KR102378100B1 - 유동 균형의 향상 또는 이와 관련된 향상 - Google Patents

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Abstract

마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로 어레이 내에서 유체의 흐름을 조절하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 각 업스트림 저항부가 유체의 통로의 업스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치되는 칩의 업스트림에 제공되는 2개 이상의 저항부; 각 다운스트림 저항부가 유체의 통로의 다운스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치되는 칩의 다운스트림에 제공되는 2개 이상의 저항부를 포함하고, 저항의 값은 각 유체의 통로를 통하여 흐르는 유체의 비율을 조절하기 위하여 선택된다.

Description

유동 균형의 향상 또는 이와 관련된 향상
본 발명은 복수의 통로 내에서 유동 균형의 향상 또는 이와 관련된 향상에 관한 것이고, 특히, 마이크로플루이드 장치 내에서의 유동 균형에 관한 것이다.
마이크로플루이드 장치는 단백질이나, 또는 DNA 용액과 같은 생물학적 또는 화학적 시료의 극미량을 다루기 위하여 유용한 도구가 되었다.
다수의 복잡한 생화학적 반응 및/또는 공정이 마이크로플루이드 장치 내에서 수행될 수 있다. 일부 예에서, 서로 다른 스테이지에서의 생물학적 반응 및/또는 공정을 조절하기 위하여 마이크로플루이드 장치 내에서 하나 이상의 유체의 흐름을 갖는 것이 유용할 수 있다. 따라서, 종종 마이크로플루이드 칩 내에서 단일의 마이크로플루이드 통로를 복수의 통로로 유체의 흐름을 분리시키는 것이 매우 바람직하다. 또한, 2 이상의 마이크로플루이드 통로를 하나의 통로로 서로 다른 유체의 흐름을 합치는 것이 또한 동일하게 바람직하다. 그러나, 단일 또는 복수의 통로로부터 다른 통로로 유체의 흐름을 분리 또는 합치는 것은 마이크로플루이드 장치 내에서 조절하기 어렵다.
마이크로플루이드 장치 내에서 유속을 조절하고 균형을 맞추는 것은 일반적으로 내부 마이크로플루이드 저항부의 네트워크를 사용하여 달성된다. 이와 같은 내부 저항부는 하나의 마이크로플루이드 통로로부터 복수의 통로로 유체의 흐름을 분리하기 위한 일정 정도의 조절을 제공한다. 그러나, 이와 같은 내부 저항부를 포함하는 마이크로플루이드 칩은 종종 제조하기 어렵고 따라서 비싸며, 이는 내부 마이크로플루이드 저항부가 고도의 정밀도로 제조 및 보정되어야 하고, 칩과 칩 사이, 및 배치와 배치 사이의 차이가 최소화되어야 하기 때문이다. 내부 마이크로플루이드 저항부들 사이의 미세한 차이는 일반적인 마이크로플루이드 통로로부터 각각의 통로로의 유체의 흐름 비율, 또는 수개의 통로들로부터 하나의 일반적인 통로로의 유체의 흐름 비율에 영향을 줄 수 있다.
특히 고도의 유동 안정성이 요구되는 경우에는 마이크로플루이드 장치 내에서 일반적으로 압력 조절 유동이 사용되지만, 유속은 알 수 없다. 따라서 마이크로플루이드 장치 내에서 유속을 조절하고 균형을 맞추기 위하여, 유속은 정확하게 결정되어야 한다.
본 발명이 도출된 것은 이와 같은 배경기술에 근거하는 것이다.
이하에서 본 발명은 첨부된 도면에 근거하여 예시적인 방법으로 보다 구체적으로 설명될 것이다.
<선행기술문헌>
대한민국 등록특허 제10-1521879호
도 1은 2 개의 주입부와 2 개의 배출부를 갖는 칩에 적용되는 본 발명에 따른 장치를 보여주고;
도 2는 3 개의 주입부와 2 개의 배출부를 갖는 칩에 적용되는 본 발명에 따른 장치를 보여주고; 및
도 3은 포괄적인 칩에 적용되는 본 발명에 따른 장치의 일반화된 예를 보여준다.
본 발명에 따르면, 마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로 어레이 내에서 유체의 흐름을 조절하기 위한 장치가 제공되고, 상기 장치는 칩의 업스트림에 제공되는 2 이상의 저항부를 포함하고, 각 업스트림 저항부는 유체의 통로의 업스트림 말단에서 저항을 제공하기 위하여 배치되고; 칩의 다운스트림에 제공되는 2 이상의 저항부를 포함하고, 각 다운스트림 저항부는 유체의 통로의 다운스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치되며, 저항의 값은 각 유체의 통로를 관통하여 흐르는 유체의 비율을 조절하기 위하여 선택된다.
2개 이상의 업스트림 및 다운스트림 저항부를 제공하는 것은 특히 유체의 통로의 업스트림 및 다운스트림 말단에 국부적 저항을 적용하여 유체의 통로를 가로지르는 압력차를 조절하고, 이에 따라 상기 통로를 통하는 유체의 유속을 수정하기에 유용하다. 더욱이, 저항부는 칩 상이 아니라, 상기 장치 상에 제공되고, 칩들이 장치에 순차적으로 배치될 때, 동일한 세트의 저항부가 많은 칩에 대하여 사용될 수 있다.
저항부를 칩에 통합하는 것이 아니라, 상기 장치 내에 제공하는 것은 칩에 기반한 구성에 비하여 상당한 장점을 제공한다. "오프-칩(off-chip)" 저항부를 제공하는 것은 제조 공차가 낮은 칩을 장치 내에 배치하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 장치가 전 수명에 걸쳐 미세하게 서로 다른 구조를 갖는 복수의 서로 다른 칩과 함께 제공됨에 따라, 칩의 가변성은 장치의 전체 기능에 덜 영향을 주게 된다. 하지만, 오프-칩 저항부는 일정하게 유지될 것이기 때문에, 전체적으로 장치의 보정은 칩의 교환에 의하여 덜 영향을 받을 것이다. 더욱이, 오프-칩 저항부는 칩 상에서 쉽게 얻어지는 것보다 훨씬 높은 값을 가질 수 있다. 결과적으로, 임의의 온-칩 저항의 효과는 제공되는 외부 또는 오프-칩 저항부와 비교하여 무시할 수 있을 정도일 것이다.
본 발명의 장치는 2 이상의 주입부 및 2 이상의 배출부를 포함하는 유체의 통로의 복잡한 네트워크와 함께 사용하기 위하여 최적화된다. 네트워크 내의 유체의 통로는 필요에 따라 합쳐지고 및 분리된다. 본 발명은 유체의 통로에 대한 임의의 조합에서 유동을 조절하고 균형을 맞출 수 있으나, 주입부 또는 배출부보다 적은 유체의 통로를 갖는 네트워크 내에 적어도 하나의 지점이 있는 경우에 가장 효과적이다.
일 구체예에서, 장치는 칩을 배치시키고, 이를 저항부와 접속시키기 위한 연결부 블록(매니폴드)를 더 포함한다.
업스트림 및 다운스트림 저항부에 의하여 제공되는 저항의 값은 유체의 통로의 내부 저항과 비교하여 더 클 수 있다. 이는 통로 자체의 저항 값이 그 통로를 따라 흐르는 유동과 무관하게 되는 효과를 갖는다. 이에 따라 유체의 통로에 요구되는 제조 공차가 완화된다. 이와 같은 맥락에서, 크다라는 것은 적어도 내부 저항의 수 배 더 큰 것, 또는 10 배를 의미한다. 예를 들어, 외부 저항부는 유체의 통로의 내부 저항과 비교하여 3, 10, 20, 30, 50, 100, 또는 심지어는 1000 배일 수 있다.
일 구체예에서, 업스트림 저항부의 수는 다운 스트림 저항부의 수를 초과한다. 대안으로, 다운스트림 저항부의 수는 업스트림 저항부의 수를 초과한다. 추가적인 구체예에서, 업스트림 저항부의 수는 다운스트림 저항부의 수와 동일할 수 있다.
유체의 통로 내에서의 업스트림 및 다운스트림 저항부의 수는 정확하고 예측 가능한 유체의 흐름을 제공할 수 있다. 유체의 통로 내에서의 이와 같은 정확하고 예측 가능한 유체의 흐름은 특히 예를 들어, 화학적 또는 생물학적 합성과 같은 반응을 수행하고 조절하는데 가치가 있을 수 있다. 더욱이, 업스트림 및 다운스트림 저항부의 조합은 유체의 통로 내에서의 하나 이상의 유속을 조절하기 위한 수단을 제공할 수 있다.
일 구체예에서, 유속의 변화는 0.1-10000 μl/hr의 범위 내에서 제공될 수 있고, 최적의 작동 유속은 100 μl/hr 근처일 수 있다. 이와 같은 유속은 주입부 세트에 정압을 적용하거나, 배출부 세트에 배압을 적용하거나, 또는 정압과 배압을 조합하여 달성될 수 있다. 적용된 압력 차는 0 내지 2000 kPa 사이일 수 있고, 이는 50, 100, 200, 1000 kPa를 초과할 수 있다. 적용된 압력 차이는 2000 kPa, 500 kPa, 200 kPa 또는 100 kPa 미만일 수 있다.
본 발명은 마이크로플루이드 장치 내에서 하나 이상의 유속을 조절하고 균형을 맞추기 위한 업스트림 및 다운스트림 저항부의 네트워크에 관한 것이다.
도 1과 관련하여, 칩(20) 상에 제공되는 유체의 통로(23, 25)의 어레이 내에서 유체의 흐름을 조절하기 위한 장치(10)가 제공된다. 유체는 장치(10)를 통하여 화살표 F로 표시되는 방향으로 흐른다. 도 1에 도시된 장치의 예에서, 두개의 업스트림 저항부(12)가 있다. 각 업스트림 저항부(12)는 상응하는 유체의 통로(23)의 업스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치된다. 또한 이 예의 장치(10)는 2 개의 다운스트림 저항부를 포함하고, 상응하는 유체의 통로(25)의 다운스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치된다. 저항의 값은 각 유체의 통로를 통하여 흐르는 유체의 비율을 조절하기 위하여 선택된다.
도 1에 도시된 칩(20)은 수렴 포인트(26)에서 두개의 업스트림 유체의 통로(23)를 합치기 위하여 배치된다. 수렴 포인트(26)는 두개의 업스트림 유체의 통로(23)로부터의 유체들을 혼합할 수 있도록 한다. 그 후 유체는 분리 포인트(27)에서 분리되어 유체를 두개의 다운스트림 유체의 통로(25)로 제공하게 된다.
업스트림 및 다운스트림 외부 저항부(12, 14)에 의하여 제공되는 저항의 값은 유체의 통로(23, 25)의 내부 저항과 비교하여 크기 때문에, 유체의 통로를 따라 흐르는 유체의 흐름에 대한 내부 저항의 효과는 현저히 감소/억제된다. 결과적으로 본 발명에서 기술되는 "오프-칩" 업스트림 및 다운스트림 저항부는 공차가 열악한 마이크로플루이드 칩에 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 달리 기술되지 않는 한, "공차"의 표현은 부품, 예를 들어 유체의 통로의 저항에 있어서의 오차를 의미한다. 예를 들어, 저항에 있어서의 공차는 1, 5, 10, 20, 40, 또는 50 %일 수 있다. 칩의 저항에 있어서의 열악한 공차의 예는 5 % 이상일 수 있다. 대조적으로, 칩의 저항에 있어서 우수한 공차의 예는 5 % 이하일 수 있다.
저항부의 저항의 값은 0.001 kPa/(μl/hr) 내지 100 kPa/(μl/hr)의 범위를 가질 수 있다.
장치(10)는 연결부 블록(16)을 더 포함하고, 이는 업스트림(12) 및 다운스트림(14) 저항부에의 효과적인 연결을 위하여 칩(20)을 배치하기 위하여 구성된다. 연결부 블록(16)은 칩(20)을 수용하기 위한 형태를 갖는, 장치(10)에 제공되는 표면에 홈을 포함한다.
저항부는 원형의 단면을 가질 수 있고, 10 내지 1000 μm의 직경을 가질 수 있고, 또는 10, 100, 250, 500 또는 750 μm를 초과할 수 있다. 저항부의 직경은 1000, 750, 500 또는 250, 100 또는 50 μm 미만일 수 있다. 저항부의 예는 모세관 저항부일 수 있다. 대안으로, 저항부는 밀링 공구에 의한 밀링 또는 몰딩에 의한 직사각형 단면을 가질 수 있다.
일 구체예에서, 저항부는 1 내지 1000 mm의 길이를 가질 수 있고, 이는 250, 500, 또는 750 mm를 초과할 수 있다. 저항부는 길이가 1000, 750, 500, 250, 또는 100 mm 미만일 수 있다.
업스트림 및 다운스트림 저항부의 조합은 칩(20) 내 다양한 유체의 통로 내에서 유속을 조절하고 균형을 맞추기 위하여 배치된다. 일 구체예에서, 장치의 주입부와 배출부 사이의 압력차는, 특히 0 kPa 내지 2000 kPa 사이이고, 유체의 통로를 따라 제공되고, 이에 의하여 유체의 통로를 따라 0.1 내지 10000 μl/hr의 범위, 예를 들어 100 μl/hr의 유속을 제공하게 된다. 업스트림 저항부의 조합은 유체의 통로의 업스트림 말단에 상대적인 유속을 효과적으로 조절하기 위하여 사용될 수 있다. 유체가 유체의 통로를 통해 흐름에 따라, 다운스트림 저항부의 조합은 유체의 통로의 다운스트림 말단에서 유속의 균형을 맞추기 위하여 사용된다.
업스트림과 다운스트림 저항의 조합은 전체적인 유속을 설정하기 위하여 사용된다. 마이크로플루이드 칩 내에서의 정확하고 예측 가능한 유체의 흐름은 예를 들어, 화학적 또는 생물학적 합성과 같은 반응을 수행하고 조절하기 위하여, 또는 유체 내에서 성분들을 분리하고 분석하기 위하여 특히 유용할 수 있다.
본 발명에서 업스트림(23) 및 다운스트림(25) 유체의 통로의 어레이가 제공될 수 있다. 마이크로플루이드 칩 내의 유체의 통로의 분리는 유체의 흐름 내에서 단백질 또는 핵산과 같은 생물학적 성분들의 분리 또는 분석을 가능하도록 하기 위하여 제공될 수 있다. 반대로, 2 이상의 유체의 통로는 생물학적 또는 화학적 성분들을 혼합하기 위하여, 또는 유체의 흐름의 이어지는 분리 또는 분석을 위한 예비 유체를 제공하기 위하여 함께 합쳐질 수 있다.
두개의 업스트림 저항부(12)는 유체의 통로를 따라 조절된 유속을 제공할 수 있다. 그 후, 유체의 흐름은 일시적으로 합쳐지고, 그 후 두개의 서로 다른 다운스트림 유체의 통로로 분리된다. 다운스트림 저항부(12)의 상대적인 값은 다운스트림 유체의 통로(25) 각각에서 유동하는 유체의 비율에 영향을 준다. 이는 마이크로플루이드 칩 내에서 유속의 반복가능성 및 안정성을 제공하고, 이는 유체의 흐름 내에서 성분의 분석을 위하여 중요한 필요조건이다.
도 2에서, 화살표 F로 표시되는 방향으로 장치(10)를 통하여 유체가 흐름에 따라, 업스트림(23) 및 다운스트림(25) 유체의 통로가 마이크로플루이드 칩 상에서 합쳐지는 방법을 조절하도록 장치(10)가 어떻게 배치되는지의 다른 예를 보여준다. 도 2에서, 칩(20)은 3개의 업스트림 유체의 통로(23)와 함께 제공되고, 이들은 두개의 수렴 포인트(26)를 통하여 함께 합쳐져서, 2개의 다운스트림 유체의 통로(25)를 제공하기 위하여 분리 포인트(27)에서 분리되는 단일의 유체의 통로를 제공한다. 이와 같은 유체의 통로 배치는 2개의 시약을 조합하고, 그 후 제3의 주입부로부터 표지(labelling) 유동을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 그 후, 조합된 유동은 분리되어 2개의 분리된 배출부 스트림을 제공할 수 있다. 분리는 다운스트림 저항부(14)의 값에 의하여 효과적으로 조절된다.
도 3은 포괄적인 칩(20) 상에서 작동하기 위하여 배치되는 장치(10)의 일반화 형태를 제공한다. 개별적으로, R1, R2, ...Rn 으로 표시되고, 업스트림 저항부(12)로 총칭되는 업스트림 저항부의 어레이가 제공되고, 개별적으로 R1 I, R2 I...Rm I 로 표시되고, 다운스트림 저항부(14)로 총칭되는 다운스트림 저항부가 또한 제공된다. 사용시에, 유체는 화살표 F로 표시되는 방향으로 장치를 통하여 유동한다. 임의의 주어진 상황에서 사용되는 저항부(12, 14)의 수는 칩(20)에 제공되는 유체의 통로의 수에 의하여 영향을 받을 것이다. 장치(10)는 그 장치(10)를 위하여 예상될 수 있는 적용 분야 내에서 유용할 수 있는 최대의 저항부 수로 제공될 것이다. 예를 들어, 업스트림 및 다운스트림 어레이는 2, 3, 5, 10, 20 또는 심지어는 100 개의 저항부를 포함할 수 있다.
일 구체예에서, 첨부된 도면에 도시되지는 않았으나, 장치(10)는 저항과 채널 네트워크를 연결하는 연결부 세트(매니폴드)를 포함할 수 있다.
원칙적으로, 마이크로플루이드 칩 내의 업스트림 및 다운스트림 유체의 통로의 수는 폐쇄 루프가 없다는 전제에서 현저히 가변적일 수 있다. 유체의 통로는 특히 예를 들어 유체의 흐름을 합치고, 혼합하고, 분리하는 것과 같은 유체 취급에 유용하다. 업스트림 및 다운스트림 저항부의 네트워크는 열악한 저항부 공차를 갖는 마이크로플루이드 칩 내에서 정확하고 조절된 유속을 가능하도록 한다.
비록 본 발명이 몇몇 예를 참조하여 예시하는 방법으로 기술되었으나, 개시된 예들에 한정되지 않고, 대안적인 예들이 첨부된 청구항에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구성될 수 있다는 것이 당업자들에게 이해될 것이다.

Claims (9)

  1. 마이크로플루이드 칩 및 마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로 어레이 내의 유체의 흐름을 조절하기 위한 장치를 포함하는 구조체에 있어서,
    상기 마이크로플루이드 칩은
    2 이상의 주입부 및 2 이상의 배출부를 갖는 유체의 통로 어레이를 포함하되,
    2 이상의 유체의 통로는 상기 칩 상에서 합쳐지고, 또는
    적어도 하나의 유체의 통로는 상기 칩 상에서 복수의 유체의 통로로 분리되고, 또는
    2 이상의 유체의 통로는 상기 칩 상에서 합쳐지고 및 적어도 하나의 유체의 통로는 상기 칩 상에서 복수의 유체의 통로로 분리되고,
    상기 장치는
    각 업스트림 저항부가 상기 마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로의 업스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치되는, 마이크로플루이드 칩의 업스트림에 제공되는 2개 이상의 저항부; 및
    각 다운스트림 저항부가 상기 마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로의 다운스트림 말단에 저항을 제공하기 위하여 배치되는, 마이크로플루이드 칩의 다운스트림에 제공되는 2개 이상의 저항부;
    를 포함하고,
    저항의 값은 각 유체의 통로를 통하여 유동하는 유체의 비율을 조절하기 위한 선택되고,
    저항의 값은 유체의 통로의 내부 저항보다 적어도 3배인
    것을 특징으로 하는 마이크로플루이드 칩 및 마이크로플루이드 칩 상의 유체의 통로 어레이 내의 유체의 흐름을 조절하기 위한 장치를 포함하는 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 장치는 칩과 저항 네트워크를 접속시키는 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 업스트림 저항부의 수는 다운스트림 저항부의 수를 초과하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다운스트림 저항부의 수는 업스트림 저항부의 수를 초과하는 것을 특징으로 하는 구조체.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 업스트림 저항부의 수는 다운스트림 저항부의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 구조체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 유체의 통로를 관통하는 유체의 흐름을 조절하기 위하여 2 이상의 업스트림 저항부가 정압을 가지고 제공되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 통로를 통한 유체의 흐름을 조절하기 위하여 2 이상의 다운스트림 저항부가 대기압 미만의 압력을 가지고 제공되는 것을 특징으로 하는 구조체.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저항의 값은 사용시 유속이 0.1 - 10000 μl/hr의 범위에 도달할 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 구조체.
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