KR101788956B1 - 동축류에서의 관성 집중 현상을 이용한 입자 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따른 입자 분리 방법은, 복수 개의 분리된 주입구, 상기 복수의 주입구가 하나의 미세 채널로 합쳐지는 동축류(co-flow) 형성 관, 및 상기 동축류 형성 관과 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 칩이 제공되는 단계; 분리가 요구되는 다양한 크기의 입자를 포함하는 복수 개의 유체는 상기 주입구에 대응하는 개수로 제공되는 단계; 상기 각각의 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계; 상기 복수 개의 유체가 상기 주입구로 주입되는 단계; 상기 동축류 형성 관 내에서 상기 복수의 유체 사이의 경계면에 해당하는 속도 분포에 변곡점이 생성되는 단계; 및 상기 다양한 크기의 입자 중 일부의 입자는 상기 변곡점 주위로 분리되는 단계를 포함할 수 있다.

Description

동축류에서의 관성 집중 현상을 이용한 입자 분리 방법{A METHOD OF PARTICLE SEPERATION BY USING A PHENOMENON OF INTERTIAL FOCUSING IN CO-FLOW}
아래의 실시 예들은 동축류에서의 관성 집중 현상을 이용한 입자 분리 방법에 관한 것이다.
유세포분석기는 레이저를 기초로 한 전기적 탐지 기술로 유체 속에 흐르는 세포나 입자의 수를 1초당 수천 개의 속도로 세고 분류하는 생물물리학의 기술이다. 정확하고 연속적인 단일 세포 분석을 위해 많은 양의 sheath flow를 이용하여 세포를 일정하게 정렬시키는 방법을 사용하고 있다. 그리고 대표적인 분리 기술의 경우에는 크게 샘플의 밀도를 이용하는 원심분리(centrifuge)와 샘플의 물리적 크기를 이용하는 물리적 여과(physical filtration) 방식 등이 있다.
유세포분석기의 경우, 크게 세 개의 주요 부분으로써 유체, 광학, 데이터 처리(signal processing)로 나누어 진다. 유체 부분은 분석하려는 세포 및 입자가 분산되어 있는 유체를 빠르고 정확하게 흘려주는 요소로 샘플 용액의 유량보다 sheath fluid의 유량을 보다 크게 흘려주어 샘플 측정의 정확도를 높이게 된다. 유체의 역할로 샘플이 광학 장치 부분에 정확하게 도달하면 레이저를 통해 분석 물질의 특성 및 크기를 광학적으로 분석한다. 이렇게 얻은 데이터를 게이팅(gating, 분석하고자 하는 특정 세포 및 입자를 선택하는 작업)하여 원하는 입자분리 결과를 도출한다.
분리 기술 중, 원심분리는 용액 안에 분포하는 물질들의 밀도 차이를 원심력을 이용해 분리하는 기술이다. 물리적 여과는 일정한 크기의 구멍(pore)에 대해 투과성을 가지는 물질은 통과하고 이에 비해 크기가 큰 물질은 걸러지게 되는 체계를 가지는 기술이다. 유세포분석기의 경우 샘플 용액의 흐름을 세포 크기 단위의 좁은 영역으로 흘려주기 위해 상당히 큰 유량으로 급류(sheath fluid)를 흘려주게 되는데, 이로 인해 급류(sheath fluid)의 저장을 위한 큰 챔버(chamber)가 필요하게 되고 빠른 유속으로 인한 고르지 못한 유체의 흐름을 야기하게 된다.
원심분리는 모든 과정을 실험자가 직접적으로 처리해야 함에 있어서 노동 집약적이고 원심분리기를 다루기 위해서는 일정한 교육을 거쳐야 하는 복잡한 과정을 가지고 있다. 또한 물리적 여과는 노동 집약적임과 동시에 여과기(filter)의 막힘(clogging)때문에 지속적으로 여과기 교체를 행해야 해서 과정 측면에서 복잡하다. 그리고 두 기술 모두 분석하고자 하는 물질과 불순물과의 분리 효율이 높지 않다.
공개특허 제10-2001-0096022호는 원심력과 관성을 이용한 입자 분리 포집기를 개시하며, 혼합된 분리할 물질을 원심 회전시켜서 원심력이 작용하도록 하면 각각의 입자마다 비중 차이, 밀도 차이, 유속 차이, 회전력 차이등에 의하여 회전반경이 달라지며, 질량 크기 순으로 배열되어 진행할 수 있다.
일 실시예에 따라, 미세채널 내부에 점도가 다른 섞일 수 있는 두 유체를 동시에 흘려줌으로써 형성되는 동축류의 경계면(interface)에서의 입자 관성집중을 관찰하고자 한다.
또한, 흘려주는 유체의 점도나 속도를 조절하여 서로 다른 크기를 가지는 입자의 관성집중점(inertial focusing position)을 조절함으로써 유세포분석기 또는 진단 샘플의 전처리 과정 등에 응용하고자 한다.
일 실시예에 따른 입자 분리 방법은, 복수 개의 분리된 주입구, 상기 복수의 주입구가 하나의 미세 채널로 합쳐지는 동축류(co-flow) 형성 관, 및 상기 동축류 형성 관과 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 칩이 제공되는 단계; 분리가 요구되는 다양한 크기의 입자를 포함하는 복수 개의 유체는 상기 주입구에 대응하는 개수로 제공되는 단계; 상기 각각의 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계; 상기 복수 개의 유체가 상기 주입구로 주입되는 단계; 상기 동축류 형성 관 내에서 상기 복수의 유체 사이의 경계면에 해당하는 속도 분포에 변곡점이 생성되는 단계; 및 상기 다양한 크기의 입자 중 일부의 입자는 상기 변곡점 주위로 분리되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 다른 특성을 가지도록 제공되는 단계는, 상기 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체의 유량, 점도, 밀도 중 적어도 하나가 조절되는 단계를 포함할 수 있다. 일 측에 따르면, 상기 다른 특성을 가지도록 결정되는 단계는, 상기 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체의 레이놀즈 수를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 복수개의 유체가 제공되는 단계는, 상기 분리가 요구되는 입자의 크기는 5㎛ 내지 20㎛ 사이에서 결정되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 미세유체 칩이 제공되는 단계는, 상기 동축류 형성 관의 단면이 직사각형 형태로 결정되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 미세유체 칩이 제공되는 단계는, 상기 미세 체널들의 너비는 상기 상기 미세 체널들의 높이보다 크도록 결정되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주입구는 순서대로 배열되는 두 개 이상의 제1 주입구 내지 제n 주입구를 포함하고, 상기 복수 개의 유체는 상기 제1 주입구 내지 제n 주입구에 각각에 대응하는 복수 개의 제1 유체 내지 제n 유체를 포함하고, 상기 복수 개의 유체가 제공되는 단계는, 상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체에 상기 다양한 크기의 입자를 포함시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다른 특성을 가지도록 결정되는 단계는, 상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체의 유량을 조절하는 단계; 및 상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체의 온도를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 다른 특성을 가지도록 결정되는 단계는, 상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체는 나머지 유체들보다 2배 이상의 점도를 가지도록 선택되는 단계를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 분리되는 단계는, 상기 다양한 크기의 입자 중 크기가 작은 입자는 상기 변곡점 주위로 분리되는 단계; 및 상기 다양한 크기의 입자 중 크기가 큰 입자는 상기 동축류 형성 관의 중앙으로 집중되는 단계를 포함할 수 있다.
미세 채널 내부에 점도가 다른, 섞일 수 있는 두 유체를 동시에 흘려주면 동축류의 경계면(interface)에서의 변곡점 주변에서 입자 관성 집중되는 모습을 관찰할 수 있다.
또한, 흘려주는 유체의 점도나 속도를 조절하여 서로 다른 크기를 가지는 입자의 관성 집중점(inertial focusing position)을 변곡점 주위 또는 동축류 형성 관의 중앙으로 조절할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 미세 채널의 단면 모양에 따른 관성 집중점이 형성되는 모습을 도시한 개략도이다.
도 2은 관성 집중 현상의 원리를 나타낸 개략도이다.
도 3는 속도 분포에 따른 전단 변화도에 의한 관성력의 방향을 도시한 개략도이다.
도 4는 실시 예에 따른 입자 분리 방법의 진행 과정을 나타낸 순서도이다.
도 5은 유체의 경계면 사이를 에서 발생하는 관성 집중 현상을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 미세 채널의 개수 조절을 통한 변곡점 위치 및 개수 조절이 가능하다는 점을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실제 유체를 미세 채널에 주입하여 속도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8는 2개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내 10μm 입자의 관성집중 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내 10μm 입자의 관성집중 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 점성이 서로 다른 유체를 이용하여, 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내 15μm입자의 관성집중 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11는 유체의 점도 비율 변화에 따른 입자의 집중 경향 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12은 유체의 유속(유량)에 따른 집중점의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13는 유체의 유속(유량)에 따른 집중점의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14는 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내에서 유체의 온도에 따른 입자의 관성집중 경향을 나타낸 그래프이다.
도 15은 유체의 온도에 따른 집중점의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16은 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내에서 입자 크기에 따른 분리 결과를 나타낸 그래프이다.
도 17는 입자 크기에 따른 집중점이 달라지는 원인을 나타낸 그래프이다.
도 18은 입자 크기에 따른 집중점 위치를 나타낸 그래프이다.
도 19은 다분산된 PDMS 입자의 집중점 변화 경향을 나타낸 그래프이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 미세 채널의 단면 모양에 따른 관성 집중점이 형성되는 모습을 도시한다. 미세채널 내 한 종류로 구성된 유체의 흐름에 있어서는 관성집중이 미세채널의 단면 모양에 따라 결정된다. 단면의 모양이 정사각형인 경우 입자의 관성집중점은 각 벽면의 중앙에 위치하게 되고, 직사각형은 채널의 긴 면에 해당하는 벽면의 중앙에 위치하여 각각 4개, 2개의 관성집중점을 가진다. 이 밖에도 단면이 원인 경우엔 원 둘레를 따라 관성집중점이 형성되고 삼각형의 경우 각 벽면에 하나씩 위치하여 3개의 관성집중점이 나타난다.
도 2은 관성 집중 현상의 원리를 나타내고, 도 3는 속도 분포에 따른 전단 변화도에 의한 관성력의 방향을 나타낸다.
관성집중은 전단 변화도에 의한 관성력(shear-gradient lift force)과 벽과의 상호작용으로 인한 양력(wall-induced lift force)의 균형으로 입자가 평형점(equilibrium position)에 집중되는 현상을 의미한다. 이러한 양력(lift force)은 1970년대 Leal과 Ho의 이론에 근거하여 아래의 식으로 표현된다.
식 [1]-
Figure 112016002315642-pat00001
위의 식에서 V는 유체의 속도, s는 채널의 치수(dimension)을 나타낸다. 등식의 오른쪽에 있는 항들 중 왼쪽 항이 벽과의 상호작용으로 인한 양력에 해당하는 힘을 나타내고, 오른쪽 항이 전단 변화도에 의한 관성력을 정의한 항이다.
Figure 112016002315642-pat00002
는 채널 치수에 대해 속도의 1차 미분을 뜻하고
Figure 112016002315642-pat00003
는 채널 치수에 대해 속도의 2차 미분을 뜻한다. 즉, 채널 벽과의 거리가 일정 이상 떨어진 경우는 전단 변화도에 의한 관성력은 채널 치수에 대한 속도의 1차 미분과 2차 미분의 곱으로 근사가 가능하다는 것을 뜻한다. 이를 전단 변화도에 의한 관성 모양(shear-gradient lift shape)이라 정의한다.
도 2을 참고하면, 미세채널 내 일정 이상의 유속을 가지는 유체에 분산되어 있는 입자는 반대 방향의 두 양력(lift force)에 의해 이동한다. 하나는 전단 변화도에 의한 관성력(shear-gradient lift force)으로 채널 벽으로부터 생기는 전단 응력(shear stress)에 의해 형성되는 포물선 형태의 속도 분포 때문에 채널 치수에 대한 속도의 기울기가 큰 쪽으로 작용하는 힘이 만들어 진다. 즉, 미세채널의 벽 쪽으로 작용하는 양력이다. 다른 하나의 힘은 벽과의 상호작용으로 인한 양력(wall-induced lift force)로 전단 변화도에 의한 관성력으로 벽 쪽으로 이동한 입자와 벽 사이에 상대적으로 높은 압력이 생기고 이에 의해 미세채널의 중앙 방향으로 입자가 양력을 받게 된다. 이 두 힘의 균형으로 입자가 평형점(equilibrium position)으로 집중될 수 있다.
전단 변화도에 의한 관성력과 벽과의 상호작용으로 인한 양력의 균형으로 입자의 평형점이 형성된다는 기존 이론과 달리, 채널 단면의 모양, 즉, 속도 분포를 제어하게 되면 채널 벽과의 상호작용으로 인한 양력에 큰 영향을 받지 않는, 서로 반대 방향에서 한 지점으로 모이는 전단 변화도에 의한 관성력에 의해서만 힘이 집중되는 변곡점이 형성될 수 있다. 이 변곡점으로 향하는 힘으로 인해서 입자가 집중될 수 있다.
도 3의 상측에 배치된 도면과 그래프를 참고하면, 일반적인 직사각형 미세채널에서의 전단 변화도에 의한 관성력의 방향이 나타난다. 일반적인 직사각형 채널에 대해서는 속도 분포(velocity profile)가 포물선 형태로 한 쪽으로만 볼록하게 튀어나온 형태를 취하고 있어 채널 치수에 대한 속도의 첫 번째 미분과 두 번째 미분의 곱이 채널의 중심으로부터 하나의 부호로 나타내어 진다. 즉, 채널 중심에 대해서 한 쪽 방향(채널의 벽 쪽)으로만 전단 변화도에 의한 관성력이 작용한다는 것을 의미한다.
도 3의 하측에 배치된 도면과 그래프를 참고하면, 속도 분포가 한 쪽으로만 볼록한 포물선 형태가 아니고, 볼록한 방향이 서로 반대 방향으로 향하도록 교차된 속도 분포를 나타내고 있다. 이에 의해서 채널 치수에 대한 속도의 첫 번째 미분과 두 번째 미분의 곱의 부호가 특정 지점을 기준으로 반복적으로 교차하는 것을 볼 수 있다. 이러한 교차되는 방향성에 의해서 전단 변화도에 의한 관성력이 서로 반대되는 방향에서 한 지점으로 모이게 되고, 이 지점은 속도 분포의 변곡점(inflection point)에 해당한다.
도 4는 실시 예에 따른 입자 분리 방법의 진행 과정을 나타낸 순서도이다.
일 실시예에 따른 입자 분리 방법(100)은 속도 분포의 변화를 채널 단면의 변화가 아닌 점도가 다른 두 유체를 통해 도출하고 이로 인해 형성된 변곡점에 입자를 집중시키는 것에 관한 것이다. 섞일 수 있고 점도가 다른 두 유체를 단순한 직사각형 단면 모양의 미세채널에 동축류로 흘려주게 되면 두 유체 사이의 경계면에 해당하는 속도 분포에 변곡점이 생겨나게 되고 이 지점에 입자가 집중될 수 있다.
먼저, 복수개의 유체를 흐르게 하기 위한 미세유체 칩이 제공될 수 있다(110). 미세유체 칩은, 복수 개의 분리된 주입구, 복수의 주입구가 하나의 미세 채널로 합쳐지는 동축류(co-flow) 형성 관, 및 동축류 형성 관과 연결되는 배출구를 포함할 수 있다. 주입구는 입자 분리 조건에 따라 두 개 이상으로 제공될 수 있고, 배출구 또한 입자 분리 조건에 따라 두 개 이상으로 제공될 수 있다.
미세유체 칩이 제공되는 단계(110)에서, 동축류 형성 관의 단면은 직사각형 형태로 결정될 수 있고, 및 미세 체널의 너비는 미세 체널의 높이보다 크도록 결정될 수 있다.
다음으로, 분리가 요구되는 다양한 크기의 입자들은 포함하는 복수 개의 유체는 주입구에 대응하는 개수로 제공될 수 있다(120). 즉, 주입구가 두 개이면 두 종류의 유체가 제공되고, 주입구가 세 개이면 세 종류의 유체가 제공될 수 있다. 다만, 유체의 속도분포를 조절하기 위하여 복수의 유체는 각기 다른 종류가 될 수 있다.
분리가 요구되는 다양한 크기의 입자들은 복수 개의 유체 중 하나 이상의 유체에만 수용될 수 있고, 분리의 효율을 높이기 위하여 복수 개의 유체 중 중간 부분에 배치되는 유체에만 수용될 수 있다. 또한, 복수 개의 유체 중 하나 이상의 유체에 포함되는 입자의 크기는 5㎛ 이상의 미세 입자에 대해서는 모두 적용 가능하다.
다음으로, 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체는 하나의 유체와 다른 유체와 다른 특성을 가지도록 결정될 수 있다(130). 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체의 유량, 점도, 밀도 중 적어도 하나가 조절될 수 있다. 또한, 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체의 레이놀즈 수가 조절될 수 있으며, 레이놀즈 수는 유량, 점도, 밀도에 의하여 결정될 수 있다. 또한, 유체의 온도를 변화시키면 유체의 점도가 바뀌므로 온도를 조절하여 레이놀즈 수를 조절할 수 있다.
다음으로, 복수 개의 유체가 복수 개의 주입구로 각각 주입될 수 있다(140). 각 유체가 주입구에 주입될 때, 서로 동일한 유량 혹은 다른 유량을 가지도록 주입될 수 있다. 복수 개의 유체는 주입구를 지나서 동축류 형성 관으로 합쳐져서 하나의 유체 흐름을 형성할 수 있다.
다음으로, 복수 개의 유체가 동축류 형성 관 내에서 흘러가면서, 일정한 형태의 속도 분포를 형성하고, 복수의 유체 사이의 경계면에 인접한 부분의 속도 분포에 변곡점이 생성될 수 있다(150). 변곡점의 위치는 유체의 점도와 유량으로 결정될 수 있다.
다음으로, 다양한 크기의 입자들 중 일부의 입자는 변곡점 주위로 분리될 수 있다(160). 입자의 크기가 비교적 큰 경우 동축류 형성 관의 중앙 부근으로 배열될 수 있고, 입자의 크기가 비교적 작은 경우 변곡점 주위로 배열될 수 있다.
다음으로, 배출구를 통해 분리된 입자를 포함하는 유체가 빠져나갈 수 있다(170). 배출구를 빠져나가는 유체는, 서로 다른 종류의 유체가 섞인 형태가 될 수 있다. 배출구는 분리하고자 하는 입자의 크기에 따라 원하는 개수로 제공될 수 있고, 변곡점의 위치, 동축류 형성 관의 중앙 부근, 및 동축류 형성 관의 벽 부근에 배치될 수 있다.
2개의 변곡점을 형성하기 위한 실시 예는 아래와 같이 달성될 수 있다. 미세 유체 칩에서, 복수 개의 주입구는 제1 주입구, 제2 주입구, 및 제3 주입구를 포함하고, 복수 개의 유체는 제1 주입구를 통과하는 제1 유체, 제2 주입구를 통과하는 제2 유체, 및 제3 주입구를 통과하는 제3 유체를 포함할 수 있다.
복수 개의 유체 중 제2 유체에만 분리가 필요한 다양한 크기의 입자를 포함시킬 수 있다. 또한, 제2유체는 제1 및 제3 유체들보다 2배 이상의 점도를 가질 수 있다. 다양한 크기의 입자 중 크기가 작은 입자는 두 개의 변곡점 주위로 분리될 수 있고, 다양한 크기의 입자 중 크기가 큰 입자는 동축류 형성 관의 중앙으로 분리될 수 있다.
이렇게 형성된 변곡점에 집중되는 현상은 입자의 크기, 유체의 유량, 미세채널의 치수(dimension), 유체의 점도 및 온도 등 여러 변수에 의해 결정된다. 위의 조건들을 알맞게 조절하게 되면 서로 다른 크기를 가지는 입자를 다른 곳에 집중시키거나 같은 크기의 입자를 연속적으로 변곡점에 집중시켰다가 다시 미세채널의 중앙에 집중시키는 등 입자 분리를 할 수 있다. 또한, 입자를 한 지점으로 집중시킴과 동시에 서로 다른 크기를 가지는 입자를 다른 집중점으로 분리할 수 있어 유세포분석의 효율성을 높일 수 있는 방법으로 이용할 수 있다.
도 5은 두 개의 미세 채널 및 세 개의 미세 채널의 동축류를 나타내고, 도 6은 미세 채널의 개수 조절을 통한 변곡점 위치 및 개수 조절이 가능하다는 점을 나타낸다.
앞서 설명한 바와 같이, 성질 이 다른 유체가 합쳐지는 동축류를 이용할 경우 두 유체의 경계면(interface) 가까운 곳에 속도분포의 변곡점을 형성할 수 있으며 이를 이용하여 미세 입자를 변곡점에 집중시킬 수 있다.
도 5의 좌측에 배치된 도면과 같이, 점도가 다른 두 유체를 동축류로 흘려주게 되면 높은 점도의 유체(Liquid B)는 낮은 유속으로, 낮은 점도의 유체(Liquid A)는 높은 유속으로 채널 내에 흐르기 때문에 속도 차이가 발생하게 된다(그림 2). 이렇게 되면 일반적인 포물선 형태의 속도 분포가 형성되지 않고 하나의 변곡점을 가지는 속도 분포가 형성될 수 있다.
도 5의 우측에 배치된 도면과 같이, 점도가 다른 두 유체를 3개의 주입구를 통해 동축류로 흘려주게 되면 높은 점도의 유체(B)는 낮은 유속으로, 낮은 점도의 유체(A, C)는 높은 유속으로 채널 내에 흐르기 때문에 속도 차이가 발생하여, 두 개의 변곡점을 가지는 속도 분포가 형성될 수 있다.
관성 집중현상을 이용하기 위하여 채널 내에서 각각의 유체(A, B, C)는 Re(Reynolds number)가 1 보다 큰 조건으로 조절될 수 있다. 여기서 Re는
Figure 112016002315642-pat00004
로 표현된다. (
Figure 112016002315642-pat00005
미세 채널은 채널의 크기(D)가 작아서 Re가 1보다 아주 작은 스트크스 플로우(stokes flow) 영역에 속한다. 따라서 Re>1인 조건을 만족시키기 위하여 유체의 평균 속도(U) 값을 매우 크게 할 수 있다.
예를 들어 유체가 물이고 (ρ=1000 kg/m3, μ=10- 3 Pa*s), D가 100 μm인 경우 U는 값이 0.01 m/s 이상이어야 한다. 즉 한 변이 100 μm인 정사각형 채널에서 6 μL/min이상의 유속에서 관성집중의 이용이 가능하다. 관성집중력은 유속이 빠를수록 강하게 나타나므로 높은 유속을 유지하면 더 높은 효율로 미세입자를 집중할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 유체를 흘려주는 주입구의 개수를 조절하면 궁극적으로 변곡점의 개수를 조절할 수 있다. 도 5에서, μ1이 μ2보다 작을 때 (예, μ1이 1.00 cp(centipoise), μ2가 3.49 cp)인 조건에서 주입구의 개수를 2개, 3개, 5개 등으로 조절할 경우 유체속도 분포를 조절할 수 있으며 이에 따라 입자의 집중점도 각 동축류 간의 경계면으로 형성될 수 있다.
하나의 변곡점을 형성하기 위해서는 두 유체를 평행류로 흘려 주어 하나의 경계면만 형성하면 되므로 2개의 이상의 주입구가 있으면 되고, 두 개 이상의 변곡점을 형성하기 위해서는 3개 이상의 주입구가 필요하다.
도 7은 실제 유체를 미세 채널에 주입하여 속도 분포를 나타낸 그림 및 이를 현미경으로 촬영한 사진이다. 앞서 설명한 식[1]에 근거하여 속도 분포를 제어하면 단순한 직사각형 단면 모양의 미세채널에서도 통상적인 평형점이 아닌 채널 내 다른 곳에 관성집중점을 만들 수 있다.
일 실시예에 따른 미세유체 칩에 적용되는 직사각형 미세채널은 소프트 리소그래피(soft lithography) 과정을 통해서 제작될 수 있다. 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 몰드(mold)를 제작하고 위에 폴리디메틸실록산(PDMS)을 부어 일정 시간 경화시킨 후, 떼어낸다. 그리고 펀치(punch)를 통해 주입구(inlet)와 배출구(outlet)을 뚫고 플라즈마 처리를 통해 유리 기판과 접착하여 미세유체 칩을 만들 수 있다. 유체를 흘려주기 위한 수단으로 시린지 펌프(syringe pump)를 사용할 수 있고, 시린지 펌프는 일정한 압력으로 지속적으로 유체를 흘려줄 수 있다.
유체 속도 분포의 변곡점을 효율적으로 형성하기 위해서는 채널의 높이가 채널의 너비보다 낮은 채널로 구성되어야 한다. 일반적으로 낮은 종횡비 (low aspect ratio)를 가지는 직사각형 단면 모양 채널을 이용할 수 있다.
도 7(a) 물(water)과 물/글리세롤(glycerol) 혼합물을 동축류로 형성하는 것에 관한 실험이고, 도 7(b)는 순서대로 물(water), 물/글리세롤 혼합물, 및 물을 동축류로 형성한 것에 관한 실험 결과를 나타낸다. 글리세롤(glycerol)과 물과 같이 점도가 다르며 서로 섞일 수 있는 두 유체를 동축류로 흘려주어 일반적인 속도 분포와는 다른, 변곡점이 존재하는 속도 분포를 형성할 수 있다.
도 7(a)는 주입구가 2개인 미세 채널을 이용하고, 도 7(b)는 주입구가 3개인 미세 채널을 이용하며, 이 채널들의 치수는 너비가 90μm, 높이가 40 μm 와 같이 낮은 종회비로 구성될 수 있다.
물/글리세롤 혼합물의 점도 조절은 물과 글리세롤을 부피비로 일정하게 섞어서 조절할 수 있다. 물(water)과 물/글리세롤(glycerol) 혼합물의 점도가 다르기 때문에 도7의 아래쪽 그래프와 같이 직사각형 단면 모양의 미세 채널임에도 불구하고 너비 방향(x축)의 속도 분포가 변곡점을 가지는 구불구불한 형태를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 2개의 주입구 주입구로 이루어진 미세채널의 경우 하나의 변곡점이, 3개의 주입구로 이루어진 미세채널의 경우 두 개의 변곡점을 가지게 된다.
도 8는 2개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내 10μm 입자의 관성집중 결과를 나타낸 그래프이다. 도 9는 도 8(a)에 대한 실험 결과에 관한 것으로, 초고속카메라를 통해 모은 데이터를 매트랩 코드(MATLAB code)를 통해 분석한 그래프이다. 도 8(a)에 나타난 입자의 크기는 10 ㅅm다.
하나의 유체로 이루어진 흐름에서는 일 실시예에 쓰인 미세채널이 이용될 때, 위, 아래 벽 쪽에 총 2개의 집중점이 관찰되어야 한다. 그러나, 서로 다른 점성의 유체로 이루어진 흐름을 나타낸 경우에는 도 8(b)와 같이 입자들이 주로 물이 흐르는 벽 쪽, 또는 두 유체의 경계면을 따라 집중되는 것을 확인 할 수 있다.
도 8(c)는 시뮬레이션 계산 결과에 따른 전단 변화도에 의한 관성 모양과 입자의 분포를 채널의 너비에 대하여 그래프화하여 비교하였다. 전단 변화도에 의한 관성 모양의 경우, 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 점(속도 분포에서의 변곡점에 해당하는 지점)이 전단 변화도에 의한 관성력이 집중되는 곳으로 입자의 분포도와 잘 들어 맞는 것을 확인 할 수 있다. 물이 흐르는 벽 쪽에 입자가 분포하는 것은 일반적인 포물선 형태의 속도 분포에 따른 관성집중점으로 볼 수 있다.
도 9는 3개의 주입구을 가지는 미세채널로부터 형성된 동축류 내 10μm 입자의 관성집중 결과를 나타낸다. 도 8과 마찬가지로, 3개의 주입구를 가지는 미세채널에서도 비슷한 결과를 나타낸다.
도 9(a) 및 9(b)의 저 유량 (low flow rate) 부분을 참고하면, 낮은 유량으로 유체들을 흘려주었을 때는 입자들이 물이 흐르는 벽 쪽, 그리고 미세채널의 중앙에 분포하여 총 3개의 집중점이 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 도 10(a) 및 10(b)의 고 유량 (high flow rate) 부분을 참고하면, 점차 유량이 증가할수록 중앙에 위치했던 집중점이 유체 간의 경계면, 즉, 변곡점에 집중되는 것을 확인 할 수 있다.
이는 변곡점에 집중되는 현상이 유량, 즉, 레이놀즈 수에 의존한다는 것을 나타낸다. 낮은 유량에서는 변곡점 방향으로의 양력이 충분치 못하여 일반적인 직사각형 단면 모양의 미세채널의 집중점과 같이 미세채널의 중앙에 위치하게 되지만 일정 이상의 유량을 넘어서게 되면 변곡점 방향으로의 양력이 해당 크기의 입자에 대해 충분히 이동시킬 수 있을 정도로 커지게 되어 변곡점에 집중되게 되는 것이다.
도 10은 점성이 서로 다른 유체를 이용하여, 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내 15μm입자의 관성집중 결과를 나타내고, 점도에 따른 집중점 변화 경향을 나타낸다.
사용한 글리세롤/물 혼합물의 혼합비는 도 11의 좌측 그래프에 도시된 낮은 점도의 경우 1:2(글리세롤:물 부피비)이고 도 11의 우측 그래프에 도시된 높은 점도의 경우 1:1.2로 조절하였고, 각각 물 점도에 대해 약 3.5배, 6배에 해당하는 점도를 가진다.
상기 실험은 3개의 주입구로 이루어진 미세채널을 이용하였으며, 입자의 크기를 15μm로 조절하여 진행하였고 글리세롤/물 혼합물에만 입자가 분산되어 있다.
결과적으로 낮은 점도의 유체 흐름에서는 입자가 유량이 높아짐에도 변곡점에 집중되는 현상을 보이지 않고 미세채널의 중앙에만 위치하는 것으로 관찰되고, 높은 점도의 유체 흐름에서는 일정 유량 이상에서 변곡점에 주로 집중이 집중이 되는 현상이 관찰된다.
도 7 내지 10과 관련된 실험의 결과를 종합하면, 입자가 변곡점에 집중되는 현상은 입자의 크기에 의존하며 이는 상대적으로 작은 입자의 경우 일정 유량 이상일 때 변곡점 방향으로 작용하는 전단 변화도에 의한 관성력을 받기 충분히 작아 변곡점으로 집중이 되지만 큰 입자의 경우 유량이 높아짐에도 변곡점 방향의 전단 변화도에 의한 관성력을 받기에는 커서 변곡점으로 작용하는 힘이 입자에 의해 소거되어 변곡점에 집중되지 못하고 미세채널 중앙으로 입자가 집중된다.
또한, 변곡점에 집중되는 현상은 유체들 사이의 점도 차이에도 영향을 받는데 동축류 간의 점도 차이가 크면 클수록 변곡점 방향으로 작용하는 힘의 범위가 넓어져 큰 입자 또한 변곡점 방향으로의 관성력을 받을 수 있게 된다. 게다가 점도 차이가 많이 나면 높은 점도의 유체와 낮은 점도의 유체의 속도 차이가 커져 변곡점 방향 관성력의 절대값이 커져 집중이 더 잘되게 된다.
단순한 직사각형 단면 모양의 미세채널에서 점도가 다른 두 유체의 동축류를 통해 두 유체 사이의 변곡점(경계면)에 입자를 집중시킬 수 있고, 변곡점에 집중되는 현상은 입자의 크기, 두 유체 사이의 점도 차이, 유량 등에 의존하여 조건을 알맞게 제어하면 서로 다른 크기의 입자를 다른 집중점에 집중시킬 수 있다. 아래에서는 구체적으로 이를 조절하는 과정에 대하여 설명한다.
아래의 실험들은 모두 세 개의 주입구를 가지는 미세유체에 관련된 것이다. 전체적으로 참조번호 1로 소개되는 특징들은 세 개의 주입구 중 외측 두 개로 유입되는 유체를 의미하고, 참조번호 2로 소개되는 특징들은 세 개의 주입구 중 가운데 주입구로 유입되는 유체를 의미한다.
도 11는 유체의 점도 비율 변화에 따른 입자의 집중 경향 변화를 나타낸다. 흘려주는 유체의 점도를 제어하면 변곡점으로의 양력을 제어할 수 있다. 변곡점에 입자를 집중시키기 위해서는 유체들 사이의 점도 비율이 일정 이상 존재해야 한다.
입자의 크기에 따라 필요한 유체 사이의 점도 비율 또한 달라지게 되지만, 10 um 입자의 경우, μ21 이 2 이상일 때, 즉, 유체2의 점도가 유체1의 점도보다 2배 이상은 되어야 입자가 변곡점에 집중 될 수 있다. 점도를 제어하기 위한 방법은 직접적인 점도 제어 또는 온도 제어가 있다.
μ1과 μ2의 비율을 조절함으로써 입자에 적용되는 양력의 크기를 제어할 수 있다. 해당 채널 치수에서 μ2의 값을 3.49 cp에서 6.46 cp로 증가시켜 주면 유체 A와 유체 B의 속도 차가 커지게 된다. 속도 차가 커지게 되면 변곡점에 대해서 곡률(curvature)의 꺾이는 정도가 커져 변곡점으로의 양력의 크기가 커진다.
결과적으로 μ2의 값이 낮을 때는 변곡점에 집중되지 않던 입자가, μ2의 값이 증가하게 되면 커진 양력에 의해 변곡점에 집중이 되게 된다. 적용된 입자의 크기는 15μm이다.
도 12 및 13은 3개의 주입구를 가지는 미세채널 내 유체의 유속(유량)에 따른 집중점의 변화를 나타낸다. 적용된 입자의 크기는 10μm로 조절되었다. 도 13의 그래프에서, x축을 미세 채널의 너비에 따른 위치를 나타내고, y축은 세 개의 유체의 유량을 나타내고, z축은 측정된 입자의 표준화된 개수(normalized count)를 나타낸다.
전단 변화도에 의한 관성력은 유속에 비례하여 증가한다. 즉, 유속이 높아질수록 전단 변화도에 의한 관성력이 강해져 변곡점으로의 양력이 강해지게 된다. 앞에서 설명했듯이 유속이 낮을 때는 변곡점 방향으로의 양력이 충분치 않아 벽과의 상호작용으로 인한 양력에 의해 일반적인 직사각형 단면 모양의 미세채널의 집중점과 같이 미세채널의 중앙에 입자가 집중되게 되지만, 일정 이상의 유량을 넘어서게 되면 변곡점 방향으로의 양력이 해당 크기의 입자에 대해 충분히 이동시킬 수 있을 정도로 커지게 되어 변곡점에 집중되게 되는 것이다.
해당 채널 치수 조건과 μ1이 1.00 cp(centipoise), μ2가 3.49 cp인 세 개의 주입구 시스템(3-inlet system)에서 각 흐름의 유량이 약 40 μl/min을 넘어서게 되면 변곡점으로 향하는 양력의 크기가 상대적으로 더 커져서 변곡점으로 입자가 집중된다.
도 14는 3개의 주입구를 가지는 미세채널로부터 형성된 동축류 내에서 유체의 온도에 따른 입자의 관성집중 경향을 나타내고, 도 15는 유체의 온도에 따른 집중점의 변화를 나타낸다.
점도는 온도의 함수이므로 온도를 제어함으로써 유체의 속도 분포를 제어할 수 있다. 일반적으로 높은 점도를 가지는 유체는 온도에 따른 점도의 변화도가 커서 온도가 낮아지게 되면 점도가 다른 두 유체의 점도 차이가 커지게 된다. 앞서 설명했듯이 점도 차이가 커지게 되면 변곡점으로의 양력의 크기가 커지므로 궁극적으로 온도 변화를 통해 입자의 집중점을 제어할 수 있다.
도 14는 너비 95μm, 높이 43μm를 가지는 직사각형 단면 모양의 미세채널 내에 1:1.6(글리세롤:물 부피비)의 비로 섞은 글리세롤/물 혼합물과 물을 이용해 동축류를 형성하고 15μm 입자를 각각 45℃, 3℃로 설정된 시스템에서 흘려준 결과다.
점도는 온도에 민감하여 온도에 변화를 주면 그에 따라 점도 또한 변하게 된다. 1:1.6 비율의 글리세롤/물 혼합물의 경우, 45℃일 때 약 2.1cp의 점도를 가지고, 3℃일 때 약 8.9cp의 점도를 가진다. 물의 점도 또한 온도에 따라 변하는데 45℃일 때 약 0.6cp, 3℃일 때 약 1.6cp의 점도를 가진다.
결과적으로, 45℃일 때는 두 유체의 점도 차이가 약 3.55배만큼 나게 되고, 3℃일 때 약 5.51배만큼 차이가 난다. 이로 인해 변곡점에 힘이 작용하는 범위가 달라지고, 절대적인 관성력도 바뀌게 되어 같은 크기의 입자라 할지라도 일정 유량 이상에서 다른 집중 경향을 보이게 된다.
아래 표 1은 도 15의 결과를 나타내기 위한, 온도에 따른 유체의 점도 조건을 나타내고, 이때 입자의 크기는 15 μm로 조절하였다.
3℃ 45℃
유체 A (μ1) 1.6 cp 0.6 cp
유체 B (μ2) 8.9 cp 2.1 cp
Ratio 5.51 3.55
도 15에서, 낮은 온도에서는, 입자 집중점이 채널의 중앙에 형성되고, 상대적으로 높은 온도에서는 입자 집중점이 변곡점의 인접한 부분에 형성된다는 것을 확인할 수 있다.
도 16은 3개의 미세채널을 가지는 주입구로부터 형성된 동축류 내에서 미세 입자 크기에 따른 분리 결과를 나타낸다. 도 16(a)는 10μm 입자와 15μm 입자의, 도 16(b)는 10μm 입자와 20μm 입자를 분리한 결과를 초고속카메라 분석을 통해 나타낸 것이다.
미세 입자란 수 μm에서 수십 μm에 달하는 크기를 가지는 입자로 구 형태를 포함한 다양한 모양을 가질 수 있다. 예를 들어 상용으로 판매되고 있는 silica나 polymer 재질의 마이크로 입자나 동물 세포, 혈액세포 (적혈구 백혈구) 등이 포함된다. 집중이 가능한 입자의 크기는 약 3 μm 이상에서 적용가능하고 5 μm 이상의 크기를 가지는 입자에 대해서는 효율적으로 제어가 가능하다
실험 조건은 너비 95μm, 높이 43μm를 가지는 직사각형 단면 모양의 미세채널 내에 1:2(글리세롤:물 부피비)의 비로 섞은 글리세롤/물 혼합물과 물을 이용해 동축류를 형성하는 것이다. 이를 통해 10μm 입자와 15μm 입자를, 10μm 입자와 20μm 입자를 분리하는 것이 목적이다.
도 16(a)의 경우 90ul/min의 유량에서 약 83%의 15μm 입자가 변곡점에 위치하지 않고 대부분 미세채널의 중앙에 집중되어 이동한 것을 확인할 수 있다.
일반적인 미세유체 채널에서 입자의 크기가 커질수록 입자의 중심이 채널의 중심에 가까워 진다고 기존에 알려진 바 있으나, 일 실시예에 따른 입자 분리 방법을 실험한 결과에 따르면, 입자의 크기에 따라 완전히 다른 집중점을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 16(b)의 경우 같은 유량에서 약 91%의 20 μm 입자가 미세채널의 중앙에 집중되어 이동한 것을 확인할 수 있다. 20 μm에 비해 15 μm가 작아 변곡점 방향의 관성력을 20 μm에 비해 더 잘 받기 때문에 보다 낮은 확률로 입자가 미세채널 중앙에 집중된다. 유량이 큰 경우에 대해서는 초고속카메라 이미지에서 실제 경계선을 볼 수 있으며 분리되는 현상을 관찰할 수 있다.
도 17는 입자 크기에 따른 집중점이 달라지는 원인을 나타낸 그래프이고. 도 18는 입자 크기에 따른 집중점 위치를 나타낸 그래프이고, 도 19은 다분산된 PDMS 입자의 집중점 변화 경향을 나타낸 그래프이다.
도 18에 도시된 바와 같이 상대적으로 작은 10 μm 입자의 경우 변곡점에 집중이 된 반면, 상대적으로 큰 15 μm, 20 μm 입자의 경우 변곡점이 아닌 채널의 중앙에 집중이 된다. 기존의 미세 유체 채널에서 입자의 크기가 커질수록 입자의 중심이 채널의 중심에 가까워 지는 것과 달리, 일 실시예를 적용한 실험 결과에 따르면 입자의 크기에 따라 완전히 다른 집중점을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 17을 참고하면, 입자가 변곡점으로의 양력이 작용하는 영역에 들어가기 위해서는, 변곡점을 향한 서로 반대 방향의 양력을 느낄 수 있을 만큼 충분히 작아야 할 필요가 있다는 점을 알 수 있다.
즉, 10 μm 입자의 경우 크기가 충분히 작아 양력이 작용하는 영역에 포함되어 서로 반대 방향의 양력을 느껴 변곡점에 집중이 된다. 하지만 상대적으로 큰 15 μm, 20 μm 입자의 경우 양력이 작용하는 영역을 넘어서서 서로 반대방향에서 작용하는 양력을 느끼지 못하고 채널 벽과의 상호작용에 의한 양력에 의해 채널의 중앙으로 집중된다. 즉, 입자가 커서 속도 분포의 곡률을 평균화하여 느끼게 되는 것이다.
또한 입자에 의한 유체의 섞임 현상도 변곡점에 대한 집중 현상에 영향을 주는데, 입자가 크면 두 유체 간의 섞임 정도가 커져 변곡점이 불분명해지게 된다. 이로 인해 변곡점으로의 양력의 크기가 줄어드는 효과를 낳게 되지만 이는 앞선 이유보다는 큰 영향을 미치지 않을 것이다(μ1=1.00 cp,μ2=3.49 cp).
도 19를 참고하면, 입자 크기에 따른 집중 경향을 확인하기 위해 다분산된 PDMS 입자의 집중 경향을 해당 조건에 대해 확인하였다. 여기서, y축은 입자의 크기, x축은 채널 너비에서의 위치를 나타낸다.
입자의 크기가 13~14 μm보다 큰 경우 채널의 중앙에 집중이, 보다 작은 입자의 경우 변곡점에 집중되는 현상을 보인다. 그래프에서와 같이 채널의 중앙에 집중되는 크기와 변곡점에 집중되는 크기가 결정되는 경계 크기(cutoff size)는 여러 조건들을 바꾸면 조절 가능하다.
특히, 온-칩 히터(On-chip heater)를 통해 실시간으로 유체의 온도를 제어하거나, 주입구에서 두가지 액체를 섞어 점도를 조절하여 액체를 주입할 수 있는 설계를 하면 동축류의 속도분포를 실시간(real-time)으로 변화시킬수 있고 따라서 집중점 제어(focusing position control)도 실시간으로 가능하다.
이를 통해 서로 다른 크기의 입자를 완전히 다른 집중점에 집중시키는 것이 가능해지고, 집중점에 집중되는 입자의 크기 또한 실시간으로 조절이 가능해 진다. 배출구(outlet)를 3개로 나누어 중앙으로는 채널 중앙에 집중되는 입자가, 양쪽으로는 변곡점에 집중되는 입자를 모으게 되면 성공적인 입자 및 세포의 분리가 가능해지게 된다.
일 실시예에 따르면, 직사각형 단면 모양의 미세채널에서 섞일 수 있고 점도가 다른 두 유체의 동축류 경계면에 형성되는 집중점을 관찰하고 이 현상이 입자의 크기, 두 유체 사이의 점도 차이, 유량 등에 의존한다는 것을 확인하였다. 이를 이용해 입자가 집중되는 위치를 조절할 수 있음과 더불어 서로 다른 크기를 가지는 입자를 동시에 분리할 수 있다. 결과적으로, 원심분리나 물리적 여과 등의 샘플의 전처리 과정을 거치지 않고 미세유체칩 내부에서 자체적으로 입자 및 세포의 분리가 가능해지고, 동시에 분리한 입자 및 세포들을 집중점으로 이동시킬 수 있어 단순한 작동 원리임에도 불구하고 높은 효율을 가질 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 복수 개의 분리된 주입구, 상기 복수의 주입구가 하나의 미세 채널로 합쳐지는 동축류(co-flow) 형성 관, 및 상기 동축류 형성 관과 연결되는 배출구를 포함하는 미세유체 칩이 제공되는 단계;
    분리가 요구되는 다양한 크기의 입자를 포함하는 복수 개의 유체는 상기 주입구에 대응하는 개수로 제공되는 단계;
    상기 각각의 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계;
    상기 복수 개의 유체가 상기 주입구로 주입되는 단계;
    상기 동축류 형성 관 내에서 상기 복수의 유체 사이의 경계면에 해당하는 속도 분포에 변곡점이 생성되는 단계; 및
    상기 다양한 크기의 입자 중 일부의 입자는 상기 변곡점 주위로 분리되는 단계를 포함하고,
    상기 주입구는 순서대로 배열되는 두 개 이상의 제1 주입구 내지 제n 주입구를 포함하고,
    상기 복수 개의 유체는 상기 제1 주입구 내지 제n 주입구에 각각에 대응하는 복수 개의 제1 유체 내지 제n 유체를 포함하고,
    상기 복수 개의 유체가 제공되는 단계는,
    상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체에 상기 다양한 크기의 입자를 포함시키는 단계를 포함하고,
    상기 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계는,
    상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체의 유량을 조절하는 단계; 및
    상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체의 온도를 변화시키는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계는,기 복수 개의 유체들 중 적어도 하나의 유체의 유량, 점도, 온도 중적어도 하나가 조절되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 유체가 제공되는 단계는,
    상기 분리가 요구되는 입자의 크기는 5㎛ 이상에서 결정되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세유체 칩이 제공되는 단계는,
    상기 동축류 형성 관의 단면이 직사각형 형태로 결정되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세유체 칩이 제공되는 단계는,
    상기 미세 채널의 너비는 상기 미세 채널의 높이보다 크도록 결정되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 유체의 특성이 개별적으로 결정되는 단계는,
    상기 제1 유체 내지 제n 유체 중 적어도 하나의 유체는 나머지 유체들보다 2배 이상의 점도를 가지도록 선택되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분리되는 단계는,
    상기 다양한 크기의 입자 중 크기가 작은 입자는 상기 변곡점 주위로 분리되는 단계; 및
    상기 다양한 크기의 입자 중 크기가 큰 입자는 상기 동축류 형성 관의 중앙으로 집중되는 단계를 포함하는 입자 분리 방법.
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