JP5095793B2

JP5095793B2 - 微細流体素子及びこれを用いた流体の流れ制御方法

Info

Publication number: JP5095793B2
Application number: JP2010221879A
Authority: JP
Inventors: シン、ドン、ホ
Original assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Current assignee: Electronics and Telecommunications Research Institute ETRI
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: JP2011080989A; DE102010041972A1; KR101372233B1; KR20110039176A

Description

本発明は微細流体素子及びこれを用いた流体の流れ制御方法に関し、より詳細には、下板と、下板の上部に固定された第１上板、及び第１上板の溝に挿入されて移動可能な第２上板が順次積層されて形成された微細流体素子において第２上板の移動だけで簡単かつ精密に流体の流れを制御するための技術に関する。

流体の流れを制御するための従来技術としては、チャンネルの形状及びサイズを制御する技術、チャンネルの内壁に親水性または疏水性処理を施す技術、圧力または電気的エネルギーを用いる技術などがある。

チャンネルの形状及びサイズを制御する技術は、流体力学に基づいてチャンネルの幅と深さを異ならせることによって流体の移動速度を調節し、毛細管力を大きくあるいは小さく誘導することができるようにチャンネルの形状を制御するものとして、流体の流れ調節のために広く用いられている。しかし、チャンネルの形状とサイズだけを調節して流体の流れを制御する従来技術を、マイクロチャンネル内で流体の一定の移送速度維持、反応領域における一定の反応時間維持及び流体の移送停止能力などを分析物の定量化に必須とするバイオチップ分野に適用するには限界がある。

また、チャンネルの内壁に親水性または疏水性処理を施して流体を制御する技術もやはり好みの位置で流体を停止させ、好みの位置に流体を移送する機能を持つべきバイオチップに適用するには限界がある。例えば、一定の反応時間を維持するために、チャンネルの疏水性領域を設定して流体の流れを中止させる技術がある。流体が疏水性領域で落ち合うようになるとチャンネルの内壁が流体を押し出そうとする性質によって流体が流れを止めるようになって、この時、流体が止まる時間は、疏水性領域の面積と長さに比例する。一般的に大部分の素材は、初期には疏水性特性を見せても流体と接触する時間が長くなると、親水性に変わろうとする傾向を見せる。これによって、時間の経過と共に流体は非常に遅い速度で疏水性領域を通過するようになる。このように、一定の反応時間を維持するために、チャンネルの疏水性領域を設定して流体の流れを止めさせる場合、疏水性領域の疏水性が周辺湿気の吸着、反応物の量、反応領域における流体の流れの慣性力等により不完全となり、これにより反応領域の反応物が疏水性領域に流れ得るという短所がある。また、このような方法で反応時間を調節しようとするならば、チャンネルの特定区間を疏水性にしなければならず、このために用いられる流体の物理/化学的特性を考慮して適合した素材と工程方法を考案することは困難である。

また、圧力を用いて流体の流れを制御する技術の場合、シリンジポンプやペリスタルティックポンプなどのような別途の圧力調節装置を必要として素子を含む診断システムのサイズが大きくなるだけでなく、システムを構成する価格が素子の価格よりは圧力調節装置の価格によって決定されるため、小型及び低価の素子が要求されるＰＯＣＳ(Ｐｏｉｎｔｏｆｃａｒｅｓｙｓｔｅｍ)市場での受け入れは難しい。また、電気的エネルギーを用いて流体の流れを制御する技術の場合、圧力を用いる技術に比べてシステムを小型化することができるという長所があるが、非常に制限的な状況でのみ適用可能であるという短所がある。また、電気的エネルギーを加えるためには素子に電極を形成しなければならないが、流体の特性によって独特な形態と方法を取らなければならず、電気的信号を素子内部に伝達するためには、様々な装置が複合的に構成されなければならないため、小型のシステムであってもこれを製作及び具現することは非常に複雑である。特に、一つの素子で様々な段階の反応を遂行する場合、各段階別に流体の電気的特性が変わると各段階別に電気的エネルギーを調節しなければならないため、非常に複雑であるという短所がある。

米国特許出願公開公報第２００８／０１３５１０１号明細書

したがって、本発明は上述の従来技術の問題点を解決するためのものであって、下板と、下板の上部に固定された第１上板、及び第１上板の溝に挿入されて移動可能な第２上板が順次積層されて形成され、第２上板の移動だけで簡単かつ精密に流体の流れを制御することができる微細流体素子及びこれを用いた流体の流れ制御方法を提供するためのものである。

上述の目的を達成するための本発明の一側面による微細流体素子は、第１チャンネルが形成された下板；前記下板の上部に固定されて積層され、上部に溝が形成され、前記第１チャンネルの両端に対応される位置に流体注入口及び流体出口が夫々形成された第１上板；及び前記第１上板の溝に挿入されて移動可能であり、第２チャンネル、前記第２チャンネルの右側端に連結されるホール、及び前記ホールの右側に連結された第３チャンネルが順次形成された第２上板を含む。

また、前記の目的を達成するための本発明の他の側面による微細流体素子を用いた流体の流れ制御方法は、下板と、第１上板及び第２上板が順次積層され、前記第１上板は前記下板の上部に固定され、前記第２上板は前記第１上板の溝に挿入されて移動可能なように形成された微細流体素子を用いて流体の流れを制御する方法において、前記第１上板に形成された流体注入口を通じて前記下板に形成された第１チャンネルに流体を注入する段階；及び前記流体注入口を通じて注入された流体が前記第１チャンネルをなみなみと満たして流体の流れが停止されると、前記第２上板を移動させて前記第１上板に形成された流体出口と前記第２上板に形成された第２チャンネルを連結させる段階を含む。

本発明によると、下板と、下板の上部に固定された第１上板、及び第１上板の溝に挿入されて移動可能な第２上板が順次積層されて形成された微細流体素子において第２上板を移動させることによって簡単かつ精密に流体の流れを制御することができるようになる。

また、微細流体素子の構造が簡素であるため、小型及び低価の素子を具現することができ、さらに用いられる流体の種類に関係なく幅広く活用することができる。

また、サンドウィッチ免疫測定のように様々な段階の反応を遂行する分析を一つの微細流体素子で具現することができ、精密な流体の流れ制御を通じて流体をより正確に分析することができるようになる。

本発明の一側面による微細流体素子の分解斜視図である。 (ａ)から(ｃ）は、本発明の他の側面による微細流体素子を用いた流体の流れ制御方法を説明するための斜視図である。第１上板の流体出口に液滴が発生する現象を示す模式図である。本発明の一側面による微細流体素子を用いて免疫反応を具現する実施例を示す断面図である。

発明を実施するための具体的な内容

以下、添付の図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者が本発明を容易に実施することができるように好ましい実施例を詳細に説明する。但し、本発明の好ましい実施例を詳細に説明するにあたり、関連した公知機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にぼかすことができると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。また、類似した機能及び作用をする部分に対しては、図面全体において同じ符号を使用する。

これに加えて、明細書全体においてある部分が他の部分と‘連結'されているとするとき、これは‘直接的に連結'されている場合だけでなく、その中間に他の素子を置いて‘間接的に連結'されている場合も含む。また、ある構成要素を‘含む'というのは、特別に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外することでなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図１は、本発明の一側面による微細流体素子の分解斜視図である。

本発明の一側面による微細流体素子は一つの下板１０上に二つの上板２０、３０を順次積層し、下板１０と隣接した第１上板２０は下板１０の上部に固定させ、第２上板３０は第１上板２０の溝に挿入されて自由に移動することができるように形成される。

下板１０の左側には、既設定された幅と深さを持つ第１チャンネル１１が形成される。

第１上板２０には第２上板３０が挿入される溝が形成されていて、溝の下部面の中央部に沿って下部面に比べて上部に突出された断面を持つ流路２１が形成され、溝の側面の下部には第２上板３０の側面の突出部が挿入されるガイドレール溝２２が形成される。また、流路２１には流体注入口２３と流体出口２４が形成され、流体注入口２３と流体出口２４は夫々下板１０に形成された第１チャンネル１１の両端に対応される位置に形成される。

第２上板３０の下部には、流路を形成するための既設定された幅と深さを持つチャンネルが形成され、第２上板３０の一部を貫通するホール３１と、ホール３１の右側に離隔された貯蔵庫３２が形成される。第２上板３０に形成されたチャンネルは、ホール３１を基準に左側を第２チャンネルとし、ホール３１と貯蔵庫３２との間を第３チャンネルとする。

上述の下板１０、第１上板２０及び第２上板３０が順次積層されて２層構造の微細流体素子が形成される。各層には流体が流れる流路が形成され、流体は一旦下層の流路に注入され、第２上板３０の移動によって下層の流路と上層の流路が連結され流体が下層から上層へ移動するようになる。

図２ａからｃは、本発明の他の側面による微細流体素子を用いた流体の流れ制御方法を説明するための斜視図である。

先ず、下板１０、第１上板２０及び第２上板３０が順次積層された構造において、移動可能な第２上板３０は図２ａに示されたように第１上板２０の最も右側上部に位置する。

図２ａのような状態で、第１上板２０に形成された流体注入口２３を通じて流体を注入すると、流体は下板１０に形成された第１チャンネル１１に沿って移動して流体出口２４で停止するようになる。流体注入口２３を通じて第１チャンネル１１に十分な量の流体が流入した場合、図３に示されたように流体が流体出口２４を通じて上に上がり、液滴を形成するようになる。この場合、上層には流体出口２４と連結したチャンネルが形成されていないため、流体注入口２３に別途の力が加えられない限り、液滴は一定のサイズと形態を維持して流体が停止するようになる。

以後、第２上板３０を左側に移動させて図２ｂに示されたように第２上板３０の第２チャンネルが流体出口２４と連結するようにする。すると、第１チャンネル１１に沿って移動した流体は流体出口２４を通じて第２上板３０の第２チャンネルに移動するようになって、流体は第２チャンネルに沿ってホール３１と連結した部分まで進行する。この時、流体は空いた空間であるホール３１で落ち合うようになり、これ以上進行できずに停止するようになる。

以後、第２上板３０を左側へ移動させて図２ｃに示されたように、第２上板３０の第３チャンネルが流体出口２４と連結するようにする。すると、第１チャンネル１１の内部に残っている流体は新しい流路である第３チャンネルを通じて移動して貯蔵庫３２に到達するようになる。

このように、本発明による微細流体素子では、第２上板を移動させる簡単な動作だけで流体の移動及び停止を正確に制御することができるようになる。

図４は本発明の一側面による微細流体素子を用いて免疫反応を具現する実施例を示す断面図であり、サンドウィッチ免疫測定(ｓａｎｄｗｉｃｈｉｍｍｕｎｏａｓｓａｙ）のように様々な段階の反応を一つの素子で具現する一例を示す。

図４(ａ)に示されたように、第２上板が最も右側に位置した状態で、流体注入口を通じて血液１を注入すると、血液に含まれた血球は第１チャンネルの内部に設置されたフィルター４１により除去されて血漿成分３だけフィルター４１を通過してサンドウィッチ免疫測定の１段階抗原-抗体反応が発生する領域に到達するようになる。

１段階抗原-抗体反応領域、すなわち第１チャンネル内部に設置されたフィルター４１の右側部分には、蛍光体または蛍光ナノ粒子４３と探知抗体４２が物理的または化学的に結合された蛍光ナノ粒子-探知抗体結合体が塗布されて形成され、特定物質と反応する反応部が位置する。

図４(ｂ)に示されたように、血漿成分が１段階抗原-抗体反応領域を全て満たすと流体の流れが停止して十分な反応が発生するようになる。この時、血漿成分３は１段階抗原-抗体反応領域に塗布されている蛍光ナノ粒子-探知抗体結合体と接触し、第２上板が流体出口と連結する前までは流体がこれ以上進行できずに停止するため、充分な時間を持って抗原-抗体反応が発生するようになる。

以後、図４(ｃ)に示されたように、第２上板を左側へ移動させて第２上板の第２チャンネルが流体出口と連結すると、蛍光ナノ粒子-探知抗体-血漿結合体が流体出口を通じて上層の第２チャンネルに移動するようになる。第２チャンネルの入口には抗原に特異的な抗原特異抗体４４が固定されて形成され、蛍光ナノ粒子-探知抗体-血漿結合体を感知する感知部が位置する。したがって、第２チャンネルに移動した蛍光ナノ粒子-探知抗体-血漿結合体は第２チャンネルに含まれた感知部の抗原特異抗体４４と接触して２段階反応をするようになる。この時、第２チャンネルを満たした流体は開放されたホールによりこれ以上進行できず停止するようになる。

２段階反応が十分になされると、図４(ｄ)に示されたように第２上板を左側へ移動させて第２上板の第３チャンネルが流体出口と連結するようにする。これにより、感知部の抗原特異抗体４４と結合しない蛍光ナノ粒子-探知抗体-血漿結合体は、殆ど左側に押し出されて感知部と結合された結合体のみ残るようになる。第１チャンネルに残っている蛍光ナノ粒子-探知抗体結合体と反応しない血漿成分が第３チャンネルに流入され続けることにより、反応せずに表面に残っていた結合体は右側に押し出されて貯蔵庫に到達するようになる。これによって反応に応じない非特異的に反応する要素がすべて除去される。

以後、図４(ｅ)に示されたように、ＬＤ/ＰＤを用いて抗体と結合した蛍光ナノ粒子の量を測定する。

このように、本発明による微細流体素子では、第２上板を移動させる簡単な動作だけで流体の移動及び停止を正確に制御するだけでなく、反応に応じない不必要な流体を流し、新しい流体を流入し続けて反応を完了できるようになる。

本発明は前述の実施例及び添付の図面により限定されない。本発明が属する技術分野で通常の知識を持つ者であれば、本発明の技術的思想を外れない範囲内で本発明による構成要素を置換、変形及び変更することは、自明である。

１０下板
１１第１チャンネル
２０第１上板
２１流路
２２ガイドレール溝
２３流体注入口
２４流体出口
３０第２上板
３１ホール
３２貯蔵庫
４１フィルター
４２探知抗体
４３蛍光ナノ粒子
４４抗原特異抗体

Claims

第１チャンネルが形成された下板；
前記下板の上部に固定されて積層され、上部に溝が形成され、前記第１チャンネルの両端に対応される位置に前記第１チャンネルに流体を注入するための流体注入口及び前記第１チャンネルを通過した流体が出る流体出口が夫々形成された第１上板；及び
前記第１上板の溝に挿入されて移動可能であり、下部には前記流体出口から出た流体を通過させる第２チャンネル及び第３チャンネルが上部を通過させるホールを中心に形成されて前記移動によって前記流体出口と前記第２チャンネルまたは前記流体出口と前記第３チャンネルが選択的に連結される第２上板を含み、
前記第１上板には、前記溝の下部面に沿って前記下部面に比べて上部に突出した断面を有する流路と、前記溝の側面に前記第２上板の側面突出部が挿入されるガイドレール溝がさらに形成されることを特徴とする微細流体素子。
前記第２上板には、前記第３チャンネルの右側端に連結された貯蔵庫がさらに形成されることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
前記第１チャンネルには、
フィルター；及び
蛍光ナノ粒子−探知抗体結合体が塗布されて形成され、前記フィルターを通過した特定物質と反応する反応部を備えることを特徴とする請求項１に記載の微細流体素子。
前記第２チャンネルには、
抗原特異抗体が固定されて形成され、前記蛍光ナノ粒子−探知抗体結合体と前記特定物質が反応して形成された結合体を感知する感知部を備えることを特徴とする請求項３に記載の微細流体素子。
第１チャンネルが形成された下板；
前記下板の上部に固定されて積層され、上部に溝が形成され、前記第１チャンネルの両端に対応される位置に前記第１チャンネルに流体を注入するための流体注入口及び前記第１チャンネルを通過した流体が出る流体出口が夫々形成された第１上板；及び
前記第１上板の溝に挿入されて移動可能であり、下部には前記流体出口から出た流体を通過させる第２チャンネル及び第３チャンネルが上部を通過させるホールを中心に形成されて前記移動によって前記流体出口と前記第２チャンネルまたは前記流体出口と前記第３チャンネルが選択的に連結される第２上板を含み、
前記第１上板には、前記溝の下部面に沿って前記下部面に比べて上部に突出した断面を有する流路と、前記溝の側面に前記第２上板の側面突出部が挿入されるガイドレール溝がさらに形成される微細流体素子を用いて流体の流れを制御する方法において、
前記第１上板に形成された流体注入口を通じて前記下板に形成された第１チャンネルに流体を注入する第１段階；及び
前記第１チャンネル内部に備えた反応部と前記流体に含まれた対象物質間に抗原−抗体反応が遂行される第２段階；
前記第１チャンネルと前記第２チャンネルが連結されると、前記第２チャンネルの内部に備えた感知部により前記抗原−抗体反応による結合体を感知する第３段階；及び
前記第１チャンネルと前記第３チャンネルが連結されると、前記３段階で感知されない非特異的反応要素を除去する第４段階を含むことを特徴とする流体の流れ制御方法。