KR100883658B1 - Centrifugal force-based microfluidic device and microfluidic system including the same - Google Patents
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Abstract
입자가 포함된 유체 시료를 원심분리하고, 분리된 유체를 정량 분배할 수 있는 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 미세유동장치는, 회전 가능한 디스크형 플랫폼; 상기 플랫폼 일측에 배치된 시료 주입구; 일 단이 상기 시료 주입구와 연결되고, 상기 디스크형 플랫폼의 바깥쪽으로 연장되어, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 입자를 포함하는 시료를 상기 디스크형 플랫폼의 회전에 의해 입자와 유체로 원심분리하는 공간을 제공하는 유체 분리부; 및 상기 유체 분리부와 연결되고, 각각 개별적으로 구동되며, 상기 유체 분리부 내의 분리된 유체 중 미리 정해진 부피의 유체를 상기 디스크형 플랫폼의 회전에 의해 배출할 수 있는 위치에 배치된 적어도 하나의 출구 밸브를 포함한다. Disclosed are a centrifugal force-based microfluidic device capable of centrifuging a fluid sample containing particles and quantitatively dispensing the separated fluid and a microfluidic system including the same. Microfluidic device according to the present invention, the rotatable disk-like platform; A sample inlet disposed on one side of the platform; One end is connected to the sample inlet, and extends to the outside of the disk-shaped platform, a space for centrifuging the sample containing particles injected through the sample inlet with particles and fluid by the rotation of the disk-shaped platform Providing a fluid separator; And at least one outlet connected to the fluid separator, each driven separately, and disposed at a position capable of discharging a predetermined volume of fluid among the separated fluids in the fluid separator by rotation of the disk-like platform. It includes a valve.
미세유동장치, 미세유동시스템, 랩온어디스크(Lab-on-a disk), 원심분리 Microfluidic Device, Microfluidic System, Lab-on-a Disk, Centrifugation
Description
도 1은 본 발명에 따른 미세유동장치의 일 실시예를 보이는 평면도이다. 1 is a plan view showing an embodiment of a microfluidic device according to the present invention.
도 2a는 상기 도 1에서 유체 분리부를 보이는 Ⅱ-Ⅱ' 단면을 도시한 단면도이다. FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a II-II 'cross section showing a fluid separator in FIG. 1.
도 2b는 상기 도 2a에 도시된 유체 분리부 바닥의 변형예를 도시한 단면도이다. FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating a modification of the bottom of the fluid separator shown in FIG. 2A.
도 3은 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 3 is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention.
도 4a는 상기 도 3에서 유체 분리부를 보이는 Ⅳ-Ⅳ' 단면을 도시한 단면도이다. 4A is a cross-sectional view illustrating a IV-IV 'cross section showing the fluid separation unit of FIG. 3.
도 4b는 상기 도 4a에 도시된 유체 분리부 바닥의 변형예를 도시한 단면도이다. 4B is a cross-sectional view illustrating a modified example of the bottom of the fluid separator shown in FIG. 4A.
도 5는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 5 is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention.
도 6a는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 실시예를 보이는 평면도이다. Figure 6a is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention.
도 6b는 상기 도 6a의 실시예에서 반지름 방향에 대한 유체 분리부의 각도를 여러 가지로 배치한 경우의 원심분리 속도를 보이는 실험 사진이다. FIG. 6B is an experimental photograph showing the centrifugal velocity in the case where various angles of the fluid separator with respect to the radial direction are arranged in the embodiment of FIG.
도 7은 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6의 미세유동장치에 채용된 열림 밸브를 도시한 평면도이다. FIG. 7 is a plan view illustrating an opening valve employed in the microfluidic devices of FIGS. 1, 3, 5, and 6.
도 8은 상기 도 7의 열림 밸브의 Ⅷ-Ⅷ' 단면을 보이는 단면도이다.FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a cross-sectional view of the open valve of FIG. 7.
도 9는 상기 도 7의 열림 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다. 9 is a series of high-speed photographs showing the operation of the opening valve of FIG.
도 10은 상기 도 7의 열림 밸브에서 밸브 플러그에 포함된 자성유체의 부피비와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing a relationship between a volume ratio of a magnetic fluid included in a valve plug and a valve reaction time in the opening valve of FIG. 7.
도 11은 상기 도 7의 열림 밸브의 구동시에 외부에너지원으로 사용되는 레이저 광원의 파워와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다.FIG. 11 is a graph showing a relation between a valve reaction time and a power of a laser light source used as an external energy source when the opening valve of FIG. 7 is driven.
도 12는 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6 중 어느 하나의 미세유동장치를 포함하는 미세유동시스템의 일 실시예를 보이는 사시도이다.12 is a perspective view showing an embodiment of a microfluidic system including the microfluidic device of any one of FIGS. 1, 3, 5, and 6.
도 13은 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6 중 어느 하나의 미세유동장치를 포함하는 미세유동시스템의 다른 실시예를 보이는 사시도이다. FIG. 13 is a perspective view illustrating another embodiment of the microfluidic system including the microfluidic device of any one of FIGS. 1, 3, 5, and 6.
도 14a 내지 도 14b는 상기 도 5에 도시된 미세유동장치를 이용하여 혈액으로부터 혈장을 분리 및 정량 분배하는 실험예를 보이는 사진들이다. 14A to 14B are photographs showing an experimental example of separating and quantitatively distributing plasma from blood using the microfluidic device shown in FIG. 5.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
21: 디스크형 플랫폼 211: 하판21: disc platform 211: bottom plate
212: 상판 30: 시료 저장부212: top plate 30: sample storage unit
31: 시료 주입구 40, 44: 유체 분리부31:
411, 412: 유체 분리부 바닥 42: 입자 분리부411, 412: fluid separator bottom 42: particle separator
421: 단차부 49, 59: 배기 채널421: stepped
491, 591: 배기구 50: 잉여 유체 수거부491, 591: exhaust port 50: excess fluid collection part
82: 시험 유닛 100~103: 미세유동장치82:
130L, 130P: 외부에너지원 140: 회전구동부130L, 130P: External energy source 140: Rotating drive part
150: 광검출부 221L, 221R: 유로150:
222L, 222R: 드레인 챔버 223: 밸브 플러그222L, 222R: Drain Chamber 223: Valve Plug
231, 232, 233: 열림 밸브231, 232, 233: open valve
본 발명은 원심력 기반의 미세유동장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 디스크 형상의 플랫폼 내에서 유체와 입자를 포함하는 시료로부터 원심력을 이용하여 유체와 입자를 분리하고, 분리된 유체를 정량적으로 분배할 수 있도록 한 미세유동장치에 관한 것이다. The present invention relates to a centrifugal force-based microfluidic device, and more particularly, to separate fluids and particles using centrifugal force from a sample containing fluids and particles in a disk-shaped platform, and to quantitatively distribute the separated fluids. A microfluidic device is provided.
일반적으로 미세유동장치를 구성하는 미세유동 구조물에는 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브, 그리고 유체를 받아 소정의 기능을 수행할 수 있는 여러 가지 기능성 유닛 등이 포함될 수 있다. 기능성 유닛은 역시 상기의 챔버, 채널 또는 밸브 등의 기본 구조물을 포함하고, 이들의 결합을 통해 이루어질 수 있다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 칩 형태의 기판에 이러한 미세유동 구조물을 배치한 것을 일컬어 바이오 칩이라고 하고, 특히 여러 단계의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a chip)이라 한다. In general, the microfluidic structure constituting the microfluidic device has a chamber capable of trapping a small amount of fluid, a channel through which the fluid can flow, a valve that can control the flow of the fluid, and a fluid to receive a predetermined function. Various functional units and the like. The functional unit also includes a base structure such as a chamber, a channel or a valve as described above, and can be made through a combination thereof. Placing these microfluidic structures on chip-like substrates to perform tests involving biochemical reactions on a small chip is called a biochip, and in particular, several steps of processing and manipulation are performed on one chip. The device manufactured to do this is called a lab-on-a chip.
미세유동장치 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 콤팩트디스크 형상의 플랫폼에 미세유동 구조물들을 배치하고 원심력을 이용하여 유체를 구동하는 미세유동장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩씨디(Lab CD) 또는 랩온어디스크(Lab-on a disk)라 하기도 한다. 그런데, 이 경우는 미세유동장치가 프레임에 고정되지 않고 회전하기 때문에 바닥에 고정된 채로 작동되는 랩온어칩과 여러 가지 면에서 다르다. 원심력을 이용한 원심분리 작업이 용이한 반면, 개별적인 밸브의 구동이나 국소적인 온도 조절 등은 어렵다. In order to transfer fluid in the microfluidic device, a driving pressure is required. As a driving pressure, a capillary pressure may be used, or a pressure by a separate pump may be used. Recently, microfluidic devices have been proposed for disposing microfluidic structures on a compact disc shaped platform and driving fluid using centrifugal force. This is also known as a Lab CD or a Lab-on a disk. In this case, however, the microfluidic device is rotated without being fixed to the frame, and thus is different in many respects from a lab-on-a-chip operating while being fixed to the floor. While centrifugal separation using centrifugal force is easy, it is difficult to operate individual valves or control local temperature.
한편, 이러한 미세유동장치가 주로 이용되는 생화학, 생물학 및 의학 등의 분야에서는 미세유동장치가 유체와 입자가 혼합된 시료, 예를 들면 혈액, 타액, 소변 등과 같은 생체 시료로부터 입자를 분리해 내는 기능을 가질 것이 요구된다. 이를 충족시키기 위해 미국특허 US 5,061,381호 등이 제안된 바 있다. 그러나 여전히 디스크형 플랫폼 내의 더 작은 영역에서 유체와 입자를 분리하는 기능을 수행할 것이 요구되고, 나아가 별도의 유닛을 이용한 미터링(metring) 단계를 거치지 않고도 분리된 유체를 정량적으로 분배하는 기능을 가질 것이 요구된다. On the other hand, in the fields of biochemistry, biology, and medicine where the microfluidic device is mainly used, the microfluidic device separates particles from biological samples, such as blood, saliva, and urine, in which fluid and particles are mixed. It is required to have In order to satisfy this, US Patent US 5,061,381 has been proposed. However, it is still required to perform the function of separating fluid and particles in a smaller area within the disk-like platform, and furthermore to have a function of quantitatively dispensing the separated fluid without going through a metering step using a separate unit. Required.
본 발명은 디스크 형상의 플랫폼 내에 유체와 입자를 포함하는 시료로부터 원심력을 이용하여 유체와 입자를 분리하고, 분리된 유체를 정량적으로 분배할 수 있는 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다. The present invention provides a centrifugal force-based microfluidic device and a microfluidic system including the same, which can separate fluids and particles from a sample containing fluids and particles in a disk-shaped platform by using centrifugal force, and quantitatively distribute the separated fluids. The purpose is to provide.
본 발명의 일 실시형태에 따른 원심력 기반의 미세유동장치는, 회전 가능한 디스크형 플랫폼; 상기 플랫폼 일측에 배치된 시료 주입구; 일 단이 상기 시료 주입구와 연결되고, 상기 디스크형 플랫폼의 바깥쪽으로 연장되어, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 입자를 포함하는 시료를 상기 디스크형 플랫폼의 회전에 의해 입자와 유체로 원심분리하는 공간을 제공하는 유체 분리부; 및 상기 유체 분리부와 연결되고, 각각 개별적으로 구동되며, 상기 유체 분리부 내의 분리된 유체 중 미리 정해진 부피의 유체를 상기 디스크형 플랫폼의 회전에 의해 배출할 수 있는 위치에 배치된 적어도 하나의 출구 밸브를 포함한다. Centrifugal force-based microfluidic device according to an embodiment of the present invention, the rotatable disk-like platform; A sample inlet disposed on one side of the platform; One end is connected to the sample inlet, and extends to the outside of the disk-shaped platform, a space for centrifuging the sample containing particles injected through the sample inlet with particles and fluid by the rotation of the disk-shaped platform Providing a fluid separator; And at least one outlet connected to the fluid separator, each driven separately, and disposed at a position capable of discharging a predetermined volume of fluid among the separated fluids in the fluid separator by rotation of the disk-like platform. It includes a valve.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 미세유동장치는 상기 유체 분리부의 반지름 방향 바깥쪽 끝 부분에 연결되게 배치되고, 상기 유체 분리부와 연결되어 원심분리에 의해 분리된 입자들이 모일 수 있도록 확장된 공간을 제공하는 입자 분리부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 입자 분리부는 그 깊이가 상기 유체 분리부보다 깊고, 상기 유체 분리부와의 경계에 단차가 존재하도록 형성된 것일 수 있다. 또한, 상기 유체 분리부는 그 깊이가 일정한 것일 수도 있고, 상기 디스크형 플랫폼의 바 깥쪽으로 갈수록 점차 그 깊이가 깊어지는 것일 수도 있다. The microfluidic device according to another embodiment of the present invention is arranged to be connected to the radially outer end of the fluid separation part, and is connected to the fluid separation part to expand the space to collect particles separated by centrifugation. It may further comprise a particle separator to provide. In this case, the particle separation unit may be formed so that the depth is deeper than the fluid separation unit, the step is present at the boundary with the fluid separation unit. In addition, the depth of the fluid separation unit may be constant, or may be to gradually deepen the depth toward the outside of the disk-like platform.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 미세유동장치는 상기 유체 분리부의 반지름 방향 안쪽 끝 부분에 연결되게 배치되고, 상기 시료 주입구와 연결되어 상기 시료 주입구를 통해 주입되는 시료를 수용하는 시료 저장부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 미세유동장치는 상기 유체 분리부의 반지름 방향 안쪽 부분과 연결되고, 상기 유체 분리부의 용량을 초과하는 잉여 유체를 수용하는 잉여 유체 수거부를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 잉여 유체 수거부는 상기 유체 분리부와 채널을 통해 연결되고, 상기 채널에 수동적으로 또는 능동적으로 개방되는 밸브를 구비한 것일 수 있다. 상기 미세유동장치는 전술한 잉여 유체 수거부를 구비함과 동시에 전술한 입자 분리부를 더 포함할 수도 있다. 이 경우에도 상기 유체 분리부는 그 깊이가 일정한 것일 수도 있고, 상기 디스크형 플랫폼의 바깥쪽으로 갈수록 점차 그 깊이가 깊어지는 것일 수도 있다. The microfluidic device according to another embodiment of the present invention further includes a sample storage unit disposed to be connected to the radially inner end of the fluid separation unit and connected to the sample inlet to receive a sample injected through the sample inlet. can do. In this case, the microfluidic device may further include a surplus fluid collection unit connected to a radially inner portion of the fluid separation unit to receive surplus fluid exceeding a capacity of the fluid separation unit. The excess fluid collection portion may be provided with a valve connected to the fluid separation portion through a channel and passively or actively opening to the channel. The microfluidic device may further include the above-described particle separation unit at the same time as having the above-mentioned excess fluid collection unit. Even in this case, the fluid separation unit may have a constant depth, or may be gradually deepened toward the outside of the disk-like platform.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 상기 유체 분리부는 그 안쪽 부분과 바깥쪽 부분을 잇는 축이 반지름 방향에 대하여 미리 정해진 기울기를 갖도록 배치된 것일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the fluid separation portion may be arranged such that the axis connecting the inner portion and the outer portion has a predetermined slope with respect to the radial direction.
상기한 여러 실시형태에 따른 미세유동장치에 있어서, 상기 적어도 하나의 출구 밸브는 초기에 밸브 플러그가 상기 유체 분리부의 출구를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 드레인 챔버로 이동하여 상기 통로를 여는 상전이형 열림 밸브일 수 있다. 상기 밸브 플러그는 상온에서 고체 상을 띠는 상전이 물질에 발열 입자가 분산 된 밸브 물질을 포함하고, 상기 밸브 물질이 외부에너지원으로부터 조사된 전자기파로 인한 열에 의해 용융되는 것일 수 있다. In the microfluidic device according to the various embodiments described above, the at least one outlet valve is initially arranged such that the valve plug closes the outlet of the fluid separation part, and the valve plug is melted by heat, and thus the initial position of the valve plug. It may be a phase-transfer-type opening valve which moves to the drain chamber provided adjacent to and opens the passage. The valve plug may include a valve material in which exothermic particles are dispersed in a phase change material having a solid phase at room temperature, and the valve material may be melted by heat due to electromagnetic waves radiated from an external energy source.
여기서, 상기 상전이 물질은 왁스, 겔, 열가소성 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나일 수 있고, 상기 발열 입자는 직경이 1 nm 내지 100 ㎛ 인 것일 수 있다. 또한 상기 발열 입자는 외부로부터 전자기파를 흡수하여 열에너지로 변환하는 코어(core)와 상기 코어를 둘러싸는 쉘(shell)로 이루어진 것일 수 있다. 상기 발열 입자는 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot), 금 나노입자, 은 나노입자, 금속화합물 비드, 탄소입자 및 자성비드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것일 수도 있다. Here, the phase change material may be at least one selected from the group consisting of wax, gel, and thermoplastic resin, and the exothermic particles may have a diameter of 1 nm to 100 μm. In addition, the heating particles may be composed of a core that absorbs electromagnetic waves from the outside and converts them into thermal energy, and a shell surrounding the core. The exothermic particles may be at least one selected from the group consisting of polymer beads, quantum dots, gold nanoparticles, silver nanoparticles, metal compound beads, carbon particles, and magnetic beads.
본 발명에 따른 미세유동장치를 포함하는 원심력 기반의 미세유동시스템은, 전술한 여려 실시형태 중 어느 하나의 원심력 기반의 미세유동장치; 상기 미세유동장치를 지지하고 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부; 상기 미세유동장치 내에서 선택된 밸브를 개별적으로 구동하는 밸브 구동 유닛을 포함한다. A centrifugal force-based microfluidic system including a microfluidic device according to the present invention includes a centrifugal force-based microfluidic device of any one of the above-described embodiments; A rotation drive unit for supporting and controlling the microfluidic device and controlling the microfluidic device; And a valve drive unit for individually driving the selected valve in the microfluidic device.
여기서, 상기 밸브 구동 유닛은 상기 밸브 내의 발열 입자의 발열을 유도할 수 있는 전자기파를 방출하는 외부에너지원; 및 상기 외부에너지원으로부터 조사된 전자기파가 상기 선택된 밸브에 대응되는 영역에 집중적으로 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 포함할 수 있다. 이때, 상기 외부에너지원 조정수단은 상기 미세유동장치의 플랫폼을 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함하는 것일 수도 있고, 상기 미세유동장치의 플랫폼을 향해 설치된 상기 외부에 너지원을 상기 플랫폼과 평행한 평면상에서 직교좌표에 따라 두 방향으로 이동시키는 평면 이동수단을 포함하는 것일 수도 있다. Here, the valve drive unit is an external energy source for emitting electromagnetic waves that can induce heat generation of the heat generating particles in the valve; And an external energy source adjusting means for adjusting the position or direction of the external energy source so that the electromagnetic waves radiated from the external energy source intensively reach a region corresponding to the selected valve. At this time, the external energy source adjusting means may include a linear moving means for moving the external energy source installed toward the platform of the microfluidic device in the radial direction of the rotating body, or toward the platform of the microfluidic device. It may include a planar moving means for moving the external support installed in two directions on a plane parallel to the platform in accordance with a rectangular coordinate.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명한다. 첨부된 도면들에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다. 도시된 챔버 및 채널 등의 구조물은 그 형상이 단순화되고, 그 크기의 비가 실제와 달리 확대되거나 축소된 것일 수 있다. 한편, 여기서 시료는 혈액, 타액, 소변 등의 생체시료를 포함하여 유체와 상기 유체보다 밀도가 높은 입자가 섞여있는 물질을 지칭한다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the accompanying drawings indicate like elements. Structures such as chambers and channels shown are simplified in shape, and ratios of the sizes may be enlarged or reduced in reality. On the other hand, the sample here refers to a substance containing a fluid and particles having a higher density than the fluid, including biological samples such as blood, saliva, urine.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동장치의 일 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따르면, 원심력 기반의 미세유동장치(100)는 디스크 형상의 플랫폼(21)과 상기 플랫폼(21) 내에 유체가 수용될 수 있는 공간이나 흐를 수 있는 유로를 제공하는 구조물들(30,40,49,82,811,822, 등)을 포함한다. 1 is a plan view showing an embodiment of a microfluidic device according to the present invention. According to the present embodiment, the centrifugal force-based
상기 디스크형 플랫폼(21)은 성형이 용이하고, 그 표면이 생물학적으로 비활성인 아크릴, PDMS 등의 플라스틱 소재로 만들어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 화학적, 생물학적 안정성과 광학적 투명성 그리고 기계적 가공성을 가지는 소재이면 족하다. 상기 디스크형 플랫폼(21)은 여러 층의 판으로 이루어질 수 있다. 판과 판이 서로 맞닿는 면에 챔버나 채널 등에 해당하는 음각 구조물을 만들고 이들을 접합함으로써 상기 플랫폼(21) 내부에 공간과 통로를 제공할 수 있다. 판과 판의 접합은 접착제나 양면 접착테이프를 이용한 접착이나 초음파 융착, 레이저 용접 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. The disk-
상기 미세유동장치(100)는 플랫폼(21)의 회전에 의해 입자가 포함된 시료를 유체와 입자로 원심분리할 수 있는 유체 분리부(40)를 포함한다. 상기 도 1에 도시된 유체 분리부(40)는 채널 형태를 띠고 있으나, 그 형상에는 제한이 없다. 다만, 길이 방향과 폭 방향 중 상대적으로 그 규격이 큰 길이 방향이 상기 플랫폼(21)의 안쪽(중심에서 가까운 쪽)부터 바깥쪽(중심에서 먼 쪽)으로 놓여지도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 유체 분리부(40)의 크기에도 제한은 없다. 그 크기는 상기 플랫폼(21)의 크기와 두께 그리고, 원심분리 및 분배하고자 하는 시료의 양과 섞여있는 입자의 크기 등에 따라 결정될 수 있다.The
상기 유체 분리부(40)의 안쪽 끝 부분에는 외부로부터 시료를 주입할 수 있는 시료 주입구(31)가 마련된다. 한편 상기 시료 주입구(31) 및 상기 유체 분리부(40)와 연결되고, 상기 시료 주입구(31)를 통해 주입되는 시료를 일차적으로 수용하였다가 상기 플랫폼(21)의 회전 시에 시료를 상기 유체 분리부(31)로 공급하는 시료 저장부(30)를 더 포함할 수도 있다. 상기 시료 저장부(30)는 도시된 바와 같이 챔버 형상을 가질 수 있다. 상기 유체 분리부(40)의 바깥쪽 끝 부분에는 시료가 상기 시료 주입구(31) 쪽으로부터 이송되어 들어올 수 있도록 배기하는 배기 채널(49)이 연결된다. 상기 배기 채널(49)의 배기구(491)는 원심력에 의한 시료의 원심분리 시에 유체가 누출되는 것을 방지하기 위해 상기 유체 분리부(40)의 안쪽 끝보다 더 플랫폼(21)의 중심에 가깝게 배치된다. A
상기 유체 분리부(40)의 중간(상기 안쪽 끝 부분과 상기 바깥쪽 끝 부분의 사이) 부분에는 적어도 하나의 출구 밸브가 배치된다. 상기 도 1의 실시예에 따른 미세유동장치(100)는 두 개의 출구 밸브(231, 232)를 구비하고 있다. 출구 밸브(231, 232)가 둘 이상인 경우 상기 출구 밸브(231, 232)들은 각각 개별적으로 구동되고, 바람직하게는 상기 플랫폼(21)의 중심에 가까운 쪽에 배치된 것부터 구동될 수 있다. 상기 두 개의 출구 밸브를 각각 제1 출구 밸브(231)와 제2 출구 밸브(232)라 할 때, 상기 미세유동장체(100)에서 제1 출구 밸브(231)를 열고 상기 플랫폼(21)을 회전시키면, 상기 유체 분리부(40) 내에서 상기 제1 출구 밸브(231)보다 안쪽에 있는 유체(V1)가 제1 분배 채널(811)을 통해 배출되고, 상기 제2 출구 밸브(232)를 열고 상기 플랫폼(21)을 회전시키면, 상기 유체 분리부(40) 내에서 상기 제1 출구 밸브(231)와 상기 제2 출구 밸브(232) 사이에 있는 유체(V2)가 제2 분배 채널(821)을 통해 배출되어 시험 유닛(82)으로 이송된다. 이와 같은 구성을 통해 본 발명에 따른 미세유동장치(100)는 입자가 포함된 시료를 유체와 입자로 원심분리하고, 분리된 유체를 미리 정해진 일정한 부피로 나누어 분배할 수 있다. At least one outlet valve is disposed in a middle portion (between the inner end portion and the outer end portion) of the
여기서, 정량 분배된 유체를 수용하는 상기 시험 유닛(82)은 상기 미세유동장치(100)의 용도에 따라 다양하게 마련될 수 있다. 상기 도 1에는 상기 시험 유닛(82)이 단순하게 챔버 형상으로 도시되었으나, 상기 시료로부터 분리되어 정량 분배된 유체를 이용하는 것으로서 상기 디스크형 플랫폼(21) 내에 마련될 수 있는 것이면 어떤 유닛이라도 상기 시험 유닛(82)에 해당할 수 있다. Here, the
도 2a는 상기 도 1에서 유체 분리부를 보이는 Ⅱ-Ⅱ' 단면을 도시한 단면도이다. 상기 디스크형 플랫폼(21)은 상판(212)과 하판(211)으로 구성되고, 상기 하판(211)의 상면이 음각되어 상기 유체 분리부(40)의 공간을 제공하고 있다. 이때, 상기 유체 분리부(40)는 플랫폼(21)의 안쪽부터 바깥쪽까지 그 깊이가 일정한 것일 수 있다. 즉, 상기 유체 분리부(40)의 바닥(411)이 그 전체에 걸쳐서 평평하게 형성될 수 있다. FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a II-II 'cross section showing a fluid separator in FIG. 1. The disk-shaped
한편, 도 2b는 상기 도 2a에 도시된 유체 분리부 바닥의 변형예를 도시한 단면도이다. 상기 도 2b의 변형예에 따르면, 상기 유체 분리부(40)는 그 깊이가 바깥쪽으로 갈수록 깊어지는 것일 수 있다. 즉, 상기 유체 분리부(40)의 바닥(412)이 상기 플랫폼(21)의 바깥쪽으로 갈수록 낮아지는 경사를 이루도록 형성될 수 있다. 시료를 원심분리할 때, 상대적으로 무거운 입자들은 원심력과 함께 중력의 영향을 받아 대체로 상기 유체 분리부(40)의 바닥(412)을 따라 바깥쪽으로 이동하게 된다. 이때, 이와 같이 경사진 바닥(412)이 바깥쪽으로 모여드는 입자들과 안쪽으로 이동하는 유체의 상호 간섭을 줄여서 더 짧은 시간 안에 원심분리가 일어나도록 도울 수 있다. 2B is a cross-sectional view illustrating a modified example of the bottom of the fluid separator shown in FIG. 2A. According to the modified example of FIG. 2B, the
도 3은 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 원심력 기반의 미세유동장치(101)는 상기 도 1의 실시예에 따른 상기의 미세유동장치(100)와 비교하여, 상기 유체 분리부(40)의 바깥쪽 끝 부분에 원심분리에 의해 모인 입자들을 수용할 수 있는 입자 분리부(42)를 더 구비한다. 이때, 상기 유체 분리부(40)와 상기 입자 분리부(42)의 경계에는 그 깊이가 불연속적으로 변함으로써 형성된 단차(421)가 존재할 수 있다. 상기 단차(421)에 의해 일단 분리된 입자들이 유체 분배 시에 상기 유체 분리부(40) 쪽으로 역류하는 것을 줄일 수 있다. 3 is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention. The centrifugal force-based
도 4a는 상기 도 3에서 유체 분리부를 보이는 Ⅳ-Ⅳ' 단면을 도시한 단면도이고, 도 4b는 상기 도 4a에 도시된 유체 분리부 바닥의 변형예를 도시한 단면도이다. 입자 분리부(42)가 더 포함된 미세유동장치(101)의 경우에도 앞서 설명한 바와 같이, 상기 유체 분리부(40)의 깊이가 일정할 수도 있고, 플랫폼(21)의 바깥쪽으로 갈수록 깊어질 수도 있다. FIG. 4A is a cross-sectional view illustrating a IV-IV 'cross section showing the fluid separator in FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view showing a modified example of the bottom of the fluid separator shown in FIG. 4A. In the case of the
도 5는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따르면, 원심력 기반의 미세유동장치(102)는 상기 도 3의 미세유동장치(101)와 비교하여, 잉여 유체 수거부(50)를 더 포함할 수 있다. 상기 잉여 유체 수거부(50)는 채널(501)을 통해 상기 유체 분리부(40)의 안쪽 끝 부분과 연결되고, 상기 채널(501)에는 평상시 유체의 흐름을 차단하고 작동시 유체를 통과시키는(normally closed) 밸브(233)를 구비한다. 상기 밸브(233)는 모세관(capillary) 밸브 또는 소수성(hydrophobic) 밸브와 같이 일정 이상의 압력이 걸리면 수동적으로 개방되는 밸브일 수도 있고, 작동 신호에 의해 외부로부터 동력 또는 에너지를 받아 능동적으로 개방되는 밸브일 수도 있다. 5 is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention. According to the present embodiment, the centrifugal force-based
상기 밸브(233)가 수동 밸브인 경우를 예로 들어 상기 잉여 유체 수거부(50)의 기능을 설명한다. 상기 시료 주입구(31)를 통해 상기 유체 분리부(40)의 용량을 초과하는 시료가 주입되면, 원심분리 동작 시에 상기 채널(501)이 연결된 부분에 작용하는 잉여 유체의 압력에 의해 상기 밸브(233)가 열리고, 잉여 유체가 상기 잉여 유체 수거부(50) 내에 수거된다. 상기 잉여 유체 수거부(50) 역시 배기 채널(59) 및 그와 연결된 배기구(591)를 가지는 것은 물론이다. 상기 잉여 유체 수거 부(50)를 포함하는 미세유동장치(102)는 최초에 수작업으로 시료를 주입할 때 다소 오차가 발생하더라도 정량의 유체를 분배할 수 있다. The case where the
여기서는 상기 도 3 내지 도 5의 실시예에 따른 미세유동장치(101)에 상기 잉여 유체 수거부(50)를 추가하였으나, 상기 도 1 내지 도 3에 도시된 미세유동장치(100)나 아래에서 설명될 도 6a의 미세유동장치(103)에도 상기 잉여 유체 수거부(50)를 추가할 수 있음은 물론이다. Here, the surplus
도 6a는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따르면, 원심력 기반의 미세유동장치(103)는 그 안쪽 부분과 바깥쪽 부분을 잇는 축이 반지름 방향에 대하여 미리 정해진 기울기(θ)를 갖도록 배치된 유체 분리부(44)를 구비할 수 있다. 본 실시예에서 상기 유체 분리부(44)의 배치를 제외한 다른 부분은 상기 도 1 내지 도 5에 도시된 실시예들(100, 101, 102) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 실시예의 특징부들이 조합된 형태와 동일할 수 있다. Figure 6a is a plan view showing another embodiment of a microfluidic device according to the present invention. According to the present embodiment, the centrifugal force-based
상기 도 6a에 도시된 바와 같이, 반지름 방향에 대하여 기울기(θ)를 갖도록 배치된 유체 분리부(44)는 상기 미세유동장치(103) 내에서 시료를 원심분리할 때 상대적으로 밀도가 높은 입자들이 바깥쪽으로 이동하는 경로와 상대적으로 밀도가 낮은 유체가 안쪽으로 이동하는 경로를 분리하여, 입자와 유체의 상호 간섭을 줄임으로써 원심분리 속도를 향상시킨다. 원심분리 시 밀도가 다른 물질의 이동 경로를 분리하여 원심분리 속도를 향상시키는, 기본 원리는 일명 "Boycott Effect"라 하여 미국특허 US 5,588,946호에 개시된 바 있다. 본 실시예에 따른 미세유동장치(103) 는 시험관이 아닌 디스크형 플랫폼(21) 내에서도 이와 같은 원리를 이용하여 원심분리 속도를 향상시키도록 하였다. 여기서, 상기 유체 분리부(44)의 기울기(θ)는 원심분리하고자 하는 시료에 포함된 입자의 크기 및 유체의 점도 등에 따라 달리 정해질 수 있다. As shown in FIG. 6A, the
도 6b는 상기 도 6a의 실시예에서 반지름 방향에 대한 유체 분리부의 각도를 여러 가지로 배치한 경우의 원심분리 속도를 보이는 실험 사진이다. 사진에 보이는 세 개의 유체 분리부 중 왼쪽은 그 길이방향 중심축이 디스크형 플랫폼의 반지름 방향과 일치하게 배치된 것이고, 가운데는 반지름 방향에 대하여 15도의 기울기를, 그리고 오른쪽은 반지름 방향에 대하여 30도의 기울기를 갖도록 배치되었다. 본 실험은 유체 분리부의 기울기에 따른 원심분리 속도를 확인하기 위한 것이므로 사진의 미세유동장치에서는 유체 분리부와 연결된 출구 밸브는 따로 마련하지 않았다. FIG. 6B is an experimental photograph showing the centrifugal velocity in the case where various angles of the fluid separator with respect to the radial direction are arranged in the embodiment of FIG. Of the three fluid splitters shown in the picture, the left side has its longitudinal center axis aligned with the radial direction of the disc platform, the center has a 15 degree inclination with respect to the radial direction, and the right side has a 30 degree with respect to the radial direction. It was arranged to have a slope. This experiment is to check the centrifugation speed according to the inclination of the fluid separator, so in the microfluidic device of the picture, there is no separate outlet valve connected to the fluid separator.
상기 도 6b는 구체적으로 전혈(whole blood)과 PBS 버퍼를 1:1로 혼합한 70㎕의 시료를 전술한 시료 주입구를 통해 주입하고, 약 80초 동안 원심분리한 결과를 보인다. 확인을 돕기 위해 각각의 유체 분리부에 센티미터(cm) 단위의 눈금을 표시하였다. 상기 도 6b를 보면, 기울기가 0도인 왼쪽의 유체 분리부에서는 대략 0 눈금 안쪽으로만 혈청이 분리되었다. 이에 비해 기울기가 15도인 가운데의 유체 분리부에서는 대략 0.2 눈금까지 혈청이 분리되었고, 기울기가 30도인 오른쪽의 유체 분리부에서는 대략 2.25 눈금까지 혈청이 분리된 것을 사진을 통해 확인할 수 있다. 이것으로서 상기 유체 분리부의 기울기가 디스크형 플랫폼 내에서의 원심분리 속도의 향상에 기여하고 있음을 알 수 있다. 6B specifically shows 70 μl of a sample in which 1: 1 whole blood and PBS buffer are mixed through the above-described sample inlet, and centrifuged for about 80 seconds. Scales in centimeters (cm) were marked on each fluid separator to aid identification. Referring to FIG. 6B, the serum was separated only in the inside of the 0 scale from the fluid separation unit on the left side with a slope of 0 degrees. On the other hand, the serum was separated up to about 0.2 scale in the fluid separation unit with a slope of 15 degrees, and the serum was separated up to about 2.25 scale in the fluid separation unit at the right side with a slope of 30 degrees through a photograph. It can be seen that the inclination of the fluid separation unit contributes to the improvement of the centrifugation speed in the disk-like platform.
도 7은 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6의 미세유동장치에 채용된 열림 밸브를 도시한 평면도이고, 도 8은 상기 도 7의 열림 밸브의 Ⅷ-Ⅷ' 단면을 보이는 단면도이다. 상기 제1 출구 밸브(231)로서 채용될 수 있는 열림 밸브를 예로 들어 설명한다. FIG. 7 is a plan view illustrating an opening valve employed in the microfluidic devices of FIGS. 1, 3, 5, and 6, and FIG. 8 is a cross-sectional view of the opening valve of FIG. An opening valve that can be employed as the
열림 밸브(231)는 상온에서 고체 상태인 밸브 물질로 만들어진 밸브 플러그(223)를 포함한다. 상기 밸브 물질로는 상온에서 고체 상태인 상전이 물질에 발열 입자가 분산되어 있는 재료를 사용할 수 있다. 상기 고체 상태의 상기 밸브 플러그(223)가 배치된 초기 위치에 인접한 상기 채널(221L, 221R)의 상류 및 하류에는 그 폭 또는 깊이가 확장되어 여유 공간을 제공하는 한 쌍의 드레인 챔버(222L, 222R)가 배치된다. 다만, 상기 도 7에 도시된 형태는 열림 밸브(231)가 채널 중간에 배치된 일반적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6에서와 같이, 챔버 구조물 또는 다른 채널 구조물의 측면에 출구 밸브로 적용되는 때는 상기 한 쌍의 드레인 챔버(222L, 222R) 중 어느 하나, 예를 들면 상기 도 7에서 왼쪽의 드레인 챔버(222L)는 상기 챔버 구조물 또는 다른 채널 구조물의 일부분으로 대체될 수 있다. Opening
상기 밸브 플러그(223)는 상온에서 개구부(223A)를 중심으로 채널(221L, 221R)의 소정 부분을 빈틈없이 막아 입구(I) 측으로부터 유입되는 유체(F)의 흐름을 차단한다. 상기 밸브 플러그(223)는 고온에서 용융되어 상기 채널(221L, 221R)의 상, 하류 측에 인접하게 배치된 상기 드레인 챔버(222L, 222R)로 이동하여, 유체(F)의 유로를 개방한 채로 다시 응고된다. 상기 개구부(223A)는 미세유동장치 제 작시에 용융된 밸브 물질을 투입하여 밸브 플러그를 형성할 수 있는 주입구 역할도 수행한다. The
상기 밸브 플러그(223)에 열을 가하기 위해서 상기 미세유동장치 외부에는 외부에너지원(도 12의 130L 및 도 13의 130P 참고)이 배치되고, 상기 외부에너지원(130L)이 상기 밸브 플러그(223)의 초기 위치 즉, 상기 개구부(223A)와 그 주변을 포함하는 영역에 전자기파를 조사한다. 이때, 상기 외부에너지원(130L)은 예를 들면, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원일 수 있고, 그 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 상기 레이저 광원은 펄스 레이저를 조사하는 경우 1 mJ/pulse 이상의 에너지를 갖는 펄스 레이저를, 연속파동 레이저를 조사하는 경우 10 mW 이상의 출력을 갖는 연속파동 레이저를 조사할 수 있다. In order to apply heat to the
아래에서 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명한 실험에서는 808 ㎚ 파장의 레이저를 조사하는 레이저 광원을 사용하였으나, 반드시 이 파장의 레이저 빔을 조사하는 것에 한정되는 것은 아니며, 400 내지 1300 ㎚의 파장을 갖는 레이저를 조사하는 레이저 광원이면, 상기 미세유동시스템의 외부에너지원(130L)으로 채용될 수 있다. In the experiment described below with reference to FIGS. 9 to 11, a laser light source for irradiating a laser of 808 nm wavelength was used, but is not necessarily limited to irradiating a laser beam of this wavelength, and has a wavelength of 400 to 1300 nm. If it is a laser light source for irradiating a laser, it may be employed as an
전술한 채널(222L, 222R)은 디스크형 플랫폼(21)을 이루는 상판(212) 또는 하판(211) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 상판(212)은 외부에너지원에서 조사된 전자기파가 상기 밸브 플러그(223)에 입사할 수 있도록 투과시키고, 외부에서 유체(F)의 흐름을 관측할 수 있도록 할 수 있는, 광학적으로 투명한 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 그 예로서, 유리 또는 투명 플라스틱 소 재는 광학적 투명성이 우수하고, 제조 비용이 저렴하다는 면에서 유리하다. The above-described
상기 밸브 플러그(223)에 분산된 발열 입자는 대략 수천 마이크로미터(㎛) 정도의 폭을 갖는 채널(221L, 222R) 내에서 자유롭게 유동 가능하도록 1 nm 내지 100 ㎛ 의 직경을 갖는 것일 수 있다. 상기 발열 입자는 레이저가 조사되면 그 복사 에너지에 의해 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 발열 입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性)을 띤 쉘(shell)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 발열 입자는 강자성 물질인 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)으로 이루어진 쉘을 구비한 구조를 가질 수 있다. 통상적으로, 상기 발열 입자들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 보관된다. 소수성 표면구조를 갖는 상기 발열 입자가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성인 것이 바람직하다. 왁스에 상기 발열 입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 상기 밸브 플러그(83)의 소재를 제조할 수 있다. 상기 발열 입자의 입자 형태는 상기 예로써 든 형태에 한정되는 것은 아니며, 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dots), 금 나노입자(Au nanoparticles), 은 나노입자(Ag nanoparticles), 금속화합물 비드(beads with metal composition), 탄소입자(carbon particles) 또는 자성비드(magnetic bead)일 수도 있다. 상기 탄소입자에는 흑연(graphite)입자도 포함된다.The exothermic particles dispersed in the
상기 밸브 플러그(223)를 이루는 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 발열 입자들이 흡수한 전자기파의 에너지를 열에너지의 형태로 주위에 전달하면 왁 스는 이로 인해 용융되어 유동성을 가지게 되며, 이로써 플러그(223)가 붕괴되고 유체(F)의 유로가 개방된다. 상기 플러그(223)를 구성하는 왁스는 적당한 녹는점을 가지는 것이 바람직하다. 녹는점이 너무 높으면 레이저 조사를 시작한 후 용융될 때까지 시간이 오래 소요되어 개방 시점의 정밀한 제어가 어려워지고, 반대로 녹는점이 너무 낮으면 레이저가 조사되지 않은 상태에서 부분적으로 용융되어 유체(F)이 누출될 수도 있기 때문이다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다. The phase change material constituting the
한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC, PMMA, PC, PS, POM, PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PSU, 또는 PVDF 등이 채용될 수 있다.The phase change material may be a gel or a thermoplastic resin. As the gel, polyacrylamide, polyacrylates, polymethacrylates, polyvinylamides, or the like may be employed. In addition, as the thermoplastic resin, COC, PMMA, PC, PS, POM, PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PSU, or PVDF may be employed.
도 9는 상기 도 7의 열림 밸브의 작동 모습을 보이는 일련의 고속촬영 사진들이다. 전술한 열림 밸브의 반응 시간을 측정한 실험의 결과는 다음과 같다. 실험을 위한 테스트 칩(미세유동 칩)에서 작동 유체의 압력은 46kPa로 유지하였다. 압력 유지를 위해 시린지 펌프(Havard PHD2000, USA)와 압력 센서(MPX 5500DP, Freescale semiconductor Inc., AZ, USA)를 사용하였다. 상기 밸브에 전자기파를 조사하는 외부에너지원으로는 방출파장이 808nm이고, 출력이 1.5W인 레이저 광원을 사용하였다. 밸브의 반응 시간에 관한 데이터는 고속촬영 장치(Fastcam-1024, Photron, CA, USA)의 결과물 분석을 통해 얻었다. 상기 밸브 플러그로는 발열 입자인 평균 직경 10nm의 자성비드가 캐리어 오일에 분산된 이른바 자성유체(ferrofluid)와 파라핀 왁스가 1 대 1의 비율로 혼합된, 즉 자성유체의 부피비가 50%인 이른바 자성 왁스를 사용하였다.9 is a series of high-speed photographs showing the operation of the opening valve of FIG. The results of the experiment measuring the reaction time of the aforementioned open valve are as follows. The pressure of the working fluid was maintained at 46 kPa in the test chip (microfluidic chip) for the experiment. A syringe pump (Havard PHD2000, USA) and a pressure sensor (MPX 5500DP, Freescale semiconductor Inc., AZ, USA) were used to maintain the pressure. As an external energy source for irradiating the electromagnetic wave to the valve, a laser light source having an emission wavelength of 808 nm and an output power of 1.5 W was used. Data on the reaction time of the valves were obtained through analysis of the results of the high speed imaging device (Fastcam-1024, Photron, CA, USA). The valve plug is a so-called magnetic fluid in which a ferrofluid and paraffin wax, in which magnetic beads having an average diameter of 10 nm, which are exothermic particles, are dispersed in a carrier oil, are mixed in a ratio of 1 to 1, that is, a volume ratio of magnetic fluid is 50%. Wax was used.
상기 열림 밸브의 밸브 플러그에 레이저 빔을 조사하기 시작한 때로부터 상기 밸브 플러그가 용융되어 채널이 열릴 때까지의 반응 시간은 0.012초였다. 종래의 왁스 밸브의 반응 시간이 2 내지 10초였던 점에 비교하면 월등히 빠른 반응임을 알 수 있다. The reaction time from when the valve plug of the opening valve was irradiated with a laser beam until the valve plug was melted to open the channel was 0.012 seconds. It can be seen that the reaction time of the conventional wax valve was much faster than the reaction time was 2 to 10 seconds.
도 10은 상기 도 7의 열림 밸브에서 밸브 플러그에 포함된 자성유체의 부피비와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다. 대체로 자성유체의 부피비(volume fraction)가 커지면서 반응 시간이 짧아지는 추이를 보인다. 그러나, 이와 별개로 자성유체의 부피비가 70% 이상으로 커지면 밸브 플러그의 최대 허용압력(maximum hold-up pressure)이 낮아지는 경향이 있다. 따라서, 상기 밸브 유닛에서 밸브 플러그에 포함될 자성유체의 부피비는 반응 시간에 대한 요구와 최대 허용압력에 대한 요구의 절충에 의해 정해질 수 있다. FIG. 10 is a graph showing a relationship between a volume ratio of a magnetic fluid included in a valve plug and a valve reaction time in the opening valve of FIG. 7. In general, the reaction time is shortened as the volume fraction of the magnetic fluid increases. However, apart from this, when the volume ratio of the magnetic fluid increases to 70% or more, the maximum hold-up pressure of the valve plug tends to be lowered. Thus, the volume ratio of the magnetic fluid to be included in the valve plug in the valve unit can be determined by a compromise between the demand for reaction time and the demand for maximum allowable pressure.
도 11은 상기 도 7의 열림 밸브의 구동시에 외부에너지원으로 사용되는 레이저 광원의 파워와 밸브 반응시간의 관계를 보이는 그래프이다. 출력이 높아질수록 반응 시간이 짧아지는 추이를 보인다. 그런데, 레이저 광원의 출력이 1.5W에 근접하면 반응 시간의 변화가 완만해지고, (그래프에 표시되지는 않았으나) 1.5W를 넘어서면 소정의 최소 반응으로 수렴한다. 파라핀 왁스를 통한 열 전도율의 제약이 따르기 때문이다. 상기 실험에서는 이와 같은 이유로 출력이 1.5W인 레이저 광원을 사용하였다. 그러나, 본 발명의 외부에너지원이 여기에 한정되는 것은 아니다. FIG. 11 is a graph showing a relation between a valve reaction time and a power of a laser light source used as an external energy source when the opening valve of FIG. 7 is driven. The higher the output, the shorter the reaction time. By the way, when the output of the laser light source approaches 1.5W, the change in the reaction time is gentle, and when it exceeds 1.5W (although not shown in the graph), it converges to a predetermined minimum response. This is because of the constraints of thermal conductivity through paraffin wax. In this experiment, a laser light source having a power of 1.5 W was used for this reason. However, the external energy source of the present invention is not limited thereto.
도 12는 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6 중 어느 하나의 미세유동장치를 포함하는 미세유동시스템의 일 실시예를 보이는 사시도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동시스템은 전술한 본 발명의 미세유동장치(100~103)를 포함한다. 여기서는 상기 도 1의 미세유동장치(100)를 포함하는 시스템을 예로 들어 설명한다. 본 실시예에 따른 미세유동시스템은 전술한 개별 구동 방식의 출구 밸브(231, 232 등)에 소정의 전자기파를 조사하여 에너지를 공급하는 외부에너지원(130L)을 포함한다. 상기 외부에너지원(130L)은 마이크로웨이브, 적외선, 가시광선, 자외선 및 X-선 등 다양한 파장의 전자기파 중에서 선택된 소정 파장대의 전자기파를 조사할 수 있는 장치일 수 있다. 또한, 이러한 전자기파를 근거리의 표적에 집중적으로 조사할 수 있는 장치이면 더 바람직하다. 상기 외부에너지원(130L)의 파장은 상기 밸브 물질에 포함된 발열 입자에 의해 흡수가 잘 되는 범위인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 외부에너지원(130L)에서 전자기파를 발생시키는 소자는 발열 입자(M)의 소재 및 표면 조건에 따라 적절히 선택될 수 있다. 상기 외부에너지원(130L)은 예를 들면, 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원일 수 있고, 그 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 레이저 빔의 파장과 출력 등 세부적인 사항은 주 사용 대상인 미세유동장치(100)의 상전이 밸브에 포함된 발열 입자의 종류에 따라서 정해질 수 있다. 12 is a perspective view showing an embodiment of a microfluidic system including the microfluidic device of any one of FIGS. 1, 3, 5, and 6. Microfluidic system according to an embodiment of the present invention includes the microfluidic device (100 ~ 103) of the present invention described above. Here, the system including the
상기 미세유동시스템은 상기 외부에너지원(130L)의 위치 또는 방향을 조정하 여, 이로부터 조사된 전자기파가 상기 미세유동장치(100) 중의 원하는 영역에, 구체적으로는 상기 미세유동장치(100)에 포함된 적어도 하나의 출구 밸브(231,232) 중 선택된 어느 하나에 해당하는 영역에 집중적으로 도달할 수 있도록 하는 외부에너지원 조정수단(미도시)를 포함한다. 상기 도 12의 미세유동시스템에서 외부에너지원 조정수단(미도시)은 미세유동장치(100)의 플랫폼(21)을 향해 설치된 상기 외부에너지원(130L)을 그 위에 표시된 화살표 방향, 즉 플랫폼(21)의 반지름 방향으로 움직일 수 있다. 상기 외부에너지원(130L)을 직선 이동시키는 메커니즘은 다양하게 제공될 수 있으며, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이므로 본 명세서에서는 그에 대한 설명을 생략한다. The microfluidic system adjusts the position or direction of the
한편, 상기 미세유동시스템은 상기 플랫폼(21)을 구동하는 회전 구동부(140)를 포함한다. 도면에 도시된 회전 구동부(140)는 상기 플랫폼(21)을 안착시키고, 회전력을 전달하기 위한 일 부분이고, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 플랫폼(21)을 원하는 속도로 또는 원하는 각도만큼 회전시킬 수 있는 모터 및 그와 관련된 부품들을 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원 조정수단(미도시)과 마찬가지로 상기 회전 구동부(140)에 대한 구체적인 구성의 예는 본 명세서에서 생략하기로 한다. 상기 도 12의 미세유동시스템에서 상기 외부에너지원(130L)은 상기 외부에너지원 조정수단(미도시)과 상기 회전 구동부(140)의 도움으로 전자기파를 상기 미세유동장치(100) 중의 선택된 영역에 집중적으로 조사할 수 있다. On the other hand, the microfluidic system includes a
한편, 본 발명에 따른 미세유동시스템은 상기 미세유동장치(100)를 이용한 원심분리의 결과 및 상기 미세유동장치(100)에 포함 가능한 다른 기능성 유닛들을 이용한 다양한 실험의 결과를 광학적으로 관측할 수 있는 광검출부(150)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 상기 광검출부(150)는 원심분리 및 정량 분배된 혈청이 시험 유닛(도 1 참조)(82)으로 이송되었을 때, 상기 혈청과 상기 시험 유닛(82) 내에 미리 주입되어 있던 시약(예를 들면, 혈청 내에 특정 항체 또는 항원이 존재하는지 여부를 형광 발현을 통해 알려주는 시약)과의 반응을 광학적으로 검출할 수 있도록 하는 것일 수 있다. On the other hand, the microfluidic system according to the present invention can optically observe the results of centrifugation using the
도 13은 상기 도 1, 도 3, 도 5 및 도 6 중 어느 하나의 미세유동장치를 포함하는 미세유동시스템의 다른 실시예를 보이는 사시도이다. 본 실시예에 따른 미세유동시스템에서, 미세유동장치(100)와 회전 구동부(140) 및 외부에너지원(130P) 자체에 관한 사항은 앞서 설명한 도 16의 실시예와 같다. 다만, 본 실시예에 따른 미세유동시스템의 경우, 외부에너지원 조정수단(미도시)은 플랫폼(21)을 향해 설치된 상기 외부에너지원(130P)을 상기 플랫폼(21)과 평행한 평면상에서 서로 직교하는 두 방향(예를 들면, 도면상의 x축과 y축 방향, 화살표 참조)으로 이동시켜 상기 플랫폼(21) 상의 목표 지점에 전자기파가 도달하도록 하는 평면 이동수단을 포함할 수 있다.FIG. 13 is a perspective view illustrating another embodiment of the microfluidic system including the microfluidic device of any one of FIGS. 1, 3, 5, and 6. In the microfluidic system according to the present embodiment, the matters related to the
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 외부에너지 조정수단은 상기 플랫폼(21) 위쪽의 어느 한 지점에 그 위치가 고정된 외부에너지원의 방향을 변화시켜 방출된 전자기파가 목표 지점에 도달하도록 구성될 수도 있다. In addition, although not shown in the drawing, the external energy adjusting means may be configured to change the direction of the external energy source whose position is fixed at a point above the
도 14a 내지 도 14b는 상기 도 5에 도시된 미세유동장치를 이용하여 혈액으로부터 혈장을 분리 및 정량 분배하는 실험예를 보이는 사진들이다. 도 14a는 상기 유체 분리부 내에 시료로서 혈액이 주입된 상태, 즉 원심분리 전의 상태를 보인다. 도 14b는 원심분리에 의해 혈액이 유체인 혈청(유체 분리부 내의 투명한 부분)과 입자인 혈구 등(상기 유체 분리부 말단에 연결된 입자 분리부 내의 불투명한 부분)으로 분리된 상태를 보인다. 도 14c는 유체 분리부에 연결된 제1 출구 밸브를 열고 상기 유체 분리부 내에서 상기 제1 출구 밸브와 잉여 시료 수거부 연결 채널 사이에 있던 10㎕의 혈청을 배출한 모습을 보인다. 도 14d는 마지막으로 제2 출구 밸브를 열고 상기 유체 분리부 내에서 상기 제2 출구 밸브와 상기 제1 출구 밸브 사이에 있던 10㎕의 혈청을 배출한 모습을 보인다. 14A to 14B are photographs showing an experimental example of separating and quantitatively distributing plasma from blood using the microfluidic device shown in FIG. 5. 14A shows a state in which blood is injected as a sample into the fluid separation unit, that is, a state before centrifugation. Fig. 14B shows a state in which blood is separated into serum (fluid portion in the fluid separation portion) and particles such as blood cells (opaque portion in the particle separation portion connected to the end of the fluid separation portion), which are fluids, by centrifugation. FIG. 14C shows the opening of the first outlet valve connected to the fluid separator and discharge of 10 μL of serum between the first outlet valve and the excess sample collection connecting channel within the fluid separator. FIG. 14D finally shows the opening of the second outlet valve and discharging 10 μl of serum that was between the second outlet valve and the first outlet valve in the fluid separation unit.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the preferred embodiment according to the present invention has been described above, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
본 발명에 따른 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템은 디스크 형상의 플랫폼 내에서 유체와 입자를 포함하는 시료로부터 원심력을 이용하여 유체와 입자를 분리하고, 미터링을 위한 별도의 동작 필요 없이 분리된 유체를 정량적으로 분배할 수 있다. The centrifugal force-based microfluidic device and the microfluidic system including the same require a separate operation for separating the fluid and the particles from the sample containing the fluid and the particles using the centrifugal force in the disk-shaped platform and metering. The separated fluid can be quantitatively dispensed without.
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