KR102274523B1 - 카트리지 타입 미세유체 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 카트리지 타입 미세유체 장치는, 중심홀 주위에 반경방향으로 복수의 카트리지홀이 형성된 원형 디스크 형태의 카트리지 홀더와, 상기 카트리지홀에 장착되고 내부에 유체를 원심분리하기 위한 채널이 형성되는 카트리지 모듈을 포함하고, 상기 카트리지 모듈은, 유체를 주입하는 인렛챔버와, 상기 인렛챔버에 결합되고 소정 각도로 슬로프채널부가 형성된 슬로프밸브와, 상기 슬로프밸브에 결합되고 분리된 유체를 검출하는 광검출부가 형성된 엔드챔버를 포함한다.

Description

카트리지 타입 미세유체 장치{Cartridge Type Microfluidic Device}
본 발명은 카트리지 타입 미세유체 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 프린팅 기법을 이용하여 원심력 기반의 미세유체 채널 LOD(Lab-On-a-Disk)를 제작하여 경사 채널 또는 구조적으로 복잡한 채널을 형성할 수 있으며, 미세 채널이 형성된 다양한 구조물들을 서로 결합하여 카트리지 모듈을 디스크 타입 홀더에 장착함으로써 조립할 수 있는 카트리지 타입 미세유체 장치에 관한 것이다.
미세유동구조물 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동압력이 필요한데, 구동압력으로서 원심력 및 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 디스크 형상의 몸체에 미세유동 구조물을 배치하고 원심력을 이용하여 유체를 이동시키며 일련의 작업을 수행하는 디스크형 미세유동장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩씨디(Lab CD) 또는 랩온어디스크(LOD: Lab-On-a-Disk) 또는 디지털 바이오 디스크(Digital Bio Disk:DBD)라 한다.
일반적으로, 디스크형 미세유동장치는 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널 및 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브를 포함하여 이루어지며, 이들의 다양한 조합에 의해 만들어질 수 있다.
미세유동장치는 혈액, 타액, 소변 등과 같은 시료를 검사하기 위한 시료검사장치로 이용될 수 있다. 미세유동장치의 내부에서는 시료의 특정 물질과 반응할 수 있는 시약이 배치된다. 미세유동장치에 시료를 주입하고 시료와 시약의 반응 결과를 검출함으로써 시료를 검사할 수 있다.
미세유동장치는 원심분리 챔버를 이용하여 시료를 분리한다. 미세유동장치는 분리된 시료를 정량하기 위한 정량 챔버를 포함한다.
종래의 LOD는 기계적 가공 또는 포토리소그래피를 통한 몰드 제작을 통해 PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PMMA(Polymthyl methacrylate) 등과 같은 액체 상태의 폴리머를 몰드에 붓고 경화시켜 제작한다.
그러나, 종래의 경우, 초기 몰드 설계 이후 디자인 변경이 매우 어렵고, 타겟 물질이 변경되면 첫 단계부터 몰드를 다시 가공해야 하는 등, 초기 제작 비용이 많이 든다. 또한, 종래의 LOD는 채널 제작에 구조적인 한계가 있어서 복잡한 3차원 채널 형태를 형성하기가 어렵다.
원심력을 기반으로 하는 미세유체 제어 시스템은 원심력이 중심으로부터 거리의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에, 미세유체 채널의 위치 설계는 매우 중요한 요소이다. 또한, 유체 유동 제어를 위한 밸브 요소 설계의 경우, 화학적 처리를 통한 표면에너지 변화, 사이펀 구조 적용을 위한 유로설계 변화 또는 공압제어를 위한 펌프를 추가하는 등의 방식으로 제작하였다. 그러나, 이러한 제작방법은 비용 증가의 주요 원인이며 원심력에 의한 유체 유동을 미세하게 조절하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0115912호
본 발명은 3차원 프린팅 기법을 이용하여 원심력 기반의 미세유체 채널 LOD(Lab-On-a-Disk)를 제작하여 경사 채널 또는 구조적으로 복잡한 채널을 형성할 수 있으며, 미세 채널이 형성된 다양한 구조물들을 서로 결합하여 카트리지 모듈을 디스크 타입 홀더에 장착함으로써 조립할 수 있는 카트리지 타입 미세유체 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 카트리지 타입 미세유체 장치는, 중심홀 주위에 반경방향으로 복수의 카트리지홀이 형성된 원형 디스크 형태의 카트리지 홀더와, 상기 카트리지홀에 장착되고 내부에 유체를 원심분리하기 위한 채널이 형성되는 카트리지 모듈을 포함하고, 상기 카트리지 모듈은, 유체를 주입하는 인렛챔버와, 상기 인렛챔버에 결합되고 소정 각도로 슬로프채널부가 형성된 슬로프밸브와, 상기 슬로프밸브에 결합되고 분리된 유체를 검출하는 광검출부가 형성된 엔드챔버를 포함한다.
상기 카트리지 홀더는, 중심홀과 복수의 카트리지홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 상부층과, 상기 상부층의 하면에 부착되고 중심홀과 복수의 카트리지홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 중간층과, 상기 중간층의 하면에 부착되고 중심홀과 복수의 카트리지분리홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 바닥층을 포함할 수 있다.
상기 상부층의 카트리지홀은 상기 중간층의 카트리지홀보다 짧은 직사각형 모양으로 형성되고, 상기 바닥층의 카트리지분리홀은 타원 모양으로 형성되어, 손가락으로 상기 카트리지 모듈을 밀어서 상기 카트리지홀에서 분리할 수 있다.
상기 상부층과 상기 중간층과 상기 바닥층은 그 사이에 양면접착시트를 사용하여 부착되고 각 정렬홀을 통해 정렬기둥을 끼워 정렬하여 결합될 수 있다.
상기 카트리지 모듈은, 상기 슬로프밸브와 상기 엔드챔버 사이에 연결되어 상기 카트리지홀의 길이에 맞도록 결합되는 연결채널을 더 포함할 수 있다.
상기 인렛챔버는, 상기 카트리지홀의 내측 단부에 삽입되는 챔버커넥터와, 상면에 형성되는 2개의 인렛포트와, 상기 2개의 인렛포트와 연결되는 챔버부와, 상기 챔버부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함할 수 있다.
상기 슬로프밸브는, 상기 인렛챔버의 결합홈부에 삽입되어 결합되는 결합돌기부와, 수평면에 대해 40~85도로 경사지게 형성되는 슬로프채널부와, 상기 슬로프채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함할 수 있다.
상기 엔드챔버는, 상기 슬로프밸브의 결합홈부에 삽입되어 결합되는 결합돌기부와, 분리된 유체가 수용되는 유체챔버와, 상기 유체챔버의 일단부에 마련되는 광검출부와, 상기 유체챔버로부터 상방으로 연결되는 배기채널부를 포함할 수 있다.
상기 엔드챔버는, 상기 결합돌기부 내부의 채널이 분기되어 2개의 유체챔버로 연결되고, 상기 2개의 유체챔버의 광검출부에서 2개의 배기채널부가 각각 연결될 수 있다.
상기 엔드챔버는, 일단에 구비된 3개의 결합돌기부의 각 채널이 하나의 유체챔버로 연통되고, 상기 유체챔버에서 2개의 배기채널부가 각각 연결될 수 있다.
상기 카트리지 모듈은, 2개의 인렛챔버에 결합되어 2개의 유로가 하나로 합쳐지는 믹서 연결채널과, 상기 믹서 연결채널에 결합되어 2가지 유체를 혼합하는 나선채널부를 구비하는 믹서를 더 포함할 수 있다.
상기 믹서 연결채널은, 상기 인렛챔버의 결합홈부에 각각 결합되는 2개의 결합돌기부와, 2개의 유로가 하나로 합쳐지도록 형성된 혼합채널부와, 상기 혼합채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함할 수 있다.
상기 믹서는, 상기 믹서 연결채널의 결합홈부에 결합되는 결합돌기부와, 나선 형태의 유로가 형성된 나선채널부와, 상기 나선채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함할 수 있다.
상기 광검출부는 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체를 이용하여 항원이 결합되는 형광 또는 흡광 물질의 농도를 측정함으로써 항원의 농도를 검출하는 효소결합면역침강법에 의해 항원을 검출할 수 있다.
상기한 본 발명의 카트리지 타입 미세유체 장치에 의하면, LOD는 원형 기판을 회전시킴으로써 유발되는 원심력을 이용하여 내부 요소들을 작동시킬 수 있다.
또한, 3차원 프린팅 기법을 이용하여 형성할 수 있는 미세유체채널은 제작 후 후처리 공정이 필요 없고, 누구나 쉽게 접근할 수 있으며 LOD 기기 제작에 필요한 만큼 소량을 제작할 수 있다.
또한, 소량의 유체를 정밀하게 제어하기 위해 펌프나 외부 구동원을 필요로 하지 않고, 유체 위치 및 모터의 회전 제어만으로 순차적인 유동 제어가 가능하다.
또한, 미세유체채널 요소부품의 배치를 다변화하여 다양한 조건의 시험 분석을 할 수 있고, 디스크 상에 여러 요소부품들을 일괄 배치하여 1회 시험으로 단시간에 분석을 수행할 수 있다.
또한, 3차원 프린팅 기법으로 제작되는 미세유체채널은 시험자가 원하는 목적에 따라 당뇨병 진단, 임신테스트 등 체외진단 기기와 같이 개인 맞춤형 진단기기로 제어할 수 있다.
또한, 집적도가 높은 미세유체채널은 소량의 체액만으로도 효과적인 유체 제어가 가능하므로 단시간 내에 성분 검출 및 분석이 가능하다.
또한, 미세유체 요소부품들을 결합하여 카트리지로 만듦으로써 용도가 확장되어 범용적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 타입 미세유체 장치를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 카트리지 타입 미세유체 장치의 일부 사시도이다.
도 3은 카트리지 홀더를 구성하는 상부층(a)과 중간층(b)과 바닥층(c)을 나타내는 평면도이다.
도 4는 카트리지 모듈을 나타내는 정면도(a)와 평면도(b)이다.
도 5는 인렛챔버를 나타내는 사시도이다.
도 6은 제1실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 7은 연결채널을 나타내는 사시도이다.
도 8은 제1실시예에 따른 엔드챔버를 나타내는 사시도이다.
도 9는 제2실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 10은 제3실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 11은 제4실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 12는 제5실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 13은 제2실시예에 따른 엔드챔버를 나타내는 사시도이다.
도 14는 제3실시예에 따른 엔드챔버를 나타내는 사시도이다.
도 15는 제1실시예에 따른 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 16은 제2실시예에 따른 믹서를 나타내는 사시도이다.
도 17은 믹서 연결채널을 나타내는 사시도이다.
도 18은 인렛챔버 2개, 믹서 연결채널, 믹서가 순서대로 결합되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
도 19는 엔드챔버의 광검출부에서 광원을 조사하여 형광 방사되는 것을 감지하는 것을 나타내는 정면도이다.
도 20은 항원에 비드-항체 결합체와 형광-항체 결합체가 결합되는 것을 나타내는 그림이다.
도 21은 비드 기반 항원-항체 결합 반응을 설명하기 위한 그림이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 타입 미세유체 장치를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 카트리지 타입 미세유체 장치의 일부 사시도이며, 도 3은 카트리지 홀더를 구성하는 상부층(a)과 중간층(b)과 바닥층(c)을 나타내는 평면도이고, 도 4는 카트리지 모듈을 나타내는 정면도(a)와 평면도(b)이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카트리지 타입 미세유체 장치는, 중심홀(104) 주위에 반경방향으로 복수의 카트리지홀(102)이 형성된 원형 디스크 형태의 카트리지 홀더(100)와, 카트리지홀에 장착되고 내부에 유체를 원심분리하기 위한 채널이 형성되는 카트리지 모듈(200)을 포함한다.
카트리지 모듈(200)은, 유체를 주입하는 인렛챔버(210)와, 인렛챔버에 결합되고 소정 각도로 슬로프채널부(244)가 형성된 슬로프밸브(240)와, 슬로프밸브에 결합되고 분리된 유체를 검출하는 광검출부(266)가 형성된 엔드챔버(260)를 포함할 수 있다.
인렛챔버(210)는 피펫 등을 이용하여 분석 대상 유체를 주입할 수 있고, 내부에 주입된 유체를 일시 저장하는 챔버가 형성되어 있다.
슬로프밸브(240)는 소정 각도(α)로 경사지게 형성된 슬로프채널부(244)를 구비하여 유체의 질량과 원심력에 따라 유체가 슬로프채널부(244)의 꼭대기(crest)를 넘어갈 수 있는 유체 성분이 결정될 수 있다.
엔드챔버(260)는 원심 분리된 유체를 수용하는 채널이 내부에 형성되고, 그 채널의 반경방향 외측에 광검출부(266)가 구비될 수 있다.
카트리지 모듈(200)은, 슬로프밸브(240)와 엔드챔버(260) 사이에 연결되어 카트리지홀(102)의 길이에 맞도록 결합되는 연결채널(250)을 더 포함할 수 있다.
연결채널(250)은 카트리지홀(102)에 삽입되어 장착되는 카트리지 모듈(200)의 길이를 조절하기 위해 슬로프밸브(240)와 엔드챔버(260) 사이에 결합될 수 있다. 즉, 슬로프밸브(240)에 엔드챔버(260)가 바로 결합될 수도 있으나, 슬로프밸브(240)에 연결채널(250)이 결합되고 연결채널(250)에 엔드챔버(260)가 결합될 수도 있는 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 카트리지 홀더(100)는 중심홀(134)과 복수의 카트리지홀(132)과 복수의 정렬홀(136)이 관통형성된 상부층(130)과, 상부층의 하면에 부착되고 중심홀(124)과 복수의 카트리지홀(122)과 복수의 정렬홀(126)이 관통형성된 중간층(120)과, 중간층의 하면에 부착되고 중심홀(114)과 복수의 카트리지분리홀(112)과 복수의 정렬홀(116)이 관통형성된 바닥층(110)을 포함할 수 있다.
상부층(130)과 중간층(120)과 바닥층(110)은 약 1mm 두께의 아크릴 판재의 표면에 양면접착시트를 부착하고 레이저 가공하여 관통홀들을 형성할 수 있다.
상부층(130)의 중심홀(134)과 중간층(120)의 중심홀(124)과 바닥층(110)의 중심홀(114)은 서로 결합되어 카트리지 홀더(100)의 중심홀(104)을 형성하게 된다. 카트리지 홀더(100)의 중심홀(104)은 예를 들어 지름 15mm 크기의 내경을 갖도록 형성될 수 있다. 결합된 디스크인 카트리지 홀더(100)의 중심홀(104)은 디스크를 회전시키는 장치에 의해 회전될 수 있다.
중간층(120)의 카트리지홀(122)은 중심홀(124)의 주위에 반경방향으로 6개의 직사각형 관통홀이 배열될 수 있다. 예를 들어, 카트리지홀(122)은 폭 10mm, 길이 65mm로 형성될 수 있다.
상부층(130)의 카트리지홀(132)은 중심홀(134)의 주위에 반경방향으로 6개의 직사각형 관통홀이 배열될 수 있다. 상부층(130)의 카트리지홀(132)은 중간층(120)의 카트리지홀(122)보다 그 길이가 5mm 작아서, 폭 10mm, 길이 60mm로 형성될 수 있다. 그래서, 중간층(120)의 카트리지홀(122)은 상부층(130)의 카트리지홀(132)과 결합될 때, 카트리지홀(102)이 반경방향 내측 단부에서 단차지게 형성될 수 있다. 이에 따라, 카트리지 모듈(200)의 내측 단부, 즉 인렛챔버(210)의 단차진 내측 단부인 챔버커넥터(212)가 카트리지홀(102)의 단차진 내측 단부에 삽입되어 장착될 수 있다.
바닥층(110)도 중심홀(114)과 복수의 카트리지분리홀(112)과 복수의 정렬홀(116)이 관통형성될 수 있다. 바닥층(110)의 카트리지분리홀(112)은 타원 모양으로 형성될 수 있다. 타원의 단축은 중간층(120)의 카트리지홀(122) 폭과 같거나 그보다 작을 수 있다.
사용자는 미세유체 장치를 사용하여 원심분리 시험 및 검출 후에 카트리지 모듈(200)을 카트리지 홀더(100)의 카트리지홀(102)에서 분리할 때, 바닥층(110)의 카트리지분리홀(112)을 통해 손가락을 집어넣어 카트리지 모듈(200)을 밀어서 분리할 수 있다.
상부층(130)과 중간층(120)과 바닥층(110)은 그 사이에 양면접착시트(미도시)를 사용하여 부착될 수 있다. 예를 들면, 상부층(130)의 하면과 중간층(120)의 하면에 양면접착시트가 부착된 상태에서 각 홀들을 레이저 가공하여 형성할 수 있다. 그런 후, 각 양면접착시트에서 이형지를 분리하고 상부층(130)과 중간층(120)과 바닥층(110)을 서로 부착할 수 있다. 이때, 상부층(130)의 정렬홀(136)과 중간층(120)의 정렬홀(126)과 바닥층(110)의 정렬홀(116)을 통해 정렬기둥을 끼워서 상부층(130)과 중간층(120)과 바닥층(110)을 정렬함으로써 정확한 위치에 맞도록 결합할 수 있다.
카트리지 홀더(100)는 하나의 상부층(130)과 2개의 중간층(120)과 하나의 바닥층(110)으로 구성될 수도 있다. 카트리지홀(102)은 이에 장착되는 카트리지 모듈(200)의 형태와 크기에 따라 그 깊이와 크기가 달라질 수 있다. 또한, 6개의 카트리지홀(102)은 카트리지 모듈(200)의 형태와 크기에 따라 서로 다른 형태와 크기를 가질 수 있고 그 개수도 달라질 수 있다.
도 5는 인렛챔버를 나타내는 사시도이고, 도 6은 제1실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이며, 도 7은 연결채널을 나타내는 사시도이고, 도 8은 제1실시예에 따른 엔드챔버를 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 인렛챔버(210)는, 카트리지홀(102)의 내측 단부에 삽입되는 챔버커넥터(212)와, 상면에 형성되는 2개의 인렛포트(214)와, 2개의 인렛포트와 연결되는 챔버부(216)와, 챔버부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부(218)를 포함할 수 있다.
챔버커넥터(212)는 인렛챔버(210)의 일측 단부에 다른 부위보다 그 상하방향 두께가 얇게 형성될 수 있다. 챔버커넥터(212)의 단부 상하 모서리부는 라운드지게 형성됨으로써, 챔버커넥터(212)가 카트리지홀(102)의 내측 단부에 부드럽게 삽입되고, 결합 공차를 최소화할 수 있다. 그래서, 챔버커넥터(212)가 카트리지홀(102)의 내측 단부에 쉽게 결합되거나 분리될 수 있다.
인렛챔버(210)의 내부에는 챔버부(216)가 형성되고, 챔버부(216)의 챔버커넥터(212) 쪽 단부 상면에서 인렛챔버(210)의 상면으로 2개의 채널이 연통되어 2개의 인렛포트(214)가 형성될 수 있다. 사용자는 2개의 인렛포트(214) 중 하나에 피펫 팁을 물리적으로 결합하고 유체를 주입할 수 있다. 이때, 2개의 인렛포트(214) 중 피펫이 결합되지 않은 인렛포트(214)를 통해 유체가 새어나올 수 있으므로, 그 인렛포트(214)를 테이프로 막아서 챔버부(216) 내로 유체가 이동할 수 있다.
인렛챔버(210)의 챔버부(216) 체적은 50㎕로 형성될 수 있고, 챔버부(216)에 유체를 주입한 후에는 인렛포트(214)에 부착된 테이프를 제거할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 슬로프밸브(240)는, 인렛챔버(210)의 결합홈부(218)에 삽입되어 결합되는 결합돌기부(242)와, 수평면에 대해 40~85도로 경사지게 형성되는 슬로프채널부(244)와, 슬로프채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부(246)를 포함할 수 있다.
슬로프밸브(240)의 결합돌기부(242)는 상기한 바와 같이, 슬로프밸브(240)의 일단부에 돌출되도록 형성되고, 인렛챔버(210)의 결합홈부(218)에 삽입되어 결합될 수 있다. 결합돌기부(242)는 내부에 슬로프채널부(244)에 연결되는 채널이 형성되어 있다.
슬로프채널부(244)는 결합돌기부(242)의 채널에 연결되고 40~85도의 경사 각도(α)를 가진 채널부와, 채널부의 꼭대기를 지나서 수직으로 배치되는 채널부와 수평으로 배치되는 채널부를 포함할 수 있다. 슬로프채널부(244)의 수평면에 대한 경사 각도는 50도인 것이 도시되어 있다.
결합홈부(246)는 슬로프밸브(240)의 타단부에 사각형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 이 결합홈부(246)에는 연결채널(250)의 결합돌기부(252) 또는 엔드챔버(260)의 결합돌기부(262)가 삽입되어 결합될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 연결채널(250)은 슬로프밸브(240)의 결합홈부(246)에 삽입되어 결합되는 결합돌기부(252)와, 내부에 수평하게 배치되는 직선형의 채널부(254)와, 채널부와 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부(256)를 포함할 수 있다.
연결채널(250)은 조립되는 카트리지 모듈(200)의 길이를 조절하기 위해 추가적으로 연결되는 것이므로, 연결채널(250)의 길이가 서로 다른 것들을 다양하게 제작하여 구비할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 엔드챔버(260)는 슬로프밸브(240)의 결합홈부(246)에 삽입되어 결합되는 결합돌기부(262)와, 분리된 유체가 수용되는 유체챔버(264)와, 유체챔버의 일단부에 마련되는 광검출부(266)와, 유체챔버로부터 상방으로 연결되는 배기채널부(268)를 포함할 수 있다.
결합돌기부(262)는 엔드챔버(260)의 일단부에 돌출되도록 형성되고, 슬로프밸브(240)의 결합홈부(246) 또는 연결채널(250)의 결합홈부(256)에 삽입되어 결합될 수 있다. 결합돌기부(262)는 내부에 유체챔버(264)에 연결되는 채널이 형성되어 있다.
유체챔버(264)는 엔드챔버(260)의 내부에 분리된 유체를 수용하도록 형성된다. 유체챔버(264)의 외측 단부는 끝이 뾰족하게 형성되어 광검출부(266)를 구성할 수 있다. 광검출부(266)는 후술하는 바와 같이, 광원에서 빛을 조사하여 광검출부(266)의 유체에서 방사되는 빛을 검출하는 유체챔버(264)의 일부 부위이다. 광검출부(266)는 빛의 손실을 최소화하기 위해 얇은 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 광검출부(266)는 엔드챔버(260)의 다른 부위보다 상하방향 두께가 얇게 형성되어 단차지게 형성될 수 있다.
배기채널부(268)는 유체가 유체챔버(264)로 유입될 때, 유체챔버(264) 내부에 있던 공기를 외부로 배출하는 통로이다.
도 9 내지 도 12는 다른 실시예에 따른 슬로프밸브를 나타내는 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 슬로프밸브(240)는 슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 60도로 형성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 슬로프밸브(240)는 슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 70도로 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제4실시예에 따른 슬로프밸브(240)는 슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 80도로 형성될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제5실시예에 따른 슬로프밸브(240)는 슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 85도로 형성될 수 있다.
각 실시예의 슬로프밸브(240)에서 슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 작아질수록 슬로프밸브(240) 윤곽에서 슬로프채널부(244)의 길이가 짧아지게 된다.
슬로프채널부(244)의 경사 각도(α)가 커질수록 유체의 성분이 슬로프채널부(244)의 꼭대기를 넘어가기 위해서는 원심력이 커지거나 유체 성분의 질량이 커져야 한다.
도 13 및 도 14는 다른 실시예에 따른 엔드챔버를 나타내는 사시도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 엔드챔버(260)는 하나의 결합돌기부(262) 내부에 형성된 채널이 2개의 분리된 유체챔버(264)로 분기되어 연결된다. 각 유체챔버(264)의 하류 단부는 광검출부(266)가 되고, 각 광검출부(266)의 상면에서 엔드챔버(260)의 상면으로 배기채널부(268)가 연통되도록 형성되어 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 엔드챔버(260)는 3개의 결합돌기부(262) 내부에 형성된 채널이 하나의 대형 유체챔버(264)로 각각 연결된다. 유체챔버(264)의 하류 단부는 광검출부(266)가 되고, 광검출부(266)의 외면 두께는 유체챔버(264)의 외면 두께보다 작게 형성될 수 있다. 유체챔버(264)의 상면에는 양측에 각각 2개의 유입구와 하나의 배출구를 가진 배기채널부(258)가 연결된다.
제2실시예와 제3실시예에 따른 엔드챔버(260)는 제1실시예의 엔드챔버(260)보다 그 폭이 더 크게 형성된다. 따라서, 카트리지 홀더(100)의 카트리지홀(102)도 적어도 일부가 제1실시예의 경우보다 큰 폭을 가진 부분을 갖도록 형성될 수 있다.
제3실시예에 따른 엔드챔버(260)에는 3쌍의 인렛챔버(210)-슬로프밸브(240)-연결채널(250) 조립체가 한꺼번에 연결될 수 있다. 이 경우, 카트리지 홀더(100)의 카트리지홀(102)도 3쌍의 인렛챔버(210)-슬로프밸브(240)-연결채널(250) 조립체와 제3실시예의 엔드챔버(260)가 결합된 카트리지 모듈(200)의 형태에 대응하는 형태로 형성될 수 있다.
도 15는 제1실시예에 따른 믹서를 나타내는 사시도이고, 도 16은 제2실시예에 따른 믹서를 나타내는 사시도이며, 도 17은 믹서 연결채널을 나타내는 사시도이고, 도 18은 인렛챔버 2개, 믹서 연결채널, 믹서가 순서대로 결합되는 것을 나타내는 분해 사시도이다.
카트리지 모듈(200)은, 2개의 인렛챔버(210)에 결합되어 2개의 유로가 하나로 합쳐지는 믹서 연결채널(220)과, 믹서 연결채널에 결합되어 2가지 유체를 혼합하는 나선채널부(234)를 구비하는 믹서(230)를 더 포함할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 따른 믹서(230)는 믹서 연결채널(220)에 결합되는 결합돌기부(232)와, 결합돌기부 내부에 구비되는 채널과 연결되고 소정 피치의 나선 모양으로 형성된 나선채널부(234)와, 나선채널부(234)에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성되어 슬로프밸브(240)의 결합돌기부(242)가 삽입되어 결합되는 결합홈부(236)를 포함할 수 있다.
제1실시예에 따른 믹서(230)의 나선채널부(234)는 2피치의 나선(helocal) 모양으로 형성될 수 있다. 2피치는 나선이 전체 길이를 진행하는 동안 2바퀴 회전되는 것을 의미한다. 믹서(230) 내부에 형성되는 나선 구조는 미세유체채널의 직경, 나선의 직경, 피치, 미세유체채널의 길이 등 기하학적 요소를 조정함으로써, 나선 채널 구조에서 이동하는 유체의 속도와 시간을 조절할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 믹서(230)도 결합돌기부(232)와, 나선채널부(234)와, 결합홈부(236)를 포함할 수 있다. 여기서, 나선채널부(234)는 10피치의 나선 모양으로 형성될 수 있다. 즉, 나선이 전체 길이를 진행하는 동안 10바퀴 회전되는 것을 의미한다.
도 17에 도시된 바와 같이, 믹서 연결채널(220)은 2개의 인렛챔버(210)의 결합홈부(218)가 각각 결합되는 2개의 결합돌기부(222)와, 2개의 결합돌기부(222) 내부에 형성된 2개의 유로가 하나의 유로로 합쳐지도록 형성된 혼합채널부(224)와, 믹서(230)의 결합돌기부(232)가 삽입되어 결합되는 결합홈부(226)을 포함할 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 믹서 연결채널(220)의 2개의 결합돌기부(222)에는 각각 인렛챔버(210)의 결합홈부(218)가 결합되고, 믹서 연결채널(220)의 결합홈부(226)에는 믹서(230)의 결합돌기부(232)가 삽입되어 결합될 수 있다. 믹서(230)의 결합홈부(236)에는 슬로프밸브(240)의 결합돌기부(242)가 삽입되어 결합될 수 있다.
2개의 인렛챔버(210)로 주입되는 서로 다른 2가지 유체가 믹서 연결채널(220)에서 합쳐지고, 믹서(230)의 나선채널부(234)를 통해 유동하는 동안 2가지 유체가 균일하게 혼합될 수 있다. 혼합된 유체는 슬로프밸브(240)에서 원심력에 의해 분리될 수 있다.
도 19는 엔드챔버의 광검출부에서 광원을 조사하여 형광 방사되는 것을 감지하는 것을 나타내는 정면도이고, 도 20은 항원에 비드-항체 결합체와 형광-항체 결합체가 결합되는 것을 나타내는 그림이며, 도 21은 비드 기반 항원-항체 결합 반응을 설명하기 위한 그림이다.
광검출부(266)는 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체를 이용하여 항원이 결합되는 형광 또는 흡광 물질의 농도를 측정함으로써 항원의 농도를 검출하는 효소결합면역침강분석법(ELISA)에 의해 항원을 검출할 수 있다.
효소결합면역흡착검사(ELISA: enzyme-linked immunosorbent assay)는　항체나　항원에　효소를 표지하여 효소의 활성을 측정하여 항원-항체 반응의 강도와 그 양을 정량적으로 측정하는 방법으로 현대　생명공학에서 이용되고 있다.
ELISA는 물질을 확인하기 위해 항체와 색깔 변화를 이용하는 시험이다. 액체 시료나 습윤 시료에서 물질의 존재(보통 항원)를 발견하기 위해 고체상 효소결합면역흡착검사를 사용한 '습식 실험' 유형의 생화학 분석의 보편적인 형식이다.
ELISA 기법은 혈액 또는 소변 등의 체액 내에 포함된 특정 질환 인자, 즉 항원을 검출하는 방법으로서, 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체를 이용하여, 항원의 농도가 높을수록 결합되는 형광 또는 흡광 물질의 농도가 증가하므로 빛을 조사하여 이를 검출할 수 있다.
도 19에 도시된 바와 같이, 엔드챔버(260)의 유체챔버(264)에는 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체-항원 결합체가 포함된 원심분리된 유체가 수용되고, 특히 원심력에 의해 항체-항원 결합체는 주로 광검출부(266)에 모이게 된다. 광검출부(266) 아래에는 광원이 배치되어 광검출부(266)를 향해 빛을 조사한다. 형광 물질이 표지된 항체-항원 결합체는 빛을 받아 형광 방사를 하게 되고, 그 형광 방사량을 측정하여 항원을 검출할 수 있다.
LOD 플랫폼을 사용하여 ELISA 기법을 적용하기 위해서, 항원 또는 항체보다 밀도가 높은 중량체(bead)를 사용할 수 있다. 이 bead에 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체를 순차적으로 부착할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 첫째, bead에 포착 항체(capture antibody)를 결합하여 bead-항체 결합체를 만들 수 있다. 둘째, 예를 들어 아비딘(avidin)에 형광물질(Fluorescence)을 결합하고 또한 아비딘(avidin)에 비오틴 접합체(biotin conjugate)를 이용하여 탐지 항체(detection antibody)를 결합하여 형광-항체 결합체를 만들 수 있다. 셋째, bead-항체 결합체의 포착 항체(capture antibody)와 형광-항체 결합체의 탐지 항체(detection antibody) 사이에 항원(antigen)을 결합할 수 있다. 항원을 결합하기 위해서는 배양(Incubation)이 필요하고, 결합되지 않은 물질을 제거하기 위해 세척(Washing) 공정 등이 필요하다. 이렇게 준비된 bead-항체-항원-항체-형광물질 결합체를 포함하는 유체를 인렛챔버(210)에 주입하여 카트리지 모듈을 회전시킨 후 항원의 양을 검출할 수 있다.
도 21을 참조하여 bead 기반 항원-항체 결합 반응을 설명한다.
먼저, bead에 포착 항체(Capture Ab)들을 결합하여 코팅된 beads(coated beads)를 만들고, 소변 샘플(Urine sample)을 가한다.
다음에, 하면에 자석(Magnet)이 있는 플레이트 상에서 APOA1을 항체들이 코팅된 beads에 가하여 소변의 특정 성분(항원)을 포착 항체에 결합시킨다. APOA1은 혈장 내 HDL 입자의 주요 단백질 성분으로서, ELISA 기법에서 바이오 마커로 사용되는 아포지 단백질 A1(Apolipoprotein A1)이다. 소변의 성분 중 항체에 결합되지 않은 것들을 세척하여 제거할 수 있다.
다음에, 두번째 항체(2nd Ab)인 탐지 항체를 표착 항체에 결합되어 있는 항원에 결합시킨다.
다음에, 자석(Magnet)이 있는 플레이트 상에서 bead-포착 항체-항원-탐지 항체 결합체를 세척하여 결합되지 않은 탐지 항체를 제거할 수 있다.
다음에, 자석(Magnet)이 있는 플레이트 상에서 bead-포착 항체-항원-탐지 항체 결합체에 효소(Enzyme)를 가하여 탐지 항체에 결합시키고, 세척하여 결합되지 않은 효소를 제거한다. 도 20의 예에서는 효소로 비오틴 접합체(biotin conjugate)를 사용한 것이다.
마지막으로, 결합된 효소에 형광물질이 표지된 기질(Substrate)을 가하여 결합시킨다. 도 20의 예에서는 기질로서 아비딘(avidin)을 사용한 것이다.
이상과 같은 과정을 거친 bead-포착 항체-항원-탐지 항체-효소-형광물질이 표지된 기질 결합체를 포함하는 유체를 인렛챔버(210)에 주입하여 원심분리 후 광검출을 함으로써 항원의 농도를 검출할 수 있다.
본 발명의 카트리지 타입 미세유체 장치에 의하면, LOD를 이용하되 3차원 형상의 채널 및 챔버를 쉽게 형성할 수 있고, 미세유체채널을 가진 요소부품들을 서로 결합하여 카트리지 모듈로 만들기 때문에 쉽게 조립하여 제작할 수 있다.
또한, 유체 분석 시스템에서 각 요소부품들을 특성에 맞게 개별화, 다양화할 수 있고, 밸브부, 저장부, 챔버부 등으로 각각 제작하여 쉽게 조립할 수 있다.
그리고, 미세유체 장치의 적용 목적에 따라 저장부의 체적, 유체 제어를 위한 밸브 조건 등을 조절하기 위해 요소부품의 형태와 크기 또는 배치를 변경하여 쉽게 주문 제작(customizing)할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 카트리지 홀더 102: 카트리지홀
104: 중심홀 106: 정렬홀
110: 바닥층 112: 카트리지홀
114: 중심홀 116: 정렬홀
120: 중간층 122: 카트리지홀
124: 중심홀 126: 정렬홀
130: 상부층 132: 카트리지홀
134: 중심홀 136: 정렬홀
200: 카트리지 모듈
210: 인렛챔버 212: 챔버커넥터
214: 인렛포트 216: 챔버부
218: 결합홈부
220: 믹서 연결채널 222: 결합돌기부
224: 혼합채널부 226: 결합홈부
230: 믹서 232: 결합돌기부
234: 나선채널부 236: 결합홈부
240: 슬로프밸브 242: 결합돌기부
244: 슬로프채널부 246: 결합홈부
250: 연결채널 252: 결합돌기부
254: 채널부 256: 결합홈부
260: 엔드챔버 262: 결합돌기부
264: 유체챔버 266: 광검출부
268: 배기채널부

Claims (14)

  1. 중심홀 주위에 반경방향으로 복수의 카트리지홀이 형성된 원형 디스크 형태의 카트리지 홀더와,
    상기 카트리지홀에 장착되고 내부에 유체를 원심분리하기 위한 채널이 형성되는 카트리지 모듈을 포함하고,
    상기 카트리지 모듈은, 유체를 주입하는 인렛챔버와, 상기 인렛챔버에 결합되고 소정 각도로 슬로프채널부가 형성된 슬로프밸브와, 상기 슬로프밸브에 결합되고 분리된 유체를 검출하는 광검출부가 형성된 엔드챔버를 포함하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 홀더는,
    중심홀과 복수의 카트리지홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 상부층과,
    상기 상부층의 하면에 부착되고 중심홀과 복수의 카트리지홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 중간층과,
    상기 중간층의 하면에 부착되고 중심홀과 복수의 카트리지분리홀과 복수의 정렬홀이 관통형성된 바닥층을 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부층의 카트리지홀은 상기 중간층의 카트리지홀보다 짧은 직사각형 모양으로 형성되고,
    상기 바닥층의 카트리지분리홀은 타원 모양으로 형성되어, 손가락으로 상기 카트리지 모듈을 밀어서 상기 카트리지홀에서 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부층과 상기 중간층과 상기 바닥층은 그 사이에 양면접착시트를 사용하여 부착되고 각 정렬홀을 통해 정렬기둥을 끼워 정렬하여 결합되는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카트리지 모듈은, 상기 슬로프밸브와 상기 엔드챔버 사이에 연결되어 상기 카트리지홀의 길이에 맞도록 결합되는 연결채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인렛챔버는, 상기 카트리지홀의 내측 단부에 삽입되는 챔버커넥터와, 상면에 형성되는 2개의 인렛포트와, 상기 2개의 인렛포트와 연결되는 챔버부와, 상기 챔버부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬로프밸브는, 상기 인렛챔버의 결합홈부에 삽입되어 결합되는 결합돌기부와, 수평면에 대해 40~85도로 경사지게 형성되는 슬로프채널부와, 상기 슬로프채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 엔드챔버는, 상기 슬로프밸브의 결합홈부에 삽입되어 결합되는 결합돌기부와, 분리된 유체가 수용되는 유체챔버와, 상기 유체챔버의 일단부에 마련되는 광검출부와, 상기 유체챔버로부터 상방으로 연결되는 배기채널부를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 엔드챔버는, 상기 결합돌기부 내부의 채널이 분기되어 2개의 유체챔버로 연결되고, 상기 2개의 유체챔버의 광검출부에서 2개의 배기채널부가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 엔드챔버는, 일단에 구비된 3개의 결합돌기부의 각 채널이 하나의 유체챔버로 연통되고, 상기 유체챔버에서 2개의 배기채널부가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 카트리지 모듈은,
    2개의 인렛챔버에 결합되어 2개의 유로가 하나로 합쳐지는 믹서 연결채널과,
    상기 믹서 연결채널에 결합되어 2가지 유체를 혼합하는 나선채널부를 구비하는 믹서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 믹서 연결채널은, 상기 인렛챔버의 결합홈부에 각각 결합되는 2개의 결합돌기부와, 2개의 유로가 하나로 합쳐지도록 형성된 혼합채널부와, 상기 혼합채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 믹서는, 상기 믹서 연결채널의 결합홈부에 결합되는 결합돌기부와, 나선 형태의 유로가 형성된 나선채널부와, 상기 나선채널부에 연통된 구멍이 형성되고 단면에 오목하게 형성된 결합홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부는 형광 또는 흡광 물질이 표지된 항체를 이용하여 항원이 결합되는 형광 또는 흡광 물질의 농도를 측정함으로써 항원의 농도를 검출하는 효소결합면역침강법에 의해 항원을 검출하는 것을 특징으로 하는 카트리지 타입 미세유체 장치.
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