KR102446785B1 - 마이크로유체 네트워크 장치 - Google Patents

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KR102446785B1
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디에고 가브리엘 듀포이
아타 튜나 시프트릴크
마틴 헤이스
피에르 요리스
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에꼴 뽈리떼끄닉 뻬데랄 드 로잔느 (으뻬에프엘)
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Abstract

생물학적 조직 샘플링 장치(1)에 시약을 공급하도록 구성된 마이크로유체 네트워크 장치(2)가 개시되며, 마이크로유체 네트워크 장치는 상기 시약의 각각의 공급원에 연결된 다수의 마이크로유체 입구 채널(12)과, 적어도 하나의 공통 출구 채널(22), 및 상기 다수의 입구 채널 각각의 출구 단부(14)를 상기 적어도 하나의 공통 출구 채널에 상호 연결하는 다수의 밸브(36)를 포함한다.

Description

마이크로유체 네트워크 장치
본 발명은 마이크로유체 네트워크의 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 밸브를 구비한 마이크로유체 네트워크 장치에 관한 것이다. 마이크로유체 네트워크 장치는 시약과 샘플 액체를 샘플링 장치에 전달하거나, 다양한 액체를 혼합하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 예를 들어 온-칩 저장조 또는 외부 용기로부터 마이크로유체 장치, 챔버 또는 네트워크로 시약을 순차적으로 전달하기 위한, 마이크로유체에서의 시약 전달 분야에서의 사용에 특히 유용하다.
다양한 작동 방식과 구성을 갖는 카트리지 기반 시약 전달 시스템 및 방법이 공지되어 있지만, 대부분은 매우 특정한 응용에만 적합하고, 다목적이 아니거나 가능한 교차-오염 또는 낮은 데드 볼륨(dead volume)의 문제를 해결하지 못한다.
US2011/0243815에서, 체크 밸브의 요소로서 액체에 대해서는 불투과성이지만 가스를 통과시키는 멤브레인을 채용하는 밸브를 사용함으로써 액체 챔버 내부의 압력이 시약을 전달하도록 조절될 수 있다. 개시된 시스템은 미리 결정된 용량의 시약을 전달하지만 많은 시약의 전달에는 적합하지 않으며, 저장조 용량의 일부가 압축 가스에 의해 사용되므로 전달될 수 있는 시약의 최대량이 줄어든다.
또 다른 접근법은, US4119120에 개시된 바와 같이, 시약의 밸브 조절 또는 펌핑을 위한 작동 요소로서 불투과성 및 신축성 멤브레인의 사용이다. US6948918에는, 작동 요소로서 신축성 멤브레인을 이용하는 마이크로 펌프가 개시되어 있으며, 이 멤브레인은 액체를 전달하기 위해 소정 용량을 갖는 기판 상의 홈으로 편향된다. 중요한 단점은, 미리 결정된 용량의 전달을 위해 설계되고 단일 저장조를 갖기 때문에 융통성이 부족하고 특정 응용에만 적합하다는 것이다.
US7832429 및 US20140093431에 개시된 바와 같이, 작동 멤브레인 접근법이 다양한 탄성 재료로 구현된다. 밸브와 펌프의 공압식 작동 네트워크는 액체의 전달과 수송을 위해 제공되지만, 저장조는 외부에 구비되어야 한다.
또 다른 카트리지 기반 공압 전달 시스템이 US20140322100에 개시되어 있다. 카트리지는 탄성 멤브레인으로 구분된 공압 및 유체 부분으로 나뉜다. 작동 영역에서 하나 이상의 멤브레인 층을 레이저 용접하는 것에 의해 누출 없는 작동이 달성되는 장점이 있다. 이 장치는 그러나 다목적이 아니고 낮은 데드 볼륨 작동을 허용하지 않는다.
단일체로 제조된 다이어프램 마이크로 밸브가 US20110240127에 개시되어 있다. 이 장치는 공압 작동 방식을 갖는 상시 폐쇄 구조를 가지며, 칩 상에서 다양한 분석을 수행하기 위한 밸브 장치를 포함하는 시스템이 또한 이 발명에 개시되어 있다. 이 밸브 구조의 중요한 단점은 시약 간의 역류 및 교차 오염의 가능성이다. 밸브 이후에 마이크로 채널을 통해 퍼지는 데드 볼륨 또한 단점이다. 동일한 단점을 갖는 유사한 구조가 US20150021502에 개시되어 있으며, 이 장치는 여러 개의 부품으로 구성되고 작동 멤브레인은 밀봉 링을 사용하여 기계적으로 밀봉된다.
또 다른 멤브레인 밸브 기반 접근법이 US20150021501에 개시되어 있다. 이 장치는 밸브를 폐쇄된 상태로 유지하도록 멤브레인을 계속 구동시켜야 하는 필요성을 제거하고자 한다. 이를 위해, 공압 작동 시트로서 작용하도록 추가 층이 밸브 멤브레인 상에 결합된다. 이 발명의 나머지 양태는 다른 인-라인 상시 폐쇄 밸브 구조와 유사하며 상기한 단점 중 적어도 일부를 공유한다.
멤브레인 밸브 접근법의 분리 가능한 버전을 특징으로 하는 유체 조작 장치가 US20110315227에 개시되어 있다. 밸브 시트, 작동 및 유체 층은 다른 부품으로 구비된다. 결합된 구조는 다른 멤브레인 기반 시스템의 상기한 단점을 공유한다.
US5863801에 개시된 핵산 제조 장치는 플런저 타입 밸브 메커니즘을 포함한다. 플런저 로드는 공압 작동 부분의 일부로 사용된다. 로드는 멤브레인에 압력을 인가함으로써 밸브를 개폐하기 위해 사용된다. 플런저 메커니즘을 대칭 상시 폐쇄 밸브 구조에 추가해도 데드 볼륨 및 교차 오염 문제와 같은 단점은 제거되지 않는다.
마이크로유체 카트리지가 탄성 멤브레인에 의해 커버되고 공압 인터페이스와 접촉되는 또 다른 유체 작동 시스템이 US20120266986에 개시되어 있다. 공압 인터페이스와 카트리지는 시스템을 양압 이하로 유지함으로써 함께 가역적으로 유지된다. 이 시스템은 또한 교차 오염 및 데드 볼륨의 문제에 시달린다.
상기한 바를 고려하여, 본 발명의 목적은 생산하고 사용하기에 신뢰성이 있기도 하지만 경제적인 마이크로유체 네트워크의 채널에서 유체의 유동을 제어하기 위한 밸브를 갖는 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이다.
특정 응용에 있어서, 본 발명의 또 다른 목적은 신뢰성이 있고 다목적인 마이크로유체 시스템에서 시약 전달을 위한 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이다.
특히, 마이크로유체 네트워크에서의 교차 오염의 위험 및 데드 볼륨과 관련된 문제점을 줄이는 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이 유리하다.
다목적이며 다양한 응용에 사용되거나 적용될 수 있는 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이 유리하다.
컴팩트한 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이 유리하다.
특정 응용에 있어서, 액체, 예를 들어 두 가지 이상의 시약 액체 또는 샘플을 함유한 액체를 시약 액체와 효율적이고 경제적으로 혼합할 수 있는 마이크로유체 네트워크 장치를 제공하는 것이 유리하다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 따른 마이크로유체 네트워크 장치를 제공함으로써 달성되었다.
본 발명의 제 1 양태에서, 베이스부(base portion)를 포함하는 마이크로유체 네트워크 장치는 다수의 마이크로유체 입구 채널과, 적어도 하나의 공통 출구 채널, 및 상기 다수의 입구 채널 각각의 출구 단부를 상기 적어도 하나의 공통 출구 채널에 상호 연결하는 다수의 밸브를 포함한다. 각각의 밸브는 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 폐쇄되는 밸브 폐쇄 위치와 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 개방되는 밸브 개방 위치 사이에서 변위 가능한 편향 부재를 포함한다. 적어도 하나의 공통 출구 채널은 밸브 부분 및 밸브 부분을 상호 연결하는 중간 부분을 포함한다. 적어도 하나의 출구 채널의 각각의 밸브 부분은 대응하는 밸브와 협력하도록 구성된다. 밸브 부분은 입구 채널의 상기 각각의 출구 단부에 인접하게 배치된다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 마이크로유체 네트워크 장치는 생물학적 조직 샘플링 장치에 시약을 공급하도록 구성되며, 마이크로유체 네트워크 장치는 상기 시약의 각각의 공급원에 연결된 다수의 마이크로유체 입구 채널과, 적어도 하나의 공통 출구 채널, 및 상기 다수의 입구 채널 각각의 출구 단부를 상기 적어도 하나의 공통 출구 채널에 상호 연결하는 다수의 밸브를 포함한다. 각각의 밸브는 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 폐쇄되는 밸브 폐쇄 위치와 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 개방되는 밸브 개방 위치 사이에서 전환 가능하다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 마이크로유체 네트워크 장치용 밸브는 밸브 입구 오리피스와, 밸브 출구 오리피스와, 입구 오리피스 및 출구 오리피스 사이에 배치된 밸브 분리 벽부, 및 밸브 입구 오리피스, 밸브 분리 벽부 및 밸브 출구 오리피스 위로 연장되는 편향 부재를 포함하며, 편향 부재가 밸브 분리 벽부에 대해 가압될 때 밸브의 밸브 입구 오리피스와 밸브 출구 오리피스 사이의 유체 연통이 방지된다. 밸브 출구 오리피스는 편향 부재 상의 밸브 입구 오리피스에 의해 드러난 표면적보다 편향 부재 상에 드러난 더 작은 표면적을 갖는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 마이크로유체 네트워크 장치를 작동시키는 방법은,
a) 입구 채널을 공통 출구 채널(22)에 상호 연결하는 각각의 밸브(36)를 제어함으로써 퍼지 라인 또는 장치 출구(34)를 통해 액체를 배출하면서, 각각의 입구 채널 내에 각각의 시약을 주입하여 각각의 입구 채널을 준비하는 단계,
b) 입구 채널을 통해 그리고 출구 외부로 적어도 하나의 선택된 시약을 주입함으로써 상기 장치 출구의 하류에 연결된 샘플링 장치를 준비하는 단계로서, 상기 선택된 시약은 바람직하게는 샘플링 장치에 제공된 샘플의 처리를 위한 세척제 또는 제 1 시약인, 샘플링 장치를 준비하는 단계,
c) 샘플과 반응하도록 구성된 시약을 샘플링 장치에 전달하는 단계,
d) 선택적으로 세척액을 전달하는 단계,
e) 선택적으로 다른 시약에 대해 단계 c)와 단계 d)를 반복하는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 방법은 마이크로유체 네트워크 장치의 입구와 출구를 사전 가압하는 단계를 더 포함하고, 마이크로유체 네트워크 장치의 입구와 출구 모두는 압력 공급원에 연결된다. 입구 또는 출구 상의 압력은 원하는 유속을 제어하기 위해 변할 수 있다.
일 실시형태에서, 방법은 마이크로유체 네트워크 장치의 혼합 네트워크에서 시약을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치는 네트워크 장치의 하류에 배치되고 시약이 공급되는 샘플링 장치에 연결될 수 있다. 시약은 예를 들어 항체, 이미징 버퍼 및 세척 용액을 포함할 수 있다.
일 실시형태에서, 다수의 입구 채널은 본질적으로 평행하게 병치된 방식으로 배열될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 인접한 입구 채널의 밸브 출구 단부는, 다수의 밸브 출구 단부가 직선을 따라 형성되지 않도록 오프셋될 수 있으며, 이에 따라 예를 들어 공통 출구 채널은 일반적으로 지그재그형 또는 진동형(oscillating) 경로를 따라 연장된다.
일 실시형태에서, 공통 출구 채널은 일반적으로 입구 채널을 가로지르는 방향으로 연장된다. 공통 출구 채널의 밸브 부분은 따라서 입구 채널의 출구 단부를 가로질러 연장되어 본질적으로 "T"자형 배열을 형성할 수 있다.
일 실시형태에서, 밸브는 입구 채널의 출구 단부에 형성된 밸브 입구 오리피스 및 공통 출구 채널 위의 또는 이의 일부를 형성하거나 밸브 분리 벽부에 의해 밸브 입구 오리피스로부터 분리되는 밸브 출구 오리피스를 포함한다.
일 실시형태에서, 편향 부재는 밸브 입구 오리피스, 밸브 분리 벽부 및 밸브 출구 오리피스 위로 연장됨으로써, 편향 부재가 밸브 분리 벽부에 대해 가압될 때, 밸브의 밸브 입구 오리피스와 밸브 출구 오리피스 사이의 유체 연통이 방지된다.
일 실시형태에서, 밸브 출구 오리피스는 공통 출구 채널의 일부를 형성한다.
일 실시형태에서, 밸브 출구 오리피스는 편향 부재 상의 밸브 입구 오리피스에 의해 드러난 표면적보다 편향 부재 상에 드러난 더 작은 표면적을 가지며, 바람직하게는 편향 부재 상에 드러난 밸브 입구 오리피스의 표면적은 밸브 출구 오리피스의 드러난 표면적의 두 배 이상, 더욱 바람직하게는 세 배 이상이다.
일 실시형태에서, 편향 부재는 입구 및 출구 오리피스, 밸브 분리 벽부, 및 선택적으로 밸브 입구 및 출구 오리피스와 경계를 이루는 에지면(edge surface)과도 중첩하는 탄성 멤브레인을 포함한다.
일 실시형태에서, 밸브 몸체부는, 오리피스 및 오리피스의 에지 둘레의 모든 표면적과 중첩하는 편향 부재의 변형부를 형성하는 작동 챔버를 포함하고, 밸브 몸체부는 인접한 밸브 사이에 분리를 제공한다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치는 밸브 편향 부재 위에 배치된 작동 챔버에 연결된 공압 또는 유압 작동 라인을 포함하는 밸브 작동 시스템을 더 포함한다.
일 실시형태에서, 최외곽 입구 채널은, 세척 동안, 서로 다른 시약들의 도포 중간에, 공통 출구 채널이 일단에서 타단까지 완전히 세척되어 후속 처리 사이클의 액체와의 오염을 방지하는 것을 보장하도록 구성된 세척 용액에 연결될 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치는, 시약 라인으로부터의 액체를 혼합 네트워크 내에서 순환시키도록 구성된 공통 출구 채널에 대해 밸브에 의해 상호 연결된 둘 이상의 혼합 채널을 포함하는 혼합 네트워크를 포함한다.
바람직한 실시형태에서, 다수의 입구 채널 중 적어도 하나는 예를 들어 입구 채널을 통한 유체의 유동을 늦추는 구불구불한(serpentine) 채널 구성에 의한 저항성 채널(resistive channel)을 포함하는 유동 제어부를 포함한다.
본 발명의 추가 목적들 및 유리한 특징들은 청구 범위, 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 명백해질 것이다, 도면에서:
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로유체 네트워크 장치의 개략도이고;
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로유체 네트워크 장치의 개략적인 사시도이고;
도 2b 및 도 2c는 도 2a의 마이크로유체 네트워크 장치의 사시 단면도이고, 도 2d는 그것의 개략적인 분해 사시 단면도이고;
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로유체 네트워크 장치의 베이스부의 개략적인 사시도이고;
도 4a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로유체 네트워크 장치의 일부의 개략적인 평면도이고, 도 4b는 도 4a의 라인 IVb-IVb를 따른 단면도이고;
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 마이크로유체 네트워크 장치의 밸브의 개략적인 단면도이고, 여기서 도 5a는 밸브가 폐쇄된 상태를 도시하고 도 5b는 밸브가 개방된 상태를 도시하며;
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 다양한 실시형태에 따른 밸브 입구 및 출구 오리피스의 개략도이다.
도면을 참조하면, 마이크로유체 네트워크 장치(2)는 몸체 내의 유체 채널을 통해 하나 이상의 장치 출구(34)에 유체 연결된 장치 입구(10)를 포함하는 몸체(3)를 포함한다. 몸체(3)는 일체식 구조로 제조될 수 있거나 함께 조립되는 다수의 부품으로 제조될 수 있다. 도시된 실시형태에서, 몸체(3)는 베이스부(4)와, 입구 몸체부(6) 및 밸브 몸체부(8)를 포함한다. 마이크로유체 네트워크 장치는 채널 내에서 유체의 유동을 조절하기 위해 유체 채널의 적어도 일부에 배치된 밸브(36)를 더 포함한다.
마이크로유체 네트워크 장치(2)는 시약 공급원 및 선택적으로 하나 이상의 샘플 공급원(응용에 따라 다름)을 포함하는 하나 이상의 유체 공급원에 연결될 수 있다. 일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치는 마이크로유체 네트워크 장치가 대상으로 하는 응용을 위해 충분한 공급량의 시약 또는 샘플을 장치에 저장하는 탑재형 저장조(54)를 구비할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 마이크로유체 네트워크 장치의 입구 몸체부(6)는 외부 유체 공급원에 연결될 수 있다. 저장조(54)는 외부 공급원으로부터 저장조 내부로 액체를 주입함으로써 사전에 충전될 수 있거나, 마이크로유체 네트워크 장치에 탑재되어 네트워크 장치의 각각의 유체 채널과 유체 결합되는 사전 충전형 카트리지 형태로 제공될 수 있다. 일 실시형태에서, 적어도 일부의 탑재형 저장조는, 밸브를 작동시키고 액체 시약을 펌핑하기 위해 사용할 수 있는 것과 동일한 압력 공급원, 예를 들어, 공압 작동 시스템을 사용한다.
본 출원에서 "시약"이란 용어의 사용은 다양한 응용을 위한 마이크로유체 네트워크 장치에서 사용되는 다양한 액체 또는 기체를 포함하기 위한 것이다. 시약은 예를 들어 항체, 이미징 프로브, 세척 버퍼, 화학 시약, 물, 식염수 및 관련 응용 분야에서 사용되는 기타 액체를 포함할 수 있다. 샘플 액체는 시험이 적용되는 샘플을 함유하는 액체를 의미하며, 이러한 샘플은 예를 들어 생물학적 조직 또는 기타 미생물학적 물질, 오염 물질 또는 기타 물질을 함유하고, 이들의 성질에 대한 시험이 마이크로유체 네트워크 장치의 하류에 배치된 샘플링 장치에 의해 수행된다.
마이크로유체 네트워크 장치는 또한 후속 처리를 위한 시약 및/또는 샘플 함유 용액을 제조하기 위해 액체를 혼합할 수 있도록 구성되고 사용될 수 있다.
마이크로유체 네트워크 장치는 또한 화학 반응을 일으켜 합성 액체를 제조하기 위해 시약을 혼합할 수 있도록 구성되고 사용될 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치(2)는 시약(항체, 이미징 버퍼, 세척 용액 등)이 공급되는 샘플링 장치(1)에 연결될 수 있다.
마이크로유체 네트워크 장치의 하류에 배치된 샘플링 장치(1)에 연결된 실시형태에서, 선택적 혼합 장치가 시약만을 공급하도록 구성될 수 있다. 샘플, 예를 들어, 조직 샘플이 샘플링 장치에 제공된다.
다양한 유형의 샘플링 장치가 그 자체로 공지되어 있다(예를 들어, WO 2013/128322에 기술됨).
샘플링 장치는 하나 이상의 유체 라인에 의해 마이크로유체 네트워크 장치에 연결된 별도의 장치일 수 있지만, 일 실시형태에서, 샘플링 장치는 마이크로유체 네트워크 장치에 조립되어 고정되는 방식으로 일체로 제공되거나 마이크로유체 네트워크 장치와 일체로 형성될 수 있다.
마이크로유체 네트워크 장치(2)의 입구 몸체부(6)는 장치 입구 또는 장치 입구들(10)에 연결된 다수의 입구 채널(12)을 포함하며, 각각의 입구 채널(12)은 중간 채널 부분(18)에 의해 상호 유체 연결된 입구 단부(14)와 출구 단부(16)를 포함한다. 도시된 실시형태에서, 예를 들어 바람직하게 베이스부(4)에서 본질적으로 평행하게 병치되는 방식으로 배치될 수 있는 다수의 입구 채널(12)이 있다.
마이크로유체 네트워크 장치는 입구 채널(12)의 출구 단부(16)에 인접하게 배치된 밸브 부분(24a)을 포함하는 적어도 하나의 (공통) 출구 채널(22)을 더 포함한다. 인접한 입구 채널(12)의 출구 단부(16)는 다수의 출구 단부(16)가 직선을 따라 형성되는 것이 아니라, 지그재그형 또는 파형 라인 또는 그 밖의 진동형 라인 형상을 따라 형성되도록 오프셋될 수 있다. 입구 채널(12)의 출구 단부(16)에 인접한 하나의 (공통) 출구 채널(22)을 갖는 바람직한 실시형태에서, 이에 따라 입구 채널의 출구 단부(16)에 근접한 공통 출구 채널은 또한 일반적으로 지그재그형, 파형 또는 진동형 경로를 따라 연장된다. 다수의 출구 단부(16)를 바라볼 때 진동형 배열을 형성하는 오프셋된 인접한 출구 단부(16)는 더 컴팩트한 배열, 즉, 대응하는 밸브(36)의 배치를 위해 출구 단부(16)에 더 많은 공간을 제공함으로써 인접한 입구 채널 사이에 더 가까운 거리(d1)를 허용한다. 실제로, 출구 단부(16)는 밸브(36)를 통해 공통 출구 채널(22)의 밸브 부분(24a, 24b)에 연결된다. 공통 출구 채널(22)은 따라서 일반적으로 입구 채널(12) 또는 적어도 입구 채널의 출구 단부를 가로지르는 방향으로 연장된다.. 도시된 실시형태에서, 공통 출구 채널의 밸브 부분(24a)은 본질적으로 "T"자형 배열로 입구 채널의 출구 단부에 횡 방향으로 연장된다.
밸브(36)는 입구 채널의 출구 단부(16)에 형성된 밸브 입구 오리피스(40) 및 공통 출구 채널(22) 위의 또는 공통 출구 채널(22)의 일부를 형성하고 밸브 분리 벽부(44)에 의해 밸브 입구 오리피스(40)에서 분리된 밸브 출구 오리피스(42)를 포함할 수 있다. 편향 부재(38)가 밸브 분리 벽부(44)에 대해 가압될 때, 밸브의 밸브 입구 오리피스(40)와 밸브 출구 오리피스(42) 간의 유체 연통이 방지되도록(즉, 밸브가 폐쇄 위치에 있도록) 편향 부재(38)는 밸브 입구 오리피스(40), 밸브 분리 벽부 및 밸브 출구 오리피스(42) 위에서 연장된다. 밸브의 밸브 출구 오리피스(42)는 공통 출구 채널(22)까지 연장되는 작은 오리피스일 수 있지만, 바람직하게는 공통 출구 채널(22)의 일부를 형성한다는 것을 알 수 있다. 후자의 변형예에서, 액체가 공통 출구 채널(22)을 통해 유동할 때, 밸브(36)의 밸브 출구 오리피스(42)는 어떠한 데드 볼륨도 야기하지 않으며, 밸브 출구 오리피스 내의 액체는 공통 출구 채널(22)을 유동하는 액체에 의해 운반된다.
바람직한 실시형태에서, 편향 부재(38)에 의해 덮인 밸브 출구 오리피스(42)는 편향 부재(38) 상의 밸브 입구 오리피스(40)에 의해 드러난 표면적보다 편향 부재(38) 상에 드러난 더 작은 표면적을 갖는다. 바람직하게, 편향 부재(38) 상에 드러난 밸브 입구 오리피스(40)의 표면적은 밸브 출구 오리피스(42)의 드러난 표면적의 2 배 이상, 바람직하게는 3 배 이상, 더욱 바람직하게는 5 배 이상이다. 이러한 구성은 공통 출구 채널(22)의 압력이 밸브 입구 및 출구 오리피스의 표면적의 비율에 상응하는 계수까지 입구 채널(12)의 압력보다 큰 경우에도 공통 출구 채널(22)로부터 입구 채널(12)로의 역류가 방지되는 것을 보장한다. 이는 특히 시약 간의 교차 오염에 대한 안전 메커니즘을 형성하며 또한 액체의 역류를 방지한다.
일 실시형태에서, 밸브(36)는 입구 및 출구 오리피스, 밸브 분리 벽부(44), 및 선택적으로 밸브 입구 및 출구 오리피스(40, 42)와 경계를 이루는 에지면과도 중첩하는 탄성 특성을 갖는 편향 부재(38)에 의해 형성될 수 있다. 밸브 몸체부(8)는, 오리피스(40, 42) 및 오리피스의 에지 둘레의 모든 표면적과 중첩하는 편향 부재(38)의 변형부를 형성하는 작동 챔버(48)를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 멤브레인(38) 또는 베이스부(4)에 대해 가압하는 밸브 몸체부(8)는 또한 인접한 밸브(36) 사이에 분리를 제공한다.
일 실시형태에서, 편향 부재(38)는 예를 들어 탄성 변형 가능한 재료의 형태 또는 시트의 탄성 멤브레인을 포함할 수 있다.
변형예에서, 편향 부재(38)는 예를 들어 출구 및 입구 오리피스(40, 42)의 에지에 대해 플레이트, 플런저 또는 볼을 가압하는 압축 스프링을 포함하는 스프링 장착 밸브 플레이트, 플런저 또는 볼(미도시)을 포함할 수 있다.
밸브 입구 오리피스(40)와 밸브 출구 오리피스(42)의 개념은 도 6a에 도시된 바와 같은 단일 연속 오리피스 또는 예를 들어 도 6b에 도시된 바와 같은 다수의 오리피스를 포함할 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히, 더 큰 표면적의 관점에서, 밸브 입구 오리피스는 오리피스에 대해 편향 부재를 위한 더 나은 지지를 제공하거나, 입구와 출구 사이의 드러난 표면적의 비율을 제어하기 위해 다수의 더 작은 오리피스를 구비할 수 있다.
밸브(36)는 각각의 밸브(36)의 개폐를 능동적으로 제어하는 작동 시스템을 구비할 수 있다.
그러나 변형예에서, 밸브는 수동적일 수 있고, 입구 채널(12)의 유체 압력을 증가시킴으로써 작동되는 체크 밸브로서 작용할 수 있다.
능동적인 변형예에서, 작동 시스템은 예를 들어 편향 부재 상에 가압하여 밸브를 폐쇄하거나, 편향 부재 상의 압력을 해제하거나 편향 부재를 들어올려 밸브를 개방하기 위해 편향 부재에 작용하는 전자기, 압전, 공압 또는 유압 수단과 같은 다양한 수단에 의해 밸브를 제어할 수 있다.
유리한 실시형태에서, 작동 시스템은 공압 작동 시스템을 포함할 수 있으며, 이에 의해 공압 작동 라인(50)은 출구 및 입구 오리피스(40, 42) 및 이들의 에지와 중첩하는 편향 부재(38) 위에 배치된 작동 챔버(48)에 연결된다.
일 실시형태에서, 공압 인터페이스는 대기압보다 큰 작동 챔버(48) 내부의 가스 압력을 가짐으로써 밸브를 폐쇄하도록 작동될 수 있다. 변형예에서, 편향 부재(38)는 출구, 입구 및 밸브 분리 벽부에 대해 양의 탄성 압력을 갖고, 밸브 개방은 작동 챔버(48)의 과소 압력(under-pressure)에 의해 달성될 수 있다.
유리한 실시형태에서, 복수의 입구 채널들(12)의 각각의 출구 단부(16)에 인접한 위치로 연장되는 단일 출구 채널(22)이 있고, 편향 부재를 포함하는 밸브(36), 및 밸브 입구 및 출구 오리피스들 위에 위치되는 작동 챔버가 있으며, 이에 따라, 유체가 공통 출구 채널을 통해 유동할 때 밸브의 출구부들 각각을 지나 유동함으로써 모든 데드 존(dead zones)이 제거된다.
일 실시형태에서, 최외곽 입구 채널(12a)은, 세척 동안, 서로 다른 시약의 도포 중간에, 공통 출구 채널(22)이 일단(22a)에서 타단(22b)까지 완전히 세척되어 후속 처리 사이클의 액체와의 오염을 방지하는 것을 보장하는 세척 용액에 연결될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치의 단부에 있는 입구 채널(12a)은 공통 출구 채널(22)의 일단(22a)에 연결되고, 공통 출구 채널의 타단(22b)은 샘플링 장치에 연결된 배출 라인, 퍼지 라인 또는 라인일 수 있는 마이크로유체 네트워크 장치의 출구(34)에 연결된다.
따라서, 마이크로유체 네트워크 장치(2)는, 장치 출구 하류의 샘플링 장치(1) 또는 다른 장치를 통과하지 않고 액체를 배출하기 위한, 또는 마이크로유체 네트워크 채널 내에서 기포를 제거하는 동안 장치의 초기 준비를 위한 하나 이상의 퍼지 또는 배출 라인(37)뿐만 아니라 샘플링 장치(1)에 연결된 출구를 선택적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 변형예에서, 마이크로유체 네트워크 장치는, 적어도 둘 이상의 액체를 혼합하기 위해 다른 구성을 구비할 수 있는 혼합 네트워크 내에서 액체를 강제로 순환시키기 위해 사용될 수 있는 밸브(36)에 의해 상호 연결된 둘 이상의 혼합 채널(32)을 포함하는 혼합 네트워크(30)를 구비할 수 있다. 액체는 마이크로유체 네트워크의 시약 라인(33)으로부터 또는 하나 이상의 샘플 라인에 의해 혼합 네트워크에 공급될 수 있으며, 둘 이상의 시약 또는 시약들을 하나 이상의 샘플 액체와 혼합하는데 사용될 수 있다.
유리한 실시형태에서, 입구 채널(12)의 입구 단부(14)와 출구 단부(16)를 연결하는 중간 채널 부분(18)은 유동 제어부(20)를 구비할 수 있다. 유동 제어부(20)는 예를 들어 입구 채널을 통한 유체의 유동을 늦추는 구불구불한 채널 구성에 의해 형성될 수 있는 저항성 채널(resistive channel)을 포함할 수 있다. 이는 특히 밸브(36)가 배치되는 외부 단부(42)에 대한 입구 채널의 입구 단부(40)에 존재하는 압력 변동을 약화시키거나, 밸브를 통한 액체 유동을 제어하기 위해 유체 유동을 더 잘 제어할 수 있게 한다. 이는 또한 샘플링 장치(5)의 마이크로유체 챔버를 통해 유동하는 다양한 시약의 유속이 임의의 입구 채널의 입구 단부로부터 마이크로유체 챔버까지의 유체 경로의 길이에 관계없이 실질적으로 동일한 것을 보장한다.
일 실시형태에서, 유동 제어부(20)는 다수의 입구 채널(12)에 대해 동일할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 유동 제어부(20)는 서로 다른 입구 채널에 대해 서로 다른 유동 저항 특성으로 구성될 수 있다. 다양한 유동 저항부는 각각의 입구 채널에서 유동하는 액체의 성질(예를 들어, 점도)을 고려하거나 또는 의도된 응용을 위한 특정 시약의 액체 공급량 요건을 고려하기 위해 구비될 수 있다.
혼합 네트워크(30)는 또한 액체의 효과적이고 효율적인 혼합을 달성하기 위해, 예를 들어, 구불구불한 채널, 저항 히터형 혼합기, 기둥 배열, 또는 유동 분할과 재결합을 이용하는 트리 네트워크와 같은 그 자체로 공지된 다양한 혼합 시스템을 포함할 수 있다.
혼합 네트워크(30)는, 시약이 혼합 네트워크의 입구 채널(32a) 내로 주입되어 혼합 네트워크(30)를 통해 유동하여 공통 출구 채널(22)을 통해 유동하지 않고 혼합 네트워크의 인접한 혼합 출구 채널(32b)을 통해 위로 유동할 수 있도록, 혼합 네트워크의 혼합 입구 및 출구 채널(32a, 32b) 사이의 공통 출구 채널(22)을 따라 배치된 인라인 밸브(36b)를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 혼합 네트워크의 유체 채널(32a, 32b) 사이의 공통 출구 채널 부분(22c)을 따른 인라인 밸브(36b)는 혼합 네트워크(30)를 통한 시약의 유동을 강제하기 위해 사용될 수 있다. 혼합 네트워크는 혼합 네트워크의 입구 및 출구 라인(32a, 32b) 및 혼합 장치의 공통 출구 채널(22) 사이의 밸브(36a, 36b, 36c)를 제어함으로써 온/오프 전환될 수 있다.
예로서, 도 1을 참조하면, 다수의 시약을 혼합하기 위해, 혼합기 밸브(36a, 36c)가 개방되고 인라인 밸브(36b)가 폐쇄되는 동안 대응하는 시약 밸브가 순차적으로 또는 동시에 개방된다. 따라서, 시약 액체는 혼합 네트워크(30) 내로 그리고 이를 통해 유동한다. 혼합기 네트워크를 우회하기 위해, 혼합기 밸브(36a, 36c)는 폐쇄되고 인라인 밸브(36b)는 개방될 수 있다. 혼합기 네트워크를 통한 액체의 순환은 단방향일 수 있거나, 더욱 양호한 혼합을 위해 혼합기 네트워크에서 액체의 순방향 및 역방향 유동을 작동시키기 위해 양방향일 수 있다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 네트워크 장치의 입구(12)와 하나 이상의 출구(34) 모두는, 마이크로유체 환경 내부의 대기압보다 높은 압력을 가짐으로써 마이크로유체 네트워크 장치 내의 기포 형성을 줄이기 위해 양압, 즉, 대기압 이상의 압력 하에 있을 수 있다. 입구(12)와 출구(34) 사이의 유동은 따라서 차압에 의해 제어되거나, 입구 측의 압력을 증가시키고 및/또는 출구 측의 압력을 낮춤으로써 제어될 수 있다.
2: 마이크로유체 네트워크 장치
10: 장치 입구
34: 장치 출구
3: 몸체
4: 베이스부
6: 입구 몸체부
8: 밸브 몸체부
유체 채널들
12: 입구 채널
12a: 제 1 입구 채널
14: 입구 단부
16: 출구 단부
18: 중간 채널 부분
20: 유동 제어부(저항성, 예를 들어 구불구불한 부분)
22: 공통 출구 채널
24, 24a, 24b: 밸브 부분
26: 중간 부분
22a: 제 1 단부
28: 퍼지 채널
30: 혼합 네트워크
32: 혼합 채널
36a, 36b, 36c: 혼합기 밸브
36: 밸브(시약, 혼합기, 퍼지, 배출 등)
38: 편향 부재
40: 밸브 입구 오리피스
42: 밸브 출구 오리피스
44: 밸브 분리 벽부
작동 시스템
48: 작동 챔버
50: 작동 라인
시약 및 샘플 소스들
54: 탑재형 저장조
33: 시약 라인
35: 출구 라인
37: 퍼지 라인
1: 샘플링 장치

Claims (23)

  1. 복수의 마이크로유체 입구 채널들(12)과 하나 또는 복수의 공통 출구 채널(22)을 포함하는 베이스부(4), 및 상기 입구 채널들과 상기 공통 출구 채널의 각각의 교차점에서 상기 복수의 입구 채널들 각각의 출구 단부(16)와 상기 공통 출구 채널을 상호 연결하는 복수의 밸브들(36)을 포함하는 마이크로유체 네트워크 장치(2)로서,
    각각의 밸브는 상기 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통(fluid communication)이 폐쇄되는 밸브 폐쇄 위치와 상기 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 개방되는 밸브 개방 위치 사이에서 변위 가능한 편향 부재(38)를 포함하고, 상기 하나 또는 복수의 공통 출구 채널은 밸브 섹션들(24a, 24b) 및 상기 밸브 섹션들을 상호 연결하는 중간 섹션들(26)을 포함하고, 상기 밸브 섹션들은 상기 입구 채널들과 상기 공통 출구 채널의 각자의 교차점들에 인접하여 배치되고, 상기 밸브 및 중간 섹션들은 상기 하나 또는 복수의 공통 출구 채널의 흐름 방향으로 상기 공통 출구 채널을 따라 분포되고, 각각의 중간 섹션은 두 개의 밸브 섹션들을 상호 연결하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 네트워크 장치는 샘플링 장치(1)에 연결되고, 상기 샘플링 장치(1)는 상기 네트워크 장치의 하류에(downstream) 배치되고, 그리고 상기 샘플링 장치(1)에는 항체, 이미징 버퍼 및 세척 용액을 포함할 수 있는 시약들이 공급되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    인접 입구 채널들(12)의 상기 출구 단부들(16)은 복수의 상기 출구 단부들(16)이 직선을 따라 형성되지 않도록 오프셋되고, 이로써 상기 공통 출구 채널은 진동형인(oscillating) 경로를 따라 연장되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공통 출구 채널은 상기 입구 채널들을 가로지르는 방향으로 연장되고, 상기 공통 출구 채널의 밸브 섹션들은 상기 입구 채널의 출구 단부를 가로질러(transversely) 연장되어 이에 따라 "T"자형 배열을 형성하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는:
    상기 입구 채널의 출구 단부에 형성된 밸브 입구 오리피스(40); 및
    밸브 출구 오리피스(42)를 포함하고,
    상기 밸브 출구 오리피스(42)는 상기 공통 출구 채널 위에(above) 있거나 상기 공통 출구 채널의 일부를 형성하고,
    상기 밸브 출구 오리피스(42)는 밸브 분리 벽부(44)에 의해 상기 밸브 입구 오리피스로부터 분리되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 편향 부재는 상기 밸브 입구 오리피스, 밸브 분리 벽부 및 밸브 출구 오리피스 위로 연장되고, 이에 의해, 상기 편향 부재가 상기 밸브 분리 벽부에 대해 가압될 때 상기 밸브의 밸브 입구 오리피스와 밸브 출구 오리피스 사이의 유체 연통이 방지되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 밸브 출구 오리피스는 상기 공통 출구 채널의 일부분을 형성하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 밸브 출구 오리피스는 상기 편향 부재 상의 상기 밸브 입구 오리피스에 의해 드러난(projected) 표면적보다 상기 편향 부재 상에 드러난 더 작은 표면적을 갖는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 편향 부재는 상기 입구 및 출구 오리피스들과 중첩하는 탄성 멤브레인(elastic membrane), 및 상기 밸브 분리 벽부를 포함하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    밸브 몸체부는 작동 챔버들(48)을 포함하고, 상기 작동 챔버들(48)은 상기 오리피스들(40, 42) 및 상기 오리피스들의 에지 주위의 임의의 표면적과 중첩하는 상기 편향 부재의 변형부를 한정하고, 상기 밸브 몸체부는 인접한 밸브들 사이에 분리를 제공하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 편향 부재들(38) 위에 배치된 작동 챔버들(48)에 연결된 공압 또는 유압 작동 라인들(50)을 포함하는 밸브 작동 시스템(46)을 더 포함하는 마이크로유체 네트워크 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    최외곽 입구 채널(12a)은 세척 용액에 연결되고,
    상기 세척 용액은 세척 동안에, 서로 다른 시약들의 도포 중간에, 상기 공통 출구 채널이 일단(one end)(22a)에서 타단(another end)(22b)까지 세척되어 후속 처리 사이클의 액체들과의 오염을 방지하는 것을 보장하도록 구성되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 네트워크 장치는 혼합 네트워크(30)를 포함하고,
    상기 혼합 네트워크(30)는 시약 라인들(33)로부터의 액체를 상기 혼합 네트워크 내에 순환시키도록 구성된 상기 공통 출구 채널(22)에 밸브들(36)에 의해 상호 연결된 두 개 이상의 혼합 채널들(32)을 포함하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    하나 또는 복수의 상기 입구 채널은 상기 입구 채널들을 통한 유체의 유동을 늦추는 구불구불한(serpentine) 채널 구성에 의한 저항성 채널들을 포함하는 유동 제어부들(20)을 포함하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  15. 제 1 항에 따른 마이크로유체 네트워크 장치를 작동시키는 방법으로서,
    a) 상기 입구 채널들과 상기 공통 출구 채널(22)을 상호 연결하는 각자의 밸브들(36)을 제어함으로써 퍼지(purge) 라인과 장치 출구(34) 중 어느 하나를 통해 액체를 배출하면서, 상기 입구 채널들의 각각에 각자의 시약들을 주입하여 상기 입구 채널들의 각각을 준비하는(priming) 단계;
    b) 하나 또는 복수의 선택된 시약을 입구 채널을 통해 주입하고 출구를 통해 배출함으로써, 상기 장치 출구의 하류에 연결된 샘플링 장치(1)를 준비하는 단계로서, 상기 선택된 시약은 상기 샘플링 장치에 제공된 샘플의 처리를 위한 세척제 또는 제 1 시약인, 단계; 및
    c) 상기 샘플과 반응하도록 구성된 시약을 상기 샘플링 장치에 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 네트워크 장치의 입구와 출구를 사전 가압하는 단계를 포함하고,
    상기 마이크로유체 네트워크의 입구와 출구는 둘 다 압력 공급원에 연결되는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 입구의 압력은 유속에 따라 변하는, 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 네트워크 장치의 혼합 네트워크에서 시약들을 혼합하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 생물학적 조직 샘플링 장치(1)에 시약들을 공급하도록 구성되고 제 1 항의 마이크로유체 네트워크 장치의 특징들을 포함하는 마이크로유체 네트워크 장치(2)로서,
    상기 시약들의 각자의 공급원들에 연결된 복수의 마이크로유체 입구 채널들(12); 하나 또는 복수의 공통 출구 채널(22); 및 상기 입구 채널과 출구 채널 사이의 유체 연통이 폐쇄되는 밸브 폐쇄 위치와 상기 입구 채널과 공통 출구 채널 사이의 유체 연통이 개방되는 밸브 개방 위치 사이에 전환 가능한(switchable), 상기 복수의 입구 채널들 각각의 출구 단부(14)를 상기 하나 또는 복수의 공통 출구 채널에 상호 연결하는 복수의 밸브들(36)을 포함하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수의 출구 채널은 중간 섹션들(26)에 의해 상호 연결된 밸브 섹션들(24a, 24b)을 포함하고, 상기 밸브 섹션들은 상기 입구 채널들의 각자의 상기 출구 단부들에 인접하여 배치되는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  21. 제 8 항에 있어서,
    상기 편향 부재 상에 드러난 상기 밸브 입구 오리피스의 표면적은 상기 밸브 출구 오리피스의 드러난 표면적의 두 배 또는 세 배인, 마이크로유체 네트워크 장치.
  22. 제 9 항에 있어서,
    상기 편향 부재는 상기 밸브 입구 및 출구 오리피스들을 구획하는(bounding) 에지면들(edge surfaces)을 더 포함하는, 마이크로유체 네트워크 장치.
  23. 제 15 항에 있어서,
    d) 세척액을 전달하는 단계; 및
    e) 서로 다른 시약들에 대해 상기 단계 c)와 상기 단계 d)를 반복하는 단계를 더 포함하는 방법.
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