KR101956265B1 - 마이크로 유체 장치의 액체 흐름 순서 제어 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예들은 제어된 방식으로 액체의 부피들 사이에 가스를 포집하고 해제함으로써 구동력에 대응하여 액체 흐름의 순서를 결정하는 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 특정한 일 예에서, 원심 "랩 온 어 디스크" 장치는 액체 흐름을 구동하도록 제공되고, 원심력에 의해 순서를 결정하게 되며, 특정한 일 예에서, 방사상 안쪽으로 굴곡진 도관이 액체의 부피들 사이에 가스를 포집하고 해제하는 것에 관련되어 사용된다.

Description

마이크로 유체 장치의 액체 흐름 순서 제어 {CONTROL OF LIQUID FLOW SEQUENCE ON MICROFLUIDIC DEVICE}

본 발명은 액체의 처리에 관한 것으로, 특히 "랩 온 어 디스크" 장치와 같은 마이크로 유체 장치에서 가스 포집에 의한 액체의 순서결정(sequencing)에 관한 것이나, 이에 한정되지 않는다.

액체의 순서결정은 회전하는 분석 시스템에서 중요한 기능이다. 표준 시스템은 예정된 영역에 액체의 순차적인 흐름을 순차적으로 실행하기 위해 밸브를 열도록 하는 능동 부재를 이용한다. 이러한 능동 밸브 구현의 예가 WO 2010084190호에 기술되어 있다. 그러나 회전하는 분석 시스템의 제조 및 사용을 단순화하기 위해 능동 부재의 사용을 배제하는 것이 바람직하다.

능동 부재를 사용하지 않고 액체의 순서결정을 수행하는 한 가지 방법은 일련의 모세관 사이펀을 사용하는 것을 포함하는데, 그 한 예가 WO 2008106782호에 나타나 있다. 하지만, 이 방법은 회전 순서에 각각의 새로운 액체가 추가될 때마다 회전 프로토콜에 하나의 새로운 유체 구조와 한 번의 정지를 추가하는 것이 필요함을 의미하기 때문에 상당히 복잡하게 된다.

따라서 능동 부재 없이, 그리고 순서결정될 액체의 수를 늘릴 때 구조 및 작동 기능의 증가를 유도하지 않고서 회전하는 분석 시스템에 단순화된 액체의 순서결정을 제공하는 것이 유리하다.

본 발명의 양상은 독립항에 기재되어 있다. 또한, 선택적인 특징은 종속항에 기재되어 있다.

일부 실시예에서, 액체를 처리하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 장치 내에 액체의 흐름을 만들도록 회전축 주위로 회전할 수 있다. 장치는 제1 액체 보유 구조 및 제2 액체 보유 구조, 제1 및 제2 액체 보유 구조에 액체를 공급하기 위한 상류 액체 처리 구조, 및 제1 액체 보유 구조로부터 액체를 받아들이는 하류 액체 처리 구조를 포함한다. 도관은 제1 체임버의 입구 포트에 제2 체임버의 출구 포트를 연결한다. 도관은 정상부를 향해 출구 포트의 방사상 안쪽으로 연장하며 정상부에서 입구 포트를 향해 방사상 바깥쪽으로 연장한 굴곡부를 포함한다. 이는 제1 및 제2 액체 보유 구조에서 나오는 각 유체 사이에서 가스가 굴곡부에 포집될 수 있게 하여, 포집된 가스가 제1 액체 보유 구조를 통해 배기될 때까지 액체가 제2 액체 보유 구조에 유지된 다음에, 액체가 제2 액체 보유 구조에서 제1 액체 보유 구조를 통해 하류 액체 처리 구조로 흐른다.

상식에 벗어나지만, 본 발명자들은, 액체 처리 구조의 일부에 가스를 포집함으로써, 액체의 흐름이 능동 부재 없이 그리고 복잡한 구조나 회전 프로토콜 특성 없이 효율적으로 순서결정될 수 있음을 인식하였다. 따라서, 각각의 순서결정된 액체를 위해 적절한 형상의 도관을 갖춘 단순화된 구조가 제공되는데, 더욱이 이는 장치가 일정한 회전 진동수로 회전되면서 액체가 순서결정될 수 있게 한다. 후자는, 일정한 회전 속도가 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있기 때문에, 하류 액체 처리 구조가 광학 기술에 의한 광학 검출 구조(예를 들어, 검출 구조에 고정된 항체와 시료의 항원 사이의 결합을 검출하는 것)를 포함한 시스템에서 유리하게 될 수 있다.

일부 실시예에서 장치는, 도관의 방사상 가장 안쪽 지점에 채워진, 도관과 제2 액체 보유 구조의 부피보다 작지 않은 액체의 임계량으로 제2 액체 보유 구조를 채우도록 배치될 수 있다. 따라서, 포집된 가스가 제1 액체 보유 구조를 통해 배기되었을 때, 원심력이 제2 액체 보유 구조에 인접한 도관 내에서 액체의 전면을 적어도 방사상 가장 안쪽 지점(제2 액체 보유 구조의 액위(液位)로 제한하는 경우에 일치하는)으로 밀어붙이는 경향이 있어 모세관 힘에서 생기는 소정의 추가적인 기여에 의해 사이펀 작용이 회전 진동수 동안 연달아 일어날 것이다.

액체의 양이 전술한 임계량을 초과하면, 도관과 제2 액체 보유 구조에서 임의의 수두(水頭)를 제거하려고 하는 원심력이 액체를 제2 액체 보유 구조로부터 도관의 방사상 가장 안쪽 지점을 가로질러 그리고 제2 액체 보유 구조 내 액위의 방사상 바깥쪽으로 밀어붙이는 경향이 있어 사이펀 작용이 모세관 힘의 지원 없이도 연달아 일어날 것이다.

한편, 액체의 양은 도관과 제2 액체 보유 구조가 낮은 수준으로 채워지도록 될 수 있는데, 그럼에도 불구하고 도관 내 모세관 힘은 액체가 도관의 방사상 가장 안쪽 지점을 가로지르기에 충분히 세게 되어 장치가 한계(cut-off) 진동수보다 작은 회전 진동수로 회전될 때 사이펀 작용이 연달아 일어날 수 있다. 이 경우에, 상응한 수두와 관련된 원심력이 모세관 힘에 의해 극복된다. 하나의 특정한 예에서, 한계 진동수는 초당 30 번으로 될 수 있다.

일부 실시예에서, 장치는 압력의 평형을 유지하도록 제1 및 제2 액체 보유 구조를 연결하는 배기 도관을 포함할 수 있다. 이는 각 액체 보유 구조를 위한 배기 회로에 연결할 필요 없이 두 액체 보유 구조 사이에 단순하고 직접적인 압력 평형 유지 연결을 제공한다.

일부 실시예에서, 장치는 제1 액체 보유 구조의 추가의 입구 포트를 제3 액체 보유 구조의 추가의 출구 포트에 연결하는 추가 도관을 구비하는데, 이 추가 도관은 추가의 입구 포트와 추가의 출구 포트의 방사상 안쪽으로 연장하는 추가의 굴곡부를 구비한다. 전술된 바와 같이, 이는 추가의 굴곡부에서 제1 및 제3 액체 보유 구조로부터 나오는 각각의 액체 사이에 가스가 포집될 수 있게 한다. 추가의 입구 포트는, 액체가 제1 액체 보유 구조를 통해 제2 액체 보유 구조로부터 흐르게 되면, 제3 액체 보유 구조에 액체를 보유하기 위해 입구 포트의 방사상 바깥쪽에 있다. 이러한 구조는 3 개의(그리고 임의의 개수로 확장하여) 액체가 제1 액체 보유 구조에 각 입구 포트를 적절히 배치함으로써 순서결정될 수 있게 한다. 마찬가지로, 순차적인 배치가 가능한데, 액체가 액체 보유 구조의 데이지 체인(a daisy chain) 사이의 도관 내 갇혀 있는 공기에 의해 유지되고, 데이지 체인의 다음 액체 보유 구조로 입력 지점이 배기될 때 데이지 체인에 있는 하나의 액체 보유 구조에 의해 전진하게 된다.

일부 실시예에서, 장치는 일정한 진동수로 회전되면서 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 순차적으로 이동시키도록 구성되어 있다. 전술된 바와 같이, 액체의 순서결정 동안 일정한 진동수로의 회전은 제어가 용이할 뿐만 아니라 장치에 통합된 광학 검출 기술의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 또한, 액체를 처리하는 데 필요한 가속 및 감속의 횟수가 감소함에 따라 장치의 기계적인 응력이 줄어들게 된다.

또한, 일부 실시예에서, 전술된 바와 같은 장치를 사용할 뿐만 아니라, 전술된 기능을 구현하기 위한 수단을 포함하는 액체 처리 시스템이 제공된다.

일부 실시예에서는 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 순차적으로 이동시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 및 제2 액체 보유 구조 사이의 도관 내에 가스를 포집하도록 제1 및 제2 액체 유지 구조를 액체로 채우는 단계를 포함한다. 또한, 이 방법은 액체가 제2 액체 보유 구조에 유지되면서 제1 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키고, 그 후에 도관으로부터 제1 액체 보유 구조를 통해 갇혀 있는 가스를 배기한 다음에, 제2 액체 보유 구조로부터 도관을 통해 제1 액체 보유 구조로 그리고 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 단계를 포함한다.

전술된 바와 같이, 실시예들은, 제3 액체 보유 구조가 액체로 채워지고 가스가 제1 및 제3 액체 보유 구조 사이의 추가 도관에 포집되어 전술된 바와 같은 제3 액체의 순서를 결정하는 방법을 추가로 포함한다. 또한, 액체는 방법의 단계들 동안 일정한 크기로 유지되는 일정한 구동력에 대응하여 전술된 모든 방법의 단계들에서 이동될 수 있다. 예를 들어, 구동력이 원심력인 경우에 장치는 일정한 회전 진동수로 회전될 것이다.

다음의 실시예들은 추가로 설명되고 임의의 다른 실시예와 조합될 수 있다.

1. 유체의 순서결정 체임버, 적어도 하나의 추가 유체 체임버 또는 채널, 순서결정 체임버로 제1 액체를 주입하여 부분적으로 체임버를 채우고 이렇게 하여 적어도 하나의 추가 유체 체임버 또는 채널에 가스를 포집하여 제1 액체가 순서결정 체임버를 부분적으로 비울 때까지 적어도 하나의 추가 유체 체임버 또는 채널에서 적어도 하나의 제2 액체의 흐름을 방지하고 적어도 하나의 추가 유체 체임버 또는 채널에 갇혀 있는 가스를 해제하는 수단, 및 제1 액체가 순서결정 체임버에서 비워진 후 적어도 하나의 추가 유체가 순차적으로 흐르도록 순서결정 체임버에서 액체의 흐름을 제어하는 수단을 포함하는 액체 흐름 순서결정 시스템.

2. 제1 액체를 주입하는 수단은 액체에 작용하는 원심력을 생성하는 수단을 포함하는 항목 1에 기재된 시스템.

3. 체임버는 액체의 순서를 결정하기 위한 두 표면 사이에 형성되고, 이들 표면은 1 mm 미만, 바람직하게는 0.5 mm 미만인, 항목 1 또는 항목 2 중 하나에 기재된 시스템.

4. 순서결정 체임버와 순서결정되는 다른 체임버 또는 채널을 연결하는 채널이 사이펀 모양인 항목 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 시스템.

5. 액체의 순서결정을 가능하게 하는 가스를 포집하도록 순서결정 체임버에 제1 원심력을 가하고, 다음으로 상류 회로에 있는 액체의 원심 분리 요소에 바람직하기로 제1 원심력과 동일한 제2 원심력을 가하며, 그 후에 하류 회로로 액체가 흐를 수 있도록 제1 및 제2 원심력과는 상이한 제3 원심력을 가하는 것을 포함하는 이전 항목들 중 하나에 따른 시스템.

6. 다수의 액체가 단일 또는 다수의 하류 회로로 순서가 결정되는 이전 항목들 중 하나에 따른 시스템.

7. 순서결정 체임버는 저장소 모양인 이전 항목들 중 하나에 따른 시스템.

8. 순서결정 체임버는 다른 채널들과 추가로 분기하는 연결부를 갖춘 채널의 모양인 이전 항목들 중 하나에 따른 시스템.

추가로 회전하는 유체공학적 장치가 기재되어 있는바, 이는 상류 회로와 하류 회로를 포함하는 유체공학적 네트워크와, 연결 채널들에 의해 적어도 2 개의 상류 체임버에 연결된 적어도 하나의 체임버를 포함하는 순서결정 구조를 포함하고, 회전에 의해 상류 회로로부터 순서결정 구조로 흐르는 액체 흐름이 적어도 하나의 연결 채널에서 가스의 포집을 생성하여, 제1 액체가 순서결정 구조로부터 하류 회로로 흐를 때까지 가스의 포집이 순서결정 구조 내로 적어도 하나의 상류 체임버의 액체가 흐르는 것을 방지한다.

용어 "수준(액위)"이 체임버 또는 다른 액체 수용 구조와 관련하여 사용될 때, 중력 하에 액체로 채워진 체임버에서 관찰되는 것과 같이 이는 반드시 곧은 수준을 언급하지 않으며, 액체 수용 구조 내에서 명확히 정의된 양의 액체에 대응되는 한, 상기 용어는 액체에 작용하는 원심력에 의해 또는 표면 장력 효과에 의해 만곡될 수 있는 만곡된 수준을 포함한다. "수준"은 액체 수용 체임버에 한정되는 것이 아니고, 오히려 예를 들면 회전 중심에 대한 기하학적인 궤적을 정의한다.

오해를 피하기 위해, 용어 "마이크로 유체"는 1 mm 이하의 적어도 1차원을 가진 저장소 또는 채널과 같은 유체공학적 부재를 갖춘 장치를 의미하는 것으로 본 명세서에서 언급된다. 장치는 원반 모양으로 될 필요가 없으며, 사실상 회전축은 장치 자체에 구비될 필요가 없고, 장치는 장치 자체가 아니라 회전축 주위로 회전시키는 로터에 위치되도록 배치될 수 있다.

특정 실시예에 대한 설명이 도면을 참조하여 예시되고 도시됨으로써 이루어지는데, 이에 한정되지 않는다.
도 1a ~ 도 1i는 액체 순서결정 기구의 구현을 개략적으로 도시한다.
도 2는 원반 모양의 카트리지에 일체로 된 액체 순서결정 기구의 구현을 나타낸다.
도 3은 해당 구동 시스템을 보여준다.

도 1a를 참조하면, 액체를 처리하는 회전장치는, 이 장치가 축(10) 주위로 회전할 때 원심력에 따라 각각의 도관(51, 52)을 통해 제1 체임버(31) 및 제2 체임버(32)에 액체를 공급하는 상류 액체 처리 구조(21)를 구비한다. 제1 체임버(31)와 제2 체임버(32)는, 정상부를 향해 방사상 안쪽으로 그리고 정상부로부터 방사상 바깥쪽으로 연장한 굴곡부를 갖춘 도관(41)에 의해 연결되어 있다. 도관(41)은 제1 체임버(31)의 입구에 제2 체임버(32)의 출구를 연결한다. 제1 체임버(31)와 제2 체임버(32)가 채워질 때 도관(41)의 굴곡부는 가스가 굴곡부 내에 포집될 수 있게 하여, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 가스가 제1 체임버(31)를 통해 배기될 때까지 액체가 제2 체임버(32) 내에 유지된다. 제1 체임버(31)는 도관(53)에 의해 하류 액체 처리 구조(22)에 연결된다. 실제로, 체임버들(31, 32) 각각은 도관(41)의 각 부분과 연통하는 용기로 작용한다. 그 결과, 실질적으로 연통하는 용기들의 시스템은 각 세트의 연통하는 용기들 사이에 갇힌 가스 매체를 통해 상호작용하게 된다.

체임버들(31, 32) 내에서 액체의 순차적인 흐름의 원리가 도 1b 내지 도 1i를 참조로 해서 이제 설명되는데, 도 1b는 상류 액체 처리 구조(21)가 액체(61)를 수용하는 초기 상태를 보여주고 있다.

도 1c를 참조하면 축(10) 주위로 장치가 회전할 때, 제1 및 제2 체임버(31, 32)가 상류 액체 처리 구조(21)에서 흐르는 액체(61)로 채워져 체임버들(31, 32) 내에 소정 부피의 액체(62, 63)를 제공하게 된다. 이 단계에서, 액체(62)가 이에 작용하는 원심력에 의해 하류 액체 처리 구조(22)에 유입되기 시작할 수도 있다.

장치는, 제1 체임버(31) 및 제2 체임버(32)가 채워질 때 가스(71)가 제1 체임버(31)와 제2 체임버(32)를 연결하는 도관(41)의 굴곡부에 포집되도록 배치되어 있다. 이를 위해 각각의 유량은 그에 따라 조정된다.

제1 및 제2 체임버(31, 32)로의 유량은 원심력으로 유도된 압력과 유체역학적인 흐름 저항에 따라 달라진다. 원심력으로 유도된 압력은 장치의 회전 속도, 액체의 밀도 및 액체(61)의 액주(液柱)가 갖는 질량 중심의 방사상 거리에 의존한다. 출구 채널의 유체역학적인 흐름 저항은 도관들(51, 52)의 표면 특성과 기하학적 구조 및 액체(61)의 점성에 의존한다. 체임버들(31, 32) 밖으로의 유량은 이들 체임버의 액위(液位)와, 도관들(41, 53)의 표면 특성과 기하학적 구조에 대한 비슷한 의존성을 가지고 있다. 이러한 요인들을 조절함으로써, 유량은 제1 체임버(31) 및 제2 체임버(32)를 채울 수 있도록 제어되어, 액체(62, 63)가 양쪽에서 도관(41) 내로 흐를 때 가스(71)를 도관(41) 안에 포집할 수 있다.

체임버들(31, 32) 및 도관(41)은 링크된 세트의 연통하는 용기들로 작용하기 때문에, 도관(41)에 있는 굴곡부의 양쪽에 작용하는 힘들에 균형을 필요로 한다. 모세관 힘/압력, 원심력/압력, 도관(41) 내 가스(71)의 압력이 액체들(62, 63)에 가해지는 힘들에 기여하고 있다.

모세관 힘은, 도관(41)과 만나는 체임버들(31, 32)과 도관의 크기, 기하학적 구조 및 표면 특성에 의존하고, 도관(41)에 액체를 유도하는 경향이 있다. 액체가 도관(41) 내로 유도될 때, 도관(41) 내 가스(71)의 부피가 상응하게 감소함으로 인해 압력이 증가하여 액체가 반대 방향에서 도관(41)의 밖으로 유도되게 가해진다. 굴곡부의 양쪽에서 액체가 경험한 원심 압력은 굴곡부 양쪽의 수두(水頭: 각 체임버(31, 32)와 도관(41)의 대응하는 다리부에서 액주의 방사상 높이의 차이)에 의존한다. 원심 압력이 수두를 줄이는 경향이 있으므로, 각 액위에 따라 도관(41)의 안으로 또는 밖으로 액체를 밀어붙일 수 있다.

도 1c에 도시된 상태에서, 체임버들(31, 32)은 액위가 체임버들(31, 32) 및 도관(41)의 모든 부분에서 동일하게 되는 시점까지 계속 채우게 된다. 이는 모세관 힘에 의한 압력과 가스(71)의 압력이 균형을 이루어 원심력이 도관(41)의 굴곡부 양쪽에서 각 수두가 영(zero)이 되도록 구동하는 특정 순간에 해당한다. 이것은 충전 과정의 스냅샷(snapshot)이고, 실제로는 두 체임버들은 유량 및 체임버의 기하학적 구조에 따라 동일한 속도 및 동일한 수준으로 채워지지 않을 수 있다.

도 1d를 참조하면, 제1 체임버(31) 및 제2 체임버(32)가 더 채워질 때 도관(41)의 굴곡부 양쪽에서 도관(41) 내 액체(62, 63)의 액위는 제1 체임버(31) 및 제2 체임버(32) 내 액체(62, 63)의 액위보다 아래에 있다. 이 상태에서, 갇힌 가스(71)의 압력은 굴곡부 양쪽에서 수두의 균형을 맞추게 되고, 그 결과로 굴곡부 양쪽에서의 수두(체임버들(31, 32)의 절대 액위라 하기보다는 각 체임버(31, 32)에서의 액위와 도관(41)에 있는 굴곡부의 대응되는 쪽의 액위 사이의 차이)는 동일하다. 카트리지가 그 회전 속도가 변화되거나 중지된 경우에도, 액체(63)는 도관(41) 내에 갇혀 있는 가스(71)에 의해 제2 체임버(32)에 유지될 수 있다.

도 1e를 참조하면, 제1 체임버(31) 내 액체(62)가 도관(53)을 통해 하류 액체 처리 구조(22)로 비워질 때, 제1 체임버(31) 내 액체(62)의 액위는 낮아지고, 액체(62)의 수두(제1 체임버(31)와 도관(41) 사이의)는 떨어진다. 도관(41)의 일측에서 줄어든 이 수두는 도관(41)의 반대편에서 액체(63)의 수두도 줄어들게 한다. 이는 굴곡부 양쪽에서의 수두가 갇힌 가스(71)의 동일한 압력과 균형을 맞추어 동일하게 되어야 하기 때문이다. 제2 체임버(32)와 관련된 수두를 줄이기 위해, 제2 체임버(32)로부터 나오는 액체(63)가 도관(41) 내로 그리고 도관의 굴곡부를 향해 흐르게 된다. 이것이 일어날 때, 제2 체임버(32) 내 액체(63)의 액위는, 액체(63)의 수두가 다시 액체(62)의 수두로 균형이 맞추어질 때까지 낮아지게 된다.

도 1f를 참조하면 액체(62)가 제1 체임버(31)에서 비워지게 됨에 따라 가스(71)는 제1 체임버(31)를 통해 배기되어 액체(63)와 관련된 수두와 균형을 잡기 위한 압력이 없게 된다. 도 1f는 액체(63)의 부피가 도관(41)의 방사상 가장 안쪽 지점에 대응하는 수준으로 도관(41)과 제2 체임버(32)를 채우는 정도인 특정한 상태를 나타내고 있다. 그러나 모세관 힘이 액체(63)를 도관(41) 내로 빨아들이는 경향이 있다. 더구나, 제1 체임버(31)에 인접한 쪽에서 도관(41)에 남아있는 액체는 도관의 밖으로 흐를 때 가스(71)에 부압을 가하여서, 액체(63)를 더욱 도관(41) 속으로 빨아들이게 된다. 액체(63)가 제2 체임버(32) 내 액위의 방사상 바깥쪽 위치로 도관(41) 내에서 전진하자마자, 아래에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 원심력이 액체(63)를 제1 체임버(31)로 빨아올리도록 작용하게 될 것이다.

전술된 바와 같이 이상적인 조건하에서, 액체(63)의 부피는 도관(41)의 방사상 가장 안쪽 지점에 대응하는 수준으로 제2 체임버(32) 및 도관(41)을 채우게 될 때, 제2 체임버(32)를 제1 체임버(31) 쪽으로 비우게 되는 사이펀 작용이 액체(62)에 의한 임의의 잔류 부압과 모세관 작용으로 인하여 임의의 회전 진동수에서 뒤따라 일어나게 될 것이다. 실제로 액체(63)의 양이 이 임계값을 초과하여 증가됨으로써, 액체(63)의 수두가 도관(41)의 방사상 가장 안쪽 지점을 가로질러 액체(63)를 "푸시(Push)"하여 사이펀 작용을 일으키게 될 것이기 때문에, 임의의 회전 진동수에서의 비워냄은 정확한 부피 측정에 의존하지 않고서도 확보될 수 있다.

액체(63)의 부피가 이 임계값보다 다소 미만인 경우에도, 도관(41)이 제1 체임버(31) 내 액체(63)의 액위를 넘어 도관(41)의 수두와 관련된 원심 압력을 극복하도록 설계된 크기, 기하학적 구조 및 표면 특성을 갖는다면 사이펀 체제가 여전히 달성 가능하다. 하지만, 모세관 힘은 상대적으로 훨씬 낮은 회전 진동수에서 임의의 인정될 수 있는 수두에 작용하는 원심력에 비해 일반적으로 작기 때문에, 액체(63)를 비우는 사이펀은 회전의 임계 진동수까지만 달성될 수 있다.

한편으로, 액체(63)의 부피가 충전 후 초기 수두가 액체(62)의 수두로 균형이 맞추어질 수 있는 것보다 커지게 되면, 액체(63)는 전술된 순서결정 작용을 무력화시키는 순간 전에 도관(41)을 가로질러 밀어 붙여질 수 있다. 특히, 제2 체임버(32)와 도관(41)의 대응하는 다리부가 임계 부피보다 큰 부피로 채워져 있기 때문에, 일단 액체(63)가 도관(41)의 방사상 가장 안쪽 지점까지 전진하게 되면 잔류 수두가 있게 되는데, 제1 체임버(31)로의 액체(63) 흐름이 지체되게 되면 가스(71)의 압력과 이에 따른 액체(62)의 수두로 균형이 맞추어질 필요가 있다. 이는 이러한 조건 하에서 액체(62)의 수두가 영(zero)이 되기 전, 즉 완전히 비워지기 전에 액체(63)가 제1 체임버(31)로 흐를 수 있음을 의미한다. 순서결정이 성공적인 것으로 간주되기 위해 얼마나 많은 액체(63)의 잔류 수두(및 이에 따른 액체(62)의 잔류 수두)가 허용가능한지는, 회전 속도와 함께 제1 체임버(31)로의 액체(63) 유량을 결정하는 도관의 기하학적 구조 및 표면특성, 갇혀 있는 가스의 양(및 이에 따라 액체(63)가 제1 체임버(31) 쪽으로 흐르기 시작할 때 도관(41) 내 액체들(62, 63) 사이의 거리), 액체들(62, 63)의 혼합가능성 정도, 및 주어진 용도를 위해 허용되는 하류 액체 처리 구조(22)로의 액체(62) 흐름의 끝에서 액체들(62, 63) 사이의 오버랩되는 양 또는 혼합되는 양을 포함하는 다수의 요인에 의존한다.

따라서 장치가 액체의 순서결정을 위해 전술된 바와 같이 기능하는 제1 체임버(31) 및 도관(41) 내 액체(63)에 대한 부피의 범위가 있다는 것을 알 수 있다. 대략 임계값의 부피를 갖는 액체(63)가 도관(41)을 가로질러 밀어 붙여져, 불리한 수두를 극복하기 위해 충분한 모세관 힘에 의해 또는 적당한 크기의 수두에 의해 사이펀 작용을 가능하게 한다. 하지만, 임계 부피 아래로 너무 멀리 떨어진 부피에 대해서는, 액체(63)의 불리한 수두가 모세관 힘에 의해 극복될 수 없거나, 출구에서 너무 크게 되는 수두가 너무 이른 사이펀을 야기할 수 있다. 임계 부피와 부피 변화에 대한 민감도는 당업자에게 쉽고 명백한 방식으로 장치의 여러 부분의 형태(크기, 기하학적 구조 및 표면 특성)와 초기 부피에 의존하게 될 것이다.

마찬가지로, 전술된 도면들은 주요 상호작용을 더욱 개략적으로 나타낸 것으로서, 체임버들(31, 32)이 완전히 채워진 가스(71)의 압축 상태로부터 가둬두는 수두가 제1 체임버(31)를 비우는 동안 감소함에 따라 그 압력이 낮아질 때 가스의 팽창과 같은 2차적인 효과를 무시하고 있다. 이 팽창으로 인하여, 가스의 기포가, 전술한 순서결정의 작동에 영향을 주지 않고서, 가스의 압력과 수두의 새로운 평형에 도달할 때까지 제1 체임버(31)를 완전히 비우기 전 도관(41)을 빠져나올 수 있다.

도 1g를 참조하면, 제2 체임버(32)의 액위를 넘어 방사상으로 도관(41) 내를 전진하는 액체(63)에 뒤이어, 사이펀 작용은 액체(63)로 채워지기 시작하는 제1 체임버(31) 내로 액체를 빨아들인다. 제1 체임버(31)가 액체(63)로 채워짐에 따라, 액체(63)는 하류 액체 처리 구조(22)에 순차적으로 분배하기 위해 도관(53)을 통해 액체(62)를 따라가기 시작하게 될 것이다.

도 1h를 참조하면, 체임버들(31, 32)은 이제 중간의 가스 부피 없이 동일한 액체(63)로 채워지고, 이에 따라 원심력에 의해 평형을 이루는 체임버들(31, 32) 내 액위와 연통하는 용기들로 작용한다. 액체(63)가 도관(53)을 통해 지속적으로 비워지게 됨에 따라 양쪽 체임버들(31, 32) 내 액위는 도 1i에 도시된 바와 같이 이들(제1 체임버를 향한 포트가 도관(41)의 방사상 가장 바깥쪽 지점에 있다면 도관(41)을 포함하여)이 완전히 비워질 때까지 줄어든다.

전술한 설명은 개략적으로 도시된 하나의 구체적인 실시예이며, 많은 변형이 가능함을 알 수 있다. 예를 들어, 상류 액체 처리 구조(21)는 단일한 액체(61)로 채워질 필요가 없으며, 상이한 체임버들, 저장소들 또는 채널들로 구성될 수 있다. 일례로 상류 액체 처리 구조는 각각 다른 성질의 특정한 액체(예컨대 완충액 및 희석된 혈장, 또는 임의의 다른 액체 등)를 가진 2 개의 상류 체임버를 구비하는데, 각 체임버는 각각 도관들(51, 52)에 의해 순서결정 구조에 별도로 연결된다. 이 구조는 2개의 상이한 액체의 순차적인 흐름 패턴(위의 예에서, 먼저 완충액 다음에 희석된 혈장 또는 임의의 다른 액체의 순차적인 흐름)을 생성한다.

일부 실시예에서는 체임버들(31, 32) 중 하나를 생략한다. 구체적으로, 일 실시예에서 도관(41)은 직접 제1 체임버(31)를 상류 회로(21)에 직접 연결하여, 제2 체임버(32)와 도관(52)을 필요로 하지 않는다. 이 경우에, 주요 요구조건은, 제1 체임버(31)로의 액체(62) 유량이 상류 회로(21)에서부터 도관(41)으로 나오는 액체(61)의 흐름보다 충분히 크게 되어서 전술된 바와 같이 소정량의 가스(71)가 도관(41) 내에 포집되게 하는 것이다. 이러한 후자의 경우에 유량의 유형에 의해, 도관(41)의 일부가 갇힌 가스(71)로 채워지게 되고, 이에 따라 제1 체임버(31)를 채우는 액체(62)와 상류 회로(21)로부터 나오는 액체(61)의 순서결정이 이루어질 수 있다.

전술된 유량의 제어는, 채널의 단면이 유체압 저항에 대해 반비례하여 관계되기 때문에 상이한 단면을 갖도록 채널들을 설계함으로써 쉽게 이루어질 수 있다. 선택적으로, 유량은 방사상 위치에서의 유량 의존성에 따라 상이한 반경에 채널들을 배치함으로써 제어될 수 있다.

일부 실시예에서, 전술된 체임버들은 상응한 채널들로 대체되는데, 이들 채널은 전술된 효과를 이용하기 위해 정해진 위치에 배치된다.

액체들(62, 63)을 도관(41)으로 이동시킴으로써 갇힌 가스(71)가 압축되기 때문에, 갇힌 가스(71)는 체임버들(31, 32) 내 압력(예를 들면, 대기압)보다 높은 압력을 가질 수 있게 되는 것이다.

일부 실시예에서 둘 이상의 액체가 순서결정된다. 여러 순차적인 흐름의 한 예는 도관(41)과 비슷한 성질의 여러 채널을 사용하여 구성되는데, 이들 채널은 병렬로(하나로 이어지면서 채널 또는 체임버와 같은 동일한 유체공학적 구조를 가진) 또는 직렬로(채널이 임의의 유체공학적 구조에 연결되고 차례로 다른 채널 등에 연결되는) 배치된다. 많은 수의 순차적인 흐름을 성취하기 위해 직렬 및 병렬 배치 의 조합도 예상된다.

상류 및 하류 액체 처리 구조(21, 22)는 임의의 유형의 액체 처리 구조들, 즉 분취유닛, 혼합유닛, 입자분리유닛, 검출구조 또는 임의의 유형의 유체공학적 기능의 구조를 포함할 수 있다.

특히, 전술된 실시예는 장치의 회전 속도를 변경하지 않고서 순차적인 흐름을 실행하는 데에 사용될 수 있다. 이는 기계적인 안정성 및 신호 취득 안정성이 매우 중요한 많은 검출 용도에 유리하게 될 수 있다.

도 2를 참조하면, 특정한 일 실시예가 이제 기술되는데, 이는 4 개의 액체 흐름이 순서결정될 수 있다. 원반 형태의 카트리지(100)는 회전축(110), 내부 윤곽선(120) 및 외부 윤곽선(130)을 갖춘다. 카트리지는 특정한 회전 프로토콜로 적당히 작동될 때 분석 기능을 수행하도록 설계된 다양한 액체 처리 구조를 포함한다.

카트리지(100)는 도 2에 도시되지 않은 상류 액체 처리 구조를 포함하는데, 이는 도관들(310, 340, 330)에 의해 각각 체임버들(210, 230, 220)에 연결된다. 또한, 도관(320)도 체임버(210)에다 상류 액체 처리 구조(들)를 연결한다. 액체 처리 구조는 분취구조(예컨대 도관들(310, 320, 330, 340)에 임의의 액체를 공급하는), 혼합구조, 혈장분리구조, 계량구조 등을 포함할 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다. 일련의 상이한 유체공학적 기능이 여기에 기재된 유체의 순서결정 기능에 앞서 이행될 수 있다.

미리 정해진 회전 프로토콜의 어느 시점에서, 액체는 기술된 것처럼 상류 액체 처리 구조에서 체임버들(210, 220, 230) 쪽으로 도관들(310, 320, 330, 340) 내에서 흐르기 시작한다.

제1 액체를 위한 제1 액체 유로는, 하류 액체 처리 구조로 이어지는 출구 도관(510)을 갖춘 체임버(210)로 공급하는 도관(310)을 포함한다. 도 2에 도시된 특정한 실시예에서, 하류 액체 처리 구조는 출구 도관(510)으로부터 공급되고 차례로 도관(520)에 의해 폐기 체임버(240)에 연결되는 검출 체임버(250)를 포함한다. 그러나 여기에 기재된 실시예들은 하류 액체 처리 구조의 특정한 배치에 한정되는 것은 아니다. 오히려 설명된 순서결정 기구는 순서결정된 액체가 공급되는 하류 액체 처리 구조에 상관없이 적용될 수 있으며, 다른 하류 액체 처리 구조가 당면한 용도에 따라 쉽게 사용되게 된다.

제2 액체를 위한 제2 액체 유로는 체임버(230)로 공급하는 도관(340)을 포함하고, 차례로 제2 액체 유로가 전술된 제1 액체 유로와 일치하는 위치에서 도관(430)에 의해 체임버(210)에 연결된다. 도관(430)은 전술된 도관(41)과 유사한 방사상 안쪽의 굴곡부로 구성되어 있어, 전술된 바와 같이 체임버(230)에서 체임버(210)로 흐르는 액체 흐름의 순서를 결정한다.

제3 액체를 위한 제3 액체 유로는 체임버(220)로 공급하는 도관(330)을 포함하고, 차례로 도관(420)에 의해 체임버(210)에 연결된다. 도관(420)은 전술된 도관(41)과 유사하게 배치되어, 체임버(220)에서 체임버(210)로 흐르는 흐름의 순서를 결정한다. 체임버(210)로부터, 제3 액체 유로는 도관(510)을 통해 그리고 하류로 계속 제1 및 제2 액체 유로들과 일치하고 있다.

제4 액체를 위한 제4 액체 유로는 체임버(210)에 공급하는 도관(320)을 포함하고, 이로부터 제4 액체 유로는 도관(510)을 통해 그리고 하류로 계속 제3, 제2 및 제1 액체 유로들과 일치한다. 도관(320)은 상류 액체 처리 구조에서 직접 공급되고, 전술된 도관(41)과 유사한 방사상 안쪽의 굴곡부로 배치되어 상류 액체 처리 구조의 관련 부분에서 체임버(210)로 흐르는 액체의 순서를 결정한다.

카트리지(100)는, 체임버(210; 도관(310, 320, 420, 430)으로부터)로의 유입 속도가 관련된 도관들의 기하학적 크기 또는 표면 특성을 적절히 설계하여 도관(510)을 통해 체임버(210)로부터의 유출 속도보다 커지도록 배치된다. 그 결과, 액체가 도관들(310, 320, 420 또는 430) 중 하나로부터 체임버(210)로 흐르고 있는 한, 체임버(210) 내 액위는 상승하게 되고, 체임버(210)로의 액체 유입이 없으면서 도관(510)을 통해 액체 유출만 있는 경우에는 떨어지게 된다.

도관들(310, 320, 420, 430)로부터 체임버(210)로의 포트들은, 도관(420)의 포트는 도관(430)의 포트의 방사상 바깥쪽으로 위치되고 도관(320)의 포트는 도관(420)의 포트의 방사상 바깥쪽으로 위치되게 배치된다. 상세히 후술하는 바와 같이 방사상 포트 위치의 이러한 배치는 액체 흐름의 순서를 결정한다. 추가로, 도 2에 도시된 특정한 실시예에서, 액체의 순서결정을 하지는 않지만, 도관(310)에서 체임버(210)로의 포트는 전술된 다른 포트의 방사상 안쪽에 위치되고, 도관(310)을 위한 다른 포트의 위치들이 마찬가지로 기술된 순서로부터 벗어남 없이 가능하다.

초기에, 도관들(310, 340, 330)은 각각 체임버들(210, 230, 220)을 채운다. 각각의 유량은, 각 도관의 굴곡부에서 도관(41)에 대해 전술된 바와 같이 가스가 도관들(420 및 430) 내에 포집되도록 조정된다. 동시에, 액체는 상류 액체 처리 구조로부터 소정의 속도로 도관(320)으로 흘러서, 가스가 상류 액체 처리 구조로부터 전진하는 액체와, 모세관 힘에 의해 체임버(210)에서 도관(320)으로 전진하는 액체 사이에서 도관(320) 내 방사상 안쪽의 굴곡부 안에 포집된다. 이 단계에서, 액체는 도관(310)으로부터 체임버(210)를, 도관(340)으로부터 체임버(230)를, 그리고 도관(330)으로부터 체임버(220)를 채우는 한편, 액체는 도관(320) 내에 유지된다. 동시에, 액체는 체임버(210)로 흐르는 액체의 속도보다 낮은 속도로 도관(510)을 통해 체임버(210)로부터 흐르기 시작할 수 있거나, 도관(510)이 일시적으로 체임버(210)로부터의 유출을 저지하는 수단을 구비할 수 있다.

일시적인 저지의 예로는, 반대되는 원심력에 의해 초기 회전시 도관(510)에서의 액체 흐름을 차단하고, 당업자에게 알려진 대로 모세관 사이펀(모세관 힘에 의해 사이펀의 정상부를 가로질러 전진하는 액체가 충분히 감속된다)의 준비 다음에, 그리고 사이펀 효과에 의해 도관(510)에서 자유롭게 흐를 수 있게 된 후에 액체가 흐르는 것을 허용하는 도관(510) 내에 위치된 모세관 사이펀 구조로 될 수 있다.

체임버(210)로부터의 액체 유출이 처음에 중단되든 아니든, 도관(310)에서 체임버(210)로 액체가 흐르고 있는 한, 체임버(210)의 액위는 상승(또는 적어도 일정하게 유지)하게 될 것이다. 도관(310)에서 체임버(210)로의 유입이 멈출 때 도관(510)을 통한 유출이 계속되어 체임버(210) 내 액위는 카트리지(100)가 지속적으로 회전됨에 따라 낮아지기 시작한다.

체임버(210) 내 액위가 체임버(210)를 도관(430)에 연결하는 포트의 아래로 낮아질 때, 도관(430)에 갇힌 가스는 배기되고 액체가 체임버(220)와 도관(320) 내에 보유지지되는 동안 체임버(230)에서 체임버(210)로의 액체 흐름이 시작한다. 도관(430)을 통한 유입량은 도관(510)을 통한 체임버(210)로부터 유출 속도보다 크거나 적어도 동일하게 되고, 이 때문에 체임버(210) 내 액위는 그 뒤에 안정되어 있거나, 체임버(230)에서 도관(430)을 통해 체임버(210)로 흐르는 액체 흐름이 멈출 때까지 다시 상승한다.

이 단계에서, 체임버(210) 내 액위는, 도관(420) 내에 갇힌 가스를 배기하고 체임버(220)에서 도관(420)을 통해 체임버(210)로의 액체 흐름을 시작하도록 액위가 도관(420)으로 또는 그 바로 아래로 낮아질 때까지 떨어지기 시작하고 액체는 도관(320)에 유지되어서, 체임버(210) 내 액위가 다시 안정되어 있거나, 체임버(230)로부터의 흐름에 대해 전술된 바와 같이 상승한다.

체임버(220)에서 체임버(210)로의 액체 흐름이 멈출 때 체임버(210) 내 액위는, 도관(320)으로부터 포트에 도달할 때까지 다시 낮아지는데, 이 단계에서 도관(320) 내에 갇힌 가스는 배기되고, 액체는 도관(320)에서 체임버(210)로 그리고 도관(510)을 통해 하류로 계속 흐르기 시작한다.

전술된 바와 같이, 도 2에 도시된 실시예는 제1, 제2, 제3 및 제4 액체가 공통의 순서결정 체임버(체임버(210))로 순차적으로 흐를 수 있는데, 이로부터 이들 액체는 순차적으로 하류로 (도관(510)을 거쳐 임의의 적절한 하류 액체 처리 구조를 통해) 계속 흐를 수 있다. 따라서, 도 2의 실시예는, 도 1을 참조로 하여 전술된 원리에 따라 체임버에 공급하는 도관들의 구성과 공통의 순서결정 체임버로 통하는 각 포트를 적절하게 배치함으로써 공통의 순서결정 체임버를 통해 4 개 액체의 순서결정을 제공하게 된다.

중요한 것은, 액체 흐름의 상기 순서는 일정한 회전 진동수(그리고 일정한 원심 구동력)로 성취될 수 있으며, 임의의 특정한 회전 프로토콜을 필요로 하지 않는다. 전술된 바와 같이, 이것은 광학 검출 프로세스에 이득이 될 수 있으며, 일정한 회전 진동수가 순서결정을 달성하기 위한 필요 조건은 아니더라도 카트리지(100)에서 구현되는 액체 처리 기능을 위해 필요한 경우에 회전 프로토콜이 설계될 수도 있다.

상기 실시예는 분명히 임의의 특정한 액체에 한정되지 않으며, 모두 동일하거나 상이하게 또는 이들의 조합으로 될 수 있다. 하지만, 예시의 목적을 위해 4 개 액체의 순서결정이 적용되는 예로는 광학 검출 기술을 이용하여 시료 중의 항체를 검출하는 것이다. 이러한 예에서, 제1 액체는 검출 구조(250)의 초기 세척에 허용되는 기준 액체이고, 또한 기준선 해석을 얻기 위한 것이다. 제2 액체는 검출 구조(250)에 고정된 항체에 결합함으로써 식별될 물질(항원)을 포함한 시료여서, 그 후에 결합이 형광 현미경법 또는 표면 플라즈몬 공명분석과 같은 광학적 기술에 의해 검출될 수 있다. 제3 액체는 결합하는 일의 정량 분석을 용이하게 하기 위해 검출 구조에서 항체와 항원의 결합과 관련된 신호를 증폭하는 증폭 물질이다. 제4 액체는 처음에 획득한 기준선과의 비교를 위한 신호의 후속 탐지를 위해 임의의 결합하지 않은 항원과 증폭 물질을 씻어내는 세정 액체이다. 종종 최종 세척 및 초기 세척/기준선을 위해 사용되는 액체는 동일한 액체로 될 것이다. 물론, 이는 4 개 액체의 순서결정 용도의 특정한 예일 뿐이며, 전술된 실시예들은 임의의 용도를 위한 액체의 순서결정에 적용될 수 있는데, 여기서 4 개 이상의 또는 그 이하의 액체의 순서가 결정되게 된다.

전술된 실시예들은 상류 액체 처리 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체(예컨대 도 2의 실시예에서 4 개의 액체)의 순차적인 흐름이 이루어질 수 있는데, 임의의 능동 부재를 필요로 하지 않거나, 복잡한 표면 장력 조건 또는 특정한 회전 진동수 프로토콜을 필요로 하지 않는다. 따라서, 예를 들어 연속된 모세관 사이펀이 액체 흐름의 순서를 결정하기 위해 채용되면, 반복된 가속과 감속을 필요로 하지 않고, 카트리지가 일정한 회전 진동수로 회전되면서 전술된 액체 흐름의 순서결정이 모두 일어날 수 있다. (당연히, 회전 진동수는 액체의 순서를 결정하는 동안 변경될 수 있지만, 전술된 흐르는 액체의 원하는 순서를 얻기 위해 반드시 필요한 것은 아니다.) 많은 용도에서, 특히 광학 검출에 사용되는 카트리지에서, 액체의 순차적인 흐름 동안 항상 동일한 회전 진동수에서 카트리지(100)를 회전시키는 것이 상당한 장점으로 될 수 있다. 광학 검출 시스템에서, 일정한 회전 진동수는 증가된 신호대 잡음비에 기여할 수 있다.

전술된 실시예들에서는 도관 내 갇힌 가스를 사용하여 액체 흐름의 순서를 결정하고 제어한다. 하지만, 불필요한 압력 차이가 카트리지(100)의 주위에서 액체 흐름을 저해하지 않는 것을 보장하기 위해, 액체 처리 시스템의 다른 영역에서 압력의 균등화가 확보될 필요가 있을 수 있다. 이 때문에, 체임버들(210, 220)은 배기 도관을 제공하도록 방사상 안쪽 측면에서 추가적인 도관(620)에 의해 연결되어, 두 체임버들 사이의 압력이 항상 평형을 유지할 수 있다. 마찬가지로, 체임버(210)도 유사한 배기 회로(610)에 의해 체임버(230)에 연결된다. 추가의 배기 도관(미도시)이 대기압으로 체임버들(210, 220 또는 230) 중 하나 또는 폐쇄된 배기 회로(회로는 상류에서 하류로 흐르는 액체에 의해 이동될 때 가스가 하류 영역으로부터 카트리지 주위로 이동할 수 있게 하는)를 연결하여, 상류의 유체공학적 구조로부터 채널들(310, 320, 330, 340)을 통해 효율적인 흐름을 보장한다. 마찬가지로, 폐기 체임버(240)는 대기압에 또는 배기 도관(630)에 의해 배기 회로에 연결되어서, 체임버(210)에서 도관(510)으로 그리고 하류로 액체가 흐름에 따라 폐기 체임버(240) 뿐만 아니라 도관들(510, 520)은 물론 검출 구조(250)를 배기시킨다. 전술된 실시예들은 카트리지(100) 주위의 압력 평형 유지를 위한 임의의 특정한 방식에 한정되지 않고, 카트리지 전체에 걸쳐 액체 흐름을 저해하지 않도록 적절한 압력 조건을 유지하는 많은 방식이 당업자에게는 명백할 것이다.

도 3을 참조하면, 카트리지(100; 또는 전술된 실시예에 따른 다른 장치)를 구동하기 위한 구동 시스템(700)은 카트리지(100) 또는 다른 장치에서 액체 흐름을 구동시키도록 구동력의 인가를 제어하는 제어기(710)를 구비한다. 원심력에 의해 액체 흐름을 구동하기 위해 회전하도록 배치된 카트리지의 특정한 예에서, 구동 시스템(700)은 제어기(710)의 제어하에 있는 모터(720)를 구비하고, 특정한 일 실시예에서는 모터(720)가 카트리지(100)의 내부 윤곽선(120)에 맞물리는 스핀들에 결합되어 있다. 제어기(710)는 미리 정해진 일정에 따라 구동력을 제어하도록 되어 있는데, 예컨대 전술된 바와 같이 카트리지(100)의 주위에 액체를 분배하는 초기 회전에 이어서 도관(510)에 모세관 사이펀을 준비하기 위한 단시간 감속 후에 일정한 회전 진동수에서의 재가속 및 회전이 이루어져 카트리지(100) 내 액체들의 순서가 결정된다.

위의 설명은 평탄한 체임버 또는 채널에 한정되는 것이 아니며, 표면 장력 패턴의 유무에 관계없이 만곡된 구조 및 표면에 사용될 수도 있다. 일부 실시예에서, 또 다른 도관 및 체임버가 전술된 것보다 많은 액체들의 흐름을 순서결정하는 데에 사용된다.

위의 설명이 원심 마이크로 유체 장치에 관하여 기술되었지만, 회전 장치에서 원심력 이외의 구동력이 전술된 원리에 동일하게 사용될 수 있다. 따라서 위의 주어진 예에서는, 원심력, 중력이나 전기를 띤 액체용 전기력 또는 전기장과 같은 볼륨 힘이 사용된다. 다른 순서결정 구조는 압력차와 같은 다른 구동력 또는 다른 수단을 사용할 수 있다. 또한, 전술된 실시예들은 액체 흐름을 해제가능하게 차단할 목적으로 가스를 포집하기 위한 방사상 안쪽의 굴곡부를 갖춘 도관을 이용하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 액체 흐름을 해제가능하게 차단하도록 가스를 포집하기 위한 임의의 다른 수단과 도관의 기하학적 구조가 균등하게 채택될 수 있다.

실시예들은 마이크로 유체 크기에 한정되지 않으며, 다른 용도로는 예를 들면 육안으로 보이는 크기에서 동등하게 적용됨이 예상된다. 오해를 피하기 위해, 용어 "마이크로 유체"는 1 mm 이하의 적어도 1차원을 가진 저장소 또는 채널과 같은 유체공학적 부재를 갖춘 장치를 의미하는 것으로 본 명세서에서 언급된다.

따라서, 본 발명은 전술된 특정한 실시예들과 예들에 한정되지 않으며, 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (15)

1. 회전축 주위로 회전할 수 있어 장치 내 액체 흐름을 구동시키는 액체 처리 장치로서,
   제1 액체 보유 구조;
   제2 액체 보유 구조;
   상기 제1 및 제2 액체 보유 구조에 액체를 공급하는 상류 액체 처리 구조;
   상기 제1 액체 보유 구조로부터 액체를 받아들이는 하류 액체 처리 구조;
   상기 제1 액체 보유 구조의 입구 포트에 상기 제2 액체 보유 구조의 출구 포트를 연결하는 도관
   을 포함하고,
   상기 도관은 정상부를 향해 상기 출구 포트의 방사상 안쪽으로 연장하고 상기 정상부로부터 상기 입구 포트를 향해 방사상 바깥쪽으로 연장한 부분을 구비함으로써 상기 부분에서 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 나오는 각 액체들 사이에 가스가 포집될 수 있어, 상기 포집된 가스가 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 배기될 때까지 액체는 상기 제2 액체 보유 구조에 유지되고 그 후에 액체는 상기 제2 액체 보유 구조로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 하류 액체 처리 구조로 흐르는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 장치는,
   상기 제2 액체 보유 구조에 인접한 상기 도관의 부분과 상기 제2 액체 보유 구조의 부피 이상의 액체 양으로
   상기 제2 액체 보유 구조에 인접한 상기 도관의 부분 및 상기 제2 액체 보유 구조를 상기 도관의 방사상 가장 안쪽 지점의 수준(level)까지 채우도록 된 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 장치는, 상기 도관과 상기 제2 액체 보유 구조의 액위(liquid level)에 상응하는 액체 양으로 상기 제2 액체 보유 구조를 채우도록 되어, 한계 진동수보다 작은 회전 진동수에서 상기 도관 내 액체에 작용하는 모세관 힘이 상기 도관의 방사상 가장 안쪽을 가로질러 액체를 빨아들이기에 충분한 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 한계 진동수는 30 Hz인 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 액체 보유 구조를 연결하여 이들 사이의 압력을 평형으로 유지하는 배기 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 액체 보유 구조의 추가의 입구 포트를 제3 액체 보유 구조의 추가의 출구 포트에 연결하는 추가 도관을 포함하고,
   상기 추가 도관은 상기 추가의 입구 포트와 상기 추가의 출구 포트의 방사상 안쪽으로 연장하는 추가의 굴곡부를 포함함으로써 상기 추가의 굴곡부에서 상기 제1 및 제3 액체 보유 구조로부터 나오는 각 액체 사이에 가스가 포집될 수 있으며,
   상기 추가의 입구 포트는, 액체가 상기 제2 액체 보유 구조로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 흐르는 동안 상기 제3 액체 보유 구조 내에 액체를 유지하기 위해 상기 추가의 입구 포트의 방사상 바깥쪽에 있어, 상기 추가의 입구 포트의 방사상 안쪽으로 상기 제1 액체 보유 구조 내 액위를 유지하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 장치가 일정한 속도로 회전되면서 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 순차적으로 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
8. 모터에 연결되고 제1항에 따른 장치와,
   상기 모터에 연결되어 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 액체를 순차적으로 분배하도록 상기 장치의 회전을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 액체를 순차적으로 분배하기 위해 일정한 진동수로 상기 장치를 회전시키도록 작동할 수 있는 것을 특징으로 하는 액체 처리 시스템.
10. 제1 및 제2 액체 보유 구조 사이의 도관 내에 가스를 포집하도록 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조를 액체로 채우는 수단;
    액체가 상기 제2 액체 보유 구조에 유지되면서 상기 제1 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 수단; 및
    상기 도관으로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 포집된 가스를 배기한 다음에, 상기 제2 액체 보유 구조로부터 상기 도관과 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 액체 보유 구조와 제3 액체 보유 구조 사이의 추가 도관 내에 가스를 포집하도록 상기 제3 액체 보유 구조를 액체로 채우는 수단;
    액체가 상기 제3 액체 보유 구조에 유지되면서 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 수단; 및
    상기 추가 도관으로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 포집된 가스를 배기한 다음에, 상기 제3 액체 보유 구조로부터 상기 추가 도관과 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 수단
    을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 시스템.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 실질적으로 일정한 구동력에 대응하여 액체를 이동시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 시스템.
13. 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 순차적으로 이동시키는 방법으로서,
    상기 제1 및 제2 액체 보유 구조 사이의 도관 내에 가스를 포집하도록 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조를 액체로 채우는 단계;
    액체가 상기 제2 액체 보유 구조에 유지되면서 상기 제1 액체 보유 구조로부터 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 단계; 및
    상기 도관으로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 포집된 가스를 배기한 다음에, 상기 제2 액체 보유 구조로부터 상기 도관과 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 단계
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체를 순차적으로 이동시키는 방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 액체 보유 구조와 제3 액체 보유 구조 사이의 추가 도관 내에 가스를 포집하도록 상기 제3 액체 보유 구조를 액체로 채우는 단계;
    액체가 상기 제3 액체 보유 구조에 유지되면서 상기 제1 및 제2 액체 보유 구조로부터 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 단계; 및
    상기 추가 도관으로부터 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 포집된 가스를 배기한 다음에, 상기 제3 액체 보유 구조로부터 상기 추가 도관과 상기 제1 액체 보유 구조를 통해 상기 하류 액체 처리 구조로 액체를 이동시키는 단계
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체를 순차적으로 이동시키는 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 액체는 일정한 구동력에 대응하여 이동되는 것을 특징으로 하는, 액체를 순차적으로 이동시키는 방법.
    

Images