JP6980691B2 - フローバランスの改善またはそれに関連した改善 - Google Patents

Description

本発明は、多重経路におけるフローバランスの改善またはそれに関連した改善に関し、詳しくは、マイクロ流体デバイスにおけるフローバランスに関する。マイクロ流体デバイスは、タンパク質またはＤＮＡ溶液などの微量の生体試料および化学試料を扱うのに有用なツールとなる。

マイクロ流体デバイスにおいて多数の複雑な生化学反応および／またはプロセスを実行することができる。場合により、異なる段階における生体反応および／またはプロセスを扱うためにマイクロ流体デバイスにおいて１つよりも多くの流体流れを有することは有用であり得る。したがって、単一のマイクロ流体経路からマイクロ流体チップ上の多重経路に流体流れを分割することは、しばしば、非常に望ましい。さらに、２つ以上のマイクロ流体経路から１つの経路に異なる流体流れを結合することも同様に望ましい。しかし、単一または多重経路から他の経路に流体流れを分割しまたは結合することは、マイクロ流体デバイスにおいて制御することが困難である。

マイクロ流体デバイスにおける流量を制御することおよびバランスをとることは、通常、内部マイクロ流体抵抗器のネットワークを使用して実現される。これらの内部抵抗器は、１つのマイクロ流体経路から多重経路に流体流れを分割するためのある程度の制御をもたらす。しかし、そのような内部抵抗器を備えるマイクロ流体チップは、しばしば、内部マイクロ流体抵抗器を高精度に製作し、または較正しなければならず、チップ間およびバッチ間の変動を最小限に抑える必要があることにより、製作することが困難であり、高価である。内部マイクロ流体抵抗器間のわずかな変動は、共通のマイクロ流体経路からそれぞれの経路に、またはいくつかの経路から１つの共通の経路に、流れる流体の割合に影響を及ぼすことがある。

圧力制御された流れは、特に高い流動安定性が必要とされるときに、一般にマイクロ流体デバイスに使用されるが、流量は未知のままである。したがって、マイクロ流体デバイス内の流量を制御し、バランスをとるために、流量を正確に特定しなければならない。

本発明は、このような背景に対してなされたものである。

本発明によれば、マイクロ流体チップ上の流体経路の配列において流体流れを制御するためのデバイスが提供され、デバイスは、チップの上流に設けられた２つ以上の抵抗器であって、各上流抵抗器は、流体経路の上流端に抵抗をもたらすように構成される、２つ以上の抵抗器と、チップの下流に設けられた２つ以上の抵抗器であって、各下流抵抗器は、流体経路の下流端に抵抗をもたらすように構成される、２つ以上の抵抗器と、を備え、抵抗の値は、各流体経路中を流れる流体の割合を制御するために選択される。

２つ以上の上流および下流抵抗器を設けることは、流体経路の上流および下流端に局部抵抗を適用することに特に有用であり、それにより、流体経路間の圧力差が変更され、結果として上記経路中を流れる流体の流量の変更となる。さらに、抵抗器がチップ上ではなく、デバイス上に設けられるので、チップが連続してデバイス内に配置されるとき、同じ抵抗器の組を多くのチップに使用することができる。

デバイス内へ抵抗器を設けることは、チップ内への集積ではないために、チップに基づく構成に対して相当の利点をもたらす。「チップ外部」の抵抗器を設けることにより、より低い製造公差を有するチップをデバイス内に配備することが可能になる。したがって、寿命のある限り、デバイスに、それぞれわずかに異なる構成を有する複数の異なるチップを設けることができるので、チップのばらつきは、デバイスの全体の機能に影響する可能性が少ない。しかし、チップ外部の抵抗器は、一定のままであり、したがって、全体としてのデバイスの較正は、チップの変更による影響をより受けにくい。さらに、チップ外部の抵抗器は、チップ上で容易に実現できるよりもずっと高い値を有することができる。結果として、任意のチップ内部の抵抗の影響は、外部またはチップ外部の抵抗器を設けることに比較して無視できるほどとなる。

本発明のデバイスは、２つ以上の入口と２つ以上の出口とを含む流体経路の複合ネットワーク用に最適化される。ネットワーク内の流体経路は、必要に応じて結合され、分割される。本発明は、流体経路の任意の構成における流れを制御し、バランスをとることができるが、それは、入口または出口よりも少ない流体経路を有するネットワークにおいて少なくとも１つの点がある場合に、最も効果がある。

いくつかの実施形態において、デバイスは、チップを位置決めし、それを抵抗器に接続するコネクタブロック（マニホールド）をさらに備える。

上流および下流抵抗器によってもたらされる抵抗の値は、流体経路の内部抵抗に比較して大きい可能性がある。これは経路自体の抵抗の値がその経路に沿った流れと無関係になる効果を有する。これは結果として流体経路に必要とされる製造公差の緩和をもたらす。本稿で、大きいとは、内部抵抗の少なくとも数倍大きいまたは１０倍を意味する。例えば、外部抵抗器は、流体経路の内部抵抗の３、１０、２０、３０、５０、１００またはさらには１０００倍でもよい。

いくつかの実施形態において、上流抵抗器の数は、下流抵抗器の数を超える。代替案として、下流抵抗器の数は、上流抵抗器の数を超える。さらなる実施形態において、上流抵抗器の数は、下流抵抗器の数に等しくてもよい。

流体経路内の上流および下流抵抗器の数は、正確かつ予測可能な流体流れをもたらすことができる。例えば、流体経路内の正確かつ予測可能な流体流れは、化学または生物学的合成などの反応を実施し、制御することに特に価値があり得る。さらに、上流抵抗器と下流抵抗器との組合せは、流体経路内の１つまたは複数の流量を制御する手段を提供することができる。

いくつかの実施形態において、流量の変動を０．１〜１００００μｌ／ｈｒの範囲で提供することができ、最適動作流量は１００μｌ／ｈｒの範囲にある。これらの流量は、入口の組における正圧、出口の組における負圧または正圧と負圧との組合せの適用を通じて実現することができる。適用された圧力差は、０から２０００ｋＰａの間であることができ、またはそれは５０、１００、２００、１０００ｋＰａを超えることができる。適用された圧力差は、２０００ｋＰａ、５００ｋＰａ、２００ｋＰａまたは１００ｋＰａ未満でもよい。

２つの入力と２つの出力とを有するチップに適用された本発明によるデバイスを示す図である。 ３つの入力と２つの出力とを有するチップに適用された本発明によるデバイスを示す図である。 一般的なチップに適用された本発明によるデバイスの一般化された例を示す図である。

次に、添付の図面を参照して、本発明が、さらに詳細に説明されるが、以下の説明は、あくまで例である。

本発明は、マイクロ流体デバイス内の１つまたは複数の流量を制御し、バランスをとるための、上流および下流抵抗器のネットワークに関する。

図１を参照すると、チップ２０上に設けられた流体経路２３、２５の配列において流体流れを制御するためのデバイス１０が提供される。流体はデバイス１０中を矢印Ｆで示された方向に流れる。図１に示すデバイスの例において、２つの上流抵抗器１２がある。各上流抵抗器１２は、対応する流体経路２３の上流端に抵抗を設けるように構成される。デバイス１０のこの例は、２つの下流抵抗器１４も含み、２つの下流抵抗器１４は、対応する流体経路２５の下流端に抵抗を設けるように構成される。抵抗の値は、各流体経路中を流れる流体の割合を制御するために選択される。

図１に示すチップ２０は、結合点２６において２つの上流流体経路２３を結合するように構成される。結合点２６により、２つの上流流体経路２３からの流体の混合が可能になる。次いで、流体は、流体を２つの下流流体経路２５に提供するために分割点２７において分割される。

上流および下流外部抵抗器１２、１４によってもたらされる抵抗の値は、流体経路２３、２５の内部抵抗に比較して大きく、したがって、流体経路に沿った流体流れに対する内部抵抗の効果は、大幅に低減／抑制される。結果として、本発明において開示する「チップ外部」の上流および下流抵抗器は、低い公差を有するマイクロ流体チップに使用することができる。

本明細書では、他に特に指定がない限り、「公差」という用語は、例えば、流体経路のような、ある部分の抵抗の誤差を表す。例えば、抵抗の公差は、１、５、１０、２０、４０または５０％でもよい。チップの抵抗における低い公差の例は、５％以上でもよい。対照的に、チップの抵抗における良好な公差の例は、５％以下でもよい。

抵抗の値または抵抗器は、０．００１ｋＰａ／（μｌ／ｈｒ）から１００ｋＰａ／（μｌ／ｈｒ）の範囲を有することができる。

デバイス１０は、コネクタブロック１６をさらに備え、コネクタブロック１６は、上流抵抗器１２および下流抵抗器１４との効果的な接続のためにチップ２０を位置決めするように構成される。コネクタブロック１６は、チップ２０を受けるように成形されたデバイス１０に設けられた表面のへこみを備える。

抵抗器は、円形断面を有することができ、円形断面は、１０から１０００μｍの間の直径を有することができ、またはそれは１０、１００、２５０、５００もしくは７５０μｍを超えることができる。抵抗器の直径は、１０００、７５０、５００、２５０、１００または５０μｍ未満でもよい。抵抗器の例は、毛細管抵抗器でもよい。代替案として、抵抗器は、フライス加工またはフライス加工された工具からの成形として矩形断面を有することができる。

いくつかの実施形態において、抵抗器は、１から１０００ｍｍの間の長さを有することができ、またはそれは２５０、５００もしくは７５０ｍｍを超えることができる。抵抗器は、長さが１０００、７５０、５００、２５０または１００ｍｍ未満でもよい。

上流抵抗器と下流抵抗器との組合せは、チップ２０内の様々な流体経路内の、流量を制御し、バランスをとるように構成される。いくつかの実施形態において、通常は０ｋＰａから２０００ｋＰａの間の、デバイスの入口と出口との間の圧力差は、流体経路に沿って０．１から１００００μｌ／ｈｒの範囲（例えば、１００μｌ／ｈｒ）の、流体流量を提供するために流体経路に沿って適用され得る。上流抵抗器の組合せは、流体経路の上流端における相対流量を効果的に制御するのに使用することができる。次いで、流体が流体経路に沿って流れるとき、下流抵抗器の組合せは、流体経路の下流端における流量のバランスをとるために使用される。上流抵抗と下流抵抗との組合せは、全体の流量を設定するために使用される。マイクロ流体チップ内の正確かつ予測可能な流体流れは、例えば、化学または生物学的合成などの反応を実施することおよび制御することに特に価値があり得、または流体中の成分を分離することおよび分析することに特に価値があり得る。

本発明では、上流流体経路２３と下流流体経路２５との配列を提供することができる。マイクロ流体チップにおける流体経路の分割は、流体流れ中のタンパク質もしくは核酸などの生体成分の分離または分析を可能にするために提供することができる。逆に、２つ以上の流体経路は、生体成分もしくは化学成分を混合するために、またはその後の流体流れの分離および分析のための補助流体を提供するために、互いに結合することができる。

２つの上流抵抗器１２は、制御された流量を流体経路に従って提供することができる。次いで、流体流れは、一時的に結合され、次いで、２つの異なる下流流体経路へ分離される。下流抵抗器１４の相対値は、下流流体経路２５のそれぞれにおいて流れる流体の割合を示す。これはマイクロ流体チップ内の流量に再現性および安定性を提供することができ、このことは流体流れ内の成分の分析に対して重要な要件であり得る。

図２には、流体がデバイス１０中を矢印Ｆで示された方向に流れるとき、上流流体経路２３と下流流体経路２５とがマイクロ流体チップ２０上でいかに結合されるかを制御するようにデバイス１０をいかに構成できるかの別の例が示される。図２において、チップ２０には、単一の流体経路を設けるために２つの結合点２６を介して互いに結合される３つの上流流体経路２３が設けられ、次いで、単一の流体経路は、２つの下流流体経路２５を設けるために分割点２７において分割される。流体経路のこの構成は、２つの試薬を組合わせ、次いで、３番目の入口からの標識化の流れを提供するのに使用することができる。次いで、結合された流れは、２つの別々の出力の流れを提供するために分割することができる。分割は、下流抵抗器１４の値によって効果的に制御される。

図３は、一般的なチップ２０に作用するように構成されたデバイス１０の一般化を提供する。個別にＲ_１、Ｒ_２、．．．．Ｒ_ｎとして示され、集合的に上流抵抗器１２として表された上流抵抗器の配列が提供され、そして、個別にＲ_１ ^Ｉ、Ｒ_２ ^Ｉ．．．．．Ｒ_ｍ ^Ｉとして示され、集合的に下流抵抗器１４として表された下流抵抗器の配列も提供される。使用において、流体は、デバイス中を矢印Ｆで示された方向に流れる。任意の所与の状況における使用において抵抗器１２、１４の数は、チップ２０に設けられた流体経路の数で示される。デバイス１０は、デバイス１０に想定される適用例内で有用である可能性がある最大数の抵抗器が設けられる。例えば、上流および下流の配列は、２つ、３つ、５つ、１０、２０またはさらに１００の抵抗器を含むことができる。

添付の図面に示していない、いくつかの実施形態において、デバイス１０は、抵抗と流路ネットワークとを連結する接続部の組（マニホールド）を備えることができる。

原則として、マイクロ流体チップ内の上流流体経路および下流流体経路の数は、閉ループがないという前提で、実質的に変わり得ることが理解されよう。流体経路は、例えば、流体流れを結合し、混合し、分離する、流体処理に特に有用である。上流および下流抵抗器のネットワークにより、低い抵抗器の公差を有する、マイクロ流体チップにおける正確かつ制御された流量が可能になる。

本発明をいくつかの実施形態を参照して例により説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されないこと、および本発明の範囲から逸脱することなく添付の特許請求の範囲において定義されているように代替実施形態を構築できることが当業者によってさらに理解されよう。

Claims (8)

1. マイクロ流体チップ上の流体経路の配列において流体流れを制御するためのデバイスであって、
   ２つ以上の入口及び２つ以上の出口を有する流体経路の前記配列であって、２つ以上の流体経路が前記チップ上で互いに結合し、及び／又は、流体経路の少なくとも１つが前記チップ上で複数の流体経路に分割される、流体経路の前記配列と、
   前記チップの上流に設けられた２つ以上の抵抗器であって、各上流抵抗器が、流体経路の上流端に抵抗をもたらすように構成される、２つ以上の抵抗器と、
   前記チップの下流に設けられた２つ以上の抵抗器であって、各下流抵抗器が、流体経路の下流端に抵抗をもたらすように構成される、２つ以上の抵抗器と、を備え、
   前記抵抗の値は、各流体経路中を流れる流体の割合を制御するために選択され、
   前記抵抗の値が、前記流体経路の内部抵抗の少なくとも３倍である、
   デバイス。
2. 前記チップを前記抵抗器と接続するコネクタをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
3. 上流抵抗器の数が、下流抵抗器の数を超える、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
4. 下流抵抗器の数が、上流抵抗器の数を超える、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
5. 上流抵抗器の数が、下流抵抗器の数に等しい、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
6. 前記２つ以上の上流抵抗器には、各流体経路中を流れる流体流れを制御するために正圧が提供される、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
7. 前記２つ以上の下流抵抗器には、各経路中を流れる流体流れを制御するために周囲圧力よりも低い圧力が提供される、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。
8. 前記抵抗の値が、使用において０．１〜１００００μｌ／ｈｒの範囲の流体流量を実現するために選択される、請求項１または２のいずれかに記載のデバイス。

Images