KR102355295B1

KR102355295B1 - 고상 추출용 마이크로 디바이스

Info

Publication number: KR102355295B1
Application number: KR1020180020715A
Authority: KR
Inventors: 김대헌; 제갈선영; 김병현; 한수연; 윤여영; 최준원; 진경주
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2022-01-24
Also published as: KR20190100758A

Abstract

본 발명은 고상 추출용 마이크로 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충진물과 용매를 투입하고 용매의 균일한 흐름을 구현하여 고상 추출법을 수행할 수 있도록 된 마이크로 디바이스를 제공한다.

Description

고상 추출용 마이크로 디바이스{A Micro device for Solid Phase Extraction}

본 발명은 고상 추출용 마이크로 디바이스에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충진물과 용매를 투입하여 고상 추출법을 수행할 수 있도록 된 마이크로 디바이스에 관한 것이다.

고상추출법(solid phase extraction)이란 특정 성질을 가진 충진물, 예를 들면 비즈(beads) 등을 이용하여 목적 물질(target material)을 흡착시키고 용매를 이용하여 정제 및 농축하여 전처리하는 방법이다. 이 때, 충진물을 패킹(packing)하는 디바이스가 필요하며 회수율을 높이고 전처리 시간을 단축하기 위하여 크기가 작은 마이크로 디바이스로 구현되고 있다. 또한, 마이크로 디바이스는 미량의 물질을 검출하는 데에 사용되고 있으며, 마이크로 디바이스를 사용하는 경우 용매 사용량을 단축할 수 있으므로, 친환경적인 장점을 가지고 있다.

종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스(1)의 형태는 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같다. 마이크로 디바이스(1)의 내부에 댐(dam)(2)이 형성 되어 있어 비즈(3)는 통과하지 못하고 유체만 흐르는 방식이다. 이 때, 댐의 후단부(210b)에 비즈의 충진(packing)에 의하여 유로가 줄어드는 영향으로 차압이 발생하며, 공극의 정도(porosity)가 작을수록 차압이 크게 발생한다. 도 3a 및 3b의 종래의 마이크로 디바이스의 경우 좌, 우, 중앙 쪽에 댐이 형성되어 있다. 따라서, 상대적으로 비즈의 충진 거리가 짧은 좌, 우방향으로 보다 많은 양의 유체가 흐르게 되어 유체의 흐름에 불균일한 분포가 발생하게 된다.

일본공개특허 제2007-155518호 미국공개특허 제2006-0363565호 일본공개특허 제2008-510172호 일본공개특허 제2007-155465호

종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 유체의 흐름에 불균일한 분포를 해결하고자, 균일한 유량의 유체가 흐르게 하여 균일한 추출을 구현할 수 있는 한편, 댐을 통과하는 유체에 발생하는 차압을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있는, 새로운 형태의 고상 추출용 마이크로 디바이스가 요구된다.

본 발명에 따른 고상추출(Solid Phase Extraction)용 마이크로 디바이스(Micro device)에 있어서:

용매가 주입되는 주입구;

상기 용매가 배출되는 출구; 및

상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 용매로부터 목적 물질(target material)의 고상추출(solid phase extraction)이 일어날 수 있도록 충진물이 충진된 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고,

상기 댐 형성부는 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고,

상기 댐의 상기 중심축에 수직인 단면은 상기 중심축을 기준으로 두 개의 동심원으로 이루어져 각각 내주면과 외주면을 형성하고, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이에 상기 충진물이 충진되고,

상기 댐의 최상부는 상기 댐 형성부의 양단부 중 상기 주입구와 연결되는 일단부의 내부면과 접하고, 상기 댐의 최하부에는 상기 댐 형성부의 양단부 중 상기 출구와 연결되는 타단부의 내부면으로부터 소정거리 이격된 원판형의 막음판이 위치할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 상기 댐의 길이보다 작을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 상기 주입구와 상기 출구 사이의 거리인 상기 댐 형성부의 길이보다 작을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면은 각각 다공성 물질로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면은 각각 타공판으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 주입구, 상기 출구 및 상기 댐 형성부 각각은 상기 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고, 상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 충진물은 비즈일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 마이크로 디바이스의 총 직경은 1.5 mm 내지 5 mm이고 상기 마이크로 디바이스의 총 길이는 10 mm 내지 15 mm 이고, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 0.5 mm 내지 2 mm이고, 상기 댐의 길이는 0.5 mm 내지 10 mm 일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스에 있어서, 상기 막음판은 상기 내주면 및 외주면과 일체로 형성되거나 상기 내주면 및 외주면과 결합될 수 있다.

본 발명의 고상 추출용 마이크로 디바이스에 의하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축을 기준으로 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하여 균일한 고상 추출을 구현할 수 있도록 하는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 유체가 댐에 충진된 비즈를 통과하는 거리(즉, 유체의 유로 길이)를 짧게 하여, 유체에 발생하는 차압을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스의 정면도를 도시한다.
도 2는 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 상면도를 도시한다.
도 3a 및 3b는 종래 기술에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스의 사시도를 도시하고 용매와 비즈의 흐름도의 실험예를 도시한다.

이하, 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스를 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 정면도를 도시한다. 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)는 주입구(100), 댐(dam) 형성부(200), 및 출구(300)를 포함한다. 주입구(100)를 통해 용매가 주입되고, 주입된 용매는 주입구(100)와 연결된 댐 형성부(200) 내로 이동한 다음, 댐 형성부(200) 내에 위치한 댐(400)을 통과하여, 출구(300)를 통해 빠져 나간다. 도 1a에서 굵은 화살표들은 용매의 이동을 개략적으로 나타낸다.

본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 댐 형성부(200)는 주입구(100)가 연장되는 방향인 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖는다. 즉, 원통형(원기둥)의 형상을 갖는다.

댐 형성부(200)는 댐 형성부(200)의 내부에 댐(400)을 포함한다. 본 발명에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 댐(400)은 동심원 상에 위치한 내주면(410)과 외주면(420)을 갖는 이중의 원기둥의 형상을 갖는다. 다시 말하면, 댐(dam) 형성부(200)의 중심축(예를 들면, 주입구(100)와 출구(300)를 잇는 축)을 기준으로, 댐(400)의 단면(즉, 상기 댐 형성부(200)의 중심축에 수직인 단면)이 두 개의 동심원으로 이루어져 각각 내주면(410)과 외주면(420)을 형성하는 두 개의 원기둥의 형상으로 되어 있다. 이 때, 내주면(410)의 길이와 외주면(420)의 길이는 동일할 수 있고, 내주면(410)의 길이 또는 외주면(420)의 길이는 댐(400)의 길이일 수 있다. 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이에는 충진물(430)(예를 들면, 비즈)이 충진되어 있다.

댐(400)의 최상부는 댐 형성부(200)의 양단부(200a, 200b) 중 주입구(100)로 향하는 일단부(200a)의 내부면과 접하여 있다. 즉, 댐(400)의 최상부에 해당하는 내주면(410), 외주면(420) 및 충진물(430)의 최상부가 댐 형성부(200)의 일 단부(200a)의 내부면과 접하여 있다. 한편, 댐(400)의 최하부에는 내주면(410) 및 외주면(420)과 일체로 형성되거나 내주면(410) 및 외주면(420)과 결합될 수 있는 원판형의 막음판(440)이 위치한다. 즉, 내주면(410), 외주면(420) 및 충진물(430)의 최하부가 막음판(440)과 접하여 있다. 또한, 막음판(440)은 댐 형성부(200)의 양단부(200a, 200b) 중 출구(300)로 향하는 타단부(200b)의 내부면으로부터 소정거리 이격되어 있다. 막음판(440)의 지름은 외주면(420)의 지름과 동일하거나 대체로 일치할 수 있다.

주입구(100)에 주입된 용매는 상기 막음판(440)으로 인하여 댐 형성부(200) 내에서 곧바로 출구(300)로 향하는 것이 아니라, 댐 형성부(200) 내에 위치한 댐(400)을 통과하는데(도 1a의 화살표 참조), 이 때 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이에 충진되어 있는 충진물(430)을 통과하면서, 용매 내에 있던 목적 물질이 충진물(430)에 흡착되어 고상 추출이 이루어지게 된다. 댐(400)을 통과한 용매는 댐(400)의 외주면(420)과 댐 형성부(200)의 내부면 사이의 공간을 지나고 막음판(440)과 댐 형성부(200)의 내부면 사이의 공간을 지나, 출구(300)를 통하여 배출된다.

한편, 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리는 댐(400)의 길이보다 작다. 또한, 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리는 댐 형성부(200)의 길이(즉, 주입구(100)와 배출구(300) 사이의 거리)보다 작다. 그에 따라, 주입구(100)를 통해 댐 형성부(200) 내부로 유입된 용매가 댐(400)을 통과할 때에 용매의 이동 거리(즉, 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리)가 상대적으로 작으므로, 용매의 댐(400) 내부에서의 이동에 따른 차압을 줄일 수 있다.

한편, 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420)은 예를 들면, 다공성 물질일 수 있거나, 또는 충진물(430)보다 크기가 작은 구멍들을 갖는 타공판이나 충진물(430)이 통과하지 못하는 정도의 그물망 구조를 갖는 것일 수 있다. 예를 들어, 다이옥신을 고상 추출법으로 추출하는 경우, 내주면(410)과 외주면(420)은 PP(Poly Propylene), COC(Cyclo Olefin Copoymer) 등의 다공성 물질로 이루어질 수 있다. 한편, 내주면(410)과 외주면(420)이 타공판으로 이루어지는 경우, 타공판의 홀(hole, 미도시)의 크기는 예를 들면 충진물(430)의 지름의 30% ~ 80% 일 수 있다.

도 2는 도 1a의 화살표(*)의 방향으로 바라본 경우, 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이에 충진된 충진물(430)의 형상을 도시한다. 댐(400)에 충진물(430)이 충진된 영역의 단면은 디스크 형상이고, 이를 참조번호 200a로 표시하였다.

다시 도 1a를 참조하면, 주입구(100) 및 출구(300)는 상술한 바와 같이 댐 형성부(200)에 연결되어 있고 댐 형성부(200)와 일체로 형성되어 있을 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 예를 들어 원통형의 형상일 수 있다. 또한, 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축을 기준으로 동일한 선상에 위치할 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)의 각각의 직경은 댐 형성부(200)의 직경보다 작다.

고상 추출용 마이크로 디바이스(10) 및 각 구성요소들의 크기는, 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이 구현될 수도 있다. 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리(L₁)는 예를 들어 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다. 막음판(440)을 포함한 댐(400)의 길이(L₂)는 예를 들어 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 댐 형성부(200)의 길이(L₃)는 예를 들어 0.6 mm 내지 15 mm일 수 있다. 또한, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 직경(D₁)은 예를 들어 1.5 mm 내지 5 mm일 수 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 총 길이(즉, 주입구(100), 댐 형성부(200), 출구(300)를 포함한 전체 길이)(L₄)는 예를 들어 10mm 내지 15 mm일 수 있다. 주입구(100)의 직경(D₂)은 예를 들어 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 출구(300)의 직경(D₃)은 예를 들어 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있다. 댐(400)에 충진된 충진물(430)의 각각의 직경은 예를 들어 35 μm 내지 60 μm일 수 있다. 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420)의 두께는 각각 예를 들어 100μm 내지 300μm 일 수 있다. 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420)이 다공성 물질 또는 타공판으로 이루어진 경우, 내주면(410)과 외주면(420)의 홀(hole, 미도시)의 직경은 충진물(430)이 빠져나가지 못하도록 예를 들어 25 μm 내지 35μm일 수 있다. 도 1b에 기재된 치수는 일 실시예일뿐이고, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞추어 다양한 변형, 변경이 가능하다.

한편, 본 발명에 따르면, 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축으로부터 충진물(430)의 동일한 충진거리는 유사한 차압을 발생 시키기 때문에, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10) 내에서 용매의 균일한 유량분포를 가질 수 있도록 한다. 따라서, 충진물(430)이 충진되는 거리를 동일하게 하도록, 도 1a에 도시된 바와 같이 댐 형성부(200)와 댐(400)을 중심축으로부터 방사되칭되는 형태로 설계하였고 그에 따라 충진물(430)이 충진되는 지역(200a)은 도 2에 도시된 바와 같이 중심축에 수직인 단면이 디스크 형상이 되며, 주입구(100) 및 출구(300)는 상기의 중심축에 위치시켰다. 즉, 댐 형성부(200)는 주입구(100)가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 가지며, 댐 형성부(200) 내의 댐(400)에서 충진물(430)이 충진된 부분인 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 부분이 상기 중심축을 기준으로 중심축에 수직인 단면이 디스크 형태가 되도록 하였다. 이와 같이, 단면이 원형으로 제작되었을 때, 충진물(430)이 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 중심축으로부터 동일한 분포로 유체 흐름 방향으로 형성되며, 그에 따라, 고상추출용 마이크로 디바이스(10)의 불필요한 부피(volume)를 없애고 고상추출의 효율을 극대화 할 수 있도록 하였다.

또한, 상술한 바와 같이, 댐(400)의 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리는 댐(400)의 길이(또는, 댐 형성부(200)의 길이)보다 작아서, 주입구(100)를 통해 댐 형성부(200) 내부로 유입된 용매가 댐(400)을 통과할 때에 용매의 이동 거리(즉, 내주면(410)과 외주면(420) 사이의 거리)가 상대적으로 작으므로, 용매가 댐(400)을 통과할 때의 용매의 이동에 따른 차압을 줄일 수 있도록 하였다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어 진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 고상 추출용 마이크로 디바이스
100: 주입구 200: 댐 형성부
300: 출구 400: 댐
410: 내주면 420: 외주면
430: 충진물 440: 막음판

Claims

고상추출(Solid Phase Extraction)용 마이크로 디바이스(Micro device)에 있어서:
용매가 주입되는 주입구;
상기 용매가 배출되는 출구; 및
상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 용매로부터 목적 물질(target material)의 고상추출(solid phase extraction)이 일어날 수 있도록 충진물이 충진된 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고,
상기 댐 형성부는 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고,
상기 댐의 상기 중심축에 수직인 단면은 상기 중심축을 기준으로 두 개의 동심원으로 이루어져 각각 내주면과 외주면을 형성하고, 상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이에 상기 충진물이 충진되고,
상기 댐의 최상부는 상기 댐 형성부의 양단부 중 상기 주입구와 연결되는 일단부의 내부면과 접하고, 상기 댐의 최하부에는 상기 댐 형성부의 양단부 중 상기 출구와 연결되는 타단부의 내부면으로부터 소정거리 이격된 원판형의 막음판이 위치하는, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 상기 댐의 길이보다 작은, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항에 있어서,
상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 상기 주입구와 상기 출구 사이의 거리인 상기 댐 형성부의 길이보다 작은, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면은 각각 다공성 물질로 이루어진, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면은 각각 타공판으로 이루어진, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주입구, 상기 출구 및 상기 댐 형성부 각각은 상기 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고,
상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작은, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 충진물은 비즈인, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로 디바이스의 총 직경은 1.5 mm 내지 5 mm이고 상기 마이크로 디바이스의 총 길이는 10 mm 내지 15 mm 이고,
상기 댐의 상기 내주면과 상기 외주면 사이의 거리는 0.5 mm 내지 2 mm이고, 상기 댐의 길이는 0.5 mm 내지 10 mm 인, 고상 추출용 마이크로 디바이스.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 막음판은 상기 내주면 및 외주면과 일체로 형성되거나 상기 내주면 및 외주면과 결합될 수 있는, 고상 추출용 마이크로 디바이스.