JP2008533437A - 流体マイクロシステムのコンポーネントにおけるマイクロチャネルの充填 - Google Patents

Abstract

本発明は、ガスを吸収する事ができるプラスチック材料又はエラストマー材料で作製された、流体マイクロシステムのコンポーネント（１０）に形成されたマイクロチャネル（１２）を充填する方法に関する。本方法は、コンポーネント（１０）を脱気し、次いで液体（２４）をマイクロチャネル（１２）の供給孔（１４）に導入することからなり、液体は、マイクロチャネル（１２）に含まれるガスの吸収によって生じる吸い込みによりマイクロチャネル（１２）に充填される。

Description

本発明は、流体マイクロシステムのコンポーネントにおけるマイクロチャネルを充填することに関し、またこのような充填に適合するコンポーネントに関する。

流体マイクロシステムのコンポーネントは通常、プラスチック材料またはエラストマーから作製されており、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルの幅および高さを有するマイクロチャネルを含む。特に、このようなコンポーネントを作製するために最も広く用いられている材料のいくつかは疎水性、特にポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）であるため、このようなマイクロチャネルに液体を充填することは困難である。

また、このようなコンポーネントにおけるマイクロチャネルに挿入される液体に空気またはガスの泡が含まれないようにする必要もある。なぜならば、このような泡によってマイクロチャネル内で液体が流れにくくなったり、流れなくなることさえあるからである。さらに、コンポーネントを形成するプラスチック材料またはエラストマーはガスを吸収しやすく、そのため、例えばマイクロチャネル内の温度上昇や圧力低下の結果として、ガスの泡を脱気し、マイクロチャネルに含まれる液体の中に放出する傾向がある。

本発明の主な目的は、これらの問題を解決する、単純で効果的かつ安価な方法を提供することである。

本発明は、流体マイクロシステムのコンポーネントにおけるマイクロチャネルを充填する方法を提供し、コンポーネントは、少なくとも部分的に、コンポーネントが接触するガスを吸収するのに適したプラスチック材料またはエラストマーから作製される。この方法の特徴は、真空下でコンポーネントに脱気処理を施すこと、次にコンポーネントを周囲の雰囲気に配置すること、コンポーネントのマイクロチャネルに液体を挿入すること、およびマイクロチャネルに含まれるガスをコンポーネントが吸収する結果吸い込みを可能にすることにより、マイクロチャネルに液体を充填することである。

プラスチック材料またはエラストマーから作製され脱気されているコンポーネントは、接触するガスをすぐに再吸収する傾向がある。

本発明は、コンポーネントのマイクロチャネルにおいて吸い込みを形成するためにこの現象を活用し、そしてマイクロチャネルに液体を充填するのに利用するのはこの吸い込みである。

脱気されたコンポーネントにより再吸収されるガスによって引き起こされる吸い込みは、通常の寸法のマイクロチャネルに液体を充填するのに十分以上のものである。

マイクロチャネル自体に挿入される液体が空気またはガスの泡を含む場合、これらの泡がコンポーネントに吸収され、その結果、マイクロチャネルを充填する液体からこのような空気またはガスの泡が取り除かれる。

このため、上記の種類のコンポーネントにおけるマイクロチャネルは、自動的に、しかも特に信頼できる方法で充填することができ、先行技術においてこの目的で公知である手段を用いる必要がない。このような手段は、ほとんどの場合、実装するのが容易ではなく、液体中に空気またはガスの泡が存在することによって生じる問題を解決できない。

本発明の別の特徴によれば、この方法はさらに、脱気されたコンポーネントを真空下で気密パッケージに封入する工程と、次にパッケージを開けてコンポーネントを使用する工程とからなる。この使用は、コンポーネントのマイクロチャネルに液体を挿入することを含み、コンポーネントを収容しているパッケージを開けてからコンポーネントのマイクロチャネルに液体を導き入れるまでの時間間隔は、所定の値よりも短い。

コンポーネントがＰＤＭＳタイプのエラストマーから作製されている場合、この所定の期間は約１５分〜２０分である。

約１００ミリバール〜２００ミリバール（１０^４パスカル（Pa）〜２×１０^４Pa）の圧力で脱気が実施される場合、コンポーネントは所定の最短期間（約１〜２時間）、部分的真空下で脱気される。

好ましくは、コンポーネントのマイクロチャネルを充填するために、マイクロチャネルの一方の端部に形成されたフィーダウェルに液体が挿入され、ウェルに挿入された液体が、マイクロチャネルを周囲の雰囲気から隔離する障壁を形成する。

次に、コンポーネントは、マイクロチャネルに含まれるガスを吸収するコンポーネントは、空気またはガスの泡を含まない液体をマイクロチャネルに完全に充填することを可能にする。

本発明はさらに、ガスを吸収するのに適したプラスチック材料またはエラストマーから少なくとも部分的に作製され、液体が充填される少なくとも１つのマイクロチャネルを含む流体マイクロシステムのコンポーネントを提供する。このコンポーネントは、前もって真空下で脱気されることと、真空下で気密パッケージに封入されることを特徴とする。

本発明の好ましい態様においては、コンポーネントは一方の端部で開いており、他方の端部を通じてマイクロチャネルに連結しているフィーダウェルを含む。

フィーダウェルに対向する側のマイクロチャネル端部は閉じていてもよいし、別のフィーダウェルに向かって開いていてもよい。

このような状況では、マイクロチャネルの中間部分は、フィーダウェルに連結しているマイクロチャネルの端部の断面よりも大きい断面を有し、それにより、液体混合区域を形成する。

本発明の別の特徴によれば、複数のマイクロチャネルを、一方の端部を通じて共通のフィーダウェルに連結することができる。

本発明の好ましい態様においては、マイクロチャネルは、マイクロチャネルの底部を形成する適切な支持体に当接するコンポーネントの底面に形成され、フィーダウェルはコンポーネントの上面に向かって開いている。

この支持体はガラス、脱気できないプラスチック材料、または任意の適切な材料で作製されるものであってもよく、場合により、コンポーネントとともに一体のアセンブリを構成することができる。

本発明は、流体減衰、生物学的サンプルまたは化学的サンプルの分析、不均一系触媒反応、ＤＮＡハイブリデーション、粒子凝集など様々な分野で応用できる。

添付図面を参照しながら例を挙げて示す以下の説明を参照することで、本発明をより正しく理解することができ、本発明のその他の特徴、詳細、および利点がより明確になる。

図１〜図５に図示すコンポーネント１０は、少なくとも部分的に、エラストマー、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から作製されている流体マイクロシステムのコンポーネントであり、コンポーネント１０の向かい側の面に向かって開いているフィーダウェル１４に一方の端部を通じて連結しているマイクロチャネル１２を含む１つの面を有する小さいブロックまたはスラブの形態で存在する。マイクロチャネルの他方の端部は閉じている（開いていない）。

本発明によれば、エラストマーコンポーネント１０が真空下で脱気され、適切な気密材料から作製されている気密パッケージ１６に真空下で封入される。

事例を挙げると、パッケージ１６は、コンポーネント１０が中に配置され、密封されるようにカプセル１８によって閉じられるセルを形成する。

封入に先立ってコンポーネント１０がさらされる脱気は、例えば約１〜２時間、１００ミリバール〜２００ミリバール（１０^４Pa〜２×１０^４Pa）の圧力における部分真空下で実施される。

使用するために、コンポーネント１０がそのパッケージ１６から取り出され、ガラスまたは適切なプラスチック材料のプレートなど、適切な支持体２０の上に配置される。例えば、コンポーネント１０は、マイクロチャネル１２が形成される面を介して該プレート２０の上に配置される。

マイクロチャネルは、例えば接合によって支持体２０の所定箇所に固定された試薬２２を含んでいる。

コンポーネント１０がＰＤＭＳまたは同種のものから作製されている場合、コンポーネントはガラスまたはプラスチック材料から作製されている支持体２０に自然に固着する。

その後、図３に示すように、液体２４がフィーダウェル１４の少なくとも一部を充填するように液体２４をフィーダウェルに挿入し、次に液体２４は、マイクロチャネル１２を周囲の雰囲気から隔離する栓を形成する。
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この例では、当然のことながらコンポーネント１０の材料は疎水性を有しており、材料のこの特性とマイクロチャネル１２に含まれるガスが、マイクロチャネル１２が液体で充填されるのを妨げ、液体が試薬２２と接触するのを妨げる。

それにもかかわらず、真空下で脱気された後のコンポーネント１０は、それと接触するガス、特にマイクロチャネル１２を満たすいずれかのガス（通常は空気）を吸収する。この吸収によってマイクロチャネル１２内部の圧力が低下し、そのため、フィーダウェル１４に含まれる液体が吸い込まれる。脱気されたコンポーネント１０の材料のガス吸収能力は、マイクロチャネル１２に含まれるガスがすべてコンポーネント１０によって吸収でき、図４および図５に図示するように、このガスが、フィーダウェル１４に含まれる液体２４に順次置き代えられるような程度である。

液体２４自体に空気またはガスの泡が含まれている場合、マイクロチャネル１２に液体２４を充填する間に、これらの泡はコンポーネント１０の材料によって吸収される。

図５に示すように、マイクロチャネル１２が完全に充填されると、液体２４と試薬２２との所定の反応を実施するための所望の処理、例えば加熱や温度維持のサイクルなどを長期間または短期間、進行させることが可能である。

この処理の間に、パッケージが開けられてから比較的少量のガスを再吸収したコンポーネント１０の材料は数時間、空気またはガスの泡をマイクロチャネル１２に含まれる液体２４の中に放出することがない。このため、所望の反応を容易に実施することが可能になる。

通常は、上記のように脱気され真空封入されたコンポーネント１０は、パッケージ１６が開けられてから１５分〜２０分以内に使用することが望ましい。この期間には、コンポーネント１０の材料によるガス再吸収が、１以上のマイクロチャネルに１種以上の適切な液体を充填するのに十分であるからである。その後、使用中に１以上のマイクロチャネルの中にガスの泡が放出されることなく、コンポーネント１０を約５時間〜６時間使用することができる。

コンポーネント、コンポーネントの１以上のマイクロチャネル、およびフィーダウェルの配置は任意である。

例えば図６に示すように、フィーダウェル１４の周囲に星形状に延伸する複数のマイクロチャネル１２の端部に一つのフィーダウェル１４を連結することができる。

図７に示すように、一つのマイクロチャネル１２が、その両端を通じて２つのフィーダウェル１４に連結することができるし、フィーダウェル１４に挿入された液体が混合する区域を形成する大きいサイズの中間区域２６を有することができる。

当然のことながら、その他の多数の変形配置が可能である。

一般的にも従来からも、マイクロチャネル１２の寸法は高さおよび幅が数十マイクロメートル（μｍ）から数百マイクロメートルである。

それにもかかわらず、有用であれば、本発明により、上記の寸法よりも小さい高さおよび幅を有し、先行技術で公知の手段によっては液体を充填するのが非常に困難であるようなマイクロチャネルの使用が可能になる。

本発明の充填方法により、たとえマイクロチャネルが非常に小さい寸法を有していようと、たとえコンポーネント１０の材料が疎水性を有していようと、どのような状況においてもマイクロチャネル１２を完全に充填するのが可能になる。

図８に示すように、本発明の方法は本質的に、十分な期間、部分的真空に暴露することでコンポーネント１０を事前に脱気する工程３０を含み、この脱気の後に、気密パッケージに真空封入する工程３２が続く。この方法でパッケージされたコンポーネント１０は、一定期間保管することができる。

使用するために、コンポーネント１０のパッケージが開けられ（工程３４）、気密パッケージが開けられてから１５分〜２０分以内に使用しなければならない（工程３６）。

変形態様においては、当然のことながら、上記の方法でコンポーネント１０を脱気し、次に、脱気が終了してから１５分〜２０分以内に使用することが可能であり、その間に、コンポーネントを気密パッケージに封入しなくても済む。

別の変形態様においては、コンポーネント１０と支持体２０とを含むアセンブリを上記の方法で脱気し、真空下で気密パッケージにアセンブリを封入し、使用に先立って保管できるように、１種以上の試薬２２を含む支持体２０の上にコンポーネント１０を配置または固定することも可能である。

気密パッケージに真空封入された本発明のコンポーネントの図である。 パッケージから取り出されて適切な支持体の上に配置されたコンポーネントの断面図である。 図２に対応する図であり、コンポーネントのマイクロチャネルに液体を充填する最初の工程を示している。 図２に対応する図であり、コンポーネントのマイクロチャネルに液体を充填する２番目の工程を示している。 図２に対応する図であり、コンポーネントのマイクロチャネルに液体を充填する３番目工程を示している。 コンポーネントの変形態様の平面図である。 コンポーネントの別の変形態様の平面図である。 本発明の方法の主要工程を示すフローチャートである。

Claims (14)

1. 流体マイクロシステムのコンポーネントにおけるマイクロチャネルを充填する方法であって、コンポーネントが、少なくとも部分的に、コンポーネントが接触するガスを吸収するのに適したプラスチック材料またはエラストマーから作製され、方法が真空下でコンポーネント（１０）に脱気処理を施すこと、次にコンポーネントを周囲又は外気の雰囲気に配置すること、コンポーネントのマイクロチャネル（１２）中に液体（２４）を挿入すること、マイクロチャネル（１２）に含まれるガスをコンポーネントが吸収する結果吸い込みを可能にすることにより、マイクロチャネル（１２）に液体（２４）を充填すること、を含む工程から成ることを特徴とする充填方法。
2. 脱気されたコンポーネント（１０）を真空下で気密パッケージ（１６）に封入する工程と、次にパッケージを開けてコンポーネント（１０）を使用する工程とから成り、前記使用する工程は、コンポーネントのマイクロチャネル（１２）に液体を挿入することを含み、コンポーネントを収容するパッケージ（１６）を開けてからコンポーネントのマイクロチャネル（１２）に液体を導き入れるまでの時間間隔が所定の値よりも短いことを特徴とする、請求項１記載の充填方法。
3. コンポーネントがＰＤＭＳタイプのエラストマーから作製されている場合に、時間間隔が約１５分〜２０分の範囲であることを特徴とする、請求項２記載の充填方法。
4. フィーダウェル（１４）に挿入される液体が、周囲の雰囲気からマイクロチャネル（１２）を隔離する障壁を形成するように、マイクロチャネル（１２）の一方の端部に形成されたフィーダウェル（１４）に液体（２４）を挿入する工程から成ることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項記載の充填方法。
5. コンポーネント（１０）を所定の最短期間、部分的真空下で脱気することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項記載の充填方法。
6. 約１００ミリバール〜２００ミリバール（１０^４Pa〜２×１０^４Pa）の圧力で脱気を実施する場合に、脱気時間が約１時間〜２時間であることを特徴とする、請求項５記載の充填方法。
7. コンポーネント（１０）が脱気され次に真空下で封入される間に、コンポーネント（１０）が、支持体（２０）の上に配置または固定されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項記載の充填方法。
8. 液体を充填する少なくとも１つのマイクロチャネル（１２）を含む流体マイクロシステムのコンポーネントであって、該コンポーネントは、少なくとも部分的に、ガスを吸収することができるプラスチック材料またはエラストマーから作製され、コンポーネントが前もって真空下で脱気され、真空下で気密パッケージ（１６）に封入されることを特徴とするコンポーネント。
9. 少なくとも１つのフィーダウェル（１４）を含み、該フィーダウェルは、その一方の端部が開き、他方の端部がマイクロチャネル（１２）に連結していることを特徴とする、請求項８記載のコンポーネント。
10. フィーダウェル（１４）から離れた側のマイクロチャネル（１２）の端部が閉じていることを特徴とする、請求項９記載のコンポーネント。
11. フィーダウェル（１４）から離れた側のマイクロチャネル（１２）の端部が別のフィーダウェル（１４）に向けて開いていることを特徴とする、請求項９記載のコンポーネント。
12. マイクロチャネルの中間部分（２６）が、フィーダウェル（１４）に連結しているマイクロチャネルの端部断面よりも大きい断面を有しており、液体混合区域を形成することを特徴とする、請求項１１記載のコンポーネント。
13. 複数のマイクロチャネル（１２）が１つの共通のフィーダウェル（１４）に連結していることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一項記載のコンポーネント。
14. マイクロチャネル（１２）が、マイクロチャネル（１２）の底部を形成する適切な支持体（２０）に当接するコンポーネント（１０）の底面に形成されており、フィーダウェル（１４）がコンポーネント（１０）の上面に向けて開いていることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項記載のコンポーネント。

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