KR102376573B1 - 원심력 기반 미세유체 칩의 제어 - Google Patents

원심력 기반 미세유체 칩의 제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원심력 기반의 미세유체에서 공압 제어를 통합하는 기술에 관한 것이다. 본 기술은 가압 유체 공급라인들을 구비한 칩 제어기를 제공함으로써, 제어기의 하나 이상의 가압 챔버들과 미세유체 칩의 포트들을 연결하는 단계를 포함한다. 칩 제어기의 적어도 일부는 원심분리기에 장착됨으로써, 칩과 함께 회전하도록 구성된다. 가압 유체 공급장치를 선택적으로 제어하기 위해, 유량 제어장치가 각 공급라인에 배치되며, 이들은 전기적으로 제어된다. 거품 혼합, 온/오프 칩 밸브 작업 및 스위칭에 대한 내용이 기술된다.

Description

원심력 기반 미세유체 칩의 제어 {CENTRIFUGAL MICROFLUIDIC CHIP CONTROL}
본 발명은 원심력 기반의 미세유체 기기, 특히 원리분리기에 칩을 장착하기 위한 원심력 기반의 미세유체 칩용 제어기에 관한 것으로, 이러한 제어기는 칩에 대해 적어도 공압 제어가 가능하도록 구성된다.
소량의 샘플 분석에 있어, 마이크로 통합 분석 시스템(IJTAS)을 포함하는 랩온어칩(labs on chip, LOCs) 등과 같은 미세유체 칩의 사용은 의학, 약학, 음식 및 물의 분석, 병원균 검출 등과 같은 다양한 분야에서 갈수록 증가하고 있다. 대단히 많은 수의 공정들(필터링, 열처리, 혼합, 적재 및 세척, 반응, SPR, PCR 등)이 다양한 기판 및 다양한 테스트 재료에 대해 수행되었다. 수 마이크로 리터의 액체 양을 정밀 제어 및 조작함에 따라, 놀라운 결과가 얻어졌다.
수용액/현탁액(미세유체 공학에서 가장 일반적으로 사용되는 액체) 또는 오일의 방울에는 비딩(beading)을 유발하는 표면 장력이 발생한다. 본원에서 액체라고 함은, 액체 자체와 더불어, 고체 또는 가스에 떠있거나, 이들을 포함하거나 또는 이들을 둘러싸는 액체도 포함하는 것으로 간주되며, 즉 현탁액, 용액, 콜로이드, 분산물(dispersion), 또는 규칙성이 조금 떨어지는 액체인 예컨대, 연속 비즈(beads in a stream)와 같은 부류도 포함하는 것으로 간주된다. 액체의 표면 장력에 의해 비딩이 유발되면, 이로 인해 미세유체의 움직임을 제어하기 어렵게 만들 수 있는데, 이들은 일부 챔버에 잔류할 수 있고 원하는 출구로 접근하지 못 할수도 있기 때문이며, 비즈(beads)가 분리될 경우에는 유체의 움직임을 통제할 수 없게 된다. 미세유체 채널을 통해 유체를 끌어당기는 데 있어, 일반적으로 중력의 힘 그 자체만으는 충분하지 않으며, 공기 압력 차이의 유발에 의해 더 큰 효과를 가질 수 있다.
친수성(hydrophilic) 또는 소수성(疏水性, hydrophobic)의 특성을 갖는 미세유체 채널로 구성된 벽들의 제공에 대한 내용은 공지되어 있으며, 이들은 예컨대, 모세관 효과에 의해 유체의 움직임에 대한 제어를 개선할 수 있다. 그러나, 친수성 또는 소수성의 특성을 갖는 재료들은 대부분 취급하기가 까다롭다. 이와 같이 취급이 어려운 물질의 경우, 소정 시간 동안만 효과가 지속될 수 있으므로, 미세유체 기기의 수명을 단축시킬 수 있다. 또한, 취급의 신뢰성이 떨어질 수 있고, 일부 칩의 경우 유사한 저장 요법에서 볼 수 있는 친수성 또는 소수성의 부족이 발생할 수도 있다. 때로는, 유체가 벽에 결합하면서 유발되는 유체와의 상호작용에 의해, 액체의 오염, 희석 또는 변화 등을 일으킬 수도 있다. 또한, 액체가 친수성 또는 소수성의 특성을 갖게 됨에 따라, 특정 반응 또는 특정 시약에 대해 단점을 노출시킬 수도 있다.
이에 따라, 공압을 사용하여 미세유체 챔버를 통해 유체의 움직임을 제어하고자 하는 많은 시도가 있어 왔다. 이러한 시도는 대략 2가지 형태로 나뉘는데, 그 하나는 유체를 이송하는 동일한 미세유체 채널들이 가압 가스 및 공압 제어층(미세유체 칩 위에 놓임)과 접촉하는 형태의 직접 공압 제어 방식(예컨대, Chow 등에 따른 국제 특허공개번호 WO 0177683)이고, 다른 하나는 압력을 인가하여 채널들을 확장 또는 수축시키는 방식(예컨대, 동 출원인의 계류중인 미국 특허출원번호 12/588,236, 13/643,426 및 13/985,317)이다. 고정된 수의 포트를 가진 칩의 경우, 압력의 제어만으로는 복잡한 미세유체 칩 내의 유체를 제대로 제어하는 데에 있어 한계가 있다. 몇개의 액체 공급원과 반응 챔버로 구성된 전형적인 복합 프로세스의 경우 통상적으로 상당히 많은 수량의 압력 공급라인을 필요로 하며, 이는 작동에 필요한 설비의 복잡도를 상당히 증가시키는데, 즉 압력 공급라인 및 교환 설비로 구성된 대규모의 네트워크를 유발하게 된다.
이러한 기술의 단점은, 미세유체 칩의 작동에 필요한 장비가 복잡하게 구성된다는 점이다. 국제 특허공개번호 WO 2013/053039에서, 그레이 등은 미세유체 공압 밸브의 배치 작업에는 다량의 지원 장비가 필요하므로, 자립식 "랩온칩(Iab-on-chip)" 보다는 "칩인랩(chip-in-Iab)" 상황을 초래한다고 지적하였다.
원심력 기반의 미세유체는 미세유체역학의 한 갈래로써, 원심장(centrifugal field)을 이용하여 유체의 움직임을 미세유체 기기 내에서 조절하도록 구성되며, 이 때 미세유체 칩은 원심 분리기에 장착된다. 원심장은 원심 분리기에 의해 생성되며, 이들 원심장은 미세유체 칩에 대해 연속적으로 변화하도록 구성되고, 유체를 그들이 배치된 임의의 챔버 중 가장 낮은 곳(즉, 회전 중심으로부터 이격된 곳)으로, 또는 보다 일반적으로는, 지지벽이 사용 가능한 곳(유체의 가속이 부재한 곳)으로 유체를 끌어 당기도록 구성된다. 이러한 장에 대한 내용은, 라임 염색 분석을 포함하는 칩 어레이, 프로토콜 및 테스트(첸, 리 등, 2010년 "염색 분석을 위한 회전식 미세유체 어레이 칩", Talanta 81 (4-5): 1203-1208), 전체 셀 감지(데이트, 파시니 등, 2010년 "휴대용 원심력 기반의 미세유체 플랫폼과 포자 기반 유전자 조작 전체 셀 감지 시스템의 통합", Analytical and bioanalytical chemistry 398: 349-356), 실시간 PCR(지아, 마 등, 2004년), 및 단일 분자 검출(멜린, 요한슨 등, 2005년, "단일 분자 검출, 세포 배양 및 작동을 위한 열가소성 미세유체 플랫폼", Analytical chemistry 77(22): 7122-7130) 등에 개시되어 있다.
원심력 기반의 미세유체 기기에서 액체를 시간적으로 및 공간적으로 제어하기 위한 방법에 대해서는, 미세유체 채널의 평면 구조와 더불어 칩 제조에 사용되는 재료의 습윤 특성을 제어함으로써 구현되는 것으로 공지되어 있다(조발 및 마도우, 2004년 "원심 분리기 기반의 유체 플랫폼", IEEE 절차 92(1): 140-153; 루, 쥬앙 등, 2006년 미세유체용 초소수성 밸브. 연례 기술 컨퍼런스 - ANTEC, 컨퍼런스 논문집, 샬럿, 노스 캐롤라이나; 듀크리, 해브르 등, 2007년 "원심력 기반 미세유체 바이오-디스크 플랫폼", Journal of Micromechanics and Microengineering 17(7)). 밸브의 배치 작업은 모세관 밸브(capillary valves) 및 사이펀 밸브(siphon valves)에 의해 구현된다. 출원인은 원심력 기반 미세유체의 계량 및 시간 제어 방법에 대한 내용으로 공동 계류중인 특허 출원을 보유하고 있다(국제특허공개번호 W0 2013/003935). 일부 원심력 기반 미세유체 기기의 경우, 상이한 장소 또는 상이한 원심분리기의 회전 주파수에서 액체의 방출을 제어하도록 구성된 밸브를 포함한다. 이와 같이 원심력 기반 미세유체의 사용을 위한 많은 적용 및 시도가 있음을 알 수 있다.
한편, 기존의 원심력 기반 미세유체 제어 방법에는 제약이 있다. 전술한 바와 같이, 습윤성의 제어를 위한 표면 처리 방법에는 문제점을 갖고 있는데, 액체의 제어(사이펀 또는 보세관 밸브에 의한)는 습윤성(액체의 접촉각)에 민감하기 때문이다. 어떤 액체가 밸브로 구성되는지에 대해서도 중대한 제약이 있다. 또한, 버스트 주파수(burst frequencies)로 인해, 모세관 밸브가 어디에 배치될 수 있는지에 대해서도 제약이 있다. 또 다른 문제점으로는, 접촉각 히스테리시스의 불확실성을 들 수 있다. 이에 따라, 매우 적은 수(예컨대 3개 이하)의 모세관 밸브를 필요한 분기점에서, 전형적인 원심분리기의 회전 속도로 구동시킴으로써, 일반적인 장치의 공간에 대한 중복 작업을 피하도록 구성될 수 있다. 타이밍은 일부 사이펀 밸브에 있어 중요한 제약 사항이 될 수 있는데, 왜냐하면 사이펀 밸브는 유동을 개별적으로 중단시키지 않는 한편으로, 유동을 억제함으로써 작동하기 때문이다. 유체의 유동을 영구 중단시킬 수 있는 이러한 사이펀 밸브에서는, 원심장과 관련한 칩의 각도에 대한 제어가 요구된다. 각 밸브 마다 독립적인 시간적 제약 요소를 갖도록 구성되는데, 이는 액체 및 표면 처리 방법에 따라 달라진다. 따라서, 효율적인 밸브의 수명은 다른 공정들의 완성 시간에 따라 제한을 받게 되며, 이들은 칩이 디자인되는 미세유체의 공정을 위한 디자인에 대해 추가 제약 사항이 된다. 또한, 형상 및 표면 처리는 양자 모두 중요한 특성이며, 액체의 매우 좁은 범위 내에서 모세관 밸브를 정교하게 제어하는 것는 매우 어려운 과제일 수 있는데, 패턴 결함에 의해 추가 변동이 발생할 수 있기 때문이다.
이러한 문제점들 외에, 원심력 기반 미세유체의 액체에 대한 제어 방법에도 다른 문제점들이 존재하는데, 일반적으로 단방향 유동으로 인해 혼합을 구현하기 어려운 점(이에 대한 해결책이 출원인의 국제특허공개번호 WO 2013/0120190에 개시되어 있더라도), 액체의 로딩/언로딩에 대해서도 복잡한 보조 장비를 필요로 할 수 있다는 점 등이다.
데스몬드에 의한 미국 특허공개번호 US 2007/0059208에서는, 입력 챔버로 유입된 유체를 통로를 거쳐 반경방향 외측으로 이동시키기 위한 회전식 유체 처리 장치를 개시하고 있다. 데스몬드는 다양한 방법으로 유체를 유입하는 방법에 대해서 개시하고 있으나, 이들 방법들은 칩의 회전 이전에 수행되어야 한다는 단점을 안고 있다.
주첼리 등에 의한 미국 특허공고번호 US 7,152,616에서는, 도 6과 관련하여, 외부로부터 유입된 유체를 안쪽 반경 위치로 이동시키도록(이를 "리플로우[reflow]"로 지칭함) 구성된 에어 플러그(air plug)를 포함하는 원심력 기반 미세유체 칩의 사용을 개시하고 있다. 리플로우는, 원심분리기가 작동하지 않을 경우 재료 층을 관통함으로서 제어되도록 구성된다. 원심분리기에 의해 칩의 유체 이동 및 리플로우의 동작이 제어되기 때문에, 유체의 이동(리플로우 영역과 이격된) 및 리플로우를 독립적으로 제어하는 것은 불가능하다. 제한된 리플로우를 활성화하는 데 필요한 칩 공간과 함께, 이러한 기술에 따른 채널에 대한 제약으로 인해 많은 단점이 부각되었다. 다른 유사한 접근 방법에 대해서는, 고킨 3세, 클라임 등의 2010년 "원심력 기반 미세유체 플랫폼에서의 공압 펌프"(Microfluidics and Nanofluidics 9: 541-549), 및 아비 삼라, 클라임 등의 2011년 "원심력 기반 미세유체 플랫폼에서의 열 공압 펌프"(Microfluidics and Nanofluidics 11(643-652))에 기재된 비접촉식 가열 수조에서의 가스의 열팽창에 대한 내용 등에서 논의되었다.
전술한 그레이 등의 국제특허공개번호 WO 2013/053039에서는, 채널들 사이의 교차부에서 다수의 전자 제어식 밸브을 갖는 웰(well)을 상호 연결함으로써, 샘플 웰들(sample wells) 사이에 재구성된 유체 라우팅 트랙(reconfigurable fluid routing track)을 형성하도록 구성된 2D 배열의 미세유체 채널을 개시하고 있다. 그레이 등은 언급하기를, "미세유체 채널을 확장할 때, 표면 장력, 모세관 힘, 및 기타 유체 역학은 중요한 고려 사항이 된다. 미세유체의 적용시 일반적으로 펌프 또는 원심력을 통해 외부 압력 소스를 필요로 하거나, 또는 유동시의 동전기학(electrokinetics)을 필요로 한다." 그레이 등은, 유체의 구동을 위한 소스로 자기 펌핑(magnetic pumping)을 사용하는 방법에 대해서도 개시하고 있다.
그레이 등은 또한, 재사용 가능한 파트로부터 미세유체 시스템의 오염 요소를 분리하는 중요성에 대해 언급하고 있으며, 구체적으로는 2D 배열을 포함하는 미세유체용 카트리지에 대해 정의하고 있다. 이러한 시스템에 의해 제공되는 재구성의 장점에도 불구하고 카트리지의 제조 비용을 만회하기는 어려울 듯 하다. 카트리지는, 패터닝(patterning) 및 소프트 리소그라피(soft lithography) 외에도 자성 입자 주입 및 마이크로 구동식 밸브 기반의 상감 하이드로 겔(inlaid hydro-gel) 등을 필요로 한다. 따라서 이러한 카트리지의 제조에는 높은 비용이 소요될 뿐만 아니라, 다량의 공급 장치와 더불어 다량의 전기 연결부를 필요로 한다. 이러한 카트리지는 단일 아이템으로는 너무 고가여서, 범용으로 적용하기에는 부담스럽다. 또한, 하이드로 겔 마이크로 밸브는 분석시, 특정 미세유체와 반응할 수 있다. 유체의 제어를 위해서는 고전압 및 자기장이 요구되며, 유체가 한쪽 챔버에서 다른쪽으로 이동하거나 또는 시약 등과 혼합되어야 하는 경우에는, 미세유체의 이동이 매우 늦어지므로 공정도 매우 지연된다.
일부 종래 기술에서는, 원심분리와 공압의 장점을 결합하는 시도가 있어 왔다. 예컨대, 콩과 살린의 2010년 "원심력 기반 미세유체 플랫폼에서 표준 첨가물에 적용되는 무밸브식 공압 유체 이송 기술"(Analytical Chemistry 83(23): 9186-9190)에서는, 원심력으로 작동되는 공압의 생성을 위해 압축 가스를 사용함으로써, 칩이 원심분리되는 동안 칩을 통해 유체 유동을 유도하도록 구성된, 공압식 유체 이송 기술에 대해 개시하고 있다. 콩과 살린은 또한, 외부의 고정 수조로부터 회전하는 미세유체 칩의 표면으로 압축 공기를 불어넣는 방법에 대해서도 개시하고 있다. 표면의 접근 포트가 얇은 튜브(노즐)를 통해 외부 수조에서 불려온 스트림을 통과할 때마다, 칩 내의 액체에는 힘의 펄스가 부과된다. 솔레노이드 밸브를 사용하여, 종이 등으로 압력의 온/오프를 전환한다. 이 기술은 비교적 간단한 문제에 대해서는 유용한 것으로 입증되었을지라도, 칩의 회전시 가압 유체 공급장치와 벤트가 간헐적으로 연결되기 때문에, 저렴한 공압 공급장치를 사용하여 유체의 전달을 제 때에 정확히 잠정 제공하는 것이 어려우므로 또 다른 문제에 봉착하게 된다.
따라서, 원심 분리 기술이나 공압 기술보다 더욱 효과적으로 미세유체의 제어를 독립적으로 구현할 수 있는 원심력 기반 미세유체의 제어 기술, 특히 보다 적은 사용자 간섭으로도 공정을 수행할 수 있거나 또는 종래 기술에서 나타난 하나 이상의 명확한 제약을 피할 수 있는 제어 기술에 대한 필요성이 존재한다.
출원인은 미세유체 칩에 대해 공압 제어 및 원심력 제어를 독립적으로 제공하기 위한 기술을 개발하였다. 이러한 두가지 제어 기술의 결합에 의해, 지금까지 보고되지 않은 칩의 작동을 구현함으로써, 기존 지식에 의해 도달할 수 없거나 어려워 했던 많은 문제점의 해결 방안이 제시되었다.
본 발명에 따른 미세유체 칩 제어기는 본체, 가압 유체 공급장치, 유량 제어장치 및 전기회로를 포함하도록 구성되며, 본체는 원심 분리기에 미세유체 칩의 동시 장착을 허용하면서 원심 분리기에 장착하기 위한 커플링을 포함함으로써 본체와 칩이 원심 분리기에 의해 회전 가능하도록 구성되고, 본체는 제1가압 유체 공급장치로 연결되는 제1개구를 포함하며, 가압 유체 공급장치는 제1 및 제2단부를 갖도록 구성되고, 제1단부는 제1개구와 유체 연통하며 제2단부는 칩의 포트와 유체 연통하도록 구성되고, 유량 제어장치는 공급 라인에 배치되며 제2단부에서 가압 유체 공급장치를 선택적으로 제어하도록 구성되고, 전기회로는 유량 제어장치를 제어하도록 구성된다. 따라서 이와같이, 칩이 원심분리기와 장착되고 공급 라인이 칩의 포트와 연결되도록 장착된 미세유체 칩 제어기에 의해, 원심 분리시 가압 유체를 칩 내로 공급 제어할 수 있도록 구성된다.
제1가압 유체 공급장치는 칩이 디자인된 미세유체의 밀도보다 높거나 낮은 밀도를 가질 수 있고, 미세유체와 낮은 혼화성(miscibility) 또는 용해성(solubility)을 갖도록 구성될 수 있다. 제1가압 유체 공급장치는 가압 유체를 보유할 수 있도록 구성된다. 가스는, 정제되거나 살균된 공기 또는 질소 등과 같이 칩의 의도된 공정에서 사용되는 불활성 가스(반응물과 기판에 비반응성을 갖도록 구성)일 수 있다. 가스는 0.1 ~ 2.5 기압, 또는 0.5 ~ 0.997 기압, 또는 1.003 ~ 2 기압, 또는 1.003 ~ 1.8 기압 등의 절대 압력을 가질 수 있다. 가스는 주위 압력(ambient pressure)을 갖거나 또는 주위 압력보다 높거나 낮은 적어도 0.003 기압을 갖도록 구성될 수 있다.
미세유체 칩 제어기는 적어도 2개, 3개, 4개 또는 8개의 가압 유체 공급 라인을 더 포함할 수 있으며, 이들 공급 라인은 각각의 제1단부에서 하나 이상의 가압 유체 공급장치와 연통하고, 각각의 제2단부에서 커플링(칩의 포트에 밀봉 장착하기 위한 용도)을 제공하도록 구성된다. 각각의 가압 유체 공급장치는 상이한 압력에서 독립적으로 유지되도록 구성될 수 있다.
원심분리기에 제어시스템을 장착하기 위한 커플링은, 원심분리기의 블레이드에 칩을 장착하기 위한 곳과 간섭하지 않는 위치에서 원심분리기의 블레이드에 부착되는 기계 장치 또는 원심분리기의 블레이드에 장착된 칩에 부착되는 기계 장치를 제공할 수도 있다. 본체는 칩의 적어도 일부분을 장착하거나 또는 지지하도록 구성된 파트를 포함할 수 있다. 커플링에 의해, 다수의 칩을 원심분리기에 동시 장착할 수 있도록 구성될 수 있다. 제1공급 라인은 제2단부에서 다수의 커플링을 제공하도록 분기될 수 있으며, 이에 의해 각 다수의 칩에 배치된 제1포트들과 각각 유체 연결하도록 구성된다. 장착부는 블레이드에 대해 칩을 회동시킬 수 있도록 구성된 조인트를 포함할 수 있다.
전기회로는 전기 부품에 전원을 공급하거나 또는 신호를 제공하도록 구성되며, 칩 상에 전기 부품을 연결시키기 위한 전기 리드를 더 포함할 수 있다.
미세유체 칩 제어기는 원심분리기의 회전 평면에서 칩의 모션을 제어하도록 구성된 기계식 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 상기 모션은 평면 상에 투영시 적어도 5도의 칩 회전을 포함할 수 있다.
하나 이상의 가압 유체 공급장치는, 펌프 등의 부압 소스(negative pressure source) 또는 양압 소스(positive pressure source)와 연통하도록 구성된 밀폐식 가압 챔버 또는 가압 챔버를 포함할 수 있다. 펌프를 칩 제어기에 장착시 예컨대, 블레이드의 회전 중심 가까이에서 장착함으로써, 블레이드에서 모멘트를 제한하도록 구성할 수 있다. 전기회로는 펌프를 제어하도록 구성될 수 있다. 핌프용 전원 공급장치는 칩 제어기에 장착될 수도 있고 또는 블레이드에서 이격 배치될 수도 있으며, 슬립 링(slip ring) 등의 회전식 전기 접촉 커플링에 의해 펌프와 연결될 수도 있다. 부압 또는 양압 소스는 블레이드에서 이격 배치될 수도 있으며, 챔버는 공압식 슬립 링을 통해 펌프와 연결될 수 있다.
본체는 원심분리기와 함께 회전하도록 장착되는 슬립 링 로터(rotor) 및 슬립 링을 정의하도록 구성된 스테이터(stator)를 포함할 수 있다. 다수의 가압 유체 공급장치에는 다수의 슬립 링을 통해 챔버들이 각각 제공될 수 있다.
미세유체 칩 제어기는 제어 신호, 데이타 및 전원의 공급을 위해 고정식 제어기와 전기회로를 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 회전식 전기 접촉 커플링을 포함할 수 있다.
미세유체 칩 제어기는 본체 및/또는 칩에 장착되는 센서 또는 액츄에이터를 더 포함함으로써, 칩 또는 그 안에 포함된 액체의 특성을 측정하도록 구성될 수 있다. 센서 또는 액츄에이터는 전기회로와 연결될 수 있으며, 칩 내의 유체 위치에 대한 정보를 피드백하거나 또는 칩 내의 유체 위치를 변경하도록 구성될 수 있다. 센서 또는 액츄에이터는 화학적, 물리적 또는 전기식 센서 또는 액츄에이터로 구성될 수 있으며, 온도 센서 또는 조절기, 유체 다이내믹 센서 또는 조절기, 광 센서 또는 광 에미터(optical emitter) 등을 포함할 수 있다.
챔버들 중 하나는 압력 센서와 피드백에 의해 소정의 압력에서 유지되도록 함으로써, 예컨대, 선택적으로 펌프를 작동시켜, 챔버와 부압 또는 양압 소스를 선택적으로 연결시키도록 구성될 수 있다.
또한 이에 따라, 미세유체 칩 내에서 가압 유체 공급을 제어하는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 미세유체 칩 제어 시스템을 원심분리기에 장착하고 미세유체 칩을 원심분리기에 장착함으로써, 본체와 칩이 원심분리기에 의해 회전 가능하도록 구성하는 단계; 제어시스템에 적어도 하나의 가압 유체 공급장치를 제공하는 단계; 적어도 하나의 챔버와 칩의 포트 사이에서 연통하는 가압 유체 공급 라인을 연결시키는 단계; 및 공급 라인에서 유량 제어장치를 작동시킴으로써 가압 유체 공급장치를 칩에 대해 선택적으로 제어하는 단계;를 포함한다.
가압 챔버는 원심분리기의 작동시, 챔버 내 액체의 메니스커스(meniscus) 아래에 있는 챔버로 주위보다 큰 압력을 공급함으로써, 액체에 거품을 일으키도록 구성될 수 있다.
유량 제어장치를 작동시키는 단계는, 칩의 제1 및 제2포트 사이에 압력차를 인가시킴으로써 칩의 수조 내 액체에 거품을 일으키는 단계를 포함할 수 있으며, 이 때 제1포트는 액체의 메니스커스 아래에 있는 수조와 연결되고 제2포트는 메니스커스 위에 있는 수조와 연결되며, 제2포트에 인가된 압력은 제1포트에 인가된 압력보다 낮도록 구성된다.
유량 제어장치를 작동시키는 단계는, 채널에 압력을 인가함으로써 채널과 연결된 제1수조로부터 제2수조로 액체를 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 제2수조는 제1수조보다 원심분리기의 회전 축선에 가깝도록 배치될 수 있다. 제1수조는 칩으로부터 이격된 바이얼(vial) 내에 배치될 수 있으며, 제2수조는 칩 상에 배치되도록 구성될 수 있다. 채널에 압력을 인가하여 액체를 이동시키는 단계는 사이펀 밸브를 초기화하는 단계를 포함한다. 유량 제어장치를 작동시키는 단계는, 다수의 공급 라인 내에 배치된 다수의 유량 제어장치를 구동함으로써 하나 이상의 방향으로 액체를 선택적으로 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에는 또한 키트(kit)가 제공되며, 키트는 상술한 바와 같은 방법을 수행하기 위한 사용자 명령; 상술한 바와 같은 칩 제어기; 및 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 프로그램 명령을 포함함으로써, 상술된 방법에 따라 칩 제어기의 유량 제어장치를 제어할 수 있도록 구성된다. 키트는 튜브를 더 포함함으로써, 미세유체 칩의 포트를 공급 라인, 미세유체 칩, 원심분리기 또는 원심분리기의 블레이드와 연결하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 다음의 상세한 설명에 대한 과정에서 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 따라, 미세유체 칩에 대해 공압 제어와 원심 제어를 독립적으로 제공하기 위한 기술이 제공되며. 이러한 두가지 제어 기술의 결합에 의해, 지금까지 보고되지 않은 칩의 작동을 구현함으로써, 기존 지식에 의해 도달할 수 없거나 어려워 했던 많은 문제점의 해결 방안이 제시된다.
본 발명을 보다 명확하게 이해할 수 있도록, 그 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 예로서 상세하게 설명한다:
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 2는 온보드식 펌프(on-board pump)를 갖도록 구성된, 본 발명의 제2실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 3는 원심 분리기의 블레이드와 일체화되도록 구성된, 본 발명의 제3실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 4는 2개의 칩 제어기를 원심 분리기의 블레이드와 일체화시키고 칩 제어기에 적층된 칩을 갖도록 구성된, 본 발명의 제4실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 5는 도 2의 칩 제어기를 플렉시블 튜브와 연결시키고 칩이 블레이드에 장착되도록 구성된, 본 발명의 제5실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 6은 Y자 형태의 3종류의 압력 제어 라인으로 구성된, 본 발명의 제6실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 7은 원심분리기의 블레이드에 전기식 슬립 링이 장착되도록 구성된, 본 발명의 제7실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 8은 추가의 센서들 및 액츄에이터를 갖도록 구성된, 본 발명의 제8실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 9은 칩 제어기와 컴퓨터 사이에 전자기식 통신 수단을 갖도록 구성된, 본 발명의 제9실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 10은 칩 제어기가 공압식 및 전기식 슬립 링을 포함하도록 구성된, 본 발명의 제10실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 11은 밸브를 주위 압력으로 선택적으로 개방함으로써 원심 분리 제어 및 공압 제어가 가능하도록 구성된, 본 발명의 제11실시예에 따른 칩 제어기의 개략도이다;
도 11a,b는 본 발명의 테스트에 사용된 칩 제어기의 이미지들이다.
도 12는 상이한 회전 속도 및 인가 압력에서 측정 및 예측된 액체의 변위에 대한 그래프이다;
도 12a 내지 c는, 원심력 기반 미세유체를 사용하여 공압 밸브 작업, 역방향 펌핑 및 공압 스위칭을 각각 효과적으로, 유일하게 제공할 수 있는 공정을 수행중인 칩에 대한 이미지들이다;
도 13은 칩 탈거 공정을 수행중인 칩에 대한 4장의 이미지 그림들이다;
도 14는 거품 혼합 공정을 수행중인 칩에 대한 3장의 이미지 그림들이다;
도 15는 혼합 및 정제(aliquoting)를 위해 고안된 칩의 개략도이다;
도 16은 용해(lysis), PCR 및 혼성화(hybridization)를 위해 고안된 칩의 개략도이다;
도 17은 검출용 직물(detection cloth)에 기반한, 응답 시스템에 대한 샘플용으로 고안된 칩의 개략도이다;
본원에 기술된 내용은 미세유체 칩 내의 액체를 제어하기 위한 기술에 대한 것이다. 이러한 기술은 공압의 적용을 수반하는 한편, 유체는 원심장의 범위에 있도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 칩 제어기(10a)의 개략도이다. 본원에서는 다수의 실시예들이 도시 및 기술된다. 동일한 도면 부호는 동일한 기능을 갖는 것으로 지칭되며, 이러한 각 요소들에 대한 내용은 각 도면마다 중복 설명되지 않는다. 실시예들은 다양한 대안예들을 도시한다. 각 대안예들은 다른 대안예들과 서로 용이하게 결합 가능하며, 특정 실시예가 반드시 대응되는 대안예를 갖고 있는 것은 아니다.
미세유체 칩 제어기(10a)는 제어기(10a)를 원심분리기(도시되지 않음)의 블레이드에 장착하도록 구성된 한쌍의 클램프(12a)를 구비한 본체를 포함한다. 본원에서 블레이드라 함은 그 모양에 상관없이 원심분리기의 회전부를 지칭한다. 당연히 이러한 장착에 대한 내용들은 당업계에 다양한 형태로 공지된 것일 수 있다. 클램프(12a)는 클램프를 적절한 블레이드에 올바로 체결하기 위한 바이스 드라이버(vice driver, 12b)를 포함한다. 클램프(12a)는 일반적으로 특정 블레이드 또는 특정 범위의 크기를 가진 블레이드에 장착하도록 디자인되고, 특히 미세유체 칩을 원심분리기에 동시 장착하도록 허용함으로써, 장착부와 칩이 원심분리기에 의해 회전 가능하도록 구성된다.
본체는 4개의 가압 유체 공급 라인(15)과 각각 유체 연통하도록 구성된 가압 유체 챔버(14)를 포함하며, 가압 유체 공급 라인은 챔버(14) 및 본체의 에지 상에 배치된 각 포트(16a)로부터 연장되도록 구성된다. 포트(16a)는 커플링의 제1예로서, 칩의 포트에 밀봉 장착을 구현하도록 구성되며, 당연히 임의의 수의 다른 인터페이스가 사용될 수도 있다. 각 포트(16) 와 챔버(14) 사이에 전기제어식 밸브(18)가 제공됨으로써, 챔버(14)에 대해 포트(16)를 선택적으로 개폐할 수 있도록 구성된다. 밸브들은 유량 제어장치의 제1예로서, 포트(16)를 통해 가압 유체 공급장치의 제공을 선택적으로 제어할 수 있도록 구성된다. 밸브들은 개방 및 폐쇄의 두가지 상을 가진 밸브일 수도 있고 또는 한가지 상태에서 밸브의 누수를 제어하는 한편, 개방 상태에서 압력을 전부 연통하도록 구성된 가변식 제어 밸브일 수도 있다. 또한, 스위치는 공지된 형태의 3방 밸브와 통합되거나, 또는 이보다 복잡한 형태의 장치와 통합될 수 있다. 실제의 밸브는 필요하지 않다는 점을 추가로 주목할 필요가 있다. 스위치는 챔버(14)로부터 챔버(14)(또는 기타)로 향하는 제2연결부까지 선택적으로 연결해 주도록 구성되며, 공급 라인(15)의 경우 스위치와 완전히 동일한 효과를 갖는다.
전자 제어기(19)가 회로에 제공됨으로써, 밸브(18)와 전자 제어기(19) 사이의 전기 신호 연결을 통해 독립적으로 밸브(18)의 상태를 제어하도록 구성된다. 전자 제어기(19)는, 정해진 프로토콜에 따라 밸브(18)의 작동과 관련된 프로그램 시퀀스를 결정하기 위한 신호 정보 또는 타이밍 정보를 더 구비하도록 구성되거나 또는 다른 제어기에 응답하도록 구성될 수도 있는데, 이들은 또한 칩 제어기(10)에서 또는 블레이드에서 원심분리기, 임의의 다른 센서, 액츄에이터 또는 칩에 사용되는 전자 기기의 작동을 지시할 수 있도록 구성된다. 활성 공압 부품을 배치할 경우, 예컨대 압력 센서, 압력 조절기, 발열체, 온도 센서, 전기 화학 센서, 광 또는 형광 검출기를 포함하는 다양한 전기 제어 요소들을 칩 상에서 간단히 통합 구성할 수 있다.
압력 공급장치(PS)는 챔버(14)와 연결되도록 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 연결 방법은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 예컨대, 칩 제어기(10a)가 오프라인일 때, PS는 챔버(14)를 팽창시키거나 또는 가압하는데 사용되는 탱크나 펌프로 구성될 수 있으며, 챔버는 챔버가 사용될 때까지 압력이 챔버 내에 적절히 유지되도록 기능하는 커플링을 포함한다. 다른 방법으로는, 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 고정 소스로부터 가스의 제트를 수용하기 위한 수용 개구를 포함하도록 PS를 구성하는 것이다. 대안적으로, PS는 하기의 실시예들에 도시된 바와 같이, 슬립 링 커플러(slip ring coupler)나 또는 장착식 펌프로 구성될 수도 있다.
미세유체 칩 내 액체 상에 많은 작업을 수행하기 위해 주변 압력 사이에 큰 압력 차이를 둘 필요는 없다. 약 1-3% 상하의 주위 압력 차이면 충분히 미세유체 칩 내의 액체를 칩 상에서 유용한 거리 만큼 이동시킬 수 있다. 챔버(14)는 큰 체적을 갖도록 함으로써, 사용되는 공급 라인(15)의 개폐시 가압의 변화를 최소화하도록 구성될 수 있다. 이러한 체적은 탄성 변형식으로 구성될 수도 있거나 고정형으로 구성될 수도 있다. 가압 챔버가 주위 압력으로 유지될 경우, 챔버(14)는 예컨대, 밸브 스탑(valve stop)의 크기와 같이 매우 작게 구성될 수도 있다. 온보드식(즉, 칩 제어기[10], 블레이드, 칩 또는 블레이드를 회전시키는 다른 파트에 탑재되는 형식의) 또는 오프보드식 펌프를 사용함으로써, 사용중 챔버(14)를 재가압하거나 또는 그렇지 않으면, 챔버(14) 내 압력을 고정 압력 또는 바람직한 변동 압력으로 유지되도록 구성할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 칩 제어기(10b)의 개략도이다. 제1실시예와의 주요한 차이는 제2실시예의 경우, 온보드식 펌프(20)와 함께 두개의 추가 밸브(18) 내에 배치되는 제2 및 제3펌프(14)를 포함한다는 점이다. 펌프(20)는 큰 챔버(14)를 고정 압력으로 유지시키도록 디자인될 수 있으며, 이를 구현하기 위한 피드백 센서를 포함할 수 있다. 두개의 추가 밸브는 조금 더 작은 크기로 도시되어 있으나, 그렇지 않게 구성될 수도 있다. 이러한 두개의 추가 밸브에 의해 4개의 공급 라인(15) 중 2개(도시에서 안쪽)를 선택적으로 개방하도록 구성된다.
제 1 및 제2실시예의 칩 제어기는, 원심분리기의 블레이드에 장착시 연결부가 실질적으로 충분한 강성을 갖도록 디자인되고, 각 공급라인도 칩의 각 포트들(역시 블레이드에 장착됨)과 연결되도록 디자인될 수 있다. 칩 제어기(10)는 예컨대, 블레이드의 반경방향 내측(상단), 중간 또는 반경방향 말단(하단) 에지 부근 등 블레이드의 평평한 부분에서, 블레이드의 에지 방향으로 장착될 수 있다. 칩 제어기의 중량은 그 위치에 있는 블레이드의 원심력 부하만큼 크지 않아 그 영향이 미미하므로, 일반적으로 칩 제어기의 장착은 상단과 가깝게 하는 것이 유리하다. 또한, 전기용 슬립 링, 가압 유체 또는 다른 공급 장치는 원심분리기의 중심축과 동축 상에 제공됨으로써, 원심분리기의 중심 주변 영역을 장착하기 양호하도록 만들 수 있다. 칩 제어기의 장착은 필연적으로 칩의 장착을 수반할 수 있으나, 칩과 제어기를 각각 독립적으로 장착하도록 구성할 수도 있다. 칩이 칩 제어기(10)에 의해 보유되거나 또는 칩 제어기로 덮혀 있을 수 있으므로, 칩도 칩 제어기(10)를 보유하거나 칩 제어기를 덮도록 구성될 수도 있는 반면, 서로 접촉하지 않도록 구성될 수도 있다.
도 3은 일단부(좌측)에 통합 칩 제어기(10c)가 배치된 원심분리기의 블레이드(22a)의 개략도를 개시하며, 미세유체 칩(25)과 공급 라인(15)이 유체 연통하도록 구성된다. 공급 라인(15)과 칩(25)을 밀봉 연결하기 위한 포트(16b)는 칩(25)의 상단 에지부에 배치된다. 공급 라인(15)은 칩(25)의 에지부에 장착된다. 블레이드(22)를 원심분리기에 장착하기 위해 관통 구멍(24)이 제공된다.
도 4는 2개의 통합 칩 제어기(10d)가 배치된 블레이드(22b)의 개략도를 도시하며, 도 3의 제어기(10c)와 다른 점은 도 4의 제어기의 경우, 칩의 미세유체 채널(미도시)과 밀봉 연결하기 위한 포트(16c)의 위치 및 방향으로 5개의 공급 라인(15)을 가지며(도 3은 4개), 가압 소스가 슬립 링(26)으로 구성된다는 점으로, 슬립 링은 관통 구멍을 커버하고 원심분리기에 대한 장착 기능을 수행하도록 구성된다. 공급 라인 중 하나는 추가의 공급 라인(15)을 제공하도록 분기된다는 점을 주목할 필요가 있다.
펜스(28)에 의해 미세유체 칩의 홀더가 정의되며, 홀더는 칩 제어기(10d)의 상단에 장착되도록 구성된다. 이러한 적층 배치는 공간 이용에 편리하다. 칩은 포트들(16c)에 맞춰 정렬된 포트들을 포함함으로써, 칩이 칩 홀더에 배치시 밀봉 연결하도록 구성된다. 칩으로의 용이한 장착을 위해 제어기(10d)의 표면은 매끄럽게 구성될 수 있으며, 각 칩 포트 주위에 밀봉 링을 제공함으로써, 각 포트(16c) 주위가 밀봉되도록 구성될 수 있다.
본 실시예는 슬립 링 매니폴드를 제외한 다른 공통 장비가 없는 평행식 칩 제어기(10d)를 도시한다. 도 6의 경우 두개의 칩에 대해 하나의 칩 제어기가 배치된 경우를 도시한다.
도 5는 칩(25)을 구비한 원심분리기의 블레이드(22c)에 장착된 형태의 칩 제어기(10b)에 대한 개략도를 도시한다. 칩 제어기(10b)의 포트들은 플라스틱 튜브(29)에 의해 칩(25)의 포트들과 연결된다. 도시된 실시예에서는 각 포트의 연결에 한개의 튜브(29)만을 갖도록 되어 있으나, 튜브를 분기시켜 2개 이상의 포트에서 칩(25)과 연결되도록 구성할 수 있고, 특수 목적의 다중 경로형 커넥터를 사용하여 칩 제어기(10)의 하나 이상의 포트와 칩(25)의 각 포트를 연결할 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
도 5의 실시예에서는 선택 사항으로 칩(25)에 장착되는 수동식 스위블(passive swivel)을 포함할 수 있으며, 이러한 스위블은 원심 분리 속도를 변화시킴으로써 작동 가능하도록 구성되는데(점선으로 개략 도시됨), 아직 출원번호가 부여되지 않은 출원인의 공동 계류중인 특허에 개시된 것으로, 그 내용은 본원에 참조로 인용된다. 수동식 스위블은 자유 조인트(31a)를 기준으로 1도의 각도만큼 이격 배치됨으로써, 자유 조인트에 의해 원심분리 평면에서 칩이 회전 가능하도록 구성되는 한편, 탄성 라인(31b)에 의해 구심력을 상쇄하도록 구성된다. 다양한 형태로 장착 방법을 구성할 수 있으며, 이들 방법은 대안적으로 칩 제어기의 전자에 의해 구동될 수도 있고 및/또는 칩 제어기와 교신하는 센서들에 의해 모니터링될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 스위블 장착에 의해 칩 제어기와 칩을 일괄 이송 가능하며, 이에 의해 칩과 제어기 사이에서 본 실시예에 도시된 튜브(29)와 같은 유연성을 갖춘 커플링이 필요없도록 구성 가능하다는 점을 추가로 주목할 필요가 있다.
도 6은 앞서의 제어기(10b)와는 공급 라인(15)의 형태가 상이한 칩 제어기(10e)의 개략도를 도시하며, 칩 제어기(10e)와 V자형 블레이드(22d)의 연결을 위해 밴드 클램프(band clamp)가 사용된다. 또한 칩 제어기(10e)는 3개 세트의 공급 라인(15)을 포함하는데, 하나는 밸브(18)에 의해 챔버(14)에만 연결되고, 다른 하나는 밸브(18)에 의해 주위 압력과만 연결되며, 또 다른 하나는 두개의 밸브를 통해 주위 압력이나 챔버(14) 모두와 연결되도록 구성된다. 압력 공급원으로는 주위 공기만이 작용하거나 또는 양/부의 가압 챔버가 사용될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 더 많은 동작을 위한 압력 유지의 관점에서는 보다 크고 변형 가능한 챔버가 유리할 수 있으나, 작은 챔버의 경우 공간 절약의 장점 외에, 압력 공급장치로 하여금 소정의 압력을 빨리 복원시키는데 있어서 보다 효율적일 수 있다. 밴드 클램프는 밴드(12d) 및 밴드(12d)를 수용하기 위한 그루브가 포함된 1세트의 서포트 블럭(12c)에 의해 제공된다.
도 7은 칩 제어기가 원심분리기(30)에 장착된 형태의, 본 발명의 실시예에 대한 개략도를 도시한다. 본 실시예에서는, 2개의 칩 및 2세트의 독립 밸브(3개로 구성)가 블레이드(22)의 각 측면에 장착되어 있다. 전기식 슬립 링(34)에 의해, 고정식 전자 제어기(19a) 및 전원(19b)으로 하여금 각 밸브(18)의 제어가 가능하도록 구성되며, 이들은 휴대용 경량 전원과는 반대 위치에 배치된 버스(32)를 통해 독립 배치된다. 도시에서는 전원(19b)이 전자 제어기(19a)와 분리되어 있으나, 하나 이상의 파트 내에 다양한 형태의 전자 제어장치가 제공됨으로써 독립적인 기능을 수행할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 챔버(14)는 시스템에 대한 압력 공급장치로 기능하는 충전 수단(미도시)을 구비한 캐니스터(canister)로 구성될 수 있다.
도 8은 도 7의 구성에 옵션 기능이 부가된 형태의 실시예를 도시하는 개략도이다. 전자 제어기(19a)와 교신하도록 구성된 열제어식 패드(36)에 의해 가열 기능을 제공함으로써(다른 실시예들에서는 수요에 따라 냉각 기능 또는 냉각/가열 기능을 제공함), 예컨대 소정의 온도에서 칩(25)을 유지하도록 구성되며, 이는 많은 프로토콜에서 요구되는 기능이다. 바람직하게는, 열제어식 패드(36)는 열 출력의 조절을 위한 온도 센서(37)를 포함하며, 내부 반응 또는 발열 반응이 칩(25)에서 발생하는지의 여부를 확인할 수 있을 만큼 민감하게 구성하는 것이 바람직하다. 온도 센서(37)는 버스(32)를 통해 전자 제어기(19a)와 교신함으로써, 온도 데이터를 수집하는 한편, 칩(25)에서 수행되는 공정의 단계를 식별하는데도 또한 사용될 수도 있다.
도시에서는 센서(37)가 온도 센서로 구성되고, 특정한 열 시스템의 피드백에 사용되는 것으로 예시되었으나, 다양한 형태의 센서들이 칩(25)에 대한 작동 파라메터들, 즉 압력, 체적, 결정화, 질량 분포, 유동, 자기장, 광학 특성 또는 화학적 특성 등을 포함하는 파라메터들을 모니터링하는데 사용 가능하다는 것이 이해될 것이다. 센서는 칩(25)의 작동 전반에 대한 제어를 위한 피드백 신호(회전 속도, 밸브[18] 등에 의한 유량 제어, 열제어식 패드[36], 또는 칩[25]에 영향을 미치는 열역학/화학/기계/전기/자기/전자기식 액츄에이터 등과 같은 하나 이상의 액츄에이터의 작동 등)를 제공하도록 구성된다.
압력 센서(38)가 챔버(14) 내의 압력을 모니터링 하기 위한 용도로 제공됨으로써, 밸브(18)를 보다 정확히 제어하고 칩(25)에 대한 공압 제어의 정확도를 향상시키도록 구성된다.
도 9는 디스크(22e)의 형태를 가진 블레이드를 포함하는 실시예의 개략도이다. 본 실시예의 가압 유체 공급장치는 챔버(14)를 수용하는 온보드식 펌프(20)를 포함한다. 펌프(20)와 온보드식 전자 제어기(19d)는 전원(39)에 의해 구동되며, 전원은 단순한 배터리로 구성될 수 있다. 온보드식 전자 제어기(19d)는 컴퓨터(19c)와 무선으로 교신하는 한편, 버스(32)를 통해 칩 제어기의 전자 제어식 구성요소와 교신하도록 구성된다.
도 10은 블레이드(22e)가 대형 칩(25a)을 지지하는 형태로 구성된 추가 실시예의 개략도를 도시한다. 칩(25a)은 10개의 로터 공급라인(15b)과 연결된 10개의 포트(16)를 갖도록 구성되며, 이들 각각은 전자식/공압식 슬립 링 로터(26b)의 각 출구로부터 연장된다. 로터는 각 스테이터 공급라인(stator supply line, 15a)과 로터 공급라인(15b)을 효과적으로 연결한다. 커플링은 불연속, 연속으로 구성될 수 있고, 또는 로터(26b)나 스테이터(26a)의 추가 유량 제어 요소에 의해 선택적으로 제어되도록 구성될 수도 있다. 이러한 유량 제어 요소에 의해 각 로터-스테이터 공급라인의 커플링에 대한 독립 제어가 가능하도록 구성되며, 하나의 커플링을 연결 또는 해제함으로써 다른 하나 이상의 커플링을 연결 또는 해제하도록 제한 구성될 수도 있다. 본원에서 로터(26b)는, 커플링들 사이에서 스위칭을 제공하도록 구성될 경우 유량 제어장치로도 기능하며, 로터 공급라인(15b)의 압력 조절을 위해 내장식 밸브를 갖도록 구성될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 밸브 배치 방법에 유용한 칩 제어기(10)의 간략화된 디자인을 도시한다. 밸브 배치 방법은 칩 제어기(10)에 배치된 밸브(18) 등의 유량 제어장치를 포함하도록 구성된다. 유량 제어장치는 대기에 개방되어 있는 벤트(14) 사이의 공급라인(15)에 배치된다. 칩 제어기(10)는 원심분리기에 의해 회전한다. 공급라인(15)은 칩(25)의 포트(16)와 연결됨으로써 상단 수조(40a)와 유체 연통하고, 미세유체 채널과 연결됨으로써 하단 수조(40b)와 유체 연통하도록 구성된다. 하단 수조(40b)는 초기에 액체(42)를 포함하며, 이들은 화살표 방향으로 원심력이 작용한다. 하단 수조(40b)는 대기에 개방된 제2포트(16)에 의해 배출되도록 구성된다. 도면에는 두개의 수조(40b)가 도시되어 있으나, 임의의 수의 적절한 배출 수조로 액체가 유입되도록 구성 가능하다.
액체(42)와 밸브(18) 사이에는 에어 플러그(air plug, 44)가 자연적으로 생성된다. 원심분리기의 작용에 의해, 유체가 채널로부터 하단 수조(40b)로 하강하기 시작하나, 에어 플러그(44)의 제한된 팽창 및 원심력에 의해 야기되는 압력의 평형에 다다를 때까지만 진행될 것이라는 점은 당업자에게 명백할 것이다. 밸브(18)를 주위 압력으로 개방함으로써, 밸브(18) 제어의 범위 내에서 필요시마다 액체(42)의 방출을 제어할 수 있도록 구성된다. 밸브(18)를 주위 압력 또는 이보다 더 큰 압력으로 개방하게 되면, 원심력에 의해 액체를 하단 수조(40b)로 유입시키는 에어 플러그가 사라짐으로써, 벤트(16)에 의해 대기로 적절한 배출이 이루어지도록 구성된다. 또한, 적절한 원심 속도 및 챔버(14)에 인가되는 적절한 부압에 의해, 챔버(40a) 내로 거품 혼합이 유도되도록 구성할 수 있는데, 이에 대해서는 후술된다.
당연히, 챔버(40b)의 벤트(16) 및 챔버(40a)의 포트는 이중으로 구성될 수 있다. 벤트에 부과되는 양압과 포트의 부압은 동등하므로, 따라서 공급라인과 대기의 연결을 교차시킴으로써, 및 대기를 기준으로 여압(pressurization)을 역류시킴으로써 상기 기술된 모든 공정이 구현될 수 있으며, 포트와 벤트를 각각 독립 제어식(또는 반대로 가압식) 채널들과 연결시킴으로써 추가의 장점이 제공될 수 있다.
따라서, 두가지 상태의 전자-기계식 밸브를 사용하여, 칩의 접속 포트(벤트)를 직접 차단 또는 개방시키도록 구성할 수 있다. 실시간 스위칭에 의해 흥미로운 유체 함수를 생성할 수 있는데, 여기서는 미세유체 기기의 챔버가 배출 연결되는 한편, 심지어는 압력 펌프나 사전 가압 챔버를 사용하지 않고도 차단되도록 구성된다. 밸브, 마이크로 제어기 및 임의의 통신 수단의 구동에 필요한 전력은 펌프의 구동에 필요한 전력보다 훨씬 작을 수 있으므로, 장착되는 전원 공급장치를 보다 비용 절감식으로 구성할 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 두가지 상태의 전자-기계식 밸브의 배치에 의해, 다수의 유체 공급 챔버들을 제어할 수 있도록 구성된다.
실시예들
공압식 제어시스템을 갖춘 미세유체 칩을 제조하고 테스트하였다. 도 11a는 2개의 미세유체 칩이 포함되고, 원심분리기에 2개의 미세유체 칩 제어기가 장착된 실시예에 대한 이미지를 도시한다. 한쪽 칩 제어기만이 사용되며, 칩과는 전기적으로 및 공압적으로 연결되어 있다. 높은 원심 가속도(중력 가속도를 100배나 쉽게 초과할 수 있음)의 존재 여부에 관계없이, 칩 제어기의 디자인은 중요한 활성 부품(즉, 펌프 및 전자 밸브)을 안정적으로 작동시킬 수 있도록 최적화되었다. 미세유체 기기에 대한 공압 연결은, 회전 중심에서 5cm 이격 배치된 매니폴드에 의해 제공된다. 회전시 플랫폼에 전원을 공급하는 한편, 외부 컴퓨터와 온보드식 아두이노 마이크로 제어기(on-board Arduino microcontroller) 사이에 USB 통신을 제공하도록 10개의 독립식 전기 연결부(뉴욕 이스트 오로라 소재, 무그[Moog, Inc.]사의 EC3848)를 구비한 슬립 링이 사용되었다. 마이크로 제어기를 사용하여 초소형 래칭식 솔레노이드 밸브(커넥티컷 웨스트브룩 소재, 리 컴퍼니[The Lee Company]사의 LFLX0510200B Series 120 microvalves), 펌프(스웨덴 헤르뇌산드 소재 자비테크[Xavitech]사의 P200-GAS-5V) 및 압력 센서(센서 테크닉[Sensor Technics]사의 HDIB002G)를 전기 제어하였다. 마이크로 제어기는 또한 펌프의 속도를 변경함으로써, 대기압보다 높은 0 내지 5 psi 사이로 압력을 조정하도록 구성될 수 있다. 모든 활성 부품들은 최대 약 1200 rpm의 회전 속도까지 작동 가능한 것으로 파악되었으며, 이 회전 속도까지 다다르면 펌프의 속도가 둔화되는 것으로 나타났다. 더 높은 회전 속도에서 동작하는 플랫폼을 용이하게 디자인할 수도 있지만(예를 들어, 공압 슬립 링과 결합되는 외부 펌핑 시스템을 사용하여), 출원인은 생체 시료 분석법의 개발에 필요한 모든 유체적 기능들은 1000 rpm 이하의 속도에서 안정적으로 수행될 수 있음을 발견하였다.
도 11b는 칩 제어기의 확대 이미지를 도시한다. 칩 제어기는 5" x 2.5"의 크기를 갖는 주문형 PCB에서 조립된다. PCB는 마이크로 제어기(ATmega32u4 마이크로 제어기가 특별히 장착된 아두이노 마이크로 보드), 펌프, 디코더 회로 및 8개의 압력 포트와 상호 연결되며, 이들 각각은 이들에 부착되는 한쌍의 공급라인을 포함한다. 펌프는 대기압을 기준으로 -3 psi 내지 +7 psi의 챔버 압력을 유지하도록 구성되었다. 각 포트는 직렬 연결된 2개의 밸브를 포함하며, 밸브는 3 x 10 mm의 크기를 갖고, 1 ms 이하의 스위칭 시간 및 2 mJ(스위치당) 이하의 전력 소비를 갖도록 구성된다. 도 11b는 칩에 연결되는 한 쌍의 공급 라인(튜브)을 도시하고 있으며, 반대 방향에 위치한 동일한 칩으로 향하는 십자 모양의 한쌍의 튜브에 의해 2개의 상이한 칩에서 중복 테스트가 동시에 구현 가능하도록 구성된다.
본 제어기에 사용된 16개의 밸브는, 제조업체에 따라 폐쇄된 상태에서 5 psi의 압력에서 최대 1sccm 까지 누설되도록 구성될 수 있다. 이러한 누설은 미세유체 기기에 배치된 유체를 마이크로 리터식으로 양을 조절하는데에 있어 저애 작용을 일으키는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고 이들 밸브를 선택한 이유는, 이들의 크기가 작기 때문에 이로 인해 제어기의 전체 크기를 감소시키는데 도움이 되기 때문이다. 누설의 영향을 최소화하기 위해, 각 포트를 2개의 밸브와 다음과 같이 연결하였는 바, 제1밸브의 입구를 펌프에 연결하고; 제2밸브의 입구를 대기압과 연결하는 한편; 두 밸브의 출구들을 T-접합을 사용하여 공급라인에 일괄 연결하였다. 따라서, 각 포트는 가압되거나(펌프에 연결된 밸브를 개방하고 대기압에 연결된 밸브를 폐쇄하여) 또는 대기압에 연결되도록(펌프에 연결된 밸브를 폐쇄하고, 대기압에 연결 밸브를 개방하여) 구성할 수 있다. 본 구성에 있어서, 밸브의 누설은 문제가 되지 않는다. 실제로, 공압 라인이 대기압에 연결되는 경우, 미세유체 기기 보다는 대기압에 연결된 개방 밸브를 통해 펌프와 연결된 폐쇄 밸브를 통한 공기 누설을 회피할 수 있다. 대안적으로 공압 라인이 가압되는 경우, 펌프에 의해 개방 밸브를 거쳐 충분한 공기 유동을 제공함으로써, 대기압과 연결된 폐쇄 밸브를 통한 공기 누설이 미미하도록 구성될 수 있다. 이러한 제어기 구성에서, 하나의 압력 라인에서 두개의 밸브를 동시에 개방 또는 폐쇄하도록 하는 방법은 사용하지 않았다.
출원인은, 폐쇄 상태를 적용할 필요가 있는 경우, LHLA0542311H 밸브(커넥티컷 웨스트브룩 소재, 리 컴퍼니사 제품)를 사용함으로써, 칩 제어기를 성공적으로 디자인하였다.
입력 펄스의 지속 시간은 "LFLX0510200B Series 120 microvalves" 제품을 사용하여 ± 3 ms로 제어되었다. 공급라인은 플라스틱 튜브로 구성하였다. 센서 판독에 응답하여, 펌프에 의해 가압되는 챔버(펌프에서 실행되는 공급 펌프로 구성될 수도 있음)로부터의 커플링은 도시되지 않는데, 이들은 미세유체 칩 제어기의 아래에 놓이기 때문이다. 챔버에 대해서는 실시간 압력 측정 및 제어가 수행되었다. 사용되는 체적 및 압력을 고려하여, 챔버는 실질적으로 리기드한 벽을 갖도록 구성하였다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 펌프, 마이크로 제어기 및 센서로의 전원 공급을 위해 다중 채널식 전기 슬립 링(고속 슬립 링)이 사용되었다. 칩의 경우, 출원인의 공통 계류중인 미국 특허출원번호 US 12/588,236의 내용에 따라 제조되었다.
제어 소프트웨어의 경우, 8포트를 독립적으로 활성화시키거나 펄스 생성시키고; 압력 펄스 지속시간을 ± 3 ms로 제어하는 한편; 실시간 압력 측정 및 제어;가 가능하도록 구성함으로써, 복잡한 시컨스를 수행할 수 있도록 하었다.
다음으로 시스템은, 단일식 마이크로 제어기를 사용하여 중합 효소 연쇄 반응(PCR) 모듈의 온도 제어를 위한 확장 커넥터를 제공하도록 수정되었다. 구체적으로는, 2개의 온도 제어 영역을 2개의 칩에서 독립적으로 제어할 수 있고, 범용의 내장식 컴퓨터 소프트웨어에 의해 실시간 제어가 가능하도록 구성되는데, 이들에 의해 각 영역에서 온도 제어를 담당하는 제2아두이노 마이크로 제어기에 대한 접근이 허용된다. 제2아두이노 마이크로 제어기를 사용하여, 4개의 2 x 2 cm2 크기를 가진 열전 소자를 제어하고, 4개의 써모커플(thermocouples)을 사용하여 온도를 실시간으로 측정하였다. 본 실시예에서 16개의 밸브는 동 소스로부터의 "Series 120 valves"로 구성하였다.
이후에, 칩 고정 메카니즘에 따라 표준 매니폴드를 구비한 칩을 칩 제어기에 결합시키도록, 접근 포트들을 통합한 시제품이 개발됨으로써, 연결을 촉진하는 한편, 이전 실시예들에서 나온 문제점인 튜브의 잘못된 연결과 관련된 오류를 방지할 수 있도록 구성되었다.
출원인은, 공압 제어식 원심력 기반의 칩을 사용하는 장점 중 하나로 디자인 상의 제약을 완화하는 한편, 칩 자체에 대한 제조 허용 오차 상의 제약도 완화할 수 있다는 것을 인지하였다. 미세유체 기능은 통신 채널의 크기 및 칩 레벨에서의 관련 기능과는 무관하게 구성된다. 이들은 미세유체 채널의 두 단부 사이의 압력차를 변화시킴으로써 견고히 제어될 수 있는데, 다양한 위치에서 유체 저항 및 채널 반경을 정교하게 제어하는 것 보다도 더 우수한 특성을 갖는다. 따라서, 사출성형, 열성형 또는 롤투롤 핫엠보싱(roll-to-roll hot embossing)을 포함하는 대규모 생산 공정을 사용하여 칩을 제조할 수 있으며, 이에 의해 이들이 단일 사용 장치로 오염 및 폐기되도록 효과적으로 디자인할 수 있다. 따라서 미세유체 칩은 특정 분석에 가장 적합하면서도, 또한 제조 공정과 관련된 기술 및 경제적 요구사항에 부합하는 재료로 제조될 수 있다.
도 12는 상이한 원심분리기의 회전 속도(rpm) 및 인가 공압(대기압 이상의 psi)에서 측정 및 예측된 액체의 변위를 나타내는 그래프를 도시한다. 예측된 변위는 다음의 모델에 의해 제공된다: 액체 플러그가 p1과 p2의 압력을 가진 2개의 포트에 연결될 경우, 원심력장 내의 정상 유동에 대한 방정식(모세관력은 무시)은 다음과 같이 기술된다:
Figure 112016096933405-pct00001
여기서, ρ는 액체의 밀도, ω는 회전 플랫폼의 각속도, r1 과 r2는 각각 후진 및 전진 메니스커스(menisci)의 위치, R hyd는 유체 통로의 수압 저항이고, Q는 액체의 유량을 나타낸다. 방정식과 관찰된 변위 결과가 매우 잘 일치한다는 것을 주목할 필요가 있다. 도 12a 내지 c는 미세유체 칩에 대한 이미지를 도시하며, 이들은 공지된 원심력 제어 및 공압 제어를 사용하여 수행 가능한 세가지 방법을 설명한다. 이들은 완전하게 구성된 칩이 아니라, 단순히 설명을 위해 적절히 디자인된 칩들임을 밝혀둔다. 이들 이미지는 600rpm의 회전 속도(약 50g의 가속도 유도[약 500 m/s2]), 1.5psi의 인가 압력 및 100ms의 펄스 지속 시간에서 촬영되었다. 원심 분리 지점에서 도면의 아래쪽으로는 가속도 벡터가 발생한다.
도 12a는 착색된 물로 충전된 챔버를 도시한다. 칩의 전체 패턴은 표준적인 사이펀 밸브로서, 개시 챔버, 하부 급지 나선형 채널(개시 챔버로부터 챔버보다 더 높이 위치한 크레스트[crest]로 연장됨) 및 하부 수조로 이어지는 출구로 구성된다. 본 칩은 표준적인 사이펀 밸브와는 2가지 면에서 차이가 있는데, 하나는 나선형 채널이 모세관을 고양하도록 처리되지 않음으로써 챔버 내의 유체가 도 12a에 도시된 바와 같은 안정된 상태 이상으로 상승하지 않도록 구성되고, 다른 하나는 개시 챔버의 상단부에 연결되는 단일식 공압 라인이 존재한다는 점이다. 이러한 밸브의 작동은, 사이펀 밸브가 초기화될 때까지 포트에 양압을 인가함으로써 제공된다. 초기화된 압력을 해제할 경우 액체는 개시 챔버를 빠져 나간다. 당연히, 이러한 밀어내기식 배출 대신에, 하부 수조와 연결된 공압 라인을 사용하여 부압을 인가함으로써 유체가 당겨지도록 구성할 수도 있다. 따라서, 유체는 원심분리력의 작용에도 불구하고, 압력이 제공될 때까지 개시 챔버 내에 안정적으로 유지된다. 그러므로, 공압 구동 방법이 제공될 수 있다.
도 12a는 개시 챔버로 향하는 분리 공급식 도관(공정 전반에 걸쳐 연결)을 도시한다. 다른 실시예에서는, 공급에 사용된 동일한 챔버가 공압 라인에도 사용된다. 그러한 경우, 유체가 공급되고 공압 라인이 연결되면, 에어 플로그가 개시 챔버 위에 자연적으로 형성된다. 에어 플러그가 원심 압력의 적용을 받아 팽창되면 사이펀 밸브의 초기화로 이어질 수 있으나(즉, 나선형 채널의 충전), 반면 에어 플러그가 희박해짐에 따라 그만큼만 팽창하게 되므로, 챔버가 유체를 방출할 수 없게 된다. 따라서 공압 라인을 해제시키자 마자, 에어 플러그를 중단시킴으로써, 개시 챔버가 방출을 수행하도록 구성된다. 당연히, 이러한 구동의 구현을 위해서는, 유체와 밸브 사이의 공간에 대한 부피를 제한하는 것이 중요하다.
도 12b는 이른바 역류 펌핑을 도시하고 있다. 상단 챔버 및 하단 챔버로 지칭되는 2개의 챔버가 도시되어 있다. 착색 유체는 유체 공급후 차단되는 포트(우측)에 의해 하부 챔버로 공급된다. 공압 라인은 하부 챔버의 상부와 결합된다. 공압 라인에 의해 양압을 인가함으로써, 공급 경로에서 후퇴하지 못하도록 구성된 유체는 상단 챔버의 상부와 연통하는 하부 출구를 통해 아래쪽으로 내려 간다. 도 12b는 작동시의 역류 현상을 도시한다. 일반적으로 두개의 챔버들 사이에서 채널을 초기화한 후 펌핑을 수행하기 위해서는 더 큰 압력이 요구된다. 상단 챔버는 통기됨으로써, 역방향 유동에 대한 에어 플러그 저항을 방지하도록 구성된다. 다시 상단 챔버 통기구에서 부압이 동등하게 사용 가능하도록 구성된다. 상단 챔버의 대기 개방은 역류 펌핑에 유용하기 때문에, 가압되거나 또는 대기압에 개방 가능한 상단 챔버에 공압 라인을 제공하는 것은 역시 매우 유용할 수 있으며, 상단 챔버가 공급됨에 따라 이들은 후속 공압 밸브 작업 또는 다른 동작에 필요한 양압으로 전환될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 미세유체 채널을 통과하는 유동이 제어 된 방식으로 역류할 수 있다는 사실(회전 중심의 뒤쪽으로 액체를 펌핑)은 장치의 설치 공간을 효율적으로 관리하는 이점을 제공하는 한편, 콤팩트한 형식으로 더 많은 기능을 통합시키는 기회를 제공함으로서, 소형화와 함께 분석 코스트의 현저한 감소를 유도할 수 있다.
도 12c는 공급이 완료된 개시 챔버(사각형, 중앙) 및 2개의 원형 수용 챔버를 구비한, 공압 스위칭 및 측정에 적합한 칩을 도시하고 있다. 스위칭은 2개의 공압 라인에 의해 각 수용 챔버 및 개시 챔버의 통기구로 제공될 수 있거나 또는 공압 라인에 의해 3개의 챔버로 모두 제공될 수 있다. 개시 챔버의 체적은 정확하지 않을 수 있다. 일반적으로 챔버에 소정의 부피만큼 정확히 공급하는 것은 어렵기 때문에, 반응물의 부피를 정교하게 제어할 필요가 있는 포로토콜은 특별한 주의가 필요하다. 두개의 수용 챔버들 사이의 채널들은 개시 챔버에서 상이한 위치를 가진다는 점을 주목할 필요가 있다. 구체적으로는, 우측 수용 챔버는 고정된 높이에서 개시 챔버의 측면과 연결되고, 좌측 수용 챔버는 개시 챔버의 하부에 연결된다. 좌측 수용 챔버 및 개시 챔버에서 동일한 압력을 인가함으로서(우측 수용 챔버의 압력보다 큼), 고정된 높이보다 위쪽에 있는 개시 챔버 내의 유체가 추출되어 우측 수용 챔버 내로 공급된다. 실제로 크레스트(crest)의 초기화시에만 압력 차를 적용할 필요가 있다. 크레스트가 초기화되면, 개시 챔버는 원심 압력만의 적용으로 지정된 양만큼 비워진다. 개시 챔버 내 유체 레벨이 고정된 높이와 일치하면, 이러한 고정된 높이에 의해 자동적으로 추가 작업이 필요 없도록 구성된다. 개시 챔버 내의 초기 유체 량에 관계없이(초기에 고정 높이 이상으로 채워지기만 하면), 개시 챔버 내의 잔류 유체는 소정의 부피로 남는다. 그런 다음, 필요시 좌측 수용 챔버와 개시 챔버 사이에 압력 불균형 상태를 부가함으로서, 나선형 경로에서 좌측 수용 챔버로 측정된 부피를 초기화하도록 구성된다. 최기화되면, 압력차를 해제할 수 있고, 정교하게 측정된 부피가 좌측 수용 챔버로 이송된다.
도 13은 칩의 탈거시 촬영된 4장의 패널 이미지를 도시한다. 회전 속도는 약 50g의 가속도에서 600rpm(약 500 m/s2) 이었으며, 인가 압력은 2초(s)의 펄스 지속 시간 동안 2.9 psi였다.
착색된 물이 들어 있는 바이얼이 유체의 경로에 (튜브의 형태로, 본 실시예의 공압 경로와 동일) 제공된다. 유체 경로는 도 12c에 도시된 칩의 포트와 연결되나, 여기서는 공압 라인이 부착되어 있지 않다. 바이얼과 칩은 원심분리기에 장착된다. 일부 착색된 유체는 칩의 좌측에 배치됨으로써, 채널 및 챔버의 도시를 용이하게 하도록 구성된다. 바이얼의 착색된 물 위로 양압을 인가하면, 착색된 물은 유체 경로를 통해 상승하고 포트 내로 주입된다. 개시 챔버 내에 기 포함된 공기는 대기압에 개방된 3개의 벤트 중 하나를 통해 칩에서 배출된다. 바이얼 내에 인가된 압력을 제거함에 따라, 원심력에 의해 유체 경로 내에 포함된 액체를 바이얼쪽 후방으로 가압하도록 구성된다.
따라서 본 발명은 또한 수동 조작 없이 외부 용기로부터 다량의 액체를 미세유체 기기로 공급하는 방법을 제공한다. 이러한 외부 용기는 일반적으로 미세유체 수조와 비교하여 큰 부피를 가짐으로써, 다수의 연속 시험용 장치에서 다양한 액체 버퍼(liquid buffers)를 자동 충전하는 한편, 연속 시험의 수행에 일반적으로 필요한 수동 조작을 최소화하도록 구성된다. 외부 수조로부터의 충전에 의해, 대단히 큰 부피가 필요하여 미세유체 기기에서 한번에 맞추기가 어려운 분석도 수행 가능하게 해 준다. 이러한 경우, 외부 폐기용 용기도 또한 제공될 수 있고, 또는 비독성인 경우 폐기물이 배출되도록 구성할 수도 있다.
이송된 착색수의 체적은, 압력 펄스 지속시간, 인가 압력, 회전속도 및 원심력의 세기, 액체의 점도, 튜브의 크기 및 길이, 채널의 크기 및 길이, 및 바이얼 내 압축성 유체의 체적 등을 포함하는 많은 매개변수의 변경에 의해 제어될 수 있다.
바이얼의 메니스커스 레벨은 착색된 물이 공급되는 챔버보다 실질적으로 낮다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 이러한 공급 공정은 전술한 원심 작용에 대해 작용하는 역방향 펌핑과 유사하다. 그러나 메니스커스 레벨이 챔버보다 높으면, 이들은 필요없게 되는데, 예컨대 전술한 바와 같은 에어 플러그에 의해, 또는 적어도 일시적으로 사이펀 효과를 차단하도록 구성된 공지된 확장 챔버에 의해, 또는 칩 상에 인가되는 양압에 의해, 또는 원심력의 작용으로 생성되는 연속 액체 채널을 배제하도록 메니스커스 레벨 위로 제한함으로써 차단되지 않는 한, 착색된 물이 챔버 내로 유입될 수 있기 때문이다.
도 14는 거품 혼합이 진행중인 도 12c에 도시된 칩에 대한 3장의 패널 이미지를 도시한다. 공지된 바와 같이, 미세유체 칩에서 미세한 양의 액체를 혼합하는 것은 결코 만만치 않은 과제이다. 출원인은 이러한 환경에서 유체를 혼합할 수 있는 우수한 방법을 발견하였으며, 본 방법은 2개 스트림의 액적(droplet)이 챔버 내에 동시 유입될 것을 요구한다(국제특허공개번호 W02013/0120190 참조). 공압의 사용에 의해 혼합을 촉진할 수 있으며, 혼합된 유체가 다른 챔버로 이동하지 않고 혼합 가능하도록 구성할 수 있다. 첫번째 패널에서는, 개시 챔버 내에 들어 있는 두개의 상이하게 착색된 물을 도시한다. 측면 채널에서 양압을 인가함에 따라, 거품이 챔버 내로 유입됨으로써 혼합을 촉진하도록 구성된다.
중력에 기인한 가스 거품의 생성 및 상승은 육안으로 용이하게 관찰될 수 있으나, 이러한 현상은 일반적으로 미세유체 기기 및 모세관 튜브에서는 이들의 크기가 매우 작으므로 육안 관찰이 불가능하다. 실제로 미세유체 기기 및 모세관 튜브에서, 중력에 기인한 가스의 도입은 일반적으로, 액체가 거품을 만드는 대신 장치 밖으로 빠져 나갈때까지 액체를 상향 가압하는 것(다른 작동 모드에서 칩 제어기를 유용하게 만들어 줌)으로 공지되어 있다. 따라서, 이전의 미세유체 기기 및 모세관 튜브에서는 중력에 기인한 가스의 도입을 혼합 공정에 사용할 수 없었는데, 왜냐하면 이를 사용하더라도 일반적으로 단순화된 가스 거품을 형성하지 못하는 한편, 연관된 유체 순환을 이끌어내지 못하기 때문이다. 이는 장치의 견고한 벽과 가스 거품의 상호작용으로부터 발생하며, 이에 의해 상승할 수 있기 전의 최소 거품 크기가 부과된다. 이러한 최소 거품 크기가 챔버나 채널의 크기보다 큰 경우, 가스가 챔버의 하부에서 유입되면서 액체가 장치에서 배출되도록 구성된다. 반대로, 이러한 최소 거품 크기가 챔버나 채널의 크기보다 작은 경우에는, 액체가 챔버 크기에 도달하기 전에 상승함으로써, 액체가 챔버의 하부로 역류할 수 있는 통로를 제공하게 된다. 즉, 미세유체에서 거품 기반의 혼합을 구현하기 위해서는 부력과 표면 장력이 상대적으로 중요해질 수 있는데, 가속 필드(acceleration field)에 대한 가스 도입으로 인해 액체가 장치로부터 배출되도록 가압하지 않고 액체층을 통해 가스를 이송할 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 미세유체에서 거품 혼합이 발생할 수 있는 조건을 구하기 위한 모델링 작업을 수행하였다. 액체와 채널 측면의 상호 작용에 의해 발생된 접촉각 마찰력보다 부력이 클 경우, 거품이 저절로 일어난다는 것이 발견되었다. 또한, 거품의 크기가 채널의 크기보다 작은 경우, 액체가 미세유체 체널에서 인출되지 않고 거품이 일어날 수 있다는 것이 발견되었다. 이러한 가정으로부터, 거품의 혼합이 가능한 가속도, 채널 크기, 액체 밀도, 표면 장력 및 접촉각을 예측하는 것이 가능하다. 정확한 값은 실험 조건 및 액체의 특성에 따라 달라지나, 거품 혼합이 가능한 조건의 예측을 위해 다음과 같은 일반적인 관계식이 근사치로 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 거품 혼합이 가능한 식은 다음과 같으며:
Figure 112016096933405-pct00002
여기서, FB는 부력, Fs는 접촉각 마찰력, α는 가속도, ρ는 액체의 밀도, H는 채널의 크기, γ는 액체-가스 표면장력이고, θa와 θb는 채널 벽에 대한 액체의 전방 및 후방 접촉각을 각각 말한다. 이러한 조건식은 본드 번호(Bond number)(또는 에트버스 번호[Eotvos number])와 매우 유사하며, 부력 및 표면 장력의 상대적 중요성을 기술하고 있다. 여기에 도시된 방정식은, 거품이 미세유체 채널의 상단에 도달할 만큼 커지기 전에, 부력에 의해 거품이 일어나기 시작하는 단순한 조건을 나타낸다. 넓고 얕은 수조의 경우, 이러한 조건식은 잘 들어맞지 않는다. 이러한 형상 조건의 경우에는, 거품이 챔버의 상단 및 하단을 접촉하는 조건을 고려하는 상이한 방정식을 경험식으로 사용할 수 있다. 이러한 경우, 거품이 부력에 의해 발생시, 거품이 챔버의 폭보다 작은 경우 거품 혼합이 가능할 수 있다. 또한 상기 2가지 경우에 대한 방정식은 거품의 이동이 매우 느리게 유동하는 조건에서만 유효하다는 점을 엄격히 강조한다. 다른 관찰 케이스의 경우, 공기 거품이 매우 빠르게 이동하는 것을 볼 수 있는데, 많은 다른 배합 조건들도 고려할 필요가 있다
예컨대, 정상 중력 조건(즉, a = 9.8m/s2)에서, 폴리머 상의 물에 대한 일반 접촉각 히스테리시스(즉, θa - θb)이 약 30도, 전방 접촉각이 120도, 물의 표면장력이 0.07 N/m, 및 물의 밀도를 1000 kg/m3로 할 때, 본 방정식을 만족시킬 수 있는 최소 채널 크기(H)는 약 2 mm이다. 그러나, 1000rpm의 일반적인 원심분리 회전속도에서, 약 1100 m/s2 의 가속도가 달성시(a = ωR2, ω는 각속도이며 R은 회전 중심까지의 거리[~0.1m]), 본 방정식을 만족시킬 수 있는 최소 채널 크기(H)는 약 180 마이크론(micron)으로, 이는 원심력 기반의 미세유체에서 사용되는 일반적인 챔버 높이보다 작다. 이러한 결과에 의해, 왜 기존의 공지된 미세유체 제어기의 사용시에는 미세유체 거품 기반의 혼합이 불가능했는지, 왜 원심력 및 공압력의 결합에 의해서만 미세유체 거품 기반의 혼합이 일어날 수 있는지가 설명된다.
상기 도시된 방정식의 다른 매개변수들(표면장력, 접촉각 또는 유체 밀도 차이 등)을 조절하여 원심 분리 없이 미세유체에서 거품 기반의 혼합을 구현하는 것은 비실용적이라는 것을 주목할 필요가 있다. 실제로 대부분의 경우에서, 액체 매개변수들은 분석 요구조건(생체 등)에 의해 설정된다. 따라서 미세유체에서 거품 기반의 혼합을 구현할 수 있는 변경 가능한 유일한 매개변수는 일반적으로 가속도가 된다.
거품의 형성에 필요한 압력은, 초기 액체 칼럼의 가압에 필요한 압력 및 표면장력에 대해 거품의 팽창을 허용하는 라플라스 압력(Laplace pressure)이다. 원심력 기반의 미세유체의 일반적인 작동 조건하에서 이러한 조건들은 상대적으로 낮은 압력에 의해 용이하게 구현된다는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 이러한 압력들은 시판되고 있는 소형 펌프 시스템으로 용이하게 구현 가능하다.
실험 관찰에서는, 약 18초의 원심분리 후에, 수용 챔버를 통해 공압 라인에 100 ms의 빠른 에어 펄스(air pulse)를 인가함으로써, 개시 챔버에서 거품을 생성하고 두 액체를 혼합하도록 구성하였다. 칩이 회전하는 동안 압력 펄스를 인가하는 기능에 의해, (강력한 가속도에 의거) 입구(1 및 3)로부터의 공기 유동에도 불구하고, 액체가 미세유체 챔버 내에 잔류할 수 있도록 구성된다. 도 14에서, 첫번째 이미지는 혼합이 없는 상태, 두번째 이미지는 거품이 도입된 상태, 및 세번째 이미지는 거품이 혼합 유체를 거의 빠져나가는 상태를 도시하고 있다.
추가로 주목할 점은, 거의 동일한 거품 기술을 사용하여, 두 액체를 혼합하거나 균질화하지 않고 또는 침전하는 경향을 갖는 상태를 중단시키지 않으면서, 반응물을 공급하거나 또는 반응 챔버 내의 온도를 제어할 수 있다는 점이다.
칩의 챔버 내 액체에 용해되어 있는 가스의 종류 및 양은, 본 발명에 개시된 미세유체 제어기를 사용하여 그러한 수조의 하단에서 가스 거품이 형성되도록 구성함으로써 제어 가능하다. 유량 제어장치는 다양한 형태의 가압 가스의 유량을 제어하는 데 사용되며, 이에 따라 미세유체 수조의 하부에 가스 거품이 생성되도록 구성할 수 있다. 가스 거품을 액체 내에 부분 용해시키는 방법에 의해, 액체 내에 용해된 가스의 종류 및 양을 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 액체의 가스 함량(산소, 이산화탄소, 질소 등)은 유기체의 성장에 영향을 미칠 수 있으므로, 이러한 제어는 살아 있는 유기체(칩 상에 배치된 세포, 박테리아, 선충 벌레, 조직, 기관 등)와 관련한 적용시 흥미롭다. 또한 거품은 유체의 재순환 및 혼합을 촉진함으로써, 살아 있는 유기체에 대해 균일한 유체적 상태를 보장할 수 있도록 구성된다.
또한, 도 14에 도시된 실시예에 기반한 보다 복잡한 시스템이 구현될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 다른 유체 수조들을 미세유체 기기나 외부 용기 내에 통합시킴으로써, 살아 있는 유기체에 상이한 유체를 보충하도록 구성될 수 있다. 또한 폐기물용 포트를 수조 내에 통합시킴으로써, 초과된 액체를 이동시키도록 구성 가능하다. 예컨대, 고회전 속도의 원심분리에 의해 수조의 측면에서 배치된 채널을 사용하여 초과된 액체가 제거되기 전에 유기체를 침전시키도록 구성할 수 있다. 이에 의해 유기체에 의해 생성된 폐기물을 제거하고 영양분을 공급하는 한편 유체 환경을 변경하는 방법이 제공된다. 또한, 다른 유량 제어장치에 연결된 부압을 사용하여 미세유체 챔버 내의 액체에서 가스를 제거하도록 구성 가능하다.
도 15는 8개의 공압 라인을 구비한 본 발명에 따른 제어기를 사용함으로써, 최대 3개의 액체로 구성된 임의의 양의 액체 혼합물을 생성하고 후속 분석을 위해 최대 18개의 독립 혼합물을 저장 가능한 칩에 대해 도시한다. 본 실시예는 동시에, 일반적으로 기존의 공지된 미세유체 제어 기술을 사용하여 구현하기 어려운 두개의 기능들(즉, 혼합물 생성 및 분리/표본 작업)을 구현하도록 구성된다. 이러한 디자인의 제작 및 시험이 곧 출시될 것이다.
미세유체 입력 수조(IRa,b,c)는 분석에 사용되는 뚜렷한 초기 액체로 우선 충전된다. 독립 구동을 위해 공압 라인과 칩 제어기가 연결된다. 그런 다음, 미세유체 유닛의 회전 속도를 약 600rpm 이상으로 증가시킴으로써, 전형적인 원심력 기반의 미세유체 칩에 도시된 화살표 방향으로 원심력을 제공하도록 구성된다. 일반적으로 혼합물의 생성을 위해, 각 입력 수조 상단의 공압 라인에는 양압이 제공됨으로써, 소규모의 수축 채널(cc)을 통해 확장 챔버(xc)로 액체를 가압하도록 구성된다(우측의 확대도 참조). 수축 채널(cc)에 의해, 가압된 액체의 유량을 제하여, IR에서 확장 챔버(xc)로 한 방울씩 정교한 양의 이송이 가능하게 함으로써(느리게 측정됨에 따라), 압력 펄스의 지속 시간 및 주파수를 보다 잘 제어하도록 구성된다. 이송되는 액체의 양은, 압력 펄스의 지속시간, 인가 압력, 회전속도 및 원심력, 액체의 점도, 수축 채널의 크기 및 길이, 입력 수조 내 압축성 유체의 체적 등을 포함하는 많은 매개변수들의 변경에 의해 제어 가능하다. 바람직한 방법에서는 매개변수로 압력 펄스의 지속시간, 인가 압력 및 원심력을 포함하도록 구성되는데, 그 이유는 이들은 본 발명에 개시된 제어기에 의해 실시간으로 용이하게 제어 가능하기 때문이다. 확장 챔버(xc)는 공압 채널(PC)을 통해 대기압과 연결된 공압 라인과 연결된다. 이러한 연결에 의해, 수축 채널(cc)을 통해 분배된 액체가 원심력에 의해 혼합 챔버(Me)로 하향 유동하는데 필요한 공기 흡입구를 제공하도록 구성된다. 그런 다음, 이러한 분배 단계를 하나 이상의 입력 수조에서 반복함으로써, 상이한 양의 조절된 액체를 MC에 분배할 수 있도록 구성된다. MC에 대한 공급은 직렬 연결 또는 병렬 연결 모두 가능하다. 병렬인 경우의 혼합 공정은, 출원인의 공동 계류중인 국제 특허공개번호 W02013/0120190의 내용에 따라 기본적으로 제공될 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 혼합 수조의 내용물은 MC의 하단에서 공기 거품의 생성에 의해 혼합되도록 구성될 수 있는데, 이는 3개의 우측 주요 공압 라인과 폐기물 수조에 에어 펄스를 인가함으로써 구현된다.
혼합 후, 공압 라인은 3개의 우측 주요 포트 중 하나를 제외하고는(또는 그 한 포트에는 부압이 인가됨) 모두 가압된다. 압력에 의해 혼합 수조 내에 포함된 유체를 저장 수조(sr)와 연결된 3개의 저장 채널(sc) 중 대응되는 한 곳으로 가압하도록 구성된다. 인가 압력 및 회전 속도는, 유체가 저장 채널(sc)에서 아래의 방정식에 따라 상승 가능한 높이의 조절에 의해 제어된다:
Figure 112016096933405-pct00003
여기서 ω는 각속도, ρ는 액체의 밀도, r1, r2는 각각 수조의 상단 및 하단에서의 전방 및 회전 중심 사이의 거리이다.
각 저장 수조(sr)는 채널들의 연결지점(srtop 및 srbot) 사이의 액체 상승에 의해 충전되도록 구성된다. 저장 수조(sr)가 어느 정도 충전되면, 압력이 해제됨으로써 저장 채널(sc)의 잔류 액체가 원심력에 의해 MC로 역류하도록 구성된다. 그런 다음, 혼합 챔버(Me)의 좌측 액체가 하나 이상의 액체로 구성된 추가의 양을 IR들에 공급함으로써, 예컨대 상이한 농도의 특정 반응물에서 동일한 반응을 분석할 수 있도록 구성된다. 그러나 거품 혼합이 수반되지 않으면, IR들로부터 추가된 액체는 잔류 액체와 혼합될 수 없다. 잔류 액체가 추가의 표본 작업에 필요하지 않은 경우, 적절한 접근 포트로 압력을 인가함으로써 이들을 폐기물 수조로 이송할 수 있도록 구성된다. 이러한 작업은 IR들중 하나로부터 MC를 액체로 플러싱(flushing)함으로써(예컨대 MC를 세정함으로써) 수행된다.
그런 다음 전체 공정을 반복함으로써 새로운 저장 수조(sr)를 상이한 액체 혼합물로 충전한다. 기 충전된 저장 수조(sr)에 기 저장된 액체와 다음의 비어 있는 저장 수조(sr)를 채우기 위해 저장 채널(sc)을 통해 이송된 새로운 액체 혼합물과의 사이에는, 거의 혼합이 발생하지 않는 것으로 예측된다는 것을 크게 주목할 필요가 있다. 실제로 액체가 저장 채널(sc)에서 상승되어 다음의 저장 수조(sr)에 도달하게 되면, 액체는 저장 채널(sc)로 가는 충전된 저장 수조(sr)의 양 연결지점(srtop alc srbot)을 차단할 것이다. 양 연결지점이 차단되면 공기가 탈출할 수 없으므로, 저장 채널(sc) 내의 새로운 혼합 액체도 기 충전된 저장 수조(sr)로 유입될 수 없도록 구성된다. 장치의 구동시 저장 수조(sr)의 접근 포트(AP)는 차단된다. 그러나 모든 필요한 저장 수조가 일단 충전되면, 회전이 중단될 수 있고, 접근 포트(AP)들이 개방되고 사용됨에 따라, 각 저장 수조에 저장된 액체를 독립적으로 회복시키도록 구성될 수 있다.
도 16은 용해(lysis), PCR 및 혼성화(hybridization)를 위해 고안된 칩의 개략도이다. 본 디자인에서는, 샘플(200μL)을 열에 의해 용해한 다음, 5μL를 PCR 챔버 내로 이송하여 PCR 혼합물과 "거품" 혼합시켰다. PCR 증폭 후, 5μL를 혼성 버퍼 챔버(H)로 이송하여 버퍼와 "거품" 혼합시킨 다음, 혼성 어레이로 이송하였다. 그런 다음 2개의 세정(W1 및 W2) 단계를 실제의 최종 검출 단계 이전에 수행한다. 2개의 독립 제어식 가열 부재가 제공되어, 용해 챔버, PCR 챔버 및 혼성 어레이와 접촉하도록 구성된다. 이들은 바람직하게는 미세유체 칩 제어기에 의해 제어된다. 본 장치의 테스트는 성공적으로 수행되었다.
도 17은 검출용 직물(detection cloth)에 기반한, 응답 시스템에 대한 샘플용으로 고안된 칩의 개략도이다. 본 디자인에서는, 항체(antibody), 과산화효소(peroxidase) 및 2개의 세정액이 각 챔버들로 공급되고, 검출용 직물은 챔버 내에 설치되도록 구성된다. 샘풀을 검출 챔버에 적재한 다음 80℃의 온도에서 15분 동안 칩을 배양하고, 회전을 시작한다. 샘플은 칩의 하단에 있는 폐기물 수조로 흐르되, 검출용 직물이 거의 완전히 건조될 때까지 흐른다. 세정액이 검출 챔버로 이송되고 폐기물 수조로 플러싱된다. 검출 수조가 비고 직물이 건조되면, 항체 용액이 이송되된 다음, 배양을 위해 10분간 회전을 멈추도록 구성된다. 플랫폼이 다시 회전하고, 검출 수조가 비고 클로스가 건조되면, 두번째 세정액이 검출 챔버로 이송된다. 그런 다음, 과산화효소가 검출 챔버로 이송된다. 그런 다음 챔버(13)를 공학적으로 스캔하고 검출 지점을 적절한 카메라나 컴퓨터 소프트웨어로 모니터링한다. 본 장치의 테스트도 성공적으로 수행되었다.
DNA 추출 및 농축 프로토콜 등의 용도를 위한 다른 칩들도 본 제어기와 함께 디자인되었다. 이들에 대한 생산 및 테스트는 후속으로 진행된다. 이러한 칩은 (예컨대, 밀봉 이전에) 캡쳐 비즈(capture beads)가 사전 로딩된다. 0.5mL의 DNA 샘플, 세정액 및 버퍼 용액이 각 포트들을 거쳐 각 챔버들로 주입된다. 샘플은 원심분리 또는 공압 밸브 작업에 의해, 하단에 비즈를 구비한 캡쳐 챔버 및 방출 챔버로 이동한 다음, 비즈를 통과하여 폐기물 수조로 보내진다. 그런 다음 비즈를 세정한 후, 세정물을 폐기물 수조로 보낸다. 버퍼 용액을 비드 베드(bead bed)로 보내고, 비드 베드를 85℃까지 2분간 가열한다. 버퍼 용액과 내용물을 수집 챔버로 이송한다.
최종적으로, RNA 반응기 미세유체 칩이 디자인되었는데, 가까운 시일 내에 생산 및 테스트가 진행될 것으로 예측되며, 이에 따라 바이러스 용균(viral lysis)으로 구성된 포로토콜, 샘플 정화, 단백질 제거, RNA 캡처 및 농축, 재현탁(re-suspension), 라벨식/비라벨식 역전사 효소 PCR 증폭(reverse-transcriptase PCR amplification), 마이크로 어레이 혼성화, 및 시퀀싱용 샘플 준비 등의 수행이 가능할 것으로 보인다. 본 디자인에 따르면, 샘플 정화, 용균 및 단백질 제거 공정은 용균 버퍼 및 단백질 캡처를 위한 5~10㎛ 직경의 강력한 양이온 교환식 비즈(예컨대, 인비트로젠사의 Dynabeads® SCX)로 사전 로딩된 수조에 400μL의 샘플을 로딩하는 단계를 포함한다. 그런 다음, 미세유체 유닛의 회전 속도를 약 600rpm 이상으로 증가시킴으로써, 전형적인 원심력 기반의 미세유체에 원심력을 제공할 수 있도록 구성된다. 그런 다음, 공압 라인을 사용하여 공기 거품을 챔버 내에 주입시켜 혼합시킨다. 혼합 공정에 의해 대상물의 화학적 분해를 촉진하는 한편, SCX 비즈의 표면에 대한 단백질의 비특이적 부착을 촉진하도록 구성된다. 그런 다음, 회전 속도를 약 1000rpm으로 5분간 증가시킴으로써, 상등액(supernatant solution)을 정화하고, 챔버의 하단 SCX 비즈에 로딩된 세포 파편 및 단백질을 농축하도록 구성된다.
그런 다음, RNA를 캡처 및 농축한다. 그런 다음, 회전 속도를 약 600rpm으로 감소시킨다. 챔버에 약 20kPa의 대기압 이상 압력을 인가함으로써, 주문에 따라 조절 가능한 부피로 구성되고 세정된 RNA가 풍부한 상등액이 제2수조로 이송되며, 이들은 RNA 캡처 비즈로 사전 로딩되었다. 그런 다음, 수조 하단의 공압 펄스에 의해 주입된 공기 거품을 사용하여, 상등액 및 RNA 캡처 비즈를 혼합하고 배양한다. RNA를 캡처 비즈에 부착한 후, 제2수조의 용액을 필터를 통해 폐기물 수조로 플러싱한다. 필터 구멍의 크기는 비즈 및 부착된 RNA가 수조를 빠져나가지 못하도록 하는 범위로 선택된다.
제3수조의 가압에 의해, 용출 버퍼가 제2수조로 도입됨으로써, 비즈에 부착된 RNA를 크린 버퍼에서 떼어내고 혼합 공정을 수행하도록 구성된다. 그런 다음 정제된 RNA를 온도 순환식 열전소자(챔버가 회전하는 동안 작동 및 제어됨)에 의해 소정의 온도에서 역전사 수조(reverse transcriptase reservoir)로 이송한다. 그런 다음, RNA 변성 버퍼 용액을 역전사 수조에 도입한 후, 정제된 RNA와 혼합한다. 그런 다음, 65℃에서 배양 후 0℃로 급속 냉각하고, 다른 수조에 배치된 C-DNA 합성 버퍼 용액을 역전사 수조로 이송하고 혼합한다. 그런 다음, 50℃에서 배양 후 85℃에서 열에 의해 불활성화시키고, 회전 속도를 1000rpm 이상으로 5분간 증가시킴으로써, C-DNA가 풍부한 상등액을 역전사 챔버에서 격리한다.
일련의 공압 라인으로 압력을 인가하여 C-DNA가 풍부한 상등액을 회전 중심 방향으로 펌핑한다. 액체를 2개의 상단 수조로 분할함으로써, 각각 라벨식/비라벨식 PCR 증폭 공정을 수행하도록 구성된다. 라벨식 증폭의 경우 마이크로 어레이 혼성화에 사용되는 반면, 비라벨식 DNA는 DNA 시퀀싱을 포함하는 많은 종류의 외부 분석을 수행하는 데에 있어 바람직하다. 양쪽 상단 수조는 열전소자 위로 배치됨으로써, 미세유체 기기가 회전하는 동안 빠른 온도 사이클의 에너지 포텐셜을 제공하도록 구성된다. PCR 증폭 후, 상단 수조 중 한곳에 배치된 DNA는 95℃에서 변성되며, 압력 펄스에 의해 최종 수조의 혼성화 버퍼 용액으로 이송된다. 압력 펄스에 의해 증폭된 DNA와 혼성화 버퍼 용액을 혼합하면, 샘플은 제어된 속도로 마이크로 어레이 위를 흐르도록 구성된다. 세척용 버퍼 용액을 수조로 이송하여 마이크로 어레이를 세정한다.
본원에 기재된 프로토콜은 바이러스 및 비라벨식 PCR 증폭을 검출하고 외부 DNA 시퀀싱용 샘플 준비를 위한 온칩형 샘플의 구현이 모두 가능한 수단을 제공한다.
본원에 기재된 실시예들의 구조에 내재된 다른 이점들은 또한 당업자들이 명확히 알 수 있을 것이다. 본원에 기재된 실시예들은 예시적으로 기술된 것으로, 청구된 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 전술한 실시예들의 변형 및 수정 또한 당업자에게 명백할 수 있으며, 이러한 내용들도 다음에 기술된 청구범위에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (44)

  1. 본체는 원심 분리기에 미세유체 칩의 동시 장착을 허용하면서 원심 분리기에 장착하기 위한 커플링을 포함함으로써, 본체와 칩이 원심 분리기에 의해 회전 가능하도록 구성되고, 본체는 제1가압 유체 공급장치와 연결되는 제1개구를 포함하며,
    제1가압 유체 공급라인은 제1 및 제2단부를 갖도록 구성되고, 제1단부는 제1개구와 유체 연통하며 제2단부는 칩의 제1포트와 유체 연통하도록 구성되며,
    유량 제어장치는, 제1포트로 공급되는 압력을 선택적으로 제어하도록 본체에 장착된, 제1가압 유체 공급라인에 구성되고,
    전기회로는 유량 제어장치를 제어하기 위해 제공되며, 전기회로의 적어도 일부분이 본체에 장착되도록 구성된
    본체, 제1가압유체 공급라인, 유량 제어장치 및 전기회로를 포함하는 미세유체 칩 제어기에 있어서,
    칩이 원심분리기에 장착되고, 제1가압 유체 공급라인이 칩의 제1포트와 연결되도록 구성된 미세유체 칩 제어기에 의해, 원심 분리시 가압 유체를 칩 내로 공급 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  2. 제 1항에 있어서, 제1가압 유체 공급장치는:
    가스를 공급하고;
    칩이 디자인된 미세유체의 밀도보다 높거나 낮은 밀도를 갖고, 미세유체와 낮은 혼화성(miscibility) 또는 용해성(solubility)을 갖는 가압 유체를 공급하며;
    칩의 의도된 공정에서 사용되는 반응물 및 기판에 비반응성을 갖도록 구성된 불활성 가스를 공급하고;
    정제되거나 살균된 공기 또는 질소를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  3. 제 1항에 있어서, 제1가압 유체 공급장치는:
    0.1 내지 2.5 기압의 절대 압력을 갖는 가스를 공급하고;
    주위 압력(ambient pressure)을 갖거나, 또는 주위 압력보다 높거나 낮은 적어도 0.003 기압의 압력을 갖는 가스를 공급하며;
    1.003 내지 1.8 기압의 압력을 갖는 가스를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  4. 제 1항에 있어서,
    제1단부에서 본체의 제2개구에 의해 제2가압 유체 공급장치와 유체 연통하는 제2가압 유체 공급라인을 더 포함하고, 제2가압 유체 공급라인은 제2단부에서 칩의 제2포트를 밀봉 장착하기 위한 커플링을 제공하며, 제1 및 제2가압 유체 공급장치는 상이한 압력에서 독립적으로 유지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  5. 제 1항에 있어서, 원심분리기에 본체를 장착하기 위한 커플링은:
    원심분리기의 블레이드에 칩을 장착하기 위한 곳과 간섭하지 않는 위치에서 원심분리기의 블레이드에 부착되는 기계 장치를 제공하며;
    원심분리기의 블레이드에 장착된 칩에 부착되는 기계 장치를 제공하고, 미세유체 칩 제어기는 칩의 적어도 일부분을 장착하거나 또는 지지하도록 구성된 본체의 일부 파트를 더 포함하며;
    커플링에 의해 다수의 칩을 원심분리기에 동시 장착할 수 있도록 구성되고, 제1공급 라인은 제2단부에서 다수의 커플링을 제공하도록 분기될 수 있으며, 이에 의해 각 다수의 칩에 배치된 제1포트들과 각각 유체 연결하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  6. 제 2항에 있어서,
    미세유체 칩 제어기는 칩에 장착하는 조인트(joint) 또는 칩용 서포트(support)를 더 포함하고, 원심분리기의 회전 평면에서 칩의 모션을 제어하도록 구성된 기계식 액츄에이터를 더 포함하며, 상기 모션은 평면 상에 투영시 적어도 5도의 칩 회전을 포함하는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  7. 제 1항에 있어서,
    제1가압 유체 공급장치는 부압 소스(negative pressure source) 또는 양압 소스(positive pressure source)와 연통하도록 구성된 가압 챔버를 포함하는 밀폐식 가압 챔버를 포함하고;
    부압 소스 또는 양압 소스는 펌프로 구성되며;
    부압 소스 또는 양압 소스는, 칩 제어기에 장착되는 펌프로 구성되고;
    부압 소스 또는 양압 소스는, 원심분리기의 회전 중심 가까이에서 칩 제어기에 장착됨으로써, 칩 제어기가 장착되는 원심분리기의 블레이드에서 모멘트를 제한할 수 있는 펌프로 구성되며;
    부압 소스 또는 양압 소스는 펌프로 구성되고, 전기 회로가 펌프를 제어하도록 구성되며;
    부압 소스 또는 양압 소스는 펌프로 구성되고, 펌프용 전원은 칩 제어기에 장착되며;
    부압 소스 또는 양압 소스는 펌프로 구성되고, 펌프용 전원은 원심분리기와는 이격 제공되며, 슬립 링(slip ring) 등의 전기 접촉식 회전 커플링에 의해 펌프와 연결되고; 또는
    부압 소스 또는 양압 소스는 원심분리기와는 이격 제공되며, 챔버는 공압식 슬립 링을 통해 제1가압 유체 공급라인과 연결되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  8. 제 1항에 있어서,
    본체는 원심분리기와 함께 회전하도록 장착되는 슬립 링 로터(rotor)를 포함하고, 칩 제어기는 슬립 링 스테이터(stator)를 더 포함하며, 유량 제어장치는 슬립 링 스테이터에 부착되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  9. 제 1항에 있어서,
    칩 또는 내부에 포함된 액체의 특성을 측정하기 위해 본체 또는 칩에 장착되는 센서를 더 포함하고, 센서는 전기 회로와 전기적으로 교신하며, 칩 내의 유체 위치에 대한 정보를 피드백하거나 또는 온도 센서, 유체 다이내믹 센서 또는 광 센서를 포함하는 화학적, 물리적 또는 전기식 센서로 구성되고,
    칩 또는 내부에 포함된 액체의 특성을 측정하기 위해 본체 또는 칩에 장착되는 액츄에이터를 더 포함하고, 액츄에이터는 전기 회로와 전기적으로 교신하며, 칩 내의 유체 위치에 대해 영향을 주거나 또는 온도 조절기, 유체 다이내믹 조절기 또는 광 에미터(optical emitter)를 포함하는 화학적, 물리적 또는 전기식 장치로 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩 제어기.
  10. 미세유체 칩의 가압 유체 공급장치를 제어하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    미세유체 칩 제어 시스템을 원심분리기에 장착하고 미세유체 칩을 원심분리기에 장착함으로써, 칩과 제어 시스템의 적어도 일부가 원심분리기에 의해 회전 가능하도록 구성하는 단계;
    제어시스템에 적어도 하나의 가압 유체 공급장치를 제공하는 단계;
    적어도 하나의 가압 유체 공급장치와 칩의 포트 사이의 유체 연통을 위해 대향하는 단부에서 제어시스템의 가압 유체 공급라인을 연결시키는 단계;
    제1 포트에 공급된 압력을 선택적으로 제어하기 위해, 본체에 장착된 가압 유체 공급라인에 제어 시스템의 유량 제어장치를 제공하는 단계; 및
    칩에 공급된 압력을 선택적으로 제어하기 위해 유량 제어장치를 구동하는 단계;를 포함하는
    미세유체 칩의 가압 유체 공급장치를 제어하기 위한 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    유량 제어장치를 구동하는 단계는, 칩의 제1 및 제2포트 사이에 압력차를 인가시킴으로써 칩의 수조 내 액체에 거품을 일으키는 단계를 포함하고, 이 때 제1포트는 액체의 메니스커스(meniscus) 아래에서 수조와 연결되고 제2포트는 메니스커스 위에서 수조와 연결되며, 제2포트에 인가된 압력은 제1포트에 인가된 압력보다 낮도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩의 가압 유체 공급장치를 제어하기 위한 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    유량 제어장치를 구동하는 단계는, 칩의 포트에 압력을 인가함으로써 포트와 연결된 제1수조로부터 제2수조로 액체를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩의 가압 유체 공급장치를 제어하기 위한 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    제2수조는 제1수조보다 원심분리기의 회전 축선에 더 가깝도록 구성되고, 제1수조는 칩으로부터 이격된 바이얼(vial)내에 배치되며, 제2수조는 칩 상에 배치되고,
    채널에 압력을 인가하여 액체를 이동시키는 단계는 사이펀 밸브를 초기화하는 단계를 포함하며,
    유량 제어장치를 구동하는 단계는, 다수의 공급 라인 내에 배치된 다수의 유량 제어장치를 구동함으로써 하나 이상의 방향으로 액체를 선택적으로 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    미세유체 칩의 가압 유체 공급장치를 제어하기 위한 방법.
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