KR101776974B1 - 마이크로칩 및 미립자 분석 장치 - Google Patents

마이크로칩 및 미립자 분석 장치 Download PDF

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Abstract

제1 도입 유로, 제1 도입 유로를 사이에 끼우도록 정렬되고, 양 측부로부터 제1 도입 유로와 합류되는 제2 도입 유로, 및 제1 도입 유로가 이를 따라 제2 도입 유로에 의해 사이에 끼워지는 끼우는 방향에서 유로 너비가 유체 공급 방향을 따라 점진적으로 증가하도록 형성되는 테이퍼부를 갖고, 제1 및 제2 도입 유로로부터 공급되는 유체가 합류되어 흐르는, 제1 도입 유로 및 제2 도입 유로에 연결되는 합류 유로를 포함하는 마이크로칩을 제공한다.

Description

마이크로칩 및 미립자 분석 장치 {MICROCHIP AND PARTICULATE ANALYZING DEVICE}
본 발명은 마이크로칩 및 미립자 분석 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 유로(channel)에서 세포 또는 마이크로비즈와 같은 미립자의 특성을 광학적, 전기적 또는 자기적으로 분석하기 위한 마이크로칩 등에 관한 것이다.
최근, 반도체 산업에서 사용되는 미세-가공 기술을 응용하여, 화학적 및 생물학적 분석을 행하기 위한 영역 및/또는 유로 또는 유로들이 제공된 마이크로칩이 개발되고 있다. 이들 마이크로칩은 액체 크로마토그래피에서 전기화학적 검출기, 의료 서비스 현장에서 소형 전기화학적 센서 등에 이용되기 시작하고 있다.
그러한 마이크로칩을 사용한 분석 시스템은 마이크로-TAS (마이크로-토탈-아날리시스 시스템), 랩-온-어-칩, 바이오 칩 등으로 불리고, 화학적 및 생물학적 분석을 속도, 효율 및 집적 수준에서 향상시킬 수 있거나, 분석 장치의 사이즈를 감소시킬 수 있는 기술로서 주목받는다.
적은 양의 샘플로 분석이 가능하고, 마이크로칩의 1회용 사용을 가능하게 하는 마이크로-TAS는 특히 귀중한 미량 샘플이나 다수의 시료를 처리하는 생물학적 분석에 적용되는 것이 기대된다.
마이크로-TAS의 적용 예는 마이크로칩 상에 정렬된 유로에서 세포 및 마이크로비즈와 같은 미립자의 특성을 광학적, 전기적 또는 자기적으로 분석하는 미립자 분석 기술이다. 미립자 분석 기술에서, 미립자의 분석 결과에 기초하여 미립자 중에서 미리 정해진 조건 또는 조건들을 만족하는 군의 분별 수집이 또한 행해진다.
예를 들어, 특허 문헌 1은 "미립자-함유 용액 도입 유로 및 도입한 유로의 적어도 한쪽 측부에 정렬된 시스류 (sheath flow) 형성 유로를 갖는 미립자 분별 마이크로칩"을 개시한다. 미립자 분별 마이크로칩은 또한 "도입된 미립자를 측정하기 위한 미립자 측정 부분, 미립자의 분별 수집을 행하기 위하여 미립자 측정 부분의 하류에 배치된 2 이상의 미립자 분별 유로, 및 미립자의 운동 방향을 제어하기 위하여 미립자 측정 부분으로부터 미립자 분별 유로로 유로 포트 개구부 근처에 배치된 2 이상의 전극"을 갖는다.
특허 문헌 1에 개시된 미립자 분별 마이크로칩은 전형적으로, 미립자-함유 용액을 도입하는 유로와 2개의 시스류 형성 유로를 갖는 "세 갈래(trifurcated) 유로"에 의해 유체 층류(fluid laminar flow)를 형성하도록 설계된다 (문헌의 "도 1" 참조).
도 17A 및 17B는 관련 기술(도 17A)에 따른 세 갈래 유로 구조 및 유로 구조(도 17B)에 의해 형성된 샘플 액층류를 나타낸다. 세 갈래 유로에서, 도 17A에서 실선 화살표의 방향에서 유로(101)를 통해 지나가는 샘플 액층류는 좌우 측부로부터 도면에서 점선 화살표의 방향의 유로들(102, 102)을 통해 도입되는 시스 액층류에 의해 끼워질 수 있다. 이로 인해, 도 17B에서 보는 바와 같이, 샘플 액층류는 유로의 중심을 통해 공급될 수 있다. 또한, 도 17B에서, 샘플 액층류는 실선으로, 유로 구조는 점선으로 나타낸다.
도 17A 및 17B에서 나타낸 세 갈래 유로에 따르면, 샘플 액층류는 끼우는(sandwiching) 방향(도 17A 및 17B에서 Y-축 방향)에 대하여 샘플 액층류가 유로에서 임의의 위치로 편향되는 상태에서 공급될 수 있도록 좌우 측부로부터 시스 액층류에 의해 끼워진다. 그러나, 유로의 수직 방향(도 17A 및 17B에서 Z-축 방향)에 대해서는 샘플 액체 공급 위치를 제어하는 것이 매우 어렵다. 다시 말하면, 관련 기술에 따른 세 갈래 유로에서는 Z-축 방향에서 길쭉한 샘플 층류를 형성하는 것만이 가능하다.
따라서, 관련 기술에 따른 세 갈래 유로를 갖는 마이크로칩은 예를 들어, 샘플액으로 미립자-함유 용액을 유로를 통해 흐르도록 하고, 광학 분석을 행하는 경우, 유로의 수직 방향(깊이 방향)에서 미립자의 공급 위치의 분산이 있을 수 있다는 문제점이 있다. 따라서, 미립자의 유속이 미립자의 공급 위치에 따라 달라지고, 검출 신호의 변동이 증가하고, 분석 정확도가 떨어지는 문제점이 있어왔다.
특허 문헌 2는 시스 액층류가 이를 통해 공급되는 유로의 중심에서 개구부로부터 시스 액층류의 중심으로 샘플액을 도입함으로써, 시스 액층류에 의해 둘러싸인 샘플 액층류를 공급하는 유로 구조를 개시한다(당해 문헌의 도 2 및 3 참조). 그 유로 구조는 시스 액층류의 중심으로 샘플액을 도입되는 것을 가능하게 하고, 그렇게 함으로써 유로의 깊이 방향에서 미립자의 공급 위치의 분산을 제거하여, 분석의 고 정확성을 얻을 수 있다.
도 18A 및 18B는 시스 액층류의 중심에 샘플액을 도입하는데 적용되는 관련 기술에 따른 유로 구조(도 18A)와 그 유로 구조에 의해 형성된 샘플 액층류(도 18B)를 나타낸다. 이 유로 구조에서, 시스 액층류는 도 18A에서 화살표(T)의 방향에서 유로(102 및 102) 각각에 도입되고, 유로(103)에 공급된다. 그 후, 화살표(S)의 방향에서 유로(101)에 공급된 샘플액은 개구부(104)로부터 유로(103)를 통해 공급된 시스 액층류의 중심으로 도입될 수 있다. 그렇게 함으로써, 샘플 액층류는 도 18B에 도시한 바와 같이 유로(103)의 중심에 모아서 공급될 수 있다. 도 18B에서, 샘플 액층류는 실선으로, 유로 구조는 점선으로 나타낸다.
반면에, 특허 문헌 2에서, 그러한 유로 구조에서 시스 액층류로 샘플 액층류를 공급하는 때, 샘플 액층류가 평평하고 안정한 층류가 아닌 경우에 발생하는 난류가 샘플 액층류에서 발생한다고 지적한다(당해 문헌, 4 면, 우측 문단, 12 내지 46번째 줄 참조). "평평한 층류"는 도 18A 및 18B에서 유로의 깊이 방향 (Z-축 방향)에서 모이는 층류를 나타내고, "평평하지 않은 층류"는 유로의 깊이 방향에서 분산되고, 퍼져있는 층류를 나타낸다.
상기 특허 문헌에서, 샘플 액층류 및 시스 액층류의 합류부에서 층류의 난류(웨이크)를 억제하기 위하여 한 쌍의 판 돌기(당해 문헌의 도 10 내 참조 번호 18 참조) 등을 갖는, 샘플 액층류가 이를 통해 도입되는 유로의 개구부를 제공하는 것이 제안된다. 판 돌기(18)는 샘플 액층류가 샘플 액층류의 유동 방향에서 이를 통해 도입되는 유로의 개구부 벽으로부터 연장되고, 개구부로부터 흘러나가는 샘플액을 안내한다.
일본 특허 공개 공보 제2003-107099호 일본 특허 공보 제7-119686호
상기 특허 문헌 2에서 개시되는 판 돌기(18)로, 개구부로부터 흘러나가는 샘플액을 안내하고, 유로의 깊이 방향에서 모인 안정한 층류로서 유로를 통해 샘플액을 흐르게 할 수 있다.
그러나, 그러한 안내 구조가 샘플 액층류가 도입되는 유로의 개구부에서 제공되는 경우, 유로 구조는 복잡해진다. 또한, 마이크로칩 상에 그러한 유로 구조를 형성하기 위해 3 이상의 기재를 서로의 위에 적층하는 것이 필요하다. 그러므로, 높은 정확도가 기재의 적층 및 각 기재 상에서의 유로 구조 형성에서 필요한데, 이는 마이크로칩의 제조 비용을 증가시킨다.
전술한 바를 고려하여, 유로의 중심에 모이는 샘플 액층류를 공급할 수 있고, 쉽게 제조가능한 마이크로칩을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시양태에 따르면, 제1 도입 유로, 제1 도입 유로를 사이에 끼우도록 정렬되고, 양쪽 측부로부터 제1 도입 유로로 합류되는 제2 도입 유로, 및 제1 및 제2 도입 유로로부터 공급되는 유체가 합류되어 흐르는 제1 도입 유로와 제2 도입 유로로 연결되는 합류 유로를 포함하는 마이크로칩을 제공하는데, 여기서 합류 유로는 이 방향을 따라 제1 도입 유로가 제2 도입 유로에 의해 사이에 끼워지는 끼우는 방향에서 유로 너비가 점진적으로 유체 공급 방향을 따라 증가하도록 형성된 테이퍼부를 갖는다. 마이크로칩에서, 합류 유로는 제1 도입 유로 및 제2 도입 유로를 포함하는 면에 수직인 방향에서 유로 깊이가 유체 공급 방향을 따라 점진적으로 감소하도록 형성된 테이퍼부를 갖는다.
본 발명의 또다른 실시양태에 따르면, 제1 도입 유로, 제1 도입 유로를 사이에 끼우도록 정렬되고, 양쪽 측부로부터 제1 도입 유로로 합류되는 두 개의 제2 도입 유로, 및 제1 및 제2 도입 유로로부터 공급되는 유체가 합류되어 흐르는 제1 도입 유로 및 제2 도입 유로로 연결되는 합류 유로를 포함하는 마이크로칩을 제공하는데, 여기서 합류 유로는 제2 도입 유로 및 제1 도입 유로를 포함하는 면에 수직인 방향에서 유로 깊이가 점진적으로 유체 공급 방향을 따라 감소하도록 형성된 테이퍼부를 갖는다.
상기 마이크로칩에서, 제1 도입 유로의 유로 깊이는 제2 도입 유로의 유로 깊이보다 더 작을 수 있고, 합류 유로와 제1 도입 유로의 소통구는 제2 도입 유로의 유로의 깊이 방향에서 실질적으로 중심 위치에 배치될 수 있다.
또한, 합류부와 제1 도입 유로의 소통구는 제2 도입 유로의 각 유로 벽을 포함하는 영역에서 바람직하게 열린다.
상기 마이크로칩에서, 유로 너비가 유체 공급 방향을 따라 다시 점진적으로 감소되도록 형성된 수축부는 유로 너비가 유체 공급 방향을 따라 점진적으로 증가되도록 형성된 테이퍼부의 공급 방향에서 하류 측에 배치될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시양태에 따르면, 합류 유로에서 수축부의 하류 측에서 제1 도입 유로로부터 공급되는 유체에 포함되는 미립자를 검출하는 검출부를 갖는 상기 마이크로칩을 포함하는 미립자 분석 장치를 제공한다.
본 실시양태에서 "미립자"는 세포, 미생물, 리포솜 등과 같은 미세 바이오입자뿐만 아니라, 라텍스 입자, 겔 입자, 산업 입자 등과 같은 합성 입자를 넓게 포함한다.
미세 바이오입자는 염색체, 리포솜, 미토콘드리아, 다양한 세포를 구성하는 세포 기관 등을 포함한다. 여기서 세포는 동물 세포(혈구세포 등) 및 식물 세포를 포함한다. 미생물은 대장균 등과 같은 세균, 담배 모자이크 바이러스 등과 같은 바이러스 및 효모 등과 같은 진균을 포함한다. 또한, 미세 바이오입자는 미세 생체고분자, 예를 들면 핵산, 단백질 및 그들의 복합물을 포함할 수 있다.
산업 입자는 예를 들어, 유기 또는 무기 중합체 물질, 금속 등일 수 있다. 유기 중합체 물질은 폴리스티렌, 스틸렌-비닐벤젠, 및 폴리메틸 메타크릴레이트를 포함한다. 무기 중합체 물질은 유리, 실리카 및 자성 물질을 포함한다. 금속은 금 콜로이드 및 알루미늄을 포함한다. 이 미립자의 모양은 대체로 구형이지만, 구형이 아닐 수도 있다. 또한, 미립자는 크기, 질량 등에 관하여 특별히 제한되지 않는다.
상기 기술한 본 발명의 실시양태에 따르면, 유로의 중심에 모이는 샘플 액층류를 공급 가능하고, 쉽게 제조 가능한 마이크로칩을 제공한다.
[도 1] 도 1A 및 도 1B는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조를 도시하는 개략도로, 도 1A는 평면도를 나타내고, 도 1B는 단면도를 나타낸다;
[도 2] 도 2A, 2B 및 2C는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 합류 유로(12)의 부분을 나타내는 개략도로, 각각 도 2A는 도 1A 및 1B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 2B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 2C는 그의 R-R 단면을 나타낸다;
[도 3] 도 3은 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 소통구(111)의 구조를 나타내는 개략도이다;
[도 4] 도 4A 및 도 4B는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 소통구(111)의 구조(도 4A), 및 도 18A 및 18B에서 도시된 관련 기술에 따른 유로 구조의 개구부(104)(도 4B)를 나타내는 개략도이다;
[도 5] 도 5A, 5B 및 5C는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(122)의 대체적인 실시예를 나타내는 개략도로, 위쪽 부분은 평면도를 나타내고, 아래쪽 부분은 단면도를 나타낸다;
[도 6] 도 6A 및 도 6B는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조를 나타내는 개략도로, 도 6A는 평면도를 나타내고, 도 6B는 단면도를 나타낸다;
[도 7] 도 7A, 7B 및 7C는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 합류 유로(12)의 부분을 나타내는 개략도로, 각각 도 7A는 도 6A 및 6B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 7B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 7C는 그의 R-R 단면을 나타낸다;
[도 8] 도 8은 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(123)의 대체적인 실시예를 나타내는 개략도로, 위쪽 부분은 평면도를 나타내고, 아래쪽 부분은 단면도를 나타낸다;
[도 9] 도 9는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(123)의 유로의 깊이 방향에서 테이퍼각을 나타내는 개략도로, 위쪽 부분은 평면도를 나타내고, 아래쪽 부분은 단면도를 나타낸다;
[도 10] 도 10A 및 10B는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(123) 및 수축부(121)의 대체적인 실시예를 나타내는 개략도로, 도 10A는 평면도를 나타내고, 도 10B는 단면도를 나타낸다;
[도 11] 도 11A 및 11B는 본 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조를 나타내는 개략도로, 도 11A는 평면도를 나타내고, 도 11B는 단면도를 나타낸다;
[도 12] 도 12A, 12B, 및 12C는 본 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 합류 유로(12)의 부분을 나타내는 개략도로, 각각 도 12A는 도 11A 및 11B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 12B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 12C는 그의 R-R 단면을 나타낸다;
[도 13] 도 13은 본 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(122 및 123)의 대체적인 실시예를 나타내는 개략도로, 위쪽 부분은 평면도를 나타내고, 아래쪽 부분은 단면도를 나타낸다;
[도 14] 도 14A 및 14B는 본 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 테이퍼부(123) 및 수축부(121)의 대체적인 실시예를 나타내는 개략도로, 도 14A는 평면도를 나타내고, 도 14B는 단면도를 나타낸다;
[도 15] 도 15A 및 15B는 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 제조방법을 나타내는 도면으로, 칩을 구성하는 기재의 평면 개략도를 나타낸다;
[도 16] 도 16A 및 16B는 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 제조방법을 나타내는 개략도로, 도 16B는 도 16A에서 P-P에 따른 단면을 나타낸다;
[도 17] 도 17A 및 17B는 관련 기술에 따른 세 갈래 유로 구조(도 17A) 및 유로 구조에 의해 형성된 샘플 액층류 (도 17B)를 나타내는 개략도이다;
[도 18] 도 18A 및 18B는 시스 액층류의 중심에 샘플액을 도입하기 위해 적용되는 관련 기술에 따른 유로 구조(도 18A) 및 유로 구조에 의해 형성된 샘플 액층류 (도 18B)를 나타내는 개략도이다;
[도 19] 도 19A 및 19B는 도 18A 및 18B에서 나타낸 관련 기술에 따른 유로 구조를 나타내는 개략도로, 도 19A는 평면도를 나타내고, 도 19B는 단면도를 나타낸다;
[도 20] 도 20A, 20B 및 20C는 도 18A 및 18B에서 나타낸 관련 기술에 따른 유로 구조에서 유체 속도 벡터장을 나타내는 개략도로, 각각 도 20A는 도 19A 및 19B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 20B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 20C는 그의 R-R 단면을 나타낸다; 그리고
[도 21] 도 21은 도 18A 및 18B에서 나타낸 관련 기술에 따른 유로 구조에서 유체 속도 벡터장을 나타내는 개략도이다.
본 발명을 수행하기 위한 바람직한 실시양태는 도면을 참고로 하여 이하 설명된다. 아래에서 설명되는 실시양태는 본 발명의 전형적이고 바람직한 실시양태를 나타내고, 본 발명은 그 실시양태 때문에 좁게 구성되지 않는다는 것에 주의한다. 설명은 다음의 순서로 이루어진다.
1. 관련 기술에 따른 유로 구조에서 유체 속도 벡터장
2. 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩
3. 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
4. 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩
5. 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
6. 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩
7. 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
8. 발명에 따른 마이크로칩의 제조
9. 발명에 따른 미립자 분석 장치
1. 관련 기술에 따른 유로 구조에서 유체 속도 벡터장
도 18A 및 18B에서 나타낸 시스 액층류의 중심으로 샘플액을 도입하기 위해 적용되는 관련 기술에 따른 유로 구조는 샘플 액층류를 시스 액층류로 도입할 때, 난류가 샘플 액층류에서 발생하고, 샘플 액층류가 유로의 중심으로 전환되지 않는 문제점이 있다.
구체적으로, 도 19A 및 19B에 따르면, 샘플 액층류(S)가 개구부(104)로부터 유로(102 및 102)로 각각 도입되는 시스 액층류(T)의 중심으로 도입되어 유로(103)를 통해 흐르는 경우, 샘플 액층류(S)는 일부 경우에서 유로의 깊이 방향 (Z-축 방향)에서 분산된다. 샘플 액층류(S)가 유로의 중심으로 전환되지 않는다면, 샘플 액층류(S)에 포함되는 미립자의 공급 위치는 유로의 깊이 방향에서 분산되고, 따라서 미립자의 검출 신호 또한 변화하는데, 이는 분석 정확도의 저하를 야기한다.
본 발명의 발명자들은 관련 기술에 따른 유로 구조에서 발생하는 샘플 액층류의 난류의 요인을 찾기 위하여 유로 구조에서 유체 속도 벡터장(유동장(flow field))의 수치적인 계산을 수행하였다. 그 결과, 그들은 샘플 액층류와 시스 액층류의 합류 후에 발생되는 나선 유동장이 샘플 액층류의 난류를 야기한다는 것을 알아내었다.
관련 기술에 따른 유로 구조에서 유체 속도 벡터장을 도 19A 및 19B 및 도 20A 내지 20C를 참고로 설명한다. 도 20A 내지 20C는 관련 기술에 따른 유로 구조의 개략 단면도로, 각각 도 20A는 도 19A 및 19B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 20B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 20C는 그의 R-R 단면을 나타낸다.
샘플 액층류(S)가 개구부(104)로부터 유로(103)를 통해 공급된 시스 액층류 (T)의 중심으로 도입될 때, 높은 속도 벡터가 도입 후 즉시 유로의 깊이 방향의 중심에서 나타난다(도 20A에서 화살표 참조). 높은 속도 벡터는 합류된 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)가 더 빠르게 흐르기 위해 유로의 깊이 방향의 중심에 집중되기 때문에 발생한다고 생각된다.
또한, 유로(101) 및 유로(102 및 102)로부터 유동장들이 하나의 유동장으로 합류되는 공정에서, 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생하는 높은 속도 벡터는 도 20B에서 나타낸 바와 같이 Z-축 양 또는 음의 방향에서 회전하는 유동장으로 되고, 또한 도 20C에서 나타낸 바와 같이 나선 유동장으로 된다. 그 후, 샘플 액층류(S)는 Z-축 양 및 음의 방향에서 연장되고, 유로의 깊이 방향에서 분산된다는 것을 알았다. 또한 나선 유동장 때문에 샘플 액층류(S)의 변형이 유로(102 및 102)로부터 공급된 시스액의 유속에 따라서 더 중요해진다는 것을 알았다.
또한, 본 발명의 발명자는 유체 속도 벡터장(유동장)의 수치 계산의 결과로, 시스 액층류의 중심으로 샘플 액층류를 도입하기 위한 개구부 가까이에서 발생하는 느린 유동장이 샘플 액층류의 난류를 야기한다는 것을 알았다.
도 21은 시스 액층류의 중심으로 샘플액을 도입하는 데 적용되는 도 18A 및 18B에서 나타낸 관련 기술에 따른 유로 구조의 개구부(104)의 근처에서 발생하는 느린 유동장을 개략적으로 나타낸다.
개구부(104)의 근처에서, 유로(102 및 102)로부터 공급된 시스액 및 개구부(104)로부터 흘러나오는 샘플액의 합류 때문에, 시스 액층류(T) 및 샘플 액층류 (S) 사이에 전단력이 발생한다. 전단력에 의해, 느린 속도 벡터가 개구부(104)의 근처에서 발생하고, 고인 유동(stagnant flow)으로 불안정한 유동장이 발생된다는 것을 알았다. 고인 유동장 때문에, 샘플 액층류(S)는 불안정해지고, 유로의 깊이 방향에서 분산된다. 고인 유동장에 의한 샘플 액층류(S)의 변형은 개구부(104)의 흘러나가는 샘플액의 유속이 더 낮아 질수록 더 중요해진다는 것 또한 알았다.
2. 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩
본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 제1 특징은 샘플 액층류와 시스 액층류의 합류 후에 발생되는 상기 설명된 나선 유동장을 억제하여, 샘플 액층류의 난류를 방지하는 유로 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 제2 특징은 시스 액층류의 중심으로 샘플 액층류를 도입하기 위한 개구부의 근처에서 발생되는 상기 설명한 고인 유동장을 억제하여, 샘플 액층류의 난류를 방지하는 유로 구조를 제공하는 것이다.
도 1A 및 1B는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 마이크로칩에 형성된 유로 구조를 나타내는 개략도로, 도 1A는 평면도를 나타내고, 도 1B는 단면도를 나타낸다.
상기 도면에서, 참고 번호 11은 제1 유체(이하 샘플액으로 언급한다)가 도입되는 제1 도입 유로(이하 샘플액 도입 유로(11)로 언급한다)를 나타낸다. 참고 번호 21 및 22는 샘플액 도입 유로(11)를 사이에 끼우도록 정렬되고, 그 양쪽 측부로부터 샘플액 도입 유로(11)로 합류되고, 제2 유체(이하 시스액으로 언급된다)가 도입되는 제2 도입 유로(이하 시스 액 도입 유로(21 및 22)로 언급한다)를 나타낸다. 또한, 참고 번호 12는 샘플액 도입 유로(11) 및 시스액 도입 유로(21 및 22)를 연결하고, 각각의 유로로부터 공급된 시스액과 샘플액이 합류되어 흐르는 합류 유로를 나타낸다.
샘플액 도입 유로(11)는 시스액 도입 유로(21 및 22)와의 합류부에서 시스 액층류(T)가 흐르는 합류 유로(12)의 중심으로 샘플액을 도입하기 위한 소통구(111)를 갖는다. Z-축 방향에서 샘플액 도입 유로(11)의 유로 깊이는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이보다 더 작게 설계되고, 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향에서 실질적으로 중심 위치에 배치된다. 또한, 소통구(111)는 합류 유로(12)의 유로 너비 방향(Y-축 방향)에서 실질적으로 중심 위치에 배치된다.
소통구(111)로부터 시스 액층류(T)의 중심으로 샘플 액층류(S)를 도입함으로써, 샘플 액층류(S)는 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 공급될 수 있다(또, 나중에 설명되는 도 2A, 2B 및 2C 참고). 소통구(111)를 두는 위치는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향의 중심 위치로 제한되지 않고, 샘플 액층류(S)가 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 합류 유로(12)로 공급되도록 하는 한, 그 근처일 수 있다는 것을 주의한다. 유사하게, 합류 유로(12)의 유로 너비 방향에서 소통구(111)의 위치는 중심 위치로 제한되지 않고, 그 근처일 수 있다.
도면에서, 참고 번호 122는 도 20에서 나타내는 시스 액층류 및 샘플 액층류의 합류 후에 발생되는 나선 유동장을 억제하는 기능을 하는 테이퍼부를 나타낸다. 테이퍼부(122)는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류 부분과 아주 근접해서 합류 유로(12)에 배치된다. 테이퍼부(122)는 샘플액 도입 유로(11)가 이를 따라 시스액 도입 유로(21 및 22)에 의해 사이에 끼워지는 끼우는 방향(Y-축 방향)에서 유로 너비가 공급 방향을 따라 점진적으로 확대되도록 형성된다.
합류 유로(12)에서 유체 속도 벡터장 및 테이퍼부(122)의 기능은 도 1A 및 1B 및 도 2A 내지 2C를 참고하여 설명된다. 도 2A, 2B 및 2C는 합류 유로(12)의 개략 단면도로, 각각 도 2A는 도 1A 및 1B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 2B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 2C는 그의 R-R 단면을 나타낸다.
샘플 액층류(S)가 개구부(111)로부터 합류 유로(12)를 통해 흐르는 시스 액층류(T)의 중심으로 도입될 때, 도입 후 즉시 유로의 깊이 방향의 중심에서 높은 속도 벡터가 나타난다(도 2A의 점선 참조). 전술한 바와 같이, 합류된 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)가 더 빠르게 흐르기 위해 유로의 깊이 방향의 중심에 집중되기 때문에 높은 속도 벡터가 발생한다.
테이퍼부(122)에서, 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비는 Y-축 방향에서 확대되고, 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 높은 속도 벡터에 대해 반대 방향인 유동장(도 2B에서 실선 화살표 참조)이 발생된다. 반대 유동장을 발생시킴으로써, 테이퍼부(122)는 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 유동장을 상쇄하고, 그렇게 함으로써, 유동장이 나선 유동장으로 되는 것을 방지한다. 그 결과, 샘플 액층류(S)는 나선 유동장에 의해 Z-축 방향에서 연장되는 것 없이 유로의 중심으로 전환된 상태에서 유지된다(도 2B 및 2C 참조).
도면에서, 참고 번호 121은 Y-축 방향 및 Z-축 방향에서 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비를 좁히는 기능을 하는 수축부를 나타낸다. 수축부(121)는 테이퍼부(122)의 하류측에 배치된다. 수축부(121)는 유로 너비가 공급 방향에 따라 점진적으로 감소되도록 형성된다. 또한 수축부(121)는 유로 깊이가 역시 공급 방향에 따라 점진적으로 감소되도록 형성된다. 구체적으로, 수축부(121)의 유로 벽은 Y-축 및 Z-축 방향에서 공급 방향을 따라 좁혀지도록 형성되고, 수축부(121)는 공급 방향(X-축 양의 방향)에 대하여 수직 부분의 영역이 점진적으로 감소되도록 형성된다. 그러한 형태로, 수축부(121)는 Y-축 방향 및 Z-축 방향에서 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비를 좁힘으로써 액체를 공급한다.
도 3 및 도 4A 및 4B는 소통구(111)의 구조를 나타내는 개략도이다. Z-축 방향에서 샘플액 도입 유로(11)의 유로 깊이는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이보다 더 작게 설계되고, 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향의 실질적으로 중심 위치에 둔다(도 3 참조). 또한, 그 근처에서 발생되는 고인 유동장을 억제하기 위하여, 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21) 및 시스액 도입 유로(22)의 유로 벽(211 및 221)을 포함하는 영역에서 열린다.
이것은 도 4A 및 4B를 참고하여 자세하게 설명된다. 먼저, 관련 기술(도 18A 및 18B 참조)에 따른 유로 구조에서 개구부(104)의 구조는 도 4B를 참고하여 기술된다. 관련 기술에 따른 유로 구조에서는, 개구부(104)로부터 흘러나오는 샘플 액과 유로(102 및 102)로부터 공급된 시스 액체의 합류 때문에 시스 액층류(T) 및 샘플 액층류(S) 사이에서 발생하는 전단력에 의해, 고인 유동(도 4B에서 사선으로 음영처리된 영역)을 갖는 불안정한 유동장이 개구부(104)의 근처에서 발생된다(또한, 도 21 참조).
이 경우, 샘플액은 개구부(104)로부터 고이고 불안정한 유동장으로 흘러나간다. 결과적으로, 샘플 액층류(S)는 유로(102 및 102)로부터 공급되고 유로의 깊이 방향에서 분산되는 빠르게-흐르는 시스 액과 접촉하기 전에 불안정해진다.
반면에, 본 실시양태에 따른 마이크로칩의 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21) 및 시스액 도입 유로(22)의 유로 벽(211 및 221)을 포함하는 영역에서 열리기 때문에, 소통구(111)의 흘러나오는 샘플액은 시스액 도입 유로(21 및 22)를 통해 공급되는 빠르게-흐르는 시스액과 직접 접촉하게 된다. 그 결과, 샘플 액층류(S)는 소통구(111)로부터 흘러 나온 후 즉시 시스액에 의해 가속되어, 깊이 방향에서 분산된 것이 없이 유로의 중심으로 전환된 안정된 상태에서 유지된다.
여기서 설명되는 소통구(111)의 형태는 샘플액 도입 유로(11)의 소통구(111)의 측단부가 시스액 도입 유로(21) 및 시스액 도입 유로(22)의 유로 벽(211 및 221)에 의해 절단되는 형태로 고려될 수 있다. 왜냐하면, 소통구(111)의 형태는 시스액 도입 유로(21) 및 시스액 도입 유로(22)의 유로 벽(211 및 221)에 의해 절단되어 만들어지기 때문에, 도 4A에서 기호 W로서 나타내는 유로 너비는 기호 C에 의해 나타내는 절단 후의 유로 너비보다 더 작게 설계된다.
3. 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
도 1A는 테이퍼부(122)가 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부인 소통구(111)의 하류측의 합류 유로(12)에 배치되는 경우를 나타낸다. 그러나, 테이퍼부(122)가 배치되는 위치는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플 액 도입 유로(11)의 합류부에 아주 근접하는 한, 도 1A에 나타낸 위치로 제한되지 않는다.
도 5A, 5B 및 5C는 테이퍼부(122)의 대체적인 실시예를 나타내는 것으로, 위쪽 부분은 평면도를 나타내고, 아래쪽 부분은 단면도를 나타낸다. 도 5A에서 도시한 바와 같이, 예를 들어, 테이퍼부(122)는 Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하기 시작하는 지점이 소통구(111)의 상류측에 자리하도록 둘 수 있다. 또한, 도 5B에서 도시한 바와 같이, 테이퍼부(122)는 Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하기 시작하는 지점이 소통구(111)와 일치하는 위치에 자리하도록 둘 수 있다. 도 5C는 Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하기 시작하는 지점이 소통구(111)의 하류측에 자리하고, 테이퍼부(122)가 소통구(111)의 하류 측에 위치하는 경우를 나타낸다.
4. 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩
도 6A 및 6B는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조를 나타내는 개략도로, 도 6A는 평면도를 나타내고, 도 6B는 단면도를 나타낸다.
도면에서, 참고 번호 11은 샘플액이 도입되는 샘플액 도입 유로를 나타낸다. 참고 번호 21 및 22는 샘플액 도입 유로(11)를 사이에 끼우도록 정렬되고, 그들의 양쪽 측부로부터 샘플액 도입 채널(11)과 합류되고, 시스액이 이를 통해 도입되는 시스액 도입 유로를 나타낸다. 또한, 참고 번호 12는 샘플액 도입 유로(11) 및 시스액 도입 유로(21 및 22)가 연결되고, 각각의 유로로부터 공급된 시스액과 샘플액이 합류되어 흐르는 합류 유로를 나타낸다.
샘플액 도입 유로(11)는 시스액 도입 유로(21 및 22)를 갖는 합류부에서, 시스 액층류(T)가 이를 통해 흐르는 합류 유로(12)의 중심으로 샘플액을 도입하기 위한 소통구(111)를 갖는다.
Z-축 방향에서 샘플액 도입 유로(11)의 유로 깊이는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이보다 더 작게 설계되고, 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향에서 실질적으로 중심 위치에 배치된다. 또한, 소통구(111)는 합류 유로(12)의 유로 너비 방향(Y-축 방향)에서 실질적으로 중심 위치에서 배치된다.
소통구(111)로부터 시스 액층류(T)의 중심으로 샘플 액층류(S)를 도입함으로써, 샘플 액층류(S)는 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 공급될 수 있다 (후술하는 도 7 또한 참조). 소통구(111)를 두는 위치는 샘플 액층류(S)가 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 합류 유로(12)로 공급되는 한, 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향의 중심 위치에 제한되지 않고, 그 근처일 수 있다. 유사하게, 합류 유로(12)의 유로 너비 방향에서 소통구(111)의 위치는 중심 위치로 제한되지 않고, 그 근처일 수 있다.
도면에서, 참고 번호 123은 도 20에서 나타내는 시스 액층류 및 샘플 액층류의 합류 후에 발생되는 나선 유동장을 억제하는 기능을 갖는 테이퍼부를 나타낸다. 테이퍼부(123)는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부에 아주 근접한 합류 유로(12)에 배치된다. 테이퍼부(123)는 샘플액 도입 유로(11) 및 시스액 도입 유로(21 및 22)를 포함하는 면(X-Y 면)에 수직한 종방향(Z-축 방향)에서 유로 깊이가 공급 방향에 따라 점진적으로 좁아지도록 형성된다.
합류 유로(12)에서 유체 속도 벡터장 및 테이퍼부(123)의 기능은 도 6A 및 6B 및 도 7A 내지 7C를 참고로 설명된다. 도 7A, 7B 및 7C는 합류 유로(12)의 개략 단면도로, 각각 도 7A는 도 6A 및 6B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 7B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 7C는 그의 R-R 단면을 나타낸다.
샘플 액층류(S)가 개구부(111)로부터 합류 유로(12)을 통해 흐르는 시스 액층류(T)의 중심으로 도입될 때, 도입 후 즉시 유로의 깊이 방향의 중심에서 높은 속도 벡터가 나타난다(도 7A에서 점선 화살표 참조). 높은 속도 벡터는 합류된 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)가 전술한 바와 같이 더 빠르게 흐르기 위해 유로의 깊이 방향의 중심에 집중되기 때문에 발생한다.
테이퍼부(123)에서, 합류되는 샘플 액층류(S)와 시스 액층류(T)의 층류 너비가 Z-축 방향에서 좁아질 때, 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 높은 속도 벡터에 반대 방향인 유동장(도 7B에서 실선 화살표 참조)이 발생한다. 반대 유동장이 발생함으로써, 테이퍼부(123)는 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 유동장을 상쇄하고, 그렇게 함으로써, 유동장이 나선 유동장으로 되는 것을 방지한다. 그 결과, 샘플 액층류(S)는 나선 유동장에 의해 Z-축 방향에서 연장되는 것 없이 유로의 중심으로 전환된 상태에서 유지된다(도 7B 및 7C 참조).
도면에서, 참고 번호 121은 Y-축 방향 및 Z-축 방향에서 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비를 좁히는 기능을 하는 수축부를 나타낸다. 수축부(121)의 구조 및 동작은 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 것과 동일하고, 반복적으로 기술하지 않는다. 또한, 소통구(111)의 구조 및 동작 또한 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 것과 동일하다.
5. 제2 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
도 6B는 테이퍼부(123)가 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소하기 시작하는 지점이 소통구(111)의 위치와 동일하도록 배치되는 것을 나타낸다. 그러나, 테이퍼부(123)가 배치되는 지점은 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부와 아주 근접한 것인 한, 도 6B에 도시된 위치로 제한되지 않는다.
도 8A, 8B 및 8C는 테이퍼부(123)의 대체적인 실시예를 나타내는데, 위쪽 부분은 테이퍼부(123)의 평면 개략도를 나타내고, 아래쪽 부분은 그 단면 개략도를 나타낸다. 도 8A에서 보는 바와 같이, 예를 들어, 테이퍼부(123)는 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소되기 시작하는 지점이 소통구(111)의 상류측에 자리하도록 둘 수도 있다. 또한, 도 8C에서 보는 바와 같이, 테이퍼부(123)는 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소되기 시작하는 지점이 소통구(111)의 하류측에 자리하도록 둘 수도 있다. 도 8B는 도 6A 및 6B의 경우와 같이 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소하기 시작하는 지점이 소통구(111)와 일치하는 위치에 자리하는 경우를 나타낸다.
테이퍼부(123)의 유로 깊이 방향에서 테이퍼각(도 9A 및 9B에서 기호 θz 참조)은 테이퍼부(123)의 기능이 발휘될 수 있는 한 임의의 값으로 설정될 수 있다. 샘플액 도입 유로(11)와 시스액 도입 유로(21 및 22)의 합류각(도 9A에서 기호 θy 참조)보다 더 크도록 테이퍼각(θz)을 설정함으로써, 나선 유동장의 발생을 억제하는 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 합류 유로(12)의 유로 너비가 공급 방향을 따라 점진적으로 감소하도록 설계된 경우, 테이퍼각(θz)을 합류 유로(12)의 드로우(draw)각(도 9B에서 기호 θy 참조)보다 더 크게 설정함으로써, 나선 유동장을 억제하는 충분한 효과를 얻을 수 있다.
테이퍼부(123) 및 수축부(121)가 불연속적으로 형성되는 경우가 도 6A 및 6B에서 나타나 있으나, 테이퍼부(123) 및 수축부(121)는 도 10A 및 10B에서 나타낸 바와 같이 연속적으로 형성될 수도 있다.
6. 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩
도 11A 및 11B는 본 발명의 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조를 나타내는 개략도로, 각각 도 11A는 마이크로칩의 평면도를 나타내고, 도 11B는 그의 단면도를 나타낸다.
도면에서, 참고 번호 11은 샘플액이 도입되는 샘플액 도입 유로를 나타낸다. 참고 번호 21 및 22는 샘플액 도입 유로(11)를 사이에 끼우도록 정렬되고, 그 양쪽 측부로부터 샘플액 도입 유로(11)로 합류되고, 시스액이 이를 통해 도입되는 시스액 도입 유로를 나타낸다. 또한, 참고 번호 12는 샘플액 도입 유로(11) 및 시스액 도입 유로(21 및 22)를 연결하고, 각각의 유로로부터 공급되는 시스액과 샘플액이 합류되어 흐르는 합류 유로를 나타낸다.
샘플액 도입 유로(11)는 시스액 도입 유로(21 및 22)와의 합류부에서, 시스 액층류(T)가 흐르는 합류 유로(12)의 중심으로 샘플액을 도입하기 위한 소통구(111)를 갖는다.
Z-축 방향에서 샘플액 도입 유로(11)의 유로 깊이는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이보다 더 작게 설계되고, 소통구(111)는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향에서 실질적으로 중심 위치에 배치된다. 또한, 소통구(111)는 역시 합류 유로(12)의 유로 너비 방향(Y-축 방향)에서 실질적으로 중심 위치에 배치된다.
소통구(111)로부터 시스 액층류(T)의 중심으로 샘플 액층류(S)를 도입함으로써, 샘플 액층류(S)는 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 공급될 수 있다(또, 후술하는 도 12 참고). 소통구(111)를 두는 위치는 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향의 중심 위치로 제한되지 않고, 샘플 액층류(S)가 시스 액층류(T)에 의해 둘러싸인 상태에서 합류 유로(12)로 공급되도록 하는 한, 그 근처일 수 있다는 것을 주의한다. 유사하게, 합류 유로(12)의 유로 너비 방향에서 소통구(111)의 위치는 중심 위치로 제한되지 않고, 그 근처일 수 있다.
도면에서, 참고 번호 122 및 123은 도 20에서 시스 액층류 및 샘플 액층류의 합류 후에 발생되는 나선 유동장을 억제하는 기능을 하는 테이퍼부를 나타낸다. 테이퍼부(122 및 123)는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부와 아주 근접하여 합류 유로(12)에 배치된다. 테이퍼부(122)는 샘플액 도입 유로(11)가 시스액 도입 유로(21 및 22)에 의해 사이에 끼워지는 끼우는 방향(Y-축 방향)에서 유로 너비가 공급 방향을 따라 점진적으로 확대되도록 형성된다. 또한, 테이퍼부(123)는 샘플액 도입 유로(11) 및 시스액 도입 유로(21 및 22)를 포함하는 면(X-Y 면)에 수직한 종방향(Z-축 방향)에서 유로 깊이가 공급 방향을 따라 점진적으로 좁아지도록 형성된다. 본 실시양태에 따른 마이크로칩에서, 테이퍼부(122 및 123)는 합류 유로(12)의 일부 겹쳐지는 영역에서 형성된다.
합류 유로(12)에서 유체 속도 벡터장 및 테이퍼부(122 및 123)의 기능은 도 11A 및 11B 및 도 12A 내지 12C를 참고로 설명된다. 도 12A, 12B 및 12C는 합류 유로(12)의 개략 단면도로, 각각 도 12A는 도 11A 및 11B에서 P-P 단면을 나타내고, 도 12B는 그의 Q-Q 단면을 나타내고, 도 12C는 그의 R-R 단면을 나타낸다.
샘플 액층류(S)가 개구부(111)로부터 합류 유로(12)를 통해 흐르는 시스 액층류(T)의 중심으로 도입될 때, 도입 후에 즉시 유로의 깊이 방향의 중심에서 높은 속도 벡터가 나타난다(도 12A에서 점선 화살표 참조). 높은 속도 벡터는 전술한 바와 같이 합류되는 샘플 액층류(S)와 시스 액층류(T)가 더 빠르게 흐르기 위해 유로의 깊이 방향의 중심에 집중되기 때문에 발생한다.
테이퍼부(122)에서, 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비가 Y-축 방향에서 확장될 때, 및 테이퍼부(123)에서, 합류되는 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비가 Z-축 방향에서 좁아질 때, 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 높은 속도 벡터의 반대 방향인 유동장(도 12B에서 실선 화살표 참조)이 발생한다. 반대 유동장을 발생시킴으로써, 테이퍼부(122 및 123)는 유로의 깊이 방향의 중심에서 발생되는 유동장을 상쇄하고, 그렇게 함으로써, 유동장이 나선 유동장으로 되는 것을 방지한다. 그 결과, 샘플 액층류(S)는 나선 유동장에 의해 Z-축 방향에서 연장되는 것 없이 유로의 중심으로 전환된 상태에서 유지된다(도 12B 및 12C 참조).
도면에서, 참고 번호 121은 Y-축 방향 및 Z-축 방향에서 합류된 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비를 좁히는 기능을 하는 수축부를 나타낸다. 수축부(121)의 구조 및 동작은 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 것과 동일하고, 반복적으로 기술하지 않는다. 또한, 소통구(111)의 구조 및 동작 또한 제1 실시양태에 따른 마이크로칩의 것과 동일하다.
7. 제3 실시양태에 따른 마이크로칩의 유로 구조의 대체적인 실시예
도 11A는 테이퍼부(122)가 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부인 소통구(111)의 하류측 합류 유로(12)에 배치된 경우를 나타낸다. 그러나, 테이퍼부(122)가 배치되는 위치는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부에 아주 근접하는 한, 도 11A에서 도시된 위치에 제한되지 않는다.
또한 도 11B는 테이퍼부(123)가 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소하기 시작하는 지점이 소통구(111)의 위치와 일치하도록 배치되는 경우를 나타낸다. 그러나, 테이퍼부(123)가 배치되는 위치는 시스액 도입 유로(21 및 22)와 샘플액 도입 유로(11)의 합류부에 아주 근접하는 한, 도 11B에서 도시된 위치로 제한되지 않는다.
또한, 도 11A 및 11B는 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소되기 시작하는 테이퍼부(123)의 지점이 Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하기 시작하는 테이퍼부(122)의 지점의 상류측에 배치되는 경우를 나타낸다. 그러나, 테이퍼부(122)가 시작하는 지점 및 테이퍼부(123)가 시작하는 지점은 다르거나 같을 수 있다. 유사하게, 비록 도 11A 및 11B는 Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하는 것이 끝나는 테이퍼부(122)의 지점 및 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소하는 것이 끝나는 테이퍼부(123)의 지점이 동일한 위치에 배치되는 경우를 나타내지만, 테이퍼부(122)가 끝나는 지점과 테이퍼부(123)가 끝나는 지점은 다르거나 같을 수 있다.
도 13은 테이퍼부(122 및 123)의 대체적인 실시예를 나타낸다. 이 대체적인 실시예에서, Y-축 방향에서 유로 너비가 증가하기 시작하는 테이퍼부(122)의 지점및 Z-축 방향에서 유로 깊이가 감소하기 시작하는 테이퍼부(123)의 지점의 위치는 모두 소통구(111)와 일치한다. 또한, 테이퍼부(122)가 끝나는 지점의 위치 및 테이퍼부(123)가 끝나는 지점의 위치는 또한 서로 일치한다.
또한, 비록 테이퍼부(123) 및 수축부(121)가 불연속적으로 형성되는 경우를 도 11A 및 11B에서 나타내지만, 테이퍼부(123) 및 수축부(121)는 도 14A 및 14B에서 나타낸 바와 같이 연속적으로 형성될 수도 있다.
8. 본 발명에 따른 마이크로칩의 제조
본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 물질은 유리 또는 다양한 종류의 플라스틱 (PP, PC, COP, PDMS)일 수 있다. 마이크로칩을 사용한 분석이 광학적으로 수행되는 경우에서, 자가 형광이 낮고, 파장 분산이 작아서 광학 오차가 작은 광 투과성을 갖는 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
마이크로칩의 광투과성을 유지하기 위하여, 그 표면은 광학 디스크에 사용되는 소위 하드 코트층(hard coat layer)으로 바람직하게 코팅된다. 지문과 같은 얼룩이 마이크로칩의 표면, 특히 광학 검출기의 표면에 부착되면, 광 투과량이 감소하여 광학 분석의 정확도의 저하가 야기된다. 마이크로칩의 표면에 높은 투과성 및 얼룩 저항성을 갖는 하드 코트층을 증착함으로써, 분석의 정확도의 저하를 방지할 수 있다.
하드 코트층은 통상적으로 사용되는 하드 코팅제, 예를 들어 플루오로 또는 실리콘 얼룩-방지제와 같은 지문 얼룩-방지제를 혼합한 UV-경화형 하드 코팅제의 1 종류를 사용하여 형성될 수 있다. 일본 특허 공개 공보 제2003-157579호는 활성 에너지선 하에서 중합될 수 있는 2 이상의 중합성 관능기를 갖는 다관능성 화합물(A), 그 표면이 머캅토기와 가수분해성기 또는 히드록시기를 갖는 유기기가 규소 원자와 결합되어 있는 머캅토실란 화합물에 의해 개질되고, 평균 입자 지름이 1 내지 200 nm인 개질된 콜로이드성 실리카(B) 및 광중합성 개시제(C)를 포함하는 하드-코팅제로서 활성 에너지선 경화성 조성물(P)을 개시한다.
마이크로칩에 정렬되는 샘플액 도입 유로(11), 시스액 도입 유로(21 및 22), 테이퍼부(122 및 123) 및 수축부(121)를 갖는 합류 유로(12) 등의 형성은 유리 재질의 기재층의 습식 식각 또는 건식 식각에 의해, 또는 플라스틱 재질의 기재층의 나노임프린트 기술 또는 사출 성형 또는 절단에 의해 수행될 수 있다. 그 후, 샘플액 도입 유로(11) 등이 형성된 두 개의 기재를 서로에 적층하여, 마이크로칩을 제조할 수 있다. 기재의 서로에 대한 적층은 예를 들어 열융착, 접착제에 의한 접착, 애노드 결합, 감압성 접착제-코팅 시트를 사용한 결합, 플라즈마 활성화 결합, 초음파 결합과 같은 공지의 방법을 적절하게 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 제조 방법은 도 15A 및 15B 및 16A 및 16B를 참고로 이하에서 설명된다. 도 15A 및 15B는 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩을 구성하는 기재의 평면 개략도를 나타낸다. 도 16A 및 16B는 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩의 단면도를 나타낸다. 도 16B는 도 16A에서 P-P 단면을 나타낸다.
먼저, 시스액 도입 유로(21 및 22)의 부분과 합류 유로(12)의 부분을 기재(a) 상에 만든다(도 15A 참조). 기재(a)상에, 또한 샘플액을 샘플액 도입 유로(11)로 공급하기 위한 샘플액 공급구(3), 시스액을 시스액 도입 유로(21 및 22)로 공급하기 위한 시스액 공급구(4), 및 샘플액과 시스액을 합류 유로(12)로부터 토출하기 위한 토출구를 만든다. 다음으로, 샘플액 도입 유로(11), 시스액 도입 유로(21 및 22)의 부분, 및 합류 유로(12)의 부분을 기재(b) 상에 만든다(도 15B 참조).
다음으로, 기재(a) 및 기재(b)를 도 16A 및 16B에 도시된 바와 같이, 열압착 결합 등으로 서로에 적층시켜서, 마이크로칩을 제조할 수 있다. 이 단계에서, 시스액 도입 유로(21 및 22)는 샘플액 도입 유로(11)가 시스액 도입 유로(21 및 22)의 유로 깊이 방향에서 실질적으로 중심에 자리하도록 기재(a 및 b)의 다른 깊이에서 형성된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 샘플액 도입 유로(11) 등이 만들어지는 기재(a 및 b)를 적층함으로써 제조될 수 있다. 따라서, 안내 구조가 샘플 액층류를 도입하기 위한 유로의 개구부에서 제공되는 전술한 특허 문헌 2에서 개시된 마이크로칩과는 다르게, 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 오직 두 개의 기재의 적층에 의해 제조될 수 있다. 따라서 각 기재상의 유로 구조의 형성 및 기재의 적층이 쉬워서, 마이크로칩의 제조 비용을 억제한다.
9. 발명에 따른 미립자 분석 장치
전술한 마이크로칩은 본 발명의 실시양태에 따른 미립자 분석 장치에 포함될 수 있다. 미립자 분석 장치는 미립자의 특성을 분석하고, 분석 결과를 기초로 미립자의 분별을 행하는 미립자 분별 장치로서 적용이 가능하다.
미립자 분석 장치에서, 샘플액 도입 유로(11)로부터 공급되는 샘플액에 포함되는 미립자를 검출하기 위한 검출기(도 15B에서 기호 D 참조)는 마이크로칩의 합류 유로(12)에서 수축부(121) 및 테이퍼부(122 또는 123)의 하류측에 위치한다.
본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 테이퍼부(122, 123)로, 합류 유로(12)의 중심으로 전환된 상태에서 샘플 액층류(S)를 공급하여, 분산에 의해 야기되는 미립자의 유속의 차이 및 유로의 깊이 방향에서 미립자의 공급 위치의 분산을 제거하는 것이 가능하다(도 2 등 참조). 따라서, 테이퍼부(122, 123)의 하류측에 검출부(D)를 두고, 미립자를 검출함으로써, 미립자의 유속 차이에 의해 야기되는 검출 신호의 변동을 제거하여, 높은 정확도로 미립자의 검출을 얻는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 수축부(121)로, 유로 너비 방향 및 깊이 방향에서 시스 액층류(T) 및 샘플 액층류(S)의 층류 너비를 줄여 액체를 공급하는 것을 가능하게 한다. 샘플 액층류(S) 및 시스 액층류(T)의 층류 너비를 줄임으로써, 미립자가 샘플 액층류(S)에서 일렬로 정렬되게 할 수 있고, 유로의 깊이 방향에서 미립자의 공급 위치의 분산 및 그 분산에 의해 야기되는 미립자의 유속에서의 차이가 더 감소될 수 있다. 따라서, 수축부(121)의 하류측에 검출부(D)를 두고, 미립자를 검출함으로써, 미립자를 하나하나 검출할 수 있고, 또한 미립자의 유속의 차이에 의하여 야기되는 검출 신호의 변동을 가능한 많이 줄여 검출을 할 수 있다.
검출부(D)는 광학적 검출계, 전기적 검출계 또는 자기적 검출계로 구성될 수 있다. 이러한 검출계는 관련 기술에 따른 마이크로칩을 사용한 미립자 분석계와 동일한 방식으로 구성될 수 있다.
구체적으로, 광학적 검출계는 레이저 빔 소스, 레이저 빔을 집광하고, 레이저빔으로 각각의 미립자를 조사하기 위한 집광 렌즈 등으로 구성된 조사부, 및 이색성 거울, 밴드패스 필터 등의 사용으로 레이저 빔을 조사하여 미립자로부터 발생되는 광을 검출하기 위한 검출계를 포함한다. 미립자로부터 발생된 광의 검출은 예를 들어 PMT (광전 증배관(photo multiplier tube)), CCD 또는 CMOS 장치와 같은 영역 촬상 장치(area image pick-up element)에 의해 이루어질 수 있다.
또한, 전기적 검출계 또는 자기적 검출계는 검출부(D)의 유로에 마이크로-전극을 두어, 예를 들어 저항, 정전 용량, 인덕턴스, 임피던스, 전극 사이의 전기장 변동 등 또는 그렇지 않으면 자화, 자기장 변동 등을 측정한다.
검출부(D)에서 검출되는 미립자로부터 발생되는 광, 저항, 자화 등은 전기적 신호로 전환되어 총 제어부로 출력된다. 검출될 수 있는 광은 미립자로부터의 전방 산란광 또는 측방 산란광 또는 레일리 산란, 미에 산란 등에 의한 산란광, 형광 등일 수 있다는 것을 주의한다.
입력되는 전기적 신호에 기초하여, 총 제어부는 미립자의 광학 특성을 측정한다. 광학 특성의 측정을 위한 매개변수는 대상 미립자 및 분별 수집의 목적에 따라 선택된다. 구체적으로, 전방 산란광이 미립자의 크기를 결정하는 경우에 쓰이고, 측방 산란광은 구조를 결정하는 경우 쓰이고, 형광은 미립자를 표지하는 형광물질이 존재하는지 부재하는지 결정하는 데 쓰인다.
또한, 본 발명의 실시양태에 따른 미립자 분석 장치는 상기 특허 문헌 1에 개시된 것과 같은 미립자 분별 유로 및 미립자 분별 유로로의 유로구 근처에 배치된 미립자의 이동 방향을 제어하는 전극을 제공하여, 총 제어부에 의해 미립자의 특성을 분석하고, 분석 결과에 기초하여 미립자의 분별을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 쉽게 제조가능하고, 유로의 중심에 집중되는 샘플 액층류 공급이 가능하다. 따라서, 유로를 통해 샘플액으로써 미립자를 포함하는 용액을 공급함으로써 미립자의 특성을 분석할 때, 유로의 깊이 방향에서 미립자의 공급 위치의 분산을 제거함으로써 높은 분석 정확도가 얻어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시양태에 따른 마이크로칩은 세포 및 마이크로비즈와 같은 미립자의 특성을 광학적으로, 전기적으로, 또는 자기적으로 분석하는 미립자 분석 기술에 적합하게 적용가능하다.
11 제1 도입 유로 (샘플액 도입 유로)
111 소통구
12 합류 유로
121 수축부
122, 123 테이퍼부
21, 22 제2 도입 유로 (시스액 도입 유로)
3 샘플액 공급구
4 시스액 공급구
5 토출구
a, b 기재
D 검출부
S 샘플 액층류
T 시스 액층류

Claims (34)

  1. 제1 도입 유로와,
    제1 도입 유로를 사이에 끼우도록 정렬되고, 각각 제1 도입 유로에 측방으로부터 합류하는 2개의 제2 도입 유로와,
    제1 도입 유로 및 제2 도입 유로에 연통하고, 이들의 유로로부터 송류되는 유체가 합류하여 관통하는 합류 유로가 형성되고,
    상기 합류 유로는,
    적어도 상기 제1 도입 유로와 상기 제2 도입 유로의 합류부에, 상기 제1 도입 유로 및 상기 제2 도입 유로를 포함하는 평면에 대하여 수직인 방향에 있어서 유로 깊이가 유체의 송류 방향을 따라 점차 감소하게 되고, 상기 제1 도입 유로에 대하여 상기 제2 도입 유로의 끼우는 방향에 있어서 유로 너비는 일정 또는 유체의 송류 방향을 따라 점차 감소하게 되는 테이퍼부가 설치되고,
    상기 테이퍼부의 송류 방향 하류에는, 유로 너비 및 유로 깊이가 송류 방향을 따라 점차 다시 감소하게 되는 수축부가 설치되고,
    상기 테이퍼부의 종점과 상기 수축부의 사이는 유로 너비 및 유로 깊이가 일정한, 마이크로칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테이퍼부는, 유로 깊이 방향에 있어서 테이퍼 각도가, 상기 제1 도입 유로로의 상기 제2 도입 유로의 합류 각도 또는 상기 합류 유로의 드로우(draw)각보다도 큰, 마이크로칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도입 유로의 유로 깊이는, 상기 제2 도입 유로의 유로 깊이보다도 작게 형성되고,
    상기 합류 유로로의 제1 도입 유로의 소통구는, 제2 도입 유로의 유로 깊이 방향의 중앙 위치에 설치되어 있는, 마이크로칩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 도입 유로의 유로 깊이는, 상기 제2 도입 유로의 유로 깊이보다도 작게 형성되고,
    상기 합류 유로로의 제1 도입 유로의 소통구는, 제2 도입 유로의 유로 깊이 방향의 중앙 위치에 설치되어 있는, 마이크로칩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 합류 유로로의 제1 도입 유로의 소통구는, 상기 제2 도입 유로의 각각의 유로 벽을 포함하는 영역에 개구되어 있는, 마이크로칩.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 합류 유로로의 제1 도입 유로의 소통구는, 상기 제2 도입 유로의 각각의 유로 벽을 포함하는 영역에 개구되어 있는, 마이크로칩.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 합류 유로로의 제1 도입 유로의 소통구는, 상기 제2 도입 유로의 각각의 유로 벽을 포함하는 영역에 개구되어 있는, 마이크로칩.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 테이퍼부의 기점이, 상기 소통구와 일치하는 위치 또는 상기 소통구보다도 상류측 또는 하류측에 설치되어 있는, 마이크로칩.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 테이퍼부의 기점이, 상기 소통구와 일치하는 위치 또는 상기 소통구보다도 상류측 또는 하류측에 설치되어 있는, 마이크로칩.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 마이크로칩이 탑재되고,
    상기 합류 유로의 상기 수축부의 하류에, 상기 제1 도입 유로로부터 송류되는 유체 중에 포함되는 미립자의 검출부가 구성되어 있는 미립자 분석 장치.
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KR1020127022176A 2010-03-01 2011-02-18 마이크로칩 및 미립자 분석 장치 KR101776974B1 (ko)

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