特表2022-513545マイクロ流体ポンプまたはバルブの計測の精確性を向上させる方法、ならびにこの方法を実行するための溶接装置及び緊張装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-09
(54)【発明の名称】マイクロ流体ポンプまたはバルブの計測の精確性を向上させる方法、ならびにこの方法を実行するための溶接装置及び緊張装置
(51)【国際特許分類】
F04B 43/02 20060101AFI20220202BHJP
F04B 43/14 20060101ALI20220202BHJP
C12M 1/00 20060101ALN20220202BHJP
C12M 1/38 20060101ALN20220202BHJP
C12M 3/00 20060101ALN20220202BHJP
【ＦＩ】
F04B43/02 C
F04B43/14
C12M1/00 D
C12M1/00 A
C12M1/38 Z
C12M3/00 Z
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2020571804
(86)(22)【出願日】2019-11-29
(85)【翻訳文提出日】2021-02-04
(86)【国際出願番号】 DE2019000306
(87)【国際公開番号】W WO2020125829
(87)【国際公開日】2020-06-25
(31)【優先権主張番号】102018009860.6
(32)【優先日】2018-12-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】510093440
【氏名又は名称】エム２ピー－ラブス ゲーエムベーハー
(74)【代理人】
【識別番号】100091683
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄
(74)【代理人】
【識別番号】100179316
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 寛奈
(72)【発明者】
【氏名】フリッシュ，ニクラス
(72)【発明者】
【氏名】クレマーズ，アレクサンダー
(72)【発明者】
【氏名】ヒルデンブランド，カールハインツ
(72)【発明者】
【氏名】ペトリー，クリストフ
【テーマコード（参考）】
3H077
4B029
【Ｆターム（参考）】
3H077AA01
3H077BB10
3H077CC02
3H077CC09
3H077CC10
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4B029HA05
(57)【要約】
本発明は、可撓性被覆フィルム／膜、及びバルブトラフに基づき、マイクロ流体ポンプ及びバルブの投与の精確性を向上させるための方法に関し、バルブトラフに面した膜の表面は、レーザビームを使用して加熱される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
可撓性の隔膜（４）及び少なくとも１つのバルブトラフ（５、６、７）を伴うバルブ本体（８）を有する、マイクロ流体ポンプ（１、２、３）またはバルブの、投与の精確性を向上させるために方法であって、可撓性の前記隔膜（４）は、前記バルブトラフ（５、６、７）を被覆するために前記バルブ本体（８）に装着され、ここで前記方法は、前記バルブトラフ（５、６、７）に面した前記隔膜（４）の表面（９）が、レーザビームを用いて加熱されることを特徴とする、方法。
【請求項2】
前記隔膜（４）は、前記レーザビームによって前記バルブ本体（８）に溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記隔膜（４）または前記バルブ本体（８）には、加熱によって活性化される接着剤が提供されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記レーザビームを使用して、前記隔膜（４）の前記バルブ本体（８）への装着を、前記バルブトラフ（５、６、７）の縁部に沿った継目として生成することを特徴とする、請求項１～３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記バルブトラフ（５、６、７）に面した前記隔膜（４）の前記表面は、前記隔膜（４）に影響を及ぼす放射によって加熱されることを特徴とする、請求項１～４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記放射は、前記隔膜（４）を通って前記表面（９）に影響を及ぼすことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記放射は、前記バルブ本体（８）を通って前記表面（９）に影響を及ぼすことを特徴とする、請求項５または６に記載の方法。
【請求項8】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、装着前に研磨されることを特徴とする、請求項１～７のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、装着前にプラズマエッチングされることを特徴とする、請求項１～８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、装着前にイオンビームを用いてエッチングされることを特徴とする、請求項１～９のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、装着前に化学修飾によって平滑化されることを特徴とする、請求項１～１０のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、装着前に親水性化されることを特徴とする、請求項１～１１のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記バルブ本体（８）の前記表面（９）は、前記バルブトラフ（５、６、７）の周りに装着される前に、１００ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、さらに好ましくは２０ｎｍ未満の粗さの平均値（Ｒａ値）を有することを特徴とする、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
ポンプは、０．０１μＬ／ｈ～１ｍＬ／ｈの流量、特に０．０１～１００μＬ／の流量、さらには０．１～８０μＬ／ｈの流量で液体を送達するよう設計されることを特徴とする、請求項１～１３のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
液体を送達するポンプは、５ｎＬ／ストローク～１μＬ／ストローク、特に２５～５００ｎＬ／ストロークのポンプ容積、さらには特に７５～２５０ｎＬ／ストロークの範囲の、ストローク毎のポンプ容量で動作することを特徴とする、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記レーザビームをｘ－ｙ方向に誘導する誤差は、０．０５マイクロメートルより大きく１ミリメートル未満、好ましくは５０マイクロメートル未満、さらに好ましくは５マイクロメートル未満であることを特徴とする、請求項１～１５のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
様々な透過性範囲を有する様々なポリマーが、前記隔膜（４）及び前記バルブトラフ（５、６、７）のために使用され、ＵＶレーザ、可視光レーザビーム、または赤外線レーザを用いて溶接されることを特徴とする、請求項１～１６のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記レーザビームの波長範囲は、０．１～１０００マイクロメートル、好ましくは０．４～５０マイクロメートル、さらに好ましくは０．７８～３マイクロメートルであることを特徴とする、請求項１～１７のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項19】
前記レーザビームのパワーは、０．０１～１０００ワット、好ましくは０．１～１００ワット、さらに好ましくは３～５０ワットであることを特徴とする、請求項１～１８のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
幅が２０マイクロメートル～３ミリメートル、好ましくは３０～５００マイクロメートル、特に好ましくは５０～３００マイクロメートルの線にわたって装着が実施されることを特徴とする、請求項１～１９のうちいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
請求項１～２０のうちいずれか一項に記載の方法に従った方法を実行するための、溶接装置であって、レーザ、及びコンピュータ制御された前記レーザの運動のためのデバイスを用い、かつ前記隔膜（４）を全ての前記バルブトラフ（５、６、７）の周囲で溶接するために、運動の開始座標及び終了座標を自動的に記録するためのデジタルカメラを用いた、溶接装置。
【請求項22】
しわを作ることなく被覆フィルム／隔膜（４）を緊張するために、請求項１～２１のうちいずれか一項に記載のプロセスを実行するための、緊張装置であって、均等の溶接継目を実現するために、予め正確に伸長させ、バルブの上側と同一面にし、それによって前記バルブの上側の前記フィルムによって加えられた圧力を、全ての位置で同じにする、緊張装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
遺伝子を組み換えられた微生物によって、活性物質、ビタミン、ペプチド、またはタンパク質を技術的に生産することは、過去３０年にわたり膨大な経済的重要性を得てきた。これらの物質の工業生産において、生成する細胞システムは、多くの立方メートル体積を保持できるバイオリアクタで培養される。これによって、ｐＨ値、栄養素濃度、溶剤の酸素含有量、ならびに細胞の成長及び代謝に関するいくつかの他のパラメータを制御することによって、細胞が最適に生成できるのを保証する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、微生物培養または細胞培養における重要パラメータを制御することは、好適な計測方法を使用して、これらのパラメータをリアルタイムで計測するか、少なくとも適宜計測することを必要とする。目標値から重要パラメータが逸脱すると、次に適切な介入が必要となる。これは、全自動、またはオペレータによる手動で実施することができる。両方の事例において、対応した重要パラメータを、好適な薬剤を投与することで、その目標値に調整する試みが成される。例えば、細胞培養中に低下するｐＨ値は、通常は適量の好適な塩基を投与することによって修正され、上昇するｐＨ値は、適切に酸を追加することによって修正される。微生物または細胞のエネルギー供給は、グリコース溶剤であることが多い好適な炭素源を、制御して追加することで一般的に実現される。必要な薬剤が精確に計測された量で追加されることが、ここでは重要となることが多い。薬剤の過不足は、バイオテクノロジーで生産された物質の製品品質を損なう場合があり、生産を完全に停止させるか、または少なくとも空自収率を低下させる。
【0003】
工学規模において、すなわち細胞が、数百またはさらに数千リットルの培養液中で培養される場合、薬剤投与が、通常は完全な無菌状態で実行される必要があるという事実を別にすれば、培養条件を調整するための薬剤投与は特に問題とはならない。必要な薬剤量が、数ミリリットルから数リットルの範囲である場合、薬剤を高精度かつ精確に計測して投与する様々な技術が存在する。
【0004】
しかし、バイオテクノロジー生産のための培養条件を初めに確立する、上述の方法は、生産を進行中に他の技術を必要とし、そこでは生産中に使用される重要パラメータが初めに決定されなければならない。最適化プロセス中に、無作為の変異誘発または目標とする遺伝子操作によって生成された、好適である可能性のある有機体が、初めにスクリーニングされる。最も有望な有機体が選択され、次のステップにおいて、初めに大まかなステップで、次に次第に細かいステップで、培養条件が変更される。数千リットル、数百リットル、またはほんの数リットルの規模でさえ、このような最適化を実行することに意味がないことは、全ての者に明白である。各個々の最適化実験のためのコストは、実質的のその規模に比例する。薬剤、器具、実験室内の必要空間のためのコストは、培養体積に大きく相関する。オペレータが個々の培養に専念する必要のある時間も、かなりの程度までその体積に依拠する。
【0005】
したがって、数百または数千の異なる実験を必要とすることが多い、細胞または微生物の培養及びバイオテクノロジー的生産を最適化する科学者が、これらの実験をできるだけ並行して、可能な最小規模すなわち小さい体積で実行するために努力するのは、驚くべきことではない。
【0006】
このため、並行式マイクロバイオリアクタが、バイオテクノロジーにおいてより頻繁に使用されている。リアクタ容器は、マイクロタイタープレートの形態で配置されることが多く、したがってこれは、小さいか、または非常に小さい容積のリアクタのアレイをもたらす。これは、標準的な１２８×８５ｍｍフォーマットであることが多い、たった１枚のマイクロタイタープレートで、６、２４、４８、９６、３８４、または１５３６個の培養でさえ、同時に行うことを可能にする。この微量で最適化された反応条件は、比較的小さい適合で巨視的なフォーマットに移行できることが多い。マイクロタイタープレート上のリアクタの数を変化させることによって、作業体積はそれに応じて大幅に変化する。１０ｍＬ未満の規模でも一般にマイクロリアクタと呼ばれるが、１ｍＬ未満、５００μＬ未満、１００μＬ、またはさらに１０μＬ未満の、容積のさらなる減少は、かなりの時間及びコストを節約させる。特に、実験を並行して実行する可能性のために、いくつかの操作された変数を用いて、培養条件を最適化するときはそうである。しかし、ここでは対照薬剤と呼ぶことが多い、培養条件を目標範囲内に維持する必要がある薬剤の投与は、しばしば大きな難点を提起する。１ｍＬ未満の容積を有するリアクタにおいて、対照薬剤は一般に、より大きいリアクタにおける条件と比較して、実験の精度及び信頼性に関する要件を大幅に低下させることなく、μＬまたはさらにはｎＬ単位の遅い投与を必要とする。
【0007】
したがって多くの製造者は、中規模で対照薬剤を追加するための技術を発展させるとき、シリンジまたは蠕動ポンプなどの実績のある技術を使用することを好む。これらの技術は、少なくともμＬ規模、特定の制限と共にさらにｎＬ規模の、安定かつ再現性のある送達量を可能にする。しかし、マイクロバイオプロセス技術における、これらのポンプは、チューブ及びシリンジが使用前に完全に洗浄及び殺菌されるか、またはチューブ及びシリンジが適切に準備された使い捨て物品である場合でなければ、一般的に無菌条件を保証できないという欠点を有する。特に並行化の程度が、１２回または２４回よりも多い同時培養に関わる場合、１回のみの実験を設定することは、かなりのコスト及び時間と関連付けられる。マクルロバイオリアクタの他の製造者は、高精度投与バルブ（Ａｐｐｌｉｋｏｎ）を使用して、液体を反応チャンバの中に供給する。ここでやはり、液体はバルブの部品と接触することになり、したがってこれらは使用する前に、洗浄及び殺菌しなければならない。加えて、このような投与は、マイクロタイタープレートの蓋を通して行わなくてはならず、そのため無菌バリアを破る可能性がある。マイクロタイタープレートの底部を通して送達する、コスト効率が良くて使用が容易な使い捨てシステムは、このためマイクロバイオリアクタの使用者には大きな利益となる。
【0008】
マイクロバイオリアクタにおいて、高度な並行化で対照薬剤を送るための興味深い方法が、欧州特許第３０５５０６５号明細書に記載されている。約１００μｍの径のチャネル、ならびにこれらチャネルの中に統合されたポンプ及びバルブから構成されたマイクロ流体システムによって、対照薬剤を、マイクロタイタープレートに統合されたリザーバから、マイクロタイタープレートの底部を通してマイクロリアクタの中に、ポンプで送り込むことができる。マイクロ流体バルブ及びポンプの使用は、多くの個々のマイクロバイオリアクタの、マイクロバイオリアクタシステムの中への良好な統合を保証し、それによって多くの並行実験を比較的小さい設定空間内で可能にする。多くの数のバルブ、ポンプ、及びチャネルによって、各々が２つの投与経路を伴う３２個までの反応チャンバを、同時に制御することができ、それによって高いスループットのプロセスを行うことができる。概ね２０００まで、またはそれより多い数の反応チャンバも、この技術を用いて実現することができる。
【0009】
チップの中に統合されたポンプ及びバルブの機能は、チャネルに接続された円形のトラフの多くが、可撓性フィルムまたは隔膜によって封止されるという事実に基づいている。空圧によって、フィルムをトラフの中に押圧することができ、それがチャネルを遮断させ、液体をトラフから押し出す。互いの関連におけるこれらのトラフ／バルブの配置に依拠し、かつフィルムがこれらのトラフ／バルブの中に押圧されるシーケンス、及び持続時間に依拠して、液体を画定された方向に、原則として画定された流量で、ポンプで送り込むことができる。
【0010】
このようなマイクロ流体バルブ及びポンプ（隔膜ポンプ）は、ライフサイエンス分野において現在一般的に使用されている。なぜなら、それらは圧縮空気を使用して、簡単かつ比較的安価で作動させることができるからである。ポンプチャンバが２つのバルブの間に設置された場合、液体の蠕動運動を、特定の切り替えシーケンスによって実現することができ、それは、ポンプ性能に顕著な影響を有する液体の物理特性なしで、液体の準連続運動を可能にする。低流量におけるポンプの送達のみが、明らかに不連続となる。なぜなら、ポンプチャンバの容積は、単位時間で動かすことができる液体の最小の個別の体積だからである。この技術の難点は、バルブトラフを可撓性隔膜で被覆することである。広範な方法がここで使用される。それらは、間接的接続技術（接着接続または締め付け）、及び直接的接続技術（接着結合、溶剤系接合、熱溶接、または超音波溶接）（２００８年のＴｓａｏらによる）に、原則的に分割することができる。
【0011】
バルブトラフを被覆する最も一般的な方法は、高温または超音波、及び圧力によって、主本体に隔壁を熱溶融または熱溶接することである。この方法は、漏洩して細胞に有害となり得る、任意の他の添加物を必要としない。締め付けの前に、いかなる機械的補助も必要としないという利点を有する。熱溶接において、基体はそれらのガラス転移温度に近づけられ、押圧パンチを用いて共に押圧される。圧力と温度との相互作用は、十分なポリマーのフローを生成し、個々の層のポリマー鎖の間に相互拡散を作り出し、それによって基材の結束力のある接続強さと同様の強い接続を作り出す。しかし熱溶融の主な難点は、構造変形の低下である。バルブまたはポンプチャンバを可撓性隔膜で精確に被覆するために、バルブは、隔膜が結合される画定された縁部を有しなければならない。これは、フィルム上に加熱及び押圧することによって生じる顕著な構造的変形を回避するため、これらのバルブまたはポンプチャンバが、比較的深くなければならないことを意味する。低送達量を可能にするため、バルブの外形の設計は、一般に比較的高い深さ、したがって高いデッドボリュームを伴う小さい断面積を基本とするため、バルブを封止するのをさらに困難にする。他方で、低いデッドボリュームを伴う低い漏洩量を実現するために、バルブにおける深さに対する幅の比を大きくすることが役立つ。バルブの幅が広いほど、被覆フィルムを動作中のバルブの中に押圧し、したがってバルブを封止もしくは充填するため、またはポンプの場合は全容量を送るために必要な空気圧は小さい。残念ながら、被覆フィルムをこれらの幅広で平坦なバルブトラフの上に熱溶接することは、上述の深いトラフを有する場合よりも、かなり困難である。隔膜フィルムの可撓性及びそれ自体の重さのため、隔膜フィルムをバルブの中に横たえ、そこに固着させる場合もある。これは、不均一に被覆されたバルブ及びポンプチャンバをもたらす。この結果、ポンプチャンバの容積に大きい変動を有するポンプバルブとなる。これはポンプからポンプへのポンププロセスの再現性に、悪影響を与える。ポンプの送達体積がチャンバの容積に正比例するため、変化するチャンバ容積は、投与プロセスの低い再現性、またはポンプからポンプへの低い送達精度を直接的に意味する。
【0012】
可撓性フィルムを平坦なバルブ（大きい径で浅い深さ）の上に熱溶接するために、高温かつ高圧を特徴とし、バルブ及びポンプチャンバの空洞の位置において凹部を有する加熱したパンチの助力を伴う溶接プロセスの実施が、役立つことが判っている。これは、バルブトラフの中への熱伝達を低減させる。それは、バルブトラフの可撓性フィルムが共に容易に固着せず、バルブトラフの縁部が容易に変形しないことを意味する。しかし実際には、ポンプチャンバへの熱伝達は、チャンバの可撓性フィルムの固着が完全に除去されない程度まで、常に低減されるわけではないことが判っている。他方で、接合パンチにおけるバルブの凹部は、パンチをバルブトラフに対して非常に精確に整合させる必要がある。互いに対する２つの構成要素の機械的整合に全体的に関連付けられた課題にも関わらず、接合パンチの僅かな不均一な加熱でさえ、異なる方向の異方性拡張をもたらす場合がある。その結果、マイクロ流体チップのバルブトラフ及び接合パンチの凹部は、完全な機械的整合でさえ、常には同心円状にならない。部分的に接着剤が付いた被覆隔膜を伴うバルブと同様に、これも、ポンプチャンバの容積にかなりの変動をもたらす場合がある。さらにここで、ポンプ性能は、ポンプによってかなりの変動を示す。
【0013】
可撓性被覆フィルムを伴うマイクロ流体ポンプシステムが、原則的に上述の理由（優れた並行化機能、容易な殺菌機能、低コスト、単一使用物品／使い捨てにおける簡易な使用）のためにマイクロバイオリアクタに使用するよう良好に適応されても、現在の先行技術に従った、同一設計の異なるポンプにおける送達量の高い変動は、システムが培養条件の僅かな変化に対して敏感に反応する場合、有機体のスクリーニングまたは細胞培養の条件を最適化するために使用することが、可能ではないことを意味する。これらのシステムは、より精確な投与システムを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0014】
【特許文献1】欧州特許第３０５５０６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
本発明は、隔膜と呼ばれる可撓性被覆フィルム、及び請求項１に記載のバルブトラフに基づく、マイクロ流体ポンプならびに／またはバルブの、投与精度を向上させるための方法に関する。
【0016】
有利な改善は、従属請求項の主題である。
【課題を解決するための手段】
【0017】
したがって、隔膜がレーザビームによってバルブ本体に溶接されると、有利である。さらに、隔膜またはバルブ本体に、熱活性接着剤を提供することができる。ビームを使用して、隔膜をバルブトラフの縁部に沿った継目として、バルブ本体に装着することは、意味を成す。バルブトラフに面した隔膜の表面を、隔膜に影響を及ぼす放射によって加熱することができる。これは、放射が隔膜を通して表面に影響を及ぼす場合、特に容易である。しかし放射を、バルブ本体を通して表面に当てることもできる。隔膜が接触する、特に平滑な表面を実現するために、装着前にバルブ本体の表面を磨くことができる。バルブ本体の表面は、装着前にプラズマエッチングされ、イオンビームを用いてエッチングされ、化学修飾によって平滑化され、及び／またはバルブ本体の表面は、装着前に親水性にされ得る。ここでの目的は、バルブ本体の表面は、バルブトラフの周りに装着される前に、１００ｎｍ未満、好ましくは５０ｎｍ未満、さらに好ましくは２０ｎｍ未満の粗さの平均値（Ｒａ値）を有する。この計測値を判定するために、表面は、規定された計測距離にわたって走査され、表面の高さ及び深さの全ての差が記録される。計測距離にわたるこの粗さ曲線の定積分を計算した後、結果は計測距離の長さによって分割される。
【0018】
ポンプは、１ｍＬ／ｈ未満の流量、しかし特に１００μＬ／ｈ未満の流量、さらには特に０．０１～８０μＬ／ｈの範囲の流量で液体をポンプで送り込むために使用されるべきである。ポンプが、５ｎＬ／ストローク～１μＬ／ストローク、しかし特に２５～５００ｎＬ／ストロークのポンプ容量、さらには特に７５～２５０ｎＬ／ストロークの範囲における、ポンプストローク毎のポンプ容量で、液体を送達するために使用される場合、やはり有利である。加熱した接合パンチを用いた熱溶融によって生産されたポンプと比べた、送達量におけるポンプ毎の変動の減少は、レーザビームを使用して、バルブトラフの上側を可撓性隔膜と溶接することによって実現される。ｘ－ｙ方向におけるレーザビームの誘導の誤差は、１ミリメートル未満、好ましくは５０マイクロメートル未満、さらに好ましくは５マイクロメートル未満であるべきである。ポンプ内またはポンプの周りのスペクトルにおける、異なる部分の光学的計測を可能にする、透明ポリマーで作られたバルブトラフの上に、同様に透明ポリマーで作られた被覆フィルム／隔膜も溶接するのを可能にするために、ＵＶレーザ、可視レーザビーム、または赤外線レーザを用いて溶接される、様々な透過範囲の様々なポリマーを使用することができる。このようなレーザの好ましい波長範囲は、０．１～１０００マイクロメートル、好ましくは０．４～５０マイクロメートル、さらに好ましくは０．７８～３マイクロメートルである。このスペクトル範囲（近赤外線）において、多くのポリマーは特有の吸収帯を有し、そのため、プラスチック中またはプラスチック表面上において追加の吸収材を使用することなく、精確に画定されたポイントにおいてそれらの軟化点を超えた、集束したレーザビームによって加熱することができる（吸収材不要の透過溶接）。可視光に対して高い透明性を有する、ポリスチレンまたはエチレン－ノルボルネンコポリマー（ＣＯＣまたはＣＯＰ）などのプラスチックは、吸収材がなくても溶接することができる。レーザビームのパワーは、０．０１～１０００ワット、好ましくは０．１～１００ワット、さらに好ましくは３～５０ワットである。
【0019】
接合パンチを用いて熱接合する代わりに、レーザを用いて隔膜フィルム及びバルブトラフを溶接する利点は、レーザが、加熱した接合パンチよりも良好に調整できること、ならびに、溶接プロセスが大きい面積にわたり行われずに、継目の線に限定されることである。継目の外形及び進路は、ｘ－ｙの３μｍ未満の誤差であるレーザを的確に誘導することによって確定させることができる。ここでの溶接継目の幅は、１ミリメートル未満、好ましくは２５０～２０マイクロメートルである。幅が２０マイクロメートル～３ミリメートル、好ましくは３０～５００マイクロメートル、特に好ましくは５０～３００マイクロメートルの線にわたって装着が実施される場合に、有利である。レーザの精確な誘導及び小さい継目の幅により、バルブトラフ及び溶接した隔膜フィルムと溶接していない隔膜フィルムとの間の境界の偏心、ならびに意図的ではない溶接による、バルブトラフにおける隔膜フィルムの固着は、回避される。これは、接合パンチを用いた熱接合の事例では回避することが困難である、
【0020】
しかし、溶接継目の精確な誘導、及びバルブトラフの中への得られた低熱入力は、隔膜フィルム及びバルブトラフの非熱接合を、常に防止するわけではない。これは、バルブフィルムの厚さが、バルブトラフの深さよりも大きい場合、またはフィルムの厚さ及びトラフの深さが、少なくとも類似の大きさ水準である場合に、特に当てはまる。この事例において、予め緊張させたフィルムを、強い溶接に好ましいプラスチックチップ上に押圧することで、隔膜フィルムもバルブトラフの中へ押圧させることができる。レーザビームの精確で局所的な誘導、及びそのパワーの精確な投与は、バルブトラフにおけるフィルムの溶接を確実に防止し、プラスチックチップにおけるバルブトラフの少ない極性表面、及び隔膜フィルムの同様に少ない極性表面における親水性の相互作用により、フィルム及びチップを互いに接着させることができる。小さい導電性の表面における可能な帯電も、このような付着性を促進することができる。さらに、好適な倍率の顕微鏡を用いて観察すると、不均等なサンドペーパのように見える場合があるバルブトラフの表面の粗さは、バルブトラフのこの微小な粗さの上に溶接するために押圧される場合、比較的柔らかい隔膜フィルムをそれらのサンドペーパ状の構造と絡ませることができる。単独または組み合わせた上記の全ての影響は、隔膜フィルムとバルブトラフとの間の相互作用に導く場合があり、ポンププロセスが妨害される。これは、低下したポンプ性能または隔膜ポンプの故障をもたらす場合がある。上述の加熱した金属パンチを用いた熱接合／溶接の事例において、頻出する副次的影響である、バルブトラフ及び隔膜フィルムの偶発的な熱溶接とは対照的に、レーザ溶接の事例で説明した隔膜とフィルムとの間の相互作用は、少なくとも部分的に逆にできる。したがってそれらは、ポンププロセス中に部分的に逆にできる。それにもかかわらず、隔膜フィルム及びバルブトラフが相互作用できる強度は大きくなることがあるので、好適な対策を取らなければならない。
【0021】
バルブトラフの微小な粗さに起因する場合がある、チップと隔膜フィルムとの間の機械的な相互作用を減少させるための、基本的に簡単な方法は、バルブトラフの表面を平滑化することである。バルブトラフを伴うチップは、好ましくは射出成形によって生成されるため、原則的に容易に近付くことができる凸状構造を代表する、射出成形金型におけるバルブトラフを、研磨によって平滑にすることは特に好適である。このように、粗さを数ナノメートルの細かさに低減させることができる。隔膜フィルムとバルブトラフとの間の相互作用は、チップによって生成された相互作用と比べて、大幅に減少させることができる。チップの対応した射出成形金型は、ミリング及び平滑化されるのみである。原則的に非常に簡単であるが、時として硬質な金属で作られた射出成形金型の細かい研磨を、ナノメートル範囲で手動で行うことに対する要求は、非常に大きい。チップ本体上のバルブトラフを平滑化することの、技術的な要求は小さい。より軟質である、ここで使用する材料、一般にポリスチレン、ポリオレフィン、または別のプラスチックのために、バルブトラフを研磨することは、１つのみの成形金型ではなく、全ての単一の射出したチップを再作業するために必要となる金額という点で、射出成形金型を研磨するよりも容易である。研磨とは別に、チップのバルブトラフにおける表面も、化学的に平滑化することができる。ここで、チップが作られるポリマーを、限定した範囲まで侵食する溶剤を使用するのが好ましい。それによって、バルブトラフの微粒など、細かい構造を平らにすることができる。ポリオレフィンチップのために、水を含むテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）の混合物（好ましくは５～７０％のＴＨＦ含有量）、または水を含むメチルエチルケトン（ＭＥＫ）の混合物（好ましくは５～２５％のＭＥＫ含有量）が使用される。ポリスチレンのために、水と混合したイソプロパノールが推奨される。一般的に、バルブトラフが作られるポリマーを侵食する溶剤と、バルブトラフが抵抗する溶剤との混合物を使用するべきである。これは、バルブトラフが比較的抵抗力があるが、不活性ではない混合物を生成するのを可能にする。このように、バルブトラフの粗さを生じさせる非常に細かい構造を、チップのチャネル及びバルブトラフの空洞に相当する、より粗い構造を大幅に損ねることなく、平滑化することができる。水と混ざらない成分を含有する溶剤混合物も、バルブトラフを平滑化するために使用することができる。クロロホルム、または、エタノールもしくはイソプロパノールを伴うジクロロメタンなど、塩素系溶剤の混合物は、ポリオレフィンの表面を平滑化するために、特に好適である。プラズマエッチングなどの物理化学的方法も、射出成形後のバルブトラフ、または個々にミリングしたチップ及びバルブを、平らにするために使用することができる。ここで、バルブを伴うチップは、真空中（０．００１～０．１ｍｂａｒ）で、酸素プラズマまたは高電圧で生成された空気プラズマに露出される。このプロセスにおいて、細かい粗さは酸的に侵食され、それによって平滑化される。加えて、プラズマは、ポリマーの表面上に酸素ラジカルの堆積、及びポリマーの酸化生成物の形成を生じさせる。詳細には、カルボン酸、アルコール、アルデヒド、ケトン、エポキシド、オキセタン、過酸化物、及びあまり特徴のない活性酸素アダクトが形成される。これら全ての化合物は、バルブ空洞の表面における可能な平滑化に加えて、表面の極性を大幅に増加させる。これは、隔膜フィルムとバルブ空洞との間の疎水性相互作用を減少させ、それによってバルブとフィルムとの間の付着性を大幅に減少させる。
【0022】
バルブ空洞とフィルムとの間の相互作用を減少させる、別の非常に良好な方法は、バルブの内側を極性化学化合物でコーティングすることである。洗浄剤は、この目的には特に好適である。なぜならそれらは、バルブトラフのポリマー面に、それらの親油性の部分的構造及びそれらの極性頭基を伴ってしっかりと結び付き、バルブフィルムのバルブトラフに対する付着性をほぼゼロまで減少させるからである。アニオン性、カチオン性、及び中性の洗浄剤は、この目的のために好適である。特に、これらの洗浄剤は、０．００１～１％の濃度の洗浄剤の水溶液から適用される。そうするために、バルブトラフを伴うチップは一時的に（少なくとも約１秒）洗浄剤の水溶液に浸される。洗浄剤の親油性の端部は、自動的にそれら自体でチップ／バルブトラフの表面に適応され、高密度層を形成し、洗浄剤の極性頭基はそれら自体で水媒体の方向に順応され、そこから洗浄剤は、溶剤からチップ／バルブトラフに向けて拡散する。この目的のための好適な洗浄剤は、従来の石鹸、すなわち高カルボン酸のアルカリ塩であるが、特にポリアクリレートなどの高分子カルボン酸（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）である。これは、高い親和力によって、チップまたはバルブトラフの表面に、よりしっかりと固着する。同様に好適なのは、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）またはそれらの高分子類似物などの、硫酸またはスルホン酸である。レシチンまたは化学的に精製されたレシチン状化合物（例えばｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｏｎ Ｇ９０、Ｌｉｐｏｉｄ ＡＧ、Ｃｏｌｏｇｎｅ）などの、高分子天然物質も、特に好適であることが判っている。これらの化合物のアニオン性機能は、リン酸基に代表される。好適なカチオン性ポリマーは、テトラデシルトリアンモニウム塩化物（ｔｅｔｒａｄｅｃｙｌｔｒｉａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）などの、少なくとも１つの高アルキルラジカル（逆性石鹸）を伴う第４級アンモニウム塩である。アニオン性ポリマーと同様に、チップ／バルブトラフにおける吸着を、ポリマー構造を使用することによって、ここで増加させることもできる。ポリエチレンイミン（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）、及び第４級アンモニウム基を伴うかまたは伴わない高分子ポリアミンは、特に好適であることが判っている。中性洗浄剤も、チップ表面／バルブトラフの親和性コーティングに非常に好適である。Ｔｗｅｅｎ２０（Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）などの低分子化合物に加えて、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ類（例えばＳｕｒｆｙｎｏｌ ６１、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ １０４、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＤ０１、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＳ５０２０、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＳ５０４０、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＳ５０６０、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＳ５０８０、Ｓｕｒｆｙｎｏｌ ＡＳ５１８０）、ならびにＴｅｇｏｐｒｅｎｅ（Ｔｅｇｏｐｒｅｎｅ ５８４０、Ｔｅｇｏｐｒｅｎｅ５８６０、Ｔｅｇｏｐｒｅｎｅ５８８５）は、好適であることが判っている。上述のＳｕｒｆｙｎｏｌ及びＴｅｇｏｐｒｅｎｅは、エッセンのＥｖｏｎｉｋから入手可能である。これらの化合物のうちのいくつかは、水溶性である。いくつかの事例において、初めにイソプロパノール中で約１０％の濃度の中性ポリマーの保存液を準備するため、及び次に０．００１～１％の目標濃度に水で希釈するために、マイクロ流体チップのコーティングが推奨される。
【0023】
隔膜フィルムが溶接されることになるバルブ縁部の、洗浄剤のコーティングは、溶接継目の安定性の低下をもたらす場合があるので、バルブ縁部のコーティングを避けること、もしくはコーティングの厚さを減少させること、または隔膜フィルムの溶接をせずに代わりに熱接着させることが、推奨される。いずれの事例においても、エネルギー入力の非常に良好な投与機能、及びレーザの位置付け精度も、接着接合に使用されるべきであり、それによって熱接着プロセスは、従来の接着接合よりも望ましくなる。
【0024】
バルブ本体の内側への洗浄剤コーティングを制限する実用的な方法、すなわち、チップ表面全体を親水的にコーティングしない方法は、チップ上のバルブ領域を接着テープで被覆することである。この接着テープは、バルブトラフの位置で穴が開けられる。このように、チップのプラズマ処理中に、バルブトラフの内側のみが酸素または空気プラズマに露出され、その一方でバルブ縁部は接着テープで保護される。このようにして準備されたチップを、上述の洗浄液のうちの１つの中に浸すと、バルブトラフの内側のみに親水性コーティングが生じ、その一方でバルブ縁部の親水性コーティングは、保護接着テープを剥ぎ取ることによって取り除かれる。したがって後続の溶接が、いかなる問題もなく可能となる。表面のプラズマ活性部に好ましく結び付くが、元のままの部分には結び付かない洗浄剤の使用は、プラズマ活性化のすぐ後で保護接着テープが取り除かれ、次にチップ全体が洗浄液で処理されるのを可能にする。Ｔｅｇｏｐｒｅｎｅ ５８４０は、このタイプの処理には特に好適である。これは主に、チップのプラズマ活性化部分のみに結び付くので、保護接着テープを取り除いた後のチップの洗浄処理を、後続のレーザ溶接の強度に影響を与えることなく可能にする。このＴｅｇｏｐｒｅｎｅ ５８４０、さらにはＳｕｒｆｙｎｏｌｅ ＡＳ５０ｘｘの特性は、プラズマ活性化中にバルブ縁部を被覆するときに、接着テープを省略すること、及び、硬質被覆マスクを代わりに使用することを可能にする。硬質被覆マスクは、位置付けは容易であるが、洗浄液内のチップと一緒では、部分的にしか処理できないか、または全く処理できない。Ｐｈｏｓｐｈｏｌｉｐｏｎ Ｇ９０など、他の洗浄剤は、プラズマ活性化されたもの、ならびにプラズマ活性化されなかったものに、同様に良好に固着し、そのため、プラズマ活性化しなくても親水性コーティングを可能にする。
【0025】
チップを熱接着するために、熱活性接着剤をコーティングされたフィルムが使用されるべきである。チップ本体を接着剤のみでコーティングすることは、コーティングプロセスを可能な限り少なくする場合に意味を成すが、好ましくは、接着剤はバルブトラフに貫入できない。これは、チップ本体に直接、可能な接着剤を利用するが、比較的複雑である。したがって接着剤を用いてフィルムをコーティングするには、一般にチップ本体にコーティングするのが好ましい。隔膜フィルム及びチップの、レーザ活性化された熱接着のために、市販の熱接着フィルム（例えばアイルランド国ダブリンのＡｄｈｅｓｉｖｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈの、ＭＨ－９２８２４、９３０２５、または９２８０４）、またはポリウレタン系熱接着でコーティングしたポリオレフィンフィルム（フィルム：オーストリア国ＭａｄｅｒのＤｅｎｚ ＢｉｏＭｅｄｉｃａｌ有限責任会社、接着剤：両方ともＬｅｖｅｒｋｕｓｅｎのＣｏｖｅｓｔｒｏ ＡＧの、７．５％のＤｅｓｍｏｄｕｒ Ｕｌｔｒａ ＤＡ－ＬでブレンドしたＤｉｓｐｅｒｃｏｌｌ Ｕ５３）を使用することができる。接合するために、隔膜フィルムは３０～３００μｍの厚さを有するべきである。約１００μｍが好ましい。接着層の厚さは、２～１００μｍが実用的である。約７μｍの厚さが好ましい。レーザ補助の熱接着後の、Ｄｉｓｐｅｒｃｏｌｌ及びＤｅｓｍｏｄｕｒの後架橋性のために、接着継目は、最終的強度に達する前に少なくとも１２時間養生するべきである。
【0026】
さらに本発明は、開始及び終了座標が、被覆フィルム／隔膜が全てのバルブ及びポンプの近傍で正確な位置で封止されるように、デジタルカメラによって自動的に記録されるコンピュータ制御の手段で、レーザが動かされる装置に関する。加えて、本発明は緊張装置に関する。この緊張装置は、バルブの上側のフィルムによって加えられた圧力が、均一の溶接継目を実現するよう全ての箇所で同じになるように、正確に事前に引き延ばしてバルブ上側と同一面で、しわを作ることなく被覆フィルム／隔膜を緊張する。複数または多量のバルブトラフが、マイクロ流体チップに統合される事例において、本発明による緊張装置は、チップ表面上のフィルムによって加えられた圧力が、均一の封止を実現するよう全ての箇所で同じになるように、正確に事前に引き延ばしてチップ表面と同一面で、しわを作ることなく蓋フィルム／隔膜を緊張することができる。
【0027】
さらに本発明は、マイクロリアクタ、及びマイクロタイタープレートなどのマイクロリアクタのアレイにおいて、少量の液体またはガスを個々に投与または放出するための、説明したポンプ及びバルブを使用するための方法、ならびに装置に関する。
【0028】
実施形態は図に示され、以下で説明する。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】複数のバルブ及び空のバルブトラフを伴う、マイクロ流体ポンプを示す図である。
【図4】隔膜を適用するための緊張装置を示す図である。
【図5】溶接装置の側面図である。
【図10】ガラス真空チャンバを示す図である。
【図12】溶接継目のないバルブの輪郭を示す図である。
【図13】溶接輪郭を示す図である。
【図14】溶接継目のあるバルブの輪郭を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
図１～図３は、複数のマイクロ流体ポンプ１、２、３のポンプシーケンスを示し、それらにおける可撓性隔膜４が、バルブ本体８のバルブトラフ５、６、７を被覆する。可撓性隔膜４をバルブ本体８に装着するために、バルブトラフ５、６、７に面した隔膜４の表面９は、レーザビームで加熱された。本事例において、複数のバルブトラフ５、６、７が互いの隣に位置されるので、隔膜４は、縁部領域１０のみがバルブ本体８に装着される。
【0031】
実施形態において、バルブ本体８はマイクロ流体チップ１１であり、その上方にはマイクロタイタープレート１２が配置される。このマイクロタイタープレート１２は、リザーバ１３及びウェル１４を包含する。マイクロタイタープレート１２は、振動アレイ１５によって動かされ、振動アレイ１５において、隔膜に作用する空気圧システムのチャネル１６、１７、１８が配置される。
【0032】
【0033】
図４は、ピストンテーブル２０を、その上に位置付けテーブル２１を伴って示し、その上で隔膜２２が緊張される。隔膜２２はポリマー主本体２３の上に載り、磁石２４及び２５によって両側部が保持される。磁石２４及び２５は、レールに沿って矢印２６、２７の方向に動かすことができ、隔膜２２を緊張する。
【0034】
バルブトラフまたはポンプトラフ、及び被覆フィルム／被覆隔膜を溶接するための装置の完全なシステムが、図５に示される。溶接装置３０は、放射線源３１（例えばツリウムファイバレーザ）及び軸３２及び３３を伴う軸システムを包含する。軸システムは、画定された位置に溶接継目を生成するために、緊張装置を面内で、しかし少なくとも一つの方向にレーザの影響下で動くのを可能にする。緊張装置自体は、少なくとも１つのバルブトラフ、通常はチップ／ポリマー本体３７に統合された２つ以上のバルブトラフまたはポンプトラフを、可動軸システムに装着するのを可能にする。透明の可撓性隔膜３８も、ポリマー主本体３７の上で緊張される。緊張装置は、ピストンテーブル４０を伴うシリンダ３９、位置付けテーブル３６、少なくとも４つの調整ネジ４１、及び少なくとも４つの力センサ４２から構成される。力センサ４２は、緊張カラー３４の補助を伴い、フィルムを等方性方法で緊張させる。ポリマー主本体及び緊張された隔膜を伴う緊張装置は、ピストンテーブルを上昇させることによって、ガラスプレート３５に対して押圧される。それによって、ガラスプレートは、チップを用いてポリマー主本体に圧力を加える。レーザのエネルギーを、ガラスプレートを通してポリマー主本体の上で緊張された隔膜に導入することによって、隔膜及びポリマー主本体の両方は、熱で軟化されるか、または溶解される。ガラスプレートとポリマー主本体との間の圧力は、隔膜とポリマー主本体との間における材料のフローを誘導し、それは、溶融ポリマーの固化後に、狭くて、正確に位置付けられた、機械的に非常に耐久性のある溶接継目をもたらす。
【0035】
ポリマー主本体は、例えば主本体の対応した取付穴の中に嵌合する２つの位置付けピン４３で構成された、センタリング装置によって、位置付けテーブル上に精確に整合され、それによって主本体は固定位置に持ってこられる（図９）。位置付けテーブルは４つの力センサ４２の上に載り、それらはピストンテーブルに埋め込まれ、シリンダにしっかりと接続される。４つの力センサは、位置付けテーブルが、ポリマー主本体を、その上で緊張されたフィルムを伴って、ガラスプレート３５に対して下方から押圧するとき、矩形の位置付けテーブルの４つの隅部に加えられた力を計測する。力の配分は、ネジ山を介して位置付けテーブル３６において固定された、４つのネジ４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄによって、隅部で調整することができる（図７）。ネジは、位置付けテーブルとピストンテーブルとの間の距離を増減させ、それによってその位置における接触圧が増減され、したがってポリマー主本体全体の上で、確実に接触圧は均等に配分される。
【0036】
放射線源３１は、チップ３７に平行な平面における特定の焦点位置を伴う距離に位置付けられ、それによって、レーザの焦点は、ポリマー主本体及びフィルムによって拡がる面の上か、または近くにある。レーザの焦点がこの面に近いほど、溶接継目は狭くなり、レーザのビームパワーを低くすることができる。焦点位置は、溶接されることになる位置における、ポリマー本体及び隔膜フィルムの中へのエネルギー入力も決定し、それによって溶接プロセスの精度も決定する。焦点位置は、軸３２及び軸３３を伴う軸システムを介して、固定または可変で調整させることができる。それによって、フィルムを伴うポリマー主本体の配置に対して、レーザを垂直に動かすのを可能にする。
【0037】
ポリマー本体３７及び隔膜４４は、下方からシリンダ３９を介してガラスプレート３５に対して押圧される。ガラスプレート３５は、レーザの波長範囲において高いスペクトル透過性を有する。特に１９４０ｎｍの波長範囲において、ガラスは、ポリマー本体を隔膜フィルムに対して押圧するための材料として、非常に好適である。なぜならガラスは、３μｍ未満の波長範囲の近赤外線における電磁放射を最小限しか吸収しないからである。このガラスプレートは、フレームまたは緊張カラー３４によって固定され、放射線源３１に対して平行に向けられる。距離も、ポリマー本体３７におけるレーザの焦点位置によって決定される。
【0038】
軸３２及び３３を伴う軸システムによって、放射線源３１をポリマー主本体３７に対して平行に動かすことができ、それによって溶接することになる輪郭を移動する。進行するレーザのパワー及び量を、可変的に調整することができる。
【0039】
放射線源３１に対するシリンダ３９の動きは、少なくとも２つの軸３２及び３３を介して実現される。軸３２及び３３は、移動テーブル４５を介したシリンダ３９、または放射線源３１のいずれかを空間において動かす。
【0040】
可撓性隔膜４４は、引締装置によってマイクロ流体主本体３７の上を平行に緊張させることができる。
【0041】
可撓性隔膜は、様々な方法で緊張させることができる。ガラスプレート上におけるフィルムの平行平面の適用を、可能な限り最良に実現するために、マイクロチャネル４６を、選択的レーザエッチング（２０１６年、Ｍｅｉｎｅｋｅらによる）を介して、ガラスプレート３５（ガラスで作られた真空チャンバ４７を伴う図１０）の中にエッチングすることが可能である。それによって、マイクロ流体主本体がガラスプレート（図１１）に押圧される前に、接続された真空ポンプによってこれらのチャネルに真空を作り出し、可撓性隔膜をカラスプレート（図１１）に対して吸引することを可能にする。これは、可撓性隔膜の不均等性を低減させる。
【0042】
別の緊張の選択として、ピストンテーブルに埋め込まれた磁石を使用する。フィルムは、主本体の上で手によって予め緊張され、次に別の反対の極性の磁石によって所定の位置に保持される。磁石は可撓性レール上に取り付けられる。この可撓性レールは、隔膜フィルムをさらに伸長し、次に所望の位置に固定できるように、１つの方向に動かすことができる（図４）。これは、緊張の精確性を向上させる。
【0043】
可撓性隔膜を緊張するための他の方法は、空気圧シリンダである。ここで、隔膜は一方の側に（例えば磁石を用いて）固定され、次に主本体の上で緊張させて、空気圧シリンダを用いて反対側に固定される。このシリンダは、直角に取り付けられた別のシリンダの上に固定され、それによって、規定の力の発生を伴い、シリンダをｘ方向に延ばすことによって、隔膜をさらに伸長または緊張させることができる。これは、全ての溶接領域にわたり、均質な緊張をもたらす。
【0044】
ポリマー主本体は、その全体が隔膜フィルムと相互作用する複数のポンプ及びバルブシステムを形成する、微小構造を包含する。多くのバルブ、ポンプチャンバ、及びチャネル、ならびに入口及び出口は、マイクロ流体のアレイを作り出し、これは液体またはガスを、流体入口から個々にマイクロリアクタに搬送するのを可能にする。
【0045】
このようなアレイは、欧州特許第３０５５０６５号明細書に記載されているような、アクチュエータ端子ブロックと、統合されたマイクロ流体チップを伴うマイクロリアクタのアレイとから構成することができる。マイクロ流体チップは、同軸ライン封止部を伴う球形セグメント及び可撓性隔膜から成る、バルブから構成される。マイクロチャネルは、バルブの中央、及び球形セグメントの周囲に続く。可撓性隔膜は、アクチュエータを介して動かすことができ、開閉することができる。
【0046】
個々の隔膜バルブの制御は、様々な方法で実現させることができる。とりわけ、ここでは空気圧制御チャネルが考えられるが、任意選択で、熱式、液圧式、電気機械式、または磁力式で作動されるスイッチを、流体チャネルの制御にも使用することができる。
【0047】
１つの可能性は、蠕動運動を作り出すことであり、ここで流体はまず入口を通過して、開いた入口バルブ及び開いたポンプチャンバの中に入る。その後入口バルブを閉じることによって、精確な体積の流体が、ポンプチャンバ内に閉じ込められる。出口バルブを開け、ポンプチャンバを閉じることによって、ポンプチャンバの容積をチャネル出口の方向に送ることができる（図１～図３）。送られる体積は、ポンプチャンバの精確性によって主に決定され、その精確性は、ポリマー本体及び隔膜フィルムによる被覆の構造から生じる。この技術を用いて、１つの入口及び１つのポンプチャンバを介して、複数の流体チャネルを制御することも可能である（図１１）。
【0048】
説明した発明は、バルブ被覆の精確性を大幅に向上させる。それは主に、バルブトラフ及び被覆フィルムによって包囲された容積における体積の変動を低減させ、したがって投与プロセスの精確性を改善する。このための機械学的理由は、レーザ透過溶接が、溶接縁部または溶接継目のより精確な形状を可能にするためである。これは、厳格に局所的に制限されたエネルギー入力によって実現され、それによって精確に画定されたポイント、または精確に確定された継目に沿ってのみ、基体を軟化させる。画定された領域外における、意図しない関連の熱伝達、特にポンプ／バルブトラフの中へのエネルギー入力は、これによってほぼ完璧に回避される。
【0049】
ポリマー本体（Ｂａｅｓｗｅｉｌｅｒのｍ２ｐ－ｌａｂｓ有限責任会社の、Ｔｏｐａｓ（登録商標）からのＭＴＰ－ＭＦ３２－ＢＯＨ１）は、説明した位置付けテーブル上に固定され、隔膜フィルム（Ｔｏｐａｓ（登録商標）ＥＬＡＳＴＯＭＥＲ Ｅ－１４０、厚さ１００μｍ）は、溶接されることになる領域の上で緊張される。溶接前のバルブの輪郭の例が、図１２に示される。ＣＡＤプログラム（例えばＡｕｔｏｄｅｓｋのＡｕｔｏＣＡＤ）を使用して、対応した溶接輪郭が作り出される（例えば図１３の溶接輪郭）。この溶接輪郭は、次に溶接プログラムにロードすることができる。個々のポイントにおける移動速度、ビームパワー、ならびにレーザを作動及び停止させる位置も設定できる。溶接されることになる本体は、次にシリンダ（ＦｅｓｔｏのＡＤＮ－１００－６０－Ａ－Ｐ－Ａ）を介して、０．１～５ｂａｒ、好ましくは０．７５ｂａｒの圧力で、ガラスプレート３５に対して押圧される。高すぎる圧力は、隔膜フィルムを変形させ、かつバルブの中に押圧させる。低すぎる圧力は、溶接継目内の材料のフローを減速させ、それによって溶接継目の強度を低下させる。力センサ（ＭＥ－ＭｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋのＫＭ２６）を読み出すことによって、力の配分が均等であることを保証するか、または調整ネジを介して再調整しなければならない。不均等な力の配分は、レーザの不均等な合焦をもたらす。
【0050】
溶接のために、１９４０ｎｍの波長の「ＩＰＧ Ｌａｓｅｒ」社のツリウムファイバレーザを使用することができる。この波長は、使用するポリマー（ＣＯＣ、シクロオレフィンコポイマー；ノルボルネン及びエテンのコポリマー）がこの波長範囲における吸収材であるため、好適である。２０ｍｍの焦点距離を有する、対応した光学システムが、レーザビームを合焦させる。進行速度に依拠して、２～５０Ｗのレーザパワーが、溶接プロセスのために必要とされる。１０～２０００ｍｍ／ｍｉｎのレーザの進行速度において、５～２５ワットが好ましい。２００ｍｍ／ｍｉｎの供給速度において、８ワットが特に好ましい。要求される適度のレーザパワーは、Ｋｅｏｐｓｙｓのツリウムファイバレーザ（ＣＷ Ｌａｓｅｒ ＣＴＦＬ－ＴＥＲＡ）またはＩＰＧレーザ（ＴＬＭ－２００ Ｔｈｕｌｉｕｍ ＣＷ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）など、多数のレーザ間の選択を可能にする。
【0051】
しかし、ここで説明した方法はＣＯＣ（Ｔｏｐａｓ（登録商標））だけではなく、赤外線範囲で吸収する他のポリマーも使用できる。例として、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリエチレンなどがある。
【0052】
放射線源は、個々のバルブ、チャネル、及びポンプの輪郭を、例えば概ね８Ｗのレーザパワーで２００ｍｍ／ｍｉｎの速度で動かすために、軸システム（例えばＢｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ ｌｉｎｅａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ）を介してｘ、ｙ、及びｚ方向に、溶接領域の上で動かすことができる。レーザビームは、ここでは指定された輪郭でのみ作動されるので、不要のエネルギー入力を回避する。２０ｍｍの焦点距離で、放射線源は、ポリマー本体の表面に対して概ね１７ｍｍの高さに位置付けられる。この高さは、焦点距離を変えることによって調整されなければならない。増加した局所的なエネルギー入力によってチャネルを溶かさないよう、溶接輪郭は、チャネルから概ね０．３ｍｍの精確な距離で生成されなければならない。図１４は、溶接継目を伴うバルブの輪郭を示す。
【0053】
可撓性隔膜は、レーザビームが貫入するポイントでのみ軟化され、熱溶融によって主本体に接続される。放射線源の高い移動速度のために、バルブまたはチャネルの輪郭の溶融は防止され、溶接継目は画定される。ビームパワーの変動は、この継目にさらに影響する場合がある。バルブの輪郭の高い精確性は、軸システムの十分な精度によって実現させることができる。これは、投与プロセスの精確性に直接的に反映される。
【0054】
フローの精確性を計測するために、マイクロ流体チップは、気密かつ液密の方法で、４８個のウェルにおけるマイクロタイタープレートの底部として、接着接合される。マイクロタイタープレートは、オービタルシェーカの上に設置される。オービタルシェーカは、マイクロタイタープレートの内側の液体を、１５００ｒｐｍ（回転／分）までで混合する。ポリマー底部またはマイクロ流体チップの透明性は、各個々の反応チャンバの内側における液体の、光学的計測を可能にする。例えば、緑色蛍光たんぱく質の蛍光信号、蛍光色素、またはリボフラビンを検出することができる。このような計測の設定は、独国Ｂａｅｓｗｅｉｌｅｒの、ｍ２ｐ－ｌａｂｓ有限責任会社からのＢｉｏＬｅｃｔｏｒ Ｐｒｏで実施される。
【0055】
流量を計測するために、欧州特許第３０５５０６５号明細書に記載されているマイクロ流体チップのチャネル入口を介して、５０ｍＭの水性緩衝液（Ｋ２ＨＰＯ４）の混合物が、７０μＭの蛍光色素で充填された。４３６ｎｍの励起波長及び５４０ｎｍの検出波長を伴う、光導波路及び対応した光フィルタと、ｍ２ｐ－ｌａｂｓからのＢｉｏＬｅｃｔｏｒ Ｐｒｏの評価電子機器とを使用して、マイクロ流体プレートの上方の反応チャンバにおける、蛍光の最小の変化でさえ検出することができる。蛍光包含緩衝液は、リザーバウェルのチャネル入口から、反応チャンバのチャネル出口まで、説明したポンププロセスのアクチュエータを介して送られる。反応チャンバにおいて、５０ｍＭのＫ２ＨＰＯ４から成る８００μＬの緩衝液が供給される。ＢｉｏＬｅｃｔｏｒ Ｐｒｏは、１６個のリザーバウェル及び３２個の反応チャンバを有する。各リザーバウェルから、溶剤を、マイクロ流体プレートの底部を通して、４つの反応チャンバの中に送ることができる。同じ蛍光包含緩衝液が、全てのリザーバウェルに充填され、かつマイクロ流体チップにおける全てのポンプ及びバルブが、同じ方法で制御される場合、蛍光液は、同じ方法で３２個の全ての反応チャンバの中に送られる。このように、この装置は、蛍光液をリザーバウェルから反応容器へ送達する全てのポンプ及びバルブが、同じ方法かつ均一に蛍光液を送るかどうか確認することを可能にする。これは、リザーバウェルから反応チャンバの中にポンプで送り込まれた蛍光色素の蛍光性の強さを、全ての反応チャンバにおいて一定間隔で計測することによって、及び経時的な蛍光性の変化を判定することによって、定量化することができる。この計測は、ＢｉｏＬｅｃｔｏｒ Ｐｒｏにおいて、完全自動化でも実施することができる。０．５ｂａｒの空気圧で、液体は、入口バルブ及びポンプチャンバを介してマイクロ流体チャネルの中に、出口バルブへポンプで送り込まれる。入口バルブは２ｂａｒで閉じる。出口バルブを開けることによって、蛍光液を対応した関連の反応チャンバに入れる。ポンプチャンバを２．５ｂａｒで閉じることによって、液体は対応した反応チャンバの中に送られる。次に、出口バルブも１．５ｂａｒの圧力で空圧式に閉じられる。このポンププロセスは、３２個の全ての反応チャンバで連続して繰り返され、反応チャンバ当たり５μＬ／ｈのフローをもたらす。
【0056】
約２０時間にわたり、マイクロタイタープレートの３２個の全ての反応チャンバにおける蛍光信号の変化が、記録される。計測完了後、３２個の全ての計測値の蛍光信号における変化の平均値、及び対応した標準偏差、ならびに相対標準偏差が決定される。チップにおける全てのマイクロ流体ポンプは、同じ方法で制御された場合、３２個の全ての反応チャンバの中への同一の流量が予想され、したがって標準偏差はゼロである。高い標準偏差は、ポンプまたはそれらの制御間の差を表わし、流量の変動をもたらす。
【0057】
隔膜フィルムが熱溶融によって適用されたマイクロ流体チップと、隔膜フィルムがレーザ溶接によってポリマー主本体に接続されたマイクロ流体チップとの両方を用いて、試験が数回行われる。熱溶融接合によって製造されたマイクロ流体チップと比較された、レーザ溶接によって製造されたマイクロ流体チップの結果が、ポンププロセスの精確性の大幅な向上、またはむしろ蛍光信号の傾度における標準偏差の大幅な減少を示した。経時的な蛍光信号の変化の相対標準偏差は、熱溶融接合によって生成されたチップの事例において、平均１２％であった。レーザ溶接されたチップでは、平均７％未満であった。
【0058】
上述の構成要素、ならびに本発明に従って使用される実施形態において主張かつ説明された構成要素は、それらのサイズ、形状、設計、材料選択、及び技術的コンセプトに関して、任意の特別な例外条件の対象にはならず、したがって適用分野で公知の選定基準を、限定なく適用することができる。
【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】
【図14】
【国際調査報告】