KR101229044B1

KR101229044B1 - 미소입자 처리 장치

Info

Publication number: KR101229044B1
Application number: KR1020100102703A
Authority: KR
Inventors: 조영호
Original assignee: 주식회사 넥스비보
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2013-02-04
Also published as: KR20120041305A

Abstract

미소입자 처리 장치는 유동 챔버, 다수개의 수직형 필라들 및 한 쌍의 제1 및 제2 전극들을 포함한다. 상기 유동 챔버는 미소입자를 포함하는 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하며, 서로 마주보는 제1 면과 제2 면을 갖는다. 상기 유동 챔버의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 연장 형성되어 상기 미소입자를 포획하기 위해 구비된다. 상기 제1 및 제2 전극들은 상기 수직형 필라들을 사이에 두고 상기 유동 챔버의 양측벽 상에 각각 구비되며, 상기 수직형 필라들의 주위에 불균일한 전기장 구배를 형성한다.

Description

미소입자 처리 장치{MICROFLUIDIC DEVICE FOR PARTICLE CAPTURE}

본 발명은 미소입자 처리 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 유체 내의 미소입자를 선택적으로 포획할 수 있는 미소입자 처리 장치에 관한 것이다.

바이오칩(Biochip)은 마이크로어레이(microarrary)와 미세유체장치로 구분되고 있다. 마이크로어레이는 디엔에이(DNA, deoxyribonucleic acid), 단백질(protein) 등을 배열하여 인간의 타액, 땀 등의 생리학적 유체(physiological fluid)와 혈액(blood) 등의 샘플로부터 DNA, 단백질, 효소(enzyme) 등의 타깃(target)을 포획하여 분석하는 장치이며, DNA칩(DNA chip), 단백질칩(protein chip) 등이 있다. 미세유체장치는 샘플을 흘려보내면서 센서, 생물분자 등과 반응하는 타깃을 분석하는 장치이며, 미세유체칩(microfluidic chip) 또는 랩온어칩(Lab-on-a chip)이라 부르고도 있다.

미세유체장치는 미국 특허출원공개 제2007/0259424A1호에 개시되어 있다. 이 특허문헌의 미세유체장치는 상부층(top layer), 하부층(bottom layer)과 복수의 장애물들(obstacles)로 구성되어 있다. 장애물들의 표면에 결합제 부분(binding moiety), 예를 들어 항체(antibody), 충전폴리머(charged polymer), 세포들(cells)과 결합되는 분자(molecule)가 코팅되어 있다. 장애물은 상부층 또는 하부층의 표면으로부터 높이 방향으로 형성되어 있는 마이크로포스트(micropost)들로 구성되어 있다. 샘플, 예를 들어 혈액은 상부층의 입구(inlet)를 통하여 도입된 후, 채널(channel)을 따라 흘러 상부층의 출구(outlet)를 통하여 배출된다. 혈액에 포함되어 있는 세포는 결합제 부분에 포획된다. 그러나 상기한 바와 같은 미세유체장치는 타깃을 단순히 결합제 부분에 결합하여 포획하기 때문에 타깃의 포획률이 매우 낮은 단점이 있다.

본 발명의 목적은 샘플로부터 타깃을 효율적으로 포획할 수 있는 미소입자 처리 장치를 제공하는 데 있다.

다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

상기 본 발명의 일 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예들에 따른 미소입자 처리 장치는 유동 챔버, 다수개의 수직형 필라들 및 한 쌍의 제1 및 제2 전극들을 포함한다. 상기 유동 챔버는 미소입자를 포함하는 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하며, 서로 마주보는 제1 면과 제2 면을 갖는다. 상기 유동 챔버의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 연장 형성되어 상기 미소입자를 포획하기 위해 구비된다. 상기 제1 및 제2 전극들은 상기 수직형 필라들을 사이에 두고 상기 유동 챔버의 양측벽 상에 각각 구비되며, 상기 수직형 필라들의 주위에 불균일한 전기장 구배를 형성한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수직형 필라들은 상기 유체의 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수직형 필라들은 상기 유동 챔버의 상류로부터 하류를 향하여 순차적으로 배열되는 홀수 번째의 제1 필라들 및 짝수 번째의 제2 필라들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 필라들은 서로 엇갈리도록 배열될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극들은 상기 유동 챔버의 상기 제1 면과 인접한 제1 측벽 및 상기 제1 측벽과 마주하는 제2 측벽에 각각 형성될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수직형 필라는 상기 미소입자의 접착력을 증가시키기 위한 물질막을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 유체는 세포를 포함하는 혈액으로 이루어지고, 상기 물질막은 상기 세포를 포획하기 위한 항체를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극들에 인가되는 전압은 교류 전압일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 교류 전압의 주파수에 따라 상기 미소입자의 유전영동이 변경될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 미소입자 처리 장치는 상기 유체가 유입되는 제1 포트 및 상기 유체가 유출되는 제2 포트를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 미소입자 처리 장치는 상기 제1 포트 및 상기 제2 포트 중에서 적어도 어느 하나에 상기 미소입자의 개수를 측정하기 위한 계수기를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수직형 필라의 단면 형상은 원형 또는 다각형일 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 수직형 필라의 단면은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면을 향하여 변하는 형상을 가질 수 있다.

이와 같이 구성된 발명에 따른 미소입자 처리 장치는 유동 챔버 내에 구비되어 유체 내의 미소입자를 포획하기 위한 물질막을 갖는 다수개의 수직형 필라들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 미소입자 처리 장치는 상기 수직형 필라들을 사이에 두고 서로 마주보는 적어도 한 쌍의 전극들을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 전극들은 상기 수직형 필라들의 주위에 불균일한 전기장 구배를 형성할 수 있다.

따라서, 유체 내의 미소입자는 이러한 수직형 필라 주위의 불균일한 전기장 내에서 유전 영동력 및 상기 수직형 필라의 물질막에 의해 상기 수직형 필라의 표면에 효과적으로 분리 및 포획될 수 있다.

더욱이, 상술한 미소입자 처리 장치는 높은 타깃의 포획률에 의하여 독성병원균을 가진 혈액을 체외로 순환시키면서 정화하여 치료하는 데 사용될 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소입자 처리 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 미소입자 처리 장치의 유동 챔버를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 유동 챔버를 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 3의 유동 챔버의 일부를 나타내는 평면도들이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들을 나타내는 평면도들이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들을 나타내는 단면도들이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미소입자 처리 장치를 나타내는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미소입자 처리 장치(10)는 유체가 유출입되는 제1 및 제2 포트들(120, 130), 미소입자를 포함하는 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하는 유동 챔버(110), 유동 챔버(110) 내에 구비되어 미소입자를 포획하기 위한 다수개의 수직형 필라들(200, 도 2 참조), 및 유동 챔버(110)의 양측벽 상에 각각 구비되는 적어도 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(310, 320)을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 유동 챔버(110)는 제1 포트(120) 및 제2 포트(130)에 각각 연결되어 유체의 흐름을 위한 공간을 제공할 수 있다.

제1 포트(120)는 유동 챔버(110)에 미소입자를 포함하는 유체를 공급할 수 있다. 제1 포트(120)는 유동 챔버(110) 내에서 제1 포트(120)로부터 제2 포트(130)로의 유체의 흐름을 위한 압력을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 유체는 서로 다른 세포 타입들과 생물학적 입자들을 포함하는 혈액과 같은 생체 유체일 수 있다. 상기 유체는 생물의 건강에 관한 정보를 갖는 표적 입자를 포함할 수 있다. 상기 표적 입자는 세포, 박테리아, 바이러스 등과 같은 생물학적 미소입자일 수 있다. 제2 포트(130)는 유체 또는 유동 챔버(110) 내에서 선택적으로 포획된 미소입자를 회수할 수 있다.

상기 제1 및 제2 포트들은 유동 챔버(110) 내의 유체의 흐름을 위한 유체동역학적 유압을 유도할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 포트들은 기계적 원리들(외부 주사기 펌프들, 공압 멤브레인 펌프들, 진동 멤브레인 펌프들, 진공 장치, 원심력 및 모세관 작용), 전기 또는 자기적 원리들(전기 유체 역학 펌프 및 자기 유체 역학 펌프), 열역학적 원리들 등에 기초하여 동작할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 미소입자 처리 장치(10)는 선택적으로 포획된 미소입자의 개수를 측정하기 위한 계수기(400, 410)를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 계수기(400)는 제1 포트(120)에 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 제2 계수기(410)는 제2 포트(130)에 인접하게 배치될 수 있다. 상기 계수기는 제1 포트(120)와 제2 포트(130) 중에서 어느 하나에 선택적으로 배치될 수 있다.

도 2는 도 1의 미소입자 처리 장치의 유동 챔버를 나타내는 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 유동 챔버를 나타내는 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 라인을 따라 절단한 단면도이며, 도 5 및 도 6은 도 3의 유동 챔버의 일부를 나타내는 평면도들이다. 도 5는 제1 및 제2 전극들 사이에 배치된 수직형 필라들을 나타내고 있다. 도 5에서는, 설명의 편의를 위하여 일부의 수직형 필라들만이 도시되어 있다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 유동 챔버(110)는 미소입자(4)를 포함한 유체(2)가 이동할 수 있는 공간을 제공하며, 제1 기판(102) 및 제2 기판(104)에 의해 정의된다. 제2 기판(104)은 제1 기판(102) 상에 서로 평행하게 형성되어 유체(2)의 흐름을 위한 공간을 형성할 수 있다. 따라서, 유동 챔버(110)는 서로 마주보는 제1 면(110a) 및 제2 면(110b)을 가질 수 있다.

유동 챔버(110)는 포토리소그래피, 결정 구조의 성장 및 에칭을 포함하는 반도체 제조 공정들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 유동 챔버(110)는 폴리머 물질, 무기 물질 등을 이용하여 형성할 수 있다. 상기 폴리머 물질의 예로서는, PDMS, PMMA 등을 들 수 있다. 상기 무기 재료의 예로서는, 유리, 석영, 실리콘 등을 들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 다수개의 수직형 필라들(200)은 유동 챔버(110)의 길이 방향을 따라 규칙적으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 수직형 필라들(200)은 매트릭스 형상으로 배열되어 포획 어레이를 형성할 수 있다. 따라서, 수직형 필라들(200)은 미소입자의 포획을 위한 장애물들의 역할을 수행할 수 있다. 이와 다르게, 상기 수직형 필라들은 유동 챔버(110) 내에서 상기 미소입자의 효과적인 포획을 위하여 임의의 배열을 가질 수 있다.

수직형 필라들(200)은 제1 기판(102) 상에 형성될 수 있다. 수직형 필라(200)는 유동 챔버(110)의 제1 면(110a)으로부터 제2 면(110b)으로 연장 형성될 수 있다. 수직형 필라(200)는 제1 및 제2 면들(110a, 110b)에 각각 연결될 수 있다. 수직형 필라들(200)은 유체(2)의 흐름 방향(S 방향)에 대하여 직교하는 방향으로 배열될 수 있다.

또한, 수직형 필라들(200)은 제1 필라들(200a) 및 제2 필라들(200b)을 포함할 수 있다. 제1 필라들(200a)은 유동 챔버(110)의 상류로부터 하류를 향하여 기산된 홀수 번째의 어레이를 형성할 수 있다. 제2 필라들(200b)은 유동 챔버(110)의 상류로부터 하류를 향하여 기산되는 짝수 번째의 어레이를 형성할 수 있다.

제1 및 제2 필라들(200a, 200b)은 서로 엇갈리도록 배열될 수 있다. 이 경우에 있어서, 유체의 흐름 방향에서 바라볼 때, 제2 필라(200b)는 제1 필라들(200a) 사이에 노출되고, 제1 필라(200a)는 제2 필라들(200b) 사이에 노출될 수 있다.

제1 필라(200a)는 유동 챔버(110)의 제1 면(110a)으로부터 제2 면(110b)으로 연장하는 제1 패턴(202a) 및 제1 패턴(202a)을 둘러싸는 제1 물질막(204b)을 포함할 수 있다. 제2 필라(200b)는 유동 챔버(110)의 제1 면(110a)으로부터 제2 면(110b)으로 연장하는 제2 패턴(202b) 및 제2 패턴(202b)을 둘러싸는 제2 물질막(204b)을 포함할 수 있다.

예를 들면, 제1 패턴(202a)은 이방성 식각 공정에 의해 형성될 수 있다. 제2 패턴(202b)은 제1 패턴(202a)과 실질적으로 동일한 공정에 의해 형성될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았지만, 제1 예비 기판 상에 제1 패턴(202a)의 단면 형상을 정의하는 제1 마스크 패턴을 형성하고, 상기 제1 마스크 패턴을 식각 마스크로 이용하여 상기 제1 예비 기판을 부분적으로 식각함에 따라, 제1 기판(102) 상에 제1 패턴(202a)을 형성할 수 있다. 제1 패턴(202a)은 상기 제1 마스크 패턴의 단면 구조에 따라 원기둥의 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 및 제2 패턴들(202a, 202b)은 상기 미소입자의 접착력을 증가시키기 위한 생화학적 물질막을 포함하거나 표면의 특성을 변화시킬 수 있다. 따라서, 제1 필라(200a)는 제1 패턴(202a)의 표면 상에 코팅된 제1 물질막(204a)을 포함할 수 있다. 제2 필라(200b)는 제2 패턴(202b)의 표면 상에 코팅된 제2 물질막(204b)을 포함할 수 있다.

예를 들면, 제1 및 제2 물질막들(204a, 204b)은 미소입자들(4)의 효과적인 포획을 위하여 항체, 핵산(Nucleic acid), 단백질, 충전폴리머, 세포들과 결합되는 분자 등을 포함할 수 있다. 상기 항체의 예로서는 항상피세포접합분자 항체(Anti-Epithelial Cell Adhesion Molecule antibody, Anti-EpCAM antibody), 항시토케라틴 항체(Anti-Cytokeratin antibody, Anti-CK antibody) 등을 들 수 있다. 본 실시예에 있어서, 상기 물질막은 Anti-CK 항체 또는 Anti-EpCAM 항체를 포함할 수 있다. 이와 다르게, 제1 및 제2 패턴들(202a, 202b)은 표면 처리되어 표면 거칠기와 같은 물리적 또는 생화학적인 표면 특성이 변화될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 전극쌍이 유동 챔버(110)에 구비될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극쌍은 서로 마주보는 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)으로 구성될 수 있다. 이와 다르게, 다수개의 전극쌍들이 수직형 필라들(200)을 사이에 두고 유동 챔버(110)의 양측벽들 상에 구비될 수 있다.

한 쌍의 제1 및 제2 전극들(310, 320)은 수직형 필라들(200)을 사이에 두고 유동 챔버(110)의 양측벽 상에 각각 구비될 수 있다. 제1 전극(310)은 유동 챔버(110)의 제1 면(110a)과 인접한 제1 측벽(110c)에 형성될 수 있다. 제2 전극(320)은 제1 측벽(110c)과 마주하는 제2 측벽(110d)에 형성될 수 있다.

제1 전극(310)과 제2 전극(320)은 교류 전압을 공급하는 전압원(330)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(310)에는 교류 신호가 인가되고 제2 전극(320)은 교류 신호에 대한 일정 전위를 형성시키기 위한 접지 역할을 수행할 수 있다.

후술하는 바와 같이, 전압원(330)에 의해 제1 전극(310) 및 제2 전극(320)에 교류 전압이 인가되면, 제1 및 제2 전극들(310, 320) 사이의 수직형 필라들(200)의 주위에는 불균일한 전기장 구배가 형성될 수 있다.

이하에서는, 도 1의 미소입자 처리 장치를 이용하여 유체 내의 미소입자를 분리하여 포획하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 미소입자(4)를 포함하는 유체(2)는 유동 챔버(110)의 입구(112)를 통해 유입된 후, 유동 챔버(110)의 길이 방향(S 방향)을 따라 흐르게 된다. 이어서, 전압원(330)은 한 쌍의 제1 및 제2 전극들(310, 320)에 교류 전압을 인가시킨다.

전압원(330)에 의해 상기 전극쌍에 교류 전압이 인가되면, 제1 전극(310) 및 제2 전극(320) 사이에 전기장이 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 전극(310)으로부터 제2 전극(320)으로 전기력선(line of electric force: L)이 유도되고, 상기 제1 및 제2 전극들 사이의 수직형 필라들(200)의 주위에는 불균일한 구배의 전기장이 발생된다.

제1 전극(310)으로부터 제2 전극(320)을 향하여 유도되는 전기력선(L)은, 유체의 흐름 방향(S)과 마주하는 수직형 필라들(200)의 전방과 후방 주변(A, B)에서 더 밀집된 구배를 나타낸다. 즉, 유체의 흐름 방향(S)과 마주하는 수직형 필라(200)의 전후측방에서의 전기장의 구배는 유체의 흐름 방향(S)과 직교하는 수직형 필라(200)의 상하측방에서의 전기장의 구배보다 더 크게 된다. 따라서, 수직형 필라(200)의 전후측방에서는 상대적으로 강한 전기장이 형성되고 수직형 필라(200)의 상하측방에서는 상대적으로 약한 전기장이 형성된다. 여기서, 불균일한 전기장의 구배는 유체의 종류, 교류 전압의 주파수, 수직형 필라들의 형상 및 배열 등에 따라 결정될 수 있다.

극성이 없는 미소입자(4)가 불균일한 전기장에 노출되었을 때, 전기 쌍극자 유도 현상에 의해 미소입자(4)는 전기 쌍극자(dipole) 형태로 형성된다. 미소입자(4)에 유도된 극성의 크기와 방향은 전기장의 주파수, 전도도(conductivity), 유전율(permittivity)과 같은 유전특성(dielectric properties)에 따라 달라진다. 미소입자(4)의 극성은 주변 환경에 따라 결정되어 전기장의 구배가 큰 쪽 또는 작은 쪽으로 힘을 받아 이동되며, 이를 유전영동이라 한다.

미소입자(4)에 미치는 유전상수 값이 매질보다 큰 경우를 양(positive)의 유전영동이라 하고, 유체 양의 유전영동에 의해 미소입자(4)는 전기장의 구배가 큰 쪽으로 움직이게 된다. 반면, 미소입자(4)에 미치는 유전상수 값이 매질보다 작은 경우를 음(negative)의 유전영동이라 하고, 음의 유전영동에 의해 미소입자(4)는 전기장의 구배가 작은 쪽으로 움직이게 된다. 따라서 분리하고자 하는 미소입자(4)의 양과 음의 유전영동 차이를 이용하면, 유체(2)로부터 원하는 미소입자(4)를 더욱 더 효율적으로 분리할 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 예를 들면, 미소입자(4)의 분극화(polarization) 정도가 유체의 분극화 정도보다 더 크다면 유전 영동력은 전기장의 기울기 방향으로 형성되고, 이에 따라 미소입자(4)는 전기장이 강한 쪽으로 이동하게 되며, 수직형 필라(200)의 전후측방으로 이동하게 된다. 이러한 분극화는 미소입자, 유체의 특성으로 교류 전압의 주파수에 따라 변하게 된다.

또한, 유전 영동력은 미소입자(4)의 크기의 세제곱에 비례하고, 전기장(Electric Field)의 기울기의 제곱에 비례하므로, 미소입자(4) 및 기울기가 클수록 유전 영동력이 증가하고, 이에 따라 미소입자(4)의 이동 속도가 증가한다. 더욱이, 미소입자(4)의 크기 차이가 많이 날 경우 동일한 조건이라면 미소입자(4)가 받는 유전 영동력이 달라지기 때문에 미소입자(4)를 크기별로 분리할 수도 있다.

따라서, 유체(2) 내의 미소입자(4)는 유동 챔버(110)를 따라 흐르다가 유전 영동력을 받아 수직형 필라들(200)의 표면에 효과적으로 포획된다. 예를 들면, 유체(2)의 흐름을 따라 홀수 번째의 어레이를 지난 미소입자(4)는 그 하류에 배치되어 있는 짝수 번째의 어레이에 충돌하여 포획된다. 전압원(330)에 의한 전압의 공급이 중지되면, 상기 수직형 필라들의 표면에 포획되어 있던 미소입자(4)들은 수직형 필라들(200)로부터 분리되어 출구(114)를 통하여 배출된다. 배출된 미소입자(4)들은 제2 포트(130)에서 용이하게 회수되어 분석될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 미소입자(4)의 유전 영동은 전압원(330)의 교류 전압의 주파수에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 전압원(330)은 5~200kHz의 전기장을 발생하는 교류전압의 전력을 상기 전극쌍에 공급할 수 있다.

한편, 미소입자의 일례로 인간의 혈액에 포함되어 있는 세포들 중 정상 세포와 활성이 낮은 세포는 유전특성에 큰 차이가 있기 때문에 유전영동 특성의 변화를 이용하여 활성이 낮은 세포 및 죽은 세포 등을 정상 세포로부터 쉽게 분리할 수 있다. Anti-EpCAM 항체는 암세포(cancer cell)를 포획한다. 따라서 본 발명에 따른 미소입자 처리 장치는 인간의 혈액을 체외로 빼낸 후 필터를 통하여 노폐물 등을 필터링한 후 다시 체내로 주입하는 혈액 투석 방법과 마찬가지로 암환자의 혈액을 순환시키면서 암세포를 포획하여 제거하는 혈액 청소 및 치료에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들을 나타내는 평면도들이다.

도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들(200)은 다양한 단면 형상들을 가질 수 있다. 도면들에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 필라는 삼각형, 사각형, 오각형과 같은 다각형 또는 물방울 형상을 가질 수 있다. 상기 수직형 필라들은 원하는 미소입자의 효율적인 포획을 위하여 다양한 형상을 가질 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들을 나타내는 단면도들이다.

도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미소입자 처리 장치의 수직형 필라들(200)은 유동 챔버의 제1 면(110a)으로부터 제2 면(110b)을 향하여 변하는 다양한 단면 형상들을 가질 수 있다.

도 8a에 도시된 바와 같이, 수직형 필라(200)는 상부 필라(210)와 하부 필라(212)를 가질 수 있다. 하부 필라(212)는 제1 면(110a)으로부터 점차적으로 감소하는 단면 형상을 가지고, 상부 필라(210)는 제2 면(110b)으로부터 점차적으로 감소하는 단면 형상을 가질 수 있다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 수직형 필라(200)는 상부 필라(210), 중앙부 필라(211) 및 하부 필라(212)를 가질 수 있다. 중앙부 필라(211)는 상부 필라(210)와 하부 필라(212)의 직경들 보다 더 작은 직경을 가질 수 있다.

도 8c에 도시된 바와 같이, 수직형 필라(200)는 제1 면(110a)으로부터 제2 면(110b)을 향하여 점차적으로 감소하는 단면 형상을 가질 수 있다. 따라서, 수직형 필라(200)의 상부는 하부보다 더 작은 직경을 가질 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 미소입자 처리 장치는 유동 챔버 내에 구비되어 유체 내의 미소입자를 포획하기 위한 물질막을 갖는 다수개의 포획 구조물들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 미소입자 처리 장치는 상기 포획 구조물들을 사이에 두고 서로 마주보는 적어도 한 쌍의 전극들을 포함할 수 있다. 상기 한 쌍의 전극들은 상기 포획 구조물들의 주위에 불균일한 전기장 구배를 형성할 수 있다.

따라서, 유체 내의 미소입자는 이러한 포획 구조물 주위의 불균일한 전기장 내에서 유전 영동력 및 상기 포획 구조물의 물질막에 의해 상기 포획 구조물의 표면에 효과적으로 분리 및 포획될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 미소입자 처리 장치 102 : 제1 기판
104 : 제2 기판 110 : 유동 챔버
120 : 제1 포트 130 : 제2 포트
200 : 수직형 필라 202a : 제1 패턴
202b : 제2 패턴 204a : 제1 물질막
204b : 제2 물질막 310 : 제1 전극
320 : 제2 전극 330 : 전압원
400, 410 : 계수기

Claims

미소입자를 포함하는 유체의 흐름을 위한 공간을 제공하며, 서로 마주보는 제1 면과 제2 면을 갖는 유동 챔버;
상기 유동 챔버의 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면으로 연장 형성되고, 상기 미소입자를 포획하기 위한 다수개의 수직형 필라들; 및
상기 수직형 필라들을 사이에 두고 상기 유동 챔버의 양측벽 상에 각각 구비되며, 상기 수직형 필라들의 주위에 불균일한 전기장 구배를 형성하는 적어도 한 쌍의 제1 및 제2 전극들을 포함하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수직형 필라들은 상기 유체의 흐름 방향에 대하여 직교하는 방향으로 연장하는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 수직형 필라들은 상기 유동 챔버의 상류로부터 하류를 향하여 순차적으로 배열되는 홀수 번째의 제1 필라들 및 짝수 번째의 제2 필라들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 필라들은 서로 엇갈리도록 배열되는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극들은 상기 유동 챔버의 상기 제1 면과 인접한 제1 측벽 및 상기 제1 측벽과 마주하는 제2 측벽에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수직형 필라는 상기 미소입자의 접착력을 증가시키기 위한 물질막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 유체는 세포를 포함하는 혈액으로 이루어지고, 상기 물질막은 상기 세포를 포획하기 위한 항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극들에 인가되는 전압은 교류 전압인 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 교류 전압의 주파수에 따라 상기 미소입자의 유전영동이 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 유체가 유입되는 제1 포트 및 상기 유체가 유출되는 제2 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 제1 포트 및 상기 제2 포트 중에서 적어도 어느 하나에 상기 미소입자의 개수를 측정하기 위한 계수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수직형 필라의 단면 형상은 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 미소입자 처리 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수직형 필라의 단면은 상기 제1 면으로부터 상기 제2 면을 향하여 변하는 형상을 갖는 것을 특징으로 미소입자 처리 장치.