熱活性ユニットを備えた遠心力基盤の微細流動装置、これを備える微細流動システム及び前記微細流動システムの駆動方法
【課題】熱活性ユニットを備えた遠心力基盤の微細流動装置、これを備える微細流動システム及び前記微細流動システムの駆動方法を提供する。
【解決手段】回転体２１と、微細流動構造物２２と、を備える微細流動装置２０であって、微細流動構造物２２は、回転体２１に配置され、回転体２１の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニット２３を備え、熱活性ユニット２３の内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子Ｍを備える。また、本発明の微細流動装置２０と共に回転駆動部４０と、外部エネルギー源３０と、外部エネルギー源調整手段とを備える。
【解決手段】回転体２１と、微細流動構造物２２と、を備える微細流動装置２０であって、微細流動構造物２２は、回転体２１に配置され、回転体２１の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニット２３を備え、熱活性ユニット２３の内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子Ｍを備える。また、本発明の微細流動装置２０と共に回転駆動部４０と、外部エネルギー源３０と、外部エネルギー源調整手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体（例えば、ディスク形態の回転体）に設けられた微細流動構造物内で遠心力を利用して流体サンプルを移動させ、少量のサンプルで生化学的試験を行える装置及び方法に係り、さらに詳細には、微細流動構造物中に放射熱によって作動されるユニットを備えた遠心力基盤の微細流動装置、及びこれと共に位置制御が可能な外部エネルギー源を備える微細流動システム、そして前記微細流動システムを駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、微細流動装置を構成する微細流動構造物には、少量の流体を収容するチャンバーや、流体が流れるチャンネル（通路）や、流体の流れを調節できる弁や、そして流体を受けて所定の機能を行ういろいろな機能性ユニットなどが含まれうる。小型のチップ上で生化学的反応を含む試験を行えるように、チップ形態の基板にこのような微細流動構造物を配置したものをバイオチップといい、特に、数段階の処理及び操作を一つのチップで行えるように製作された装置をラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ｃｈｉｐ）という。
【０００３】
微細流動構造物内で流体を移送するためには、駆動圧力が必要であるが、駆動圧力として毛細管圧が利用されるか、または別途のポンプによる圧力が利用されることもある。最近では、コンパクトディスク形態の回転板に微細流動構造物を配置して、遠心力を利用する微細流動装置が提案されている。これをラボオンＣＤ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ＣＤ）ともいう。しかし、この場合は、フレームに固定されずに動く回転体の特性上、その中で流体の流れを制御したり、ユニットの温度を制御したりする等の操作が容易でない。
【０００４】
コンパクトディスク形態の微細流動装置でサンプル流体の流れを制御できる弁を提供するために、いろいろな試みが行われている。特許文献１には、ディスクの回転数によって流体の流れを制御する毛細管弁が開示されており、特許文献２には、内壁が疏水性を帯びた毛細管構造物を利用して、やはりディスクの回転数によって流体の流れを制御する疏水性ブレークが開示されている。しかし、これらは、ディスク全体に影響を及ぼす回転数を利用するので、複雑な構造の微細流動構造物で複数の弁を個別的に制御することが困難である。すなわち、微細流動構造物を配置するに当たって、弁の位置及び数に多くの制約がある。また、サンプルの表面張力に応じて作動回転数を変える必要があるので、いろいろな種類のサンプルを同時に処理し難い。
【０００５】
コンパクトディスク形態の微細流動装置にワックス弁を採用した構成が、特許文献３に開示されている。前記文献に開示された装置は、ワックス弁の加熱のために“Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｅｄ Ｈｅａｔｅｒ”を利用するが、前記Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｅｄ Ｈｅａｔｅｒとそれによるリード線とがディスク上で多くの面積を占めるので、一つのディスク上に複数の弁を配置するのに困難さがある。また、熱効率が低いため、ワックス弁の溶融に多くの時間がかかる。
【特許文献１】米国特許第６，１４３，２４８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９１９，０５８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０６３，５８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数の熱活性ユニットを備え、これらを個別的に速かに制御し、遠心力基盤の微細流動装置及びこれを備える微細流動システムを提供するところにその目的がある。また、本発明は、前記のような微細流動システムの効果的な駆動方法を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面による遠心力基盤の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、前記回転体の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、前記回転体の遠心力によって前記基礎ユニットに連結しているチャンネルに沿って流体サンプルを移動させ、温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニットを備え、前記熱活性ユニットの内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子を備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記熱活性化ユニットは、微細流動構造物に採用されうるいろいろな基礎ユニットのうち、熱によって活性化されて機能を行えるユニットであれば、いずれも使用できる。例えば、前記熱活性化ユニットは、常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであってもよく、複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から電磁波を吸収して前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであってもよい。
【０００９】
前記弁ユニットは、前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、前記弁プラグが熱によって溶融し、前前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁でありうる。一方、前記弁ユニットは、前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であってもよい。
【００１０】
前記弁ユニットにおいて、前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つでありうる。また、前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであり、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つでありうる。前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと。前記コアを取り囲むシェルとからなり、優れた電磁波吸収効率と高い熱伝導性とを同時に得るために、適切な金属成分を含んでもよい。
【００１１】
前記加熱ユニットにおいて、前記発熱粒子は、やはり外部から照射される電磁波を吸収し、熱エネルギーに変換するコアと、前記コアを取り囲むシェルとからなることもある。この場合、前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなり、前記シェルは、表面改質され、表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができる。
【００１２】
本発明の他の一側面による微細流動システムは、前述の本発明の微細流動装置と、前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、前記微細流動装置内の発熱粒子の発熱を誘導できる波長帯の電磁波を照射する外部エネルギー源と、前記外部エネルギー源から電磁波を前記回転体上の所望の領域に照射させるように、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整する外部エネルギー源調整手段とを備える。
【００１３】
ここで、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモータを備えることができる。また、前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体の半径方向に移動させる移動手段を備えることができる。これと違って、前記外部エネルギー源調整手段は、固定された前記外部エネルギー源から照射された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡と、前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部と、を備えるか、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体に平行な平面上を直交座標系の２方向に移動させる移動手段を備えることもある。
【００１４】
前記外部エネルギー源は、レーザー光源を備え、前記レーザー光源は、少なくとも一つのダイオードを備えることができる。前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上、かつ、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子が変成しない程度のエネルギーを有するパルスレーザーであるか、これと違って、少なくとも１４ｍＷ以上の出力を有し、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子を変成させない程度の出力を有する連続波動レーザーであってもよい。前記レーザー光源から照射されるレーザーは、４００ないし１３００ｎｍの波長を有しうる。
【００１５】
本発明の他の一側面による前記微細流動システムの駆動方法は、前述の微細流動システムの多様な実施類型のうちいずれか一つに該当するシステムを駆動する方法において、前記回転駆動部に載置された前記微細流動装置に備えられる少なくとも一つの前記熱活性ユニットのそれぞれの位置情報を取得する段階と、取得された前記位置情報を利用して選択されたいずれか一つの前記熱活性ユニットに向かって、前記外部エネルギー源を照射する段階と、前記外部エネルギー源から電磁波を照射して、選択された前記熱活性ユニットを活性化する段階と、を含む。
【００１６】
前記外部エネルギー源を照射する段階は、前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源から電磁波が照射される地点との偏差Δ（ｒ，θ）またはΔ（ｘ，ｙ）を検出する段階と、前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波が照射される地点を前記偏差Δに基づいて調整する段階とを含むものでありうる。極座標を利用して前記外部エネルギー源調整手段を制御する場合、前記回転駆動部を利用して、前記回転体をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整部を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向にΔｒ移動させることができる。一方、直交座標系を利用して、前記外部エネルギー源調整手段を制御する場合は、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）ほど移動させることもある。
【００１７】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記回転駆動部は、前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることができる。一方、このような目的を達成するために、前記外部エネルギー源調整部をして電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すこともある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による遠心力基盤の微細流動装置は、外部の熱源または電源との接触なしに、電磁波により活性化される多様な熱活性化ユニットを備えることによって、多様な生物学的または化学的反応を行える。それだけではなく、数段階の操作と処理が必要な反応を行うために、複雑な構造を有する微細流動構造物も一つの回転体からなる微細流動装置に配置することができる。
【００１９】
特に、本発明の微細流動装置は、前述の熱活性化ユニットの一例として弁ユニットを利用する場合、流体流れのロバスト制御（ｒｏｂｕｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ）が可能である。また、前述の熱活性化ユニットの他の例として加熱ユニットを利用する場合、外部熱源との接触を通じて流体サンプルを間接的に加熱したり、装置内部に抵抗発熱のための構成を有したりする必要がなく、流体サンプルと直接的に接する発熱粒子を含むことだけで、簡単に、かつ効果的にサンプルの温度を調節することができる。
【００２０】
このように、本発明による微細流動装置と微細流動システム、及び微細流動システムの駆動方法は、流体サンプルの種類及び回転体の回転速度に関係なく、微細流動構造物内で流体の流れ及び流体の温度を正確に制御できる。また、このような長所を利用して、従来のコンパクトディスク型の微細流動装置より複雑な微細流動構造物を回転体上に具現化でき、微細流動装置を利用して、さらに複雑な段階の処理と操作が必要な反応を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明の微細流動装置と前記微細流動装置を備える微細流動システムの構成について、その機能を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による微細流動システムの第１実施形態を示す斜視図である。本発明の第１実施形態による微細流動システム１０１は、本発明による微細流動装置２０を備える。前記微細流動装置２０は、一例としてディスク形状の回転体２１上に配置された微細流動構造物２２を備え、前記微細流動構造物２２は、少なくとも一つの熱活性化ユニット２３を備える。図１に示す微細流動装置２０の微細流動構造物２２は、実際に備えられうる多様な形態の構造物を単純化して象徴的に示したものである。前記微細流動構造物２２は、二つ以上の基礎ユニットを備え、前記二つ以上の基礎ユニットは、流体サンプルが流れるチャンネルで連結される。前記二つ以上の基礎ユニットは、前記回転体２１の回転中心からの距離が互いに異なるように配置され、したがって、これらの間では、遠心力によって前記チャンネルを介した流体サンプルの移動が可能である。ここで、基礎ユニットとは、それぞれ所定の機能を担当するチャンバー（保存チャンバー、混合チャンバー、反応チャンバー、培養チャンバーなど）やこれらを連結するチャンネルに設けられて流体の流れを制御する弁のような、微細流動構造物２２を構成する基本要素を称する。一方、このような基礎ユニットのうち、機能の遂行のために温度変化を起こさせるため、特に、加熱によって作動したり、または機能遂行に有利な状態に到達したりすることのできる装置を熱活性ユニット２３と称する。
【００２４】
前記熱活性化ユニット２３は、図１右側の小円に示すように、発熱粒子Ｍを備える。前記発熱粒子Ｍは、所定の分散媒Ｐに分散された状態で備えられてもよく、流体サンプル内に分散または凝集された状態で備えられてもよい。前記熱活性化ユニット２３は、前記発熱粒子Ｍが前記微細流動装置２０の外部から照射された電磁波からエネルギーを吸収してその周囲に熱を伝達することによって、熱によって活性化されて機能を行うという点に特徴がある。このような熱活性化ユニット２３の実際的の例については、図６ないし図１８及びこれらに関する説明を通じて具体的に後述する。
【００２５】
本実施形態による微細流動システム１０１は、前述の熱活性化ユニット２３に所定の電磁波を照射してエネルギーを供給する外部エネルギー源３０を備える。前記外部エネルギー源３０は、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線及びＸ線など、多様な波長の電磁波のうちから選択された所定波長帯の電磁波を照射できる装置でありうる。また、このような電磁波を近距離の標的に集中的に照射可能な装置であれば、さらに望ましい。前記外部エネルギー源３０の波長は、前記発熱粒子Ｍによってよく吸収される範囲であることが望ましい。したがって、前記外部エネルギー源３０で電磁波を発生させる素子は、発熱粒子Ｍの素材及び表面条件によって適切に選択されうる。
【００２６】
前記外部エネルギー源３０は、例えば、レーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えうる。レーザービームの波長や出力など細部的な事項は、主使用対象である微細流動装置２０に含まれた熱活性ユニット２３の種類によって決定されうる。
【００２７】
前記微細流動システム１０１は、前記外部エネルギー源３０の位置または方向を調整して、これから照射される電磁波を、前記微細流動装置２０中の所望の領域に、具体的には、前記微細流動装置２０に含まれる複数のユニットから選択される熱活性ユニット２３に該当する領域に集中的に照射させうる外部エネルギー源調整手段（図示せず）を備える。前記図１のシステム１０１において外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体２１に向かって設置された前記外部エネルギー源３０の上に表示されている矢印方向、すなわち回転体２１の半径方向に動くことができる。前記外部エネルギー源３０を直線移動させるメカニズムは多様に提供され、当業者に自明なものであるので、本明細書ではその説明を省略する。
【００２８】
一方、前記微細流動システム１０１は、前記回転体２１を駆動する回転駆動部４０を備える。図面に示す回転駆動部４０は、前記回転体２１を載置させ、回転力を伝達するための一部分であって、図示していないが、前記回転体２１を定速または定域で、すなわち必要に応じて一定の速度で、そして一定の角度で回転させるモータ及びそれと関連した部品を備えることができる。前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）と同様に、前記回転駆動部４０に関する具体的な構成の例は本明細書で省略する。前記図１のシステム１０１において前記外部エネルギー源３０は、前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）と前記回転駆動部４０とを用いて、電磁波を前記微細流動装置２０中の選択された熱活性化ユニット２３に集中的に照射することができる。
【００２９】
図２は、本発明による微細流動システムの第２実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０２において、微細流動装置２０、回転駆動部４０、及び外部エネルギー源３０’自体に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０２の場合、前記外部エネルギー源３０’が固定設置され、前記外部エネルギー源３０’から照射された電磁波ビームの経路を調整できる少なくとも一つの反射鏡３３と、前記反射鏡３３の角度を調節する反射鏡運動部（図示せず）とを備える点が相違している。前記少なくとも一つの反射鏡３３は、微細流動装置２０に対する前記外部エネルギー源３０’の固定位置によって、一つまたは数個が配置され、そのうち少なくとも一つには、図面に矢印で表示したように反射鏡の角度を調節する反射鏡運動部（図示せず）が設けられて、前記電磁波ビームが前記微細流動装置２０に到達する位置を制御できる。
【００３０】
図３は、本発明による微細流動システムの第３実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０３において、微細流動装置２０、回転駆動部４０、及び外部エネルギー源３０’’自体に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０３の場合、外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体２１に向かって設置された前記外部エネルギー源３０’’を、前記回転体２１に平行な平面上で互いに直交する二方向（例えば、図面上のｘ軸とｙ軸方向、矢印参照）に移動させて、前記回転体２１上の目標地点（例えば、熱活性ユニット２３）に前記外部エネルギー源３０’’から電磁波を照射させることができる移動手段を備えてもよい。
【００３１】
また図示してはいないが、外部エネルギー調整手段は、前記回転体２１の上部のいずれかの地点にその位置が固定された外部エネルギー源の方向を変化させて、放出された電磁波が目標地点に到達するように構成されてもよい。
【００３２】
図４は、本発明による微細流動システムの第４実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０４において、微細流動装置２０、外部エネルギー源３０、外部エネルギー源調整部（図示せず）、及び回転駆動部４０に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０４の場合、前記微細流動装置２０の所定領域から流体サンプルの反応に関する光学的情報を検出する光検出部５０をさらに備えてもよい。前記光検出部５０は、蛍光または色相などの光学的信号を媒介として流体サンプルに対する反応の最終または中間結果物を観測できるものであれば、フォトダイオード、光ピックアップまたは撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサー等）など、多様な要素からなることができる。また、光学的信号を増幅するためのＰＭＴ（ｐｈｏｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ）をさらに備えることもある。前記光検出部５０は、固定して設置されてもよく、前記図１のシステム１０１における外部エネルギー源３０と同様に、回転体２１の半径方向に移動できるように設置されてもよい。
【００３３】
図５は、熱活性ユニットの一例である開弁の実施形態を示す平面図であり、図６Ａ及び図６Ｂは、前記図５に示す開弁の初期状態（閉鎖状態）及び開放状態をそれぞれ示す断面図である。
【００３４】
前述の熱活性ユニット２３には、流体の流れを制御する弁ユニットが含まれる。弁ユニットは、微細流動装置２０で二つの基礎ユニットの間の連結通路を提供するチャンネル２２１の中間に配置されうる。弁ユニットの一例である開弁２３１は、常温で固体状態である弁物質からなる弁プラグ２２３を備える。前記弁物質としては、常温で固体状態である相転移物質の分散媒に発熱粒子が分散されている材料を使用できる。前記固体状態の前記弁プラグ２２３が配置されている初期状態の位置に隣接した前記チャンネル２２１の上流及び下流には、その幅または深さが拡張されて余裕空間を提供する一対のチャンネル拡張部２２２が配置される。
【００３５】
前記弁プラグ２２３は、常温で開口部２２３Ａを中心としてチャンネル２２１の所定部分を完全に遮断して、入口Ｉ側から流入される流体サンプルＬの流れを遮断する。前記弁プラグ２２３は、高温で溶融されて前記チャンネル２２１の上流側、下流側に流れ、隣接して配置されたチャンネル拡張部２２２に移動して、流体サンプルＬの流路を開放した状態で再度凝固（２２３’参考）する。前記開口部２２３Ａは、微細流動装置の製作時に溶融された弁物質を投入して弁プラグ２２３を形成する注入口の役割も行う。
【００３６】
前記弁プラグ２２３を加熱するために、前記微細流動装置２０の外部には外部エネルギー源３０、３０’、３０’’が配置され、前記外部エネルギー源３０、３０’、３０’’が前記弁プラグ２２３の初期状態（チャンネル２２１が閉鎖状態）の位置、すなわち前記開口部２２３Ａとその周辺とを含む領域に電磁波を照射する。この時、前記外部エネルギー源３０、３０’、３０’’は、例えば、レーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えうる。前記レーザー光源は、パルスレーザーを照射する場合、１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上のエネルギーを有するパルスレーザーを照射し、連続波動レーザーを照射する場合、１０ｍＷ以上の出力を有する連続波動レーザーを照射することができる。
【００３７】
後ほど図９ないし図１２で示される実験を参照ると、８０８ｎｍ波長のレーザーを照射するレーザー光源を使用したが、必ずしもこの波長のレーザービームを照射することに限定されるものではなく、４００〜１３００ｎｍの波長を有するレーザーを照射するレーザー光源であれば、前記微細流動システムの外部エネルギー源３０、３０’、３０’’として採用されうる。
【００３８】
前述のチャンネル２２１は、回転体をなす上板２１２または下板２１１の内面に形成された立体パターンによって提供されうる。前記上板２１２は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波が前記弁プラグ２２３に入射できるように透過させ、外部で流体サンプルＬを観測可能にする光学的に透明な材料から作られるものが望ましい。その例として、ガラスまたは透明プラスチック素材は、光学的透明性に優れ、かつ製造コストが安いという面で有利である。
【００３９】
前記チャンネル２２１と一対のチャンネル拡張部２２２とは、互いに接合された上板２１２及び下板２１１を含んでなる回転体２１に形成されうる。上板２１２と下板２１１との接合方法は、接着剤や両面接着テープを利用してもよく、超音波溶着を利用してもよい。具体的に、前記下板２１１に前記チャンネル２２１及び一対のチャンネル拡張部２２２が陰刻パターンで形成され、前記上板２１２には、前記チャンネル２２１中で前記一対のチャンネル拡張部２２２の間に弁物質を注入するための開口部２２３Ａが形成されている。前記チャンネル２２１は、幅が約１ｍｍ、深さが約０．１ｍｍ程度の微細チャンネルである。前記チャンネル拡張部２２２は、約３ｍｍ程度の深さを有するように形成されうる。
【００４０】
前記弁プラグ２２３に分散された発熱粒子は、数千μｍの幅を有するチャンネル２２１内で自由に流動可能な１ｎｍ〜１００μｍの直径を有するものでありうる。前記発熱粒子は、レーザーが照射されれば、その放射エネルギーにより温度が急激に上昇して発熱する性質を有し、ワックスに均一に分散される性質を有する。このような性質を有するために、前記発熱粒子は、金属成分を含むコアと疏水性を帯びたシェルとを含む構造を有しうる。例えば、前記発熱粒子は、強磁性物質であるＦｅからなるコアと、前記Ｆｅに結合されてＦｅを取り囲む複数の界面活性成分からなるシェルとを備えた構造を有しうる。一般的に、前記発熱粒子は、キャリアオイルに分散された状態で保管される。疏水性表面構造を有する前記発熱粒子を均一に分散させるために、キャリアオイルも疏水性であることが望ましい。ワックスに前記発熱粒子が分散されたキャリアオイルを入れて混合することによって、前記弁プラグ２２３の素材を製造できる。前記発熱粒子の粒子形態は、前記例として挙げた形態に限定されるものではなく、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、または磁性ビーズであってもよい。前記炭素粒子には、黒鉛粒子も含まれる。
【００４１】
前記弁物質をなす相転移物質は、ワックスでありうる。前記発熱粒子が吸収した電磁波のエネルギーを熱エネルギーの形態で周囲に伝達すれば、ワックスは、これによって溶融されて流動性を有するようになり、その結果、弁プラグ２２３が崩壊し、流体サンプルＬの流路が開放される。前記弁プラグ２２３を構成するワックスは、適当な融点を有することが望ましい。融点があまりにも高ければ、レーザー照射を始めてから溶融されるまで時間が長くかかってしまい、開放時点の精密な制御が困難になり、一方、融点があまりにも低ければ、レーザーが照射されていない状態でも部分的に溶融されてしまい、流体サンプルＬが漏出することもあるためである。前記ワックスとしては、例えばパラフィンワックス、微晶質ワックス、合成ワックス、または天然ワックスなどが採用されうる。
【００４２】
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂であることもある。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、またはポリビニルアミドなどが採用されうる。また、前記熱可塑性樹脂として、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｉｃ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＦＡ（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙ）、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＳＵ（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、またはＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）などが採用されうる。
【００４３】
図７は、熱活性ユニットの他の例である閉弁の実施形態を示す平面図であり、図８は、前記図７に示す閉弁の断面図である。
【００４４】
前記弁ユニットの他の一例である閉弁２３２は、入口Ｉと出口Ｏを有するチャンネル２２４と、前記チャンネル２２４の中間に連結された弁チャンバー２２５と、初期状態は、前記弁チャンバー２２５内に常温で固体状態として充填され、加熱されれば、溶融及び膨脹され、前記チャンネル２２４に流入し、再度凝固し、前記チャンネル２２４を介した流体の流れを遮断する弁物質Ｖとを備える。ここで、前記閉弁２３２は、前述の微細流動装置２０の微細流動構造物２２をなす基礎ユニットの一つであって、前記入口Ｉと出口Ｏとは、互いに異なる基礎ユニットにそれぞれ連結され、前記チャンネル２２４は、前記ユニットの間で流体サンプルＬを移動可能にするチャンネルの役割を行う。
【００４５】
前記閉弁２３２の構造物も前述の開弁２３１と同様に、微細流動装置２０の回転体２１をなす上板２１２または下板２１１の内面に形成された立体パターンによって提供されうる。但し、前記弁チャンバー２２５は、前記チャンネル２２１の深さより深く、前記開弁２３１のチャンネル拡張部２２２より浅い深さ、例えば１ｍｍ程度の深さを有するように形成されうる。前記上板２１２は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波を透過させ、外部で流体サンプルＬを観測できるようにする光学的に透明な材料で作られたものが望ましい。さらに、前記上板２１２は、前記電磁波（例えば、レーザービーム）を前記弁プラグにさらに容易に入射させるために、前記弁チャンバー２２５に対応する開口部２２５Ａを有してもよい。前記開口部２２５Ａは、微細流動装置２０の製作時に溶融された弁物質を投入する注入口の役割も行う。
【００４６】
前記弁物質Ｖをなす相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍに関する事項は、開弁２３１の例を通じて説明した通りである。また、前記弁物質Ｖに電磁波を提供する外部エネルギー源３０、３０’、３０’’に関する事項も、前述と同様である。分散媒である相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍとを含む弁物質Ｖにレーザービームが照射されれば、前記発熱粒子Ｍがエネルギーを吸収して前記相転移物質Ｐを加熱させる。これによって、前記弁物質Ｖは、溶融され体積が膨脹し、連結されたチャンネル２２６を介して前記チャンネル２２４に流入する。前記チャンネル２２４内で流体サンプルＬと接触し、さらに凝固された弁物質Ｖは、弁プラグをなし、前記チャンネル２２４を介した流体サンプルＬの流れを遮断する。
【００４７】
前述の弁ユニットの反応時間を測定した実験結果は、次の通りである。実験のためのテストチップにおいて作動流体の圧力は４６ｋＰａに維持した。圧力維持のために、シリンジポンプ（Ｈａｖａｒｄ ＰＨＤ２０００、ＵＳＡ）と圧力センサー（ＭＰＸ ５５００ＤＰ、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．、ＡＺ、ＵＳＡ）を使用した。前記弁ユニットに電磁波を照射する外部エネルギー源としては、放出波長が８０８ｎｍであり、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。弁ユニットの反応時間に関するデータは、高速撮影装置（Ｆａｓｔｃａｍ−１０２４、Ｐｈｏｔｒｏｎ、ＣＡ、ＵＳＡ）の結果物分析を通じて得た。前記弁物質としては、発熱粒子である平均直径１０ｎｍの磁性ビーズがキャリアオイルに分散された、いわゆる磁性流体とパラフィンワックスとが１：１の割合で混合された、すなわち磁性流体の体積比が５０％である磁性ワックスを使用した。
【００４８】
図９は、前記開弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。前記開弁の弁プラグにレーザービームを照射してから、前記弁プラグが溶融されてチャンネルが開放されるまでの反応時間は、０．０１２秒であった。
【００４９】
図１０は、前記閉弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。前記閉弁の弁物質にレーザービームを照射してから、前記弁物質が溶融及び膨脹し、チャンネルを閉じるまでの反応時間は、０．４４４秒であった。従来のワックス弁の反応時間が２〜１０秒であった点と比較すると、はるかに速い反応時間であることが分かる。
【００５０】
図１１は、前記開弁で弁プラグに含まれる磁性流体の体積比と弁の反応時間との関係を示すグラフである。図１１を参照すれば、磁性流体の体積比が大きくなるにつれて、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、磁性流体の体積比が０．７（７０％）以上大きくなれば、弁プラグの最大許容圧力が低くなる傾向がある。したがって、前記弁ユニットで弁物質に含まれる磁性流体の体積比は、反応時間に対する要求と最大許容圧力に対する要求との折衝によって決定される。
【００５１】
図１２は、前記開弁で外部エネルギー源として使われるレーザー光源の出力と弁の反応時間との関係を示すグラフである。出力が増大するほど反応時間が短くなる推移を示す。しかし、レーザー光源の出力が１．５Ｗに近接すれば、反応時間の変化が緩やかになり、（グラフに示していないが）１．５Ｗを超えれば、所定の最小反応に収束する。パラフィンワックスを通した熱伝導率の制約があるためである。前記実験では、このような理由で出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。しかし、本発明の外部エネルギー源がこれに限定されるものではない。
【００５２】
図１３は、熱活性ユニットのさらに他の例である加熱ユニットの実施形態を示す平面図である。本発明による微細流動装置２０は、熱活性ユニット２３のさらに他の例であって加熱ユニット２３３を備えることができる。ここで、加熱ユニット２３３とは、サンプル溶液Ｌを加熱して部分的または全体的に温度を高くする機能を含むユニットを意味する。ここには、流体サンプルＬと他物質との反応を促進させたり、流体サンプルＬに含まれた細胞を培養したり、細胞を溶解して核酸を抽出したり、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）サイクルを適用して核酸を増幅したりする多様な機能を行うユニットが含まれうる。
【００５３】
このような加熱ユニット２３３は、前記微細流動装置２０の回転体内に設けられた加熱チャンバー２２７を備える。前記加熱チャンバー２２７は、その入口Ｉ側が前記チャンバー２２７より回転体２１の中心から近い距離に配置された他の基礎ユニット（図示せず）と連結される。一方、その出口Ｏ側には、前述の開弁の弁プラグ２２３が設けられることもある。これを通じて、前記チャンバー２２７内に流体サンプルＬを収容することができる。前記加熱チャンバー２２７内には、発熱粒子Ｍを備える。前記発熱粒子Ｍは、前記微細流動装置２０の外部に設けられた外部エネルギー源３０、３０’、３０’’から照射される電磁波を吸収して、これを熱エネルギーの形態でその表面を通じて周囲に伝達する。
【００５４】
この場合、前記発熱粒子Ｍは、前述の弁ユニットでの場合と同様に、電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとを含む形態を有しうる。前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなりうる。さらに具体的には、強磁性体を帯びるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒの金属及びそれらの酸化物からなる群から選択される１つ以上の物質を含みうる。前記発熱粒子Ｍが強磁性物質を含めば、前記加熱ユニット２３３の機能が完遂した後に、サンプルＬから前記発熱粒子Ｍを分離するのが容易である。磁石を利用してこれらを集めることができるからである。一方、前記シェルは、前記加熱ユニット２３３の細部的な用途によって異なる特性を有する。前記シェルの表面は、親水性でありうる。この場合、大部分の流体サンプルＬが親水性溶液であるため、前記発熱粒子ＭをサンプルＬに均一に分散させるのに有利である。また、前記シェルの表面は、特定の生体分子が付着できるように改質されうる。このような発熱粒子Ｍを利用して、サンプルＬから特定生体分子を分離することも可能であり、このように分離された生体分子を培養したり破壊したりする特殊な機能を行えるからである。
【００５５】
以下では、前述した本発明の微細流動システムを効果的に駆動する方法について例を挙げて説明する。以下の駆動方法は、前述の微細流動システムの多様な実施形態に適用されうる。
【００５６】
まず、微細流動装置が微細流動システムの回転駆動部に設置され、前記微細流動システムは、該当微細流動装置に含まれる少なくとも一つの熱活性ユニットの位置情報を取得する。位置情報を取得する方法としては、多様な方法が適用されうる。例えば、微細流動システムの情報保存部に使われる微細流動装置のユニット配置に関する情報を予め保存し、回転駆動部に載置された微細流動装置が認識されれば、該当微細流動装置に対するユニット配置情報をロードしてシステム駆動に活用することができる。この場合、微細流動システムは、任意の時点で載置された微細流動装置の基準点位置を把握するだけで、以後の動作のための情報も取得できる。他の例として、微細流動装置の各熱活性ユニットまたはそれと一対一に対応する位置に識別符号を付与し、微細流動システムが前記識別符号を認識して、各熱活性化ユニットに関する位置情報を取得するようにしてもよい。
【００５７】
次に、取得した位置情報を利用して選択されたいずれか一つの熱活性化ユニットに向かって外部エネルギー源を照準する。前記外部エネルギー源照準段階は、照準開始時点を基準として、前記微細流動装置上で前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源の電磁波を照射している地点との偏差Δ（ｒ，θ）を検出し、前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波の照射地点を前記偏差Δに基づいて調整することができる。一例として、前記外部エネルギー源調整手段が電磁波の照射地点を１次元的に移動させる場合には、前記回転駆動部を利用して前記回転体をΔθほど定域回転させ、前記外部エネルギー源調整部を利用して、前記電磁波の照射地点を前記回転体の半径方向にΔｒほど移動させることができる。ここでは、微細流動システムが極座標系を利用することを例に挙げたが、本発明の駆動方法がこれに限定されるものではなく、前記外部エネルギー源調整手段の機構的構成によって直交座標系（ｘ、ｙ）を利用してもよいということは言うまでもない。一方、外部エネルギー源の標的となる熱活性化ユニットに対する選択は、その時のユーザの入力によって行われてもよく、予め入力されたプログラムによって行われてもよい。特に、微細流動装置に複数の熱活性化ユニットが含まれており、これらが順次に動作する場合にプログラムによる制御が有利である。
【００５８】
次に、照準された熱活性ユニットに電磁波を照射して前記熱活性ユニットを活性化する。この時、微細流動システムは、電磁波（例えば、レーザービーム）を照射しながら、回転駆動部を利用して前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによってさせて、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝達することができる。これと類似した例として、微細流動システムは、前記外部エネルギー源調整部を利用して電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すことで、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝達することができる。添付された図面を参照して説明すれば、次の通りである。
【００５９】
図１４及び図１６は、本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す。まず、図１４は、一つの熱活性ユニット２３を個別的に活性化する動作の例を示す。外部エネルギー源３０が微細流動装置に向かうように設置され、半径方向に直線移動する場合を示すものである。一つの熱活性ユニット２３が選択された場合、外部エネルギー源３０を照準し始める現時点での前記熱活性ユニット２３の位置と、現時点の外部エネルギー源３０の位置との極座標上の偏差Δ（ｒ，θ）を求める。そして、回転駆動部を利用して、前記回転体２１をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）を利用して、前記外部エネルギー源３０を前記回転体２１の半径方向にΔｒ移動させることができる。
【００６０】
図１５は、微細流動装置内で回転中心から同じ距離に配置された複数の熱活性ユニット２３を同時に活性化する動作の例を示す。同様に、外部エネルギー源３０が微細流動装置に向かうように設置され、半径方向に直線移動する場合を示すものである。微細流動システムは、外部エネルギー源３０を照準し始める現時点での前記複数の熱活性ユニット２３が配置された位置の半径と前記外部エネルギー源３０の位置との偏差Δｒを求め、外部エネルギー源調整手段を利用して、前記外部エネルギー源３０をΔｒ移動させた後、回転駆動部を利用して、回転体２１を回転させると同時に電磁波を照射することができる。
【００６１】
図１６は、一つの熱活性ユニット２３を個別的に活性化する動作の他の例を示す。外部エネルギー源３０’’が微細流動装置に向かうように設置されて、微細流動装置２０の回転体２１に平行な平面上で移動する場合を示すものである。一つの熱活性ユニット２３が選択された場合、外部エネルギー源３０’’を照準し始める現時点における前記熱活性ユニット２３の位置と、現在外部エネルギー源３０’’の位置との直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）を求める。そして、外部エネルギー源調整手段（図示せず）を利用して、前記外部エネルギー源３０’’をｘ軸方向にΔｘ直線移動させ、ｙ軸方向にΔｙ直線移動させることができる。
【００６２】
図１７は、本発明による複数の熱活性ユニットを備えた微細流動装置の実施形態を示す平面図である。本実施形態による微細流動装置２０は、回転体２１上に対称的に配置された複数の微細流動構造物２２を備える。前記微細流動構造物２２は、上流側、すなわち回転体２１の回転中心から近い方向に配置された三つのサンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄと、回転中心から遠い方向に配置された三つの反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃと、これらの間に配置された混合チャンバー２２８Ｍとを備える。前記混合チャンバー２２８Ｍは、前記サンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄ及び反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃとそれぞれチャンネルを介して連結されており、各チャンネルの中間には、熱活性ユニットの一種として流体の流れを制御できる弁ユニット２３１Ａ、２３１Ｂ、２３１Ｃ、２３１Ｄ、２３１Ｅ、２３１Ｆ、２３２Ｃが配置されている。前記弁ユニットのうち２３２Ｃは、閉弁であり、残りは開弁である。前記サンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄには、それぞれサンプルＡ、Ｂ、Ｄが保存されており、前記反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃには、前記サンプルと所定の反応を起こしうる反応物質Ｅ、Ｆ、Ｃがそれぞれ配されている。前記反応物質は、液体状態で配されてもよく、固体表面に固定されるなど、多様な形態に配されてもよい。
【００６３】
図１８は、前記図１７の微細流動装置を備える微細流動システムの駆動例を示す。本実施形態による微細流動システムは、予めプログラムされたところによって駆動できる。４個のサブ図面は、前記微細流動装置の操作遂行過程を示し、各サブ図面の左上に示された数字は、該当弁の作動順序を示す。まず、サンプルＡ、Ｂが保存されたサンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂと連結された開弁２３１Ａ、２３１Ｂを作動させ、前記二つのサンプルを移送して混合チャンバー２２８ＭでサンプルＡ、Ｂを混合する。次に、反応チャンバーＣ ２２８Ｃと連結された開弁２３１Ｃを作動させ、サンプルＡ、Ｂの混合液の一部を移送して反応物質Ｃと反応させた後、やはり反応チャンバーＣ ２２８Ｃと連結された閉弁２３２Ｃを閉じる。その後、サンプルＤが保存されたチャンバー２２８Ｄと連結された開弁２３１Ｄを開放し、前記サンプルＤを混合チャンバー２２８Ｍに移送して残っていたサンプルＡ、Ｂの混合液とさらに混合する。その後、反応チャンバーＥ ２２８Ｅと、チャンバーＦ ２２８Ｆとがそれぞれ連結された開弁２３１Ｅ、２３１Ｆを作動させ、サンプルＡ、Ｂ、Ｄの混合液を移送する。これにより、反応チャンバーＣ ２２８Ｃでは、サンプルＡ、Ｂと反応物質Ｃとの反応が行われ、反応チャンバーＥ ２２８Ｅでは、サンプルＡ、Ｂ、Ｄと反応物質Ｅとの反応が行われ、反応チャンバーＦ ２２８Ｆでは、サンプルＡ、Ｂ、Ｄと反応物質Ｆとの反応が行われうる。
【００６４】
図１８の実施形態は、本発明による微細流動装置と微細流動システムを利用して、数段階からなる生物学的または化学的反応を効果的に行うことができることを示す例である。各過程において各弁ユニットの作動などを含む微細流動システムの具体的な駆動は、前述の方法によって行われうる。
【００６５】
以上、本発明による望ましい実施形態が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲により決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、生化学的反応関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による微細流動システムの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明による微細流動システムの第２実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明による微細流動システムの第３実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明による微細流動システムの第４実施形態を示す斜視図である。
【図５】熱活性ユニットの一例である開弁の実施形態を示す平面図である。
【図６Ａ】図５に示す開弁の初期状態を示す断面図である。
【図６Ｂ】図５に示す開弁の開放状態を示す断面図である。
【図７】熱活性ユニットの他の例である閉弁の実施形態を示す平面図である。
【図８】図７に示す閉弁の断面図である。
【図９】開弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。
【図１０】閉弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。
【図１１】開弁において弁プラグに含まれた磁性流体の体積比と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１２】開弁において外部エネルギー源として使われたレーザー光源の出力と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１３】熱活性ユニットのさらに他の例である加熱チャンバーの実施形態を示す平面図である。
【図１４】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１５】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１６】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１７】本発明による複数の熱活性ユニットを備えた微細流動装置の実施形態を示す平面図である。
【図１８】図１７の微細流動装置を備える微細流動システムの駆動例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
２０ 微細流動装置、
２１ 回転体、
２２ 微細流動構造物、
２３ 熱活性ユニット、
３０、３０’、３０’’ 外部エネルギー源、
３３ 反射鏡、
４０ 回転駆動部、
５０ 光学的検出装置、
１０１、１０２、１０３、１０４ 微細流動システム、
２１１ 下板、
２１２ 上板、
２２１、２２４、２２６、 チャンネル、
２２２ チャンネル拡張部、
２２３ 弁プラグ、
２２５ 弁チャンバー、
２２７ 加熱チャンバー、
２３１ 開弁、
２３２ 閉弁、
２３３ 加熱ユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体（例えば、ディスク形態の回転体）に設けられた微細流動構造物内で遠心力を利用して流体サンプルを移動させ、少量のサンプルで生化学的試験を行える装置及び方法に係り、さらに詳細には、微細流動構造物中に放射熱によって作動されるユニットを備えた遠心力基盤の微細流動装置、及びこれと共に位置制御が可能な外部エネルギー源を備える微細流動システム、そして前記微細流動システムを駆動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、微細流動装置を構成する微細流動構造物には、少量の流体を収容するチャンバーや、流体が流れるチャンネル（通路）や、流体の流れを調節できる弁や、そして流体を受けて所定の機能を行ういろいろな機能性ユニットなどが含まれうる。小型のチップ上で生化学的反応を含む試験を行えるように、チップ形態の基板にこのような微細流動構造物を配置したものをバイオチップといい、特に、数段階の処理及び操作を一つのチップで行えるように製作された装置をラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ｃｈｉｐ）という。
【０００３】
微細流動構造物内で流体を移送するためには、駆動圧力が必要であるが、駆動圧力として毛細管圧が利用されるか、または別途のポンプによる圧力が利用されることもある。最近では、コンパクトディスク形態の回転板に微細流動構造物を配置して、遠心力を利用する微細流動装置が提案されている。これをラボオンＣＤ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ ＣＤ）ともいう。しかし、この場合は、フレームに固定されずに動く回転体の特性上、その中で流体の流れを制御したり、ユニットの温度を制御したりする等の操作が容易でない。
【０００４】
コンパクトディスク形態の微細流動装置でサンプル流体の流れを制御できる弁を提供するために、いろいろな試みが行われている。特許文献１には、ディスクの回転数によって流体の流れを制御する毛細管弁が開示されており、特許文献２には、内壁が疏水性を帯びた毛細管構造物を利用して、やはりディスクの回転数によって流体の流れを制御する疏水性ブレークが開示されている。しかし、これらは、ディスク全体に影響を及ぼす回転数を利用するので、複雑な構造の微細流動構造物で複数の弁を個別的に制御することが困難である。すなわち、微細流動構造物を配置するに当たって、弁の位置及び数に多くの制約がある。また、サンプルの表面張力に応じて作動回転数を変える必要があるので、いろいろな種類のサンプルを同時に処理し難い。
【０００５】
コンパクトディスク形態の微細流動装置にワックス弁を採用した構成が、特許文献３に開示されている。前記文献に開示された装置は、ワックス弁の加熱のために“Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｅｄ Ｈｅａｔｅｒ”を利用するが、前記Ｓｃｒｅｅｎ−ｐｒｉｎｔｅｄ Ｈｅａｔｅｒとそれによるリード線とがディスク上で多くの面積を占めるので、一つのディスク上に複数の弁を配置するのに困難さがある。また、熱効率が低いため、ワックス弁の溶融に多くの時間がかかる。
【特許文献１】米国特許第６，１４３，２４８号明細書
【特許文献２】米国特許第６，９１９，０５８号明細書
【特許文献３】米国特許第６，０６３，５８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、複数の熱活性ユニットを備え、これらを個別的に速かに制御し、遠心力基盤の微細流動装置及びこれを備える微細流動システムを提供するところにその目的がある。また、本発明は、前記のような微細流動システムの効果的な駆動方法を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面による遠心力基盤の微細流動装置は、回転体と、微細流動構造物と、を備え、前記微細流動構造物は、前記回転体に配置され、前記回転体の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、前記回転体の遠心力によって前記基礎ユニットに連結しているチャンネルに沿って流体サンプルを移動させ、温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニットを備え、前記熱活性ユニットの内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子を備えることを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記熱活性化ユニットは、微細流動構造物に採用されうるいろいろな基礎ユニットのうち、熱によって活性化されて機能を行えるユニットであれば、いずれも使用できる。例えば、前記熱活性化ユニットは、常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであってもよく、複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から電磁波を吸収して前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであってもよい。
【０００９】
前記弁ユニットは、前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、前記弁プラグが熱によって溶融し、前前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁でありうる。一方、前記弁ユニットは、前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であってもよい。
【００１０】
前記弁ユニットにおいて、前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つでありうる。また、前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであり、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つでありうる。前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと。前記コアを取り囲むシェルとからなり、優れた電磁波吸収効率と高い熱伝導性とを同時に得るために、適切な金属成分を含んでもよい。
【００１１】
前記加熱ユニットにおいて、前記発熱粒子は、やはり外部から照射される電磁波を吸収し、熱エネルギーに変換するコアと、前記コアを取り囲むシェルとからなることもある。この場合、前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなり、前記シェルは、表面改質され、表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができる。
【００１２】
本発明の他の一側面による微細流動システムは、前述の本発明の微細流動装置と、前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、前記微細流動装置内の発熱粒子の発熱を誘導できる波長帯の電磁波を照射する外部エネルギー源と、前記外部エネルギー源から電磁波を前記回転体上の所望の領域に照射させるように、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整する外部エネルギー源調整手段とを備える。
【００１３】
ここで、前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモータを備えることができる。また、前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体の半径方向に移動させる移動手段を備えることができる。これと違って、前記外部エネルギー源調整手段は、固定された前記外部エネルギー源から照射された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡と、前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部と、を備えるか、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体に平行な平面上を直交座標系の２方向に移動させる移動手段を備えることもある。
【００１４】
前記外部エネルギー源は、レーザー光源を備え、前記レーザー光源は、少なくとも一つのダイオードを備えることができる。前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上、かつ、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子が変成しない程度のエネルギーを有するパルスレーザーであるか、これと違って、少なくとも１４ｍＷ以上の出力を有し、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子を変成させない程度の出力を有する連続波動レーザーであってもよい。前記レーザー光源から照射されるレーザーは、４００ないし１３００ｎｍの波長を有しうる。
【００１５】
本発明の他の一側面による前記微細流動システムの駆動方法は、前述の微細流動システムの多様な実施類型のうちいずれか一つに該当するシステムを駆動する方法において、前記回転駆動部に載置された前記微細流動装置に備えられる少なくとも一つの前記熱活性ユニットのそれぞれの位置情報を取得する段階と、取得された前記位置情報を利用して選択されたいずれか一つの前記熱活性ユニットに向かって、前記外部エネルギー源を照射する段階と、前記外部エネルギー源から電磁波を照射して、選択された前記熱活性ユニットを活性化する段階と、を含む。
【００１６】
前記外部エネルギー源を照射する段階は、前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源から電磁波が照射される地点との偏差Δ（ｒ，θ）またはΔ（ｘ，ｙ）を検出する段階と、前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波が照射される地点を前記偏差Δに基づいて調整する段階とを含むものでありうる。極座標を利用して前記外部エネルギー源調整手段を制御する場合、前記回転駆動部を利用して、前記回転体をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整部を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向にΔｒ移動させることができる。一方、直交座標系を利用して、前記外部エネルギー源調整手段を制御する場合は、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）ほど移動させることもある。
【００１７】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記回転駆動部は、前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることができる。一方、このような目的を達成するために、前記外部エネルギー源調整部をして電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すこともある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による遠心力基盤の微細流動装置は、外部の熱源または電源との接触なしに、電磁波により活性化される多様な熱活性化ユニットを備えることによって、多様な生物学的または化学的反応を行える。それだけではなく、数段階の操作と処理が必要な反応を行うために、複雑な構造を有する微細流動構造物も一つの回転体からなる微細流動装置に配置することができる。
【００１９】
特に、本発明の微細流動装置は、前述の熱活性化ユニットの一例として弁ユニットを利用する場合、流体流れのロバスト制御（ｒｏｂｕｓｔ ｃｏｎｔｒｏｌ）が可能である。また、前述の熱活性化ユニットの他の例として加熱ユニットを利用する場合、外部熱源との接触を通じて流体サンプルを間接的に加熱したり、装置内部に抵抗発熱のための構成を有したりする必要がなく、流体サンプルと直接的に接する発熱粒子を含むことだけで、簡単に、かつ効果的にサンプルの温度を調節することができる。
【００２０】
このように、本発明による微細流動装置と微細流動システム、及び微細流動システムの駆動方法は、流体サンプルの種類及び回転体の回転速度に関係なく、微細流動構造物内で流体の流れ及び流体の温度を正確に制御できる。また、このような長所を利用して、従来のコンパクトディスク型の微細流動装置より複雑な微細流動構造物を回転体上に具現化でき、微細流動装置を利用して、さらに複雑な段階の処理と操作が必要な反応を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付された図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明の微細流動装置と前記微細流動装置を備える微細流動システムの構成について、その機能を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明による微細流動システムの第１実施形態を示す斜視図である。本発明の第１実施形態による微細流動システム１０１は、本発明による微細流動装置２０を備える。前記微細流動装置２０は、一例としてディスク形状の回転体２１上に配置された微細流動構造物２２を備え、前記微細流動構造物２２は、少なくとも一つの熱活性化ユニット２３を備える。図１に示す微細流動装置２０の微細流動構造物２２は、実際に備えられうる多様な形態の構造物を単純化して象徴的に示したものである。前記微細流動構造物２２は、二つ以上の基礎ユニットを備え、前記二つ以上の基礎ユニットは、流体サンプルが流れるチャンネルで連結される。前記二つ以上の基礎ユニットは、前記回転体２１の回転中心からの距離が互いに異なるように配置され、したがって、これらの間では、遠心力によって前記チャンネルを介した流体サンプルの移動が可能である。ここで、基礎ユニットとは、それぞれ所定の機能を担当するチャンバー（保存チャンバー、混合チャンバー、反応チャンバー、培養チャンバーなど）やこれらを連結するチャンネルに設けられて流体の流れを制御する弁のような、微細流動構造物２２を構成する基本要素を称する。一方、このような基礎ユニットのうち、機能の遂行のために温度変化を起こさせるため、特に、加熱によって作動したり、または機能遂行に有利な状態に到達したりすることのできる装置を熱活性ユニット２３と称する。
【００２４】
前記熱活性化ユニット２３は、図１右側の小円に示すように、発熱粒子Ｍを備える。前記発熱粒子Ｍは、所定の分散媒Ｐに分散された状態で備えられてもよく、流体サンプル内に分散または凝集された状態で備えられてもよい。前記熱活性化ユニット２３は、前記発熱粒子Ｍが前記微細流動装置２０の外部から照射された電磁波からエネルギーを吸収してその周囲に熱を伝達することによって、熱によって活性化されて機能を行うという点に特徴がある。このような熱活性化ユニット２３の実際的の例については、図６ないし図１８及びこれらに関する説明を通じて具体的に後述する。
【００２５】
本実施形態による微細流動システム１０１は、前述の熱活性化ユニット２３に所定の電磁波を照射してエネルギーを供給する外部エネルギー源３０を備える。前記外部エネルギー源３０は、マイクロ波、赤外線、可視光線、紫外線及びＸ線など、多様な波長の電磁波のうちから選択された所定波長帯の電磁波を照射できる装置でありうる。また、このような電磁波を近距離の標的に集中的に照射可能な装置であれば、さらに望ましい。前記外部エネルギー源３０の波長は、前記発熱粒子Ｍによってよく吸収される範囲であることが望ましい。したがって、前記外部エネルギー源３０で電磁波を発生させる素子は、発熱粒子Ｍの素材及び表面条件によって適切に選択されうる。
【００２６】
前記外部エネルギー源３０は、例えば、レーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えうる。レーザービームの波長や出力など細部的な事項は、主使用対象である微細流動装置２０に含まれた熱活性ユニット２３の種類によって決定されうる。
【００２７】
前記微細流動システム１０１は、前記外部エネルギー源３０の位置または方向を調整して、これから照射される電磁波を、前記微細流動装置２０中の所望の領域に、具体的には、前記微細流動装置２０に含まれる複数のユニットから選択される熱活性ユニット２３に該当する領域に集中的に照射させうる外部エネルギー源調整手段（図示せず）を備える。前記図１のシステム１０１において外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体２１に向かって設置された前記外部エネルギー源３０の上に表示されている矢印方向、すなわち回転体２１の半径方向に動くことができる。前記外部エネルギー源３０を直線移動させるメカニズムは多様に提供され、当業者に自明なものであるので、本明細書ではその説明を省略する。
【００２８】
一方、前記微細流動システム１０１は、前記回転体２１を駆動する回転駆動部４０を備える。図面に示す回転駆動部４０は、前記回転体２１を載置させ、回転力を伝達するための一部分であって、図示していないが、前記回転体２１を定速または定域で、すなわち必要に応じて一定の速度で、そして一定の角度で回転させるモータ及びそれと関連した部品を備えることができる。前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）と同様に、前記回転駆動部４０に関する具体的な構成の例は本明細書で省略する。前記図１のシステム１０１において前記外部エネルギー源３０は、前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）と前記回転駆動部４０とを用いて、電磁波を前記微細流動装置２０中の選択された熱活性化ユニット２３に集中的に照射することができる。
【００２９】
図２は、本発明による微細流動システムの第２実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０２において、微細流動装置２０、回転駆動部４０、及び外部エネルギー源３０’自体に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０２の場合、前記外部エネルギー源３０’が固定設置され、前記外部エネルギー源３０’から照射された電磁波ビームの経路を調整できる少なくとも一つの反射鏡３３と、前記反射鏡３３の角度を調節する反射鏡運動部（図示せず）とを備える点が相違している。前記少なくとも一つの反射鏡３３は、微細流動装置２０に対する前記外部エネルギー源３０’の固定位置によって、一つまたは数個が配置され、そのうち少なくとも一つには、図面に矢印で表示したように反射鏡の角度を調節する反射鏡運動部（図示せず）が設けられて、前記電磁波ビームが前記微細流動装置２０に到達する位置を制御できる。
【００３０】
図３は、本発明による微細流動システムの第３実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０３において、微細流動装置２０、回転駆動部４０、及び外部エネルギー源３０’’自体に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０３の場合、外部エネルギー源調整手段（図示せず）は、回転体２１に向かって設置された前記外部エネルギー源３０’’を、前記回転体２１に平行な平面上で互いに直交する二方向（例えば、図面上のｘ軸とｙ軸方向、矢印参照）に移動させて、前記回転体２１上の目標地点（例えば、熱活性ユニット２３）に前記外部エネルギー源３０’’から電磁波を照射させることができる移動手段を備えてもよい。
【００３１】
また図示してはいないが、外部エネルギー調整手段は、前記回転体２１の上部のいずれかの地点にその位置が固定された外部エネルギー源の方向を変化させて、放出された電磁波が目標地点に到達するように構成されてもよい。
【００３２】
図４は、本発明による微細流動システムの第４実施形態を示す斜視図である。本実施形態による微細流動システム１０４において、微細流動装置２０、外部エネルギー源３０、外部エネルギー源調整部（図示せず）、及び回転駆動部４０に関する事項は、前述の図１のシステム１０１と同様である。但し、本実施形態による微細流動システム１０４の場合、前記微細流動装置２０の所定領域から流体サンプルの反応に関する光学的情報を検出する光検出部５０をさらに備えてもよい。前記光検出部５０は、蛍光または色相などの光学的信号を媒介として流体サンプルに対する反応の最終または中間結果物を観測できるものであれば、フォトダイオード、光ピックアップまたは撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサー等）など、多様な要素からなることができる。また、光学的信号を増幅するためのＰＭＴ（ｐｈｏｔｏ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ）をさらに備えることもある。前記光検出部５０は、固定して設置されてもよく、前記図１のシステム１０１における外部エネルギー源３０と同様に、回転体２１の半径方向に移動できるように設置されてもよい。
【００３３】
図５は、熱活性ユニットの一例である開弁の実施形態を示す平面図であり、図６Ａ及び図６Ｂは、前記図５に示す開弁の初期状態（閉鎖状態）及び開放状態をそれぞれ示す断面図である。
【００３４】
前述の熱活性ユニット２３には、流体の流れを制御する弁ユニットが含まれる。弁ユニットは、微細流動装置２０で二つの基礎ユニットの間の連結通路を提供するチャンネル２２１の中間に配置されうる。弁ユニットの一例である開弁２３１は、常温で固体状態である弁物質からなる弁プラグ２２３を備える。前記弁物質としては、常温で固体状態である相転移物質の分散媒に発熱粒子が分散されている材料を使用できる。前記固体状態の前記弁プラグ２２３が配置されている初期状態の位置に隣接した前記チャンネル２２１の上流及び下流には、その幅または深さが拡張されて余裕空間を提供する一対のチャンネル拡張部２２２が配置される。
【００３５】
前記弁プラグ２２３は、常温で開口部２２３Ａを中心としてチャンネル２２１の所定部分を完全に遮断して、入口Ｉ側から流入される流体サンプルＬの流れを遮断する。前記弁プラグ２２３は、高温で溶融されて前記チャンネル２２１の上流側、下流側に流れ、隣接して配置されたチャンネル拡張部２２２に移動して、流体サンプルＬの流路を開放した状態で再度凝固（２２３’参考）する。前記開口部２２３Ａは、微細流動装置の製作時に溶融された弁物質を投入して弁プラグ２２３を形成する注入口の役割も行う。
【００３６】
前記弁プラグ２２３を加熱するために、前記微細流動装置２０の外部には外部エネルギー源３０、３０’、３０’’が配置され、前記外部エネルギー源３０、３０’、３０’’が前記弁プラグ２２３の初期状態（チャンネル２２１が閉鎖状態）の位置、すなわち前記開口部２２３Ａとその周辺とを含む領域に電磁波を照射する。この時、前記外部エネルギー源３０、３０’、３０’’は、例えば、レーザービームを照射するレーザー光源であり、その場合、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えうる。前記レーザー光源は、パルスレーザーを照射する場合、１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上のエネルギーを有するパルスレーザーを照射し、連続波動レーザーを照射する場合、１０ｍＷ以上の出力を有する連続波動レーザーを照射することができる。
【００３７】
後ほど図９ないし図１２で示される実験を参照ると、８０８ｎｍ波長のレーザーを照射するレーザー光源を使用したが、必ずしもこの波長のレーザービームを照射することに限定されるものではなく、４００〜１３００ｎｍの波長を有するレーザーを照射するレーザー光源であれば、前記微細流動システムの外部エネルギー源３０、３０’、３０’’として採用されうる。
【００３８】
前述のチャンネル２２１は、回転体をなす上板２１２または下板２１１の内面に形成された立体パターンによって提供されうる。前記上板２１２は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波が前記弁プラグ２２３に入射できるように透過させ、外部で流体サンプルＬを観測可能にする光学的に透明な材料から作られるものが望ましい。その例として、ガラスまたは透明プラスチック素材は、光学的透明性に優れ、かつ製造コストが安いという面で有利である。
【００３９】
前記チャンネル２２１と一対のチャンネル拡張部２２２とは、互いに接合された上板２１２及び下板２１１を含んでなる回転体２１に形成されうる。上板２１２と下板２１１との接合方法は、接着剤や両面接着テープを利用してもよく、超音波溶着を利用してもよい。具体的に、前記下板２１１に前記チャンネル２２１及び一対のチャンネル拡張部２２２が陰刻パターンで形成され、前記上板２１２には、前記チャンネル２２１中で前記一対のチャンネル拡張部２２２の間に弁物質を注入するための開口部２２３Ａが形成されている。前記チャンネル２２１は、幅が約１ｍｍ、深さが約０．１ｍｍ程度の微細チャンネルである。前記チャンネル拡張部２２２は、約３ｍｍ程度の深さを有するように形成されうる。
【００４０】
前記弁プラグ２２３に分散された発熱粒子は、数千μｍの幅を有するチャンネル２２１内で自由に流動可能な１ｎｍ〜１００μｍの直径を有するものでありうる。前記発熱粒子は、レーザーが照射されれば、その放射エネルギーにより温度が急激に上昇して発熱する性質を有し、ワックスに均一に分散される性質を有する。このような性質を有するために、前記発熱粒子は、金属成分を含むコアと疏水性を帯びたシェルとを含む構造を有しうる。例えば、前記発熱粒子は、強磁性物質であるＦｅからなるコアと、前記Ｆｅに結合されてＦｅを取り囲む複数の界面活性成分からなるシェルとを備えた構造を有しうる。一般的に、前記発熱粒子は、キャリアオイルに分散された状態で保管される。疏水性表面構造を有する前記発熱粒子を均一に分散させるために、キャリアオイルも疏水性であることが望ましい。ワックスに前記発熱粒子が分散されたキャリアオイルを入れて混合することによって、前記弁プラグ２２３の素材を製造できる。前記発熱粒子の粒子形態は、前記例として挙げた形態に限定されるものではなく、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、または磁性ビーズであってもよい。前記炭素粒子には、黒鉛粒子も含まれる。
【００４１】
前記弁物質をなす相転移物質は、ワックスでありうる。前記発熱粒子が吸収した電磁波のエネルギーを熱エネルギーの形態で周囲に伝達すれば、ワックスは、これによって溶融されて流動性を有するようになり、その結果、弁プラグ２２３が崩壊し、流体サンプルＬの流路が開放される。前記弁プラグ２２３を構成するワックスは、適当な融点を有することが望ましい。融点があまりにも高ければ、レーザー照射を始めてから溶融されるまで時間が長くかかってしまい、開放時点の精密な制御が困難になり、一方、融点があまりにも低ければ、レーザーが照射されていない状態でも部分的に溶融されてしまい、流体サンプルＬが漏出することもあるためである。前記ワックスとしては、例えばパラフィンワックス、微晶質ワックス、合成ワックス、または天然ワックスなどが採用されうる。
【００４２】
一方、前記相転移物質は、ゲルまたは熱可塑性樹脂であることもある。前記ゲルとしては、ポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、またはポリビニルアミドなどが採用されうる。また、前記熱可塑性樹脂として、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｉｃ ｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＰＳ（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）、ＰＯＭ（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＦＡ（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙ）、ＰＶＣ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ＰＡ（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ）、ＰＳＵ（ｐｏｌｙｓｕｌｆｏｎｅ）、またはＰＶＤＦ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ）などが採用されうる。
【００４３】
図７は、熱活性ユニットの他の例である閉弁の実施形態を示す平面図であり、図８は、前記図７に示す閉弁の断面図である。
【００４４】
前記弁ユニットの他の一例である閉弁２３２は、入口Ｉと出口Ｏを有するチャンネル２２４と、前記チャンネル２２４の中間に連結された弁チャンバー２２５と、初期状態は、前記弁チャンバー２２５内に常温で固体状態として充填され、加熱されれば、溶融及び膨脹され、前記チャンネル２２４に流入し、再度凝固し、前記チャンネル２２４を介した流体の流れを遮断する弁物質Ｖとを備える。ここで、前記閉弁２３２は、前述の微細流動装置２０の微細流動構造物２２をなす基礎ユニットの一つであって、前記入口Ｉと出口Ｏとは、互いに異なる基礎ユニットにそれぞれ連結され、前記チャンネル２２４は、前記ユニットの間で流体サンプルＬを移動可能にするチャンネルの役割を行う。
【００４５】
前記閉弁２３２の構造物も前述の開弁２３１と同様に、微細流動装置２０の回転体２１をなす上板２１２または下板２１１の内面に形成された立体パターンによって提供されうる。但し、前記弁チャンバー２２５は、前記チャンネル２２１の深さより深く、前記開弁２３１のチャンネル拡張部２２２より浅い深さ、例えば１ｍｍ程度の深さを有するように形成されうる。前記上板２１２は、外部エネルギー源（図示せず）から照射される電磁波を透過させ、外部で流体サンプルＬを観測できるようにする光学的に透明な材料で作られたものが望ましい。さらに、前記上板２１２は、前記電磁波（例えば、レーザービーム）を前記弁プラグにさらに容易に入射させるために、前記弁チャンバー２２５に対応する開口部２２５Ａを有してもよい。前記開口部２２５Ａは、微細流動装置２０の製作時に溶融された弁物質を投入する注入口の役割も行う。
【００４６】
前記弁物質Ｖをなす相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍに関する事項は、開弁２３１の例を通じて説明した通りである。また、前記弁物質Ｖに電磁波を提供する外部エネルギー源３０、３０’、３０’’に関する事項も、前述と同様である。分散媒である相転移物質Ｐと発熱粒子Ｍとを含む弁物質Ｖにレーザービームが照射されれば、前記発熱粒子Ｍがエネルギーを吸収して前記相転移物質Ｐを加熱させる。これによって、前記弁物質Ｖは、溶融され体積が膨脹し、連結されたチャンネル２２６を介して前記チャンネル２２４に流入する。前記チャンネル２２４内で流体サンプルＬと接触し、さらに凝固された弁物質Ｖは、弁プラグをなし、前記チャンネル２２４を介した流体サンプルＬの流れを遮断する。
【００４７】
前述の弁ユニットの反応時間を測定した実験結果は、次の通りである。実験のためのテストチップにおいて作動流体の圧力は４６ｋＰａに維持した。圧力維持のために、シリンジポンプ（Ｈａｖａｒｄ ＰＨＤ２０００、ＵＳＡ）と圧力センサー（ＭＰＸ ５５００ＤＰ、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｃ．、ＡＺ、ＵＳＡ）を使用した。前記弁ユニットに電磁波を照射する外部エネルギー源としては、放出波長が８０８ｎｍであり、出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。弁ユニットの反応時間に関するデータは、高速撮影装置（Ｆａｓｔｃａｍ−１０２４、Ｐｈｏｔｒｏｎ、ＣＡ、ＵＳＡ）の結果物分析を通じて得た。前記弁物質としては、発熱粒子である平均直径１０ｎｍの磁性ビーズがキャリアオイルに分散された、いわゆる磁性流体とパラフィンワックスとが１：１の割合で混合された、すなわち磁性流体の体積比が５０％である磁性ワックスを使用した。
【００４８】
図９は、前記開弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。前記開弁の弁プラグにレーザービームを照射してから、前記弁プラグが溶融されてチャンネルが開放されるまでの反応時間は、０．０１２秒であった。
【００４９】
図１０は、前記閉弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。前記閉弁の弁物質にレーザービームを照射してから、前記弁物質が溶融及び膨脹し、チャンネルを閉じるまでの反応時間は、０．４４４秒であった。従来のワックス弁の反応時間が２〜１０秒であった点と比較すると、はるかに速い反応時間であることが分かる。
【００５０】
図１１は、前記開弁で弁プラグに含まれる磁性流体の体積比と弁の反応時間との関係を示すグラフである。図１１を参照すれば、磁性流体の体積比が大きくなるにつれて、反応時間が短くなる推移を示す。しかし、磁性流体の体積比が０．７（７０％）以上大きくなれば、弁プラグの最大許容圧力が低くなる傾向がある。したがって、前記弁ユニットで弁物質に含まれる磁性流体の体積比は、反応時間に対する要求と最大許容圧力に対する要求との折衝によって決定される。
【００５１】
図１２は、前記開弁で外部エネルギー源として使われるレーザー光源の出力と弁の反応時間との関係を示すグラフである。出力が増大するほど反応時間が短くなる推移を示す。しかし、レーザー光源の出力が１．５Ｗに近接すれば、反応時間の変化が緩やかになり、（グラフに示していないが）１．５Ｗを超えれば、所定の最小反応に収束する。パラフィンワックスを通した熱伝導率の制約があるためである。前記実験では、このような理由で出力が１．５Ｗであるレーザー光源を使用した。しかし、本発明の外部エネルギー源がこれに限定されるものではない。
【００５２】
図１３は、熱活性ユニットのさらに他の例である加熱ユニットの実施形態を示す平面図である。本発明による微細流動装置２０は、熱活性ユニット２３のさらに他の例であって加熱ユニット２３３を備えることができる。ここで、加熱ユニット２３３とは、サンプル溶液Ｌを加熱して部分的または全体的に温度を高くする機能を含むユニットを意味する。ここには、流体サンプルＬと他物質との反応を促進させたり、流体サンプルＬに含まれた細胞を培養したり、細胞を溶解して核酸を抽出したり、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）サイクルを適用して核酸を増幅したりする多様な機能を行うユニットが含まれうる。
【００５３】
このような加熱ユニット２３３は、前記微細流動装置２０の回転体内に設けられた加熱チャンバー２２７を備える。前記加熱チャンバー２２７は、その入口Ｉ側が前記チャンバー２２７より回転体２１の中心から近い距離に配置された他の基礎ユニット（図示せず）と連結される。一方、その出口Ｏ側には、前述の開弁の弁プラグ２２３が設けられることもある。これを通じて、前記チャンバー２２７内に流体サンプルＬを収容することができる。前記加熱チャンバー２２７内には、発熱粒子Ｍを備える。前記発熱粒子Ｍは、前記微細流動装置２０の外部に設けられた外部エネルギー源３０、３０’、３０’’から照射される電磁波を吸収して、これを熱エネルギーの形態でその表面を通じて周囲に伝達する。
【００５４】
この場合、前記発熱粒子Ｍは、前述の弁ユニットでの場合と同様に、電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとを含む形態を有しうる。前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなりうる。さらに具体的には、強磁性体を帯びるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒの金属及びそれらの酸化物からなる群から選択される１つ以上の物質を含みうる。前記発熱粒子Ｍが強磁性物質を含めば、前記加熱ユニット２３３の機能が完遂した後に、サンプルＬから前記発熱粒子Ｍを分離するのが容易である。磁石を利用してこれらを集めることができるからである。一方、前記シェルは、前記加熱ユニット２３３の細部的な用途によって異なる特性を有する。前記シェルの表面は、親水性でありうる。この場合、大部分の流体サンプルＬが親水性溶液であるため、前記発熱粒子ＭをサンプルＬに均一に分散させるのに有利である。また、前記シェルの表面は、特定の生体分子が付着できるように改質されうる。このような発熱粒子Ｍを利用して、サンプルＬから特定生体分子を分離することも可能であり、このように分離された生体分子を培養したり破壊したりする特殊な機能を行えるからである。
【００５５】
以下では、前述した本発明の微細流動システムを効果的に駆動する方法について例を挙げて説明する。以下の駆動方法は、前述の微細流動システムの多様な実施形態に適用されうる。
【００５６】
まず、微細流動装置が微細流動システムの回転駆動部に設置され、前記微細流動システムは、該当微細流動装置に含まれる少なくとも一つの熱活性ユニットの位置情報を取得する。位置情報を取得する方法としては、多様な方法が適用されうる。例えば、微細流動システムの情報保存部に使われる微細流動装置のユニット配置に関する情報を予め保存し、回転駆動部に載置された微細流動装置が認識されれば、該当微細流動装置に対するユニット配置情報をロードしてシステム駆動に活用することができる。この場合、微細流動システムは、任意の時点で載置された微細流動装置の基準点位置を把握するだけで、以後の動作のための情報も取得できる。他の例として、微細流動装置の各熱活性ユニットまたはそれと一対一に対応する位置に識別符号を付与し、微細流動システムが前記識別符号を認識して、各熱活性化ユニットに関する位置情報を取得するようにしてもよい。
【００５７】
次に、取得した位置情報を利用して選択されたいずれか一つの熱活性化ユニットに向かって外部エネルギー源を照準する。前記外部エネルギー源照準段階は、照準開始時点を基準として、前記微細流動装置上で前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源の電磁波を照射している地点との偏差Δ（ｒ，θ）を検出し、前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波の照射地点を前記偏差Δに基づいて調整することができる。一例として、前記外部エネルギー源調整手段が電磁波の照射地点を１次元的に移動させる場合には、前記回転駆動部を利用して前記回転体をΔθほど定域回転させ、前記外部エネルギー源調整部を利用して、前記電磁波の照射地点を前記回転体の半径方向にΔｒほど移動させることができる。ここでは、微細流動システムが極座標系を利用することを例に挙げたが、本発明の駆動方法がこれに限定されるものではなく、前記外部エネルギー源調整手段の機構的構成によって直交座標系（ｘ、ｙ）を利用してもよいということは言うまでもない。一方、外部エネルギー源の標的となる熱活性化ユニットに対する選択は、その時のユーザの入力によって行われてもよく、予め入力されたプログラムによって行われてもよい。特に、微細流動装置に複数の熱活性化ユニットが含まれており、これらが順次に動作する場合にプログラムによる制御が有利である。
【００５８】
次に、照準された熱活性ユニットに電磁波を照射して前記熱活性ユニットを活性化する。この時、微細流動システムは、電磁波（例えば、レーザービーム）を照射しながら、回転駆動部を利用して前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによってさせて、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝達することができる。これと類似した例として、微細流動システムは、前記外部エネルギー源調整部を利用して電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すことで、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝達することができる。添付された図面を参照して説明すれば、次の通りである。
【００５９】
図１４及び図１６は、本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す。まず、図１４は、一つの熱活性ユニット２３を個別的に活性化する動作の例を示す。外部エネルギー源３０が微細流動装置に向かうように設置され、半径方向に直線移動する場合を示すものである。一つの熱活性ユニット２３が選択された場合、外部エネルギー源３０を照準し始める現時点での前記熱活性ユニット２３の位置と、現時点の外部エネルギー源３０の位置との極座標上の偏差Δ（ｒ，θ）を求める。そして、回転駆動部を利用して、前記回転体２１をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整手段（図示せず）を利用して、前記外部エネルギー源３０を前記回転体２１の半径方向にΔｒ移動させることができる。
【００６０】
図１５は、微細流動装置内で回転中心から同じ距離に配置された複数の熱活性ユニット２３を同時に活性化する動作の例を示す。同様に、外部エネルギー源３０が微細流動装置に向かうように設置され、半径方向に直線移動する場合を示すものである。微細流動システムは、外部エネルギー源３０を照準し始める現時点での前記複数の熱活性ユニット２３が配置された位置の半径と前記外部エネルギー源３０の位置との偏差Δｒを求め、外部エネルギー源調整手段を利用して、前記外部エネルギー源３０をΔｒ移動させた後、回転駆動部を利用して、回転体２１を回転させると同時に電磁波を照射することができる。
【００６１】
図１６は、一つの熱活性ユニット２３を個別的に活性化する動作の他の例を示す。外部エネルギー源３０’’が微細流動装置に向かうように設置されて、微細流動装置２０の回転体２１に平行な平面上で移動する場合を示すものである。一つの熱活性ユニット２３が選択された場合、外部エネルギー源３０’’を照準し始める現時点における前記熱活性ユニット２３の位置と、現在外部エネルギー源３０’’の位置との直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）を求める。そして、外部エネルギー源調整手段（図示せず）を利用して、前記外部エネルギー源３０’’をｘ軸方向にΔｘ直線移動させ、ｙ軸方向にΔｙ直線移動させることができる。
【００６２】
図１７は、本発明による複数の熱活性ユニットを備えた微細流動装置の実施形態を示す平面図である。本実施形態による微細流動装置２０は、回転体２１上に対称的に配置された複数の微細流動構造物２２を備える。前記微細流動構造物２２は、上流側、すなわち回転体２１の回転中心から近い方向に配置された三つのサンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄと、回転中心から遠い方向に配置された三つの反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃと、これらの間に配置された混合チャンバー２２８Ｍとを備える。前記混合チャンバー２２８Ｍは、前記サンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄ及び反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃとそれぞれチャンネルを介して連結されており、各チャンネルの中間には、熱活性ユニットの一種として流体の流れを制御できる弁ユニット２３１Ａ、２３１Ｂ、２３１Ｃ、２３１Ｄ、２３１Ｅ、２３１Ｆ、２３２Ｃが配置されている。前記弁ユニットのうち２３２Ｃは、閉弁であり、残りは開弁である。前記サンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂ、２２８Ｄには、それぞれサンプルＡ、Ｂ、Ｄが保存されており、前記反応チャンバー２２８Ｅ、２２８Ｆ、２２８Ｃには、前記サンプルと所定の反応を起こしうる反応物質Ｅ、Ｆ、Ｃがそれぞれ配されている。前記反応物質は、液体状態で配されてもよく、固体表面に固定されるなど、多様な形態に配されてもよい。
【００６３】
図１８は、前記図１７の微細流動装置を備える微細流動システムの駆動例を示す。本実施形態による微細流動システムは、予めプログラムされたところによって駆動できる。４個のサブ図面は、前記微細流動装置の操作遂行過程を示し、各サブ図面の左上に示された数字は、該当弁の作動順序を示す。まず、サンプルＡ、Ｂが保存されたサンプルチャンバー２２８Ａ、２２８Ｂと連結された開弁２３１Ａ、２３１Ｂを作動させ、前記二つのサンプルを移送して混合チャンバー２２８ＭでサンプルＡ、Ｂを混合する。次に、反応チャンバーＣ ２２８Ｃと連結された開弁２３１Ｃを作動させ、サンプルＡ、Ｂの混合液の一部を移送して反応物質Ｃと反応させた後、やはり反応チャンバーＣ ２２８Ｃと連結された閉弁２３２Ｃを閉じる。その後、サンプルＤが保存されたチャンバー２２８Ｄと連結された開弁２３１Ｄを開放し、前記サンプルＤを混合チャンバー２２８Ｍに移送して残っていたサンプルＡ、Ｂの混合液とさらに混合する。その後、反応チャンバーＥ ２２８Ｅと、チャンバーＦ ２２８Ｆとがそれぞれ連結された開弁２３１Ｅ、２３１Ｆを作動させ、サンプルＡ、Ｂ、Ｄの混合液を移送する。これにより、反応チャンバーＣ ２２８Ｃでは、サンプルＡ、Ｂと反応物質Ｃとの反応が行われ、反応チャンバーＥ ２２８Ｅでは、サンプルＡ、Ｂ、Ｄと反応物質Ｅとの反応が行われ、反応チャンバーＦ ２２８Ｆでは、サンプルＡ、Ｂ、Ｄと反応物質Ｆとの反応が行われうる。
【００６４】
図１８の実施形態は、本発明による微細流動装置と微細流動システムを利用して、数段階からなる生物学的または化学的反応を効果的に行うことができることを示す例である。各過程において各弁ユニットの作動などを含む微細流動システムの具体的な駆動は、前述の方法によって行われうる。
【００６５】
以上、本発明による望ましい実施形態が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の保護範囲は、特許請求の範囲により決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、生化学的反応関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による微細流動システムの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明による微細流動システムの第２実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明による微細流動システムの第３実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明による微細流動システムの第４実施形態を示す斜視図である。
【図５】熱活性ユニットの一例である開弁の実施形態を示す平面図である。
【図６Ａ】図５に示す開弁の初期状態を示す断面図である。
【図６Ｂ】図５に示す開弁の開放状態を示す断面図である。
【図７】熱活性ユニットの他の例である閉弁の実施形態を示す平面図である。
【図８】図７に示す閉弁の断面図である。
【図９】開弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。
【図１０】閉弁の作動の様子を示す一連の高速撮影写真である。
【図１１】開弁において弁プラグに含まれた磁性流体の体積比と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１２】開弁において外部エネルギー源として使われたレーザー光源の出力と弁反応時間との関係を示すグラフである。
【図１３】熱活性ユニットのさらに他の例である加熱チャンバーの実施形態を示す平面図である。
【図１４】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１５】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１６】本発明による微細流動システムにおいて熱活性ユニットの配置による外部エネルギー源の位置制御方法を示す図である。
【図１７】本発明による複数の熱活性ユニットを備えた微細流動装置の実施形態を示す平面図である。
【図１８】図１７の微細流動装置を備える微細流動システムの駆動例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
２０ 微細流動装置、
２１ 回転体、
２２ 微細流動構造物、
２３ 熱活性ユニット、
３０、３０’、３０’’ 外部エネルギー源、
３３ 反射鏡、
４０ 回転駆動部、
５０ 光学的検出装置、
１０１、１０２、１０３、１０４ 微細流動システム、
２１１ 下板、
２１２ 上板、
２２１、２２４、２２６、 チャンネル、
２２２ チャンネル拡張部、
２２３ 弁プラグ、
２２５ 弁チャンバー、
２２７ 加熱チャンバー、
２３１ 開弁、
２３２ 閉弁、
２３３ 加熱ユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
微細流動構造物と、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
前記回転体の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、
前記回転体の遠心力によって前記基礎ユニットに連結しているチャンネルに沿って流体サンプルを移動させ、
温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニットを備え、
前記熱活性ユニットの内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子を備えることを特徴とする遠心力基盤の微細流動装置。
【請求項２】
前記熱活性ユニットは、
常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、
前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項３】
前記弁ユニットは、
前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、
前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、
前記弁プラグが熱によって溶融し、前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁であることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項４】
前記弁ユニットは、
前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、
前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項５】
前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項６】
前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項７】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項８】
前記発熱粒子は、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項９】
前記発熱粒子は、金属成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１０】
前記熱活性ユニットは、
複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から照射される電磁波を吸収し、前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１１】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１２】
前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなることを特徴とする請求項１１に記載の微細流動装置。
【請求項１３】
前記シェルは、表面改質され、
表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができることを特徴とする請求項１１に記載の微細流動装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の微細流動装置と、
前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、
前記微細流動装置内の発熱粒子の発熱を誘導できる波長帯の電磁波を照射する外部エネルギー源と、
前記外部エネルギー源から電磁波を前記回転体上の所望の領域に照射させるように、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整する外部エネルギー源調整手段と、
を備える微細流動システム。
【請求項１５】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモータを備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１６】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体の半径方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１７】
前記外部エネルギー源調整手段は、
固定された前記外部エネルギー源から照射された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡と、
前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１８】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体に平行な平面上を直交座標系の２方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１９】
前記請求項１に記載の微細流動装置に備えられている前記熱活性ユニットは、
常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、
前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２０】
前記弁ユニットは、
前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、
前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、
前記弁プラグが熱によって溶融し、前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁であることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２１】
前記弁ユニットは、
前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、
前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２２】
前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２３】
前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２４】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２５】
前記発熱粒子は、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２６】
前記発熱粒子は、金属成分を含むことを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２７】
前記請求項１に記載の微細流動装置に備えられている前記熱活性ユニットは、
複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から照射される電磁波を吸収し、前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２８】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項２７に記載の微細流動システム。
【請求項２９】
前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなることを特徴とする請求項２８に記載の微細流動システム。
【請求項３０】
前記シェルは、表面改質され、表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができることを特徴とする請求項２８に記載の微細流動システム。
【請求項３１】
前記外部エネルギー源は、レーザー光源を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項３２】
前記レーザー光源は、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３３】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上、かつ、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子が変成しない程度のエネルギーを有するパルスレーザーであることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３４】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１４ｍＷ以上の出力を有し、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子を変成させない程度の出力を有する連続波動レーザーであることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３５】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、４００ないし１３００ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３６】
請求項１４ないし請求項３５のうちいずれか一項に記載の微細流動システムを駆動する方法において、
前記回転駆動部に載置された前記微細流動装置に備えられる少なくとも一つの前記熱活性ユニットのそれぞれの位置情報を取得する段階と、
取得された前記位置情報を利用して選択されたいずれか一つの前記熱活性ユニットに向かって、前記外部エネルギー源を照射する段階と、
前記外部エネルギー源から電磁波を照射して、選択された前記熱活性ユニットを活性化する段階と、
を含む微細流動システムの駆動方法。
【請求項３７】
前記外部エネルギー源を照射する段階は、
前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源から電磁波が照射される地点との偏差Δ（ｒ，θ）またはΔ（ｘ，ｙ）を検出する段階と、
前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波が照射される地点を前記偏差Δに基づいて調整する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項３８】
前記回転駆動部を利用して、前記回転体をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向にΔｒ移動させることを特徴とする請求項３７に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項３９】
前記微細流動装置が停止した状態で前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）移動させることを特徴とする請求項３７に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項４０】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記回転駆動部は、前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項４１】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記外部エネルギー源調整部は、電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項１】
回転体と、
微細流動構造物と、
を備える微細流動装置であって、
前記微細流動構造物は、
前記回転体に配置され、
前記回転体の中心からの距離が互いに異なる二つ以上の基礎ユニットを備え、
前記回転体の遠心力によって前記基礎ユニットに連結しているチャンネルに沿って流体サンプルを移動させ、
温度変化を起こさせるための少なくとも一つの熱活性ユニットを備え、
前記熱活性ユニットの内部には、外部から照射される電磁波を吸収して周囲に熱エネルギーを放出する発熱粒子を備えることを特徴とする遠心力基盤の微細流動装置。
【請求項２】
前記熱活性ユニットは、
常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、
前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項３】
前記弁ユニットは、
前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、
前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、
前記弁プラグが熱によって溶融し、前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁であることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項４】
前記弁ユニットは、
前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、
前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項５】
前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項２に記載の微細流動装置。
【請求項６】
前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項７】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項８】
前記発熱粒子は、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項９】
前記発熱粒子は、金属成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１０】
前記熱活性ユニットは、
複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から照射される電磁波を吸収し、前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであることを特徴とする請求項１に記載の微細流動装置。
【請求項１１】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１０に記載の微細流動装置。
【請求項１２】
前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなることを特徴とする請求項１１に記載の微細流動装置。
【請求項１３】
前記シェルは、表面改質され、
表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができることを特徴とする請求項１１に記載の微細流動装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の微細流動装置と、
前記微細流動装置の回転体を駆動する回転駆動部と、
前記微細流動装置内の発熱粒子の発熱を誘導できる波長帯の電磁波を照射する外部エネルギー源と、
前記外部エネルギー源から電磁波を前記回転体上の所望の領域に照射させるように、前記外部エネルギー源の位置または方向を調整する外部エネルギー源調整手段と、
を備える微細流動システム。
【請求項１５】
前記回転駆動部は、前記回転体を定速または定域回転させるモータを備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１６】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体の半径方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１７】
前記外部エネルギー源調整手段は、
固定された前記外部エネルギー源から照射された電磁波を反射させる少なくとも一つの反射鏡と、
前記反射鏡の角度を調節して電磁波の経路を変更する反射鏡運動部と、
を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１８】
前記外部エネルギー源調整手段は、前記回転体に向かって設置された前記外部エネルギー源を、前記回転体に平行な平面上を直交座標系の２方向に移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項１９】
前記請求項１に記載の微細流動装置に備えられている前記熱活性ユニットは、
常温で固体状態である相転移物質の分散媒に前記発熱粒子が分散された弁物質を含み、
前記弁物質が熱によって溶融され、前記弁物質が移動することによって、前記チャンネルを開閉する弁ユニットであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２０】
前記弁ユニットは、
前記弁物質からなる弁プラグと、前記弁プラグに隣接して形成された余裕空間と、を備え、
前記弁プラグが前記チャンネル内に配置され、前記チャンネルが閉じた状態にある時に、
前記弁プラグが熱によって溶融し、前記余裕空間に溶融した前記弁プラグが移動し、前記チャンネルを開放する開弁であることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２１】
前記弁ユニットは、
前記チャンネルと連結した弁チャンバーに前記弁物質を配置し、前記チャンネルが開放された状態である時に、
前記弁物質が熱によって溶融及び膨脹し、前記チャンネルに流入し、前記チャンネルを閉じる閉弁であることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２２】
前記相転移物質の分散媒は、ワックス、ゲル、熱可塑性樹脂からなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１９に記載の微細流動システム。
【請求項２３】
前記発熱粒子は、直径が１ｎｍ〜１００μｍであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２４】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２５】
前記発熱粒子は、重合体ビーズ、量子ドット、金ナノ粒子、銀ナノ粒子、金属化合物ビーズ、炭素粒子、及び磁性ビーズからなる群から選択された少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２６】
前記発熱粒子は、金属成分を含むことを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２７】
前記請求項１に記載の微細流動装置に備えられている前記熱活性ユニットは、
複数の発熱粒子が分散された流体サンプルを収容し、前記発熱粒子が外部から照射される電磁波を吸収し、前記流体サンプルを加熱する加熱ユニットであることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項２８】
前記発熱粒子は、外部から照射される電磁波を吸収して熱エネルギーに変換するコアと前記コアを取り囲むシェルとからなることを特徴とする請求項２７に記載の微細流動システム。
【請求項２９】
前記コアは、強磁性を帯びた金属または金属酸化物からなることを特徴とする請求項２８に記載の微細流動システム。
【請求項３０】
前記シェルは、表面改質され、表面改質された前記シェルの表面に特定の生体分子を付着させることができることを特徴とする請求項２８に記載の微細流動システム。
【請求項３１】
前記外部エネルギー源は、レーザー光源を備えることを特徴とする請求項１４に記載の微細流動システム。
【請求項３２】
前記レーザー光源は、少なくとも一つのレーザーダイオードを備えることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３３】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１ｍＪ／ｐｕｌｓｅ以上、かつ、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子が変成しない程度のエネルギーを有するパルスレーザーであることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３４】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、少なくとも１４ｍＷ以上の出力を有し、前記微細流動装置の構造物及び前記発熱粒子を変成させない程度の出力を有する連続波動レーザーであることを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３５】
前記レーザー光源から照射されるレーザーは、４００ないし１３００ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項３１に記載の微細流動システム。
【請求項３６】
請求項１４ないし請求項３５のうちいずれか一項に記載の微細流動システムを駆動する方法において、
前記回転駆動部に載置された前記微細流動装置に備えられる少なくとも一つの前記熱活性ユニットのそれぞれの位置情報を取得する段階と、
取得された前記位置情報を利用して選択されたいずれか一つの前記熱活性ユニットに向かって、前記外部エネルギー源を照射する段階と、
前記外部エネルギー源から電磁波を照射して、選択された前記熱活性ユニットを活性化する段階と、
を含む微細流動システムの駆動方法。
【請求項３７】
前記外部エネルギー源を照射する段階は、
前記選択された熱活性ユニットの位置と前記外部エネルギー源から電磁波が照射される地点との偏差Δ（ｒ，θ）またはΔ（ｘ，ｙ）を検出する段階と、
前記回転駆動部及び前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波が照射される地点を前記偏差Δに基づいて調整する段階と、
を含むことを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項３８】
前記回転駆動部を利用して、前記回転体をΔθ定域回転させ、前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向にΔｒ移動させることを特徴とする請求項３７に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項３９】
前記微細流動装置が停止した状態で前記外部エネルギー源調整手段を利用して、前記電磁波を照射する地点に前記外部エネルギー源を直交座標系上の偏差Δ（ｘ，ｙ）移動させることを特徴とする請求項３７に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項４０】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記回転駆動部は、前記回転体を一定の角度範囲で正回転と逆回転を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【請求項４１】
前記熱活性化ユニットを活性化する段階中に、前記外部エネルギー源調整部は、電磁波を照射する地点で前記外部エネルギー源を前記回転体の半径方向に一定の距離進退移動を繰り返すことによって、前記熱活性化ユニットに放射エネルギーを均一に伝えることを特徴とする請求項３６に記載の微細流動システムの駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−６２２３２（Ｐ２００８−６２２３２Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２８４２６（Ｐ２００７−２２８４２６）
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月４日（２００７．９．４）
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]