特許 6083713 変形可能バルブを備えたマイクロ流体デバイス

(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】6083713

(24)【登録日】2017年2月3日

(45)【発行日】2017年2月22日

(54)【発明の名称】変形可能バルブを備えたマイクロ流体デバイス

(51)【国際特許分類】

   F04B 53/10 20060101AFI20170213BHJP

   F16K 7/16 20060101ALI20170213BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20170213BHJP

【ＦＩ】

   F04B53/10 D

   F16K7/16 Z

   B81B3/00

【請求項の数】14

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-541772(P2014-541772)

(86)(22)【出願日】2012年10月17日

(65)【公表番号】特表2015-500413(P2015-500413A)

(43)【公表日】2015年1月5日

(86)【国際出願番号】IB2012055643

(87)【国際公開番号】WO2013072790

(87)【国際公開日】20130523

【審査請求日】2015年9月29日

(31)【優先権主張番号】11189421.8

(32)【優先日】2011年11月16日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】505413233

【氏名又は名称】コリス バイオコンセプト エスピーアールエル

(74)【代理人】

【識別番号】100108501

【弁理士】

【氏名又は名称】上野 剛史

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】アブライン、レティシア

(72)【発明者】

【氏名】デラマルシェ、エマニュアル

(72)【発明者】

【氏名】ヒッツブレック、マーティン

(72)【発明者】

【氏名】ローラン、チエリー

(72)【発明者】

【氏名】メルテンス、パスカル

(72)【発明者】

【氏名】スメケンス、バレリ

【審査官】 田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１０７０５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｂ ５３／１０

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｆ１６Ｋ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一マイクロチャネルと、第二マイクロチャネルと、流入ポートおよび流出ポートを含むバルブと、を含むマイクロ流体デバイスであって、前記ポートはそれぞれ前記第一マイクロチャネル、前記第二マイクロチャネルに連結され、前記バルブは前記ポートによって定められた流れ方向に沿った液体の流量を制御するよう設計され、
前記バルブは、前記ポートを結合し、前記流れ方向と直角の方向で前記マイクロチャネルの各々より幅が広い空洞チャンバを画定する、一つ以上の壁部をさらに含み、前記壁部は、前記流れ方向と交差する変形方向（−ｙ）に沿って少なくとも部分的に変形可能であり、前記壁部には、少なくとも第一変形状態と第二変形状態とを付与することができ、前記第二変形状態においては前記第一変形状態よりも、前記流れ方向に沿って多くの前記液体を引くことができ、
前記第一変形状態および前記第二変形状態が、それぞれ、前記液体に対する第一毛細管圧および第二毛細管圧を誘起し、前記第一毛細管圧は、前記第二毛細管圧よりも高く、前記第一毛細管圧は、前記第一マイクロチャネルの上流部分において誘起された毛細管圧と同じオーダーであり、前記上流部分は、前記デバイス中に液体を投入するための投入パッドを含む部分に相当する、デバイス。

【請求項2】

前記第一変形状態は非変形の状態であり、前記第二状態は変形した状態であって、
前記空洞チャンバの前記変形方向沿いの平均寸法は、前記第二変形状態と前記第一変形状態との間の比率を示し、これは０．１と０．９との間にあり、
少なくとも部分的に変形可能な前記壁部は、弾性的に変形可能である、
請求項１に記載のデバイス。

【請求項3】

前記空洞チャンバの特性寸法は、前記第一および前記第二マイクロチャネルの各々の特性寸法よりも大きく、前記特性寸法は、前記変形方向に直角な同じ平面（ｘ，ｚ）内で測定される、請求項１または２に記載のデバイス。

【請求項4】

前記特性寸法は、前記変形方向および前記流れ方向の両方に対し直角な方向（ｘ）で測定される、請求項３に記載のデバイス。

【請求項5】

前記ポートのところの前記第一マイクロチャネルおよび前記第二マイクロチャネルの各々の少なくとも一部は、第一層の上面上に開口した溝であり、前記空洞チャンバは、前記第一層の前記上面上に開口した凹部によって画定され、前記溝および前記凹部は、第二層の下面によって閉じられており、前記第一層もしくは前記第二層またはその両方は、少なくとも部分的に変形可能であり、１から６０Ｍｐａの間の抗張力を示す、請求項１〜４のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項6】

前記流れ方向と前記流入ポートで前記空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、前記流入ポートのところでの前記空洞チャンバの開口角度θａｄｄは、９０°から１８０°の間である、請求項１〜５のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項7】

前記流れの方向の反対方向と、前記流出ポートで前記空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、前記流出ポートのところでの前記空洞チャンバの開口角度θｏｕｔは、０°から９０°の間であり、前記流れ方向沿いの前記バルブのプロフィールは涙形である、請求項６に記載のデバイス。

【請求項8】

前記空洞チャンバの最小の長さ／幅比率は３／１から１／１の間にあり、前記長さは前記流れ方向に沿って測定され、前記幅は、前記長さおよび前記変形方向の両方に直角に測定される、請求項１〜７のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項9】

前記バルブは、少なくとも部分的に刻刻を有する側壁を含み、前記刻刻を有する側壁は外部に突き出た突起部を示す、請求項８に記載のデバイス。

【請求項10】

前記バルブは、前記バルブの下部壁部から上部壁部に延在する濡れ性柱体をさらに含み、前記柱体の分布は、前記バルブの中央よりも、前記ポートのところの方が濃密である、
請求項１〜９のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項11】

前記マイクロ流体デバイスは、前記空洞チャンバに連結する一つ以上の貯留部をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項12】

前記マイクロ流体デバイスは、前記第一マイクロチャネルの上流に設けられた投入パッド、前記バルブの下流に設けられた反応チャンバ、あるいは、前記第一マイクロチャネルおよび前記第二マイクロチャネルの液体流路の中にそれぞれ挿入された、試薬ゾーンおよび毛細管ポンプのいずれか、または、これらの組み合わせをさらに含む、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のデバイス。

【請求項13】

ｎ個（ｎ≧２）のマイクロ流体デバイスを含む装置であって、前記マイクロ流体デバイスの各々が、請求項１〜１２のいずれか一つである、装置。

【請求項14】

請求項１〜１２のいずれか一つに記載されたデバイス中の液体流を制御する方法であって、
− 前記第一マイクロチャネルを液体で満たすステップと、
− 少なくとも部分的に変形可能な前記一つ以上の壁部を、前記第一マイクロチャネルから前記空洞チャンバを通って前記第二マイクロチャネルに液体を引くように、変形するステップと、
を含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にマイクロ流体デバイス並びにその作製および作動方法の分野に関する。具体的には、本発明はマイクロバルブを備えたマイクロ流体デバイスを対象とする。

【背景技術】

【0002】

マイクロフルイディクスとは、一般に、液体をポンピング、サンプリング、混合、分析、および分注するのに使用される、微細加工デバイスをいう。このデバイスの顕著な特徴は、マイクロメートル長のスケールで液体が示す特有の挙動に由来する（非特許文献１および２を参照）。マイクロフルイディクス中の液体の流れは、通常層流である。マイクロメートル域の横寸法を有する構造体を作製することにより、１ナノリットルを優に下回る容積に達することができる。大きなスケールでは限られている（反応物質の拡散による）反応を加速することが可能である（非特許文献３を参照）。ついには、液体の平行流が正確に且つ再現可能に制御できると言ってよく、液体／液体、および液体／固体界面において化学反応および勾配が生ずることを可能にする（非特許文献４を参照）。したがって、マイクロフルイディクスは生命科学のさまざまな用途に使用される。

【0003】

マイクロ流体デバイスの多くは、ユーザ・チップ・インターフェースおよび閉流路を有する。閉流路は、漏れおよび蒸発に関連する問題を最小限に抑えながら、一つのデバイス中に機能エレメント（例えば、ヒータ、ミキサ、ポンプ、ＵＶ検出器、バルブなど）を組み込むことを容易化する。

【0004】

液体サンプルの分析には、多くの場合、一連のステップが必要である（例えば、ろ過、試薬の溶解、加熱、洗浄、信号の読み取りなど）。このためには、携帯型診断デバイスの場合さまざまなポンピングおよびバルブの原理を用いた正確な流量制御が必要となる。作製が簡単、コスト安で、操作が容易なバルブを得るのは、通常難しい課題である。

【0005】

マイクロ流体デバイスのためのバルブ（または「マイクロバルブ」）の２つのカテゴリは、一般に（ｉ）能動バルブと（ｉｉ）受動バルブとすることができる。

【0006】

非特許文献５、６、７は、現在までに開発されたさまざまな種類のマイクロバルブに取り組んだものである。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｂｒｏｄｙ Ｊ Ｐ、Ｙａｇｅｒ Ｐ、Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ Ｒ Ｅ、およびＡｕｓｔｉｎ Ｒ Ｈ著「Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｔ ｌｏｗ Ｒｅｙｎｏｌｄｓ Ｎｕｍｂｅｒｓ」１９９６年、Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．７１、３４３０〜３４４１

【非特許文献2】Ｋｎｉｇｈｔ Ｊ Ｂ、Ｖｉｓｈｗａｎａｔｈ Ａ、Ｂｒｏｄｙ Ｊ Ｐ、およびＡｕｓｔｉｎ Ｒ Ｈ著「Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ａ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｈｉｐ：Ｍｉｘｉｎｇ Ｎａｎｏｌｉｔｅｒ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ」１９９８年、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８０、３８６３〜３８６６

【非特許文献3】Ｓｑｕｉｒｅｓ Ｔ Ｍ、およびＱｕａｋｅ Ｓ Ｒ著「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ： Ｆｌｕｉｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ａｔ ｔｈｅ ｎａｎｏｌｉｔｅｒ ｓｃａｌｅ」２００５年、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．７７、９７７〜１０２６

【非特許文献4】Ｋｅｎｉｓ Ｐ Ｊ Ａ、Ｉｓｍａｇｉｌｏｖ Ｒ Ｆ、およびＷｈｉｔｅｓｉｄｅｓ Ｇ Ｍ著「Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｉｎｓｉｄｅ Ｃａｐｉｌｌａｒｉｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｌａｍｉｎａｒ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ」１９９９年、Ｓｃｉｅｎｃｅ２８５、８３〜８５

【非特許文献5】Ｌｉｕら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２００４年、７６、１８２４〜１８３１

【非特許文献6】Ａｈｎら、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ．９２、Ｎｏ．１、２００４年１月、ｐｐ１５４〜１７３

【非特許文献7】Ｚｏｖａｌら、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ．９２、Ｎｏ．１、２００４年１月、ｐｐ１４０〜１５３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

能動マイクロバルブは、通常、作製の複雑性が増し、作製のコストが高く、作動に動力が必要である。これらは、外部周辺機器を必要とし、また、「オン」または「オフ」状態の維持のために動力が必要である。一例に「階段接合受動マイクロバルブ」がある。かかるマイクロバルブは、疎水性構造体内部の水性液体をポンピングするための能動的なポンピングを必要とし、該構造体は収縮状態で固定することが可能である。ポンピング圧力の増加によって、液体がバルブを押し通される。しかしながら、推知できるように、かかるソリューションは、毛管現象駆動のマイクロフルイディクスに適合しない。上記のマイクロバルブは能動的ポンピングおよび作動、すなわち追加の周辺機器をさらに必要とする。さらに、収縮の前に大量の液体が出がちである。

【0009】

次に、受動マイクロバルブは、通常、インタラクティブ性に欠け（すなわち、これらは所定の開閉条件を強いる）、化学物質の統合のため複雑な作製を必要とする。さらに、初期が閉状態にある受動バルブは、通常、排気に関する問題を有する。

【課題を解決するための手段】

【0010】

第一態様によれば、本発明は、第一マイクロチャネルと、第二マイクロチャネルと、流入ポートおよび流出ポートを少なくとも含むバルブと、を含むマイクロ流体デバイスとして具現化され、前記ポートはそれぞれ第一マイクロチャネル、第二マイクロチャネルに連結され、バルブはこれらポートによって定められた流れ方向に沿った液体の流量を制御するよう設計され、該バルブは、ポートを結合し流れ方向と直角の方向でマイクロチャネルの各々より幅が広い空洞チャンバを画定する、一つ以上の壁部をさらに含み、前記壁部は、流れ方向と交差する変形方向に沿って少なくとも部分的に変形可能であり、該壁部には、少なくとも第一変形状態と第二変形状態とを付与することができ、第二変形状態においては第一変形状態よりも、流れ方向に沿って実質的に多く液体を引くことができるようにする。

【0011】

他の諸実施形態において、前記マイクロ流体デバイスには以下の特徴の一つ以上を含めることができる。
− 第一変形状態および第二変形状態が、それぞれ、液体に対する第一毛細管圧および第二毛細管圧を誘起し、第一毛細管圧は、第二毛細管圧よりも実質的に、典型的には差が１０００Ｎ／ｍ^２より高く、第一毛細管圧は、望ましくは、第一マイクロチャネルの上流の部分において誘起された毛細管圧と同じ桁を有し、前記上流部分は、望ましくは、デバイス中に液体を投入するための投入パッドを含む部分に相当する；
− 第一変形状態は実質的には非変形の状態であり、第二状態は実質的には変形した状態であって、空洞チャンバの変形方向沿いの平均寸法は、第二変形状態と第一変形状態との間の比率を示し、これは０．１と０．９との間、望ましくは０．５と０．７５との間にあり、少なくとも部分的に変形可能な壁部は、望ましくは非永続的に変形可能であり、さらに望ましくは弾性的に変形可能である；
− 空洞チャンバの特性寸法は、第一および第二マイクロチャネルの各々の特性寸法よりも実質的に大きく、前記特性寸法は、変形方向に直角な同じ平面内で測定され、望ましくは、変形方向および流れ方向の両方に対し直角な方向で測定される；
− 変形方向に沿って測定された、マイクロチャネルの各々および空洞チャンバの深さはほぼ等しい；
− ポートのところの第一マイクロチャネルおよび第二マイクロチャネルの各々の少なくとも一部は、第一層の上面上に開口した溝であり、空洞チャンバは、第一層の上面上に開口した凹部によって画定され、これら溝および凹部は、第二層の下面によって閉じられており、第一層もしくは第二層またはその両方は、少なくとも部分的に変形可能であり、望ましくは１から６０Ｍｐａの間の、さらに望ましくは２０からの６０Ｍｐａの間の抗張力を示す；
− 流れ方向と、流入ポートで空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、流入ポートのところでのチャンバの開口角度θ_ａｄｄは、９０°から１８０°の間、望ましくは１１０°から１６０℃の間であり、さらに望ましくは、ほぼ１３５°に等しい；
− 流れの方向の反対方向と、流出ポートで空洞チャンバの境界を定めている前記一つ以上の壁部の部分との間で測定された、流出ポートのところでのチャンバの開口角度θ_ｏｕｔは、０°から９０°の間、望ましくは２０°から７０℃の間であり、さらに望ましくは、ほぼ３５°に等しく、望ましくは、流れ方向沿いのバルブのプロフィールは、実質的には涙形である；
− 空洞チャンバの最小の長さ／幅比率は３／１から１／１の間にあり、該長さは流れ方向に沿って測定され、該幅は長さおよび変形方向の両方に直角に測定される；
− バルブは、少なくとも部分的に刻刻（ギザギザ）を有する側壁を含み、刻刻を有する側壁は外部に突き出た突起部を示す；
− バルブは、バルブの下部壁部から上部壁部に延在する濡れ性柱体をさらに含み、この柱体の分布は、実質的に、バルブの中央よりも、ポートの一つまたは望ましくはポートの各々のところの方が濃密である；
− マイクロ流体デバイスは、空洞チャンバに連結する一つ以上の貯留部をさらに含む；
− マイクロ流体デバイスは、第一マイクロチャネルの上流に投入パッドをさらに含み、望ましくは、バルブの下流に反応チャンバを含み、さらに望ましくは、第一マイクロチャネルおよび第二マイクロチャネルの液体流路の中にそれぞれ挿入された、試薬ゾーンおよび毛細管ポンプを含む。

【0012】

さらなる態様によれば、本発明は、ｎ個のセット（ｎ≧２）を含むマイクロ流体デバイスとして具現化され、これらセットの各々が、前述の実施形態のいずれか一つによるデバイスの前記第一マイクロチャネル、前記第二マイクロチャネル、および前記バルブと同様に構成された、第一マイクロチャネル、第二マイクロチャネル、およびバルブを含む。

【0013】

最後の態様によれば、本発明は前述の実施形態のいずれか一つによるデバイス中の液体流を制御する方法として具現化され、該方法は、
− 第一マイクロチャネルを液体で満たすステップと、
− 少なくとも部分的に変形可能な前記一つ以上の壁部を、第一マイクロチャネルから空洞チャンバを通って第二マイクロチャネルに液体を引くように、変形するステップと、を含む。

【0014】

以降に、非限定の例示を目的として、添付の図面を参照しながら本発明を具現化するデバイスおよび方法を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１Ａおよび１Ｂは、諸実施形態によるデバイスの断面図（バルブを横切った断面）であり、本発明の基本的原理を示す。

【図2】図２Ａ〜２Ｃは、図１Ａ〜１Ｂのデバイスの上面図であり、同じ原理を示す。

【図3】図３Ａおよび３Ｂは、諸実施形態による、デバイスの部分的３Ｄ図（ワイヤフレーム図）であり、マイクロチャネル／バルブ・チャンバが、デバイスの層中に設けられた溝／凹部として形成されている。

【図4】諸実施形態によるデバイス沿いの毛細管圧の変動を示す理論的モデルである。

【図5】図５Ａ〜５Ｃは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図6】図６Ａ〜６Ｄは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図7】図７Ａ〜７Ｃは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図8】図８Ａおよび８Ｂは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図9】図９Ａ〜９Ｄは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図10】図１０Ａ〜１０Ｃは、本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態を示す。

【図11】本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態の一つを示す。

【図12】本発明による、デバイスのさまざまな別の実施形態の一つを示す。

【図13】図１３Ａ〜１３Ｄは、諸応用実施形態による、液体がマイクロバルブを通る時間系列の蛍光顕微鏡画像を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下の説明に対する導入部として、まず、液体流を制御するよう設計されたバルブを備えたマイクロ流体デバイスを対象とする本発明の一般的な態様を示す。かかるバルブは、通常、それぞれがマイクロチャネルに連結された２つのポートの間に空洞チャンバを有する。このチャンバは流路が拡大され、（流れ方向と直角方向に）マイクロチャネルよりも幅広い。次に、チャンバの境界を定めている壁部は、ポートによって定まる流れ方向に対し直角方向に、少なくとも部分的に変形可能である。通常、壁部の少なくとも一部には可撓性材料が使われ、（例えば、ロッドまたはスタイラスなど使って）壁部を圧迫し、毛細管圧を（絶対項で）上昇させ、液体をバルブを通して引くようにすることが可能である。したがって、バルブの変形によって、液体を、毛管現象により流れ方向に沿ってどのように引くのかが決まることになる。本発明は、簡単な外部作動手段と、毛管現象駆動流の単純性および効率性とに依存している。本バルブは、簡単な作製によるさらなる利点があり、バルブを「オン」または「オフ」状態に保つために動力の必要がなく、バルブの変形のためごく小さな動力が必要なだけで、これはオペレータ自身によって簡単に遂行することができる。

【0017】

以降に具体的な諸実施形態を詳細に説明するものとし、これらは、通常、死容積なし（または無視可能）、および高速な切り替え時間の達成を可能にする。さらに、かかる実施形態は、通常、以下の使用を必要としない。
− 熱感受性材料（例えば、ワックス）、
− 光感受性材料（光トリガ湿潤）、
− サンプル反応性物質（例えば、ｐＨ感受性ヒドロゲル）、または
− 疎水性バリアを濡れ性ゾーンに変換するためのサンプルの化学組成。
さらに、液体の注入によって空気が圧縮されないので、排気の必要がない。その上に、他の既知のソリューションに比べて作製の難度が低い。実際上、本実施形態は、相異なる深さおよび傾斜側壁、または相補的な合わせ形状を備えた構造体を設ける必要がない。また、これらは、流路を閉鎖するためのはめ合い部品を作製して組み立てる必要もない。最後に、本諸実施形態によるバルブのメカニズムは、シーリング、ボンディングなどが非常に重要である異質な要素からなる構造体に基づく既知のほとんどのバルブの概念と対照的に、実際上、粒子または塵埃などに対して大きな脆弱性はない。

【0018】

図１Ａ〜２Ｃを参照すると、諸実施形態によるマイクロ流体デバイス１００は、典型的には、第一マイクロチャネル３１と、第二マイクロチャネル３２と、流入ポート５１および流出ポート５２（簡潔化のため２つのポートだけを記載する）を含むバルブ５０とを含む。ポート５１、５２は、それぞれ流入／流出マイクロチャネル３１、３２に連結されている。このバルブは、一般に、ポートによって定まる流れ方向沿いの液体Ｌの流量を制御するように設計される。

【0019】

さらに詳しくは、このバルブは、例えば、空洞チャンバまたはキャビティ５３を画定するなどのための、ポートに結合する一つ以上の壁部５４、５６、５８、２０を有する。該チャンバは、例えば流路が拡大されるように、流れ方向ｚに直角の方向である方向ｘなど少なくとも一つの方向において、マイクロチャネルより幅広くなっている。これらの壁部の少なくとも一部（通常、上部壁部２０）は変形可能なまたは可撓性の材料で作られる。これら壁部が、流れ方向ｚと交差する方向（望ましくは方向ｚに直角）に、マイクロチャネルに比べて流路を拡大し、且つ少なくとも部分的に変形可能である限り、壁部の正確な幾何学的形状は重要ではない。図示の例では、４つの別個の壁部５４、５６、５８、２０（上部、底部、および側部）がある。

【0020】

但し、代替案では、空洞チャンバは、流れ方向と交差する変形方向に沿って少なくとも部分的に変形が可能な、ポートに結合する電球形状の壁部（できれば単一で連続する壁部）によって画定されることも可能であろう。その場合、例えば流路が方向ｚと直角に拡大されるように、チャンバは、どの半径方向に対してもマイクロチャネルより幅広となろう（チャンバは、通常、流れ方向ｚの主軸でもあるその主軸に対し円筒対称性を示すことになろう）。これらの壁部は、どの半径方向（すなわち、方向ｚと直角方向）に沿っても変形可能な可撓性材料で作ることができよう。当業者ならよく理解しているように、例えば、上記で定義した２つの形態の間の中間の形態など、多くの他の形態が同様に定義可能であろう。

【0021】

全ての場合において、バルブは、２つの（またはそれより多い）変形状態、とりわけ、第一変形状態Ｓ１とそれとは全く異なる第二変形状態Ｓ２とを呈することが可能である。図１Ａ〜２Ｃに示されるように、これら状態の一つにおいては（ここでは状態Ｓ２）他の状態（Ｓ１）よりも、流れ方向に沿って実質的に多くの液体を引くことができる。流量制御の差異の程度は、（原則として）完全なオン−オフ切り替えまで実現可能であり、これについては後述する。

【0022】

本バルブの動作原理は、デバイス１００を通って伝播する液体が受ける毛細管圧の観点からよりうまく説明される。慣例通り、熱力学の基準に従って「誘引」毛細管圧は負圧と見なす。図２Ａ〜Ｃに示されるように、全く異なる変形状態は、デバイス１００を満たす液体Ｌに対し全く異なる毛細管圧を誘起し、これにより、チャンバ５３を通る液体Ｌの引き込み方を変更することが可能になる。

【0023】

例示のために、以下のように仮定する。
− 液体は左側から注入される（すなわち、第一マイクロチャネル３１から、図２、４、および５から１３までを参照）、および
− 第二変形状態Ｓ２は変形された状態（図１Ｂのように実質的な圧力が印加される）であり、一方、第一状態Ｓ１は、実質的に変形されていない非変形状態（特定の圧力の印加がない、図１Ｂ）に相当する。２つの状態Ｓ１、Ｓ２によって対比される変形の程度は、（非変形の状態Ｓ１によって誘起される）第一毛細管圧Ｐ１が、バルブが変形状態Ｓ２のときに液体が受ける毛細管圧Ｐ２よりも必ず実質的に高くなるようにされる。これは、後記で例として数値化するものとする。

【0024】

典型的なデバイスは、以下のように作動することができる。（図１〜２を参照）：
− 第一に、図２Ａ（非変形状態Ｓ１、時間ｔ１）：液体Ｌがマイクロチャネル３１から注入され、それがポート５１に達する。そこで、液体は、非変形状態Ｓ１によって誘起された大きな毛細管圧Ｐ１のため、減速し、停止することもある。バルブのチャンバ５３の内部は、この時点まで、例えば図１Ａに示された状態である。この点に関し、バルブは、例えば、マイクロチャネル３１からチャンバ５３に進む際に濡れ性流路が（例えば急に）拡大するように、好適に構成される。この拡大は、少なくともチャンバが変形されていないときには、毛細管圧の増大（絶対項では低下）をもたらし、これが、液体を十分に減速させ、おそらく停止させる。液体の正確な挙動は、液体の性質、流入ポート５１のところでのチャンバの正確な幾何学的形状、化学的な表面状態など多くのパラメータに左右され、これについては後記でさらに詳細に説明する。
− 第二に、図１Ｂ（状態Ｓ２、時間ｔ２＞ｔ１）に示されるように、例えば、プッシュ・ロッドなどによって中央部で−ｙに向けて押されて、バルブが変形される。バルブの壁部が、流れ方向ｚと交差する軸である変形軸ｙに沿って変形されるので、チャンバの（ｙに沿う）局部寸法が低減され、これが毛細管効果を高める。しかして、バルブは、一方の状態において他方よりも毛管現象の活性が高いと見なすことができる。
− 変形の結果として（図２Ｂ）、毛細管圧が低下し、液体は流れ方向に沿って引っぱられ、すなわち、変形状態Ｓ２において、少なくとも当初の状態Ｓ１よりも実質的に多く引っぱられる。図１Ｂにおいて、２本の矢印は、チャンバが変形されたときであっても、中央部に比較してまだ高い毛細管圧を示す領域を指している。結果として、液体は、まず中央部に、すなわち、毛細管圧が最低（負の値を想定している）である最も変形された領域に向けて伝播する（時間ｔ２）。
− 最終的には（状態Ｓ２、時間ｔ２’＞ｔ２、図２Ｃ）、液体は、より高い毛細管圧を有する、チャンバの他の領域にも伝播する。変形を維持することによって、液体が、ポート５１に向かい第二マイクロチャネル３２（図示せず）に達するまで進むことが可能になる。

【0025】

望ましくは、バルブの壁部は、例えば非変形状態に復帰可能なように、非永続的に変形可能である。さらに望ましくは、これらは弾性的に変形可能であり、バルブの再使用が可能である。但し、例えば一回だけのバルブ使用が求められているなど、一部の用途については、バルブの壁部が非永続的に（または弾性的に）変形可能である必要はない。それどころか、安全上の理由から、デバイス（使い捨て試験用チップなど）の再使用を防止するために、永続的に変形可能なバルブが望まれることがある。別の可能性として、可撓性材料ではあるが、例えば、チャンバが一旦変形されるとその当初の幾何学的形状には簡単には戻れない、スナッピング効果を示すよう構成された材料を利用することもあろう。

【0026】

前述のように、例示のために、第一状態が非変形状態であって、第二状態が変形状態であると仮定した。しかし当業者にとって当然のことながら、さまざまな構成／シナリオが、前述したのと同じ原理、すなわち、液体が、一つの状態において他方の状態よりも実質的に多く流れ方向に沿って引っぱられるという原理に該当する。例えば、チャンバを当初から変形させておき（例えば、ｚに沿った平均高さを増やすため側面が押されているなど）、この変型状態で維持し、毛管現象を不活性にして液体がバルブを流通するのを阻止することなどができよう。バルブを非変形の状態に戻せば、バルブの毛管現象が活性になり液体の流通が促進されよう。これは、実際上は、変形方向ＶＳ（対）流れ方向、およびチャンバの全般的な幾何学的形状の如何によって決まる。

【0027】

次いで、変形の方向に関して、これまで、この方向が流れ方向ｚと交差していなければならない、すなわち非ゼロの角度でなければならない、とだけ仮定した。さらに望ましくは、変形方向（ｙ）が流れ方向ｚに直角である構成にすれば最も単純な諸設計が得られる。この点に関し、図１〜２の例において、バルブ５０は、ｘ軸に沿って、すなわち、流れ方向ｚおよび変形方向ｙの両方に対し直角な軸に沿って、濡れ性流路を拡大することによって作られる。ここで、ｘ軸沿いのチャンバ５３の（例えば、チャンバ５３の主平面で測定された）特性寸法は、同じ軸ｘ沿いのマイクロチャネルの特性寸法よりも実質的に大きい。この場合、実質的にｙに沿って（実際は−ｙ方向に）バルブを変形することによって、液体は、下部および上部の壁部５８、１１の両方により容易に接触することができ、毛管現象により流出ポート５３に向かって伝播する。但し、側壁部５４、５６が、相互に十分近接して液体を伝播させることができるほど、十分に変形ができるということを前提として、ｘに沿ってバルブを変形しても原理的には同じことが可能になり得る。しかして、変形方向は、流れ方向ｚに対し直角の（例えばｘまたはｙに沿う）成分を持たなければならないことが分かる。これが、バルブ（すなわち、その壁部）が、流れ方向ｚと交差する変形方向に沿って少なくとも部分的に変形可能でなければならない理由である。

【0028】

さらに望ましくは、図１〜２の例におけるように、バルブは、実質的には（ｘよりもむしろ）ｙに沿って変形可能であり、変形方向ｙが、流れ方向ｚおよび拡大方向ｘの両方と交差するようにする。これは、作製工程に関して利点になる。なぜなら、この例ではマイクロチャネルおよびチャンバの深さは、機械加工工具の精度が得られれば実質的には同一であるからである。これは、図３Ａ〜３Ｂ（ワイヤフレーム図）に示されており、マイクロチャネル３１、３２およびチャンバ５３は、単一の層１０中の溝／凹部として設けられているのが示されている。さらに正確には、マイクロチャネル３１、３２の各々（または、少なくとも、それぞれのポート５１、５２のところのそれらチャネルの終端部分）は、第一層１０の上面１１上で開口した溝である。同様に、空洞チャンバは、実質的には、上面１１上で開口した凹部５３によって境界を定められる。図３Ｂに見られるように、これらの溝および凹部は、第二層２０の下面（すなわち、図１Ａの下面２１）によって閉じることが可能である。かかる設計は、単一の機械加工深さがここでは必要なだけなので製造が容易である。

【0029】

ちなみに、全ての壁部５４、５６、５８、２０が変形可能である必要はない。例えば、（図１Ｂに示されるように）上部壁部２０が変形可能な必要があるだけである。これに換えて（または加えて）、壁部５４、５６、または少なくともそれらの一部を変形可能にすることもできよう。同様に、下部壁部５８だけを変形可能にすることなども可能であろう。

【0030】

２層の製造工程を考えた場合、層１０、２０の少なくとも一つを変形可能材料で作製することができる。層１０、２０の一つ（または両方）を可撓性材料で作れば、作製ステップがより簡単になる。

【0031】

変形可能層は、望ましくは、１から６０ＭＰａの間の抗張力を呈する。例えば、これを、ポリ（ジメチルシロキサン）エラストマで作ることが可能で、この典型的な抗張力は１から１０ＭＰａまで様々である。そのほか、これらは、プラスチック材料で有利に作製することも可能である。一つの好適な例は、ポリオレフィン共重合体であり、射出成型またはエンボス加工技法を用いて大量に作製するのがより容易である。熱可塑性材料は適切な候補材料であり、通常、２０から６０ＭＰａの間の抗張力を有する（例えば、「ｔｈｅ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄａｔａ Ｈａｎｄｂｏｏｋ」、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、１９９９年を参照）。適切な材料の別の例に、Ｓｙｌｇａｒｄ（Ｒ）１８４ポリ（ジメチルシロキサン）があり、これは約２．５ＭＰａのヤング率を有する。選択される材料は、望ましくは脆性でないのが良い。

【0032】

図４は、デバイス１００を通って伝播する液体が受ける毛細管圧の変化を表したグラフである。毛細管圧は、Ｎ／ｍ^２で表されている。各種の曲線は、バルブの「閉」状態（実線）、「開」状態（点線）、および部分的に変形した中間状態（破線）を表す。図１〜３の実施形態では一貫して、これら閉／開状態は、それぞれ非変形／変形状態に対応する。これらの曲線は全て、デバイス１００の理論モデルから得られたものであり、該デバイスも同じ図の中に描かれている。デバイス中の液体の位置はｍｍ単位で表されている。このデバイス１００は、
− デバイスの中に液体を投入するための投入パッド６０（区域Ｒ１）と、
− 液体を狭細チャネルに移動させるための投入チャネル（区域Ｒ２）と、
− それ自体が第一マイクロチャネルにつながっている狭細チャネル（区域Ｒ３）と、
− 第一マイクロチャネル（区域Ｒ４）と、
− その後、バルブ５０のチャンバに入ると急に大きくなり、最大幅（すなわち、その特性ｘ寸法）に至る流路部分区域（Ｒ５）と、
− 次いで、おおむね一定の傾きで、下記のセクションに達するまで連続して幅が減少する流路部分（区域Ｒ６）と、
− 流路の幅はまだ減少しているが今や傾きが小さくなった、バルブのチャンバの次のセクション（５３’）（区域Ｒ７）であって、かかるセクションは、区域Ｒ６と次の区域Ｒ８との間に有用な中間プロフィールを提供し、区域Ｒ７は流出マイクロチャネルに対応している、該セクションと、
− 流出マイクロチャネル（区域Ｒ８）と、
を含む。

【0033】

このモデルでは、カバー（すなわち、図３Ｂの層２０）は、例えばＳｙｌｇａｒｄ（Ｒ）１８４などの可撓性材料で作られる。マイクロ流体チップ（すなわち、図３Ａ〜３Ｂ中の層１０）は、シリコンの中に微細加工され、水に対し４５°の前進接触角を持つように処理された自然酸化物を有する。このカバーは、通常、水に対し１１０°の前進接触角を有する。これらの曲線から分かるように、液体（典型的には水）が受ける毛細管圧は、通常、狭細のセクションで低下する。注釈としては、毛細管圧は、キャビティの寸法（深さおよび幅）が大きくなれば、ゼロに近い値に達することになり、（理論的には）深さおよび幅が無限大になればゼロに達することになる。毛細管圧は、通常、マイクロチャネル（区域Ｒ４およびＲ８）のところで最小に達する。区域Ｒ５〜Ｒ７において、毛細管圧は、バルブのチャンバの急な拡大によって突然増大する。閉じた状態（非変形、実線）において、毛細管圧は、投入パッド（区域Ｒ１）の毛細管圧と同程度（すなわち、同じ桁）のレベル（典型的には、＞−１０００Ｎ／ｍ^２）に達し、これは、投入チャネル（区域Ｒ２）より高く、流入・マイクロチャネル（区域Ｒ４）よりも大幅に高い。結果として、液体は、実質的に流入ポートで停止する。通常、ＰＤＭＳカバー（層２０）は、変形のないとき、層面５８の６０μｍ上に位置する。

【0034】

次に、バルブを開く（すなわち、それを−ｙ方向に変形する）ことによって、それに続く変形状態の実現が可能になり、毛細管圧は大幅に減少する（破線および点線）。「開」状態において、ＰＤＭＳ層２０は、典型的には、下部層１０の上２０μｍ（平均）まで押し下げられ、これはλ＝１／３の伸張比に相当する。しかして、空洞チャンバ内の（変形軸に沿った）変形の桁の大きさは、典型的にはｅ＝λ−１＝−２／３となる。実際上、適切な伸張比は、対象の液体に対し、チャンバが、明らかに毛管現象不活性の状態から、明らかに毛管現象活性の状態に移ることを可能にする伸張比である。しかして、典型的な伸張比は、上記で例示したように、より一般的には０．１から０．７５の間、でき得れば０．１から０．５の間となろう。

【0035】

図示のように、毛細管圧の閉状態の最大値と開状態の最大値との間の差は、２０００Ｎ／ｍ^２にまで大きくなり得る。通常、これは１０００Ｎ／ｍ^２より大きい。このとき、低減した毛細管圧は区域Ｒ１〜Ｒ２で受ける毛細管圧よりも低いので、液体は、そのポテンシャル・エネルギを低減させようとして、引っぱられ、バルブを通り、区域Ｒ８に達することになる。

【0036】

ちなみに、デバイス１００の正確な構成（それが投入パッド、投入チャネルなどを含むかどうか）およびデバイスを通り伝播する液体が受ける毛細管圧の正確の値に関係なく、バルブに対し（変形交差軸ｚによって）はっきりと異なった変形状態が定義できる限り、液体は、これらの状態の一つにおいて他方よりも多く、流れ方向に沿って必然的に引っぱられることになる。実際上は、変形軸沿いの幾何学的形状を変更することによって、毛管効果は、一つの状態において他方の状態よりもさらに効果的となる。したがって、図１〜３に戻って参照すると、本発明の中核となる着想は、流路が拡大され、流れ方向と交差する方向に沿って変形可能な空洞チャンバ５３を備えたバルブを設けることである。このようにバルブのメカニズムが得られ、これによって流路沿いの液体の流量の制御が可能となる。

【0037】

好適な諸実施形態において、チャンバには、単に液体流動力学に影響を与える手段でなく、例えば、効果的な「ストップ・バルブ」を実現するなど、バルブをさらに効果的にするためのさらなる幾何学的な特徴が設けられる。この点に関し、図５Ａに表されるような、流入ポートのところで流路の拡大が見られる電球型設計では、液体を流入ポートではっきりと停止させるのでなく、減速させる（すなわちチャンバを変形させる前に）ことが分かる。当然ながら、液体の実際の挙動は、前述したように、チャンバの正確な幾何学的特徴、液体の性質、流路の化学的表面状態などの如何によって決まる。

【0038】

次いで、チャンバ５３の、すなわち流入ポート５１のところでの入り口開口角度θ_ａｄｄは、液体が流入ポートにおいて流路を濡らす傾向、ひいてはその流動力学に影響することが分かる。したがって、本発明の諸実施形態は、「負」の入り口開口角度θ_ａｄｄを提供する。さらに正確には、流れ方向ｚと、流入ポート５１でチャンバの境界を定めているバルブの部分との間で、この入り口角度θ_ａｄｄを測定した場合、この角度は望ましくは９０°から１８０°の間に定まる（図６Ａの流入ポート部分を拡大表示している図６Ｂを参照）。望ましくは、この角度は１１０°から１６０°の間となり、適切な値は典型的には１３５°である。しかして、液体が前進接触角θ_ａｄｖによってマイクロチャネルを満たしている状況を考慮すると、拡大、すなわちチャンバの入り口での広がりは、バルブのチャンバ中へのメニスカスの伝播を促す（ｃｈａｌｌｅｎｇｅ）角度成分θ_ａｄｄを加えることになる。これは、バルブの遮断状態における安定性を増大する。

【0039】

同様に、流出の幾何学的形状も流動力学に影響する。流出ポートのところの角度θ_ｏｕｔは、開口角度θ_ａｄｄより小さくする必要がある。なお、このときのθ_ｏｕｔは、−ｚ方向（すなわち、流れ方向ｚの反対向き）と、流出ポートでチャンバの境界を定めているバルブの部分との間で測定されたものである。しかして、θ_ｏｕｔは０°から９０°の間にある。望ましくは、２０°から７０°の間に定められ、典型的で適切な値は３５°である。

【0040】

好適な角度の値およびｘ方向の広がりの結果として、流れ方向沿いのバルブのプロフィールは、図５〜９に示された好適な例に示されるように、実質的に涙形状となる。

【0041】

さらに一般的には、注入口の幾何学的形状はさまざまな仕方で最適化することができ、液体をバルブの入り口に留め、液体がコーナおよび側壁に沿って徐々に伝わるのを防止することが可能である。このことは、バルブの壁部が親水性の場合、あるいは液体が界面活性剤を含む、またはより低い表面張力を有する場合に特に当てはまる。前述のように、開口角度θ_ａｄｄおよびθ_ｏｕｔに対し、なんらかの最適化を行うことが可能である。

【0042】

他の幾何学的パラメータも、バルブの効率に影響を与えることになる。特に、内部チャンバ５３の最小の長さ／幅比率は、図５Ａ〜５Ｃに示されるように、望ましくは３／１から１／１の間にあるべきことが分かり、図ではこの比率はおおよそ１／１から３／１までとなっている。なお、ここで、「内部チャンバ」はチャンバ５３を表すが、図５Ａに破線で示された、流出チャネルに至る中間のセクション５３’は除外されている。最小の長さ／幅比率が大きくなるほど、流出チャネルに向かうプロフィールはより漸進的となり、これにより死容積および空気閉じ込めのリスクの低減が可能になる。ちなみに、チャンバの幅は、通常、２００〜１８００μｍであり、望ましくは約６００μｍである。上記の例において、長さおよび幅は、それぞれｚ方向およびｘ方向に沿って測定される。さらに一般的には、チャンバの特性幅は、変形方向に直角な平面（ｘ，ｚ）において測定される。

【0043】

しかして、図１〜６を参照しながら上記で説明したように、バルブの３つの重要なパラメータは、バルブの深さ（ｙ軸）、その幅（あるいは、例えばｘ軸に沿った特性横方向寸法）、および長さ（ｚ軸）である。当然ながら、かかるパラメータの実際の数は、チャンバに付与された対称性の如何による。例えば、幅と深さとは、チャンバが円筒対称性を有するように制約されれば、一つの（半径）パラメータに減らされる。同様に、球対称であれば半径パラメータ一つだけになる。次いで、かかるパラメータ（すなわち、図１〜６中の深さおよび幅）と変形可能な壁部（すなわちカバー）のヤング率とを組み合わせれば、臨界作動圧力が定まる。この圧力は、注入口から排出口への流れをトリガするために、バルブが配置されている箇所のカバーに加える必要がある圧力である。上記で言及したように、構造体が全て同一の深さを有するマイクロ流体チップを生成するのはより容易で経済的なので、臨界圧力を設定するのに、深さよりむしろ幅を変える方がとりわけ都合がよい。通常、特性横方向寸法はバルブの最大幅に合致する。さらに、モデリングのために、バルブの断面を円に近似させることが可能で、この場合、特性横方向寸法はバルブの直径となる。カバーは、典型的には、Ｓｙｌｇａｒｄ（Ｒ）１８４などのポリ（ジメチルシロキサン）（またはＰＤＭＳ）で作られ、これは約２．５ＭＰａのヤング率を有する。

【0044】

次に、コーナおよび表面沿いの薄い液膜の伝播は、特に、バルブが長期に亘り液体を遮断することが望まれる場合、もしくは温度および圧力の変化がある場合、またはその両方の場合、阻止が困難となり得る。液体が徐々に伝わるのをさらに減らすには、図７Ａ〜７Ｃ、８Ａ、８Ｂ、および９Ｃ、９Ｄに示されるように、バルブの側壁部５４、５６に沿って刻刻（突起部または歯状部７２、７４）を作れば、実現することが可能である。かかる刻刻７２、７４は外側に突出している、すなわちこれらはｘ方向に主要部を有する。刻刻のある流路にすると、液体に差し出される周囲面が増え、典型的には４／３倍となる（図７Ａ、７Ｂ）。排出口近辺の刻刻（図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８Ｂ、９Ｃ、および９Ｄ）は、これらが濃縮液体の小滴を捕捉し、減速することができるので、特に有用である。図７Ｃでは、流路は、バルブの周辺のほとんどに刻刻が付されている。図８Ｂ、９Ｃ、および９Ｄでは、高い値の「追加」角度を有する入り口角度を設けるなどのため、テーパ状の刻刻が設けられている。さらに一般的には、刻刻の形状は、図８Ａに示すように、開口角θ_ａｄｄもしくはθ_ｏｕｔまたはその両方と一緒に最適化することができる。

【0045】

次に、バルブ５０には、濡れ性柱体８６（または、図９〜１０中の白点で表された滞留構造体）をさらに含めることが可能である。かかる柱体は、通常、バルブ５０の下部壁部１０、５８から上部壁部２０に延び出している。これら柱体の分布は、ポートの一つ（すなわち流入ポート）、あるいはポートの各々（流入および流出ポート）のところで、バルブの中央部よりも実質的に高密度である。

【0046】

滞留構造体は、必要に応じ、正確な位置において、液体が濡れ性チャネル中の前部を満たすのを防止するのに役立てることができる。一例は、チャネルを形成する、線形体または間隔が狭い複数の長方形棒体である。構造体を満たす液体が狭細なチャネルの排出口に達すると、進行する液体のメニスカスは、液体の表面張力によって対抗される。液体のメニスカスが、チャネル幅の半分の曲率半径でチャネルから退いたとき、エネルギ的に最も好ましい状態に達する。さらに具体的には以下を参照する。
− 図９Ａでは、長方形棒体が入り口（流入ポート）に設けられている。半円状になった長方形棒体群が、液体を多くの滞留チャネルに分配している。棒体の寸法は、典型的には４０×４０μｍ^２で、２０μｍの間隔取りである。
− 図９Ｂでは、円形棒体が、滞留円形棒体群の単一のライン（滞留ライン）に液体を分配する。円形棒体の直径は、例えば７０μｍである。
− 図９Ｃでは、前部を満たす液体を分配し留めるための構造体が設けられている。これは（追加角度を備えた）刻刻のある壁部と組み合わされて、液体がコーナに沿って徐々に伝わるのを防止する。
− 図９Ｄでは、長方形棒体が液体を滞留ラインに分配する。必要に応じ、チャネル壁部で液体が徐々に伝わるのを防止するために、追加角度を備えた、波形の壁部および刻刻のある壁部を加えることが可能である。

【0047】

さらに、マイクロ流体デバイス１００には、図１０Ａ〜Ｃに示されるように、例えばそれぞれのポートを通って、空洞チャンバ５３に連結する一つ以上の貯留部９０、９２をさらに含めることができる。

【0048】

追加角度、滞留構造体、および貯留部は、本発明によるデバイスを最適化するために組み合わせることが可能な同じ数だけの任意の特徴である。例えば、図１０Ａ〜Ｂにおいて、バルブの側壁部は、側部貯留部９０、９２を作ることによって、チャンバの中央域から離して配置される。図１０Ａおよび１０Ｂでは、柱体、追加角度、および側部キャビティを使って、前部を満たした液体を留めることによって、バルブの壁部沿いに液体が徐々に伝わることをさらに低減する。図１０Ｃでは、この原理に基づいて、（濡れ性）柱体を用いて、液体の流れをバルブ域に向かう狭細な流入路に制約することさえ可能である。このように制限した場合、バルブが特に安定することが判明した。さらに詳しくは、この場合、チップを満たす液体の流路は、例えば円形棒体８６（典型的な直径および間隔は約１００μｍ）などの柱体によって画定されるので、該流路は柱体の構造に大きく左右される。液体は、構造体の左側から入り、棒体の間の容積を液体で満たす。柱体がないストップ・バルブの中央部では毛細管圧はゼロに近くなり、液体はそれ以上進むことができず、充填は停止される。液体を他方側に通過させるため、前述のように、チャンバ５３が変形される。

【0049】

次に、諸実施形態によるマイクロ流体デバイスには、以下のようないくつかの追加の特徴をさらに含めることができる。
− 投入パッド６０（図４、１１、１２）、すなわち第一マイクロチャネルの上流にあってデバイスに液体を投入するための投入パッド；
− バルブ５０の下流の反応チャンバ７０（図１１）；
− 例えば投入パッドと第一マイクロチャネルとの間に挿入された、試薬ゾーン８２（図１１）；
− バルブ５０の下流に挿入され、望ましくは反応チャンバ７０の後に挿入される毛細管ポンプ（８４）；
− その他。

【0050】

図１１は、前述の、２μＬの液体を受けることが可能な投入パッド、試薬ゾーン８２、機械的ストップ・バルブ５０、反応チャンバ７０、および毛細管ポンプ８４を有するマイクロ流体チップの設計を示す。この設計は、例えば、反応性イオン・エッチングを使ってシリコンに移すことができる（シリコン・チップ中のチャネルの典型的な深さ：６０μｍ）。チャネルおよびポンプを覆うために、ＰＤＭＳカバーが上部に配置される（図示せず）。反応チャンバのエリアにおいて、ＰＤＭＳカバーは、生物学的受容体分子（例えば、アビジンまたは他の生体分子）の複数のラインを含み、これらは反応チャンバを直角に横切り、反応チャンバの内腔に面している。このチップでは、バルブの後側で且つ毛細管ポンプの前側に配置された反応チャンバでアッセイを行うことができる。

【0051】

但し、本実施形態は、生物学的受容体分子または他の受容体分子を用いる用途に全く限定されない。例えば、（クエン酸塩または他の代謝生成物のような）人体内に存在するが生物学的でない代謝生成物を試験するためにマイクロ流体チップの使用が望まれることがある。さらに、先の例の代謝生成物を保ちながら、例えば、リガンド−受容体結合でなく、酵素反応を使って検出を行うことができよう。当業者であれば分かることであるが、本明細書で提供されるマイクロ流体デバイスを用いる、さまざまな他の用途を検討することができるであろう。

【0052】

さらに一般的には、本明細書で開示されたバルブを有するチップを使った実験のための周辺機器には、
− 試薬ゾーンの下の加熱ステージ（一部のアッセイは、さまざまな温度を用いて検体を標識したり、検体分子を解離することが必要であるため）；
− 投入パッドの下の冷却ステージ（例えば、蒸発を制限するため、特に、非常に少量のサンプルが用いられる場合、または試薬／検体の安定性を向上するため）；
− 蛍光リーダ、例えば、（カバーを通してアッセイ信号を読み取るためには）反応チャンバの上側にあるか、または、プラスチック・チップの場合は、反応チャンバの下側にある）蛍光リーダ；
− ピストン（例えば、所与の時間にバルブ上に正確な圧力を加えるようプログラムが可能なソレノイド）；
− （投入パッドもしくは試薬ゾーンまたはその両方へサンプルおよび試薬を自動投入するための）ピペット作業用ロボット。

【0053】

ただし、かかる周辺機器は、本明細書に記載したバルブ・メカニズムに対する必要事項ではない。

【0054】

次に、前述した概念の一部は並行化することが可能である。例えば、諸実施形態において、マイクロ流体デバイスには、各セットが前述のように構成された第一マイクロチャネル、第二マイクロチャネル、およびバルブを含む、ｎ個のセット（ｎ≧２）を含めることが可能である。

【0055】

例えば、検体の並行検出のために９つのチャネルを備えたマイクロ流体チップを図１２に開示する。該チップの寸法は、おおよそ５２×４７ｍｍ^２である。このチップの流れ方向は左から右である。該チップは、１０μＬのサンプルをピペットで移すことのできる共用の投入パッドを含む。チャネルのシステムは、パッドから液体を引いて、それを９つの別個の流路に等しく分配する。全流路は、通常、蛇行を利用して（長さ、従って水圧耐性が）等しくなるように作られる。各流路は、試薬ゾーンに導かれ、該ゾーンは０．５μＬの容積の液体を保持することができる。各試薬ゾーンの後側には、液体がチップを満たすのを妨げるための機械的ストップ・バルブ５０を含むマイクロチャネルが続く。各バルブの後には反応チャンバが続く。９つの反応チャンバは、光学システムを用いて信号を読み取るのを容易にするため、近接し且つ平行に保たれる。各反応チャンバは、１μＬの容積の液体を保持可能な毛細管ポンプに連結される。

【実施例】

【0056】

前述したようなマイクロ流体デバイスは、とりわけ、生物学的アッセイに利用される。例えば、図１３Ａ〜１３Ｄは、ビオチン化された９９７ｂｐのｄｓＤＮＡのＰＣＲ生成物をＢｒｙｔ Ｇｒｅｅｎ（Ｒ）染料（二本鎖ＤＮＡ中にインターカレートされると蛍光を発する）とともに含む分子グレードの水がバルブを（左から右へ）通過するのを示す、時系列の蛍光顕微鏡画像を示す。例として、ヌクレオチド（二本鎖ＤＮＡ、各々が９９７の塩基を有する）から成るＰＣＲ生成物の検出を取り上げ、図１１に示すバルブおよびチップを用いて、サンプル中の当該ＰＣＲ生成物を検出するためのアッセイが行われた。第一に、１μＬのＢｒｙｔ Ｇｒｅｅｎ（Ｒ）染料と、２μＭのビオチン化された２０塩基の一本鎖ＤＮＡプローブの１μＬとを、（カバーが配置されていない）チップの試薬ゾーン８２中にピペットで移し、乾燥した。第２に、Ｔｒｉｓ−ＥＤＴＡ緩衝溶液中に１０ｎＭの９９７ｂｐのＰＣＲ生成物を含む１μＬのサンプルを、投入パッド６０中にピペットで移した。液体のメニスカスが、ハイブリダイゼーション・チャンバ８１、第一マイクロチャネル３１を満たし、流入ポート５１で停止した。投入パッドから流入ポートまでサンプルで満たすのに約３０秒かかり、サンプルが試薬ゾーンに達したときは、サンプルは、Ｂｒｙｔ Ｇｒｅｅｎ（Ｒ）染料およびビオチン化された２０塩基の単鎖ＤＮＡプローブを溶かしていた。第三に、チップの試薬ゾーン域を９５℃に加熱し、室温に冷却した。試薬ゾーンで液体を加熱すると、試薬ゾーン中に気泡が形成されることが時々あった。特注の加圧チャンバを使って、（周囲圧よりもおよそ１バール（１０^５パスカル）高い）圧力を加えることによって気泡を除去できることが判明した。加熱ステップの間、二本鎖ＰＣＲ生成物は融解（鎖が分離）し、冷却の間に、ビオチン化一本鎖ＤＮＡが、ＰＣＲ生成物中の該ＤＮＡの相補配列と結合した。このプロセスは、通常、約１０分を要し、その間、バルブ５０では液体を止めておいた。第四に、キャビティ５３の上側のＰＤＭＳの上部でプッシュ・ノッド１１０を（例えば、鉛筆の先を使って）押すことによって、ＰＤＭＳはチャネル内側に変形し、液体はキャビティの中に引っぱられた。第五に、次いで液体は、第二マイクロチャネル３２を通過し、反応チャンバ７０を通って毛細管ポンプ８４に到達した。反応チャンバ７０において、ＰＣＲ生成物にアニールされたビオチン化プローブは、反応チャンバの内腔に面したＰＤＭＳ面上にパターン形成されたアビジン受容体に捕捉された。捕捉されたＰＣＲ生成物の検体は、蛍光顕微鏡を用い、表面蛍光によって定量化した。

【0057】

しかしながら、用途は生物学的アッセイに限定されない。試薬の種類、液体の組成、温度、およびインキュベーション時間は変えることが可能である。検出対象検体を含む多くの種類のサンプルを投入パッドに加えることができ、多くの異なる種類の試薬（化学物質、染料、酵素、オリゴヌクレオチド、抗体など）を試薬ゾーン中に加えることができる。本チップ中の微細構造体の容積、タイプ、チップのサイズ、チップおよびカバーに使われる材料は変えることが可能である。カバーの種々の機械的特性に合わせてバルブの幾何学的形状を変えることも可能である。バルブおよびマイクロ流体チップは、周囲条件下での使用のほか、加圧チャンバ内の使用が可能である。

【0058】

いくつかの実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、当業者は、本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな変更を加えることができ、均等物で代替が可能なことを理解していよう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるため、多くの変更を加えることが可能である。従って、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものでなく、本発明は、添付の請求項の範囲に包含される全ての実施形態を含むものとする。例えば、本デバイスは、図３Ａ〜３Ｂの重ね合わされた層１０、２０の各々を通って反対または同じ方向に挿入される複数の導管、可能であればマイクロチャネルを介して連結された導管を用いて具現化することも可能である。マイクロチャネルのいくつかの設計を考えることができよう。２枚以上の層を通って挿入された複数の導管およびいくつかの境界部にはめ込まれたマイクロチャネルを備え、例えば３枚以上の層の間を液体連通が可能なようにされた、層１０、２０に類似したいくつかの重ね合わせ層を作製することができる。層１０、２０のペアなどの間にインターフェース層をさらに設けることも可能であろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】