KR101720683B1 - 마이크로유체성 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 마이크로채널(2)을 포함하는 하나 이상의 두번째 유체의 액적(5) 또는 기포를 운반하는 첫번째 유체의 흐름을 위한 마이크로유체성 회로(1)에 관한 것이고, 마이크로채널(2)의 높이가 액적(5) 또는 기포가 움직이는 동안에 그들을 압착할 수 있는 크기로 되어 있고, 첫번째 유체의 흐름 방향 F로 적어도 부분적으로 또는 액적 또는 기포를 포획하기 위한 공간으로 형성된 마이크로채널(2)이 하나 이상의 트로프(3)를 포함하며, 상기 공간(28) 또는 트로프(3)가 갖는 높이(hc)는 마이크로채널(2)의 높이(h) 보다 더 크고, 마이크로채널 내 두번째 유체의 액적(5) 또는 기포의 적어도 일부는 트로프(3) 또는 포획된 공간으로 끌려가거나 들어간다.

Description

마이크로유체성 회로{MICROFLUIDIC CIRCUIT}

본 발명은 하나 이상의 제2 유체의 액적 또는 기포를 이동시키는 역할을 하는 제1 유체가 흐르고 있는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체성 회로에 관한 것이다.

마이크로유체성 회로는 본 출원인의 이름으로 문헌 WO 2006/018490에 개시되어 있다. 본 마이크로유체성 회로는 예를 들어 PDMS(폴리메틸실록산: polydimethylsiloxane)와 같은 적절한 재료로 제조되고 통상적으로 약 l00μm의 너비 및 약 50μm의 깊이를 갖는 마이크로채널을 포함하며, 상기 마이크로채널에서 공기, 물, 오일, 시약 등과 같은 유체가 매우 낮은 속도로 통과할 수 있다.

회로를 포함하는 재료에 의해 흡수되지 않는 파장의 레이져 빔은 마이크로채널 내를 흐르는 제1 유체와 상기 마이크로채널 내에 적어도 부분적으로는 흐르는 제2 유체의 경계면에 집중되어, 마이크로채널 내 제1 유체의 흐름을 강제하거나 중지시키고, 액적 내로 분산시키며, 제2 유체와 혼합시키는 등, 유체의 경계면상에 레이져 빔의 집중은 상기 경계면을 따라 온도 구배를 만들고 열모세관 대류(thermocapillary convection)를 통해서 유체의 움직임을 유발한다.

또한 본 출원인의 이름으로 WO　2007/138178에 개시되어 있는 것처럼, 본 기술은 액적이 이동하는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체성 회로 내 액적을 처리하기 위해 이용되었다. 사용하고 있는 방법은, 캐리어 유체 내의 액적의 경계면상에 또는 접촉하고 있는 액적의 경계면상에서 레이져 빔을 작용시키는 과정으로 이루어져 있는데, 이러한 과정을 통해 액적을 분류하고, 더 큰 크기의 액적으로부터 나노액적을 형성하거나, 접촉하는 액적을 병합하여 이 액적에 함유된 유체 사이에서 반응을 유발시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 마이크로유체성 회로 내 액적을 처리하는 또 다른 방법이고, 이는 상기에 개시된 선행 처리 기술과 조합하여 이용될 수 있다.

이러한 효과를 위하여, 본 발명은 하나 이상의 제2 유체의 액적 또는 기포를 운반하는 제1 유체가 흐르기 위한 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체성 회로를 제안하고, 마이크로채널의 높이가 액적 또는 기포가 움직이는 동안에 액적 또는 기포를 압착할 수 있는 크기로 되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로채널은 적어도 부분적으로 제1 유체의 흐름방향으로 형성되어 있는 하나 이상의 트로프 또는 액적 또는 기포를 포획하기 위한 공간을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 공간 또는 트로프는 마이크로채널 내 제2 유체의 적어도 특정 액적(5) 또는 기포가 트로프(3) 또는 포획하기 위한 공간 내부로 끌려가거나 들어가게 되는 방식으로 마이크로채널의 높이보다 더 큰 높이를 갖는다.

유체 내로 밀려들어간 액적의 경우, 액적의 표면에너지는 액적의 외부 표면이 작은것보다 모두 더 낮다. 따라서 최소 에너지는 구형의 액적에 의해 획득되고 액적이 이 형태에서 벗어날수록 연속적으로 증가한다. 표면에너지는 마이크로채널 내 임의의 위치에 있는, 부피를 아는 액적에 대해서 계산될 수 있다. 이렇게 함으로써, 작동시에, 힘과 비교함으로써 주어진 트로프에 의해 액적이 들어가게 될지 아닐지를 예측할 수 있다.

마이크로채널 내 위치하는 압착된 액적은 크고 단단한 외부 표면을 갖는다. 따라서 상기 액적은 당연히 액적의 외부 표면을 감소시키려고 하고, 액적이 마이크로채널과 트로프 사이의 분기점에 도달할 때, 외부 표면은 액적을 더 큰 높이의 트로프를 향해 이동시킨다.

이와 같이 액적은 트로프에 의해 끌려지고 제1 유체에 의해 트로프를 따라 이동된다.

마이크로채널 내에서 트로프의 방향이 제1 유체(캐리어 유체)의 흐름방향과 평행하지 않은 경우에, 트로프의 국부적인 방향에 대하여 통상적이고 제1 유체에 의해 액적에 행사되는 점성 저항력(viscous drag force)이 액적을 변형시켜 액적을 다시 압착된 형태로 되돌리는데 필요한 점성 저항력보다 작다면, 액적은 트로프에 갇혀 있게 된다.

이와 같은 현상은 여러 파라미터들, 예를 들어 캐리어 유체의 점도 및 액적의 유체의 점도, 액적의 크기, 캐리어 유체의 속도, 계면장력, 트로프의 기하학적 구조, 마이크로 채널의 두께 등에 의해 영향을 받는다.

물론, 본 발명을 수행함에 있어서 변경 없이, 액적 또는 기포를 그대로 사용할 수도 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 마이크로채널은 2개의 평행한 벽에 의해 형성되고, 상기 트로프는 마이크로채널의 하나 이상의 벽에 있는 홈에 의해 형성되거나, 마이크로채널의 벽 중 하나의 벽에 있는 2개의 평행한 골 사이에서 형성된다.

바람직하게, 2 이상의 상이한 유형으로 되어 있는 기포 또는 액적이 제1 유체에 의해 운반되고, 상기 트로프는 제1 유형의 기포 또는 액적(15)만 트로프(3) 내로 들어가도록 기포 또는 액적을 분리하거나 분류하는 수단을 구성한다.

상기에 설명된 것과 같이, 트로프에 의해 끌려가는 액적에 대해 제1 유체에 의해 각각의 유체에 행사되는 점성력은 액적을 변형시켜 그것을 다시 압착된 형태로 되돌리는데 필요한 점성력보다 더 작다.

반대로, 트로프를 따라가지 않고 캐리어 유체의 방향으로 흐르는 액적에 대해 제1 유체에 의해 행사되는 점성력은 액적을 변형시켜 그것을 다시 압착된 형태로 되돌리는데 필요한 점성력보다 더 크다.

결과적으로, 크기가 크거나 점성이 작은 액적은 크기가 작거나 점성이 작은 액적보다 트로프의 궤적을 잘 따라가지 않을 것이다.

본 발명에 따르면, 상이한 유형의 기포 또는 액적은 상이한 크기, 점도 또는 표면장력을 갖고, 이는 기포 또는 액적을 분리하게 해줄 수 있다.

실시예에서, 상기 트로프는 제1 유체의 흐름방향으로 높이 및/또는 너비가 더 큰 부분 뒤에 높이 및/또는 너비가 더 작은 부분이 따라오는 높이 및/또는 너비가 상이한 2개 이상의 연속하는 부분을 포함한다.

이러한 유형의 트로프로 두 유형의 기포 또는 액적을 쉽게 분리할 수 있다. 예를 들어, 점도가 높거나 크기가 큰 기포는 캐리어 유체에 의해 트로프에서 밀려나기 전에 트로프의 가장 높은 부분을 따라서만 흐르게 되는 반면 점도가 낮거나 크기가 작은 기포는 트로프의 가장 높은 부분 뿐만 아니라 더 낮은 높이의 트로프를 따라서도 흐르게 될 것이다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 회로는 상이한 너비 및/또는 제1 유체의 흐름에 대하여 상이한 기울기를 갖고, 상이한 유형의 기포 또는 액적을 구별해 낼 수 있는 트로프를 포함한다.

바람직하게, 상기 회로는 액적 또는 기포를 포획하기 위한 공간을 포함하고, 상기 공간은 마이크로채널 내 또는 상기 트로프 내의 액적 또는 기포의 통로 구간을 확장함으로써 형성하거나, 또는 마이크로채널 및/또는 트로프의 표면에너지의 국부 변형을 통하여 형성된다.

상기 회로는 마이크로채널 내에서, 포획하기 위한 공간을 심지어 트로프가 부재할 때에도 포함할 수 있다. 캐리어 유체에 의해 운반된 액적 또는 기포는 이어서 그들의 궤적에 위치하는 포획하기 위한 공간 내에 포획된다.

또한, 이러한 포획하기 위한 공간들은 포획되는 액적 또는 기포의 크기보다 더 작을 수 있다.

이러한 포획하기 위한 공간들은 기포의 단일 유형으로 조정 및/또는 정해진 수, 예를 들어 1 또는 2의 기포만을 함유할 수 있다.

포획하기 위한 공간은 하나 또는 수개의 액적을 고정시킬 수 있고, 고정된 액적은 예를 들어 현미경을 이용하여 공간을 조사 및/또는 상당한 시간동안 공간 내 반응의 전개를 따라갈 수 있게 한다.

적어도 포획하기 위한 특정 공간은 서로 독립적일 수 있다.

선택적으로, 포획하기 위한 특정 공간은 마이크로채널 또는 전술한 트로프에 의해 직렬 또는 병렬로 연결된다.

후방에 있는 액적이 뒤따르는 액적에 작용하여 그들의 이동을 계속할 수 있게 함으로써 하류에 위치한 트랩을 채우는 방식으로 트랩은 생성될 수 있다.

포획된 액적은 정지하고 있지만 그것의 내용물은 계속하여 캐리어 유체의 흐름에 따라 움직이게 된다. 이러한 방식으로, 후방의 액적이 정지하는 경우에도 액적의 내용물은 혼합될 수 있다. 이러한 현상은 특히 생물학적 배양 분야에서 또는 화학반응을 시작하기 위해 중요한 역할을 한다.

액적을 병합하여 화학반응을 일으키거나 액적의 내용물을 비교하기 위해, 액적을 서로 부근에 있게 하거나 서로 접촉하게 할 수도 있다.

포획하기 위한 공간이 다른 공간과 직렬로 연결되는 경우, 하나 또는 수개의 액적이 포획하기 위한 한 공간에서 다른 공간으로 도약하는 것은 캐스케이드 효과(cascade effect)를 통하여, 하류에 위치한 공간 내에 포획된 액적의 움직임을 유발할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 장애물이 포획하기 위한 특정 공간의 하류에 형성되어 상기 공간 내에 끌려들어간 기포 또는 액적을 보유하게 한다.

유리하게, 하나 이상의 트로프는 트로프 내에 있는 기포 또는 액적을 감속 또는 가속하기 위한 수단을 포함하고, 상기 감속 또는 가속하기 위한 수단은, 트로프의 너비 또는 높이를 변화시킴으로써 또는 감속 또는 가속되기를 원하는 공간을 따라 형성된 대응하는 마이크로채널 벽의 레일 또는 골에 의해 형성된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 회로는 마이크로채널 내에 특성이 상이한 액적 또는 기포의 평행한 흐름을 형성하기 위한 수단을 포함하고, 상기 마이크로채널은 마이크로채널 내로 특성이 상이한 액적 또는 기포를 도입하기 위한 수단과, 상기 도입하기 위한 수단을 이용하여 각각의 도입하기 위한 수단에서 빠져나가는 액적 또는 기포를 마이크로채널의 미리 정해진 공간까지 이동시키는 마이크로채널 내에 형성된 트로프를 포함한다.

각 유형의 액적은 마이크로채널의 미리 정해진 공간으로 도입된다. 이어서 마이크로채널의 상이한 높이에 있는 특성이 알려진 액적의 연결이 배열될 수 있게 한다.

본 발명은 여기에 부가된 도면을 참고하여 비제한적인 실시예에 의해 보다 용이하게 이해할 수 있고 하기에 기재된 사항을 보면 본 발명의 다른 상세 사항, 특징 및 다른 이점들을 알 수 있다:
- 도 1은 마이크로채널의 구간을 보여주는 개략도이고;
- 도 2 및 도 3은 도 1에 대응하는 본 발명의 2개의 다른 실시예를 보여주고;
- 도 4는 트로프를 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 5는 트로프의 망상구조를 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 6 내지 도 9는 특성이 상이한 액적을 분리하는 것을 목적으로 하는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 마이크로채널의 평면도이고;
- 도 10은 액적을 감속하기 위한 수단을 포함하는 트로프를 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 11은 액적을 가속하기 위한 수단을 포함하는 트로프를 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 12는 중심부 트로프 및 중심부 트로프의 액적을 감속하는 것을 목적으로 하는 부가적인 트로프를 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 13은 트로프의 부재시, 기포를 포획하기 위한 공간을 갖는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 14 및 도 15는 기포를 포획하기 위한 공간을 갖는 트로프를 상단에서 본 평면도이고;
- 도 16은 장애물을 포함하는 트로프의 망상구조를 상단에서 본 평면도이고;
- 도 17은 젖음 부분을 포함하는 트로프의 망상구조를 상단에서 본 평면도이고;
- 도 18은 마이크로반응기를 형성하는 트로프를 상단에서 본 평면도이고;
- 도 19는 직렬로 배열된 포획하기 위한 공간을 갖는 트로프를 포함하는 마이크로채널을 상단에서 본 평면도이고;
- 도 20은 포획하기 위한 공간의 매트릭스 배열을 상단에서 본 평면도이며;
- 도 21은 특성이 상이한 액적의 평행한 흐름을 형성하기 위한 수단을 포함하는 마이크로채널을 보여준다.

도 1은 본 발명에 따른 마이크로회로(1)의 첫번째 실시예를 개략적으로 보여준다.

상기 마이크로회로(1)는 예를 들어 PDMS(폴리디메틸실록산: polydimethylsiloxane)와 같은 적절한 재료로 이루어진 판에 전술한 선행기술에 개시된 것과 같이 일반적인 유동적 인쇄기법을 이용하여 형성된다.

하나 또는 수개의 마이크로채널(2)은 플레이트의 표면에서 형성될 수 있고, 예를 들어 그 위에 유리 현미경용 슬라이드가 접착된다.

도 1에서 볼 수 있듯이, 마이크로채널(2)은 직사각형의 단면을 갖고, 마이크로채널의 너비 L은 수평의 가로 길이에 의해, 즉 마이크로회로(1)의 수평면으로 정의되며, 마이크로채널의 높이 h는 그것의 수직 방향의 길이, 즉 마이크로회로(1)의 수평면에 대하여 수직 방향으로 정의된다.

물론, 선행 용어들은 상기 도면의 참고용으로만 이용되고, 마이크로회로의 배향에 관계없이 유효하다.

직사각형 또는 정사각형의 단면을 갖는 홈(3)은 마이크로채널(2)을 형성하는 2개의 수평한 벽(4) 중 어느 하나에 배열된다. 본 발명의 선택적인 실시예에 따르면, 두번째 홈은 첫번째 벽(4)을 가로질러, 수평한 벽의 건너편에 배열될 수 있다.

상기 홈(3)은 마이크로채널(2)의 나머지 구간보다 더 큰 구간의 트로프를 형성한다.

캐리어 유체로 지칭되는 제1 유체는 마이크로채널(2) 내를 F로 표시된 화살표 방향으로 제1 유체와 특성이 상이한 제2 유체의 액적(5)을 끌면서 순환한다.

하기에 뒤따라 나오는, 제2 유체는 본 발명의 수행에서 변형 없이, 액적 또는 기포의 형태일 수 있다.

마이크로채널의 좁은 공간을 흐르는 상기 액적(5)은 압착된다. 그들이 트로프(3)와 만나면, 그들은 압착된 형태보다 표면에너지를 덜 요구하는 덜 압착된 형태, 예를 들어 구형 또는 반-구형의 형태로 트로프 내로 들어간다. 주목해야 할 것은 액적은 트로프에 계속 들어가게 될 때 압착될 수 있다. 결정 기준은 트로프의 외부에서보다 트로프 내부에서 액적의 표면에너지가 더 작게 되는 것이고, 구체가 상기 에너지의 최소값에 대응한다.

트로프(3)로 들어가는 상기 액적(5)은 이어서 트로프(3)를 따라 트로프에서부터 캐리어 유체에 의해 운반된다.

상기 액적은 상기 트로프(3)보다 더 클 수도 있고 더 작을 수도 있다.

도 2는 본 발명의 선택적인 실시예를 보여주고, 여기에서 트로프(3)를 설정하는 홈은 오목하거나 곡선인 모양을 갖는다.

또 다른 선택적 실시예는 도 3에 나타나고, 여기서 수평한 벽(4) 중 어느 하나에는 2개의 평행한 골(6)이 형성되고, 골들은 서로 일정한 간격을 두고 마이크로채널(2)의 내부를 향하며 골들 사이에 트로프(3)를 형성한다.

이러한 방식으로, 골(6)의 상부와 반대편 벽(8) 사이에서 압착된 상기 액적(5)은 트로프(3)를 향하여 위치하거나 또는 골들(6)의 측면 중 어느 하나에 위치하는 마이크로채널(2)의 다른 공간에 위치한다. 이 공간에서, 상기 액적(5)은 구형 또는 반-구형의 형태 따라서 더 낮은 표면에너지로 돌아갈 수 있다. 이러한 방식으로, 골은 장벽을 형성하여 액적을 다른 것들과 분리할 수 있다.

도 4는 트로프(3)의 형태를 상단에서 본 것을 나타낸다. 본 예에서 상기 트로프(3)는, 마이크로채널의 축 A를 따라, 즉 캐리어 유체의 흐름축 F를 따라 형성되는 하나 이상의 부분(9), 전술한 축 A에 대해 비스듬하게 형성되는 하나 이상의 부분(10) 및/또는 사인곡선형(sinusoidal shape)의 하나 이상의 부분(11)을 포함한다.

전술한 부분들의 각각에서, 트로프(3)를 따라 순환하는 액적(5)의 궤적은 액적(5)이 항상 트로프(3) 및 마이크로채널(2)의 상류에서 하류로 캐리어 유체에 의해 끌리는 방식으로, 캐리어 유체의 흐름 방향에 따라 성분을 갖는다.

비스듬한 부분(10) 또는 사인곡선형 부분(11)에서 특히 마이크로채널(2) 내 액적의 이동 시간이 더 길다. 이러한 방식으로, 시간에 따라 관찰영역을 수정할 필요없이 액적(5)의 내용물을 긴 시간동안 현미경을 이용하여 관찰할 수 있다.

도 5는 마이크로채널(2)의 방향으로 형성된 중심부의 트로프(12)를 포함하고, 트로프(12)의 어느 한 면이 몇몇 보조 트로프(13)로 형성되는 트로프의 망상구조를 보여준다. 각 보조 트로프(13)는 중심 트로프(12)에서 형성되고, 트로프를 우회하는 방식으로 다시 트로프(12)를 통해서 빠져 나간다.

도 5의 경우에 있어서, 상기 액적(5)은 예를 들어 물을 함유하고 상기 캐리어 유체는 파라핀이고, 마이크로채널(2)의 너비는 3mm이며 트로프(12, 13)의 너비는 70μm이고, 마이크로채널 및 트로프의 높이는 각각 50 μm 및 35 μm이며, 상기 액적(5)은 화살표 F의 방향으로 왼쪽에서 오른쪽으로 흐른다.

도 6은 제1 유형 또는 제2 유형의 액적에 대하여 캐리어 유체를 형성하는 제1 유체가 순환하는 마이크로채널(2)을 보여준다. 제1 유형의 액적(14)은 제2 유형의 액적(15)보다 크기가 더 크다.

상기 마이크로채널(2)에 화살표 F로 보여지는 캐리어 유체의 순환 방향에 대하여 상류에서 하류로 비스듬하게 놓인 트로프(3)가 형성된다. 트로프의 높이 및/또는 너비는, 가장 큰 액적(14)이 캐리어 유체와 함께 화살표 F의 방향으로 운반되고 가장 작은 액적(15)이 트로프(3) 내로 끌려가면서 트로프(3)를 따라 상류에서 하류로 캐리어 유체에 의해 트로프에서부터 끌려가는 방식으로 조절된다.

트로프(3)의 하류 말단(16)의 높이 또는 너비는 캐리어 유체에 의해 행사되는 점성력이 액적(15)을 압착하기 위해 필요한 점성력보다 더 커서 캐리어 유체가 마이크로채널(2) 내로 액적을 다시 끌어들이는 방식으로 감소하게 된다. 상기 액적(14, 15)은 보통 캐리어 유체의 흐름과 평행하고 서로 분리되어 있는 2개의 축 B 및 C를 따라 트로프(3)의 하류로 순환한다.

이러한 마이크로채널은 특성이 상이한 액적의 두 유형을 분류하게 할 수 있다.

도 7은 도 6에서와 유사한 마이크로채널(2)을 보여주고, 도 6에서 제1 유형의 액적(14)은 상대적으로 점성이 높고 제2 유형의 액적(15)은 상대적으로 점성이 낮다.

트로프(3)의 높이 및/또는 너비는, 가장 점성이 높은 액적(14)이 캐리어 유체와 함께 운반되어 점성이 낮은 액적(15)이 트로프 내로 끌려가면서 트로프를 따라, 상류에서 하류로 끌려가며 트로프(3)의 하류 말단에 있는 트로프(3)에서 빠져 나가는 방식으로 조절된다.

점성이 큰 액적일수록, 캐리어 유체에 의해 액적에 가해지는 효과는 더 강해지고, 이 효과는 트로프 외부로 액적을 추출하게 함을 보았다.

이러한 마이크로채널(2)은 또한 상이한 표면 장력을 갖는 액적을 분류하기 위해 이용될 수 있다.

도 8은 도 6 및 도 7의 마이크로채널의 유형을 보여주고, 여기서 트로프는 상류에서 하류로, 높이 및/또는 너비가 연속적으로 감소하는 공간(17 내지 20)을 갖는다.

각 공간의 크기는 액적의 특정한 유형을 구별할 수 있는 방식에 따라 정해진다.

도 8의 경우에 있어서, 상기 캐리어 유체는 첫번째 공간(17), 즉 가장 넓고 및/또는 가장 깊은 공간을 가로질러 크기 또는 점성이 상이한 4가지 유형의 액적을 끌어간다.

제1 유형, 즉 가장 크고 가장 점성이 큰 액적(21)은 캐리어 유체에 의해 이 공간(17)을 통과하여 끌려가고, 상기 액적(21)의 궤적은 트로프(3)의 존재에 의하여 거의 영향을 받지 않는다.

제2 유형, 제3 유형 및 제4 유형의 액적(22, 23, 24)은 제1 유형(21)보다 더 작거나 점성이 작고, 트로프(3)의 첫번째 공간(17)을 지나 끌려가며, 더 작은 너비 및/또는 높이를 갖는 두번째 공간(18)에 도달할 때까지, 캐리어 유체에 의해 상류에서 하류로 트로프를 따라 운반된다.

두번째 공간(18)의 크기는 두번째 유형의 액적(22)이 그 속으로 침투할 수 없는 방식으로 정해진다. 상기 액적(22)은 이에 따라 트로프(3)로부터 추출되고 이어서 캐리어 유체의 흐름에 평행한 축을 따라 마이크로채널(2)을 순환하고 원래의 순환축으로부터 분리된다.

이전과 같은 방식으로, 트로프(3)의 다른 공간(19, 20)의 크기는 제3 유형의 액적(23)이 트로프(3)의 외부로 빠져나오기 전에 첫번째, 두번째 및 세번째 공간(17, 18, 19)을 연속적으로 순환하고, 제4 유형의 액적(24)이 트로프(3)의 하류 말단(16)에서 빠져나오기 전에 트로프(3)의 각 공간 (17 내지 20)을 순환하는 방식으로 정해진다.

이러한 방식으로, 각 유형 (21 내지 24)의 액적은 각각 평행하고 서로 분리된 순환축을 따라, 트로프(3)의 하류로 순환한다.

이에 따라 이러한 마이크로채널은 특성이 상이한 4가지 유형의 액적을 분리하게 할 수 있다.

물론, 트로프의 상이한 공간의 수는 필요에 따라 조절될 수 있다.

또한 도 9에 보여지는 것과 같이, 상이한 크기 및/또는 마이크로채널 내에서 캐리어 유체의 흐름 방향 F에 대하여 상이한 기울기를 갖는 트로프(3)를 배열함으로써 여러 유형의 액적을 분리하게 할 수 있다.

이 도면에서, 상기 마이크로채널(2)은 4개의 연속하는 트로프(3)로 형성되고, 제1 유체의 흐름에 대한 트로프(3)의 기울기는 점점 더 작아진다. 가장 많이 기울어진, 상기 첫번째 트로프(3a)는 가장 작은 액적(24)을 분리하고, 두번째 채널(3b)은 약간 더 큰 액적(23)을 분리하고, 세번째 채널(3c)은 좀 더 큰 액적(22)을 분리하며, 네번째 채널(3d)은 가장 큰 액적(21)을 분리한다.

상기 마이크로채널(2)은 또한 트로프(3)를 가질 수 있고, 트로프(3)는 예를 들어 캐리어 유체의 순환축을 따라 형성되며, 너비(25) 및/또는 높이가 감소된다. 상기 감소는 단계적 또는 불연속적인 계단 형태나 도 10에서 보여지는 것과 같이 점진적인 형태를 가질 수 있다.

이러한 방식으로, 캐리어 유체에 의해 트로프 내를 흐르는 액적(5)은 트로프로부터 수축된 지점(25)을 통과할 때 감속될 것이다.

캐리어 유체의 속도가 0이 되는 경우에는, 트로프의 기하학적 구조는 액적을 운반하기 위한 엔진으로 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명은 캐리어 유체의 흐름이 없을 때에도 액적을 2차원-영역으로 밀어내는 것을 가능하게 한다. 본 발명은 캐리어 유체의 흐름에 대하여 흐름을 거슬러 액적을 밀어내기 위하여 이용될 수도 있다.

역으로, 도 11에서 보여지는 것과 같이, 트로프(3)는 단계적 또는 점진적으로 확장된 공간(26)을 가질 수 있고, 이는 액적(5)이 상기 공간을 통과할 때 트로프(3) 내를 순환하는 액적(5)이 가속되는 방식으로 이루어진다.

액적(5)이 느려지는 것은 액적이 순환하는 트로프(3)의 어느 한 면에 두번째 트로프(27)를 배열함으로써 획득될 수 있고, 두번째 트로프(27)는 마이크로채널(2)의 구간을 국부적으로 증가시키는 기능을 갖는다(도 12). 이는 캐리어 유체의 순환 속도, 결과적으로 액적(5)의 순환 속도를 국부적으로 감소하기 위한 효과를 갖는다.

물론, 두번째 트로프(27)의 개수, 형태 및 위치는 필요에 따라 조절될 수 있고, 중요한 점은 마이크로채널의 구간에서 국부적인 증가가 있는 것이다. 트로프(27)를 마이크로채널(2)의 구간에서 국부적 감소를 형성하는 골로 대체함으로써 역효과가 획득될 수 있다.

도 13은 마이크로채널(2)은 액적을 포획하기 위한 공간(28)을 포함하고, 마이크로채널(2)의 벽에 만들어진 포켓 또는 구멍(29)에 의해 형성된다. 이 실시예에서, 상기 마이크로채널은 트로프를 갖지 않고, 포획하기 위한 공간이 액적의 궤적상에 위치한다면 캐리어 유체의 흐름 F에 의해 운반되는 상기 액적은 포획하기 위한 공간에 포획된다. 포획하기 위한 공간은 도포 및 액적 또는 기포의 성격에 따라, 포획되는 액적 또는 기포보다 더 작거나 더 클 수 있다.

도 14는 마이크로채널(2)의 벽(4) 내에서, 액적을 포획하기 위한 공간(28)을 갖는 트로프(3)를 보여주고, 공간은 트로프(3)의 어느 한 면에 형성된 포켓 또는 구멍에 의해 형성된다.

포켓(29)은, 주입구(30)에 의해 트로프(3)에 연결되고 미리 정해진 수의 액적을 포획할 수 있다. 도 13의 경우에서, 상기 공간은 오직 하나의 액적(5)만을 함유할 수 있게 한다.

주입구(30)의 구간은 적용할 때마다 개조될 수 있다. 주입구(30)가 트로프(3)의 구간보다 더 큰 구간을 갖는 경우에, 액적 또는 액적(5)은 자동적으로 포획하기 위한 공간(28)으로 끌려간다.

주입구(30)가 트로프(3)의 구간보다 더 작은 구간을 갖거나 거의 동등한 구간을 갖는 경우에, 액적(5)을 포획하기 위한 공간(28)으로 들어가게 만들 수 있다. 이는 임의의 적절한 수단에 의해, 특히 WO　2006/018490 및 WO　2007/138178에 개시된 방법을 이용하여 수행될 수 있고 이 방법은 액적과 캐리어 유체 사이 또는 두 액적 사이의 경계면을 향해 있는 레이져 빔을 이용하여 액적의 움직임에 영향을 준다.

액적(5)은 캐리어 유체의 흐름을 증가시키거나, 전술한 방법을 이용하여 액적(5)을 빠져나가게 함으로써 포획하기 위한 공간(28)으로부터 끌어당겨질 수 있다.

도 15는 트로프(3)를 도시하고 있는데, 이 트로프의 어느 한 면에는 서로 분리되어 있고 지그재그 방식으로 정렬된 복수의 포획하기 위한 공간(28, 29)이 형성되어 있다. 포획하기 위한 각 공간(28, 29)의 크기는 미리 정해진 수의 액적(5)을, 공간(28)의 경우에 대해 한 개의 액적 및 공간(31)의 경우에 대해 두 개의 액적을 포획 및/또는 특별한 특성의 액적을 포획할 수 있도록 정해질 수 있다.

마이크로채널(2)은 중심부 트로프(3)로 이루어진 트로프의 망상구조를 가질 수 있고, 망상구조를 통하여 액적이 도달하고, 망상구조로부터 하나 또는 수개의 우회하는 트로프(31)가 형성되어 있으며 여기에 배열된 장애물(32)은 도 16에 보여지는 것과 같이 적어도 일시적으로는, 대응하는 우회하는 트로프(31) 내에서 액적(5)을 보유하게 할 수 있다. 이어서 우회하는 트로프는 포획하기 위한 공간을 형성한다. 우회하는 트로프(31)는 장애물(32)의 하류를 형성할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

본 발명의 또 다른 선택적인 실시예에 따르면, 도 17에서 보여지는 것과 같이, 부가된 트로프(31)는 젖음 공간(33)을 갖게 된다. 젖음 공간은 벽(4)의 젖음 특성이 조절된 공간에 의해 형성된다.

이는 예를 들어 친수성이 되게 하는 공간에서 정지 또는 감속되는 물 한 방울을 이용하여 수행될 수 있다. 젖음 특성의 조절은 또한 실란화(silanization) 또는 플라즈마 에칭(plasma etching)과 같은 화학적 방법 또는 물리적인 방법, 예를 들어 그 위에 액적이 포착될 수 있는 친수성 러그(hydrophilic lug)를 도입함으로써 획득될 수 있다(파커 효과: fakir effect).

포획하기 위한 공간은 또한 마이크로반응기를 형성하기 위한 또는 액적 또는 관련된 액적 내 화학적 및/또는 생물학적 분자를 검출하기 위한 방식으로 액적의 내용물과 반응하려는 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상보서열이 포획하기 위한 공간에 대응하는 벽에 국부적으로 위치한다면 DNA 서열은 검출될 수 있다.

도 18에서 보여지는 것과 같이 몇몇 액적은 서로 근접하게 또는 접촉하여 도입될 수 있다. 이 경우에, 마이크로채널은 예를 들어 2개의 평행한 트로프(34, 35)를 포함하고, 각각은 특별한 유형의 액적(36, 37)의 순환을 목적으로 하며, 액적은 포획하기 위한 공간(28)을 형성하는 하류 말단의 방향이 전환된 트로프(31)로 형성된다.

포획하기 위한 공간(28)은, 제1 유형의 액적(36)이 제2 유형의 액적(37)과 근접하는 또는 접촉하는 방식으로 서로에 대하여 근접하게 또는 인접하게 배열된다.

그 후 두 액적(36, 37)을 병합시켜서 내용물을 반응시키거나, 액적의 내용물을 비교할 수 있다.

도 19는 직렬로 배열된, 연속하는 포획하기 위한 공간(28)을 갖는 트로프(3)를 갖는 마이크로채널(2)을 보여준다.

액적(5)이 포획하기 위한 공간(28)의 각각에 포획되고 추가적인 액적이 트로프(3)를 통해 도달할 때, 트로프를 통해 도달된 추가적인 액적은 액적을 상류의 트랩으로부터 밀어내고, 트랩 그 자체는 이전 액적의 하류에 직접 위치하는 트랩으로부터 액적을 밀어낸다. 포획하기 위한 한 공간(28)에서 다른 공간으로 액적(5)의 모든 움직임에서 캐스케이드 효과를 통해 결과가 나타난다.

포획하기 위한 공간(28)은 마이크로채널의 확장에 의해 정해지는 완충 공간 T를 형성하고 여기서 액적(5)은 예를 들어 화학적 또는 생화학적 반응을 배양 및/또는 그들의 관찰이 가능하도록 요구되는 정해진 기간을 소비한다.

포획하기 위한 공간(28)은 또한 도 20에 보여지는 것과 같이 중심부 트로프(3) 및 평행한 방향 전환된 트로프(31)의 사이 공간에 의한 매트릭스 배치를 가질 수 있고, 각각은 미리 정해진 수의 포획하기 위한 공간(28)에 연결된다.

도 21은 특성이 상이한 액적(21 내지 24)의 평행한 흐름을 형성하는 수단(38), 복수의 평행하는 수단으로서 마이크로채널(2) 내로 특성이 상이한 액적을 도입하기 위한 수단(39) 및 도입하기 위한 수단(39)을 이용하여 각각의 도입하기 위한 수단(39)에서 빠져나가는 액적(21 내지 24)을 마이크로채널(2)의 미리 정해진 공간까지 이동시키는 마이크로채널(2) 내에 형성된 트로프(3)를 포함하는 마이크로채널(2)을 보여준다. 따라서 특성이 상이한 액적의 평행한 흐름은 마이크로채널 내에 형성된다.

캐리어 유체 내 액적을 처리하기 위해 상기에 개시된 마이크로채널은 또한 기포의 처리에도 이용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 특히 마이크로유체성 칩에 샘플의 조제물(preparation)을 포함시킬 수 있고, 샘플을 단순하고 견고한 방식으로 관찰 지점 쪽으로 보낼 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로유체성 회로는 생명공학 또는 "chimietech" 분야, 뿐만 아니라 유체 디스플레이 분야 및 미소적(microdrop)에서 반응을 관찰하는 분야에 적용될 수 있다.

이러한 마이크로유체성 회로는 오늘날 표준인, "마이크로-어레이(Micro-Arrays)" 또는 바이오칩(biochip), 예를 들어 단백질 또는 DNA칩, 또는 세포 배양칩(cell culture chips)과 같은 형태를 가질 수 있다.

이러한 바이오칩은 표면이 생체분자로 기능하게 되는 공간의 매트릭스로 구성되고, 이 공간 사이의 크기 및 거리는 마이크로유체성 액적 및 트로프와 크기와 거의 같다. 본 발명에 의하면 내용물이 알려져 있는 특별한 액적을 기능화된 부분을 향하여 보낼수 있고, 표면에 액적을 접촉하게 하여 생물학적 측정이 가능한 혼성화를 발생할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명은 바이오칩의 기술과 미세유체공학에서 유체를 조작하는 이점을 가진 바이오칩과의 상호작용을 가능하게 한다.

상기에서 지적한 바와 같이, 액적의 궤적은 레이져를 이용하여 활발히 조절될 수 있고 트랩 또는 마이크로채널의 정해진 공간으로 액적을 도입하게 된다.

몇몇 트로프를 포함하는 마이크로채널의 경우, 상기 방법은 액적을 한 트로프에서 다른 트로프로 보내는 데, 예를 들어 액적이 흐를 수 있는 상이한 궤적들 사이에서 선택될 수 있다.

이 경우, 유체가 정상적인 열모세관 흐름을 갖는다면, 캐리어 유체에 의해 흡수되도록 레이져의 파장이 선택되어야 한다. 필요하다면, 캐리어 유체는 레이져의 파장을 흡수하는 착색제(예를 들어 흑색 잉크)를 함유할 수 있다. 이 경우에, 트로프 내 또는 트로프에 인접하여 레이저를 이용하여 캐리어 유체를 국부적으로 가열하는 것은 액적을 상기 트로프 내로 끌어들인다. 가열은 또한 액적과 캐리어 유체 사이의 경계면에서 수행될 수 있고 액적을 정해진 트로프 내로 끌어들인다.

유체가 비정상적인 열모세관 흐름을 갖는다면, 레이져는 액적의 진행을 막고 액적을 다른 트로프로 방향 전환하기 위해 위치될 수 있다.

가열은 또한 전기적 가열 요소를 이용하여 국부적 또는 전체적으로 수행될 수 있다.

또한, 이용된 유체가 레이져를 흡수하지 않는 경우에, 이러한 흡수는 마이크로채널을 포함하는 재료에 의해 직접 또는 마이크로채널 또는 트로프 내에서 레이져 광선을 흡수하는 재료의 층 또는 입자를 증착함으로써 수행될 수 있다.

액적의 궤적에 영향을 주기 위하여 또는 액적을 포획하기 위하여 유전영동력을 이용할 수 있다.

Claims (12)

1. 하나 이상의 제2 유체의 액적(5) 또는 기포를 운반하는 제1 유체가 흐르는 하나 이상의 마이크로채널(2)을 포함하는 마이크로유체성 회로(1)에 있어서,
   상기 마이크로채널(2)의 제1 유체의 흐름 방향에 수직인 단면의 높이(h)는 액적 또는 기포가 움직이는 동안에 액적(5) 또는 기포를 압착할 수 있는 크기를 가지고, 상기 마이크로채널(2)의 단면의 너비(L)는 액적 또는 기포의 크기보다 크며, 상기 마이크로채널(2)은, 적어도 부분적으로는 제1 유체의 흐름방향(F)으로 형성되어 있는 하나 이상의 트로프(3) 또는 국부적으로 높이가 더 높은 마이크로채널(2)의 일 부분으로 형성되는 액적 또는 기포를 포획하기 위한 공간을 포함하고, 상기 공간(28) 또는 트로프(3)는 상기 마이크로채널의 너비(L)보다 작은 너비(Lc)를 가지고, 상기 마이크로채널(2)은 상기 단면의 높이(h)를 한정하는 2개의 평행한 벽(4, 8)에 의해 형성되고, 상기 트로프는 마이크로채널(2)의 하나 이상의 벽(4)에 있는 홈(3)에 의해 형성되거나, 마이크로채널(2)의 벽 중 하나의 벽에 있는 2개의 골(6) 사이에서 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공간(28) 또는 트로프(3)는 마이크로채널(2)의 높이(h)보다 큰 높이(hc)를 가지는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   2 이상의 상이한 유형으로 되어 있는 기포 또는 액적(14, 15)이 제1 유체에 의해 운반되고, 상기 트로프(3)는 제1 유형의 기포 또는 액적(15)만 트로프(3) 내로 들어가도록 기포 또는 액적을 분리하거나 분류하는 수단을 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
4. 제3항에 있어서,
   상이한 유형의 상기 기포 또는 액적(5)이 상이한 크기, 점도 또는 표면 장력을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 트로프(3)는, 제1 유체의 흐름방향으로 높이 또는 너비가 더 큰 부분 뒤에 높이 또는 너비가 더 작은 부분이 따라오는, 높이 또는 너비가 상이한 2개 이상의 연속하는 부분(17, 18, 19, 20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상이한 너비 또는 제1 유체의 흐름에 대하여 상이한 기울기를 갖는 트로프(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   액적(5) 또는 기포를 포획하기 위한 공간(28)을 포함하고, 상기 공간은 마이크로채널(2) 또는 상기 트로프(3) 내의 액적(5) 또는 기포의 통로 구간을 확장함으로써 형성하거나, 마이크로채널(2) 또는 트로프(3)의 표면에너지의 국부적 변화를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
8. 제7항에 있어서,
   상기 포획하기 위한 공간(28)의 적어도 일부는 서로 독립적인 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
9. 제7항에 있어서,
   상기 포획하기 위한 공간(28)의 적어도 일부는 마이크로채널(2) 또는 상기 트로프(3)에 의해 직렬 또는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
10. 제7항에 있어서,
    장애물(32)이 포획하기 위한 특정 공간의 하류에 형성되어, 공간 내로 끌려간 기포 또는 액적(5)을 상기 공간 내에 보유하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 트로프(3)가 상기 트로프(3) 내에 있는 기포 또는 액적(5)을 감속하기 위한 수단(25) 또는 가속하기 위한 수단(26)을 포함하고, 상기 감속하기 위한 수단(25) 또는 가속하기 위한 수단(26)은 트로프(3)의 너비 또는 높이를 변형함으로써 형성되거나, 또는 대응하는 마이크로채널의 벽의 레일 또는 골에 의해 형성되며, 레일 또는 골은 감속 또는 가속을 위한 공간을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    마이크로채널(2) 내에 특성이 상이한 액적(21, 22, 23, 24) 또는 기포의 평행한 흐름을 형성하기 위한 수단을 포함하며, 상기 마이크로채널은 마이크로채널(2) 내로 특성이 상이한 액적 또는 기포를 도입하기 위한 수단(38, 39)과, 상기 도입하기 위한 수단(39)을 이용하여 각각의 도입하기 위한 수단(39)에서 빠져나가는 액적 또는 기포를 마이크로채널(2)의 미리 정해진 공간까지 이동시키는 마이크로채널 내에 형성된 트로프(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체성 회로.

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