置に応じて、フローチャネル（flow channel）を本発明による装置に設けることを含んでいる。このことは、バルブに依存する本発明による装置の設計を可能にする。比較的高いコストで生産されるべきバルブを前提としたうえで、これに続いてフローチャネルおよび反応室が配置ないし設計される。そのようにして、複数のバルブからなるバルブアレイを常に同じアレイ鋳型で簡単かつコスト的に手頃に、鋳型の再使用によって生産することができ、アレイのどの個所にバルブを設けるかあるいは設けないかを決めるだけでよい。安価で簡単に生産できるチャネルおよび室は、バルブおよび実施されるべき反応や、所望の流動性に依存して決定および製造される。そして設計や製造のコストに関わる利点を、半導体エレクトロニクスと同じように具体化することができる。そこではデバイスが回路の役割や生産技術に応じてチップ上に配置され、デバイスの位置に応じて配線が設計されかつ具体化される。所望の電気回路が得られるように、各デバイスが相互に配線によって電気的に接続される。

【0031】

本発明による装置の制御方法、および本発明による装置の製造方法と結びついた利点は、ラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置に関してすでに説明した利点に準ずる。

【0032】

次に、従属請求項の構成要件に基づく好ましい発展例を含む本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳しく説明するが、これに限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】バルブの構造を示す模式的な断面図である。

【図2】本発明によるラブ・オン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置をバルブの制御機構とともに示す平面図、Ａ−Ａ’切断線に沿う断面図、およびＢ−Ｂ’切断線に沿う断面図である

【発明を実施するための形態】

【0034】

図１には、流体流の制御装置のより良い理解のために、バルブが一例として図示されている。このバルブは、プラスチック材料からなる本体１と、エラストマー材料（エラストマー素材）２とで成り立っている。本体１は支持体つまり基体であり、チップカードの形態を有することができ、埋め込まれたチップには、生化学物質を検出するための電気化学センサアレイが配置されている。説明を簡略にするため、ここではチップカードの構成には詳しくは立ち入らない。たとえば光学式の分析装置のように、チップのない実施形態も可能である。

【0035】

支持体１には、第１の切欠き４が構成されている。第１の切欠き４は、支持体１の前面１０に向かって開いている。この切欠きはチャネルの形態を有し、フローチャネル４’としての役目をする。液体または気体はフローチャネル４’を貫流することができる。第１の切欠き４にすぐ隣接してフローチャネルに接するように、第２の切欠き３が構成されている。この切欠きは第１の切欠き４とともに、第１の切欠き４の部分領域９に共通の境界面を有する。第２の切欠き３は、図１に示すように、支持体１の前面１０から裏面１１まで連続するように構成されている。この切欠き全体に、エラストマー材料２が充填ないし装填されている。

【0036】

支持体１の前面１０には、粘着性フィルム５が平面状に装着されている。粘着性フィルム５の接着層６は、支持体１およびエラストマー材料２上へのフィルム５の良好な付着をもたらす。接着層６を備えるフィルム５は、支持体１およびエラストマー材料２との関連で、フローチャネル４’を周囲環境に対して空気密つまり気密および／または液密に封止する。

【0037】

本発明によるバルブを生化学装置で使用できるようにするためには、液体や気体と接触する材料が、検査されるべき物質と適合性でなくてはならない。生化学検査で使用される液体は、たとえば血液、尿、水、アルコール、またはその他の溶剤である。たとえば生化学装置によって分析または検出されるべき物質は、たとえばタンパク質、ＤＮＡ、抗体などである。これらが使用材料によって影響をうけたり、変化したりしてはならない。

【0038】

支持体１用に使用可能な材料は、製造を簡単にする理由から射出成形技術で加工可能であるのがよい硬質ポリマーである。材料は可塑的であるのがよく、すなわち変形しにくいのがよい。このような物質は、たとえばポリカーボネートやポリプロピレンによって与えられる。第１の切欠き４および第２の切欠き３を備えるチップカードの支持体１が、予備製作された形態で、射出成形技術により１つの作業ステップで製造される。第２の作業ステップで第２の切欠きに、エラストマー材料２が射出成形技術により導入される。エラストマー材料２の考えられる材料としては、熱可塑性エラストマーが特別に適している。特別に良く適している熱可塑性エラストマーの一例は、ポリプロピレンとエチレン−プロピレンージエン−Ｍクラス−エラストマーとからなる混合物であり、これはＳａｎｔｏｐｒｅｎｅ（登録商標）の商標名で知られている。

【0039】

センサアレイを備えるチップは支持体１の中に裏面１１から挿入することができ、読取りユニット７を介して裏面から接触させて読み取ることができる。フローチャネル４’および反応室が配置されている支持体１の前面は、粘着性フィルムによって完全に殺菌状態で覆うことができる。それにより、気密で液密なフローチャネル４’および反応室が得られる。フィルムの考えられる１つの材料は、ポリエチレンである。あるいはこれ以外のフィルム材料も使用可能である。

【0040】

図２には、本発明によるラブ・イン・ア・チップ・システム内の流体流の制御装置が平面図で、およびＡ−Ａ’切断線に沿った断面図で、およびＢ−Ｂ’切断線に沿った断面図で、バルブの制御機構とともに示されている。バルブを備える支持体本体つまり基体本体１は、読取りユニット７の中にサンドイッチ状に取り付けられている。読取りユニット７の一部は、本体１の前面１０および裏面１１に対して押圧されている。それにより、本体１は読取りユニット７の中に不動に支承されている。本体１が電気チップを備えるチップカードの形態で構成されている場合、読取りユニット７はセンサアレイの信号を読み取って処理する。本体１の第１の切欠き４の中での流動プロセスおよび化学反応を制御するために、バルブを読取りユニット７によって操作することができる。

【0041】

図２に断面Ｂ−Ｂ'として示すように、支持体本体つまり基体本体１には２つのバルブが配置されており、バルブの機能形態についてこれらを例に説明する。ピストン８は、バルブを、開いた状態（右側のバルブＩＩ）または閉じた状態（左側のバルブＩ）にすることができる。第１の切欠き４つまりフローチャネル４'は、バルブの操作によって、液密および／または気密に閉止することができる。読取りユニット７内に配置され、この読取りユニット７により制御されるピストン８は、裏面１１からエラストマー材料２へ押圧力を与える。このことは、エラストマー材料２の方向へのピストン８の運動によって行われる。ピストン８によってエラストマー材料２に与えられる押圧力は、エラストマーの変形を引き起こす。エラストマーは第１の切欠き４の方向にしか伸長できないので、第１の切欠き４に入るように押圧される。このことは、第１の切欠き４が、第１の切欠き４の横断面に沿って完全にエラストマーで充填されるまで行われる。このことは、ひいてはバルブが閉止されることを惹起する。

【0042】

ピストン８がエラストマー材料２に対して相対的に離れるように動くと、エラストマーには押圧力がわずかしか作用しないかまったく作用せず、それによってエラストマーは当初の形態に復帰する。エラストマーは第１の切欠きから出るように戻り、それによってこれを解放する。バルブは再び開かれる。

【0043】

複数のバルブを同時に操作するために、複数のピストン８が読取りユニットの固定プレート７ａの上に固定されている。固定プレート７ａは、プラスチック本体１の裏面１１の上にある。ピストン８は、図示しないばねを介して、バルブを開放するように初期応力をかけられており、それにより、この状態のときにはバルブに圧力を与えることがない。複数の隆起部を備える１つの平坦なプレート１２が、読取りユニットの固定プレート７ａの背後に移動可能に配置されている。固定プレート７ａの背後とは、本体１とは異なる側にあるほうの固定プレート７ａの側を表している。移動可能な平坦なプレート１２の１つの隆起部がすぐ下にあると、すなわち１つのピストン８に接触していると、このピストン８はこのピストン８に属するバルブのエラストマー材料２の方向に押圧されて、そのバルブが閉じられる。移動可能な平坦なプレート１２の隆起部がピストン８の背後になければ、ピストンは移動可能な平坦なプレート１２の方向にばねにより押圧され、つまり初期応力をかけられ、エラストマー２に圧力を与えることがない。このピストン８に属しているバルブは開かれる。

【0044】

複数の隆起部を備える移動可能な平坦なプレート１２は、読取りユニット７と連係して、特に複数のピストン８を備える読取りユニットの固定プレート７ａと連係して、バルブの操作機構つまりバルブの制御機構１３を構成する。複数の隆起部を備える移動可能な平坦なプレート１２、および読取りユニットの固定プレート７ａ、ならびにピストン８は、通常、安定性の理由から鋼材などの金属でできている。あるいは、硬質プラスチックのような他の硬い材料も使用可能である。ばねは通常ばね鋼でできている。

【0045】

事前設定されたプログラムに基づくバルブアレイの全てのバルブの同時操作または非操作は、バルブの操作機構１３を介して、特に、実質的に平坦なプレート１２を介して行われる。複数の隆起部を備える移動可能な平坦なプレート１２が読取りユニットの固定プレート７ａに対して相対的に、従って複数のバルブを備えるプラスチック本体１に対して相対的に動くと、プレート１２の上の隆起部の配置に応じて、運動時に隆起部が下に移動したバルブが操作される。プレート１２の、隆起部のない領域がバルブの下に移動すれば、このバルブは開いたまま保たれる。バルブの下にある隆起部が運動によってこのバルブから離れるように移動し、これに代わってプレート１２の領域がそのバルブの下に移動すると、このバルブは開放される。

【0046】

行Ｚ_nおよび列Ｓ_mにバルブを配置し、行Ｚ_n'および列Ｓ_m'に隆起部を配置し、隆起部の列の間隔をバルブアレイの列の間隔に等しくし、列に平行な１つの方向に沿ってプレート１２を動かすことによって、全てのバルブが定められたプログラムに従って同時に操作される。どの列Ｓ_mにも１つのバルブしか配置されていないので、１つの隆起部はバルブを１回だけ操作する。バルブの予め定められた固定的な配置では、プログラムは隆起部の配置によって規定される。１つのプログラムステップはＺ_n'＝Ｚｎ個の列によって規定される。１つの行の間隔分だけプレート１２が動くと、次のプログラムステップが次の行で隆起部の配置に応じて実行される。１つのバルブが２つのプログラムステップの間で閉じたまま保たれる場合、１つの隆起部が、２つの行の間で１つの列Ｓ_n'に沿って連続して構成されていなくてはならない。

【0047】

プレート１２が均等に動くとき、１つのプログラムステップの時間は、プレート７ａに対するプレート１２の相対的な送り速度が一定に予め定められている場合、バルブの行Ｚ_nの間隔が固定に予め定められている際に、隆起部の行Ｚ_n'の間隔によって規定される。あるいは別案として、隆起部の行Ｚ_n'の間隔が予め定められている際、プログラムステップの所望の時間に応じて送り速度を変えることもできる。

【0048】

図２に平面図で示すように、複数のバルブが、バルブアレイの特定の複数の点にのみ配置されている。各列Ｓ_mは１つのバルブしか有していない。実施されるべき化学反応に応じて、および所望のマイクロ流動に応じて、相応の数のバルブが或る１つの行Ｚ_nに配置されている。フローチャネルおよび反応室は、後者は便宜上図示していないが、バルブの配置に応じて、プラスチック本体１の前面１０にある切欠きとして構成される。複雑な化学反応ないし生化学反応を、上に説明した方法によって簡単に制御することができる。バルブの制御を通じて流体流を制御するプログラムは、プレート１２上への隆起部の配置によって規定される。便宜上、図２のバルブは列Ｓ_nおよび行Ｚ_mの等しい相互間隔で本体１に配置されている。バルブは、プレート１２の運動によってすべて同時に制御され、すなわち操作され、ないしは操作されない。

【0049】

図面には示さない他の実施形態、たとえばプラスチック材料からなる支持体本体つまり基体本体１において列Ｓ_nおよび行Ｚ_mでバルブ相互の異なる間隔を有する実施形態なども、同じく実施可能である。プレート１２を介するピストン８の制御は、プレート１２の隆起部の代わりに凹部によっても行うことができる。その場合、凹部はバルブの開放に対応する。あるいは、ピストン８はバルブに圧力を与えないために初期応力をかけられるのではなく、初期応力をかけられた状態のときに本体１を押圧し、もしくは初期応力をかけられていないことも考えられる。その場合、プレート１２を介するピストン８の運動に負圧が関与していてよい。

【図1】

【図2】