KR100990016B1 - 입자 선별 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모세관 크기의 폐쇄형 채널 시스템을 통해 이동하는 입자를 선별하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 입자 선별 시스템은 단위 시간당 다량의 입자를 정밀하게 선별하는 수단을 제공하면서도 저렴하게 조립될 수 있는 선별 모듈을 제공하는 것이다. 입자 선별 시스템은 번별율을 증가시키기 위하여 혼합된 복수개의 밀접히 결합된 선별 모듈을 구비할 수도 있다. 입자 선별 시스템은 에러율을 감소시키기 위하여 입자 스트림을 직렬로 선별하기 위한 다단계 선별 장치를 구비할 수도 있다.
입자 선별 장치, 세포 선별, 스크리닝 시스템, 현탁액, 선별 모듈

Description

입자 선별 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SORTING PARTICLES}
본 발명은 2002년 9월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/411,143호 및 2002년 9월 16일자로 출원된 미국 특허 가출원 제60/411,058호에 대한 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다. 또한, 본 발명은 2002년 6월 24일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/179,488호의 일부연속출원인 2002년 12월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제10/329,008에 대한 우선권을 주장하며 그 출원의 일부연속출원으로서, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다.
본 발명은, 선별 모듈의 유입 유로가 다수의 배출 채널로 분할될 수 있는, 현탁액에 포함된 입자를 선별하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명은 복수의 선별 모듈을 상호 연결하여 입자 처리량을 증가시킨 입자 선별 시스템에 관한 것이다.
생물공학, 특히 세포학 및 약제 스크리닝(drug screening) 분야에서, 입자의 고효율 선별에 대한 필요성이 존재한다. 여과를 필요로 하는 입자의 예로는, 혈소판, 백혈구 세포, 종양 세포, 배아 세포 등과 같은 각종 세포가 있다. 이러한 입자는 세포학 분야에서 특히 중요하다. 단백질, 효소 및 폴리-뉴클레오티드와 같은 (거대) 분자종이 있다. 이러한 입자종은 신약의 개발 동안 약제 스크리닝 분야에 서 특히 중요하다.
입자 선별 방법 및 장치는 공지되어 있으며, 대부분의 종래 기술은, 입자가 적어도 분기점 하류를 갖는 채널 네트워크를 통해 유동하는 유체에 부유하고 있으며 또한 검출-결정-편향 원리(detect-dicide-deflect principle)에 따라 관리되는 조건에서 작업한다. 이동 중인 입자는 우선 광흡수, 형광 휘도, 사이즈 등과 같은 일정한 특징에 대하여 분석된다. 검출 단계의 결과에 따라, 입자가 하류측에서 부가적으로 처리되는 방법을 결정한다. 그리고, 결정의 결과를 적용하여 특정 입자의 방향을 예정된 채널 네트워크의 브렌치를 향하여 편향시킨다.
중요한 것은 선별 장치의 처리량, 즉 입자가 단위 시간당 어느 정도로 분류될 수 있는가하는 것이다. 폐쇄형 채널에서 입자 현탁액의 유동을 이용한 선별기의 통상의 선별율은 단일 선별 유닛의 경우에 초당 수백 입자 내지 초당 수천 입자의 범위이다.
선별 장치의 예가 미국 특허 제4,175,662호에 기술되어 있으며, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다. 상기 미국 특허 제4,175,662호에서, 입자, 본 경우에 세포가 직선 채널을 중심을 통해 유동하며, 그 직선 채널은 분기점 하류측(T형 브렌치)에서 두 개의 수직한 채널로 분기한다. 집입하는 입자는 양립성 유체(compatible liquid)로 이루어진 시쓰(sheath)로 에워싸여, 입자가 채널의 중심에 한정된다. 통상의 조건에서, 두 개의 브렌치를 통과하는 유동비는 입자가 브렌치 중 하나를 통과하여 자동적으로 유동하도록 조정된다. 채널의 일 부분에서, 입자 특징은 검출기(예를 들면, 광학 시스템)에 의하여 측정된다(검출 단계). 검출기는 그 검출기가 검출 단계에서 예정된 특징을 가지고 있는 입자를 검출하는 경우에 신호를 발생시킨다. 입자가 검출되면, 편향 단계에서 편향기가 작동하여 입자를 편향시킨다. 이 경우에, 편향기는 그 편향기가 작동하지 않는 상태에서 입자가 정상적으로 통과하여 유동하는 채널 브렌치 내부에 배치된 한 쌍의 전극을 구비한다. 전류 펄스를 인가하면, 수용액이 전기분해되어, 상기 한 쌍의 전극 사이에서 가스 기포가 생성 방출된다. 가스 기포의 크기가 증가하면, 이 브렌치를 통과하는 유량은 방출 단계 동안 감소한다. 전류 펄스가 인가된 이후에, 기포 성장이 정지하면, 가스 기포는 유동을 따라 이동한다. 그 결과, 특정 브렌치를 통과하는 유동은 일시적으로 감소하며, 해당 입자는 유로를 변경하고, 다른 브렌치로 유동한다.
상기 미국 특허 제4,175,662호의 장치는 입자를 선별하는데 효과적이다. 그러나, 유체 네트워크의 소정 지점에 잠재적으로 축적될 수 있는 가스 기포가 발생하는 심각한 결점이 있다. 이러한 기포 발생은 유동 채널을 막아, 선별 에러를 유발한다. 또 다른 결점으로는, 발생된 가스(주로 산호 및 수소)와 이온종(주로 OH- 및 H+)이 한 쌍의 전극을 갖는 브렌치를 통과하여 유동하는 입자에 영향을 미친다. 게다가, 세포, 효소와 같은 민감한 단백질은 매우 취약하며, 가스 기포와 함께 발생된 오염 성분에 의하여 파괴될 수도 있다. 또 다른 결점으로는, 전체 선별 장치의 복잡함에 있다. 특히, 마이크로 전극 구조를 시스템의 작은 채널 내부에 장착 및 조립하는 것은 매우 복잡하다. 그 결과, 선별 유닛의 가격이 비교적 높다.
종래 입자 선별 장치의 또 다른 예가 미국 특허 제3,984,307호에 기재되어 있으며, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다. 상기 미국 특허 제3,984,307호에서, 입자는 유동 시쓰 유체에 의하여 한정된 상태에서 채널 중심을 통해 유동한다. 검출부를 통과한 이후에, 채널은 두 개의 브렌치로 분기하며, 두 브렌치 사이에 예각을 형성한다(예를 들면, Y형 브렌치). 분기점 직전에, 적정의 예정된 특징을 갖는 특정 입자를 검출하기 위하여 채널 내부에는 전기로 작동되는 변환기가 배치된다. 개시된 변환기는 압전 작동기 또는 초음파 변환기로서, 전기 작동 시에 채널 내부에 압력파동을 생성한다. 발생된 압력 파동은 하나의 브렌치 내부의 유동을 일시적으로 교란시켜, 해당 입자를 다른 브렌치로 편향시킨다.
이전에 설명한 장치에서와 같이, 상기 미국 특허 제3,984,307호의 장치에 있어서, 편향기가 채널 시스템 내부에 설치되어, 제조 가격이 비교적 올라간다. 발생된 압력파동은 분기점에 국한되지 않으며, 두 분기점 뿐만 아니라 편향부까지 상류측으로 전달한다. 이것은 채널을 통과하는 전체 유동에 영향을 미친다. 특히, 이것은 고효율 선별 시스템을 구성하는데 있어서 통상적으로 이루어지는 이러한 유형의 선별기를 직렬 또는 병렬로 연결하는 경우에 결점이 된다. 하나의 선별기에서 발생된 압력파동은 인접한 선별 유닛에 있는 입자의 편향 및 유동에 영향을 미친다.
종래 입자 선별 장치의 또 다른 예가 미국 특허 제4,756,427호에 기재되어 있으며, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다. 이 선별기는 상기 미국 특허 제4,175,662호에 개시된 장치와 유사하다. 그러나, 이 특허의 경우에, 브렌치 내부에서의 유동은 브렌치의 저항을 일시적으로 변경시킴으로써 교란된다. 그 저항은 외부 작동기로 브렌치 채널의 높이를 변화시킴으로써 변경된다. 양호한 실시예에서, 상기 외부 작동기는 채널의 상부에 접착된 압전 디스크로서, 작동 시에 채널을 하류측으로 이동시킨다.
상기 미국 특허 제4,756,427호에 기재된 선별기의 구조가 전술한 선별기 구조보다 덜 복잡하지만, 선별율을 증가시키기 위하여 전술한 유형의 다중 선별기 모듈을 결합하는데 여전히 문제가 있다. 이것은 상기 미국 특허 제3,984,307호에 개시된 선별기에서와 같이 다른 선별기 모듈과 간섭을 유발하는 발생된 압력파동 때문이다.
종래 입자 선별 장치의 또 다른 예가 미국 특허 제5,837,200호에 기재되어 있으며, 그 내용은 본원에 인용하여 원용한다. 상기 미국 특허 제5,837,200호는 자기 특성에 기초하여 입자를 분류 또는 선택하기 위하여 자기 편향 모듈을 사용하는 선별 장치를 개시하고 있다. 상기 미국 특허 제5,837,200호는 또한 개별 입자 스트림을 평행하게 처리 및 분리하는 것에 대하여 기술하고 있다.
본 발명은 모세관 크기의 폐쇄형 채널 시스템을 통해 이동하는 입자를 선별하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 입자 선별 시스템은 단위 시간당 다량의 입자를 정밀하게 선별하는 수단을 제공하면서도 저렴하게 조립될 수 있는 선별 모듈을 제공하는 것이다. 입자 선별 시스템은 번별율을 증가시키기 위하여 혼합된 복수개의 밀접히 결합된 선별 모듈을 구비할 수도 있다. 입자 선별 시스템은 에러율을 감소시키기 위하여 입자 스트림을 직렬로 선별하기 위한 다단계 선별 장치를 구비할 수도 있다.
입자 선별 시스템은 본 발명에 따른 개선된 유체 입자 스위칭 방법과 스위칭 장치를 실행한다. 입자 선별 시스템은 입자를 선별하기 위한 모세관 크기의 폐쇄형 채널 시스템을 구비한다. 채널 시스템은 입자의 스트림을 도입하기 위한 제1 공급관과, 캐리어 유체를 공급하기 위한 제2 공급관을 구비한다. 제1 공급관은 입자의 스트림을 캐리어 유체의 유동에 도입하기 위하여 노즐을 형성한다. 제1 공급관과 제2 공급관은 측정관과 유체 연통하며, 측정관은 제1 분기점에서 제1 분기 채널과 제2 분기 채널로 분기한다. 측정관 내부에 측정 영역이 형성되며, 이 측정 영역은 측정 영역을 통과하는 입자의 예정된 특징을 감지하기 위하여 검출기와 연결되어 있다. 두개의 대향하는 기포 밸브가 측정관과 유체 연통 관계로 배치된다. 기포 밸브는 상호 대향하여 이격되어 있다. 기포 밸브는 각각 대향하는 한 쌍의 측면 통로를 통하여 측정관과 연통한다. 유체는 이러한 측면 통로를 부분적으로 충전되어, 그 내부에 메니스커스를 형성할 수 있다. 메니스커스는 관련된 기포 밸브의 저장조 내부에 있는 가스와 같은 다른 유체와 캐리어 유체 사이에 인터페이스를 형성한다. 기포 밸브를 구동시키기 위하여 외부 작동기가 제공된다. 작동기가 구동하면, 작동된 기포 밸브의 저장조 내부의 압력은 증가하여, 메니스커스를 편향시키고, 측정관 내부에 유동 외란을 일으켜 내부의 유동을 편향시킨다.
측정 영역에 배치된 센서가 측정 영역에 통해 유동하는 입자의 예정된 특징을 감지하면, 센서는 감지된 특징에 응답하여 신호를 발생시킨다. 외부 작동기는 센서에 응답하여, 제1 기포 밸브의 압축실 내부에 압력 파동을 일으켜, 예정된 특징을 갖는 입자를 편향시키고 따라서 선택된 입자는 제2 브렌치 도관을 유동하게 된다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 유입구와 분기점을 갖는 측정관을 제공하는 단계와(상기 분기점에서 측정관은 두 개의 브렌치 도관으로 분리한다), 내부에 현탁 입자 스트림을 갖는 상태로 유체 스트림을 배출관 유입구로 이송하는 단계를 포함하는 선별 방법으로서, 상기 입자는 브렌치 도관의 제1 도관을 통해 정상적으로 유동하며, 상기 분기점으로부터 상류측에, 상기 도관 내부의 스트림을 일시적으로 편향시키기 위하여 두 개의 대향 측면 통로를 제공하는 방법을 포함한다. 상기 측면 통로 중 제1 측면 통로는 제1 기포 밸브의 압축실에 유압식으로 연결되며, 내부의 압력을 변화시키기 위하여 외부 작동기에 의하여 작동된다. 측면 통로 중 제2 측면 통로는 압력 변동을 흡수하기 위한 제2 기포 밸브의 완충실에 유압식으로 연결된다. 상기 방법은 또한 상기 측면 통로의 측정관 상류측을 따라 측정 스테이션을 제공하는 단계를 포함함으로써, 상기 스트림 내부의 입자의 예정된 특징을 감지하고, 예정된 특징이 감지되면, 신호를 발생시킨다. 상기 방법은 또한 예정된 특징을 감지하는 것에 응답하여 외부 작동기를 구동시켜 측면 통로 사이의 측정관 내부에 유동 외란을 발생시키고, 예정된 특징을 갖는 입자를 편향시키며 선택된 입자를 제2 브렌치 도관으로 유동시킨다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 입자 선별율은 이진형 트리 구성으로 복수개의 선별 모듈을 병렬 또는 직렬로 각각 연결하는 것에 의하여 각각 증가하거나, 선별된 입자의 종류가 증가한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자 선별 시스템이 제공된다. 입자 선별 시스템은 캐리어 유체로 부유 세포 스트림을 이송하며, 유입구, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비하는 제1 도관과, 입자의 예정된 특징과, 입자의 사이즈 및 속도 중 하나를 감지하기 위한 센서와, 제1 도관과 연통하는 측면 채널과,상기 측면 채널에 인접하여 배치된 밀봉 챔버로서, 상기 캐리어 유체가 측면 채널 내부에 메니스커스를 형성하여 밀봉 채널과 캐리어 유체를 분리하는, 상기 밀봉 채널과, 작동기를 포함한다. 작동기는 상기 센서가 예정된 특징을 감지할 때, 상기 메니스커스를 편향시키기 위하여 밀봉 챔버 내부의 압력을 변경시킨다. 상기 메니스커스가 편향하면, 예정된 특징을 갖는 세포는 제2 배출구로 유동하며, 상기 예정된 특징을 갖고 있지 않는 세포는 제1 배출구로 유동한다.
본 발명은 고효율 스크리닝, 예를 들면 한 종 이상의 세포에 대한 활동도를 위하여 다수의 후보 성분을 스크리닝하는 주요 가치를 갖는 것으로 예상할 수 있다. 예를 들면 활성 성분 또는 생화학 특징에 대한 합성 또는 천연 생성물 라이브러리를 스크리닝하는데 있어서 특히 가치가 있다.
본 발명은 생화학 문자와 같은 다수의 분자에 대한 샘플을 고효율로 스크리닝하는데 있어서 가치가 있는 것으로 예상할 수 있다. 본 발명은 또한 폴리펩티드, 수용체 리간드, 효소 기질, 효소 똔느 수용체 활동의 길항제 또는 핵산과 같은 다수의 생화학 분자의 존재에 대한 샘플을 스크린하는데 사용될 수 있다.
도1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입자 선별 시스템의 개략도이다.
도2 내지 도4는 도1의 입자 선별 시스템의 작동을 설명하는 도면이다.
도5는 작동기 챔버 및 완충실에 대한 교호 위치를 도시하는 입자 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 입자 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도7은 본 발명의 입자 선별 시스템에 사용하기에 적합한 기포 밸브를 도시하는 도면이다.
도8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 입자 선별 시스템의 개략도이다.
도9는 본 발명의 교시에 따른 입자의 평행한 스트림을 선별하기 위한 입자 선별 시스템의 실시예를 도시하는 도면이다.
도10은 본 발명의 교시에 따른 선별 모듈의 이진 트리형(binary tree-type) 구조로 구성된 입자 선별 시스템의 일실시예를 도시하는 도면이다.
도11은 평행한 입자 스트림을 다단계로 선별하기 위한 다단계 입자 선별 시스템의 또 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평렬형 입자 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평렬형 입자 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도14a 및 도14b는 입자 사이즈 및/또는 속도를 측정하기 위한 광학 마스크를 구비하는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 선별 시스템을 도시하는 도면이 다.
도15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변 채널을 구비하는 평렬형 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평렬형 선별 시스템의 가변 어레이 구조를 도시하는 도면이다.
도17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 평렬형 선별 시스템을 도시하는 도면이다.
도18은 본 발명의 입자 선별 시스템을 실행하기 위한 약제 스크리닝 시스템을 도시하는 도면이다.
본 발명은 유체에 부유된 입자를 선별하기 위한 입자 선별 시스템을 제공하는 것이다. 입자 선별 시스템은 예정된 특징에 기초하여 입자의 선별 효율을 높이고 선별 에러를 낮춘다. 본 발명을 예시적인 실시예에 대하여 아래에 설명하기로 한다. 당업자라면, 본 발명을 다수의 상이한 용례 및 실시예로 수행될 수 있으며 본원에 도시된 특정 실시예에 대한 용례에 특히 한정되지 않음을 이해할 것이다.
본원에 사용된 관(duct), 채널(channel) 및 유동 채널(flow channel)이라는 용어는 액체 및 기체와 같은 유체의 이동을 가능케하는 매체 내부에 또는 그것을 통해서 형성된 통로를 일컫는다. 마이크로유체제어 시스템 내부의 채널은 약 1.0μm 내지 약 500μm 범위, 바람직하게는 약 25μm 내지 약 250μm 범위, 가장 바람직하게는 약 50μm 내지 약 150μm 범위의 단면적 치수를 갖는다. 당업자라면 유 동 채널의 적정 용적 및 길이를 결정할 수 있을 것이다. 그 범위는 위에 인용한 값을 상한치 또는 하한치로서 포함하는 것을 의도한다. 유동 채널은 소정의 선택된 형상 또는 배열을 구비할 수 있으며, 그 예로서 선형 또는 비선형 구성 및 U자형 구성이 있다.
입자(particle)라는 용어는, 이것에 한정되지 않지만, 세포를 포함하는 불연속한 단위 물질을 일컫는다.
본원에 사용된 센서(sensor)라는 용어는 입자와 같은 물체의 특징을 측정하기 위한 장치를 일컫는다.
본원에 사용된 기포 밸브(bubble valve)라는 용어는 채널을 통과하는 유동을 제어하기 위하여 압력 파동을 발생시키는 장치를 일컫는다.
본원에 사용된 캐리어 유체(carrier fluid)라는 용어는 도관 또는 채널을 통해 하나 이상의 입자를 전달하기 위한 입자를 에워싸는 양립성 유체의 시쓰를 일컫는다.
도1은 본 발명의 교시에 따른 입자 선별 시스템(10)을 도시하는 개략도이다. 본 발명의 일 용례에 따르면, 입자 선별 시스템(10)은 입자를 선별하기 위한 모세관 크기의 폐쇄형 채널 시스템을 구비한다. 채널 시스템은 입자(18)의 스트림을 도입하기 위한 제1 공급관(12)과, 캐리어 유체를 공급하기 위한 제2 공급관(14)을 구비한다. 제1 공급관(12)은 노즐(12a)을 형성하며, 입자의 스트림을 캐리어 유체의 유동에 도입한다. 제1 공급관(12)과 제2 공급관(14)은 캐리어 유체에 부유된 입자를 운반하기 위한 측정관(16)과 유체 연통한다. 측정관은 제1 분기점(21)에서 제1 분기 채널(22a)과 제2 분기 채널(22b)로 분기한다. 측정관(16) 내부에 측정 영역(20)이 형성되며, 이 측정 영역은 측정 영역(20)을 통과하는 입자의 예정된 특징을 감지하기 위하여 검출기(19)와 연결되어 있다. 두개의 대향하는 기포 밸브(100a, 100b)가 측정관과 연결하여 위치하며, 그 측정관과 유체 연통 관계로 배치된다. 밸브는 상호 대향하여 이격되어 있지만, 당업자라면 다른 구성을 사용할 수 있다. 기포 밸브(100a, 100b)는 각각 대향하는 한 쌍의 측면 통로(24a, 24b)를 통하여 측정관(16)과 연통한다. 유체는 이러한 측면 통로(24a, 24b)를 부분적으로 충전되어, 그 내부에 메니스커스(meniscus; 25)를 형성할 수 있다. 메니스커스는 관련된 기포 밸브(100)의 저장조 내부에 있는 가스와 같은 다른 유체와 캐리어 유체 사이에 인터페이스를 형성한다. 기포 밸브를 구동시키기 위하여 작동기(26)가 제공되어, 작동기(26)에 의하여 구동 될 때 내부의 유동을 편향시키기 위하여 측정관 내부에 유동 외란을 일시적으로 일으킨다. 도시된 바와 같이, 작동기는 기포 밸브(100b)에 결합된다. 제2 기포 밸브(100a)는 제1 기포 밸브(100b)에 의해 발생된 맥압을 흡수하기 위한 완충기로서 작용한다.
제1 측면 통로(24b)는 제1 기포 밸브(100b)에 있는 압축실(70b)에 유압식으로 연결되어, 이러한 압축실 내부 압력이 증가하면, 측면 통로에 인접한 측정관 내부의 유동은 내측, 즉 측정관 내부의 정상 유동에 대하여 거의 직각으로 이동한다. 제1 측면 통로(24b)에 대향하여 배치된 제2 측면 통로(24a)는 압력 과도 현상을 흡수하기 위하여 제2 기포 밸브(100a)에 있는 완충실(70)에 유압식으로 연결된다. 이러한 제1 측면 통로(24a)는 제2 측면 통로(24a)와 협력하여, 압축실(70b)을 가압 하는 것에 의하여 전술한 유체 이동을 안내함으로써, 이러한 이동은 측정관을 통과하는 입자의 정상 유동에 대하여 직각인 성분을 갖는다.
압축실(70b)을 가압하면, 제1 측면 통로(24b)로부터 소정량의 유체가 일시적으로 배출된다. 제2 측면 통로(24a)의 탄성에 의하여 측정관 내부에서의 유체의 일시적인 유동이 제2 측면 통로(24a)로 가압 배출된다. 상호 연결된 유체 구조와 두 개의 측면 통로의 협력 작용에 의하여, 측정관(16)을 통과하는 유동은, 검출 수단(19)으로부터 출력된 신호에 응답하여 외부 작동기(26)에 의해 압축실(70b)을 압축하거나 압축 해제함에 따라, 측로를 따라 전후로 일시적으로 이동한다. 이러한 일시적 유체 변위는 측정관 내부의 정상 유동에 대하여 직각인 성분을 가지며, 이것을 소정의 특징을 갖는 편향 입자에 적용하여, 혼합물에 포함된 잔류 입자로부터 그 편향 입자를 분리할 수 있다.
도시된 바와 같이, 측정관(16)은 분기점(21)에서 두 개의 브렌치(22a, 22b)로 분기한다. 상기 입자가 두 개의 브렌치(22b) 중에서 제2 브렌치를 정상적으로 통과하도록, 이러한 두 개의 브렌치에서의 유량을 조절한다. 이러한 브렌치(22a, 22b) 사이의 각도는 0도 내지 180도 사이, 바람직하게는 10도 내지 45도 사이이다. 그러나, 상기 각도는 그 사이에 직선형 분리벽을 갖는 두 개의 평행한 도관에 대응하여 심지어 0도일 수 있다.
선별되는 입자는 입자가 없는 유체 시쓰로 에워싸인 중앙 유체 흐름에서의 측정 위치에 공급되는 것이 바람직하다. 입자 스트림을 한정하는 과정은 공지되어 있으며, 이를 ‘시쓰 유동(sheath flow)’ 구성이라 일컫는다. 일반적으로, 전술 한 한정은 측정관(16) 내부를 유동하는 입자가 없는 캐리어 유체에 협소한 배출 노즐을 통해 부유 입자 스트림을 주입하는 것에 의하여 이루어진다. 현탁액과 캐리어 유체의 유량비를 조정함으로써, 입자간 거리 뿐만 아니라 측정관 내부의 반경방향 한정을 조정할 수 있다. 캐리어 유체의 유량이 비교적 많으면, 입자간의 거리가 긴 보다 한정된 입자 스트림을 생성한다.
제1 공급관(12)에 의해 유입된 현탁액에서, 입자를 정상 입자(18a)와 해당 입자(18b)의 두가지 유형으로 분류할 수 있다. 측정 영역(20)에서 입자(18b)의 예정된 특징을 감지하면, 검출기(19)는 신호를 출력한다. 외부 작동기(26)는 소정의 특징을 감지하는 것에 응답하여 검출기(19)로부터 발생된 신호를 수신하여 제1 작동기의 기포 밸브(100b)를 구동시켜, 측정관(16) 내부에서 측면 통로(24a, 24b) 사이에 유동 외란을 생성한다. 유동 외란은 제2 분기관(22b)보다 제1 분기관(22a) 측으로 유동하도록 소정의 특징을 갖는 입자(18b)를 편향시킨다. 검출기는 작동기(26)와 연통하며, 검출기(19)가 입자 내에 소정의 특징을 감지하면, 작동기는 제1 기포 밸브(100b)를 구동시켜, 제1 기포 밸브의 저장조(70b) 내부에 압력 변동을 일으킨다. 제1 기포 밸브가 작동하면, 제1 기포 밸브(100b) 내부에 메니스커스(25b)를 편향시키며, 제1 측면 통로(24b) 내부에 일시적인 압력 변동이 일어난다. 제2 측면 통로(24a)와 제2 기포 밸브(100a)는 작동기(26)를 통해 유도된 측정관(16) 내부의 일시적인 압력 변동을 흡수한다. 기본적으로, 제2 기포 밸브(100a)의 저장조(70a)는 탄성 벽을 갖거나 또는 가스와 같은 압축성 유체를 함유하는 완충실이다. 탄성 특성은 유체를 측정관으로부터 제2 측면 통로(24a)로 유동시켜, 맥압을 흡수 하고, 입자 스트림에서 선택되지 않은 입자의 유동에 외란이 가해지는 것을 방지한다.
측정 영역(20)에서, 적정 센서를 사용하여 당업자에게 명백한 특징 뿐만 아니라, 사이즈, 형태, 형광 휘도와 같이 특수한 특징에 대하여 개별 입자를 검사한다. 당업계에 공지된 적용 가능한 센서의 예로는 현미경과 같은 광학 검출 시스템, 컴퓨터 영상 시스템 및 입자의 전자 특성을 측정하기 위한 전자 수단의 각종의 형태가 있다. 당업계에 특히 널리 공지된 시스템으로는 입자의 형광 휘도를 측정하기 위한 시스템이 있다. 이러한 시스템은 형광을 유도하기에 적합한 파장을 갖는 광원과, 유도된 형광 빛의 휘도를 측정하기 위한 검출 시스템을 포함한다. 이런 장치는 형광 마커(fluorescent marker)(즉, 특정한 제1 파장의 빛으로 조명하면 또 다른 특정한 제2 파장(형광)의 빛을 발생시키는 부착된 분자)로 표식된 입자와 조합하여 종종 사용된다. 이러한 제2 파장의 빛이 검출되면, 그 특징을 검출하고 신호를 출력한다.
또 다른 예로는 측정 영역을 통해 유동하는 입자에 의하여 산란된 빛을 측정하는 것을 포함한다. 산란을 해석하면 입자의 사이즈 및 형태에 관한 정보를 산출하며, 이것은 소정의 특징을 검출할 때 신호를 출력하도록 채택될 수 있다.
제1 기포 밸브의 압축실을 가압하기 위한 작동기(26)는 입자가 선택된 예정된 특징을 갖는 센서로부터의 신호에 응답하는 외부 작동기를 포함할 수 있다. 압력을 증가시키기에 적합한 외부 작동기에는 두가지 종류가 있다. 첫째 종류는 제1 측면 통로(24b) 내부에 있는 유체에 가스 압력을 직접 공급한다. 예를 들면, 작동 기는 측면 통로(24b) 내부의 유체 컬럼에 대하여 스위칭 밸브로 연결된 압축 가스원을 포함할 수도 있다. 스위칭 밸브를 작동시키면, 통로를 상기 압축 가스원에 연결하여, 유체 내부의 메니스커스를 편향시킨다. 정지시키면, 스위칭 밸브는 통로(24b)를 정상 작동 압력으로 복귀시킨다.
대안으로, 가동벽을 가지는 폐쇄 압축실과 조합하여 변위 작동기를 사용할 수도 있다. 변위 작동기가 압축실의 가동벽을 내측으로 변위시키면, 내압은 증가한다. 상기 가동벽이 원래 위치로 되돌아가면, 압력은 정상 작동 압력으로 감소한다. 적합한 변위 작동기의 예로는 전자기식 작동기가 있는바, 이것은 코일이 여자되면 플런저를 변위시킨다. 또 다른 예로는, 실린더 또는 디스크 더미 형태의 압전 재료를 사용하는 것으로, 전압이 인가되면, 선형 변위를 일으킨다. 전술한 두가지 유형의 작동기는 압축실(70)의 가동벽을 결합시켜 내부에 압력 변동을 일으킨다.
도2 내지 도4는 도1의 입자 선별 시스템(10)에서 스위치(40)의 스위칭 작동을 도시한다. 도2에서, 검출기(19)는 입자의 예정된 특징을 감지하며, 작동기(26)를 구동시키기 위하여 신호를 발생시킨다. 작동기가 구동하면, 제1 기포 밸브(100b)의 저장조(70b) 내압은 증가하여, 화살표로 도시된 바와 같이, 메니스커스(25b)를 편향시키고 제1 측면 통로(24b)로부터 유체를 일시적으로 방출시킨다. 제2 기포 밸브(100a)의 저장조의 탄성 특성으로 인하여, 측정관 내부의 상기 지점에서 압력이 돌발적으로 증가하면 유체가 제2 측면 통로(24a)로 유동한다. 이러한 제2 측면 통로(24a)로의 유체 이동은 화살표로 표시되어 있다. 그 결과, 도면에 도시된 바와 같이, 측정관(16)을 통과하는 유동은 변향하여, 제1 측면 통로(24b)와 제2 측면 통로(24a) 사이에 배치된 선택된 해당 입자(18b)가 정상 상태의 유동 방향에 대하여 직각으로 이동한다. 측정관(16), 제1 브렌치(22a) 및 제2 브렌치(22b)에 대한 유동 저항은 제1 측면 통로(24b) 및 제2 측면 통로(24a)로 또는 그로부터의 바람직한 유동 방향이 측정관(16)을 통과하는 정상 유동에 대하여 직각인 맹백한 성분을 가지도록 선택된다. 이러한 목적은 예를 들면 유동 저항이 제1 측면 통로(24b) 및 제2 측면 통로(24a)의 유동 저항과 비교하여 크도록 선택되기 위하여 제1 브렌치(22a)와 제2 브렌치(22b)에 의하여 이루어진다.
도3은 해당 입자(18b)가 제1 측면 통로(24b)와 제2 측면 통로(24a) 사이에 다량 남아 있는 경우에, 제1 기포 밸브 저장조의 릴리프 동안의 입자 선별 시스템(10)을 도시한다. 작동기(26)가 정지하면, 저장조(70a, 70b) 내압이 정상 압력으로 복귀한다. 이러한 릴리프 단계 동안, 기포 밸브의 두 저장조(70a, 70b) 사이에 마이너스 압력차가 존재하여, 제1 측면 통로(24b)와 제2 측면 통로(24a)를 통과하는 유동이 이전 도면에 도시된 바와 같이 그리고 화살표로 표시된 바와 같은 유체 유동에 대향한다.
도4는 스위칭 과정이 종료한 이후의 입자 선별 시스템(10)을 도시한다. 기포 밸브의 저장조 내압이 균등하게 되면, 측정관(16)을 통과하는 유동이 정상화된다. 해당 입자(18b)가 반경방향으로 변위하면, 제1 브렌치(22a)로 유동하며, 다른 입자는 제2 브렌치(22b)로의 유동을 계속함으로써, 예정된 특징에 기초하여 입자를 분리한다.
상기 입자를 검출하는 과정 및 선택적으로 편향시키는 과정은 입자를 높은 비율로 선별하기 위하여 초당 수 회 반복될 수 있다. 전술한 유체 스위칭을 채용하면, 스위칭 동작은 초당 약 수천번의 스위칭 동작으로 수행되어, 시간당 백만개의 선별 입자 정도의 비율로 선별한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 작동기의 기포 밸브(100a) 및 버퍼 기포 밸브(100b)는 상이한 위치에 배치될 수도 있다. 예를 들면, 도5에 도시된 바와 같이, 작동기의 기포 밸브(100a) 및 제1 측벽 통로(24a) 및/또는 버퍼 기포 밸브(100b) 및 제2 측벽 통로(24b)는 분기점(21)으로부터 상류측에 배칭될 수도 있다. 구성요소는, 작동기 챔버(70a)와 완충실(70b) 사이의 유동 저항이 후자의 구성요소 중 어느 하나와 다른 압력원 사이의 유동 저항보다 작도록, 어느 적정 위치에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 작동기 챔버(70a)와 완충실(70b)은 그 사이의 유동 저항이 입자의 하류측에 있는 선택된 입자와 후속 입자간의 유동 저항보다 작도록 배치될 수도 있다. 상기 구성요소를 전술한 방식으로 위치설정하면, 단일의 선택된 입자를 편향시키는 전술한 방법에 의하여 발생된 압력 파동이 상류측 또는 하류측으로 이동하여 입자의 스트림에 포함된 잔존 입자의 유동에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 유동 저항의 차이가 크면, 관련 압력 변이에 의한 유체 스위칭 작동을 시스템 나머지 부분의 유동 특징과 높은 레벨로 분리시킨다. 게다가, 선별을 위하여 적용된 발생된 압력 파동을 인시투(in-situ) 감쇄시켜 복수개의 스위치(40)를 구비하는 선별 네트워크를 실행시킬 수 있으며, 스위치 각각은 다른 것과 유압식으로 그리고 공압식으로 격리되어 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 입자 선별 시스템은 밸브(100b)와 같이 버퍼로서 작용하는 하나 이상의 기포 밸브와 협력하여 적정 압력 파동 발생기(기포 밸브 대신)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 압력 파동 발생기(260)는 작동기가 신호에 의하여 구동될 때 입자를 선택적으로 편향시키기 위하여, 압전 컬럼과 같은 작동기 또는 스텝퍼 모터(채널 시스템의 편향을 통해 또는 직접으로 유동하는 유체에 작용할 수 있는 플런저를 구비)를 구비할 수도 있다. 다른 적절한 압력 파동 발생기는 전자기식 작동기, 열공압 작동기 및 열 파동을 인가하여 유동하는 유체에 증기 기포를 생성하기 위한 열 파동 발생기를 구비한다. 버퍼 기포 밸브(100b)는 압력 파동 발생기(260)에 의하여 생성된 압력 파동을 흡수하도록 배치되어, 입자 스트림의 다른 입자에서 유동 외란이 일어나는 것을 방지한다. 버퍼(100b)의 스프링 상수는 완충실(70b)의 용적, 측면 통로(24b)의 단면적 및/또는 완충실(70b)을 형성하는 가요성 멤브레인(도7에서 참조부호 72)의 강성 또는 두께를 변경시키는 것에 의하여 특정 필요조건에 따라 변경될 수 있다.
도7은 입자 스트림에 포함된 다른 입자로부터 해당 입자를 분리하기 위하여 압력 파동을 생성하기에 적합한 밸브(100) 및/또는 본 발명의 교시에 따라 압력 파동을 흡수하기 위한 버퍼의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 벨브(100)는 측정관(16)으로 연장하는 기판 내부에 형성된 측면 통로(24a, 24b)에 인접하여 형성된다. 측면 통로(24a)는 통로의 내측벽에 있는 개구에 의하여 형성된 유체 인터페이스 포트(17)를 구비한다. 상기 측면 통로(24a)에 인접하여 밀봉 압축실(70)이 위치하며, 그 압축실은 유체 인터페이스 포트를 통해 측면 통로와 연통한다. 도시 된 압축실(70)은 시일(71)과 가요성 멤브레인(72)으로 형성된다. 측면 통로(24a) 내부의 캐리어 유체는 측면 통로와 압축실 사이의 인터페이스에 메니스커스(25)를 형성한다. 작동기(26)는 가요성 멤브레인을 압축하여 압축실 내부의 압력을 증가시키며, 그 결과, 캐리어 유체에 압력 파동을 생성한다.
도8은 제1 배출관(54) 및 제2 배출관(56) 뿐만 아니라, 선별될 입자의 스트림을 제공하기 위한 적정 공급관(52)를 갖는 선별 모듈(50)을 도시하며, 상기 배출관 중 어느 하나는 선별 모듈(50) 내부에서 선별된 입자를 운반할 수 있다. 선별 모듈(50)은 공급관(52)을 통해 선별 모듈(50)로 진입하는 입자를 감지하기 위한 검출기 시스템(19)을 포함하며, 상기 검출기 시스템은 필요한 스위칭 성능을 제공하기 위한 스위치(40)에 작동 가능하게 연결되어 입자를 선별할 수 있다. 도1의 제1 브렌치(22b) 및 제2 브렌치(22a)는 배출관(54) 및 제2 배출관(56)과 유체 결합 관계로 배치될 수 있다.
도9는 적정 구성으로 상호 결합될 수 있는 복수개의 선별 모듈(50)을 구비하는 본 발명의 실시예에 따른 입자 선별 시스템(500)을 도시한다. 예를 들면, 본 실시예의 모듈(50)은 병렬로 결합된다. 선별 모듈(50)의 배출관(54)은 제1 복합 배출구(58)에 결합되고, 제2 배출관(56)은 제2 복합 배출구(60)에 결합된다. 선별 모듈의 병렬 배열은 개별 선별 모듈(50)의 선별율에 대하여 N배의 총 선별율을 갖는 복합 선별 모듈(50)의 시스템을 형성하며, 여기서 N은 병렬로 결합된 선별 모듈(50)의 개수이다.
도10은 제1 선별 모듈(50a)과 이것과 직렬로 결합된 제2 선별 모듈(50b)을 구비하는 또 다른 실시예에 따른 입자 선별 시스템(550)을 도시한다. 제2 선별 모듈(50b)은 제1 선별 모듈(50a)에 의하여 선별된 입자의 예정된 특징과 동일하거나 상이한 예정된 특징을 갖는 입자를 선별하도록 장착될 수 있다. 입자 스트림은 공급관(52)을 통해 제1 선별 모듈(50a)로 진입하며, 적어도 두가지 종류의 입자를 포함할 수 있다. 제1 유형의 입자는 제1 선별 모듈(50a)에서 선별되며, 제1 배출관(54a)을 통해 배출된다. 잔류 입자는 제2 배출관(56a)을 통해 제1 선별 모듈(50a)로부터 배출되어, 제2 공급관(52b)을 통해 제2 선별 모듈(50b)로 도입된다. 입자 스트림으로부터, 기타 예정된 특징을 갖는 입자를 선별하고 제2 배출관(54b)을 통해 배출한다. 두 개의 예정된 특징 중 어느 하나도 갖고 있지 않은 입자는 제2 배출관(56b)을 통해 제2 선별 모듈(50b)로부터 배출된다. 당업자라면, 어느 적절한 유형의 선별 모듈(50)을 사용하고, 소정 결과에 따라 여러 가지 방식으로 상호 결합될 수 있음을 알 수 있다.
도11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 고효율로 그리고 낮은 에러로 선별하기 위한 계층적 구조를 도시한다. 도시된 실시예는 제1 단계에서 복수개의 평행한 입자 스트림을 선별하고, 제1 단계의 출력을 수집하며, 제1 단계의 출력에 대하여 2차 선별 과정을 수행하기 위한 2단계 입자 선별 시스템(800)이다. 입자 입력 챔버(88)로부터 현탁액(80)에 포함된 입자의 입력 스트림은 N개의 단일 선별 채널(81a 내지 81n)로 분할되며, 각 채널은 초당 선택된 개수의 입자를 선별할 수 있다. 각 채널(81)은 입자를 검사하고 예정된 특징을 갖는 입자를 식별하기 위한 검출 영역(84)과, 전술한 바와 같이, 스트림에 포함된 다른 입자로부터 예정된 특징 을 갖는 입자를 분리하기 위한 스위칭 영역(82)을 구비한다. 스위칭 영역(82)은 두 개의 입자 출력 스트림, 즉 검출 영역(84)에서 측정된 입자 특징에 기초하여 스위칭 영역(82)에 포함된 선택된 스트림과 거절된 스트림을 생성한다. 각 채널로부터 선택된 스트림은 2차 선별 채널(810)에서 다시 선별되는 스트림으로 수집 영역(86)에서 수집된다. 도시된 바와 같이, 2차 선별 채널(810)은 예정된 특징에 기초하여 검출 및 선별의 선별 과정을 반복한다.
각각의 단일 채널 선별 과정은 어느 정도의 잘못된 선택의 에러(y)율(y는 실수로 선택된 입자의 1 미만의 가능성이다)을 발생시킨다고 가정하면, 계층적 구조는 2단계 분류체계에 대한 y2 또는 n-단계 분류체계에 대한 yn의 낮은 에러율을 생성한다. 예를 들면, 단일 채널 에러율이 1%이면, 2단계 에러율은 0.01% 또는 104분의 1이다.
별법으로서, 구조는 2차 채널당 N개의 선별 채널로 이루어진 M개의 일차 세트를 구비할 수 있다. 용례가 비율 z에서 입력에 존재하는 입자를 포획하고자 한다고 가정하면, 단일 채널 선별기는 초당 입자의 최대 선별율 x를 갖는다. 시스템 처리량은 초당 M*N*x의 입자개수이다. 초당 B 채널에서 수집된 입자 개수는 N*x*z 이며, N*z은 N 채널로부터 축적된 모든 입자는 단일 2차 채널로 선별될 수 있도록 1 미만이어야 한다. 처리량을 N=1/z 이상 증가시키기 위하여, N개의 1차 채널 및 1개의 2차 채널로 이루어진 그룹을 병렬로 부가하여야 한다. 총 처리량은 M개의 2차 채널에 의해 M*N*x가 된다.
도12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬-직렬 입자 선별 시스템(160)을 도시한다. 병렬-직렬 입자 선별 시스템(160)은 제1 병렬 선별 모듈(161)과 제2 병렬 선별 모듈(162)을 구비한다. 제1 선별 모듈(161)은 다수의 표식된 입자에 적용되며, 두 개의 마커를 갖는 입자는 배출 채널(165)에 의하여 선별되며 이것을 통해 이송된다.
도13은 또 다른 병렬-직렬 입자 선별 시스템(170)을 도시한다. 제1 병렬 선별 모듈(171)은 제1 마커를 갖는 입자를 분리하고, 상이한 채널로부터 입자를 수집하며, 제1 마커를 갖는 입자를 제1 배출 채널(175)을 통해 이송한다. 다른 모든 입자는 제2 마커를 갖는 입자를 선별하기 위하여 제2 병렬 선별기(172)에 공급된다. 제2 마커를 갖는 입자는 제2 배출 채널(176)을 통해 수집 및 이송된다. 제1 마커나 제2 마커 중 어느 것도 갖고 있지 않은 입자는 제3 배출 채널(177)을 통해 이송된다.
도14a 및 도14b에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 입자 선별 시스템은 입자의 속도, 위치 및/또는 사이즈 측정 센서를 구비할 수도 있다. 속도, 위치 및/또는 사이즈의 측정은 선별 동안 또는 입자의 분류와 동시에 또는 상이한 시간에 수행될 수도 있다. 도11에 도시된 바와 같이, 병렬 채널에 기반을 둔 시스템에 있어서, 상이한 채널은 상이한 유동 저항을 가지고, 각 채널에서의 입자 또는 세포 속도를 다르게 할 수도 있다. 검출 영역(84)이 거리 L만큼 스위칭 영역으로부터 분리된 시스템에 있어서, 채널(81)에서의 입자 속도는 스위칭 시간 지연 T(즉, 표적 입자의 검출 순간에 관계한 스위치 작동 지연 시간)를 설정하기 위하여 기지의 것이어야 한다.
세포 또는 입자를 검출하기 위한 대부분의 광학 시스템에서, 검출 영역에서 세포가 광 검출기에 빛을 발생시키는 영역은 세포 직경의 사이즈보다 상당히 큰 사이즈를 갖는다. 그러므로, 검출 영역에서 빛을 검출하는 하는 경우, 세포는 그 영역 어디에나 존재할 수 있으므로, 세포의 정확한 위치를 나타내는 것을 곤란하게 한다. 보다 정확한 검출을 제공하기 위하여, 광학 검출기의 다수 픽셀은 검출 영역을 교차하여 패킹될 수 있지만, 많은 비용이 들며 복잡한 지원 전자공학을 필요로 한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 마스킹 패턴을 선별 칩 상에 직접 증착하여 정확한 속도 검출을 제공하기 위하여 검출 영역에 광학 마스크(140)를 부가할 수도 있다. 마스킹 패턴은 그 마스킹 패턴에 있는 가장자리가 세포 선별 작동기 영역(82)에 대해 정밀하게 위치(현재 기술로 1um 미만의 정밀도로)하도록 증착될 수 있다. 검출 영역(84)에서 세포로부터의 빛을 포획하는 단일 광학 검출기는 세포를 마스크로 가리지 않은 경우에 빛을 확인할 수 있다. 기지의 길이를 갖는 마스크의 연결된 불투명한 부분인 "바아" 중 하나에 의하여 차단되는 빛의 지속기간은 속도 측정치를 제공한다.
1um 단계에서 크기가 10um 내지 30um 범위인 다수의 바아를 갖는 마스크 패턴이 세포로부터 발생된 신호를 최소화하는 세포보다 큰 크기의 바아만을 생성한다. 그러므로, 이러한 패턴을 신호와 독립적으로 세포의 사이즈를 측정하는데 사용할 수 있다. 이러한 구배 마스크는 또한 속도 측정에서의 불일치를 줄이기 위하 여 수회 속도를 측정하기 위하여 분석될 수 있는 광학 검출기에서 소정 패턴을 생성한다. 마스크(140)에 의하여 유발된 빛의 패턴은 또한 검출기가 마스크(140)에서 각각의 가장자리를 식별하도록 한다. 바아(141)가 동일하다면, 각 바아에 대한 빛 신호는 동일하며, 검출기는 순차적으로 하나씩 구별할 수 있다. 그러므로, 구배 마스크 패턴은 넓은 영역(세포의 크기에 수 배)을 관찰하는 단일의 검출기가 세포의 속도를 측정하고, 칩 상의 채널 구조 및 작동기 위치에 대하여 약 1um 정밀도로 검출 영역(84) 내측의 정확한 위치를 측정하며, 구배 패턴에 의하여 부여된 정밀도로 세포의 사이즈를 식별하게 할 수 있다. 구배 마스크(140)는 검출기가 광학 시스템의 확대 또는 광학 검출기의 속성과 관계 없이 이러한 파라미터를 측정할 수 있게 한다.
당업자라면 본 발명의 교시에 따른 선별 시스템에서 입자의 사이즈, 위치 및/또는 속도를 측정하기 위한 다른 장치를 인식할 수 있다. 적합한 장치를 용이하게 이용할 수 있으며 당업자에게 공지되어 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 도15에 도시된 바와 같이, 입자 선별 시스템은 동일하지 않은 선별 채널로 이루어진 어레이(8000)를 포함한다. 일련의 동일하지 않은 선별 채널(810a 내지 810n)을 구비하는 병렬 어레이를 사용하는 것은 최적인 외부 작동기에 대한 공간, 광출력의 사용 및 적응 관점에서 보다 효율적이다. 입자 속도를 정밀하게 측정할 수 있으므로, 채널은 검출된 특성을 갖는 입자를 편향시키기 위하여 스위치의 작동과 특성의 검출 사이에 고정된 지연을 필요로 하지 않는다. 그러므로, 검출기(84)와 스위치(82)간의 거리 L 또는 검출기(84)와 스위치 (82) 사이의 통로 형상과 같은 채널의 소정 파라미터는 변경될 수 있다.
칩에 수직하게 배향된 각각의 파장 광 조사를 위하여 단일 레이저를 사용하면, 레이저는 (채널의 개수) x ((검출 영역에서의 채널 폭) + (내부 채널 간격 C))로 정의된 영역을 조사하는데 요구된다(도15 참조). 그러나, 형광을 발생시키기 위하여 빛을 흡수할 수 있는 활성 영역은 단지 (채널 개수) x (채널 폭)인 채널이며, (채널 폭)/(채널 폭 + C)의 필 팩터(fill factor)를 남긴다. 필 팩터는 이용 가능한 입력 빛을 낭비하는 것을 방지하기 위하여 100%에 근접하는 것이 바람직하다.
그러므로, 병렬형 선별 시스템에서 채널간 간격을 최소화하는 것이 광 검출 영역 및 광학 시스템 효율에 중요하다. 본 발명의 이용 가능한 어레이 구조에 있어서, 도16에 도시된 바와 같이, 검출 영역(84)에서 채널의 간격은 채널의 폭과 유사하므로, 빛 이용을 약 50% 근접시킨다. 활성 영역(82)에서의 채널 간격은 도16에 도시된 바와 같이 클 수도 있다. 채널을 따라 작동기(26)를 배치하는 것은 또한 외부 드라이버 작동기에 대하여 유효 반경을 크게하도록 변경될 수도 있다.
또한 가변 어레이(8000)는 모든 채널을 교차하여 일정한 압력 강하가 있다고 가정하면 입자 속도가 거의 일치하도록 모든 채널의 유동 저항을 균형 잡기 위하여 선택된 채널 내부에 미앤더(meander)를 구비할 수도 있다. 미앤더는 도시된 시스템의 상류측 또는 하류측에 또는 검출기와 작동기 사이의 영역에 부가될 수도 있다. 각 채널 검출 영역(82I) 및 작동기(26i) 사이의 길이 L이 구조마다 공지되어 있으므로, 그 입자에 관하여 결정하는 것과 동일한 시간에서 입자 속도를 측정하면 개선된 세포 선별 시스템을 제공한다.
도17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자 선별 시스템을 도시한다. 입자 선별 시스템(1700)은 병렬로 작동하는 복수개의 선별 모듈(1701)을 구비한다. 시스템(1700)은 각각의 선별 모듈에 샘플을 도입하기 위한 입력 영역(1710)과, 검출 영역에서 각각의 입자 선별 채널(1702)의 예정된 특징을 측정하기 위한 검출 영역(1702)을 구비한다. 시스템은 또한 예정된 특징을 갖지 않는 입자로부터 예정된 특징을 갖는 입자를 분리하기 위한 선별 모듈 각각에 작동기를 구비하는 스위치 영역(1730)을 포함한다. 도17에 도시된 바와 같이, 검출 영역(1720)에서의 각 선별 채널 사이의 선별 채널(1702) 거리는 스위치 영역(1730)에서의 채널간 거리보다 작다. 검출 영역에서의 밀접한 간격은 레이저를 사용하여 입자를 검출할 때 비용을 절감시킬 수 있으며, 스위치 영역(1730)에서의 거리 분리가 커지면 다양한 사이즈의 작동기를 수납할 수 있다.
입자 선별 시스템(1700)은 선별 공정의 정밀도를 증가시키기 위하여 예정된 특징을 기초로 하여 검출 및 선별로 이루어진 선별 공정을 반복하기 위한 2차 선별 모듈(1740)을 또한 구비한다. 일 실시예에 따르면, 선별 시스템은 입자를 1차 선별 공정으로부터 2차 선별 공정으로 전이시키기 위하여 1차 선별 모듈(1701)과 2차 선별 모듈(1740)의 어레이 사이에 농후 영역(1750; enrichment region)을 구비할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 농후 영역(1750)은 입자가 2차 선별 모듈(1740)을 통과하기 전에 입자로부터 과잉의 캐리어 유체를 제거함으로써 입자를 전이시킨다. 농후 영역(1750)은 농후하게 된 후에 2차 시트 유체(sheet fluid)를 입 자에 부가하는 수화 장치를 또한 구비할 수 있다. 농후 영역(1750)은 출구 채널(1703) 내로 삽입되는 멤브레인과, 출구 채널(1703)을 가로지르는 농후 채널, 그리고 출구 채널을 농후 채널로부터 분리시키는 멤브레인을 포함할 수 있다. 과잉의 캐리어 유체는, 선택된 입자가 2차 선별 모듈(1740)로 통과하기 전에 출구 채널(1703) 내의 선택된 입자의 스트림으로부터 멤브레인을 통하여 농후 채널로 제거된다.
농후 영역을 형성하기에 적합한 시스템은, 발명의 명칭이 "마이크로유체제어 시스템에서 마이크로유체제어 부재의 실행"인 미국 특허 출원 번호 제10/329,018에 개시되어 있으며, 이 특허 출원의 내용은 본 명세서에 참고로 인용된다.
예시적인 실시예에 따르면, 제거된 캐리어 유체는 재생되어 1차 채널의 입구로 피드백될 수 있다. 재생 채널 또는 다른 장치는 농후 영역을 1차 채널에 연결하여 캐리어 유체를 후속 선별 공정에 다시 이용할 수 있게 한다. 대안으로, 캐리어 유체를 불합격 입자로부터 제거하여, 불합격 입자를 폐기하기 전에 1차 채널 입구에 도입할 수 있다.
본 발명의 입자 선별 시스템은 미세 유체 분야에서 다양한 용례로서 사용된다. 하나의 용례에 따르면, 입자 선별 시스템은 도18에 도시된 바와 같이 약제 선별 시스템에서 실현될 수도 있다. 도18에 도시된 바와 같이, 약제 선별 시스템(140)은, 표적 세포를 인지하고, 표적 세포를 포함하는 샘플로부터 표적 세포를 분리하기 위한 입자 선별 모듈(10)을 구비한다. 표적 세포 함유 샘플은 입력 채널을 통하여 선별 시스템에 도입되고, 입자 선별 모듈로 통과하며, 이 모듈은 표적 세포 를 샘플의 나머지와 분리시키고, 그 표적 세포를 혼합 및 배양 영역(141)으로 통과시킨다. 테스트 화합물을 테스트 채널(142)을 통하여 혼합 및 배양 영역(141)으로 도입하고, 입자 선별 시스템(10)으로부터 제공된 표적 세포와 접촉시킨다. 그 후, 표적 세포에 대한 테스트 화합물의 효과를 검출 영역(145)에서 검출한다.
입자 선별기(10)를 갖춘 예시적인 약제 선별 시스템(140)을 다양한 타입의 마커와 함께 사용할 수 있다. 약제 스크리닝 시스템은, 특정 효소의 활성을 측정할 수 있게 하여 효소가 존재하는 경로의 조절 인자(modulator)를 탐색할 수 있게 하는 마커를 이용할 수 있다. 또한, 약제 스크리닝 시스템은 임의의 세포내 메신저(intralcellular messenger)/신호의 집중도를 측정할 수 있게 하는 마커와, 특정의 세포 타입, 특히 희귀 세포(백분의 1 미만의 세포) 타입을 확인할 수 있게 하는 마커를 사용할 수도 있다. 예컨대, 적절한 마커로는, 항체 및 재조합체 디스플레이 기술에서와 같은 세포 표면 마커뿐 아니라, 형광성으로 될 수 있는 효소 기질 마커와, Ca++ 결합 형광성 염료(Fura-3, Indo-1)와 같은 세포내 신호 결합 화합물, 및 바이오-발광성 효소 기질 마커를 포함할 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 형광성으로 될 수 있는 효소 기질 마커에 있어서, 화합물은 세포 내로 들어가서 특정의 세포내 효소에 의해 형광 물질로 전환된다. 예로는 Bodipy 아미노아세탈데히드(Bodipy aminoacetaldehyde) 또는 ALDH 효소용 BAAA, 포스파타세(Phosphatases)용 MUP(4-methylumbelliferyl phosphate), 세포 레독스 시스템(cell Redox system)용 디히드로호다민 123(Dihydrorhodamine 123)을 들 수 있다. 본 발 명의 방법에 사용될 수 있는 형광성 염료의 다른 예로는 인 바이오(In bio)-발광성 효소 기재 마커를 들 수 있으며, 여기서 화합물은 세포 내로 들어가서, 특정의 세포내 효소와 반응하여 광을 직접적으로 발생시킨다. 종종, 이러한 기술은 유전자 활성을 관찰하는 보고 유전자(reporter gene)로 구속될 수 있다. 예로는 D-Luciferin 및 관련된 보고 유전자 뿐 아니라, DMNPE 및 관련된 보고 유전자를 들 수 있다.
예시적인 용례에 따르면, 임의의 상이한 수의 화합물은 다양한 화학 및 생화학계에 대한 그들 화합물의 효과를 위하여 선별될 수 있다. 예컨대, 화합물은 블로킹, 슬로잉(slowing) 또는 유리하지 않은 효과를 갖는 생화학계와 관련한 다른 억제 키 이벤트(key event)에 있어서의 효과를 위하여 선별될 수 있다. 예컨대, 테스트 화합물은, 유전병, 암, 박테리아 또는 바이러스 감염 등을 포함한 특정 증상의 질병의 발생 또는 질병의 발병에 대하여 적어도 부분적으로 원인이 되는 시스템을 차단하는 그들 화합물의 능력을 위하여 선별될 수 있다. 그 후, 이들 선별 분석 방법에 유리한 결과를 나타내는 화합물은 질별의 증상 또는 질병의 치료에 효과적인 약제를 확인하기 위하여 추가의 테스트를 받을 수 있다.
대안으로, 화합물은 유리한 것으로 여겨지는 기능, 예컨대 환자에 있어서 기존의 결핍증을 치료하는 것으로 여겨지는 기능을 갖는 생화학계를 촉진하거나, 개선하거나, 또는 그 외의 유도하는 능력을 위하여 선별될 수 있다.
본 발명은 세포 재이식, 세포 이식 및 세포 트랜스펙션(transfection), 또는 재이식 또는 이식에 따른 유전자 변형과 같은 다양한 용례를 위하여 희귀 세포(즉, 입력 샘플의 0.1% - 1% 미만을 구성하는 세포)를 격리시키는 데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 맞춤 치료의 발전을 위하여 샘플에 있어서 종양 세포를 격리시키는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명은 1차 세포(primary cell)의 화합물을 선별하는 데 사용되어, 예컨대 혈장 교환에 의해 1011 개의 세포를 취하고 주세포(cell line) 대신에 임의의 서브 개체군(population)을 선별할 수 있다. 또한, 본 발명은 주세포의 100% 미만이 선별 프로그램(screening program)을 위한 정확한 유전자를 표시하는 불완전 주세포의 화합물을 선별하는 데에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은, 예컨대 복제 위상(replication phase)에서만 세포를 선별하는 특정의 세포-사이클 스테이지에서 세포의 화합물을 선별하는 데 사용될 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시예에 대하여 기술하였다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상기 주조에서 어느 정도의 변경이 이루어질 수 있기 때문에, 첨부도면에 도시된 것과 전술한 내용에 포함된 모든 사항은 예시적인 것으로 해석되며 제한하고자 하는 것이 아니다.
하기의 청구범위는 본원에 기술된 본 발명의 모든 일반적 및 구체적인 특징 및 언어의 문제로서 그 사이에 속하는 것으로 언급할 수 있는 본 발명의 범위의 모든 표현을 포함하는 것으로 이해된다.

Claims (23)

  1. 기판과,
    소정의 특징에 따라 세포를 선별하기 위해 기판에 형성된 세포 선별 시스템과,
    세포를 스크리닝하도록 기판에 형성된 스크리닝 시스템을 포함하며,
    스크리닝 시스템은 소정 특징의 세포를 테스트 화합물과 혼합하기 위한 혼합 영역과, 소정 특징의 세포에 대한 테스트 화합물의 영향을 검출하기 위한 검출 영역을 구비하는 마이크로 유체 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 선택된 세포를 세포 선별 시스템으로부터 스크리닝 시스템까지 이송하기 위해 세포 선별 시스템과 스크리닝 시스템 사이에 연결 채널을 더 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 세포 선별 시스템은,
    캐리어 유체 내에서 부유 세포의 유동을 이송하며, 유입구, 제1 배출구 및 제2 배출구를 구비하는 제1 덕트와,
    입자의 크기와 속도 중 하나와 입자의 소정 특징을 감지하기 위한 센서와,
    제1 덕트와 연통하는 측면 채널과,
    캐리어 유체가 측면 채널 내에 메니스커스를 형성하여 캐리어 유체로부터 분 리되며, 측면 채널에 인접하게 배치되는 밀봉 챔버와,
    센서가 소정 특징을 감지할 때, 메니스커스를 편향시키기 위해 밀봉 챔버 내부의 압력을 변경시키는 작동기를 포함하며,
    메니스커스의 편향이 소정 특징을 갖지 않는 세포는 제1 배출구 안으로 유동하도록, 소정 특징의 세포는 제2 배출구 안으로 유동하도록 유발하는 마이크로 유체 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 세포 선별 시스템은 제1 덕트 내의 압력 변동을 흡수하기 위한 버퍼를 더 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 작동기는 압축 가스원을 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 밀봉 챔버는 가동 벽을 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 작동기는 밀봉 챔버 내의 압력을 변경하기 위하여 밀봉 챔버의 가동 벽을 이동시키는 변위 작동기를 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 작동기는 전자기식 작동기와 압전 요소 중 하나를 포함하는 마이크로 유체 시스템.
  9. 테스트 화합물을 스크리닝하기 위한 시스템이며,
    샘플을 이송하며 유입구, 제1 배출구와 제2 배출구를 구비한 제1 덕트와, 표적 입자의 소정 특징을 감지하기 위한 센서와, 제1 덕트와 연통하는 측면 채널과, 제1 덕트 내의 캐리어 유체가 측면 채널 내에 메니스커스를 형성하여 캐리어 유체로부터 분리되며 측면 채널에 인접하게 배치되는 밀봉 챔버와, 센서가 소정 특징을 감지할 때, 메니스커스를 편향시켜 밀봉 챔버 내의 압력을 변경시키는 작동기를 구비하며, 메니스커스의 편향은 소정 특징을 갖지 않는 입자는 제1 배출구 안으로, 소정 특징의 표적 입자는 제2 배출구 안으로 유동하도록 유발하고, 표적 입자를 함유하는 샘플로부터 표적 입자를 분리하기 위한 입자 선별 시스템과,
    표적 입자와 테스트 화합물을 수용하는 제2 배출구에 연통되며, 표적 입자와 테스트 화합물을 혼합하기 위한 혼합 및 배양 영역과,
    표적 입자에 대한 테스트 화합물의 영향을 검출하기 위한 검출 영역을 포함하는 스크리닝 시스템.
  10. 표적 세포에 대한 화합물의 영향을 테스트하기 위한 방법이며,
    소정 특징에 따라 한 세트의 세포를 선별하는 단계와,
    소정 특징의 세포를 연결 채널을 통해 혼합 영역까지 이송하는 단계와,
    화합물을 혼합 영역에 도입하는 단계를 포함하는 테스트 방법.
  11. 주 세포를 스크리닝하는 방법이며,
    한 세트의 세포를 선별하여 세트로부터 서브 모집단을 분리하는 선별 단계와,
    세포의 서브 모집단에 화합물을 부가하는 단계와,
    세포의 서브 모집단을 분석하여 세포의 서브 모집단에 대한 화합물의 영향을 판단하는 분석 단계를 포함하는 스크리닝 방법.
  12. 화합물의 부작용을 분석하는 방법이며,
    한 세트의 주 세포를 제공하는 단계와,
    주 세포 세트에 화합물을 부가하는 단계와,
    주 세포를 측정하여 화합물에 의한 활성도를 측정하는 단계와,
    활성도가 없는 주 세포로부터 활성도가 있는 주 세포를 분리하는 단계를 포함하는 분석 방법.
  13. 제10항에 있어서, 소정 특징은 소정 마커의 존재인 테스트 방법.
  14. 제13항에 있어서, 소정 마커는 항체, 효소, 기질, 공동 인자, 형광 염료 또는 정보제공 유전자(reporter gene)인 테스트 방법.
  15. 세포의 활성도를 조정하기 위해 화합물의 활성도를 스크리닝하는 방법이며, 세포는 테스트 화합물과 접촉하며, 테스트 화합물에 반응하는 세포가 제1항의 마이 크로 유체 시스템을 사용하여 모니터링되는 스크리닝 방법.
  16. 마이크로 유체 시스템을 이용하여 세포 집단으로부터 세포의 서브 모집단을 분리하는 방법이며,
    소정의 표현형을 갖는 세포를 집단으로부터 식별하는 단계와,
    소정의 표현형을 갖지 않는 세포로부터 상기 세포를 분리하는 단계를 포함하는 분리 방법.
  17. 제16항에 있어서, 세포 집단은 분리된 주 세포의 배양인 분리 방법.
  18. 제16항에 있어서, 세포 집단은 세포 배양인 분리 방법.
  19. 세포 이식에 사용되는 세포의 서브 모집단을 분리하는 방법이며,
    소정의 표현형을 갖는 세포를 식별하는 단계와,
    마이크로 유체 장치를 이용하여 세포를 분리하는 단계와,
    이식에 사용되는 세포의 서브 모집단을 분리하는 단계를 포함하는 분리 방법.
  20. 유전학적으로 변경되는 세포의 서브 모집단을 분리하는 방법이며,
    소정의 표현형에 따라 세포 집단에서 세포의 서브 모집단을 식별하는 단계 와,
    마이크로 유체 장치를 이용하여 세포를 분리하는 단계와,
    유전학적으로 변경되는 세포의 서브 모집단을 분리하는 단계를 포함하는 분리 방법.
  21. 제20항에 있어서, 유전학적으로 변경되는 격리된 세포가 환자에 재이식되는 분리 방법.
  22. 세포의 서브 모집단을 분리하는 방법이며,
    세포 주기 단계 특정 마커를 나타내는 세포의 서브 모집단을 식별하는 단계와,
    마이크로 유체 장치를 이용하여 세포를 분리하는 단계와,
    세포 주기의 동일한 단계에 있는 세포의 서브 모집단을 분리하는 단계를 포함하는 분리 방법.
  23. 생체내의 효소 활성을 조절하는 화합물의 활성도를 테스트하는 방법이며,
    세포 효소에 의하여 작동될 때 형광으로 되는 화합물을 세포 집단에 투여하는 단계와,
    효소 활성도를 조절하는 화합물의 활성도를 판단하기 위하여 세포 형광을 측정하는 단계를 포함하는 테스트 방법.
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