KR20050104348A - Microfluidic devices for fluid manipulation and analysis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 일반적으로 마이크로유체식 장치(microfluidic devices)와 분석 방법에 관한 것으로서, 특히 유체 샘플의 촉진(manipulation) 및 분석을 위한 방법에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention generally relates to microfluidic devices and analytical methods, and more particularly to methods for manipulation and analysis of fluid samples.
마이크로유체식 장치는 최근에 분석 테스트를 수행하기 위하여 널리 사용되고 있다. 전자부품을 최소하기 위한 반도체 산업에 의하여 발전되는 공구를 사용함으로써, 값이 싸게 대량 생산될 수 있는 복잡한 유체 시스템을 제조하는 것이 가능하게 된다. 정보를 수집 및 처리하기 위한 다양한 분석기술을 수행하기 위한 시스템이 발전되어져 왔다.Microfluidic devices have recently been widely used for performing analytical tests. By using tools developed by the semiconductor industry to minimize electronic components, it becomes possible to manufacture complex fluid systems that can be mass produced at low cost. Systems have been developed to perform a variety of analytical techniques for collecting and processing information.
마이크로유체식으로 분석을 수행하기 위한 능력은 출력, 시약 소비 및 자동화의 기본적인 장점을 제공한다. 마이크로유체식 시스템의 다른 장점은 분석 및/또는 통합을 위한 시약의 처리를 수행하기 위한 단일의 "랩-온-어-칩(lap-on-a-chip)"에서 다수의 서로 다른 작동을 통합하기 위한 능력이다. The ability to perform the assay microfluidically offers the fundamental advantages of power, reagent consumption and automation. Another advantage of microfluidic systems is the integration of multiple different operations in a single "lap-on-a-chip" for performing treatment of reagents for analysis and / or integration. Ability to do so.
마이크로유체식 장치는 다중층으로 적층된 구조로 구성되는데, 여기에서 각각의 층은 유체가 흐르는 마이크로스케일(microscale)의 보이드(void) 및 채널을 형성하기 위하여 적층 재료로 부터 제조되는 채널 및 구조체를 가진다. 마이크로스케일 또는 마이크로유체식의 채널은 500㎛이하, 통상적으로는 약 0.1 ㎛ 내지 약 500㎛의 적어도 하나의 내부 단면적 크기를 가지는 유체 통로로서 일반적으로 형성된다. Microfluidic devices consist of a multi-layer stacked structure, where each layer is comprised of channels and structures fabricated from the laminated material to form microscale voids and channels through which the fluid flows. Have Microscale or microfluidic channels are generally formed as fluid passageways having at least one internal cross-sectional size of no greater than 500 μm, typically from about 0.1 μm to about 500 μm.
본원에서 참조로 전체가 합체되는 있는 미국 특허 제 5,716,852 호는 마이크로유체식 장치의 일 예이이다. 상기 '852 특허는 인디케이터 스트림(indicator stream) 및 샘플 스트림을 제공하는 적어도 2개의 입력 채널을 구비하는 라미너 흐름 채널(laminar flow channel)을 사용하는 샘플 스트립에서 분석 입자의 존재를 검출하기 위한 마이크로유체식 시스템을 기재하고 있는데, 여기에서 상기 라미너 흐름 채널은 스트림의 라미너 흐름을 허용하기 위하여 충분히 작은 깊이와, 검출 영역을 형성하기 위하여 인디케이터 스트림내로 분석의 입자 확산을 허용하기에 충분히 길이를 가지며, 단일의 혼합된 스트림을 형성하기 위하여 채널의 바깥쪽으로 있는 출구를 가진다. T-센서로 알려진 상기 장치는 확산과 다른 혼합이 없이 채널내에서 서로에 인접된 서로 다른 유체층의 운동을 허용한다. 전체 혈액과 같은 샘플 스트림과, 인디케이터 용액(indicator solution)과 같은 리셉터(receptor) 스트림 및, 공지된 분석 스탠다드로 공지될 수 있는 기준 스트림은 상기 T-센서내의 공통의 마이크로유체식 채널내로 도입되고, 상기 스트림은 이들이 채널을 빠져나갈때 까지 서로에 인접되게 흐른다. 이온 또는 작은 단백질(protein)과 같은 보다 작은 입자는 유체 경계를 가로질러서 빠르게 확산하는 반면에, 보다 큰 입자는 보다 느리게 확산된다. 혈액 세포와 같은 큰 입자는 2개의 흐름 스트림이 접촉하는 시간내에서 중요한 확산을 나타내지 않고 있다. US Pat. No. 5,716,852, which is incorporated herein by reference in its entirety, is one example of a microfluidic device. The '852 patent discloses a microfluid for detecting the presence of analyte particles in a sample strip using a laminar flow channel having at least two input channels providing an indicator stream and a sample stream. A formula system is described, wherein the lamina flow channel is small enough to allow lamina flow of the stream and is long enough to allow particle diffusion of the assay into the indicator stream to form a detection zone. It has an outlet outside of the channel to form a single mixed stream. The device, known as a T-sensor, allows the movement of different fluid layers adjacent to each other in the channel without diffusion and other mixing. A sample stream, such as whole blood, a receptor stream, such as an indicator solution, and a reference stream, known as a known analytical standard, are introduced into a common microfluidic channel in the T-sensor, The streams flow adjacent to each other until they exit the channel. Smaller particles, such as ions or small proteins, diffuse quickly across the fluid boundary, while larger particles diffuse more slowly. Large particles, such as blood cells, do not exhibit significant diffusion within the time that the two flow streams contact.
통상적으로, 마이크로유체식 시스템은, 압전 펌프, 마이크로-시린즈(micro-syringe)펌프, 전자삼투압 펌프(electroosmotic pump) 등과 같은, 작용을 하기 위한 몇몇 형태의 외부 유체식 드라이버를 요구한다. 그러나, 본원 발명의 양수인에게 허여된 출원인 미국 특허출원 제 09/684,094 호는 전체로써 본원에 합체되어 있으며, 마이크로유체식 시스템은 유압정전식 압력, 모세관 힘, 다공성 물질 또는 화학적으로 유도되는 압력 또는 진공에 의한 흡수와 같은 근본적으로 이용가능한 내부힘에 의하여 완전하게 구동되는 것으로 기재되어 있다. Typically, microfluidic systems require some form of external fluidic driver to function, such as piezoelectric pumps, micro-syringe pumps, electroosmotic pumps, and the like. However, U.S. Patent Application Serial No. 09 / 684,094, issued to the assignee of the present invention, is incorporated herein in its entirety, and the microfluidic system is a hydraulic electrostatic pressure, capillary force, porous material or chemically induced pressure or vacuum. It is described as being fully driven by essentially available internal forces, such as absorption by it.
또한, 마이크로스케일 장치에서 유체를 제어하는데에 사용하기 위한 서로 다른 많은 밸브 형태가 발전되어져 왔다. 예를 들면, 미국 특허 제 6,432,212 호는 적층된 마이크로유체식 구조에서 사용하기 위한 단방향 밸브를 기재하고 있으며, 미국 특허 제 6,581,899 호는 적층된 마이크로유체식 구조체에서 사용하기 위한 볼베어링 밸브를 기재하고 있으며, 본 출원의 양수인에게 허여된 미국 특허출원 제 10/114,890 호는 공압 밸브 인터페이스(interface)를 기재하고 있는데, 이것은 적층 마이크로유체식 구조에서 사용하기 위한 제로 데드(zero dead) 체적 밸브로 공지되어 있다. 상술된 특허 및 특허출원은 참조로서 전체가 합체되어 있다. In addition, many different valve forms have been developed for use in controlling fluids in microscale devices. For example, US Pat. No. 6,432,212 describes unidirectional valves for use in stacked microfluidic structures, US Pat. No. 6,581,899 describes ball bearing valves for use in stacked microfluidic structures, US patent application Ser. No. 10 / 114,890 to the assignee of the present application describes a pneumatic valve interface, which is known as a zero dead volume valve for use in a stacked microfluidic structure. The above-mentioned patents and patent applications are incorporated by reference in their entirety.
이러한 분야에서 많은 향상이 있어 왔지만, 유체 샘플을 촉진하고 분석하기 위한 새롭고 향상된 마이크로유체식 장치용에 대한 요구가 남아 있다. 본 발명은 이러한 요구에 대하여 설명하고 있으며 부가의 관련된 장점을 제공한다.Although many improvements have been made in this area, there remains a need for new and improved microfluidic devices for facilitating and analyzing fluid samples. The present invention addresses this need and provides additional related advantages.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 특징에 따라서 마이크로유체식 장치의 제 1 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도.1A-1C are a series of cross-sectional views illustrating the operation of a first embodiment of a microfluidic device in accordance with aspects of the present invention.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 특징에 따라서 마이크로유체식 장치의 제 2 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도.2A-2C are a series of cross-sectional views illustrating the operation of a second embodiment of a microfluidic device in accordance with aspects of the present invention.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 특징에 따라서 마이크로유체식 장치의 제 3 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도.3A-3C are a series of cross-sectional views illustrating the operation of a third embodiment of a microfluidic device in accordance with aspects of the present invention.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 특징에 따라서 마이크로유체식 장치의 제 4 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도.4A-4E are a series of cross-sectional views illustrating the operation of a fourth embodiment of a microfluidic device in accordance with aspects of the present invention.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 특징에 따라서 마이크로유체식 장치의 제 5 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도.5A-5C are a series of cross-sectional views illustrating the operation of a fifth embodiment of a microfluidic device in accordance with aspects of the present invention.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 특징에 따라서 혈액형 카드를 개략적으로 도시하는 도면.6A-6F schematically illustrate a blood card in accordance with aspects of the present invention.
본 발명은 유체 샘플을 촉진 및 분석하기 위한 마이크로유체식 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 마이크로유체식 장치는 분석을 위한 샘플을 준비하기 위하여 유체 샘플의 흐름을 촉진하기 위한 다양한 형상으로 정렬된 다수의 마이크로유체식 채널, 입구, 밸브, 필터, 펌프, 액체 배리어(liquid barrier) 및 다른 요소를 사용한다. 그 다음, 상기 샘플의 분석은 기불분야에서 공지된 어떠한 수단에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들면, 본원에서 기재된 바와 같이, 본 발명의 마이크로유체식 장치는 혈액형 분석의 부분으로서 하나 이상의 시약(reagent)을 가지는 혈액 샘플의 반응을 용이하도록 하기 위하여 사용될 수 있다. The present invention relates to microfluidic devices and methods for facilitating and analyzing fluid samples. The microfluidic device comprises a plurality of microfluidic channels, inlets, valves, filters, pumps, liquid barriers and other arranged in various shapes to facilitate the flow of a fluid sample to prepare a sample for analysis. Use elements The analysis of the sample can then be performed by any means known in the art. For example, as described herein, the microfluidic device of the present invention can be used to facilitate the reaction of a blood sample having one or more reagents as part of blood type analysis.
제 1 실시예에서, 액체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체식 장치는, (a) 제 1 단부와 제 2 단부를 가지는 마이크로유체식 채널과, 상기 액체 샘플을 수용하기 위한 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 샘플 입구와, (c)상기 샘플 입구와 마이크로유체식 채널의 제 1 단부사이에 개입되어 있으며 상기 액체 샘플로 부터 선택된 입자를 제거하기 위한 필터와, (d) 상기 마이크로유체식 채널의 제 2 단부에 유체식으로 연결된 벨로즈 펌프(bellows pump) 및, (e) 상기 벨로즈 펌프와, 상기 마이크로유체식 채널의 제 2 단부사이에 개입되어 있으며 가스 침투가능하고 액체 불침투성인 액체 배리어(barrier)를 포함한다. In a first embodiment, a microfluidic device for analyzing a liquid sample comprises (a) a microfluidic channel having a first end and a second end, and a first of the microfluidic channel for receiving the liquid sample. A sample inlet fluidly connected at the end, (c) a filter intervening between the sample inlet and the first end of the microfluidic channel and for removing selected particles from the liquid sample, and (d) the microfluid A bellows pump fluidly connected to the second end of the channel and (e) interposed between the bellows pump and the second end of the microfluidic channel and are gas permeable and liquid impermeable A phosphorus liquid barrier.
부가의 실시예에서, 상기 벨로즈는 벤트 홀(vent hole)을 포함할 수 있으며, 상기 필터는 박막을 포함하거나, 또는 상기 마이크로유체식 장치는 (a) 벨로즈 펌프와 액체 배리어사이에 개입되어 있으며 상기 벨로즈 펌프를 향한 유체 흐름을 허용하는 제 1 첵크 밸브 및, (b) 상기 벨로즈 펌프에 유체식으로 연결되어 있으며, 상기 벨로즈 펌프로 부터 유체가 이격되게 흐르도록 허용하는 제 2 첵크 밸브를 부가로 포함할 수 있다. In a further embodiment, the bellows may comprise a vent hole and the filter may comprise a thin film, or the microfluidic device may (a) be interposed between the bellows pump and the liquid barrier. A first shank valve for allowing fluid flow towards the bellows pump, and (b) a second shank fluidly connected to the bellows pump and allowing fluid to flow away from the bellows pump. The valve may further comprise.
제 2 실시예에서, 액체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체식 장치는 (a)제 1 단부와 제 2 단부를 구비하는 제 1 마이크로유체식 채널과, (b)액체 샘플을 수용하기 위한 제 1 마이크로유체식 인디케이터 스트림(indicator stream)의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 샘플 입구와, (c) 상기 샘플 입구와, 제 1 마이크로유체식 채널의 제 1 단부사이에 개입된 액티브 밸브(active valve)와, (d) 상기 액티브 밸브를 작동하기 위한 수단과, (e)상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부에 유체식으로 연결된 제 1 벨로즈 펌프와, (f)상기 제 1 벨로즈 펌프와, 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부사이에 개입되어 있으며 가스 침투성이고 액체 불침투성인 액체 배리어와, (g)제 1 단부와 제 2 단부를 가지며, 상기 제 1 단부는 상기 액티브 밸브에 인접된 위치에서 상기 제 1 마이크로유체식 채널에 유체식으로 연결되어 있는 제 2 마이크로유체식 채널과, (h) 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 1 단부와, 제 1 마이크로유체식 채널사이에 개입되어 있으며, 상기 제 1 마이크로유체식 채널에서의 유체 압력이 제 2 마이크로유체식 채널에서의 유체 압력보다 더 클 때에 개방되는 패시브 밸브 및, (i) 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 2 단부에 유체식으로 연결된 샘플 저장부를 포함한다. In a second embodiment, a microfluidic device for analyzing a liquid sample comprises (a) a first microfluidic channel having a first end and a second end, and (b) a first micrometer for receiving a liquid sample. A sample inlet fluidly connected to the first end of the fluidic indicator stream, (c) an active valve interposed between the sample inlet and the first end of the first microfluidic channel; (d) means for operating the active valve, (e) a first bellows pump fluidly connected to the second end of the first microfluidic channel, and (f) the first bellows pump; A liquid barrier interposed between the second ends of the first microfluidic channel and which is gas permeable and liquid impermeable, and (g) a first end and a second end, the first end being connected to the active valve. The first mi in an adjacent position A second microfluidic channel fluidly connected to the fluidized channel, and (h) interposed between the first end of the second microfluidic channel and the first microfluidic channel, wherein A passive valve that opens when the fluid pressure in the microfluidic channel is greater than the fluid pressure in the second microfluidic channel, and (i) sample storage fluidly connected to the second end of the second microfluidic channel. Contains wealth.
부가의 실시예에서, 상기 제 1 벨로즈 펌프는 벤트 홀을 포함할 수 있으며, 상기 액티브 밸브를 작동하기 위한 수단은 제 2 벨로즈 펌프를 포함할 수 있거나 및/또는 상기 샘플 저장부는 벤트 홀을 포함할 수 있다. In a further embodiment, the first bellows pump may comprise a vent hole and the means for actuating the active valve may comprise a second bellows pump and / or the sample reservoir comprises a vent hole. It may include.
제 3 실시예에서, 액체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체식 장치는, (a) 제 1 단부와 제 2 단부를 각각 구비하는 제 1 및 제 2 마이크로유체식 채널과, (b) 상기 액체 샘플을 수용하기 위하여 제 1 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 샘프과, (c) 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부와, 제 2 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결되고, 그리고 그 사이에 개입된 제 1 벨로즈 펌프와, (d) 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 2 단부에 유체식으로 연결되어 있으며 유체 출구를 가지는 제 2 벨로즈 펌프와, (e) 상기 샘플 입구와, 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 1 단부사이에 개입되어 있으며, 제 1 마이크로유체식 채널을 향하여 유체 흐름을 허용하는 제 1 첵크 밸브와, (f) 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부와, 제 1 벨로즈 펌프사이에 개입되어 있으며, 상기 제 1 벨로즈 펌프를 향한 유체 흐름을 허용하는 제 2 첵크 밸브와, (g) 상기 제 1 벨로즈 펌프와, 상기 제 2 마이크로유체식 채널사이에 개입되어 있으며, 상기 제 2 마이크로유체식 채널을 향하여 유체가 흐르도록 허용하는 제 3 첵크 밸브와, (h) 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 2 단부와 제 2 벨로즈 펌프사이에 개입되어 있으며, 상기 제 2 벨로즈 펌프를 향하여 유체가 흐르도록 허용하는 제 4 첵크 밸브를 포함한다. In a third embodiment, a microfluidic device for analyzing a liquid sample comprises (a) first and second microfluidic channels each having a first end and a second end, and (b) A sample fluidly connected to the first end of the first microfluidic channel for receiving; (c) fluidly connected to the second end of the first microfluidic channel and the first end of the second microfluidic channel. A first bellows pump interposed therebetween, (d) a second bellows pump fluidly connected to the second end of the second microfluidic channel and having a fluid outlet, and (e) A first check valve interposed between the sample inlet and the first end of the first microfluidic channel and allowing fluid flow towards the first microfluidic channel, and (f) the first microfluidic The second end of the channel, the first bell Interposed between a pump and a second check valve that allows fluid flow to the first bellows pump, (g) between the first bellows pump and the second microfluidic channel; A third shank valve allowing fluid to flow toward the second microfluidic channel, and (h) intervening between the second end of the second microfluidic channel and a second bellows pump; And a fourth check valve to allow fluid to flow towards the two bellows pumps.
제 4 실시예에서, 액체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체식 장치는, (a) 제 1 단부와 제 2 단부를 구비하는 제 1 마이크로유체식 채널과, (b) 액체 샘플을 수용하기 위하여 제 1 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 샘플 입구와, (c) 제 1 시약(reagent)을 수용하기 위하여 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결되는 제 1 시약과, (d) 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부에 유체식으로 연결된 벨로즈 펌프 및, (e) 상기 벨로즈 펌프와, 상기 제 1 마이크로유체식 채널의 제 2 단부사이에 개입되어 있으며, 가스 침투성이고 액체 불침투성인 제 1 액체 배리어를 포함한다. In a fourth embodiment, a microfluidic device for analyzing a liquid sample comprises (a) a first microfluidic channel having a first end and a second end, and (b) a first to receive a liquid sample. A sample inlet fluidly connected to the first end of the microfluidic channel, and (c) a first reagent fluidly connected to the first end of the first microfluidic channel to receive a first reagent And (d) a bellows pump fluidly connected to the second end of the first microfluidic channel, and (e) between the bellows pump and the second end of the first microfluidic channel. And a first liquid barrier that is gas permeable and liquid impermeable.
부가의 실시예에서, 상기 벨로즈 펌프는 벤트 홀을 포함할 수 있거나, 또는 상기 마이크로유체식 장치는 상기 벨로즈 펌프에 유체식으로 연결된 첵크 밸브를 또한 포함할 수 있으며, 여기에서 상기 첵크 밸브는 벨로즈 펌프로 부터 유체를 이격되게 흐르도록 허용한다.In a further embodiment, the bellows pump may comprise a vent hole or the microfluidic device may also comprise a check valve fluidly connected to the bellows pump, wherein the check valve is Allow fluid to flow away from the bellows pump.
또 다른 실시예에서, 상기 마이크로유체식 장치는 (a) 샘플 입구에 유체식으로 연결된 제 1 단부와, 상기 벨로즈 펌프에 유체식으로 연결된 제 2 단부를 구비하는 제 2 마이크로유체식 채널과, (b) 제 2 시약을 수용하기 위하여 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 제 2 시약 및, (c) 상기 벨로즈 펌프와, 상기 제 2 마이크로유체식 채널의 제 2 단부사이에 개입되어 있으며, 가스 침투성이고 액체 불침투성인 제 2 액체 배리어를 포함한다.In another embodiment, the microfluidic device comprises: (a) a second microfluidic channel having a first end fluidly connected to the sample inlet and a second end fluidly connected to the bellows pump; (b) a second reagent fluidly connected to the first end of the second microfluidic channel to receive a second reagent, and (c) the bellows pump and the second of the second microfluidic channel Interposed between the ends and comprising a second liquid barrier that is gas permeable and liquid impermeable.
또 다른 실시예에서, 상기 마이크로유체식 장치는, (a) 샘플 입구에 유체식으로 연결된 제 1 단부와, 상기 벨로즈 펌프에 유체식으로 연결된 제 2 단부를 구비하는 제 3 마이크로유체식 채널과, (b) 제 3 시약을 수용하기 위하여 상기 제 3 마이크로유체식 채널의 제 1 단부에 유체식으로 연결된 제 3 시약 입구 및, (c) 상기 벨로즈 펌프와, 상기 제 3 마이크로유체식 채널의 제 2 단부사이에 개입되어 있으며, 가스 침투성이고 액체 불침투성인 제 3 액체 배리어를 포함한다. In another embodiment, the microfluidic device comprises: (a) a third microfluidic channel having a first end fluidly connected to the sample inlet and a second end fluidly connected to the bellows pump; (b) a third reagent inlet fluidly connected to the first end of the third microfluidic channel to receive a third reagent, and (c) the bellows pump and the third microfluidic channel It is interposed between the second ends and includes a third liquid barrier that is gas permeable and liquid impermeable.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징들이 첨부된 도면와 다음의 상세한 설명으로 부터 명백하게 될 것이다.These and other features of the present invention will become apparent from the accompanying drawings and the following detailed description.
이미 설명한 바와 같이, 본 발명은 분석용 샘플을 준비하고 유체 샘플을 분석하기 위하여 유체 샘플의 흐름을 촉진하도록 다양한 형상으로 정렬된 다수의 마이크로유체식 채널, 입구, 밸브, 박막, 펌프, 액체 배리어 및 다른 요소를 사용하는 마이크로유체식 장치 및 방법에 관한 것이다. 다음의 설명에서, 본 발명의 장치 및 방법의 몇몇 특정 실시예가 규정되어 있으나, 당업자는 아래에 설명되는 다양한 실시예와 요소들은 본 발명의 정신 및 범위로 부터 벗어나지 않고 결합 또는 수정될 수 있다. As already described, the present invention provides a plurality of microfluidic channels, inlets, valves, membranes, pumps, liquid barriers and A microfluidic device and method using other elements is provided. In the following description, some specific embodiments of the apparatus and method of the present invention have been defined, but those skilled in the art will appreciate that various embodiments and elements described below may be combined or modified without departing from the spirit and scope of the present invention.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 제 1 실시예의 작동을 도시하는 장치(10)의 일련의 단면도이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 마이크로유체식 장치(110)는 제 1 단부(122)와 제 2 단부(124)를 구비하는 마이크로유체식 채널(120)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 장치(110)는 카트리지 형태로 되어 있지만, 상기 장치(110)의 형태는 본 발명에 필수적인 것이 아니며, 당업자는 주어진 적용을 위하여 적절한 형태로 쉽게 선택할 수 있다. 장치(110)과 같이 본 발명의 마이크로유체식 장치는 사출 성형 또는 적층법(lamination)과 같은 방법을 사용하여서, 투명한 플라스틱, 밀러(mylar) 또는 락테스(latex)와 같은 재로로 부터 구성될 수 있다. 1A-1C are a series of cross-sectional views of the apparatus 10 showing the operation of the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, the microfluidic device 110 includes a microfluidic channel 120 having a first end 122 and a second end 124. As shown, the device 110 is in the form of a cartridge, but the shape of the device 110 is not essential to the present invention and one of ordinary skill in the art can readily select a suitable form for a given application. Like the device 110, the microfluidic device of the present invention may be constructed from ash such as transparent plastic, mylar or lactese, using a method such as injection molding or lamination. have.
도 1a에 부가로 도시된 바와 같이, 장치(110)는 액체 샘플을 수용하기 위하여 마이크로유체식 채널(120)의 제 1 단부(122)에 유체식으로 연결된 샘플 입구(130)와, 샘플 입구(130)와 마이크로유체식 채널(120)의 제 1 단부(122)사이에 개입된 필터(140)를 포함한다. 필터(140)는 백혈구, 적혈구, 1-100 미크론 크기의 폴리스틸렌(polystyrene) 또는 라텍스(latex)와 같은 중합체 비드(polymeric bead) 및, E. coli와 같은 박테리아 세포와 같은 선택된 입자를 액체 샘플로 부터 제거할 수 있으며, 박막(도시된 바와 같이)을 포함할 수 있다. 벤트 홀(152)을 구비하는 벨로즈 펌프(150)는 마이크로유체식 채널(120)의 제 2 단부(124)에 유체식으로 연결되며, 액체 배리어(160)는 벨로즈 펌프(150)와, 마이크로유체식 채널(120)의 제 2 단부(124)사이에 개입된다. 액체 배리어(160)는 가스 침투성 및 유체 불침투성 박막이다. As further shown in FIG. 1A, the apparatus 110 includes a sample inlet 130 fluidly connected to a first end 122 of a microfluidic channel 120 for receiving a liquid sample, and a sample inlet ( A filter 140 interposed between 130 and the first end 122 of the microfluidic channel 120. Filter 140 may be used to filter selected particles, such as white blood cells, red blood cells, polymeric beads such as polystyrene or latex of 1-100 microns in size, and bacterial cells such as E. coli from liquid samples. It may be removable and may include a thin film (as shown). The bellows pump 150 having the vent hole 152 is fluidly connected to the second end 124 of the microfluidic channel 120, and the liquid barrier 160 is connected to the bellows pump 150, Interposed between the second ends 124 of the microfluidic channel 120. Liquid barrier 160 is a gas permeable and fluid impermeable thin film.
작동 동안에, 액체 샘플은 샘플 입구(130)(도 1b에 도시된 바와 같이)내로 위치되며, 벨로즈 펌프(150)는 외부 장치에 의하여 사용자에 의한 수동 또는 기계적으로 가압되며, 벤트 홀(152)은 이 홀(512)을 덮음으로써 거의 밀봉되고, 그 다음에 벨로즈 펌프(150)가 해제된다. 벨로즈 펌프(150)의 가압동안에, 벤트 홀(150)은 덮혀지지 않게 남아 있음으로써, 벨로즈 펌프(150)내의 유체는 벤트 홀드(vent hold)(152)를 통하여 배출될 수 있다. 벨로즈 펌프(150)의 해제시에, 네거티브(negative) 유체 압력이 마이크로유체식 채널(120)에서 발생되고, 유체 샘플은 마이크로유체식 채널(120)내로 그리고 그것을 통하여 액체 배리어(160)(도 1c에 도시된 바와 같이)로 필터(140)를 통하여 취출된다. During operation, the liquid sample is placed into the sample inlet 130 (as shown in FIG. 1B), the bellows pump 150 is manually or mechanically pressurized by the user by an external device, and the vent hole 152 Is almost sealed by covering this hole 512, and then the bellows pump 150 is released. During pressurization of the bellows pump 150, the vent hole 150 remains uncovered, such that fluid in the bellows pump 150 may be discharged through a vent hold 152. Upon release of the bellows pump 150, negative fluid pressure is generated in the microfluidic channel 120, and the fluid sample is introduced into and through the microfluidic channel 120 through the liquid barrier 160 (FIG. As shown in 1c) through the filter 140).
도 1a에 도시된 바와 같이, 마이크로유체식 채널(120)은 하나 이상의 광학 관찰 영역(viewing area)(170)을 포함할 수 있다. 광학 관찰 영역(170)은 액체 샘플이 마이크로유체식 채널(120)을 통하여 흐르다는 것을 사용자에 의하여 시각적으로 인식하도록 한다. As shown in FIG. 1A, microfluidic channel 120 may include one or more optical viewing areas 170. The optical viewing area 170 allows the user to visually recognize that the liquid sample flows through the microfluidic channel 120.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제 2 실시예의 작동을 도시하는 상기 장치(210)의 일련의 단면도이다. 도 2a에 도시된 마이크로유체식 장치(210)는 도 1a에 도시된 장치(110)과 유사하고, 제 1 단부(222)와 제 2 단부(224)를 구비하는 마이크로유체식 채널(220)과, 액체 샘플을 수용하기 위하여 마이크로유체식 채널(220)의 제 1 단부(22)에 유체식으로 연결되는 샘플 입구(230)와, 상기 샘플 입구(230)와, 마이크로유체식 채널(220)의 제 1 단부사이에 개입된 필터(240)와, 마이크로유체식 채널(220)의 제 2 단부(224)에 유체식으로 연결된 벨로즈 펌프(250) 및, 벨로즈 펌프(250)와 마이크로유체식 채널(220)의 제 2 단부사이에 개입된 액체 배리어(260)를 포함한다. 2A-2C are a series of cross-sectional views of the device 210 showing the operation of the second embodiment of the present invention. The microfluidic device 210 shown in FIG. 2A is similar to the device 110 shown in FIG. 1A, and has a microfluidic channel 220 having a first end 222 and a second end 224. A sample inlet 230 fluidly connected to the first end 22 of the microfluidic channel 220 for receiving a liquid sample, the sample inlet 230 and the microfluidic channel 220 A filter 240 interposed between the first end, a bellows pump 250 fluidly connected to the second end 224 of the microfluidic channel 220, and a bellows pump 250 and microfluidic A liquid barrier 260 interposed between the second ends of the channels 220.
도 1a에 도시된 벨로즈 펌프(250)에서 벤트 홀을 제공하기 보다는, 벨로즈 펌프(250)의 가압동안에 마이크로유체식 채널(220)내로 벨로즈 펌프(250)내의 유체가 배출되는 것을 각각 방지하기 위하여 제 1 및 제 2 첵크 밸브(254 및 256)를 사용한다. 일방향 밸브로서 공지된 첵크 밸브는 단지 한방향으로 유체 흐름을 허용한다. 마이크로유체식 구조에서 사용하기 위한 전형적인 첵크 밸브는 본원에서 참고로 전체가 합체되어 있는 미국 특허 제 6,431,212 홍 기재되어 있다. 제 1 첵크 밸브(254)는 벨로즈 펌프(250)와 액체 배리어(224)사이에 개입되어 있으며, 벨로즈 펌프(250)를 향하여 유체가 흐르도록 허용한다. 제 2 첵크 밸브(256)는 벨로즈 펌프(250)에 유체식으로 연결되고, 상기 벨로즈 펌프(예를 들면, 대기로 벤팅시킴으로써)로 부터 유체를 이격되게 흐르도록 허용한다. Rather than providing a vent hole in the bellows pump 250 shown in FIG. 1A, respectively, prevents fluid in the bellows pump 250 into the microfluidic channel 220 during pressurization of the bellows pump 250. First and second check valves 254 and 256 are used for this purpose. Shank valves, known as one-way valves, allow fluid flow in only one direction. A typical shank valve for use in a microfluidic structure is described in US Pat. No. 6,431,212 Hong, which is incorporated herein by reference in its entirety. The first check valve 254 is interposed between the bellows pump 250 and the liquid barrier 224 and allows fluid to flow towards the bellows pump 250. The second shank valve 256 is fluidly connected to the bellows pump 250 and permits fluid to flow away from the bellows pump (eg, by venting to the atmosphere).
작동동안에, 액체 샘플은 샘플 입구(230)(도 2b에 도시된 바와 같이)내로 위치되고, 벨로즈 펌프(250)는 외부 장치에 의하여 사용자에 의하여 수동으로 또는 기계적으로 가압되며, 그 다음에 벨로즈 펌프(250)가 해제된다. 벨로즈 펌프(250)의 가압동안에, 제 1 첵크 밸브(254)는 폐쇄되게 남아 있으며, 벨로즈 챔버(250)로 부터 마이크로유체식 채널(220)내로의 유체 흐름을 방지하며, 제 2 첵크 밸브(256)가 개방되고, 벨로즈 펌프(250)로 부터 변위되는 유체를 방출시킨다. 벨로즈 펌프(250)의 해제동안에, 네거티브 유체 압력이 발생되며, 제 1 첵크 밸브가 개방되어, 마이크로유체식 채널(220)로 부터 벨로즈 펌프9250)내로 유체 흐름을 허용하며, 제 2 첵크 밸브(256)가 폐쇄되고, 예를 들면 대기로 부터 벨로즈 펌프(250)내로의 유체 흐름을 방지하며, 액체 샘플은 마이크로유체식 채널(220)내로 그리고 그것을 통하여 액체 배리어(260)(도 2c에 도시된 바와 같이)로 필터(240)를 통하여 취출된다. During operation, the liquid sample is placed into the sample inlet 230 (as shown in FIG. 2B), and the bellows pump 250 is manually or mechanically pressurized by the user by an external device, and then the bell Rose pump 250 is released. During pressurization of the bellows pump 250, the first shank valve 254 remains closed, preventing fluid flow from the bellows chamber 250 into the microfluidic channel 220, and the second shank valve 256 is opened and discharges the fluid displaced from the bellows pump 250. During the release of the bellows pump 250, a negative fluid pressure is generated, the first shank valve opens, allowing fluid flow from the microfluidic channel 220 into the bellows pump 9250, and the second shank valve 256 is closed, for example to prevent fluid flow from the atmosphere into the bellows pump 250, where the liquid sample is into and through the microfluidic channel 220 and the liquid barrier 260 (FIG. 2C). As shown) through the filter 240.
또한, 도 1a와 유사하게, 마이크로유체식 채널(220)은 마이크로유체식 채널(220)을 통하여 액체 샘플이 흐르도록 사용자에 의하여 시각적인 인식을 하도록 하나 이상의 광학 관찰 영역(270)을 포함한다. In addition, similar to FIG. 1A, the microfluidic channel 220 includes one or more optical viewing areas 270 for visual recognition by the user for the liquid sample to flow through the microfluidic channel 220.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제 3 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 마이크로유체식 장치(310)는 제 1 단부(322)와 제 2 단부(324)를 가지는 제 1 마이크로유체식 채널(320)을 포함한다. 샘플 입구(320)는 액체 샘플을 수용하기 위하여 제 1 마이크로유체식 채널(320)의 제 1 단부(322)에 유체식으로 연결된다. 벤트 홀(352)을 구비하는 제 1 벨로즈 펌프(350)는 제 1 마이크로유체식 채널(320)의 제 2 단부(324)에 유체식으로 연결된다. 액체 배리어(360)는 제 1 벨로즈 펌프(350)와 마이크로유체식 채널(320)의 제 2 단부(324)사이에 개입된다. 도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 액체 배리어(360)는 가스 침투성 및 불침투성의 박막이다. 3A to 3F are a series of cross-sectional views showing the operation of the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3A, the microfluidic device 310 includes a first microfluidic channel 320 having a first end 322 and a second end 324. The sample inlet 320 is fluidly connected to the first end 322 of the first microfluidic channel 320 for receiving a liquid sample. The first bellows pump 350 having the vent hole 352 is fluidly connected to the second end 324 of the first microfluidic channel 320. Liquid barrier 360 is interposed between first bellows pump 350 and second end 324 of microfluidic channel 320. As shown in FIGS. 1A and 2A, the liquid barrier 360 is a gas permeable and impermeable thin film.
또한, 장치(310)는 샘플 입구(330)와, 제 1 마이크로유체식 채널(320)의 제 1 단부(322)사이에 개입되는 온/오프(on/off) 액티브 밸브(370)와, 액티브 밸브(370)를 작동하기 위한 수단(372)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 수단(372)은 제 2 벨로즈 펌프(372)를 포함하고, 그러나 당업자는 대체물과, 액티브 밸브(370)를 작동시키기 위하여 수동 또는 유체식 압력을 적용하기 위한 적절한 수단을 포함한다. 장치(310)는 또한 제 1 단부(382)와 제 2 단부(384)를 구비하는 제 2 마이크로유체식 채널(380)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 제 2 마이크로유체식 채널(380)의 제 1 단부(382)는 액티브 밸브(370)에 인접된 위치에서 제 1 마이크로유체식 채널(320)에 유체식으로 연결되며, 제 2 마이크로유체식 채널(380)의 제 2 단부(384)는 벤트 홀(392)을 가지는 샘플 저장부(390)에 유체식으로 연결된다. 패시브 밸브(375)는 제 2 마이크로유체식 채널(380)의 제 1 단부(382)와, 제 1 마이크로유체식 채널(320)사이에 개입된다. 상기 제 1 마이크로유체식 채널(320)내의 유체 압력이 제 2 마이크로유체식 채널(380)의 압력보다 더 크게 될 때에 패시브 밸브(375)는 개방되도록 설계된다. 제로 데드 체적의 밸브로 공지된 마이크로유체식 구조체에서 사용하기 위한 전형적인 패시브 밸브는 본 발명의 양수인에게 허여되었고 본원에서 참조로 그 전체가 합체되어 있는 미국 특허출원 제 10/114,890 호에 기재되어 있다. The device 310 also includes an on / off active valve 370 interposed between the sample inlet 330, the first end 322 of the first microfluidic channel 320, and an active valve. Means 372 for actuating the valve 370. As shown, the means 372 includes a second bellows pump 372, but those skilled in the art include alternatives and appropriate means for applying manual or fluid pressure to actuate the active valve 370. do. Device 310 also includes a second microfluidic channel 380 having a first end 382 and a second end 384. As shown, the first end 382 of the second microfluidic channel 380 is fluidly connected to the first microfluidic channel 320 at a position adjacent the active valve 370, and the second The second end 384 of the microfluidic channel 380 is fluidly connected to a sample reservoir 390 having a vent hole 392. The passive valve 375 is interposed between the first end 382 of the second microfluidic channel 380 and the first microfluidic channel 320. The passive valve 375 is designed to open when the fluid pressure in the first microfluidic channel 320 is greater than the pressure of the second microfluidic channel 380. Typical passive valves for use in microfluidic structures known as zero dead volume valves are described in US patent application Ser. No. 10 / 114,890, which is assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference in its entirety.
초기 작동동안에, 액체 샘플은 샘플 입구(330)(도 3b에 도시된 바와 같이)내로 위치되고, 제 1 벨로즈 펌프(350)은 외부 장치에 의하여 사용자에 의한 수동 또는 기계적으로 가압되며, 벤트 홀(352)은 덮혀지며, 그 다음에 제 1 벨로즈 펌프(350)는 해제된다. 상기 제 1 벨로즈 펌프(350)의 가압동안에, 벤트 홀(352)는 덮혀지지 않게 남아 있으므로, 제 1 벨로즈 펌프(350)에서의 유체는 벤트 홀드(352)를 통하여 배출될 수 있다. 제 1 벨로즈 펌프(350)의 해제시에, 네거티브 유체 압력은 마이크로유체식 채널(320)에서 발생되고, 액체 샘플은 액티브 밸브(370)를 통하여 취출되며, 마이크로유체식 채널(320)내로 그리고 그 내부로 액체 배리어(360)로 취출된다(도 3c에 도시된 바와 같이). 상기 제 1 벨로즈 펌프(350)의 초기 가압과 해제동안에, 상기 제 1 마이크로유체식 채널(320)의 유체 압력은 제 2 마이크로유체식 채널(380)에서의 유체 압력보다 작으며, 따라서 패시브 밸브(375)는 폐쇄되고, 상기 액체 샘플은 제 2 마이크로유체식 채널(380)내로 흐르는 것이 방지된다. During the initial operation, the liquid sample is placed into the sample inlet 330 (as shown in FIG. 3B), the first bellows pump 350 is manually or mechanically pressurized by the user by an external device, and vent holes 352 is covered, and then the first bellows pump 350 is released. During pressurization of the first bellows pump 350, the vent hole 352 remains uncovered, so that fluid in the first bellows pump 350 may be discharged through the vent hold 352. Upon release of the first bellows pump 350, the negative fluid pressure is generated in the microfluidic channel 320, the liquid sample is withdrawn through the active valve 370, into the microfluidic channel 320 and It is drawn into the liquid barrier 360 therein (as shown in FIG. 3C). During the initial pressurization and release of the first bellows pump 350, the fluid pressure in the first microfluidic channel 320 is less than the fluid pressure in the second microfluidic channel 380, and thus the passive valve 375 is closed and the liquid sample is prevented from flowing into the second microfluidic channel 380.
도 3d에 도시된 바와 같이, 작동의 다음 단계동안에, 벤트 홀(352)은 덮혀지고, 제 2 벨로즈 펌프(372)는 가압됨으로써, 액티브 밸브를 작동(즉, 폐쇄)시키며, 그 다음에 상기 제 1 벨로즈 펌프(350)는 가압되며, 따라서 제 1 마이크로유체식 채널(320)에 포지티브 유체 압력을 발생시킨다. 결과적으로, 상기 제 1 마이크로유체식 채널(320)에서의 유체 압력은 제 2 마이크로유체식 채널(380)에서의 유체 압력위로 상승(즉, 더 크게)되며, 패시브 밸브(375)가 개방되며, 상기 액체 샘플은 제 1 마이크로유체식 채널(320)로 부터 제 2 마이크로유체식 채널(380)으로 가압된다. As shown in FIG. 3D, during the next stage of operation, the vent hole 352 is covered and the second bellows pump 372 is pressurized, thereby actuating (ie closing) the active valve, and then The first bellows pump 350 is pressurized, thus generating positive fluid pressure in the first microfluidic channel 320. As a result, the fluid pressure in the first microfluidic channel 320 rises (ie, greater) above the fluid pressure in the second microfluidic channel 380, and the passive valve 375 opens, The liquid sample is pressurized from the first microfluidic channel 320 to the second microfluidic channel 380.
작동의 부가적인 단계동안에, 상술된 2개의 단계는 액체 샘플의 부가적인 부분으로 부터 제 1 마이크로유체식 채널(320)내로 취출하기 위하여 반복되며, 그 다음에 상기 액체 샘플의 부가적인 부분을 제 2 마이크로유체식 채널(380)내로 가압시킴으로써, 제 2 마이크로유체식 채널(380)에서 이미 있는 액체 샘플의 제 1 부분을 샘플 저장부(390)내로 가압시킨다. 액체 샘플의 양과, 샘플 저장부(390)의 크기에 따라서, 상술된 작동의 부가적인 단계가 여러번 반복될 수 있다.During the additional steps of operation, the two steps described above are repeated to withdraw from the additional part of the liquid sample into the first microfluidic channel 320, and then the second part of the liquid sample is removed. By pressing into the microfluidic channel 380, the first portion of the liquid sample that is already in the second microfluidic channel 380 is pressed into the sample reservoir 390. Depending on the amount of liquid sample and the size of the sample reservoir 390, additional steps of the above-described operation may be repeated many times.
도 3a 내지 도 3f에서 부가적으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 하나이상의 마이크로유체식 채널, 펌프 및 밸브 조립체가 단일의 마이크로유체식 장치에 배치될 수 있다. 이러한 방법에서, 다수의 유체 촉진 및 분석이 동시에 수행될 수 있다.As further shown in FIGS. 3A-3F, one or more microfluidic channels, pumps and valve assemblies of the present invention may be disposed in a single microfluidic device. In this method, multiple fluid promotions and analyzes can be performed simultaneously.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 제 4 실시예의 작동을 도시하는 일련의 단면도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 마이크로유체식 장치(410)는 제 1 단부(422) 및 제 2 단부(424)를 가지는 제 1 마이크로유체식 채널(420)과, 제 1 단부(432) 및 제 2 단부(434)를 가지는 제 2 마이크로유체식 채널(430)과, 제 1 단부(442) 및 제 2 단부(444)를 가지는 제 3 마이크로유체식 채널(440)를 포함한다. 액체 샘플을 수용하기 위한 샘플 입구(415)는 제 1 마이크로유체식 채널(420)의 제 1 단부(422)와, 제 3 마이크로유체식 채널(440)의 제 2 단부(444)둘다에 유체식으로 연결된다. 제 1 벨로즈 펌프(450)는 제 1 마이크로유체식 채널(420)의 제 2 단부(424)에 유체식으로 연결되고 또한 그 사이에 개입되며, 제 2 벨로즈 펌프(460)는 제 2 마이크로유체식 채널(430)의 제 2 단부(434)와, 제 3 마이크로유체식 채널(440)의 제 1 단부(442)에 유체식으로 연결되고 그 사이에 개입된다. 4A to 4E are a series of cross sectional views showing the operation of the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4A, the microfluidic device 410 includes a first microfluidic channel 420 having a first end 422 and a second end 424, and a first end 432 and a first end. A second microfluidic channel 430 having a second end 434, and a third microfluidic channel 440 having a first end 442 and a second end 444. A sample inlet 415 for receiving a liquid sample is fluidized at both the first end 422 of the first microfluidic channel 420 and the second end 444 of the third microfluidic channel 440. Is connected. The first bellows pump 450 is fluidly connected to and intervenes between the second ends 424 of the first microfluidic channel 420, and the second bellows pump 460 is connected to the second microfluidic pump. It is fluidly connected to and interposed between the second end 434 of the fluidic channel 430 and the first end 442 of the third microfluidic channel 440.
도시된 바와 같이, 장치(410)는 또한 다수의 첵크 밸브를 포함한다. 제 1 첵크 밸브(470)는 샘플 입구(415)와, 제 1 마이크로채널(420)의 제 1 단부(422)사이에 개입된다. 제 2 첵크 밸브(472)는 제 1 마이크로유체식 채널(420)의 제 2 단부(424)와, 제 1 벨로즈 펌프(450)사이에 개입되며, 제 1 벨로즈 펌프(450)를 향하여 유체가 흐르도록 허용한다. 제 3 첵크 밸브(474)는 제 1 벨로즈 펌프(450)와, 제 2 마이크로유체식 채널(430)의 제 1 단부(432)사이에 개입되며, 제 2 마이크로유체식 채널(430)을 향하여 유체가 흐르도록 한다. 제 4 첵크 밸브(476)는 제 2 마이크로유체식 채널(430)의 제 2 단부(434)와, 제 2 벨로즈 펌프(460)사이에 개입되며, 제 2 벨로즈 펌프(460)를 향하여 유체가 흐르도록 한다. 제 5 첵크 밸브(478)는 제 2 벨로즈 펌프(460)와, 제 3 마이크로유체식 채널(440)의 제 1 단부(442)사이에 개입되며, 제 2 벨로즈 펌프(460)를 향하여 유체가 흐르도록 허용한다. 제 6 첵크 밸브(480)는 제 3 마이크로유체식 채널(440)의 제 2 단부(444)와, 샘플 입구(415)사이에 개입되며, 샘플 입구(415)를 향하여 유체가 흐르도록 한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1, 제 2,제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 첵크 밸브(470,472,474,476,478 및 480)는 단지 한방향으로만 유체가 흐르도록 한다(도 4a에 화살표로 도시된 바와 같이). 이전에 도시된 바와 같이, 마이크로유체식 구조에 사용하기 위한 전형적인 첵크 밸브는 미국 특허 제 6,431,212 호에 기재되어 있다. As shown, the device 410 also includes a number of shank valves. The first shank valve 470 is interposed between the sample inlet 415 and the first end 422 of the first microchannel 420. The second shank valve 472 is interposed between the second end 424 of the first microfluidic channel 420 and the first bellows pump 450 and towards the first bellows pump 450. Allow to flow. The third shank valve 474 is interposed between the first bellows pump 450 and the first end 432 of the second microfluidic channel 430 and towards the second microfluidic channel 430. Allow fluid to flow. The fourth shank valve 476 is interposed between the second end 434 of the second microfluidic channel 430 and the second bellows pump 460 and toward the second bellows pump 460. To flow. The fifth shank valve 478 is interposed between the second bellows pump 460 and the first end 442 of the third microfluidic channel 440, and the fluid is directed towards the second bellows pump 460. Allow to flow. A sixth check valve 480 is interposed between the second end 444 of the third microfluidic channel 440 and the sample inlet 415, allowing fluid to flow toward the sample inlet 415. As shown in FIG. 2A, the first, second, third, fourth, fifth and sixth check valves 470, 472, 474, 476, 478 and 480 allow fluid to flow in only one direction (shown by arrows in FIG. 4A). As). As shown previously, typical shank valves for use in microfluidic structures are described in US Pat. No. 6,431,212.
작동동안에, 액체 샘플은 샘플 입구(415)(도 4b에 도시된 바와 같이)내로 위치되며, 제 1 및 제 2 벨로즈 펌프(450 및 460)는 제 1, 제 2 , 제 3 마이크로유체식 채널(420,430 및 440)(도 4c 내지도 4e에 도시된 바와 같이)을 통하여 액체 샘플을 취출하고 가압하기 위하여, 외부 장치에 의하여 사용자에 의하여 수동 또는 기계적으로 교대로, 연속적으로 및/또는 반복적으로 가압되고 해제된다. 이러한 일련의 가압 및 해제동안에, 제 1,제 2, 제 3, 제 4, 제 5 및 제 6 첵크 밸브(470,472,474,476,478 및 480)는 마이크로유체식 장치(410)를 통하여 하나의 연속적인 방향으로 액체 샘플이 흐르는 것을 보장한다. During operation, a liquid sample is placed into the sample inlet 415 (as shown in FIG. 4B), and the first and second bellows pumps 450 and 460 are arranged in the first, second, third microfluidic channels. Alternately, continuously and / or repeatedly pressurized by a user manually or mechanically by an external device to withdraw and pressurize the liquid sample through 420,430 and 440 (as shown in FIGS. 4C-4E). And released. During this series of pressurization and release, the first, second, third, fourth, fifth and sixth check valves 470, 472, 474, 476, 478 and 480 allow liquid samples in one continuous direction through the microfluidic device 410. To ensure that it flows.
상기 제 4 실시예의 변경에서, 유체식 루프(loop)를 형성하기 위하여 샘플 입구(415)에 유체식으로 연결되는 제 3 마이크로유체식 채널(440)에 유체식으로 연결되기 보다는, 제 2 벨로즈 펌프(460)의 하나 이상의 유체 출구는 하나 이상의 부가적인 마이크로유체식 채널, 벨로즈 펌프 및 첵크 밸브에 유체식으로 교대로 연결되는 하나 이상의 마이크로유체식 채널에 유체식으로 연결된다. 이러한 방법에서, 당업자는 일련의 첵크 밸브를 인식할 것이며, 벨로즈 펌프는 마이크로유체식 채널의 네트워크를 통하여 액체 샘플을 이동시키기 위하여 서로 다른 형상의 크기에서 조립되거나 사용될 수 있다. In a modification of the fourth embodiment, the second bellows, rather than fluidly connected to a third microfluidic channel 440 fluidly connected to the sample inlet 415 to form a fluid loop One or more fluid outlets of pump 460 are fluidly connected to one or more microfluidic channels that are fluidly connected to one or more additional microfluidic channels, bellows pumps, and shank valves. In this way, those skilled in the art will recognize a series of shank valves, and the bellows pump can be assembled or used in sizes of different shapes to move the liquid sample through the network of microfluidic channels.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제 5 실시예의 작동을 도시하는 마이크로유체식 장치(510)의 일련의 단면도이다. 도 5a에 도시된 마이크로유체식 장치(510)는 제 1 단부(522)와 제 2 단부(524)를 구비하는 제 1 마이크로유체식 채널(520)과, 제 1 단부(532)와 제 2 단부(534)를 구비하는 제 2 마이크로유체식 채널(530)과, 제 1 단부(542)와 제 2 단부(544)를 구비하는 제 3 마이크로유체식 채널(540)을 포함한다. 샘플 입구(518)는 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)의 제 1 단부(522,532,542)에 유체식으로 연결된다. 장치(510)는 제 1 시약을 수용하기 위한 제 1 시약 입구(512)와, 제 2 시약을 수용하기 위한 제 2 시약 입구(514) 및, 제 3 시약을 수용하기 위한 제 3 시약 입구(516)을 또한 포함한다. 도시된바와 같이, 벨로즈 펌프(550)는 제 1,2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)의 제 2 단부(524,534 및 544)에 유체식으로 연결되고, 제 1, 제 2 및 제 3 액체 배리어(526,536 및 546)는 벨로즈 펌프(550)와, 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)의 제 2 단부(524,534,544)사이에 개입된다. 도 1a, 2a,3a에 도시된 바와 같이, 제 1, 제 2 및 제 3 액체 배리어(526,536 및 546)는 가스 침투성이고 액체 불침투성이다. 5A-5C are a series of cross-sectional views of the microfluidic device 510 showing the operation of the fifth embodiment of the present invention. The microfluidic device 510 shown in FIG. 5A includes a first microfluidic channel 520 having a first end 522 and a second end 524, a first end 532, and a second end. A second microfluidic channel 530 having a 534 and a third microfluidic channel 540 having a first end 542 and a second end 544. The sample inlet 518 is fluidly connected to the first ends 522, 532, 542 of the first, second, and third microfluidic channels 520, 530, and 540. Device 510 includes a first reagent inlet 512 for receiving a first reagent, a second reagent inlet 514 for receiving a second reagent, and a third reagent inlet 516 for receiving a third reagent ) Is also included. As shown, the bellows pump 550 is fluidly connected to the second ends 524,534 and 544 of the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540, and the first, second and Third liquid barriers 526, 536 and 546 are interposed between the bellows pump 550 and the second ends 524, 534, 544 of the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540. As shown in FIGS. 1A, 2A, 3A, the first, second and third liquid barriers 526, 536 and 546 are gas permeable and liquid impermeable.
도시된 바와 같이, 벨로즈 펌프(550)는 벨로즈 펌프(550)로 부터 유체가 이격되게 흐르도록 허용하는 첵크 밸브(552)에 유체식으로 연결된다. 또한, 상기 벨로즈 펌프는 도 1a 및 도 3a의 실시예에서와 같이 벤트 홀을 포함할 수 있다. As shown, the bellows pump 550 is fluidly connected to a check valve 552 that allows fluid to flow away from the bellows pump 550. In addition, the bellows pump may include a vent hole as in the embodiment of FIGS. 1A and 3A.
작동동안에, 액체 샘플은 샘플 입구(518)에 위치되고, 제 1 시약은 제 1 시약 입구(512)내에 위치되고, 제 2 시약은 제 2 시약 입구(514)에 위치되며, 제 3 시약은 제 3 시약 입구(516)에 위치되고(도 5b에 도시된 바와 같이), 벨로즈 펌프(550)는 사용자에 의하여 수동 또는 외부장치에 의하여 기계적으로 가압된 다음에, 벨로즈 펌프(550)가 해제된다. 벨로즈 펌프(550)의 가압동안에, 첵크 밸브(546) 또는 벤트 홀(도시 않음)은 벨로즈 펌프(550)로 부터 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)내로의 유체 흐름을 방지한다. 벨로즈 펌프(550)의 해제 동안에, 네거티브 유체 압력이 액체 샘플과, 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)내에 발생되고, 상기 제 1 시약, 제 2 시약 및 제 3 시약은 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530,540)내로 그리고 그것을 통하여 제 1, 제 2 및 제 3 액체 배리어(526,536,546)(도 5c에 도시된 바와 같이)로 취출된다. 이러한 프로세스동안에, 액체 샘플과 제 1, 제 2 및 제 3 시약의 혼합은 제 1, 제 2 및 제 3의 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)내에 발생된다. During operation, the liquid sample is located at the sample inlet 518, the first reagent is located in the first reagent inlet 512, the second reagent is located at the second reagent inlet 514, and the third reagent is 3 located at the reagent inlet 516 (as shown in FIG. 5B), the bellows pump 550 is mechanically pressurized by a user manually or externally, and then the bellows pump 550 is released. do. During pressurization of the bellows pump 550, the check valve 546 or vent hole (not shown) is introduced from the bellows pump 550 into the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540. Prevent fluid flow. During the release of the bellows pump 550, a negative fluid pressure is generated in the liquid sample and in the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540, the first reagent, the second reagent and the third reagent. The reagent is withdrawn into and through the first, second and third microfluidic channels 520, 530, 540 (as shown in FIG. 5C) of the first, second and third liquid barriers 526, 536, 546. During this process, the mixing of the liquid sample with the first, second and third reagents occurs in the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540.
또한, 도 1a 및 도 1b와 유사하게, 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520,530 및 540)은 액체 샘플과, 제 1, 제 2 및 제 3 시약은 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로유체식 채널(520, 530 및 540)을 통하여 흐르는 것을 시각적으로 인식하게 한다. 또한, 광학 관찰 영역(560,562 및 564)는 사용자가 동일한 액체와, 제 1, 제 2 및 제 3 시약사이에 발생되는 작용을 시각적으로 관찰할 수 있게 한다. Also similar to FIGS. 1A and 1B, the first, second and third microfluidic channels 520, 530 and 540 are liquid samples, and the first, second and third reagents are first, second and third agents. 3 Visually recognizes the flow through the microfluidic channels 520, 530 and 540. In addition, the optical viewing areas 560, 562 and 564 allow the user to visually observe the action occurring between the same liquid and the first, second and third reagents.
마이크로유체식 장치(510)는 빠르고, 일회성이며, 혈액형 분석으로서 사용될 수 있다. 이러한 분석은 예를 들면, 혈액 수혈이전에 환자의 ABO 그룹이 베드사이드(bedside) 확인을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 특징에 따라서 혈액형 카드를 개략적으로 도시한다. Microfluidic device 510 is fast, one-time, and can be used as blood group analysis. Such an assay can be used, for example, to provide bedside confirmation of the ABO group of patients prior to blood transfusion. 6A-6F schematically illustrate a blood card in accordance with aspects of the present invention.
도 6a는 마이크로유체식 장치, 또는 카드(600)를 도시한다. 상기 실시예에서, 항체-A(602)와, 항체-B(604) 및 항체-D(606)용의 시약 입구가 도시된다. 또한, 이러한 시약은 장치(600)의 제조동안에 위치될 수 있고, 입구(602,604 및 606)는 제거될 수 있다. 사용의 용이함을 위하여, 입구(608, 610 및 612)는 각각 장식적인 인디케이터(614, 616 및 618)로 선택적으로 마크되는 대응되는 저장부(608, 610 및 612)를 채우는 억세스(access)를 제공한다. 6A shows a microfluidic device, or card 600. In this example, reagent inlets for antibody-A 602 and antibody-B 604 and antibody-D 606 are shown. In addition, such reagents may be located during the manufacture of device 600 and inlets 602, 604 and 606 may be removed. For ease of use, the inlets 608, 610, and 612 provide access to fill corresponding reservoirs 608, 610, and 612, optionally marked with decorative indicators 614, 616, and 618, respectively. do.
도 6a는 3개의 시약(626,628,630)용 인식 윈도우를 또한 도시한다. 이러한 인식 윈도우는 시약이 설계된 바와 같은 마이크로유체식 채널을 통하여 실질적으로 이동하고 있는 시각적인 인식을 제공하기 위하여 대응되는 마이크로유체식 채널상에 정렬된다. 시약 입구에서와 같이, 상기 시약 인식 윈도우는 적절하게 마크된다. 6A also shows recognition windows for three reagents 626,628,630. This recognition window is aligned on the corresponding microfluidic channel to provide visual recognition that the reagent is moving substantially through the microfluidic channel as designed. As with the reagent inlet, the reagent recognition window is appropriately marked.
도 6a는 혈액형 결과를 보기위하여 적절하게 마크되는 선택 관찰 영역(632,634,636)을 도시한다. 현재 실시예에서, 레전드(legend)(638)는 시각적인 결과를 해석하고, 사용자에게 혈액형 결정에 도움을 주기 위하여 제공된다. 부가의 레전드(legend)(640)는 사용자가 혈액이 Rh 포지티브 또는 Rh 네거티브인지를 결정하는데 도움을 주기 위하여 제공된다. 6A shows selective viewing areas 632, 634, 636 that are appropriately marked to view blood group results. In the current embodiment, legend 638 is provided to interpret the visual results and to assist the user in determining the blood type. Additional legends 640 are provided to help the user determine whether the blood is Rh positive or Rh negative.
도 6a는 상기 장치를 통한 유체 흐름을 작동시키기 위하여 벨로즈 펌프(642)를 또한 도시한다. 상기 벨로즈 펌프는 출구 포트(644)와 유체식으로 연결된다. 6A also shows a bellows pump 642 to operate fluid flow through the device. The bellows pump is fluidly connected to the outlet port 644.
도 6a의 실시예는 첨부 장치를 수용하도록 설계되고, 따라서 마이크로유체식 장치는 유체 컨테이너 또는 혈액형이 정해질 혈액의 백에 직접적으로 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 부착 메카니즘은 부착 테이프, 타이 메카니즘, 클램프를 포함할 수 있거나, 또는 유체 컨테이너상의 포켓에 간단하게 삽입될수 있거나 또는 상기 장치를 고정하기 위한 어떤 다른 수단이 위치된다. The embodiment of FIG. 6A is designed to receive an attachment device, such that the microfluidic device can be attached directly to a fluid container or bag of blood to be blood typed. In another embodiment, the attachment mechanism may comprise an attachment tape, a tie mechanism, a clamp, or may simply be inserted into a pocket on the fluid container or any other means for securing the device is located.
도 6b는 상기 장치에 부착된 페이스플레이트(faceplate)(650)을 포함하는 마이크로유체식 장치(600)의 실시예를 도시한다. 도 6b는 도 6a에 도시된 바와 같이 입구, 인식 윈도우, 레전드 및 마킹을 도시하고, 그러나 도6b는 장치(600)에 부착된 개방된 페이스플레이트 또는 커버플레이트(650)를 부가로 도시한다. 도시된 실시예에서, 페이스플레이트(650)는 장치(600)에 힌지식으로 연결된다. 다른 실시예에서, 상기 페이스플레이트가 부착될 수 있다. 상기 페이스플레이트(650)가 개방된 위치에 있을 때에, 상기 노출된 측부는 사용자의 편리를 위하여 작동적인 지시(652)를 또한 포함할 수 있다. 상기 페이스플레이트는 장치(600)가 사용되지 않을 때에 장치의 관찰 윈도우 및 입구를 부가로 보호한다. 6B illustrates an embodiment of a microfluidic device 600 that includes a faceplate 650 attached to the device. FIG. 6B shows the entrance, recognition window, legend, and marking as shown in FIG. 6A, but FIG. 6B additionally shows an open faceplate or coverplate 650 attached to the device 600. In the illustrated embodiment, faceplate 650 is hingedly connected to device 600. In other embodiments, the faceplate may be attached. When the faceplate 650 is in the open position, the exposed side may also include operative instructions 652 for the convenience of the user. The faceplate additionally protects the viewing window and entrance of the device when the device 600 is not in use.
도 6c는 또다른 실시예를 도시하고, 폐쇄된 페이스플레이트(650), 입구의 피복부, 관찰 윈도우 및, 도 6a에 도시된 레전드 및 덮개(690)를 가지는 마이크로유체식 장치(600)를 도시한다. 본 실시예에서의 덮개는 미끄럼가능하고, 상기 미끄럼이 하향 방향일 때에, 상기 덮개의 하부 립(692)은 페이스플레이트를 제위치에 유지시키는 록킹 메카니즘을 제공한다. 이미 설명한 바와 같이, 상기 페이스플레이트(650)는 입구, 관찰 윈도우, 레전드 및 상기 장치에 포함된 레전드 도면에 보호를 제공한다. 상기 페이스플레이트(650)는 혈액형이 완료된 이후에 저장부로서 부가로 사용될 수 있으며, 그래서 테스트될 혈액 또는 유체와의 접촉을 방지한다. 도 6d는 도 6c의 부가의 실시예를 도시하고, 상기 덮개(690)가 록킹 위치내로 미끌어질 때에 장치를 도시하고, 그래서 페이스플레이트(650)를 폐쇄된 위치로 유지시킨다. FIG. 6C shows another embodiment and shows a microfluidic device 600 having a closed faceplate 650, an inlet sheath, a viewing window, and the legend and lid 690 shown in FIG. 6A. do. The lid in this embodiment is slidable, and when the slip is in the downward direction, the lower lip 692 of the lid provides a locking mechanism that holds the faceplate in place. As already described, the faceplate 650 provides protection to the entrance, observation window, legend, and legend drawings included in the device. The faceplate 650 may additionally be used as a reservoir after the blood type is complete, thus preventing contact with the blood or fluid to be tested. FIG. 6D shows an additional embodiment of FIG. 6C, showing the device when the lid 690 is slipped into the locking position, thus keeping the faceplate 650 in the closed position.
도 6e는 부착된 페이스플레이트(650)의 다른 실시예를 도시한다. 상기 실시예에서, 상기 페이스플레이트(650)는 혈액형 테스트를 완료하기 위한 작동 지시(652)를 포함한다. 이 실시예에서의 페이스플레이트 커버는 샘플 입구를 밀봉하기 위하여 사용될 수 있는 접착 스트립(654)을 부가로 포함하고, 또는 페이스플레이트를 폐쇄되게 유지시키기 위하여 사용될 수 있다. 도 6e는 상기 실시예에서의 덮개(690)가 항원 저장부를 덮는 것을 또한 도시한다. 부가의 실시예에서, 덮개(690)의 하향운동은 상기 저장부로 부터 항원의 해제를 작동시키기 위하여 사용될 수 있다. 6E shows another embodiment of an attached faceplate 650. In this embodiment, the faceplate 650 includes an operation instruction 652 to complete the blood group test. The faceplate cover in this embodiment additionally includes an adhesive strip 654 that can be used to seal the sample inlet, or can be used to keep the faceplate closed. 6E also shows that the lid 690 in this embodiment covers the antigen reservoir. In additional embodiments, the downward movement of lid 690 can be used to actuate the release of antigen from the reservoir.
도 6f는 장치(600)의 다른 형상과, 사용자의 용이함을 위한 레이아웃을 도시한다. 도 6f에서, 항원 인식 윈도우(626,628,630)는 보다 용이한 인식을 위하여 함께 그룹지워진다. 또한, 이 실시예에서, 헤더(670)는 혈액형 윈도우를 인식하는 것을 포함한다. 또한, 다른 실시예에서의 레전드의 사용은 기판위의 다양한 작용을 묘사하기 위한 특정의 색을 사용할 수 있다. 예를 들면, 붉은 색 원이 혈액 포트를 둘러싸게 할 수 있다.6F shows another shape of device 600 and a layout for ease of use. In FIG. 6F, antigen recognition windows 626, 628, 630 are grouped together for easier recognition. Also in this embodiment, the header 670 includes recognizing blood type windows. In addition, the use of legends in other embodiments may use specific colors to depict various actions on the substrate. For example, a red circle may surround the blood port.
상술된 설명으로 부터, 비록 본 발명의 특정 실시예가 도시의 목적을 위하여 본원에 기재될 지라도, 다양한 변경예가 본원의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 이루어 질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당업자는 다수의 마이크로유체식 채널, 입구, 밸브, 박막, 펌프, 액체 배리어 및 다른 요소가 분석을 위한 이러한 샘플을 준비하기 위하여 유체 샘플이 흐름을 촉진하기 위하여 본 발명에 따라서 다양한 형상으로 정렬될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에서와 같은 것을 제외하고는 제한되지 않는다.From the foregoing description, it will be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the present disclosure, although certain embodiments of the invention are described herein for purposes of illustration. Those skilled in the art will appreciate that a number of microfluidic channels, inlets, valves, membranes, pumps, liquid barriers, and other elements may be arranged in various shapes in accordance with the present invention to facilitate the flow of fluid samples to prepare such samples for analysis. I will understand. Accordingly, the invention is not limited except as by the appended claims.
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