KR101740778B1 - 미세유체 표면 처리 디바이스 및 방법 - Google Patents

Abstract

미세유체 표면 처리 디바이스 (10a-10h)로서, 상기 디바이스는: 페이스 (17) 상에, 적어도 한 개의 구멍을 갖는 미세유체 탐침 헤드 (16) - 상기 적어도 한 개의 구멍 (11)은 적어도 하나의 출구 구멍 (11)을 포함함 -; 및 상기 페이스 (17)과 관련하여 바깥으로 그리고 수직으로 연장하는 표면 처리 구조 (21, 21a, 22)를 포함하고, 상기 처리 구조는, 동작 중에, 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 액체 (15)의 흐름경로를 가로챌 수 있도록 상기 출구 구멍 (11)과 관련하여 디멘젼과 위치가 더 정해진다. 관련 장치들 및 방법들이 제공된다.

Description

미세유체 표면 처리 디바이스 및 방법{MICROFLUIDIC SURFACE PROCESSING DEVICE AND METHOD}

본 발명은 일반적으로 미세유체 표면 처리 디바이스들 (microfluidic surface processing devices)뿐만아니라 관련 방법들과 관련된 것이다.

미세유체시스템 (microfluidics)은 일반적으로 미세조립 (microfabricated) 디바이스들을 가리키는데, 이들 디바이스들은 액체들을 펌핑 (pumping), 샘플링 (sampling), 혼합 (mixing), 분석 (analyzing) 및 도싱 (dosing)하는데 사용된다. 이 디바이스들의 두드러진 특징은 액체들이 마이크로미터 (micrometer) 길이의 스케일에서 보여주는 (exhibit) 특이한 현상 (peculiar behavior)에서 비롯된다. 미세유체시스템에서 액체들의 흐름은 통상적으로 층류 (laminar)이다. 1 나노리터보다 훨씬 적은 볼륨들 (volumes well below one nanoliter)은 마이크로미터 범위의 횡적 디멘젼들 (lateral dimensions)을 갖는 구조들을 조립함으로써 도달될 수 있다. (반응물질들 (reactant)의 확산 (diffusion)에 의하여) 큰 스케일에서 제한되는 반응들이 가속화될 수 있다. 최종적으로, 액체들의 평행 스트림들 (parallel streams)이 아마도 정확하게 그리고 재생가능하게 제어될 수 있어, 화학 반응들 및 그래디언트들 (chemical reactions and gradients)이 액체/액체 및 액체/고체 인터페이스들에서 만들어질 수 있도록 해준다. 따라서 미세유체시스템은 생활 과학들에서 다양한 응용들을 위하여 사용된다.

예를 들어 액체의 존재 내가 아닌 비-컨택 모드에서 잉크를 전달할 수 있는 잉크젯들 (Inkjets)이 설계되었다. 다른 기술들이 더 높은 해상도 (resolution)에서 표면들을 더 패턴할 수 있지만 액체 환경에서 동작하는 능력에는 한계가 있다. 액체 환경들은 인공물들 (artifacts)의 건조와, 생체분자들 (biomolecules)의 변성 (denaturation)을 최소화하므로, 셀들 (cells) 또는 조직들 (tissues)과 같은 생물학적 표본들 (biological specimens)의 처리를 가능하게 한다.

액체 환경의 존재에서 표면을 패턴하고 표면상의 샘플들을 분석하기 위하여, 몇몇 전략들이 개발되었고 폐쇄 미세유체시스템의 한계를 극복하였다. 일부 전략들은 표면 근처의 액체들을 격리하거나, 또는 여전히, 액체의 잘 한정된 영역 내에 생체분자들의 정밀한 양을 전달하는 것에 의존한다. 주사 나노피펫들 (scanning nanopipettes) 및 움푹한 탐침들 (hollow probes) (원자력 현미경 검사에 사용되는 탐침들을 모방함)이 마이크로미터의 정확성을 가지고 표면들 상에 생체분자들을 패턴하기 위하여 또한 개발되었다.

다른 예로서, 비-접촉 미세유체 탐침 기술 (또는 "MFP")이 개발되었는데 (예를 들어, US 2005/0247673을 보라), 이것은 생체분자들을 추가 또는 제거함으로써 표면들을 패턴하고, 표면들 상에 증착된 단백질들의 표면 밀도 기울기들을 생성하고, 표면, 얼룩 (stain)에 근접하여 액체 간기들 (liquid interphases)에서 반응들을 국소화하며 (localize), 그리고 기타 응용들 중에서, 표면상에 부착된 셀들 (adherent cells)을 제거하도록 해준다.

또 다른 기술 분야에서, 주사 터널링 및 원자력 현미경의 발명으로 주사 탐침 현미경 검사 (scanning probe microscopy (or SPM))가 가능하게 되었다. 간단히 말하여, 그것의 목적은 물리적 탐침을 이용하여 샘플 표면들의 이미지를 형성하는데 있다. 주사 탐침 현미경검사 (SPM) 기술들은 샘플 표면의 바로 위 또는 컨택하는 탐침, 예를 들어, 뾰족한 팁을 상기 탐침 및 표면 사이의 상호작용을 모니터하면서 스캔하는 것에 의존한다. 샘플 표면의 이미지는 그리함으로써 (thereby) 얻어질 수 있다. 통상적으로, 샘플의 래스터 스캔이 수행되면 상기 탐침-표면 상호작용은 위치 함수로서 기록된다. 데이터는 그러므로 통상적으로 데이터 포인트들의 2차원 그리드 (a two-dimensional grid )로서 얻어진다. 달성되는 해상도는 하부 (underlying) 기술에 따라 다르다: 일부 사례들에서 원자 해상도가 달성될 수 있다. 통상적으로, 압전 액츄에이터들 (piezoelectric actuators) 또는 정전 액츄에이션 (electrostatic actuation)이 상기 탐침의 정밀한 움직임들을 실행하기 위하여 사용된다.

SPM의 두 가지 주요 형태들은 주사 터널링 현미경 검사 (scanning tunneling microscopy (STM)) 및 원자력 현미경 검사 (atomic force microscopy (AFM))이다. STM의 발명이 있은 다음 빠르게 동종 (family)의 다른 유사 기술들 (AFM을 포함하는)이 개발되었는데, 이들은 STM과 함께 SPM 기술들을 형성한다. 어쨌든 (Incidentally), SPM 기술들에서 사용되는 “탐침” 또는 “탐침 팁”은 MFP에서 의미하는 “탐침”과는 구별되어야 한다; 상기 두 가지 종류의 탐침들은 기능적으로 구조적으로 그리고 디멘젼 측면에서 (dimensionally) 서로 다르다.

SPM 기술들 중에서, 열 탐침-기반 기술들이 알려져 있는데, 이들은 공기 중에서 동작하는 것으로서 액체 상태에서 동작에는 적합하지 않다. 그것들은 또한 처리되는 표면에서 기존의 기능 유닛들의 열 활성화 (thermal activation)에 국한된다. AFM 기술들 중에서, 예를 들어 다음을 참조할 수 있다:

- “딥-펜 나노리소그래피” (케이. 살라이타 등, 네이처 나노테크, 2007년도 2월호, 145-155쪽) ("Dip-pen nanolithography" (K. Salaita et al. Nature Nanotech., 2007, 2, 145 - 155)); 및

- “나노만년필 탐침” (로, 오. 등, 스몰, 2009년도 5월호: 1667-1674쪽) ("Nanofountain probe" (Loh, O., et al., Small, 2009. 5: pp 1667 - 1674)).

딥-펜은 공기 중에서 동작하고 인공물들의 건조를 유발한다. 나노만년필 탐침은 액체에서 동작한다. 그것은 기본적으로 마이크로-급 피펫 (a micro-scale pipette)으로 간주될 수 있다. 처리 액체 (the processing liquid)는 관심 포인트로부터 벗어나 확산되어 (diffuse away) 주변 액체 (the surrounding liquid)를 오염시킬 수 있다. 그러므로, 상기 기술들로는 마이크로미터-이하 정밀도 (sub-micrometer precision)를 갖는 버퍼 용액들 내 인 시추 (in situ) 동작이 가능하지 않음을 알 수 있다. 따라서 액체 환경에서도 쉽게 동작되는 고 해상도 표면 처리 디바이스들 (high resolution surface processing devices)이 필요하다.

제1 특징에 따라, 본 발명은 미세유체 표면 처리 디바이스로서 구현되는데, 상기 디바이스는:

페이스 상에, 적어도 한 개의 구멍 (aperture)을 갖는 미세유체 탐침 헤드 - 이것은 적어도 한 개의 출구 (outlet) 구멍을 포함함 -; 및

상기 페이스와 관련하여 바깥으로 그리고 수직으로 연장하는 표면 처리 구조를 포함하고, 상기 처리 구조는, 동작 중에 (in operation), 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 (dispensed) 액체의 흐름경로 (flowpath)를 가로챌 수 (intercept) 있도록, 상기 출구 구멍과 관련하여 디멘젼과 위치가 더 정해진다.

실시예들에서, 상기 미세유체 탐침 헤드는 상기 페이스 상에 적어도 하나의 입구 (inlet) 구멍을 포함하고, 상기 출구 구멍 및 상기 입구 구멍은 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 액체를 상기 입구 구멍을 통하여 수집되도록 디멘젼과 위치가 정해지며; 그리고 상기 처리 구조는, 동작 중에, 상기 출구 구멍을 통하여 분배되고 상기 입구 구멍을 통하여 수집되는 액체의 흐름경로를 가로챌 수 있도록 상기 입구 구멍 및 상기 출구 구멍과 관련하여 디멘젼과 위치가 정해진다.

변형들에서, 상기 미세유체 표면 처리 디바이스는: 예를 들어, 상기 입구 구멍을 통하여 수집된 액체의 전기 전도성, 전기 용량 (capacitance), 전기화학 전위 (electrochemical potential)와 같은 전기적 반응 (electrical response)을 측정하도록 구성된 전기 회로를 더 포함하고; 그리고, 바람직하게는, 상기 전기 회로에 결합된 피드백 컨트롤 수단들을 더 포함하는데, 바람직하게는 상기 피드백 컨트롤 수단들은, 동작 중에, 상기 전기 회로를 통하여 측정된 전기적 반응에 기초해서 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 처리 액체의 속도를 제어하도록 구성된다. 상기 피드백 컨트롤 수단들은 상기 디바이스와 상기 표면 사이의 거리를 결정하는데 또한 사용될 수 있다. 또한, 다른 형태의 전기적 반응들의 조합들도 필요시, 동시에 측정될 수 있다.

상기 페이스의 레벨에서 상기 출구 구멍의 평균 직경은 0.5 내지 1,000 마이크로미터 사이가 바람직하고; 상기 처리 구조와 상기 출구 구멍 사이의 거리는 5 내지 2,000 마이크로미터 사이가 바람직하며; 그리고 상기 미세유체 탐침 헤드의 출구 구멍과 입구 구멍 사이의 거리는 만약 있다면, 5 내지 2,000 마이크로미터 사이가 바람직하다.

실시예들에 따라, 상기 디바이스는 상기 헤드에 기계적으로 접속된 캔틸레버 (cantilever)를 더 포함하며, 그리고 상기 처리 구조는 탐침 팁이며, 후자는 상기 캔틸레버의 끝을 이룬다.

바람직하게는, 상기 캔틸레버는 주사 탐침 현미경 캔틸레버이며, 그리고, 바람직하게는, 상기 캔틸레버는 상기 헤드에 대해서 고정되고 (anchored), 그리고 좀 더 바람직하게는, 오직 상기 헤드에 대해서 한 개의 지점 (point)에서 고정된다. 상기 캔틸레버는 예를 들어, AFM 캔틸레버이다. 예를 들어, 그것은 또한 상기 MFP 헤드로부터 적어도 부분적으로 독립되어, 일부 다른 홀더 (holder)에 장착될 수도 있다.

바람직한 실시예들에서 상기 캔틸레버는 상기 페이스에서 고정 부분을 통하여 고정되고, 상기 고정 부분은 상기 탐침 팁으로부터 떨어져 있으며, 그리고 상기 캔틸레버는 자유 부분 (a free portion)을 더 포함하고, 후자는 상기 캔틸레버의 주축 (main axis)과 관련하여 상기 탐침 팁의 반대편으로 연장되며 그것에 대하여 자극될 때 상기 구멍들 중 하나를 봉쇄하도록 (seal) 구성된다.

실시예들에서: 상기 고정 부분은 상기 자유 부분과 관련하여 상기 탐침 팁에 대해 반대편이거나; 또는 상기 자유 부분은 상기 고정 부분과 관련하여 상기 탐침 팁에 대해 반대편이다.

다른 실시예에 따라, 본 발명은 표면 처리의 방법으로서 구현되는데, 상기 방법은: 처리될 표면과 마주하는 상기 처리 구조를, 상기 실시예들 중 어느 한 개의 디바이스에 제공하는 단계; 상기 출구 구멍을 통하여 처리 액체를 분배하는 단계 - 이에 의하여 상기 처리 구조는 분배되는 상기 처리 액체의 흐름경로를 가로챌 수 있음 -; 그리고 상기 처리 구조를 상기 표면과 컨택하도록 함으로써, 상기 액체 내 입자들을 상기 처리 구조를 통하여 상기 표면으로 이송하는 단계를 포함하며, 그리고, 바람직하게는, 상기 처리 구조의 표면은 상기 입자들을 상기 처리 구조의 정점 (apex)으로 운송할 수 있도록 기능화된다 (functionalized). 상기 입자들은 분자들만큼 작을 수 있다. 상기 처리 액체는 상기 표면과 컨택할 필요가 없어, 해상도가 향상된다.

바람직하게는, 상기 처리 구조는 상기 표면 상에 패턴을 생성하기 위해 더 컨택되지 않게 된다.

실시예들에서, 제공된 상기 디바이스의 미세유체 탐침 헤드는 상기 페이스 상에 입구 구멍을 더 포함하고, 상기 출구 구멍 및 상기 입구 구멍은 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 액체를 상기 입구 구멍을 통하여 수집될 수 있도록 디멘젼과 위치가 정해지며, 상기 처리 구조는 상기 출구 구멍을 통하여 분배되며 상기 입구 구멍을 통하여 수집되는 액체의 흐름경로를 가로채도록 위치가 정해지고, 상기 방법은: 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 처리 액체를 상기 입구 구멍을 통하여 수집하는 단계를 더 포함한다.

침액 (immersion liquid)은 상기 페이스와 상기 표면 사이에 더 제공될 수 있고, 상기 처리 액체는 상기 침액 내에서 분배되는데, 바람직하게는 상기 침액 내 격리된 처리 액체의 층류 흐름 (laminar flow)을 형성하도록 분배된다..

바람직하게는, 상기 방법은 상기 입구 구멍을 통하여 수집되는 액체의 전기 전도성을 측정하는 단계를 더 포함하고, 바람직하게는, 상기 방법은 상기 측정된 전기 전도성에 기초해서 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 처리 액체의 속도 (a rate of processing liquid)를 제어하는 단계를 더 포함한다.

실시예들에 따라, 입자들을 이송하는 단계는: 상기 처리 구조의 표면에서 지질 이중층 (lipid bilayer)을 발생시키는 단계를 더 포함하고; 그리고, 바람직하게는, 입자들을 이송하는 단계는: 분자 종들 (molecular species)을 상기 표면으로 이송하도록 상기 지질 이중층 (lipid bilayer)을 통하여 상기 분자 종들을 운반하는 단계 (transporting)를 더 포함한다. 좀 더 일반적으로, “컨베이어 벨트 시스템”이 지질 이중층을 대신하여 사용될 수 있음을 주목해야 한다.

바람직하게는, 제공된 상기 디바이스는 상기 헤드에 기계적으로 접속된 캔틸레버를 더 포함하고, 그리고 상기 처리 구조는 상기 캔틸레버의 끝부분을 이루는 (terminating the cantilever) 탐침 팁이며, 그리고 입자들을 이송하는 단계는, 상기 표면에서 화학 반응이 일어날 수 있도록, 바람직하게는 열적으로 또는 전기적으로 상기 처리 구조에 에너지를 공급하는 단계를 더 포함한다. 상기 반응은 또한, 예를 들어, 백금 (platinum) 또는 기타 금속들과의 촉매 반응 (catalytic reaction)이 될 수도 있다.

바람직한 실시예들에서, 제공된 상기 디바이스의 캔틸레버는 상기 페이스에서 고정 부분을 통하여 고정되고, 상기 고정 부분은 상기 탐침으로부터 떨어져 있으며, 그리고 상기 캔틸레버는 자유 부분을 더 포함하고, 후자는 상기 캔틸레버의 주축과 관련하여 상기 탐침의 반대편으로 연장되며 출구 구멍에 대하여 자극될 때 상기 출구 구멍을 봉쇄하도록 구성되고, 그리고 분배하는 단계는 상기 부분을 피봇하거나 (pivot) 또는 편향시켜서 (deflect) 액체가 상기 출구 구멍을 통하여 흐르게 하도록 상기 자유 부분을 향하는 처리 액체의 속도를 조정하는 단계를 더 포함한다.

비-제한적 예들을 통하여, 그리고 수반된 도면들을 참조하여 본 발명을 구현하는 디바이스들, 장치들 및 방법들이 이제 기술된다.

- 도 1은 본 발명의 실시예들에 따라, 미세유체 표면 처리 디바이스의 단순화된 표현의 3D 뷰 (3D view)이다;
- 도 2는 본 발명의 실시예들에 따라, 동작 중인, 도 1 디바이스의 다른 3D 뷰이다: 상기 디바이스는 출구 구멍을 통하여 분배되며 입구 구멍을 통하여 수집되는 액체의 흐름경로를 가로채는 탐침 팁을 포함한다;
- 도 3 - 4.B는 도 1의 변형들을 도시한다;
- 도 5 - 6은 각각 도 1의 디바이스의 (단순화된 표현의) 전면도 (front view) 및 측면도 (side view)이다;
- 도 7은 도 1 및 도 5의 디바이스에 대한 변형의 (단순화된 표현의) 측면도로서 본 발명의 실시예들에 따라, 둥근 모양의 처리 구조가 탐침 팁 대신에 사용된다;
- 도 8 - 13은 도 1의 디바이스에 대한 변형들의 측면도들로서, 출구 구멍 (orifice)에 대해 자극될 수 있는 한 개의 자유 부분을 갖는 하나의 캔틸레버를 포함한다. 도 10 - 11의 디바이스들은 전기적 응답, 예를 들어, 실시예들에서의, 입구 도관 (inlet conduit) 및 피드백 컨트롤 수단들에서 전도성, 전기 용량, 전기화학 전위를 측정하기 위한 전기 회로를 더 포함한다;
- 도 14는, 실시예들에 따라, 표면 처리 방법의 단계를 도시하는데, 여기에서 처리 액체에 의하여 지속적으로 잉크를 공급받는 (inked) 탐침 팁은 처리될 표면과 컨택한다;
- 도 15 - 19는, 또 다른 실시예들에 따라, 각각, 유사한 단계를 도시한다. 즉;
- 도 15: 처리 액체는 침투액 내에서 더 격리된다. 상기 액체의 입자들은 탐침 팁을 통하여 표면으로 이송된다;
- 도 16: 상기 처리 구조의 표면에서 (탐침 팁) 지질 이중층 (a lipid bilayer)이 생성된다;
- 도 17: 상기 지질 이중층을 통하여 분자 종들이 더 운반된다;
- 도 18: 상기 탐침 팁에 에너지가 공급되어 상기 처리 표면에서 촉매 작용 (catalysis) 또는 화학 반응이 일어나도록 한다; 그리고
- 도 19: 도 7에서와 같이, 둥근 모양의 처리 구조가 탐침 팁을 대신하여 사용된다.

다음 설명은 아래와 같이 구조화된다. 먼저, 본 발명의 일반적 특징들, 주요 실시예들 및 변형들이 기술된다 (섹션 1). 다음 섹션에서 좀 더 구체적인 실시예들 및 기술적 구현의 상세사항들이 설명된다 (섹션 2).

1. 일반적 특징들, 주요 실시예들 및 변형들

본 발명의 아이디어는 SPM과 유사한 탐침 팁과 같은 표면 처리 구조를, MFP 헤드의 액체 출구/입구 구멍들과 관련하여 편리하게 위치한, 미세유체 탐침 헤드 (또는 MFP 헤드)에 대하여 인접시켜서 (adjoin), 완충액들 (buffer solutions)에서 인 시추 (in situ) 동작이 가능하도록 하는 것이다. 상기 처리 구조는 상기 MFP에 의하여 전달되는 처리 용액에 의하여 완전히 젖지 않아도 된다: 분자들은 상기 처리 구조를 따라 이동/확산하여, 주위 영역을 오염시키지 않고서 SPM과 유사한 패터닝 해상도 (SPM like patterning resolution)가 달성될 수 있도록 한다.

본 발명의 주요 실시예들이 이제 도 1 내지 19와 관련하여 일반적으로 기술된다. 이들 도면들 각각은 미세 유체 표면 처리 디바이스 (10a - 10h) 또는 그들의 관련부분을 묘사한다. 각각의 경우에, 이 디바이스는 MFP 헤드 (16)을 포함하는데, 이것은 상기 MFP 헤드의 페이스 (17) 상에서 적어도 한 개의 출구 구멍 (11)을 보여준다. 통상적으로, 상기 페이스 (17)은, 즉, 처리될 표면 (40)과 마주하는 표면 처리 페이스이다. 하지만, 도 4.A에서 보듯이, 다른 구성들도 고려될 수 있다. 상기 표면 처리 디바이스 (10a - 10h)는 처리 구조 (21), (21a), (22)를 더 포함한다. 후자는 탐침 팁을 끝부분으로 갖는 SPM과 유사한 탐침이 바람직하다 (예를 들어, 도 1, 2, 4 - 6에서와 같이). 그렇지 않으면 그것은 둥근 모양의 구조 (a rounded structure) (예를 들어 도 7을 보라), 또는 여전히 돌출한 (protruding), 팁-모양 구조 (도 3)일 수 있다. 이 분야 통상의 지식을 갖는 자는 다른 적절한 모양들 및 디멘젼들도 아래 기술된 목적들에 부합하는 것으로 고려될 수 있음을 이해할 수 있다. 모든 경우들에서, 상기 처리 구조는 상기 MFP 헤드의 한 개의 페이스 (17)에 관하여 바깥으로 (outwardly) 그리고 수직으로 연장되어야 한다. 엄격히 말하면, 이것은 상기 페이스 (17)에 대해 수직인 축 위로 이 처리 구조의 돌출 (projection)은 영 (zero)과 다름을 의미한다. 더 나아가서, 상기 처리 구조는, 동작 중에, 상기 출구 구멍을 통하여 분배되는 액체 (15)의 흐름경로 (예를 들어, 층류)를 가로챌 수 있도록 상기 출구 구멍 (11)에 관하여 디멘젼과 위치가 정해진다. 그러므로, 상기 페이스 (17)에 수직인 축 방향의 상기 처리 구조의 돌출부는 영보다는 실질적으로 커야 하는데, 이는 상기 처리 구조로 하여금, 동작 중에, 액체의 전달되는 흐름경로를 가로챌 수 있도록 하기 위함이다.

그러한 디바이스는 액체 하의 표면 나노-처리를 상당히 (markedly) 단순화한다. 동작 중에, 이 디바이스는 처리될 표면 (40)에 가깝게 제공되고 방향은 상기 처리 구조 (21), (21a)이 표면 (40)과 마주하게 정해진다. 그 다음, 처리 액체 (15)가 상기 출구 구멍 (11)을 통하여 분배되는데, 예를 들어, 도 2, 5 또는 6을 보라; 상기 처리 구조 (21), (21a)는 분배되는 액체 (15)의 흐름경로를 가로챈다. 따라서 상기 액체 (15) 내의 입자들 (151), (153), (155)는 상기 처리 구조를 상기 표면 (40)과 컨택하도록 함으로써, 상기 처리 구조 (21), (21a)를 통하여 쉽게 상기 표면 (40)으로 인도될 수 있다. 상기 처리 구조 (21), (21a)를 상기 표면 (40)과 컨택하도록 및 하지 않도록 함으로써 (in and out of contact with) 도 15 - 19에서 도시되는, 특정한 패턴들을 생성할 수 있다. 표면 나노-처리 분야의 통상의 지식을 갖는 자가 이해하듯이, 후자의 단계들은 상기 표면 상 관련된 패턴들을 생성하기 위해 필요한 만큼 반복되는데, 이것은 응용들이 많은 장점이 있다.

상기 MFP 헤드 (16)은 도 1 - 4.A에서 묘사되듯이, 상기 페이스 상 적어도 하나의 입구 구멍 (12)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 출구 구멍 (11) 및 상기 입구 구멍 (12)는, 통상적으로 층류 체제 (a laminar regime)에서 (그 자체로 알려진 바와 같이 (as known per se)), 상기 출구 구멍을 (11)을 통하여 분배되는 액체 (15)는 상기 입구 구멍을 통하여 수집되도록 디멘젼과 위치가 정해진다. 상기 처리 구조 (21), (21a)는, 동작 중에, 구멍 (11)을 통하여 분배되어 구멍 (12)를 통하여 수집되는 액체 (15)의 흐름경로를 가로채도록 상기 입구 구멍 및 상기 출구 구멍 사이에 위치된다. 동작 중에, 구멍 (11)에서 분배되는 액체는 (적어도 부분적으로) 상기 입구 구멍 (12)를 통하여 수집된다. 상기 구멍들은 그렇지 않으면 개별적 도관들/채널들의 끝부분을 이루는 구멍들 (orifices terminating respective conduits/channels)로서 정의될 수 있는데, 이것들은 펌프들 및/또는 모든 적합한 메카니즘의 도움으로, 액체를 적절히 분배하고 흡입하도록 (aspirate), 상기 MFP 헤드 너머로 적당하게 배치된다 (arranged). 입/출구 구멍들, 도관들, 펌프들, 등이 장착된 MFP 헤드들은 그 자체로 알려져 있다.

표면으로 이송될 입자들이 액체 (15) 내에 격리된 채 남아있을 때는 출/입구 구멍들의 조합을 사용하면 입자 증착 (particle deposition)을 더 잘 제어할 수 있다 (도 2에서 도시한 바와 같이, 작은 볼륨의 처리 용액이 상기 MFP 헤드에 의하여 분배될 수 있다). 좀 더 일반적으로, 처리 용액의 잘 한정된 볼륨이 상기 MFP에 의하여 제공될 수 있다. AFM과 유사한 캔틸레버의 탐침 팁과 같은 표면 처리 구조는 따라서 상기 액체 엔벨롭 (the liquid envelope) (15) 내 위치되어 상기 액체 (15) 내 존재하는 화학물질들을 계속적으로 공급받을 (inked) 수 있다. 상기 화학물질들은, 예를 들어, 상기 표면 처리 구조를 따라, 예를 들어, 상기 AFM 탐침의 정점 (apex)을 향하여 확산되고, 따라서 기판 표면 (40) 상에 증착된다. 상기 표면 처리 구조의 정점으로 상기 화학물질들이 효율적으로 운반되도록 하기 위해, 필요시, 상기 구조의 적절한 표면 기능화 (proper surface functionalization)가 실현될 수 있다.

실제로, 상기 페이스 레벨 (17)에서 상기 출구 구멍 (11) (및 입구 구멍)의 평균 직경은 통상적으로 0.5 내지 1,000 마이크로미터 사이이다. 이 분야 통상의 지식을 갖는 자에게 명백하듯이, 상기 출구 구멍은 국지적 격리 (a local confinement), 예를 들어, 상기 팁보다 조금 더 큰 국지적 격리를 달성할 만큼 작은 것이 바람직하다. 그러한 격리, 예를 들어 150 마이크로미터들의 격리는 약 20 내지 50 마이크로미터의 출구 구멍들로 달성될 수 있다. 하지만 그것은 더 작을 수도 있는데, 예를 들어, 0.5 마이크로미터도 쉽게 조립될 수 있다. 상기 입구 구멍은 일부 경우들에서는 훨씬 더 큰데, 입자들/먼지에 의하여 막힘 (clogging)을 방지하고자 할 때 특히 더 그러하다. 이것은 추구되는 응용에 따라 매우 다를 수 있다. 상기 구멍들 (11) (12)의 단부 (end)는, 각각, 개별적인 출/입구 도관이 되는데 이는 대응하는 구멍과 같은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 입구 및 출구의 사이즈들은, 예를 들어, “작은” 출구, “큰” 입구와 같이 상당히 다를 수 있다. 그러한 디멘젼들에 의하여 가능하게 되는 흐름 특성들은 통상적으로 고려하는 응용들의 범위에 맞추어진다 (suited). 게다가, 상기 처리 구조 (21), (21a) 및 상기 출구 구멍 (11) 사이의 거리는 5 내지 2,000 마이크로미터 사이에서 세트되는 것이 바람직하다. 이 거리는 상기 처리 구조, 예를 들어, AFM 캔틸레버의 작업 거리 (working distance), 휨 (deflection) 및 디멘젼들에 따라 현저히 달라진다. MFP는 500 마이크로미터 두께의 흐름 격리를 쉽게 제공할 수 있다. 만약 AFM이 너무 멀어지면, 그것은 상기 격리로부터 컨택을 상실한다. 상기 처리 구조는 통상적으로 상기 입/출구 구멍들 “사이”에 있다 (즉, 비록 작은 오프셋이 고려될 수 있지만, 페이스 (17) 상 그것의 돌출부 (projection)은 통상적으로 상기 구멍들의 중간에 있다. 따라서, 상기 입구 구멍 (11) 및 상기 출구 구멍 (12) 사이의 거리는 통상적으로 5 마이크로미터보다는 크고, 또한 2,000 마이크로미터보다는 적다. 상기 디멘젼들로, 안정적인 격리는 달성될 수 있다. 조립의 측면에서, 디멘젼들이 작으면 조립이 어렵지만 (impractical), 디멘젼들이 크게 되면 불안정한 격리를 초래할 수 있다. 전술한 바와 같이, 액체 (15)의 층류 흐름들 (laminar flows)를 고려하는 것이 바람직하다.

바람직한 재료들은 통상적으로 미세전자기계 시스템들 (microelectromechanical systems (MEMS))을 위해 사용되는 것들로서, 실리콘, 유리, 세라믹스 (ceramics), 고분자들 (polymers), 금속 코팅들과 그리고 물론 화학 표면 기능화에 사용되는 것들이다. 응용에 따라, 이들 재료들은 생체 적합하거나 (biocompatible) 그리고/또는 사용되는 용제들 (solvents)/용액들에 대하여 견딜 (resistant) 수 있어야 한다. 흐름 속도는 분당 0.01 내지 100 마이크로리터 사이가 바람직하다.

위에서 언급했듯이, 상기 처리 구조는 도 1 - 4.B에서 묘사된, 탐침 팁 (21)과 같은 모양과 디멘젼을 갖는 것이 바람직하다. 더 나아가 상기 표면 처리 디바이스는 캔틸레버 (22)를 포함하는데, 이것은 상기 MFP 헤드 (16)에 기계적으로 접속되고, 예를 들어, 수직으로 돌출하거나 또는 그것의 페이스 (17), 예를 들어, 처리 페이스에 평행하게 연장된다. 이 경우에 상기 탐침 팁 (21)은 캔틸레버 (22)의 끝부분을 이루는데, 이는 도 1, 2, 4.A - B에서 묘사되듯이, 일반적으로 SPM 탐침들에서와 같다. 상기 실시예들은 MFP 헤드들의 유연한 액체 처리와 더불어 탐침 팁들 (21)로 달성가능한 해상도 능력들 (the resolution capabilities)을 결합한다.

도 3의 경우들에서, 상기 처리 구조 (21)은 상기 페이스 (17) 상에 직접적으로 제공 - 즉, 상기 페이스로부터 돌출됨 - 되지만, 도 1, 2, 4.A - B의 실시예들에서, 상기 탐침 팁 (21)은 캔틸레버 (22)의 끝부분을 이룸을 주목해야 한다. 하지만, 도 1, 2에서, 상기 탐침 (20) (21 - 23)은 고정 지점 (23)을 통하여, 상기 MFP 헤드 (16)에 간접적으로 접속된다. 도 4.A - B에서, 상기 캔틸레버는 상기 MFP 헤드의 끝 페이스로부터 직접적으로 돌출한다. 4.A - B에서 상기 팁 (21)의 방향 (orientation) 때문에, 상기 처리 페이스는 도시한 상기 MFP 헤드의 평균 평면에 평행하고 그리고 상기 처리 페이스는 구멍 (11), (12)를 보여주는 페이스와는 다르다. 도 4.B의 디바이스 (10c2)는 오직 한 개의 출구 구멍 (12) (입구 구멍은 없음) 만을 포함하는데, 이는 본 발명의 실시예들에 따른 표면 처리 디바이스의 최소 구성에서 요구되는 것이다. 도 4.A - B의 구조들은 상기 탐침 (21), (22)를 위해 더욱 큰 물리적 보호를 제공하지만 도 1 - 3의 디바이스들보다 조립하기는 더 어렵다.

이런 관점에서, 도 4.A - B의 디바이스들(10c1) 및 (10c2)의 부분들은, MFP들 분야에서 알려진 통상 조립 기술들을 사용하여, 일체-성형 (single-piece)으로 제조될 수도, 또는 제조되지 않을 수도 있다. 대신에, 도 1, 2의 디바이스들은 MFP 및 SPM 양쪽 모두의 분야들로부터 알려진 조립 기술들로부터 혜택을 받을 수 있다: 상기 MFP 헤드 (16)은 통상적인 MFP 조립 기술들을 사용할 수 있는 반면, 상기 탐침 팁 및 캔틸레버는 모든 적합한 SPM 조립 기술들을 사용하여 조립될 수 있다. 상기 캔틸레버 (22)는 하나 또는 그 이상의 지점들 (23)에서 상기 MFP 헤드 (16)에 대해서, 예를 들어, 고정될 (anchored) 수 있는데, 예를 들어, 상기 구멍들 (11), (12)를 포함하는, 메사 (mesa) (16a)에 인접한 부분 또는 표면 (16b)에 대해서 고정될 수 있으며, 이는 SPM 디바이스 조립으로부터 알려진 기술들을 사용한다. 그러나 상기 메사 (16a)는, 비록 상기 MFP 구멍들 및 상기 탐침 팁 사이의 거리를 세트하여 적절한 액체-팁 상호작용을 제공하는데 도움이 될 수 있을 지라도, 필수적인 것은 아니므로; 예를 들어 그것은 도 5 - 13에서 도시한 바와 같이 생략될 수 있음을 주목해야 한다. 사실, 메사의 필요성은 상기 MFP 헤드에 대한 SPM의 장착 모양 (mounting geometry)에 따라 달라진다.

그럼에도 불구하고, 본 발명의 범위는 SPM과 유사한 탐침 팁을 사용한 디바이스들에 국한되지 않는다. 이송 목적, 예를 들어, 상기 반응물질들의 로컬 분배를 위해, 모든 모양의 안내 구조 (any geometrical guiding structure) (21a), 예를 들어, 상기 페이스 (17)로부터 돌출되는 둥근 모양의 또는 팁-모양의 구조가 사용될 수 있는데, 이에 관해서는 도 3, 7 또는 19에 묘사되어 있다. 물론, 상기 처리 구조는 구멍들 (11), (12) 및 결과적인 액체 흐름과 관련하여 디멘젼과 위치가 적절하게 정해질 필요가 있다. 전술한 바와 같이, 흐름의 속도 (flow rates)는 분당 0.01 내지 100 마이크로리터 (microliters) 사이가 될 수 있다. 격리되는 볼륨들 (volumes confined) (상기 배관 및 헤드 내의 볼륨들을 제외하고)은 통상적으로 200 피코리터 (picoliters) 내지 1 마이크로리터 사이이다.

도 7 또는 19에서 도시된 디바이스들은 상기 처리 구조 (21a)의 표면과 유체 교류하는 (in fluid communication) 저장소 (reservioir) (20a)를 추가적으로 포함할 수 있는데, 이는 예를 들어, 상기 액체 (15) 내 함유된 화학물질들과 관련하여 이 표면을 적절히 기능화하기 위해서이다.

되돌아가 도 1 - 2를 참조하면, 여기서 상기 SPM 탐침 (20)은 지점 (23)에서 상기 MFP 헤드 (16)에 대하여 고정된다. 다른 실시예에서, 상기 MFP 헤드는 전체 SPM 장치 (도시되지 않음) 상에 장착될 수 있는데, 이 때 상기 MFP 헤드는 상기 SPM 탐침 팁과 일체로 장착된다. 따라서 본 발명은 상기 탐침 팁과 관련하여 적절히 배치된, MFP 헤드를 구비한 SPM 장치들에까지 확장된다. 그러한 장치들은 정확한 SPM 위치조정 수단들 (도시되지 않음)로부터 도움을 받을 수 있고, 그러한 수단들은 여기서 고려하는 응용들에서 유익하게 사용될 수 있다. 예들이 도 14 - 19를 참조하여 추후 기술된다.

도 8 내지 13을 참조하면: 실시예들에서, 상기 탐침 (20b)는, 상기 구멍 (11), (12)를 포함하는 페이스 (12)의 면 (side)과 동일 면상에, 고정 부분 (23), (23a)를 통하여 상기 MFP 헤드에 고정된다. 상기 고정 부분은 상기 탐침 팁 (21)로부터 떨어져 있다. 상기 탐침 (20b)는 자유 부분 (24), (24a)를 더 포함하는데, 이것은 상기 캔틸레버 (22)의 주축 (즉, 평균 방향)과 관련하여 상기 탐침 팁 (21)의 반대편으로 연장된다. 달리 말하면, 상기 자유 부분은 상기 MFP 헤드의 처리 페이스를 향하여 돌출되는 반면, 상기 팁은, 동작 중에, 처리될 상기 표면을 향하여 돌출된다. 도 8 - 13에서 더 도시 되었듯이, 상기 자유 부분 (그리고 좀 더 일반적으로 상기 캔틸레버)은 자극을 받을 때 상기 구멍들 (11), (12) 중 하나 (통상적으로 상기 출구 구멍 (11))를 봉쇄하도록 구성될 수 있다. 따라서, 다양한 방법들의 흐름 컨트롤 메카니즘들이 간단히 만들어질 수 있는데, 이에 관해서 지금부터 설명할 것이다.

여러 사례들을 생각해 볼 수 있다 (envisaged). 제1 사례는 도 8에 도시되었듯이,”정상 상태에서” 열려 있는 밸브, 즉 디폴트가 열림으로 설정된 (open by default) 상태를 보여준다. 여기서 상기 고정 부분 (23)은 상기 자유 부분 (24)와 관련하여 상기 탐침 팁 (21)과 반대편에 있다. 주어진 상기 캔틸레버 구성 때문에: 만약 상기 팁이 상기 표면 (도 9)을 터치하면 (touches), 상기 팁 상에 작용하는 힘은 상기 지지하는 캔틸레버를 밀고, 그리고 차례로 (in turn) 상기 자유 부분 (24)를 상기 출구 구멍 (11)에 컨택하도록 한다. 이 메카니즘은 상기 MFP 헤드를 통하여 분배되는 처리 액체의 흐름을 제어하도록 해준다.

제2 사례는 도 12 - 13에서 도시되었듯이, “정상 상태에서” 닫힌 밸브이다. 여기에 상기 자유 부분 (24a)는 상기 고정 부분 (23a)와 관련하여 상기 팁에 대하여 반대편에 있다. 상기 팁이 상기 표면 (도 13)을 터치하면, 상기 캔틸레버는 회전하고, 이는 상기 자유 부분 (24)를, 처리 액체 (15)가 흘러나올 수 있도록 (released), 상기 출구 구멍 (11)과 컨택하지 못하도록 한다 (out of contact).

다시 설명하면, 상기 MFP 헤드는, 자체로 알려진 바와 같이, 상기 액체 (15)를 적절히 분배하고 수집하도록 설계된, 다수의 추가적인 특징들을 포함한다. 이들은, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 저장소들 (reservoirs) (도시되지 않음), 유체 채널들 및 회로 (도시되지 않음), 펌프들 (도시되지 않음), 전기 회로들, 등이 될 수 있으며, 이들은 MFP의 종래 기술에서 알려져 있다.

다음, 도 10 - 11을 참조하면: 실시예들에서, 상기 미세유체 표면 처리 디바이스 (10f - 10g)는 전기 회로 (70), (70a)를 더 포함하는데, 후자는 상기 입구 구멍 (12)를 통하여 수집되는 액체의 전기 전도성을 측정하도록 구성된다. 상기 측정은 상기 입구 구멍 (12) 위의 도관 (또는 채널) 레벨에서 통상적으로 수행된다. 이것은 입구 구멍 (12)를 통하여 수집되는 액체의 양을 모니터하는데 사용될 수 있다.

이것은 상기 처리 액체의 전달을 감지하는 수단을 더 제공한다. 이 점에서, 이 회로 (70), (70a)는 피드백 컨트롤 수단 (72), (72a)에 더 결합될 수 있다. 동작 중에, 전기 회로 (70)을 통하여 측정되는 예를 들어, 전도성, 전기 용량, 전기화학 전위와 같은 전기적 반응들을 기초로, 후자는 예를 들어, 상기 출구 구멍 (11)을 통하여 분배되는 액체 (15)의 비율을 제어하도록 밸브 (도시되지 않음)에 명령을 내릴 (command) 수 있다. 상기 회로 (70)에서, 전도성은 채널내 침액과 흡입된 액체 사이에서 측정된다. 회로 (70a)는 상기 액체의 조성물 (composition)을 채널 내에서 직접적으로 측정한다. 양쪽 회로들 모두 상기 액체의 조성물에 관하여 알 수 있게 (insight) 해준다. 이로부터 상기 갭 높이뿐만아니라 상기 밸브 위치가 결정될 수 있다. 그래서 그것들은 거리 또는 유체 컨트롤에 사용될 수 있다. 그러므로, 상기 흡입 도관 내 전기적 반응을 측정하면 상기 처리 액체의 전달을 감지하는 수단을 제공할 수 있고, 이것은 밸브 컨트롤 메카니즘과 조합될 수 있다. 이것은 차례로 팁-샘플 상호작용을 감지할 수 있도록 해준다.

위에서 이미 언급했듯이. 본 발명의 다른 특징은 표면 처리 방법들과 관련된다. 상기 방법들의 예들이 도 14 내지 19를 참조하여 이제부터 기술된다. 이미 설명했듯이, 상기 방법은 기본적으로 세 단계들로 구성된다:

- 첫번째, 전술한 바와 같은 표면처리 디바이스가 제공되는데, 이 디바이스는 처리될 상기 표면 (40)과 마주하는 (또는 상기 표면과 관련하여 표면 처리/패터닝을 할 수 있도록 다소 편리하게 방향을 가지는) 처리 구조 (21), (21a)를 갖는다 ;

- 두번째, 처리 액체는 상기 출구 구멍 (11)을 통하여 분배되는데, 그에 의하여 상기 처리 구조 (21), (21a)는 분배되는 처리 액체 (15)의 흐름경로를 가로챈다; 그리고

- 세번째, 상기 액체 (15) 내의 입자들/ 분자 종들 (151), (153), (155)는 상기 처리 구조 (21), (21a)를 통하여 상기 표면 (40)으로 이송될 수 있다. 이는 상기 처리 구조를 상기 표면 (40)과 컨택하도록 (그리고 하지 못하도록) 함으로써 그렇게 할 수 있다.

도 14 (및 또한 도 5 - 6)를 참조하면, 처리 용액의 잘 한정된 볼륨 (a well defined volume)이 상기 MFP 헤드 (16)에 의하여 제공된다. AFM 탐침 (20)의 탐침 팁 (21) (및 또한 부분적으로 상기 캔틸레버)은 결과로 만들어지는 액체 엔벨롭 (intersects the resulting liquid envelope) (15)를 가로지른다 (intersects). 그러므로 상기 탐침 팁은 상기 액체 (15) 내 함유된 화학물질들로 계속적으로 “잉크를 공급받는다”. 상기 화학물질들은 상기 AFM 탐침의 팁을 따라 정점을 향해서 확산되어 (천천히 이동하여 (creep)), 상기 기판 상에 증착된다. 상기 화학물질들이 상기 팁의 정점으로 효율적으로 운반되도록 하기 위해 상기 팁의 적절한 표면 기능화가 필요할 수 있다.

게다가, 도 15에서 도시되었듯이, 상기 방법은 상기 페이스 (17)와 상기 표면 (40) 사이에 침액 (an immersion liquid) (50)을 제공하는 단계를 더 포함한다. 따라서 상기 처리 액체 (15)는 상기 침액 (50) 내에서 분배되며, 그리고 바람직하게도 상기 침액 (50) 내 격리된 처리 액체의 층류 흐름을 형성한다. 화학물질 (151)은 상기 MFP 헤드에 의하여 분배되는 작은 볼륨의 처리 액체 (15) 내 격리된 채로 남는다. 그러므로 상기 탐침 팁은 상기 액체 (15) 내 함유된 화학물질들로 계속적으로 잉크를 공급받을 수 있는데, 잉크로 공급되지 않은 화학물질은 상기 처리 액체 내 남아있게 된다 (그러므로 처리 액체-대-침액의 신중한 선택이 바람직하다: 다수의 조합들이 고려될 수 있고, 이 때 상기 분자들은 “유사한 것으로” 선택되는데, 이는 상기 분자들이 침액 환경을 마주할 때 상기 팁 재료 상에서 천천히 이동하여 상기 팁 재료로부터 떨어지지 않도록 하기 위함이다). 다시 말하면, 상기 화학물질들 (151)은 상기 탐침의 정점을 향하여 확산되어, 더 나은 상기 확산 볼륨 컨트롤과 함께, 상기 기판 위에 증착된다. 패턴 (155)는 상기 표면 (40) 상에 형성된다. 다시, 적절한 팁 표면 기능화가 필요할 수도 있다. 도 15에서, 상기 격리된 액체 (15) 내에서 상기 팁은 완전히 잠기지 (immersed) 않음을 주목해야 한다. 상기 뾰족한 끝 (sharp end)은 상기 팁의 표면 상의 분자들을 천천히 이동시킴에 의해서만 오직 “잉크를 공급받는고”, 이는 높은 해상도를 제공한다. 이것은 도 14에서의 경우와 다른데, 도 14에서 상기 팁은 상기 격리된 액체 (15)에 의하여 완전히 둘러싸인다.

게다가, 화학 반응이 관련될 수 있는데, 이 반응은 상기 팁을 상기 기판의 표면 (40)과 컨택하도록 그리고 못하게 함으로써 국지적으로 제어된다. 그러나 여기서 논의되는 방법은 화학 반응들에 한정되는 것이 아니다. 재료 (material)는 반 데르 발스 (Van der Waals), 수소 결합들 및/또는 입체적 (steric) 상호작용들과 같은, 특정한 표면 상호작용들에 의해서 상기 기판으로 이송될 수 있다.

도 18의 예에서: AFM 팁은 상기 처리 용액 (15)에 의하여 완전히 둘러싸인다. 상기 AFM 팁에 의하여 제공된 활성화 에너지로 인하여 화학 반응이 상기 표면에서 일어난다 (예를 들어 전기적, 기계적 또는 열 자극에 의하여). 그러므로, 표면 처리 방법들은 상기 표면 (40)에서 화학 반응이 일어날 수 있도록 상기 처리 구조 (21)에 에너지를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 에너지 제공은 열에 의하여 또는 전기적으로 하는 것이 바람직하다. 변형들에서, 예를 들어, 백금, 효소들 (enzymes)과 같이 적절히 준비된 상기 팁의 촉매 작용이 이 목적에 기여할 수 있다.

이제 도 16, 17 및 19를 참조하면: 주목할만한 것은 입자 이송의 단계는 상기 처리 구조의 표면에서, 즉, 상기 탐침 팁 (21) (도 16 - 17)의 표면, 또는 둥근 모양 처리 구조 (21a) (도 19)의 표면에 지질 이중층 (a lipid bilayer) (또는 이와 유사한 것) (154)를 발생시키는 단계 (generating)를 포함한다는 것이다. 도 16 - 17에서 도시한 바와 같이, 양쪽친매성 (amphiphilic) 분자들 (151)이 상기 처리 액체 (15)에 의하여 제공될 수 있다. 상기 침액 (50) 내에서, 상기 지질 이중층 (154)가 형성되어, 상기 팁 (21)을 둘러싼다. 그러한 이중층들은 상기 이중층 내의 양쪽친매성 분자들의 높은 이동성으로 인하여 컨베이어 벨트 (conveyor belt)와 같이 기능한다. 그러므로 지질 가닥들 (Lipid strands)은 상기 기판 표면 (40) 상에 패턴 (161)될 수 있는데, 이 패턴은 상기 팁 (21)을 상기 표면에 컨택하도록 함으로써, 이에 의해서 친수성 말단기들 (hydrophilic end groups)이 상기 표면 (40)과 상호작용하도록 하여 얻어진다.

다음, 도 17에서 도시한 바와 같이, 상기 방법은 상기 분자 종들 (153)을 상기 표면 (40)으로 이송하기 위해 상기 팁 표면 상에 형성된 지질 이중층 (154)를 통하여 분자 종들 (153)을 운반하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서 컨베이어 벨트가 사용되어 상기 분자 종들 (153)을 운반하고, 이들은 상기 MFP 헤드의 흐름 격리 (flow confinement)로부터 상기 지질 이중층으로 통합된다. 상기 분자 종들 (153)은, 상기 기판 상에 특정 패턴들 (163)을 형성하기 위해, 특정 표면 상호작용들, 예를 들어, 셀막 수용체 결합 (cell membrane receptor binding)을 통하여 상기 팁의 정점에서 상기 기판으로 이송된다.

도 19의 예에서, 시약의 이동 층 (a mobile layer of reagent)으로 코팅된, 돌출된 형상 (a protruding feature) (21a) (예를 들어, 둥근 모양의 팁/범프 (bump))가 사용된다. 이것은 예를 들어 지질 이중층일 수 있는데 (도 16 또는 17에서와 같이), 셀들 상의 수용체들에 대해 스캔하기 위해 막 단백질들 (membrane proteins) (153)을 포함한다.

상기 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 간결하게 (succinctly) 기술되었고 다수의 변형들을 수용할 수 있다. 실시예들에서, (본 발명 한 개 또는 다른 특징의 관점에서 인용된) 상기 특징들의 여러 조합들이 고려될 수 있다. 상세한 예들이 다음 섹션들에서 주어진다.

2. 구체적 실시예들/기술적 구현의 상세사항들

바람직한 실시예들은 기본적으로 다층 MFP와 AFM-유사한 캔틸레버를 사용한다.

일반적으로 미세유체 디바이스들에서와 같이, 본 발명의 표면 처리 디바이스들은 사용자 칩 인터페이스들 및 폐쇄된 흐름 경로들이 구비될 있다. 폐쇄된 흐름 경로들은 기능적 엘리먼트들 (예를 들어, 히터들, 믹서들, 펌프들, 자외선 탐지기, 밸브들, 등)의 통합을 용이하게 하는데, 이는, 누설 (leaks)과 증발과 관련된 문제들을 최소화하면서, 표면 처리 디바이스들을 제공하기 위해 통합될 수 있다.

MFP 헤드 컴포넌트의 한 예가 도 1 또는 3에서 묘사된다. 이 MFP 헤드는 다층 디바이스로서 조립되는 것이 바람직한데, 그 이유는 내부 마이크로채널들 (11c), (12c) (도 3에서 보듯이)의 조립을 용이하게 한다. 그러한 MFP 헤드들은 비록 다른 재료들도 사용될 수 있지만, 실리콘 웨이퍼들 (Si wafers)을 사용하여 미세조립될 수 있다. 예를 들어, 상부 층 (실리콘), 즉, 실리콘 리드 (a Si lid)가 HFC 칩 상부 (top)에 제공될 수 있다. 단일-면과 이중-면 연마된 실리콘 웨이퍼들 (a single-side and a double-side polished Si wafers)이 각각, 실리콘 및 HFC 칩을 위하여 사용될 수 있다. 두 웨이퍼들은, 예를 들어, 직경이 4 인치이고 두께가 400 μm (마이크로미터)이다 (실트로닉스, 제네바, 스위스 (Siltronix, Geneva, Switzerland)). 상기 마이크로구조들은 표준 포토리소그래피, 포토플롯된 (photoplotted) 고분자 마스크들 (지쯔만 지엠비에이치, 에칭, 독일 (Zitzmann GmbH, Eching, Germany)) 및 DRIE를 사용하여 만들어질 수 있다. 예를 들어, STS ICP, 표면 기술 시스템스, 뉴포트, 영국 (STS ICP, Surface Technology Systems, Newport, UK)를 보라. 상기 HFC 칩들의 마이크로채널들은 상기 HFC 웨이퍼의 상부 페이스 내부로 50 μm 깊이까지 식각될 수 있다. 상기 웨이퍼의 바닥 면은 메사들 및 포스트들 (mesas and posts )을 필요시, 50 μm 높이까지 형성하도록 처리될 수 있다. 상기 구멍들을 개방하는 단계 (opening)는 상기 HFC웨이퍼의 바닥 면으로부터 DRIE 식각을 사용하여 수행된다. 10 μm 이하의 횡적 디멘젼들 (lateral dimensions)을 갖는 잘 한정된 구멍들 (well defined apertures)이 그렇게 하여 얻어질 수 있다. 얇은 실리콘 웨이퍼가 상기 HFC 칩들을 위하여 사용될 때 상기 구멍들은 좀 더 정확히 조립될 수 있지만 상기 리드 웨이퍼는 상기 헤드에 기계적 강도를 제공하기 위해 두껍게 될 수 있다.

상기 실리콘 리드는 연마된 웨이퍼의 한 면을 통하여 800 μm의 직경을 갖는 비아들 (vias)을 식각하여 생산될 수 있다. 다음, 두 웨이퍼들의 조립은 ~3 μm의 폴리이미드 접착제 (polyimide adhesive) (HD 마이크로시스템스 지엠비에이치, 노이-아이젠부르크, 독일 (HD Microsystems GmbH, Neu-Isenburg, Germany))를 상기 리드 웨이퍼 (the lid wafer)의 연마된 면 상에 스핀 코팅하고 그 후 두 웨이퍼들을 정렬하여 결합시킴으로써 달성된다. 결합은 320 °C에서 2 바 압력 (bar pressure)으로 10분 동안 유지할 때 일어날 수 있다 (프레시스 레, 폴-오토 베버 지엠비에이치, 램샬덴, 독일 (PRESSYS LE, Paul-Otto Weber GmbH, Remshalden, Germany)). 상부 리드는 필요시, 감지 (sensing)를 가능하게 하는 적절한 층으로 마감될 수 있다. 그 다음 상기 MFP 헤드들은 다이스되어 (diced) 저장될 수 있다. 에폭시 접착 링들 (epoxy adhesive rings)을 사용하여 상기 포트들의 마운팅이 수행될 수 있다 (업처치 사이언티픽으로부터의 나노포트™ 어셈블리즈, 에카테크, 베른, 스위스 (Nanoport™ Assemblies from Upchurch Scientific, Ercatech, Bern, Switzerland), 에폭시 접착 링들이 공급된다). 예를 들어, PDMS의 성형된 (molded) 블록 대신에 표준 포트들 및 피팅들 (fittings)을 사용함으로써 헤드 조립에 필요한 수고를 덜 수 있다. 접착제가 마이크로채널들 내부로 유입되면 제거될 수 없기 때문에, MFP 헤드들은 포트들을 실제로 장착하기 전에 누출 (leakage)과 막힘 (clogging)에 대해 테스트되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 일회용 피펫 팁 (disposable pipette tip)을 비아들의 사이즈에 매치되도록 잘라서 액체를 그 채널들을 통해 밀어 넣고 액체방울들 (droplets)이 다른 곳으로 (elsewhere) 새지 않고 구멍들을 지날 수 있는 지 확대경 (magnifying glass)으로 관찰할 수 있다. 비아들을 갖는 포트들의 정렬은 최종적으로는 수동으로 (manually) 수행될 수 있다. 그 후 결합이, 예를 들어, 140 °C에서 ~1 시간 동안 열판 (hotplate) 위에서 또는 오븐 (oven) 내에서 일어난다.

위에서 논의된 것과 같은 MFP 헤드들은 특별히 표면 처리 응용들을 위하여 현저하게 유용하다. 생물학적 응용들과 달리, 후자는 잠재적으로 더 작은 패턴들 및 더 넓은 범위의 액체 및 화학물질들을 처리할 수 있다. 상기 HFC 칩을 조립하기 위하여 얇은 실리콘 웨이퍼 (예를 들어, 두께 100 μm)를 채용하면, 종래 DRIE 또는 집중된 이온 빔을 사용하여, 10 μm 이하의 횡적 디멘젼들을 갖는 잘 한정된 구멍들이 조립될 수 있다. 상기 헤드의 기계적 강도는 오로지 상기 실리콘 리드에 의하여 제공된다.

어쨌든, 전술한 다층 헤드들은 또한 많은 처리 액체들을 사용하기에 좀 더 적합한데 (amenable) 그 이유는 구멍들이 작고 서로 가까워서 상기 실리콘 리드 상에 많은 포트들을 추가하기에 충분한 공간을 남기기 위해 충분히 팬-아웃하는 (fanning out) 수평 마이크로채널들을 가질 수 있기 때문이다. 그러므로 본 발명의 실시예들은, 하나 또는 그 이상의 처리 구조들 (21)과 함께 (in conjunction with) (흐름당 가능한 여러 처리 구조들과 함께 또는 액체 흐름당 하나 또는 그 이상의 처리 구조들과 함께) 사용되는, 다수 처리 액체들 (15)에까지 확장된다.

이제 상기 AFM 컴포넌트들에 관해서 말하면: 여기서 고려된 표면 처리 디바이스들의 정확한 포지션닝 (positioning)은, 보통 MFP들 또는 SPM과 함께 사용되는, 모든 적절한 포지션닝 시스템들에 의하여 달성될 수 있다. 그러므로 SPM과 유사한 포지션닝 시스템들을 사용하면, 상기 표면과 관련하여 추가된 팁의 위치는 상기 샘플을 이동시키거나 또는 상기 디바이스 (10a - 10h)를 이동시킴으로써 개선된 정확도 (예를 들어, 약 0.1 nm 이내로)를 가지고 (with improved accuracy) 제어될 수 있다

상기 팁은 매우 뾰족한 것이 바람직하다; 나노급 (nanoscale) 정도. 일부 응용들에 있어서, 금속 탐침 팁들이 사용될 수 있는데, 통상적으로 백금/이리듐 (iridium) 또는 금으로 만들어진다. 그렇지 않으면 상기 캔틸레버는 통상적으로 나노미터급 정도 곡률 (curvature)의 팁 반경 (tip radius)을 갖는 실리콘 또는 질화 실리콘 (silicon nitride)로 만들어진다. 좀 더 일반적으로, 비-전도성 AFM 측정을 위하여 통상적으로 사용되는 실리콘 탐침 팁들이 선호되는데, 이것은, 예를 들어, 상기 요구되는 선명도 (sharpness)에 도달할 때까지 실리콘 필러 (silicon pillar) 구조를 등방성의 (isotropically) 식각을 함으로써 얻어질 수 있다.

상기 AFM과 유사한 캔틸레버는 상기 MFP 헤드의 저면 (a lower side)에 고정되거나, 일체로 장착되거나 또는 접착될 (glued) 수 있다. 도 1에서, 상기 캔틸레버는 단순히 한 엔드 지점 (23)에서 상기 MFP의 처리 면 (17)에 접착된다.

본 발명이 특정 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형들이 만들어지고 등가물들이 대체될 수 있음을 이 분야의 통상을 지식을 갖는 자는 이해할 것이다. 게다가, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 본 발명의 내용들에 대해 특별한 상황 또는 물질을 적용하기 위하여 많은 변형들이 만들어 질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시예들에 국한되지 않고, 첨부된 청구범위 내에 해당하는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다. 이 점에서, 첨부된 도면들에서 묘사된 컴포넌트들/단계들, 상기 선택된 실시예들에 따라서, 모두 포함될 필요가 없을 수도 있다. 게다가, 위에서 명시적으로 언급된 것보다 많은 다른 변형들이 고려될 수 있다. 예를 들어, 통상적인 SPM 액세서리들 (accessories)이 사용될 수 있는데, 상기 처리 구조 (processing feature)를 상기 처리되는 표면과 컨택하도록 하기 위한 개략적이고 (coarse) 미세한 (fine) 포지션닝 시스템들이 사용될 수 있다. 마지막으로, 위에서 언급한 응용들 이외에, 이 분야의 통상을 지식을 갖는 자는 본 발명이 다음의 기술 분야들에서 다른 응용들을 찾을 수 있음을 인식한다:

- 상호접속들 및 마스크 수리의 직접 쓰기를 위한 금속의 전착 (electrodeposition);

- 바이오패터닝;

- 살아있는 셀 (living cell) 자극 및 감지;

- 생물학적 라이브러리들 (libraries)의 스크리닝 (결합 상호작용들의 감지);

- 멀티플렉스된 (multiplexed) 로컬 화학;

- 멀티플렉스된 화학적 대조 이미징;

- 화학적으로 유도된 리소그래피, 예를 들어, 화학적 레지스트들 (resists) 내 분해 반응들을 촉발하기 위한 양자 (proton) 전달; 및

- 촉매 시약들을 제공함으로써 가교 (cross-linking) 반응들의 로컬 활성화.

레퍼런스 목록

10a - 10h 미세유체 표면 처리 디바이스

11 출구 구멍

12 입구 구멍

15 처리 액체

151, 153, 155 액체 (15) 내 포함된 입자들

153 분자 종들

154 지질 이중층

16 미세유체 탐침 헤드 (또는 MFP 헤드)

16a 메사

16b MFP 포트/메사 (16a)와 인접한 부분

17 미세유체 탐침 헤드의 처리 페이스 (또는 측면)

20 탐침

21, 21a 처리 구조

21 탐침 팁

21a 둥근 모양 처리 구조

22 캔틸레버

23, 23a 고정 지점

23, 23a 캔틸레버의 고정 부분

24, 24a 캔틸레버의 자유 부분

40 처리될 (기판) 표면

50 침액

70, 70a 전기 회로

72, 72a 피드백 컨트롤 수단

Claims (15)

1. 미세유체 표면 처리 디바이스(microfluidic surface processing device)(10a - 10h)에 있어서, 상기 디바이스는:
   미세유체 탐침 헤드(a microfluidic probe head)(16) ― 상기 미세유체 탐침 헤드(16)는, 페이스(a face)(17) 상에, 한 개의 출구(outlet) 구멍(11) 및 한 개의 입구(inlet) 구멍(12)을 갖고, 상기 출구 구멍(11) 및 상기 입구 구멍(12)은 상기 출구 구멍(11)을 통하여 분배되는 액체(15)를 상기 입구 구멍(12)를 통하여 수집할 수 있도록(allow for collecting) 디멘젼과 위치가 정해짐(dimensioned and positioned) ―; 및
   표면 처리 구조(a surface processing structure)(21, 21a, 22) ― 상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)는 처리될 표면(40)과 마주하여(facing a surface to be processed) 위치되고, 상기 미세유체 탐침 헤드(16)의 페이스(17)에 관하여 바깥으로(outwardly) 그리고 수직으로(perpendicularly) 연장하며, 동작 시(in operation), 상기 출구 구멍(11)을 통하여 분배되고 상기 입구 구멍(12)을 통하여 수집되는 액체(15)의 흐름경로(a flowpath)를 가로챌 수 있도록(intercept) 상기 입구 구멍(12) 및 상기 출구 구멍(11)에 관하여 디멘젼과 위치가 정해짐(dimensioned and located) ― 를 포함하는
   디바이스.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 미세 유체 표면 처리 디바이스(10f - 10g)는:
   상기 입구 구멍(12)을 통하여 수집된 액체의, 전기 전도성(electrical conductivity), 전기 용량(electrical capacitance), 또는 전기화학 전위(electrochemical potential)와 같은, 전기적 반응(electrical response)을 측정하도록 구성된 전기 회로(70, 70a); 및
   동작 시, 상기 전기 회로(70, 70a)를 통하여 측정된 전기적 반응에 기초하여 상기 출구 구멍(11)을 통하여 분배되는 액체의 처리 속도를 제어하도록 구성된, 상기 전기 회로(70, 70a)에 결합된 피드백 컨트롤 수단들(72, 72a)을 더 포함하는
   디바이스.
4. 제1항에 있어서,
   상기 미세유체 탐침 헤드(16)의 페이스(17)의 레벨에서 상기 출구 구멍(11)의 평균 직경은 0.5에서 1,000 마이크로미터 사이이고;
   상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)와 상기 출구 구멍(11) 사이의 거리는 5에서 2,000 마이크로미터 사이이며; 그리고,
   상기 미세유체 탐침 헤드(16)의 상기 출구 구멍(11)과 상기 입구 구멍(12) 사이의 거리는 5에서 2,000 마이크로미터 사이인
   디바이스.
5. 제1항에 있어서, 상기 미세유체 표면 처리 디바이스는 상기 미세유체 탐침 헤드(16)에 기계적으로 접속된 캔틸레버(cantilever)(22)를 더 포함하며, 그리고 상기 표면 처리 구조는 탐침 팁(21) ― 이는 상기 캔틸레버(22)의 끝 부분을 이룸(terminating) ― 인
   디바이스.
6. 제5항에 있어서, 상기 캔틸레버는 주사 탐침 현미경 캔틸레버(a scanning probe microscope cantilever)(22)이며, 그리고 상기 캔틸레버는 상기 미세유체 탐침 헤드에 대해서 고정되는(anchored)
   디바이스.
7. 제6항에 있어서, 상기 캔틸레버는 상기 페이스(17)에서 고정 부분(a fixed portion)(23, 23a)을 통하여 고정되고, 상기 고정 부분은 상기 탐침 팁으로부터 떨어져 있으며(distant), 그리고 상기 캔틸레버는 자유 부분(a free portion)(24, 24a)을 더 포함하는데, 상기 자유 부분은 상기 캔틸레버의 주축(main axis)과 관련하여 상기 탐침 팁의 반대편으로 연장되며 그리고 그에 대하여 자극이 제공될 때(when urged against it) 상기 구멍들(11, 12) 중 하나를 봉쇄하도록(seal) 구성되는
   디바이스.
8. 제7항에 있어서,
   상기 고정 부분(23)은 상기 자유 부분(24)와 관련하여 상기 탐침 팁에 대하여 반대편이거나; 또는
   상기 자유 부분(24a)이 상기 고정 부분(23a)와 관련하여 상기 탐침 팁에 대하여 반대편인
   디바이스.
9. 미세유체 표면 처리 디바이스(microfluidic surface processing device)에 의한 표면 처리 방법(a method of surface processing)에 있어서,
   상기 디바이스는,
   미세유체 탐침 헤드(a microfluidic probe head)(16) ― 상기 미세유체 탐침 헤드(16)는, 페이스(a face)(17) 상에, 한 개의 출구(outlet) 구멍(11) 및 한 개의 입구(inlet) 구멍(12)을 갖고, 상기 출구 구멍(11) 및 상기 입구 구멍(12)은 상기 출구 구멍(11)을 통하여 분배되는 액체(15)를 상기 입구 구멍(12)를 통하여 수집할 수 있도록(allow for collecting) 디멘젼과 위치가 정해짐(dimensioned and positioned) ―; 및
   표면 처리 구조(a surface processing structure)(21, 21a, 22) ― 상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)는 처리될 표면(40)과 마주하여(facing a surface to be processed) 위치되고, 상기 미세유체 탐침 헤드(16)의 페이스(17)에 관하여 바깥으로(outwardly) 그리고 수직으로(perpendicularly) 연장하며, 동작 시(in operation), 상기 출구 구멍(11)을 통하여 분배되고 상기 입구 구멍(12)을 통하여 수집되는 액체(15)의 흐름경로(a flowpath)를 가로챌 수 있도록(intercept) 상기 입구 구멍(12) 및 상기 출구 구멍(11)에 관하여 디멘젼과 위치가 정해짐(dimensioned and located) ― 포함하고,
   상기 방법은:
   상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)가 분배되는 처리 액체(processing liquid dispensed)(15)의 흐름경로를 가로채도록(intercept) 상기 출구 구멍(11)을 통하여 처리 액체를 분배하는 단계(dispensing);
   상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)를 상기 표면(40)과 컨택하게(in contact) 함으로써 상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)를 통하여 상기 액체(15) 내 입자들(151, 153, 155)을 상기 표면(40)으로 이송하는 단계(transferring) ― 상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)의 표면은 상기 처리 구조의 정점(apex)으로 상기 입자들의 이송을 가능하게 하도록 기능화됨(functionalized) ―; 및
   상기 표면(40) 상에 패턴(161, 163, 165)을 생성하기 위해 상기 표면 처리 구조(21, 21a, 22)를 상기 표면과 컨택되지 않도록(out of contact) 하는 단계를 포함하는
   방법.
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