JP2012194026A - Microfluid element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ流体素子に関し、より詳細には、毛細管バルブの噴出回転数を調整することにより、チャンネルに流入する流量の制御特性が改善された、遠心力で機能するマイクロ流体素子に関する。 The present invention relates to a microfluidic device, and more particularly to a microfluidic device that functions by centrifugal force, in which the control characteristic of the flow rate flowing into a channel is improved by adjusting the jet rotation speed of a capillary valve.
医療、薬学、バイオ工学及び環境モニタリングの進歩のために、圧倒的な化学分析、その関連装置及び専門家が必要とされている。しかしながら、一般の人々にとって、専門知識、装置及び理由に制限を受けることなく、より便利で、より簡単な分析プロセスが必要である。 Advances in medicine, pharmacy, biotechnology and environmental monitoring require overwhelming chemical analysis, related equipment and specialists. However, for the general public, there is a need for a more convenient and simpler analytical process without being limited by expertise, equipment and reasons.
マイクロエレクトロニクス技術及び半導体の進歩に伴い、多大な努力が、生物学的分析及び生物医学的診断法の分野で、効率的で、敏感で、精密な小型の自動検出技術の開発に捧げられてきた。マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ）の概念は、２９９０年代の初期に提案された。単に１つのμＴＡＳで、完全な化学分析工程として、サンプル準備、化学反応、検体の分離及び精製ならびに検出及び分析が可能となる。このように、μＴＡＳは、より便利で、より簡単な分析プロセスの必要性を満たしている。 With the advancement of microelectronics technology and semiconductors, great efforts have been devoted to the development of efficient, sensitive, precise and small automated detection technologies in the fields of biological analysis and biomedical diagnostics. . The concept of micro total analysis system (μTAS) was proposed in the early 2990s. With just one μTAS, sample preparation, chemical reaction, analyte separation and purification and detection and analysis are possible as a complete chemical analysis process. Thus, μTAS fulfills the need for a more convenient and simpler analytical process.
μＴＡＳの小型化は、運び易いという点で、有益である。μＴＡＳにマイクロ電子部品を使用することは、電力消費を下げて、コストを下げる。さらに、μＴＡＳは、少量のサンプル又は試薬しか要求しないので、試薬の経費を減少させる。さらに、自動的な化学プロセスの手順の間の、流量、材料の量及び各プロセスでの一連の反応は、分析結果に強い影響を及ぼす。μＴＡＳは、最小化されたバッチ化学処理と見なされている。μＴＡＳの主要な研究の焦点は、マイクロ流体技術である。前記マイクロ流体技術は、バルブ調整、混合、計量、分割及び分離などの種々の流体機能を含んでいる。 The downsizing of μTAS is beneficial in that it is easy to carry. Using microelectronic components in μTAS reduces power consumption and costs. In addition, μTAS reduces the cost of reagents because it requires only a small amount of sample or reagent. In addition, the flow rate, the amount of material, and the series of reactions in each process during the automatic chemical process procedure have a strong influence on the analytical results. μTAS is considered a minimized batch chemical process. The main research focus of μTAS is microfluidic technology. The microfluidic technology includes various fluid functions such as valve adjustment, mixing, metering, splitting and separation.
微少流体は、機械的マイクロポンプ及び非機械的マイクロポンプを含めて、様々な方法で動かされる。前者は、ぜん動ポンプ、超音波ポンプ及び遠心ポンプを含む。後者は、電気、磁気及び重力の力によって汲み上げるものを含む。遠心ポンプの場合、それが、マイクロ流体ディスクシステムと称されるディスクタイプのマイクロ分析システムで使用される。前記マイクロ流体ディスクシステムは、遠心力によって流体の流れを作り、受動的な毛細管バルブを使って、流体の流れを制御する。受動的な毛細管バルブの根本のメカニズムは、毛細管圧力差すなわちラプラス圧力差が流体の流れを妨げることにある。したがって、流体の流れは、遠心力と毛細管圧との間のバランスを操作することによって、調節することができる。毛細管圧力に打ちかつ遠心力に対応する臨界回転数は、噴出回転数と呼ばれている。 Microfluids are moved in a variety of ways, including mechanical and non-mechanical micropumps. The former includes peristaltic pumps, ultrasonic pumps and centrifugal pumps. The latter includes those pumped by electrical, magnetic and gravitational forces. In the case of a centrifugal pump, it is used in a disk-type micro-analysis system called a microfluidic disk system. The microfluidic disk system creates a fluid flow by centrifugal force and controls the fluid flow using a passive capillary valve. The basic mechanism of a passive capillary valve is that a capillary pressure difference or Laplace pressure difference impedes fluid flow. Thus, fluid flow can be adjusted by manipulating the balance between centrifugal force and capillary pressure. The critical rotational speed that strikes the capillary pressure and corresponds to the centrifugal force is called the ejection rotational speed.
マイクロ流体システムの毛細管バルブについては、現在、多数の関連技術が公開されている。米国特許第6,143,248号明細書は、毛細管圧力が毛細管バルブ及びリザーバの配置、幾何学形状及び表面特性に関連すること、及び流体の量的変化は関連の法則に従うことを開示する。２００１年、アンダーソン（Anderson）等は、マイクロチャネルの一部に疎水性の表面を形成するために、誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）により、疎水性材料でマイクロチャネルの一部を改質した。表面特性の変化は、疎水性バルブと呼ばれるバルブ効果を引き起こす。２００３年、フェング（Feng）等は、疎水性バルブが、また、前記バルブ効果を生じさせるために、チャンネルの幾何学を変更することにより、自己組織化単分子膜（ＳＡＭｓ）によって疎水性バルブを作ることができることを開示した。２００４年、チョー（Cho）等は、毛細管バルブに環状チャンネルと長方形チャンネルを採用し、開口部の異なる角度（６０°、９０°及び１２０°）を有する毛細管バルブのモデルを提案し、予測された噴出回転数を実験結果で確認した。２００６年、クワング（Kwang）等は、毛細管バルブで調整することがマイクロ流体管理プロセスに有益であることを示唆し、さらに、マイクロチャネルの幾何学及び表面特性の変化で、毛細管バルブにより、流体の流れを制御し得ることを示した。 Numerous related technologies are currently available for capillary valves for microfluidic systems. US Pat. No. 6,143,248 discloses that capillary pressure is related to capillary valve and reservoir placement, geometry and surface properties, and that fluid quantitative changes follow related laws. In 2001, Anderson et al. Modified part of a microchannel with a hydrophobic material by inductively coupled plasma (ICP) to form a hydrophobic surface on the part of the microchannel. The change in surface properties causes a valve effect called a hydrophobic valve. In 2003, Feng et al. Reported that hydrophobic valves could also be modified by self-assembled monolayers (SAMs) by changing the channel geometry to produce the valve effect. Disclosed that it can be made. In 2004, Cho et al. Proposed and predicted a model of a capillary valve that adopted an annular channel and a rectangular channel in the capillary valve and had different angles of opening (60 °, 90 ° and 120 °). The rotational speed of the jet was confirmed by experimental results. In 2006, Kwang et al. Suggested that adjusting with capillary valves would be beneficial to the microfluidic management process, and in addition, with changes in microchannel geometry and surface properties, It was shown that the flow can be controlled.
しかしながら、前述した参照は、幾何学の変化及び表面改質で流体の流れを調整すること及び噴出回転数を予測する方法を提案するに過ぎない。それらのいずれも、マイクロ流体システムでの毛細管バルブの位置、配置又は姿勢の関係、特に、流体の流れ制御で、マイクロ流体ディスクの中心に近位の位置の意義を明らかにしていない。さらに、より多くのマイクロチャネルを満たすことができるので、現在のほとんどすべてのマイクロチャネルは、マイクロ流体ディスクのより大きな半径方向位置に配置されている。それらのデザイン下では、前記バルブの噴出回転数は、通常２０００ＲＰＭより低い。様々な半径方向距離を有する位置の毛細管バルブの噴出回転数が２０００ＲＰＭより低く制限されるので、それらは、相互に重複する傾向がある。したがって、現在の技術による噴出バルブは、正しい順序で流体を効果的に放出することができない欠点を有する。 However, the above-mentioned reference only proposes a method of adjusting the fluid flow with geometric changes and surface modification and predicting the jet rotation speed. None of them reveals the significance of the position proximal to the center of the microfluidic disc in the relationship of the position, arrangement or orientation of the capillary valve in the microfluidic system, in particular fluid flow control. Furthermore, since more microchannels can be filled, almost all current microchannels are located at larger radial locations on the microfluidic disc. Under their design, the rotational speed of the valve is usually below 2000 RPM. Since the capillary rotation speed of capillary valves at positions with various radial distances is limited below 2000 RPM, they tend to overlap each other. Thus, current art ejection valves have the disadvantage of not being able to effectively discharge fluid in the correct order.
前記欠点を克服すべく、本発明の目的は、前記した問題を緩和もしくは除去し得るマイクロ流体素子を提供する。 In order to overcome the above disadvantages, the object of the present invention is to provide a microfluidic device that can alleviate or eliminate the above-mentioned problems.
本発明に係るマイクロ流体素子は、本体、複数のチャンネル、複数のリザーバ、複数の毛細管バルブ及びカバーを含む。 The microfluidic device according to the present invention includes a main body, a plurality of channels, a plurality of reservoirs, a plurality of capillary valves, and a cover.
前記本体は、円形ディスクの形状であり、上面、中心及び円周を有する。リザーバが前記本体の前記上面に形成されている。チャンネルが前記本体の前記上面に形成されており、各チャンネルは対応する前記リザーバにつながる。前記チャンネルは、主チャンネルと、少なくとも１つの枝チャンネルとを含む。前記主チャンネルは、前記本体の前記上面上に形成されている。前記中心から前記本体の前記円周へ向けて伸長する。
各毛細管バルブが、対応する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置されている。前記カバーは、前記本体の前記上面に設置され、前記リザーバに対応する複数の開口を有する。
The body is in the shape of a circular disc and has an upper surface, a center and a circumference. A reservoir is formed on the upper surface of the body. Channels are formed on the top surface of the body, and each channel leads to a corresponding reservoir. The channel includes a main channel and at least one branch channel. The main channel is formed on the upper surface of the main body. It extends from the center toward the circumference of the body.
Each capillary valve is installed in the corresponding channel at a distance substantially close to the center of the body so that the difference between the ejection speeds of the capillary valves increases. The cover is disposed on the upper surface of the main body and has a plurality of openings corresponding to the reservoir.
好ましくは、前記各毛細管バルブの前記本体の前記中心への距離は、４ｃｍより短い。 Preferably, the distance of each capillary valve to the center of the body is less than 4 cm.
好ましくは、前記主チャンネルは、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側に、また該第１の端部と前記本体の前記円周との間にある。前記複数の枝チャンネルは、前記主チャンネルにつながる。前記複数のリザーバは、第１のリザーバと、第２のリザーバとを含む。前記第１のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる。前記第２のリザーバは、前記第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成されており、前記枝チャンネルにつながり、前記主チャンネルと連通する。前記毛細管バルブは、第１の毛細管バルブと、第２の毛細管バルブとを含む。前記第１の毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置されている。前記第２の毛細管バルブは、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され、該両者を接続する。 Preferably, the main channel has a first end and a second end. The second end is on the opposite side of the first end and between the first end and the circumference of the body. The plurality of branch channels are connected to the main channel. The plurality of reservoirs include a first reservoir and a second reservoir. The first reservoir leads to the first end of the main channel. The second reservoir is formed between the first reservoir and the circumference of the main body, and is connected to the branch channel and communicates with the main channel. The capillary valve includes a first capillary valve and a second capillary valve. The first capillary valve is disposed between the first reservoir and the main channel. The second capillary valve is installed between the branch channel and the second reservoir, and connects the two.
好ましくは、前記第１の毛細管バルブの幅（内径）は、前記第２の毛細管バルブの幅(外径)より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。 Preferably, the width (inner diameter) of the first capillary valve is smaller than the width (outer diameter) of the second capillary valve, thereby increasing the difference between their ejection rotational speeds.
好ましくは、前記配置は、第３のリザーバ、第４のリザーバ及び第５のリザーバを含む複数のリザーバを有する。前記第５のリザーバは、前記主チャンネルの前記第２の端部につながる。前記第３のリザーバは、前記第２のリザーバと前記第４のリザーバとの間に設置され、対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記第４のリザーバは、前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され、他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる。前記複数の毛細管バルブは、さらに第３の毛細管バルブと、第４の毛細管バルブとを含む。前記第３の毛細管バルブは、対応する前記枝チャンネルに、また前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間に設置される。前記第４の毛細管バルブは、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で対応する前記枝チャンネルに設置される。 Preferably, the arrangement has a plurality of reservoirs including a third reservoir, a fourth reservoir, and a fifth reservoir. The fifth reservoir is connected to the second end of the main channel. The third reservoir is installed between the second reservoir and the fourth reservoir, and is connected to the main channel via the corresponding branch channel. The fourth reservoir is disposed between the third reservoir and the fifth reservoir, and is connected to the main channel via the other corresponding branch channel. The plurality of capillary valves further include a third capillary valve and a fourth capillary valve. The third capillary valve is installed in the corresponding branch channel and between the third reservoir and the main channel. The fourth capillary valve is installed in the corresponding branch channel between the fourth reservoir and the main channel.
好ましくは、前記第２の毛細管バルブの幅は、前記第３の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。 Preferably, the width of the second capillary valve is smaller than the width of the third capillary valve, thereby increasing the difference between their jet rotation speeds.
好ましくは、前記第３の毛細管バルブの幅は、前記第４の毛細管バルブの幅より小さく、これにより、それらの噴出回転数間の差は増大する。 Preferably, the width of the third capillary valve is smaller than the width of the fourth capillary valve, thereby increasing the difference between their jet rotation speeds.
好ましくは、前記第１の毛細管バルブは、疎水性に改質された内面を有する。 Preferably, the first capillary valve has an inner surface modified to be hydrophobic.
好ましくは、前記第４の毛細管バルブ（周縁近くの毛細管バルブ）を除き、前記第１の毛細管バルブ、第２の毛細管バルブ及び第３の毛細管バルブのそれぞれは、疎水性に改質された内面を有する。 Preferably, except for the fourth capillary valve (capillary valve near the periphery), each of the first capillary valve, the second capillary valve, and the third capillary valve has a hydrophobically modified inner surface. Have.
さらに好ましくは、本発明に係るマイクロ流体素子は、追加の枝チャンネルを含む。前記追加の枝チャンネルは、前記主チャンネルと前記第１のリザーバとの間に設置され、遠位端部及び近位端部を有する。前記遠位端部は、前記第１の毛細管バルブと前記主チャンネルとにつながる。前記近位端部は、前記遠位端部と前記主チャンネルとを接続し、前記主チャンネルと非平行である。さらに好ましくは、前記追加の枝チャンネルの前記近位端部は、遠心方向に垂直である。 More preferably, the microfluidic device according to the invention comprises additional branch channels. The additional branch channel is located between the main channel and the first reservoir and has a distal end and a proximal end. The distal end connects to the first capillary valve and the main channel. The proximal end connects the distal end and the main channel and is non-parallel to the main channel. More preferably, the proximal end of the additional branch channel is perpendicular to the centrifugal direction.
好ましくは、前記第５のリザーバは、検出室又は廃棄物室である。 Preferably, the fifth reservoir is a detection chamber or a waste chamber.
好ましくは、前記カバーは、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン及び環状オレフィン共重合体から成るグループから選ばれた材料で作られる。 Preferably, the cover is made of a material selected from the group consisting of polycarbonate, polymethyl methacrylate resin, polystyrene and cyclic olefin copolymer.
前述した説明に基づき、本発明に係る前記毛細管バルブの半径方向距離は４ｃｍより小さい。従来のマイクロ流体技術に比較して、前記毛細管バルブは、前記本体の前記中心に、より近い。本発明に係る前記マイクロ流体素子は、流体を連続して放出する点で有益であり得る。前記毛細管バルブの前記バルブ幅、姿勢及び表面改質によって調節することができるので、本発明に係る前記マイクロ流体素子の流体の連続した放出の優れた効果は、化学の分析プロセスへの種々の応用に有益である。 Based on the above description, the radial distance of the capillary valve according to the present invention is less than 4 cm. Compared to conventional microfluidic technology, the capillary valve is closer to the center of the body. The microfluidic device according to the present invention may be beneficial in that it releases fluid continuously. Since the capillary valve can be adjusted by the valve width, posture and surface modification, the excellent effect of continuous release of the fluid of the microfluidic device according to the present invention can be applied to various chemical analysis processes. It is beneficial to.
発明の他の目的、利点及び斬新な特徴は、添付図面に関連する以下の詳細な説明から、より明白になるであろう。 Other objects, advantages and novel features of the invention will become more apparent from the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
本発明は、低容量の流体を動かす主な推進力の根拠を遠心法に置く。マイクロチャンネル内を毛細管バルブへ向けて流体が流れる場合、表面張力と、液体、気体及び固体の各相間での界面自由エネルギー変化とに起因する毛細管圧力差は、流れの振る舞いを変化させ、またその流れを停止させる。そのため、受動的な毛細管バルブ調整は、その配置、幾何学形状及び表面改質によって変更することができる。 The present invention puts the main propulsion ground for moving low volume fluids in the centrifugal method. When fluid flows through a microchannel towards a capillary valve, capillary pressure differences due to surface tension and changes in interfacial free energy between the liquid, gas and solid phases change the flow behavior and Stop the flow. Thus, the passive capillary valve adjustment can be altered by its placement, geometry and surface modification.
図１を参照するに、本発明に係る毛細管バルブは、遠心力によって引き起こされた圧力（ΔＰｃ）と、毛細管圧力（ΔＰｃ）とのバランスによって決まる噴出回転数を有する。前記毛細管圧力が一定の場合、前記遠心力によって引き起こされた圧力は、噴出回転数に影響する重要なファクタになる。前記遠心力によって引き起こされた圧力は、下式によって決まる。
毛細管圧力は、下式によって決まる。
プラットホームの回転数を変更することにより、マイクロ流体ディスクの中心から異なる半径距離に置かれたリザーバで遠心力によって引き起こされた圧力を調整することができる。前記プラットホームの回転数が予め決められたリザーバの噴出回転数よりも高くなると、該予め決められたリザーバ内流体サンプルは、遠心力に動かされ、前記毛細管バルブを流れ過ぎるように前記毛細管バルブの毛細管圧力に打ち勝つ。 By changing the number of revolutions of the platform, the pressure caused by the centrifugal force can be adjusted in reservoirs placed at different radial distances from the center of the microfluidic disc. When the rotation speed of the platform is higher than the predetermined ejection speed of the reservoir, the fluid sample in the predetermined reservoir is moved by the centrifugal force and the capillary tube of the capillary valve is caused to flow too much through the capillary valve. Overcome pressure.
図２及び図３を参照するに、本発明は、本体１０と、主チャンネル２０と、複数の枝チャンネル２１と、複数のリザーバ３０と、複数の毛細管バルブ４０と、カバー５０とを含むマイクロ流体素子を提供する。
Referring to FIGS. 2 and 3, the present invention is a microfluidic device including a
本体１０は、円形のディスク形状であり、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン（ＰＳ）及び環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）及びそれらの代用材料から成るグループから選ばれた材料で作られる。本体１０は、上面、中心及び円周を有する。
The
主チャンネル２０及び枝チャンネル２１は、本体１０の上面に形成されている。 主チャンネル２０は、本体１０の中心から本体１０の円周の方向へ向けて伸長し、第１の端部及び第２の端部を有する。前記第２の端部は、前記第１の端部の反対側にあり、該第１の端部と本体１０の前記円周との間に置かれている。各枝チャンネル２１は、主チャンネル２０につながり、又該主チャンネルに連通する。
The
各リザーバ３０は、本体１０の前記上面に形成されている。リザーバ３０の数は、分析の要件によって決められる。本発明の好適な具体例では、図４を参照するに、本発明に係る前記マイクロ流体素子は、第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３、第４のリザーバ３４及び第５のリザーバ３５を含む５個のリザーバを備える。第１のリザーバ３１は、主チャンネル２０の前記第１の端部につながる。第１のリザーバ３１の半径方向の距離は、すべての前記リザーバの中で最も短い。第１のリザーバ３１は、前記リザーバのうち、本体１０の前記中心に最も近い。本書で使用されている「半径方向距離」は、本体１０の前記中心から対象までの距離をいう。第５のリザーバ３５は、主チャンネル２０の前記第２の端部につながり、該第２の端部に連通する。第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４は、第１のリザーバ３１と第５のリザーバ３５との間に位置しており、対応する枝チャンネル２１にそれぞれつながり、また連通する。さらに図２を参照するに、第５のリザーバ３５は、混合室３５１及び廃棄物室３５２を含む。混合室３５１は、主チャンネル２０から流出する流体を収集するために、主チャンネル２０の前記第２の端部につながる。廃棄物室３５２は、混合室３５１から流出する流体を収集するために、混合室３５１につながる。
Each
主チャンネル２０、枝チャンネル２１及びリザーバ３１、３２、３３、３４、３５は、機械加工、鋳造又はホトリソグラフィ及びそれらの代用の処理により、本体１０の前記上面に形成される。
The
各毛細管バルブ４０は、対応する主チャンネル２０又は対応する枝チャンネル２１に設置されている。毛細管バルブの数及び配置は、分析又は製造の要件によって決められる。本発明に係る好適な具体例では、さらに図４を参照するに、前記マイクロ流体素子は、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４を含む４つの毛細管バルブ４０を備える。第１の毛細管バルブ４１は、主チャンネル２０に設置され、該主チャンネルに連通する。第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４は、それぞれ対応する枝チャンネル２１に設置され、該枝チャンネルに連通する。第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の幾何学的配置の変更やそれらの内面を改質することにより、流体の流れに対する抵抗が生じる。取り扱う流体のほとんどが水溶液であるので、第１、第２及び第３の毛細管バルブ４１、４２及び４３の内面は、疎水性であり、噴出回転数の範囲を拡大できるように、第４（又は最後）の毛細管バルブ４４に疎水性の処理をするべきではない。さらに、バルブ幅は、前記第１（内方）のバルブ４１から第４（外方）のバルブ４４へ向けて内方のバルブほど小さな幅を有する。
Each
さらに図４を参照するに、第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離は、それぞれｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４である。好適な具体例では、ｒ１、ｒ２、ｒ３及びｒ４
は４ｃｍより短い。
Still referring to FIG. 4, the radial distances of the first
Is shorter than 4 cm.
図３を参照するに、カバー５０は、本体１０の前記上面に設置され、複数の開口５１を有する。開口５１は、それぞれ第１のリザーバ３１、第２のリザーバ３２、第３のリザーバ３３及び第４のリザーバ３４に対応する。カバー５０は、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリスチレン、環状オレフィン共重合体及びそれらの代用の物質で作られる。
Referring to FIG. 3, the
他の好適な具体例では、図７に示されているように、本発明に係るマイクロ流体素子は、回転プラットホーム６０への設置に適する。回転プラットホーム６０は、複数の柱６１と、フランジ６２とを備える。フランジ６２は、回転プラットホーム６０の前記中心に向けて伸びる複数の突起部６２１を有する。本体１０Ａ は、さらに、複数の位置決め開口１１Ａと、複数のノッチ１２Ａとを有する。位置決め開口１１Ａは、それぞれ本体１０Ａの上面及び下面に貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。ノッチ１２Ａは、前記本体の縁部にそれぞれ形成され、突起部６２１に対応して該突起部に係合する。カバー５０Ａは、さらに、複数の位置決め穴５２Ａ及び複数の凹所５３Ａを有する。位置決め穴５２Ａは、それぞれカバー５０Ａの上面及び下面を貫通し、柱６１に対応して該柱の回りに置かれる。凹所５３Ａは、それぞれカバー５０Ａの縁部に形成され、回転プラットホーム６０のフランジ６２の突起部６２１に対応して該突起部に係合する。前記構造体では、回転プラットホーム６０の回転時、本体１０Ａ及びカバー５０Ａを回転プラットホーム６０に確実に取り付けることができ、また突起部６２１とノッチ１２Ａ及び凹所５３Ａとの間、柱６１と位置決め開口１１Ａ及び位置決め穴５２Ａとの間の係合を介して互いの位置合わせを容易になすことができる。
In another preferred embodiment, the microfluidic device according to the present invention is suitable for installation on a
1.毛細管バルブの半径方向距離と、噴出回転数との間の評価関係 1. Evaluation relationship between radial distance of capillary valve and jet rotation speed
毛細管バルブ４０の１つは、０．５ｃｍの半径方向距離で形成され、その他のバルブは、本体１０上に０．４ｃｍの間隔で形成される。各毛細管バルブ４０のバルブ幅は２００μｍである。各毛細管バルブの噴出回転数が決めらる。前記毛細管バルブの半径方向距離と噴出回転数との間の関係が、図５に示されている。０と１．５ｃｍとの間の比較的短い半径方向距離の範囲内では、各毛細管バルブ４０の噴出回転数は、半径方向距離につれて大きく異なる。他方、２．０と４．５ｃｍとの間のより長い半径方向距離の範囲内では、毛細管バルブ４０の噴出回転数は、互いに僅かしか異ならず、重なり合いさえする。
One of the
2.毛細管バルブの噴出回転数と異なる半径方向距離との比較 2.Comparison of the ejection speed of capillary valve and different radial distance
表１は第１の毛細管バルブ４１、第２の毛細管バルブ４２、第３の毛細管バルブ４３及び第４の毛細管バルブ４４の半径方向距離及びバルブ幅を示す。主チャンネル２０と枝チャンネル２１の深さは、すべて２００μｍである。毛細管バルブ４１、４２、４３、４４の内面は、疎水性の試薬によって改質され、その後、開口５１を経て対応するリザーバ３１、３２、３３、３４に１．０から１．４μｌの液体が注入される。前記マイクロ流体素子が回転する時、回転数は、１００ＲＰＭ／秒の角加速度で始まり、５００ＲＰＭになると、１０００ＲＰＭ／秒の角加速度で３０秒について５０ＲＰＭの増加が続く。液体が毛細管バルブ４１、４２、４３、４４に噴出し、チャンネル２０、２１内を流れる時点で検出された回転速度は、先に述べた毛細管状のバルブの噴出回転数として決定される。本発明に開示された配置（中心の近くにバルブを配置した状態）と、従来のバルブ配置（中心から離れてバルブを置いた状態）と比較するに、表１に示されているように、同様なバルブ配置に関し、第１の毛細管バルブ４１の噴出回転数が約２．５倍に増大し、第１の毛細管バルブ４１と第２の毛細管バルブ４２の噴出回転数の差が４倍に増大する。同様な結果が毛細管バルブ４２、４３、４４の残りから観察され、より小さな半径方向距離での毛細管の噴出回転数は、より大きい半径方向距離でのそれに比較して、大きく増加することを示している。
Table 1 shows the radial distances and valve widths of the first
従来のマイクロ流体素子の毛細管バルブについては、半径方向距離は、通常１．５ｃｍから６ｃｍの間で設計される。その理由は、ディスクが射出成形で製造され、中心が射出点として使われており、取り除く必要があるため（ＣＤ製造など）、あるいは回転軸にディスクを設置するために中心が固定点として通常使われるためである。しかしながら、遠心力の変化割合は、半径方向距離がより大きくなる位置では、ほとんど異ならない。例えば、４ｃｍと５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ間の遠心力の比率は４：５である。それらの間の変化割合が小さいため、５ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出するとき、４ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は、また急に噴出するかもしれない。しかし、１ｃｍの同じ間隔であれば、１ｃｍと２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブの間の遠心力の比率は１：２である。２ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体が噴出した時、１ｃｍの半径方向距離の毛細管バルブ内の流体は噴出しないかもしれない。したがって、リザーバから前記毛細管バルブを通ってチャンネル内に流体を連続して放出するために、毛細管バルブ間での噴出回転数の差は十分に大きくするべきである。 For conventional microfluidic capillary valves, the radial distance is usually designed between 1.5 cm and 6 cm. The reason is that the disc is manufactured by injection molding and the center is used as the injection point and needs to be removed (such as CD manufacturing), or the center is usually used as a fixed point to install the disc on the rotating shaft. This is because However, the change rate of the centrifugal force is hardly different at a position where the radial distance becomes larger. For example, the ratio of centrifugal force between capillary valves with radial distances of 4 cm and 5 cm is 4: 5. Because the rate of change between them is small, when fluid in a 5 cm radial distance capillary valve is ejected, fluid in a 4 cm radial distance capillary valve may also be abruptly ejected. However, for the same spacing of 1 cm, the ratio of centrifugal force between capillary valves with a radial distance of 1 cm and 2 cm is 1: 2. When fluid in a 2 cm radial distance capillary valve is ejected, fluid in a 1 cm radial distance capillary valve may not be ejected. Therefore, in order to continuously release fluid from the reservoir through the capillary valve and into the channel, the difference in jetting speed between the capillary valves should be sufficiently large.
3.毛細管バルブの内面のバルブ幅、姿勢、特性及び流体の連続放出の関係の評価 3. Evaluation of the relationship between the valve width, posture and characteristics of the inner surface of the capillary valve and the continuous release of fluid
図６Ａ及び６Ｂを参照するに、本発明に係るマイクロ流体素子の好適な具体例が実施されており、該具体例では、枝チャンネル２１Ａが主チャンネル２０Ａと第１のリザーバ３１Ａとの間に設置されており、枝チャンネル２１Ａは遠位端部２１１と、近位端部２１２とを有する。遠位端部２１１は第１の毛細管バルブ４１Ａにつながっている。近位端部２１２は前記遠位端部及び主チャンネル２０Ａにつながっている。前記近位端部は主チャンネル２０Ａと非平行である。より具体的には、前記近位端部は主チャンネル２０Ａ（遠心方向）に垂直である。第１の毛細管バルブ４１Ａは、近位端部２１２と遠位端部２１１との間に設置されている。したがって、第１の毛細管バルブ４１Ａの噴出回転数はさらに増大する。
6A and 6B, a preferred embodiment of a microfluidic device according to the present invention is implemented, in which a
図６及び表１に示されているように、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅が最も小さく、第２の毛細管バルブ４２Ａのバルブ幅は、第１の毛細管バルブ４１Ａのバルブ幅よりも広く、第３の毛細管バルブ４３Ａ及び第４の毛細管バルブ４４Ａに対しても同様である。第４の毛細管バルブ４４Ａは、本体１０Ａの中心から最も遠く、すべての毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａの中で最も広いバルブ幅を有し、バルブ幅が広ければ広いほど、バルブの噴出回転数はより低い値となる。毛細管バルブ４１Ａ、４２Ａ、４３Ａ、４４Ａのバルブ幅の適切な調整によって、毛細管バルブ間の噴出回転数の間隔は大きく増大することができる。
As shown in FIG. 6 and Table 1, the valve width of the first
上記の例によると、２つの隣接した毛細管バルブ間の差は、半径方向距離と共に減少する。したがって、水溶液では、本体１０Ａの前記中心から遠い毛細管バルブを除いて、本体１０Ａの前記中心にそれより近い毛細管バルブ４１Ａ、４２
Ａ、４３Ａの内面を疎水性に改質することにより、毛細管バルブ間の噴出回転数の差は大きく増大し、疎水性溶液のためにはその逆もまた同様である。
According to the above example, the difference between two adjacent capillary valves decreases with radial distance. Therefore, in the aqueous solution, the
By modifying the inner surfaces of A and 43A to be hydrophobic, the difference in jetting speed between capillary valves is greatly increased, and vice versa for hydrophobic solutions.
前述した説明に基づき、流体の連続放出は、前記バルブの前記半径方向位置、前記毛細管バルブのバルブ幅、姿勢及び表面改質の調整によって最適化される。 したがって、本発明に係るマイクロ流体素子は種々の化学の分析プロセスに有益である。 Based on the above description, the continuous release of fluid is optimized by adjusting the radial position of the valve, the valve width, attitude and surface modification of the capillary valve. Therefore, the microfluidic device according to the present invention is useful for various chemical analysis processes.
本発明の多数の特徴及び利点が本発明の構造及び機能の詳細と共に述べられたが、開示は説明のために過ぎない。変更は細部にわたって、特に、部品の形状、寸法及び配置の事項について、添付された特許請求の範囲に表現された広義の一般的な意味によって示される充分な範囲で本発明の原理内でなすことができる。 While numerous features and advantages of the invention have been described along with details of the structure and function of the invention, the disclosure is illustrative only. Modifications should be made within the principles of the invention to the fullest extent, and in particular to the extent that the shapes, dimensions and arrangements of the parts are to the full extent indicated by the broad general meaning expressed in the appended claims. Can do.
１０、１０Ａ 本体
１１Ａ 位置決め開口
１２Ａ ノッチ
２０、２０Ａ 主チャンネル
２１、２１Ａ 枝チャンネル
２１１ 遠位端部
２１２ 近位端部
３０（３１、３１Ａ、３２、３３、３４） リザーバ
３５１ 混合室（検出室）
３５２ 廃棄物室
４０（４１、４１Ａ、４２、４３、４４） 毛細管バルブ
５０、５０Ａ カバー
５１ 開口
５２Ａ 位置決め穴
５３Ａ 凹所
６０ プラットホーム
10,
352 Waste chamber 40 (41, 41A, 42, 43, 44)
Claims (20)
前記本体の前記上面に形成された複数のリザーバと、
前記本体の前記上面に形成され前記本体の前記中心から前記円周方向へ伸びる主チャンネル及び前記本体の前記上面に形成され前記リザーバにつながる少なくとも１つの枝チャンネルを含み、前記本体の前記上面に形成された複数のチャンネルと、
複数の毛細管バルブであってそれぞれが対向する前記チャンネルに、前記毛細管バルブの噴出回転数間の差が増大するように、前記本体の前記中心に実質的に近い距離で設置された複数の毛細管バルブと、
前記本体の前記上面に設置され前記リザーバに対応する複数の開口を有するカバーとを含む、マイクロ流体素子。 A circular disc-shaped body having an upper surface, a center and a circumference and a lower surface;
A plurality of reservoirs formed on the top surface of the body;
A main channel formed on the upper surface of the main body and extending in the circumferential direction from the center of the main body; and at least one branch channel formed on the upper surface of the main body and connected to the reservoir; formed on the upper surface of the main body Multiple channels,
A plurality of capillary valves that are installed at a distance substantially close to the center of the body so that a difference between the number of rotations of the capillary valve increases in the channels facing each other. When,
A microfluidic device including a cover disposed on the upper surface of the main body and having a plurality of openings corresponding to the reservoir.
複数の枝チャンネルは前記主チャンネルにつながり、
前記複数のリザーバは、前記主チャンネルの前記第１の端部につながる第１のリザーバと、該第１のリザーバと前記本体の前記円周との間に形成され１つの前記枝チャンネルにつながりまた前記主チャンネルに連通する第２のリザーバとを含み、
前記毛細管バルブは、前記第１のリザーバと前記主チャンネルの前記第１の端部との間に設置された第１の毛細管バルブと、前記枝チャンネルと前記第２のリザーバとの間に設置され該両者を接続する第２の毛細管バルブとを含む、請求項１に記載のマイクロ流体素子。 The main channel has a first end, and a second end between the first end and the circumference of the body on the opposite side of the first end;
A plurality of branch channels are connected to the main channel,
The plurality of reservoirs are connected to one branch channel formed between the first reservoir connected to the first end of the main channel and the circumference of the first reservoir and the body. A second reservoir in communication with the main channel;
The capillary valve is installed between the first capillary valve installed between the first reservoir and the first end of the main channel, and between the branch channel and the second reservoir. The microfluidic device according to claim 1, comprising a second capillary valve that connects the two.
前記主チャンネルの前記第２の端部につながる第５のリザーバと、
前記第２のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第３のリザーバと、
前記第３のリザーバと前記第５のリザーバとの間に設置され他の対応する前記枝チャンネルを経て前記主チャンネルにつながる第４のリザーバとを含み、
前記複数の毛細管バルブは、さらに、
前記対応する枝チャンネルに、前記第３のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第３の毛細管バルブと、
前記対応する枝チャンネルに、前記第４のリザーバと前記主チャンネルとの間で設置された第４の毛細管バルブとを含む、請求項３に記載のマイクロ流体素子。 The plurality of reservoirs further includes
A fifth reservoir connected to the second end of the main channel;
A third reservoir connected between the second reservoir and the fifth reservoir and connected to the main channel via the corresponding branch channel;
A fourth reservoir installed between the third reservoir and the fifth reservoir and connected to the main channel via the other corresponding branch channel;
The plurality of capillary valves further includes:
A third capillary valve installed in the corresponding branch channel between the third reservoir and the main channel;
4. The microfluidic device of claim 3, wherein the corresponding branch channel includes a fourth capillary valve disposed between the fourth reservoir and the main channel.
前記カバーは、さらに、前記カバーの上面及び下面を貫通し前記本体の前記位置決め開口に対応する複数の位置決め穴と、前記カバーの縁部に形成され前記本体の前記ノッチに対応する複数の凹所とを備える、請求項１に記載のマイクロ流体素子。 The main body further includes a plurality of positioning openings penetrating the upper surface and the lower surface of the main body, and a plurality of notches formed at an edge of the main body.
The cover further includes a plurality of positioning holes penetrating the upper and lower surfaces of the cover and corresponding to the positioning opening of the main body, and a plurality of recesses formed at an edge of the cover and corresponding to the notch of the main body. The microfluidic device according to claim 1, comprising:
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