KR102602599B1 - 마이크로유체 칩 구성 및 역학을 이용한 광학적 힘 측정 및 세포 이미징을 위한 마이크로유체 칩 디바이스 - Google Patents

마이크로유체 칩 구성 및 역학을 이용한 광학적 힘 측정 및 세포 이미징을 위한 마이크로유체 칩 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 상향 수직 방향으로 주입이 발생하고, 칩의 채널들의 분석 부분 전에 그리고 분석 부분에서 입자 침전을 최소화하기 위해 칩 아래에 유체 용기들이 위치되는 마이크로유체 칩 구성에 관한 것이다. 일 양태에서, 매니폴드를 이용하여 칩의 하부를 통해 입력 및 유체가 상향으로 흐르며, 이는 유체 역학의 직교 재배향을 방지한다. 바이얼의 내용물들은 칩 아래에 위치되고, 칩의 제1 채널 내로 바로 상향으로 그리고 수직으로 펌핑된다. 긴 채널이 칩의 하부로부터 칩의 상부 근처까지 연장된다. 또한, 채널은 중력 및 벽들에서의 0의 흐름 속도로 인한 세포 침전의 임의의 영향을 거의 배제하는 짧은 수평 턴을 취한다. 유체는 칩에서 가장 높은 채널/유체 지점이고 따라서 칩의 상부에 가까운 수평 분석 부분까지 펌핑되고, 이는 더 선명한 이미징을 유발한다. 레이저가 또한 분석 동안 이 채널 내에 세포들 또는 입자들을 부유시킬 수 있으며, 이는 그들의 침전을 방지한다.

Description

마이크로유체 칩 구성 및 역학을 이용한 광학적 힘 측정 및 세포 이미징을 위한 마이크로유체 칩 디바이스
본 발명은 일반적으로 유체 내의 입자 또는 세포에 대한 입자 분석 및 이미징을 위한 디바이스 및 방법에 관한 것으로서, 특히 압력, 유체 역학(fluid dynamics), 동전기(electrokinetic), 및 광학적 힘(optical forces)을 이용한 유체에 대한 입자 이미징을 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 마이크로유체 칩(microfluidic chip)에 관한 것으로서, 이 마이크로유체 칩에서는 상향 수직 방향으로 주입(injection)이 발생하며, 칩의 채널들의 분석 부분(analysis portion )에 그리고 그 앞에 입자가 침전(particle settling)되는 것을 최소화하기 위해 유체 바이얼(vial)들이 칩 아래에 위치된다.
본 발명을 구현하기 위해서는 기존의 마이크로유체 칩 설계들에 대한 변경들이 이루어져야 한다. 예를 들어, 칩을 따라 수직으로 바이얼들을 유지하기 위해서는, 종래 기술에 비하여 칩과의 상이한 인터페이스가 확립되어야 한다. 구체적으로, 입력 튜브(input tube)가 (통상적으로 마이크로유체 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 시스템들에서 행해지는 바와 같이) 칩의 가장 큰 면에 부착된 포트를 통해 직교 방식으로 칩과 인터페이싱한 후에 유체를 먼저 칩을 가로지른 다음에 위로 펌핑하는 대신에, 본 발명은 일 양태에서 매니폴드(manifold)를 사용하여 칩의 하부를 통해 올라오는 입력 및 유체를 가지며, 이는 유체/유체 역학의 수평 재배향(horizontal re-orientation)을 방지한다.
본 발명에 따르면, 바이얼의 내용물들은 칩 아래에 위치되며, 상향으로 그리고 수직으로 바로 칩의 제1 채널 내로 펌핑된다. 칩의 하부로부터 칩의 상부 근처까지 긴 채널이 연장되어 있다. 그리고, 채널은 짧은 수평 턴(turn)을 취하지만, 새로운 채널은 벽들에서의 0의 흐름 속도 및 중력으로 인한 세포 침전의 임의의 영향을 거의 없애도록 짧다. 또한, 종래 기술과 달리, 유체는 분석 부분까지 펌핑된다. 따라서, 수평 분석 부분은 칩 내의 가장 높은 채널/유체 지점이고, 따라서 칩의 상부에 가까우며, 이는 종래 기술보다 더 적은 현미경/카메라와 샘플 사이의 칩 재료(예를 들어, 유리(glass)), 따라서 더 선명한 이미징을 유발한다. 레이저는 또한 분석 동안 이 채널 내의 세포들을 부유(suspend)시키며, 이는 그들의 침전을 방지한다.
종래 기술에 따르면, 분리 및/또는 분석될 세포들 또는 입자들을 포함하는 마이크로유체 칩 바이얼들은 측부에 위치되고, 마이크로유체 칩 내의 채널들 내로 수평으로 펌핑된다. 먼저, 바이얼들의 내용물들(예를 들어, 입자들 또는 세포들)이 상향 수직 방향으로 펌핑되고, 이어서 유턴하여 아래로 이동하고, 이어서 칩 내로 수평으로 펌핑된다(예를 들어, 미국 특허 제9,594,071호 참조).
칩에 대한 연결은 수평적이며, 이는 연결에서의 데드 볼륨(dead volume)(어느 정도 불가피한 유체 연결들(fluidic connections)에서의 빈 공간)과 결합되어 중력으로 인한 상당한 추가적인 침전을 유발한다. 이러한 구성은 또한 연결에 의해 요구되는 비교적 큰 직경 채널을 필요로 하며, 이는 데드 볼륨에 더하여 비교적 낮은 속도의 영역을 생성하여 입자 침전의 문제를 더 증가시킨다. 본 발명에 따른 현재 칩은 큰 수평 입력 채널에 대한 필요성 및 큰 수평 입력 채널로부터 제1 수직 칩 채널에서의 비교적 얇은 상향 흐름으로의 다소 급격한 변화를 제거한다. 이러한 구성은 수평 침전, 및 침전을 유발하는 불필요한 방향 변화를 제거한다. 세포들이 칩의 하부 에지에 들어가게 하는 것은 또한 칩을 중력에 대해 수직으로 배향하여 세포들 또는 입자들이 수평 채널의 하부에 침전하는 것이 아니라 오히려 흐름에 의해 위로 계속 안내되게 함으로써 데드 볼륨에서의 침전 문제를 해결한다. 이것은 직관적이지 않으며, 현재 구현된 해결책을 설계하기 전에 문제를 인식하기 위해 많은 실험을 요구하였다. 현재 이용 가능한 마이크로유체 디바이스들은 본 발명과 달리, 유리의 폴리싱된 표면 및 더 큰 영역 상에 맞춤형 또는 상업적으로 이용가능한 연결들을 통합하며, 이는 일반적으로 샘플 스트림 내에 포함된 세포들과 같은 임의의 입자들로 하여금 즉시 턴을 취하고 칩에 들어갈 때 수평으로 이동하게 한다.
또한, 종래 기술에서, 세포들 또는 입자들은 분석 채널에 도달하기 전에 마이크로유체 칩 상에서 여러 개의 수평 런(run)을 가지며, 이는 침전을 유발한다. 바이얼 내용물들이 칩 및 칩 내의 채널들에 들어가는 지점에서, 내용물들은 수직 인-칩 채널(vertical in-chip channel)에 비해 수평으로 펌핑된다. 그 다음, 채널은 상향으로 흐르고 긴 수평 턴을 취하며, 이 지점에서 세포들은 중력으로 인해 채널의 하부에 침전할 뿐만 아니라, 층류 조건들(laminar flow conditions)로 인해 벽에서 더 낮은 속도를 경험하는 경향이 있다. 본질적으로, 포물선 속도 프로파일(parabolic velocity profile)로 인해, 흐름은 채널의 중간에서 가장 높고, 채널 벽에서 또는 그 근처에서 0으로 감소한다. 제1 수평 인-칩 채널(horizontal in-chip channel) 이후에, 유체는 입자들이 이미징되거나 분리되는 분석 채널 전에 하향 턴을 취한다. 이러한 구성으로 인해, 현미경/카메라와 분석 채널 사이에 비교적 큰 거리가 존재한다. 이러한 통상적인 종래 기술 구성에서, 입자들은 아래로 떠밀리고 궁극적으로 칩의 하부를 빠져나간다.
더욱이, 종래 기술에서의 제약들로 인해, 다수의 수평 런들(horizontal runs)이 요구되어, 세포들이 채널들 내의 다수의 장소에 침전되게 한다. 이것은 또한 칩의 에지에서 추가적인 재료를 통해 이미징해야 하는 필요성 때문에 이미지 품질의 감소를 유발한다. 종래 기술의 칩 내의 채널들은 상향 수직 방향으로, 이어서 수평으로, 이어서 적절한 세포 또는 입자 부유를 위해 지그재그 형태로, 이어서 칩 아래로 그리고 밖으로 펌핑되어야 했다. 지그재그 채널들은 본 발명에 의해 배제된다.
유체 내의 세포들 또는 입자들의 3D 이미지들을 렌더링(rendering)하는 것에 관한 종래 기술이 또한 존재한다. 예를 들어, M. Habaza, M. Kirschbaum, C. Guernth-Marschner, G. Dardikman, I. Barnea, R. Korenstein, C. Duschl, N. T. Shaked, Adv. Sci. 2017, 4, 1600205는 세포를 포획하고, 이를 고속으로 회전시키고, 간섭법(interferometry)을 이용하여 세포 내의 굴절률 분포를 측정하는 것을 교시한다. 간섭법은 또한 마이크로유체 채널들 내의 세포들을 분석하는 데 사용되었다(예를 들어, Y. Sung et al., Phys. Rev. Appl. 2014 Feb. 27; 1: 014002 참조). 그러나, 본 발명은 세포 또는 입자가 유체 흐름에서 이동하여 이미징 디바이스(들)의 초점 평면들을 통과할 때 세포 또는 입자의 다수의 이미지를 촬영하는 것을 청구하며, 따라서 3D 이미지를 렌더링하기 위해 세포를 포획할 필요가 전혀 없게 한다. 기계적 병진 스테이지(mechanical translation stage)를 사용하여 세포 또는 입자를 이동시키는 것과 같은 다른 기술들(예를 들어, N. Lue et al., Opt. Express 2008 Sep. 29; 16(20): 16240-6)이 교시되었으며, 이들 중 어느 것도 본 명세서에 설명된 바와 같은 명시야 이미징(bright field imaging)을 사용하지 않으며, 이미지 초점 평면에 대한 세포 위치 설정(cell positioning)을 제공하기 위해 유체 흐름을 이용하지 않는다.
본 명세서에 인용된 모든 선행 기술의 참조문헌은 그 전체가 참고로 통합된다.
본 발명은 마이크로유체 칩에 관한 것으로서, 이 마이크로유체 칩에서는 주입이 발생하고, 입자 침전을 최소화하기 위해 샘플 바이얼들이 칩 아래에 위치된다. 따라서, 바이얼의 내용물들은 칩 아래에 위치되고, 위로 그리고 수직으로 바로 칩의 채널 내로 펌핑된다. 긴 채널이 칩의 하부로부터 칩의 상부 근처까지 연장된다. 그리고, 채널은 짧은 수평 턴을 취하지만, 새로운 채널은 채널의 벽들에서의 0의 흐름 속도로 인한 세포 침전의 임의의 영향에 관해 사소할 정도로 충분히 짧다. 또한, 종래 기술과 달리, 샘플은 분석 부분까지 펌핑된다. 따라서, 수평 분석 부분은 칩 내의 가장 높은 채널/유체 지점이고, 따라서 칩의 상부에 가까우며, 이는 종래 기술보다 더 적은 현미경/카메라 사이의 유리, 따라서 더 선명한 이미징을 유발한다. 칩의 상부로부터의 분석 채널의 거리는 100 마이크로미터(microns) 내지 2mm일 수 있지만, 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 200 마이크로미터 내지 300 마이크로미터, 300 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 등과 같이 100mm 정도로 클 수 있다. 일 실시예에서, 칩의 분석 부분 이후에, 샘플, 예를 들어 유체, 세포들 및/또는 입자들은 아래로 칩의 하부까지 펌핑되고 밖으로 떠밀린다.
본 발명은 또한, 수평 런들이 특히 유체가 칩 채널들에 들어가는 지점에서 최소화되는 마이크로유체 칩에 관한 것이다. 종래 기술의 칩들은 수평 채널들(비분석 부분들(non-analysis portions))에서 약 13mm를 포함하고, 그 중 약 2mm는 훨씬 더 큰 직경의 주입 포트에 대한 것이어서, 저속으로 인해 침전을 악화시킨다. 본 명세서에 설명된 칩은 바람직한 실시예에서 수평 채널들(비분석)에서 약 0.2 내지 3.0mm를 갖지만, 수평 채널들은 0.01 내지 100.0mm의 길이 범위, 예컨대 0.01mm 내지 0.02mm, 0.02mm 내지 0.03mm, 0.03mm 내지 0.04mm 등의 길이 범위를 가질 수 있다. 이것은 발명된 채널 시스템의 결과이고, 종래 기술과는 10 배 정도 상이하며, 이는 흐름 및 세포/입자 침전 제거를 개선한다.
본 발명의 다른 양태는 마이크로유체 칩에 관한 것이고, 이 마이크로유체 칩에서는 이미징이 발생하고, 분석은 칩의 코너에 또는 그 근처에 기초하며, 따라서 카메라와 분석 채널 사이에 더 적은 유리 및 거리가 존재하기 때문에 다수의 시점으로부터의 이미징이 개선된다. 이것은 또한 더 높은 수치의 대물 렌즈가 사용되어 배율을 증가시킴으로써 상세한 이미징을 개선할 수 있게 한다. 이러한 설계 개선은 유리(또는 플라스틱 또는 임의의 투명 또는 반투명 재료와 같은, 칩을 포함하는 다른 물질) 및 (예를 들어, 유리의 결함들로 인한) 거리에 의해 유발되는 이미지의 왜곡을 감소시킨다. 이미징 디바이스와 분석 채널 사이의 거리는 100 마이크로미터 내지 2mm일 수 있지만, 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 200 마이크로미터 내지 300 마이크로미터, 300 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 등과 같이 100mm 정도로 클 수 있다.
또한, 본 발명은 분류 기능(sorting function)을 활성화하기 위해 압력 및/또는 레이저(또는 다른 광학적 힘) 양자를 동시에 또는 순차적으로 개별적으로 사용하는 것을 허용하는 분석 채널로부터의 하류의 분리(separation)를 갖는 마이크로유체 분류 칩(microfluidic sorting chip)에 관한 것이다. 일 양태에서, 흐름은 분류 기능을 위해 분석 채널로부터 계속될 것이다. 예를 들어, 입자들은 수직 채널로, 이어서 수평 분류 채널로 지향될 것이다. 일 실시예에서, 광학적 힘 및/또는 압력은 분류 채널에 대해 흐름 방향으로 인가되어 채널을 통해 입자들을 밀 것이다. 광학적 힘에 의해 직접 영향을 받지 않는 입자들은, 예를 들어 중력, 동전기력, 자력, 층류 라인, 스트림 라인, 감소된 유동률(flow rate), 직교 광학적 힘(orthogonal optical force), 또는 입자들을 대체 채널(alternate channel)로 흡입하기 위해 인가되는 진공으로 인해 대체 채널로 전환될 것이다. 분류 후분석(sorting post-analysis) 채널과 관련된 다른 양태에서, 본 발명은 칩의 배면으로부터 광학적 힘을 지향시키는 것(레이저 또는 광학적 힘이 동일한 흐름 방향으로 배향됨)을 허용하고, 일부 양태들에서는 이 주요 레이저를 분할하는 것을 허용한다. 실시예들에서, 광학적 힘 및/또는 압력은 채널을 통한 물질의 이동의 반대 방향으로, 예를 들어 흐름과 반대로 인가될 수 있거나, 채널 내의 물질의 이동과 동일한 방향으로, 예를 들어 흐름을 따라 인가될 수 있다. 세포 또는 입자 분류는 단일 디바이스 또는 별개의 칩 상에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 도 1b에서, 출구 튜빙(outlet tubing, 145) 이전의 제5 채널은 단일 또는 다수의 분류 영역들을 가능하게 하기 위해 하나 이상의 분기들(bifurcations)을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에서, 매니폴드는 튜빙이 매니폴드를 통과하고 다른 측에서 바이얼 또는 다른 용기에 연결되어 바이얼 내의 물질(예를 들어, 유체)과 접촉하는 방식으로 바이얼에 연결된다. 매니폴드는 바이얼들이 마이크로유체 칩에 연결되지만 칩 아래에 저장되는 것을 허용하고/하거나, 매니폴드는 바이얼의 내용물들이 칩의 하부로부터 주입되는 것을 허용하여, 바이얼 또는 바이얼로부터의 튜빙이 마이크로유체 칩에 연결되거나 그와 통하는 세포 또는 입자 침전과 같은, 종래 기술이 겪는 여러 문제점을 경감시킨다.
다른 양태에서, 본 발명은 마이크로유체 칩 홀더에 관한 것이며, 이 칩 홀더는 프리즘이 설치될 때 광이 칩에 대해 비스듬하게 출사되게 하고 제한된 기하 구조(constrained geometry)를 조명하기 위한 바람직한 방법인 통합 프리즘 공동(integrated prism cavity)을 포함하는 광원을 안내하기 위한 구조를 포함한다. 실시예들에서, 광원은 광섬유들 또는 시준된(collimated) 또는 집속된(focused) 광원을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 이 광원은 정확하게 지향되거나, 배향되거나, 특히 분석 채널 내로 지향된다.
본 발명의 다른 양태에서, 디바이스는 제1 카메라 및 채널 뷰(channel view)에 직교하여 배향된 제2 이미징 디바이스를 포함한다. 제2 카메라에 대한 이유들은 다양하다. 일 양태에서, 제2 이미징 디바이스에 대한 이유는 분석 채널에서의 레이저 또는 광학적 힘의 시각적 정렬을 보조하는 것이다. 다른 양태에서, 본 명세서에 설명된 방법을 이용하여, 제1 카메라로부터의 데이터가 기록될 수 있다. 제2 카메라에 의해, 데이터가 제1 카메라로부터의 데이터와 결합되어, 세포 위치, 크기, 형상, 볼륨 등을 더 정확하게 추정하기 위해 사용될 수 있는 추가 데이터를 유발할 수 있다. 동일한 세포(또는 입자)에 관한 이러한 추가 정보는 측정 및 분석의 정확성 및 범위를 증가시킨다. 추가적인 양태에서, 제2 카메라는, 제1 카메라와 결합되어, 직교 카메라 및 흐름 내의 카메라 또는 칩의 측부를 향해 위치된 카메라에 의해 이미징되는 세포 또는 입자, 또는 세포들 또는 입자들의 그룹의 3D 재구성을 허용한다. 흐름을 반전시키거나 느리게 하고 특정한 세포 또는 입자, 또는 세포들 또는 입자들의 그룹의 하나 이상의 이미지들을 취하는 것을 포함하는, 본 명세서에 설명된 알고리즘 등을 사용하여, 본 발명은 다수의 이미지들이 분석되고 처리되는 것을 허용하여, 세포 볼륨, 세포 형상, 핵 위치, 핵 볼륨, 세포기관(organelle) 또는 봉입체(inclusion body) 위치 등과 같은 특성들/속성들/정량적 측정들(characteristics/attributes/quantitative measurements)의 결정을 가능하게 한다. 본 발명의 다른 양태에서는 카메라가 흐름의 방향에 있는 축에서 이미징하도록 배향된다.
일 양태에서, 본 발명은 입자들을 적절히 부유 상태로 유지하기 위해, 종래 기술에 따라 선호되는 바와 같은 구불구불한 또는 지그재그 채널을 요구하지 않는다. 칩 내에 주입되는 유체 및 입자들 또는 세포들의 수직 성질(vertical nature) 때문에, 지그재그 채널은 채널을 통해 (본 명세서에서 제2 채널로 지칭되는) 제1 수평 채널로 직접 위로 흐르는 수직으로 통합된 펌핑된 입자들에 의해 배제된다.
첨부 도면들은 본 발명의 실시예들 중 일부의 소정 양태들을 예시하며, 본 발명을 제한하거나 정의하는 데 사용되지 않아야 한다. 작성된 설명과 함께, 도면들은 본 발명의 소정 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 칩, 매니폴드 및 바이얼들을 포함하는 디바이스 구성의 글로벌 뷰를 도시하는 도면이다. 도 1b는 칩 채널 배향들 및 위치들의 특정 묘사들을 도시하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 마이크로유체 칩 홀더를 도시하는 도면들을 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 칩 홀더의 각도들 및 양태들을 도시하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 칩과 관련된 세포 경로 및 이미징 구성의 예들을 도시하는 도면들이다. 도 4c는 대안적인 세포 경로를 도시하는 도면이다.
도 5는 온칩 다중 평면 이미징(on chip multi-plane imaging) 및 이것이 3D 이미지들 및 정보를 렌더링하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 도면이다.
도 6a 및 6b는 유체 흐름 내의 온칩 다중 평면 이미징 및 이것이 3D 이미지를 렌더링하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 도면이다.
도 7은 세포가 어떻게 칩의 분석 부분 내에서 포획 및/또는 균형화되고 다수의 각도들로부터 이미징될 수 있는지를 도시하는 도면이다.
도 8은 입자들이 카메라로부터 멀리 이동하도록, 카메라 및 조명원이 레이저 및 흐름 방향을 따라 어떻게 배치될 수 있는지를 도시하는 도면이다.
도 9는 입자들이 카메라를 향하여 이동하도록, 카메라 및 조명원이 레이저 및 흐름 방향을 따라 어떻게 배치될 수 있는지를 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 특징을 갖는 특정 실시예들을 참조하여 설명되었다. 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고 본 발명의 실시에서 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있다는 것이 본 기술분야의 기술자들에게 명백할 것이다. 본 기술분야의 기술자는 이러한 특징들이 주어진 응용 또는 설계의 요건들 및 사양들에 기초하여 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 다양한 특징들을 포함하는 실시예들은 또한 이러한 다양한 특징들로 구성되거나 본질적으로 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 본 기술분야의 기술자들에게 명백할 것이다. 제공된 본 발명의 설명은 본질적으로 단지 예시적이거나 설명적이며, 따라서 본 발명의 본질로부터 벗어나지 않는 변경들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명에서 제시되거나 도면들에 도시된 컴포넌트들의 구성 및 배열의 상세들로 그 응용이 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능할 수 있거나 다양한 방식으로 실시 또는 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 어구 및 용어는 설명을 위한 것이고 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1a는 본 명세서에 교시된 디바이스의 글로벌 뷰를 도시한다. 샘플 바이얼들(130)은 마이크로유체 칩(100)(본 명세서에서 일반적으로 기판이라고도 지칭될 수 있음) 아래에 위치되며, 바이얼들의 수 또는 크기들에 관하여 제한되지 않는다. 바이얼들은 유체, 액체, 기체, 플라즈마, 혈청, 혈액, 세포, 혈소판(platelets), 입자 등 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 하나 이상의 물질(substance)과 같이, 디바이스를 통해 이동될 수 있는 임의의 유형의 샘플을 보유하도록 구성된다. 본 명세서의 맥락에서, 용어 유체 또는 샘플은 이러한 하나 이상의 물질을 지칭하기 위해 일반적으로 사용될 수 있다. 바이얼들은 직접적으로 또는 간접적으로, 예컨대 칩의 밑면과 동작가능하게 통하는 공기 튜빙(air tubing, 110)을 이용하여 간접적으로 연결된다. 이들은 또한 도 1a에 추가로 도시된 바와 같이 매니폴드(120)를 통해 연결될 수 있다. 도 1b는 마이크로유체 칩(100)의 바람직한 실시예를 도시하고, 그에 의해, 물질, 유체, 입자들 및/또는 세포들은 마이크로유체 칩의 에지와 같은 하나의 외부 표면(예를 들어, 도 1b의 XZ 평면)에 주입된다. 주입은 도 1b에서 XZ 면 또는 XY 면과 같은 최소 거리에 의해 공유된 면들 중 하나를 따라 도시된다. 이 특정 실시예에서, 측면 X(160)의 길이는 측면 Y(170)의 길이 및 측면 Z(180)의 길이보다 작다. 이러한 구성은 샘플이 칩 상에 채널들에 들어갈 때 최소 편차(minimal deviation)를 갖는 것을 허용한다(예를 들어, 일반적으로 현재의 기술 상태에서 그러하듯이, 우측 턴(right turn)이 필요하지 않음).
도 1a에서, 매니폴드(120)는 물질, 유체, 입자들, 및/또는 세포들이 수직 상향으로 마이크로유체 칩 내로 주입 또는 펌핑될 수 있도록 바이얼 또는 바이얼들(130)을 마이크로유체 칩(100)에 연결하는 것으로 도시되어 있다. 매니폴드는 칩의 하부로부터 물질들을 주입하는 것을 허용하면서, 또한 전자기기, 흐름 센서, 및 튜빙(액체 및 공기 둘 다)을 세포 침전을 최소화하는 방식으로 위치 설정하며, 이는 처리량(throughput)을 최적화한다. 공기 튜빙은 압력 또는 진공을 제공하며, 밀봉될 때 매니폴드 장치의 범위 내에 폐쇄 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 바이얼(들)과 매니폴드 사이에 거리가 존재하며, 이는 밀봉이 존재하지 않고 내부 볼륨의 압력이 대기압이라는 것을 나타낸다. 이것은 대기에 개방된 용기로부터 또는 용기로 물질들을 펌핑하는 것을 허용한다(개방된 용기로부터 펌핑하기 위해서는 진공(vacuum)이 요구된다). 매니폴드는 세포 침전을 최소화하는 방식으로 전자기기, 흐름 센서, 및 튜빙(액체 및 공기 둘 다)을 위치 설정하며, 이는 처리량을 최적화한다.
칩의 하부로부터 내용물들을 주입함으로써, 본 발명은 채널(들)(150) 내의 입자들 또는 세포들의 침전과 같은 문제점들을 유발하는 입구 튜빙(inlet tubing, 140) 및 출구 튜빙(145)에서의 수평 이동을 최소화한다. 출구 튜빙은 입구 튜빙으로부터, 이 예에서는 Z 및 X 차원들(도 1b)에서 오프셋된다. 실시예들에서, 출구 튜빙은 입구 튜빙에 대해 오프셋되거나, 오프셋되지 않거나, 직선이거나, 인라인(in-line)이거나, 경사진다. 이러한 구성은 구불구불한 또는 지그재그 수직 채널들에 대한 필요성을 제거하는데, 그 이유는 현재 구성이 종래 기술에서, 예를 들어 세포들 및/또는 입자들과 결합된 유체가 수평 방향으로 측면으로부터 칩 내로 주입되거나 펌핑된 후에 위로 밀리도록 방향 및 유체 역학을 변경해야 하는 경우에 발생하는 침전 문제점들을 해결하기 때문이다. 매니폴드 및 칩의 하부로부터의 주입은 또한 추가적인 요소들, 컴포넌트들, 기계류 또는 하드웨어가 칩 아래에 배치되는 것을 허용한다(도 1a 참조).
매니폴드(120)는 바이얼 내의 내용물들 위의 공기 압력을 조절하고, 흐름 센서 및 전자기기에 대한 정확한 기하 구조를 제공함으로써 작동한다. 유체 또는 공기 튜빙과 같은 튜빙은 매니폴드를 통과하고 다른 측 상의 바이얼에 연결된다. 가압된 공기는 매니폴드의 일측을 통과하고 매니폴드 내에 폐쇄 가압 시스템을 생성한다. 밀폐 영역 내의 압력을 조절함으로써, 시스템은 유속 및 유체 역학과 같은 파라미터들에 대한 변경들을 허용한다. 가압 영역은 바이얼(들)(130) 및 매니폴드(120) 둘 다에 있다. 다른 양태에서, 바이얼에 대해서는 공기 연결이 필요하지 않은데, 그 이유는 그것이 주변 대기에 개방되기 때문이다. 이것은 더 다양한 용기들 및 소스들의 샘플링을 가능하게 한다. 그러한 실시예에서, 개방 용기로부터 유체 흐름을 구동하기 위해 압력차가 생성되도록 다른 하나 이상의 바이얼에 진공이 인가된다.
일 실시예에서, 압력 기반 샘플 주입이 사용된다. 바이얼들은 유체 내의 샘플로 채워지고, 칩에 연결된 뚜껑 또는 튜빙으로 밀봉된다. 뚜껑에 부착하기 전에, 바이얼은 공기에 개방되거나 또는 격막 또는 기타 기밀 디바이스로 밀봉될 수 있다. 일 양태에서, 뚜껑은 2개의 연결을 포함할 수 있고, 하나는 가스와 같은 유체에 대한 것이고 하나는 액체에 대한 것이다. 선택적으로, 방법 실시예는 제1 채널과 통하는 샘플 입구 라인(sample inlet line)과 통하는 샘플 입구 라인 팁을 제공하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 진공 기반 샘플 주입이 사용된다. 바이얼들은 유체 내의 샘플로 채워지고, 칩에 연결된 뚜껑 또는 튜빙으로 밀봉된다. 뚜껑에 부착하기 전에, 바이얼은 공기에 개방되거나 격막으로 밀봉될 수 있다. 일 양태에서, 뚜껑은 2개의 연결을 포함할 수 있고, 하나는 가스와 같은 유체에 대한 것이고 하나는 액체에 대한 것이다. 선택적으로, 유체는 다른 바이얼들 중 하나 이상에 진공 압력을 인가함으로써 대기에 열린 바이얼로부터 흡인될 수 있다. 선택적으로, 방법 실시예는 제1 채널과 통하는 샘플 입구 라인과 통하는 샘플 입구 라인 팁을 제공하는 단계를 더 포함한다.
도 2a 및 도 2b 및 도 3a 및 도 3b에 칩 홀더(200, 300)가 도시되어 있다. 칩 홀더는 광섬유 광원(fiber optic light source), 발광 다이오드 또는 레이저와 같은 광원(210) 및 프리즘이 설치될 수 있는 통합 프리즘 공동(220, 320)을 안내하기 위한 구조를 포함한다. 광원은 칩 홀더 내의 통합 구조(integrated structure) 또는 채널(240)에 의해 원하는 위치로 안내되거나 정렬된다. 광섬유 광원을 위한 내장 공간은 마이크로유체 칩(230, 330) 또는 마이크로 유체 칩 내의 채널과 같은 제한된 기하학적 환경들에서도 원뿔 조명(250)과 같은 조명을 허용한다. 이 광원은 특히 바람직한 양태에서 분석 채널(260) 상에 정밀하게 지향되거나, 배향되거나, 집속된다. 바람직한 실시예에서, 칩 홀더는 프리즘(220, 320) 및 광섬유 광원(210)에 대한 내장 공간을 포함하여, 제한된 기하구조로의 조명을 허용한다. 칩은 본 명세서에 설명된 바와 같이 유체 튜빙을 정밀하게 정렬하기 위해 홀더(350)의 하부에 구멍들 또는 개구들을 더 포함한다. 일 실시예에서, 조절가능한 나사들이 적절한 정렬을 위해 하나 이상의 면들 상의 나사 구멍들(360) 내로 통합된다.
도 4a는 본 명세서에 설명된 마이크로유체 칩(400)의 바람직한 실시예이다. 도시된 바와 같이, 유체는 먼저 제1 채널(410)을 통해 수직 방향으로 위로 이동하고 나서 제2 수평 채널(420)과 연통한다. 다른 수직 채널(430)은 칩의 상부에 훨씬 더 가까운 유체를 취하고, 이 시점에서 제4 채널(440)은 수평이고, 도 4에 도시된 바와 같이, 분석 채널을 포함한다. 채널들은 샘플이 시스템을 통해 하나의 채널로부터 다른 채널로 이동될 수 있도록 하기 위해 서로 동작가능하게 통한다. 실시예들에서, 샘플은 제1 채널로부터 제2 채널로, 제3 채널로, 제4 채널로, 또는 반대로, 또는 이들의 조합으로 흐를 수 있다. 채널들의 개구 및 출구 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에서 양 및/또는 음의 압력을 제공하여 채널들을 통한 물질들의 이동을 가능하게 하기 위해 펌프 및/또는 진공 장치가 제공될 수 있다. 분석 채널은 칩의 면들, 에지들, 또는 측면들과 같은 기판의 하나 이상의 외부 표면에 가깝다. 예를 들어, 이 구성에 따른 분석 채널은 칩의 상부 및 측면에 가깝고, 그에 의해 마이크로유체 칩의 물질을 통한 이미징 및 분석을 개선한다. 바람직한 실시예에서, 분석 채널은 칩의 상부 및 측면으로부터 약 1mm 내지 약 2mm이다. 그러나, 칩의 상부로부터의 분석 채널의 거리는 0.1mm 내지 100mm, 예컨대 0.1mm 내지 0.2mm, 0.2mm 내지 0.3mm, 0.3mm 내지 0.4mm 등일 수 있다. 다른 방식으로 표현하면, 분석 채널은 기판의 상부 50%, 33%, 25%, 10%, 또는 5% 내에 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 수평 분석 채널의 길이는 약 250 마이크로미터 내지 약 10mm일 수 있다. 그러나, 분석 채널의 길이는 100 마이크로미터 내지 100mm, 예컨대 0.1mm 내지 0.2mm, 0.2mm 내지 0.3mm, 0.3mm 내지 0.4mm 등일 수 있다. 다른 방식으로 표현하면, 분석 채널의 길이는 기판/칩의 높이, 폭 또는 길이의 약 75% 이하, 예를 들어 기판/칩의 높이, 폭 또는 길이의 50% 이하, 33% 이하, 25% 이하, 10% 이하, 또는 5% 이하일 수 있다.
도 4b에는, 기계 비전 카메라들(machine vision cameras)과 같은 2개의 이미징 디바이스(450)가 도시되어 있다. 일 실시예에서, 카메라는 칩 위에 위치될 수 있고 분석 채널에 직교하여 배향될 수 있다. 다른 실시예에서, 카메라는 칩의 측면에 위치될 수 있고 흐름의 방향에 직교하도록 배향되거나 흐름의 방향에 대각선으로(예컨대 채널 위에, 채널 아래에, 또는 채널의 측면에 비스듬하게) 배향될 수 있다. 실시예들에서, 카메라는, 이미징이 하나 이상의 물질의 흐름에 대해 임의의 각도로, 예를 들어 하나 이상의 물질의 흐름에 대해 직교 또는 90도 또는 0 내지 90도 또는 10 내지 80도 또는 30 내지 60도 등으로 수행되도록 위치 설정될 수 있다. 다른 실시예에서, 분석 채널에서 이미지 세포들 또는 입자들을 이미징하기 위해 2개 이상의 카메라들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 카메라는 칩 위에 있고 분석 채널에 직교하여 배향될 수 있다. 제2 카메라는 칩의 측면에 위치될 수 있고 흐름의 방향에 직교하여 배향되거나 흐름의 방향에 대각선으로(예를 들어, 채널 위, 채널 아래, 또는 채널의 측면에 비스듬하게) 배향될 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 광원들(460)은 분석 채널(440)을 조명하기 위해 사용될 수 있고, 이러한 광원들은 칩 아래에 위치되고, 칩의 측면에 대해 위로 조명하거나, 칩 위에서 흐름 방향으로 또는 흐름 방향과 반대로 조명하거나, 분석 채널에 대해 아래로 또는 대각선으로 조명할 수 있다.
대안적으로, 이색성 미러(dichroic mirror, 840) 또는 다른 적절한 광학 요소가, 도 8에 도시된 바와 같이, 특정 파장 범위의 광을 선택적으로 전환하는 반면에 다른 파장들이 통과하는 것을 허용하는 데 사용될 수 있다. 이것은 카메라들(810)이 분석 채널을 따라 배치되는 것을 허용할 것이다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 이것의 여러 실시예가 발생하며, 이는 광학적 힘 레이저(830) 및 카메라(810)를 분석 영역의 동일한 또는 대향 단부들에 배치하는 것을 포함한다. 카메라에 대한 조명원(860)이 또한 요구될 수 있으며, 도 8 및 도 9에 도시된 것과 같은 여러 방식으로 배향될 수 있다. 광원은, 하나 이상의 LED와 같은 넓은 스펙트럼 광원 또는 레이저와 같은 좁은 광원일 수 있다. 카메라는 본 명세서에 설명된 바와 같이 단일 카메라로서 또는 멀티 카메라 시스템의 일부로서 다른 시점들(viewpoints)과 조합하여 사용될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 레이저와 같은 광원(480)이 세포 흐름(cell flow)에 영향을 미치기 위해 사용될 수 있다. 레이저는 세포 흐름을 따라 또는 세포 흐름과 반대로 배치될 수 있다. 레이저는 세포 흐름에 직교하게 또는 대각선으로 배치 및/또는 배향될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예는 입자 분석을 위한 디바이스를 포함한다(예를 들어, 도 4 내지 도 9 참조). 본 발명의 실시예는 마이크로유체 채널들(예를 들어, 440) 내의 입자들 또는 세포들의 이미지들을 캡처하기 위한 적어도 하나의 카메라(450)를 포함한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 시준된 광원 빔을 생성하도록 동작가능한 시준된 광원과 같은 레이저 또는 다른 광학적 힘(480)이 포함된다. 적어도 하나의 시준된 광원 빔은 적어도 하나의 빔 단면을 포함한다. 본 발명의 실시예는 기판에서 수직 방향으로 연장되는 제1 채널(410)을 갖는 기판을 포함하며, 따라서 제1 평면은 실질적으로 그 길이를 따라 제1 채널(410)을 가로지르고, 그에 의해 유체 샘플은 칩의 하부로부터 기판/칩 내로 주입되고 양 또는 음의 압력에 의해 위로 떠밀린다. 본 발명의 실시예는 제1 채널에 직교하고, 따라서 기판에 수평으로 배치되는 제2 채널(420)을 포함하며, 따라서 제2 평면이 실질적으로 그 길이를 따라 제2 채널(420)을 가로지르고, 제2 평면은 제1 평면에 직교하여 배치된다. 이 제2 채널은 칩의 수평 방향에 있다. 제2 채널은 제1 채널과 직접 또는 간접적으로 통한다. 제2 채널은 칩의 상부에 더 가까운 채널 네트워크를 취하는 짧은 상향 수직 제3 채널(430)과 직접 또는 간접적으로 통한다. 제3 채널은 칩의 상부 및/또는 코너 근처에 위치되는 제4 수평 채널(440)과 직접적으로 또는 간접적으로 통한다. 바람직한 실시예에서, 제4 채널은 칩의 상부에 가장 가까운 채널이다. 일 실시예에서, 제4 채널은 분석 채널이다. 일 양태에서, 카메라(450)는 제4 채널에서의 흐름 방향에 직교하여 배향된다. 본 발명의 실시예는 제1 채널에 동작가능하게 연결된 집속된 입자 스트림 노즐을 포함한다. 본 발명의 다른 양태에서, 제2 채널은 크기 변화를 겪고 제3 채널과 통하기 전에 노즐을 통과한다.
도 4c는 마이크로유체 칩의 샘플 경로의 다른 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 유체는 칩에서 먼저 제1 채널(410)을 통해 수직 방향으로 상향으로 이동하고, 제1 채널은 이후 이 예에서 칩의 상부에서 제2 수평 채널(420)과 직접적으로 또는 간접적으로 통하고, 이 실시예에서 분석 채널을 포함한다. 이 구성에 따른 분석 채널은 칩의 상부에 가깝고, 그에 의해 마이크로유체 칩의 물질을 통한 이미징 및 분석을 개선한다. 바람직한 실시예들에서, 분석 채널은 칩의 상부 및 측면으로부터 약 1mm 내지 약 2mm이다. 그러나, 칩의 상부로부터의 분석 채널의 거리는 0.1mm 내지 100mm, 예컨대 0.1mm 내지 0.2mm, 0.2mm 내지 0.3mm, 0.3mm 내지 0.4mm 등일 수 있다. 다른 방식으로 표현하면, 분석 채널은 기판의 상부 50%, 33%, 25%, 10%, 또는 5% 내에 배치될 수 있다. 본 발명에 따른 수평 분석 채널의 길이는 약 250 마이크로미터 내지 약 10mm일 수 있다. 그러나, 분석 채널의 길이는 100 마이크로미터 내지 100mm, 예컨대 0.1mm 내지 0.2mm, 0.2mm 내지 0.3mm, 0.3mm 내지 0.4mm 등일 수 있다. 다른 방식으로 표현하면, 분석 채널의 길이는 기판/칩의 높이, 폭 또는 길이의 약 75% 이하, 예를 들어 기판/칩의 높이, 폭 또는 길이의 50% 이하, 33% 이하, 25% 이하, 10% 이하, 또는 5% 이하일 수 있다. 실시예들에서, 기판은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10개의 분석 채널과 같은 하나 이상의 분석 채널을 포함할 수 있다.
또한 도 4c에 도시된 바와 같이, 레이저와 같은 광원(480)이 세포 흐름과 같은 물질 흐름에 영향을 미치는 데 사용될 수 있다. 레이저는 세포 흐름을 따라 또는 세포 흐름과 반대로 배치될 수 있다. 레이저는 또한 세포 흐름에 대해 직교하여 또는 대각선으로 배치 및/또는 배향될 수 있다.
도 1 및 도 4에서, 세포들 또는 입자들을 포함하는 유체 흐름은 제1 채널을 통해 수직으로 지향된다. 하나 이상의 물질(유체, 세포들 및/또는 입자들)은 제1 채널의 개구에서 칩의 하부를 통해 들어가고 수직 방향으로 기판에 들어간다. 제1 수직 채널은 길이가 100 마이크로미터 내지 100mm 사이, 예컨대 0.1mm 내지 0.2mm, 0.2mm 내지 0.3mm 등이다. 제1 채널에는, 바람직한 실시예에서, 제1 채널보다 짧은 제2 직교/수평 채널이 이어진다. 제2 채널은 길이가 250 마이크로미터 내지 100mm, 예컨대 0.25mm 내지 0.5mm, 0.5mm 내지 0.75mm, 0.75mm 내지 1.0mm 등일 수 있다. 제3 채널은 제1 채널에 수직으로 그리고 평행하게 이어진다. 제3 채널은 길이가 50 마이크로미터 내지 100mm, 예컨대 0.05mm 내지 0.1mm, 0.1mm 내지 0.15mm, 0.15mm 내지 0.2mm 등일 수 있다. 채널들은 하나 이상의 물질이 다수의 채널을 통해 이동하는 것을 허용하는 방식으로 직접 또는 간접적으로 동작가능하게 통하도록 배치된다. 유체 흐름의 통상적인 방향은 도 4a 및 도 4c에서의 흐름 화살표들에 의해 주어지지만, 반전될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 제4 채널은 길이가 250 마이크로미터 내지 100mm, 예를 들어 0.25mm 내지 0.5mm, 0.5mm 내지 0.75mm, 0.75mm 내지 1.0mm 등인 채널인 분석 채널을 포함한다. 이 실시예에서, 제4 채널은 칩의 상부에 가장 가까운 채널이다. 수직으로 측정된 칩의 상부로부터의 제4 채널의 거리는 100 마이크로미터 내지 2mm일 수 있지만, 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 200 마이크로미터 내지 300 마이크로미터, 300 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 등과 같이 100mm 정도로 클 수 있다. 다른 방식으로 표현하면, 제4 채널은 칩의 상부 50%, 33%, 25%, 10%, 또는 5% 내에 배치될 수 있다. 카메라와 같은 이미징 디바이스는 제4 채널에 직교하여, 그리고 제4 채널로부터 약 100 마이크로미터 내지 2mm에, 그러나 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 200 마이크로미터 내지 300 마이크로미터, 300 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 등과 같이 제4 채널로부터 100mm 정도에 배향될 수 있다.
일 실시예에서, 레이저 또는 다른 광원이 집속 렌즈 요소와 함께 존재한다. 도 4a는 레이저 빔을 방출하여, 빔을 집속 렌즈 요소를 통해 제4 흐름 채널(440) 내로 지향시키도록 동작하는 레이저(480)를 갖는 본 발명을 도시한다. 입자들은, 입자들을 가장 높은 레이저 강도의 영역 쪽으로 끌어당기는 경도력(gradient force)으로 인해 레이저 빔 내에 정렬된다. 레이저 산란력(scatter force)은 레이저 빔 전파 방향으로(예를 들어, 도 4a에서 좌측에서 우측으로) 입자들을 추진한다.
다른 실시예에서, 제2 카메라 또는 이미지 캡처링 디바이스(450 참조)는, 제4 채널에 직교하여 배향된 카메라 또는 이미지 캡처링 디바이스에 더하여, 여기서는 분석(또는 제4) 채널의 측면에 배향되고, 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이 제4 채널에 대해 직교하여 또는 임의의 각도로 지향된다. 직교 뷰들에서 각각의 세포의 하나의 이미지를 취하는 것은, 다수의 세포 특성들, 예를 들어 크기 및 형상이 2개의 차원에서 계산되는 것을 허용하여, 각각의 세포에 대해 캡처될 수 있는 정보의 양을 증가시킨다. 이것은 또한 총 볼륨, 형상을 포함하는 세포들의 볼륨 특성들의 계산을 가능하게 하고, 흐름의 방향에 평행한 축(도 5에 도시된 바와 같은 Z축)에 대해 대칭이 아닌 세포들의 통찰을 제공한다. 2개 이상의 카메라를 사용하여, 세포(550)의 기본 3D 모델이, 예를 들어, 회절 이론 방법(diffraction-theory method) 또는 조명 회전 방법(illumination rotation-method)과 같은 기존의 3D 재구성 알고리즘들(reconstruction algorithms)을 이용하여 직교 이미지들을 결합함으로써 구성될 수 있다. 3D 모델 및 3D 모델의 분석은 마이크로유체 칩의 제4 채널 내의 입자(들) 또는 세포(들)에 관한 세포 크기, 형상, 배향, 및 다른 정량적 및 정성적 측정들(quantitative and qualitative measurements)과 같은 세포의 더 정확한 분석을 허용할 것이다.
도 5에서, 분석 채널(540)의 일부는 이미징 디바이스로부터 이미징될 수 있는 평면들과 같은 2개의 상이한 평면들로부터 도시된다(예를 들어, 도 4 참조). 제1 평면(520)에서, 세포 또는 입자(510)의 하나의 부분이 소정 배향에서 이미징된다. 제2 평면(530)에서, 동일한 세포 또는 입자의 다른 부분이 다른 카메라로부터 상이한 관점에서 이미징된다. 이것은 다수의 세포 특성의 계산을 가능하게 하여, 카메라당 세포당 데이터의 행렬 및 세포 또는 입자(550)의 3D 렌디션(rendition)을 생성한다.
세포의 상이한 부분들이 이미징 디바이스(들)의 초점 평면들(예를 들어, 630(XZ 초점 평면) 및 640(YZ 초점 평면))을 통과할 때, 세포가 예를 들어 유체 흐름(620)에 의해 이동됨에 따라 세포의 상이한 슬라이스들이 이미징될 수 있다. 이것은 도 6a에 도시되어 있다. 도 6a에서, 세포 또는 입자의 부분들은 상이한 배향들에서 그리고 상이한 관점들에서 다수의 시점 및/또는 공간 지점에서 이미징된다. 이 예에서, 세포는 초점 평면을 통해 이동하고 회전함에 따라, (도 6a에 도시된 바와 같이 2개의 상이한 카메라로부터의 평면당 4개의 예시적인 이미지와 같은) 연속적인 이미지들에서 상이한 크기로 나타난다. 3D 재구성 알고리즘들을 사용하여, 이것은 입자 또는 세포의 더 복잡한 3D 렌더링(650)을 허용한다. 이러한 렌더링으로부터, 세포 크기, 볼륨, 핵뿐만 아니라 다른 세포기관들의 위치 및 크기, 및 셀룰러 토포그래피(cellular topography)의 측정 또는 아우트라이닝(outlining)과 같은 세포 또는 입자의 소정 속성들(attributes)이 추정될 수 있다. 또한, 세포 회전은 굴절률, 복굴절, 또는 세포 형상 또는 형태(morphology)를 포함하지만 이에 제한되지 않는, 생물 물리학적 또는 생화학적 특성들의 변화들로 인해 광학적 힘 기반 토크의 함수로서 측정될 수 있다.
도 6b는 세포가 예를 들어 초점 평면을 통해 이동함에 따라, 시간 경과에 따라 취해지는 동일 세포의 다수의 이미지들을 갖는 온칩 다중 평면 이미징을 도시한다. 이러한 경우들에서, 세포의 뷰는 본 기술분야에서 "슬라이스(slice)" 또는 "이미지 슬라이스"라고 지칭된다. 이미지 슬라이스는 사실상 이미징되는 광학 평면의 두께이다. 이미지 평면의 두께 또는 슬라이스는 특히 이미징 시스템의 광학 배율에 의해 좌우된다. 더 높은 배율들에서는, 대물 렌즈의 작업 거리가 감소하여, 렌즈가 이미징될 세포 또는 입자에 더 가까울 필요성을 유발한다. 일 실시예에서, 분석 채널에서 세포의 흐름에 영향을 미치기 위해 레이저 또는 다른 광학적 힘(670)이 이용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 세포들 또는 입자들은 레이저 및/또는 카메라를 이동시키거나, 흐름(들)을 조정하거나, 유체역학적 집속(hydrodynamic focusing)을 이용하여 위치 설정함으로써 이미징을 위해 채널의 초점 평면 내로 또는 외부로 의도적으로 유도될 수 있다. 예를 들어, 레이저 소스는, 예를 들어, 압전 액추에이터(piezo electric actuator) 또는 선형 전기 광기계 스테이지(linear electric optomechanical stage)를 이용하여 거리(660)만큼 이동될 수 있다. 이것은 세포별로 또는 모집단별로 수행될 수 있다. 세포들의 유체역학적 집속은 세포들의 초기 위치 및 궤적에 영향을 미치도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 입자들은 입자들을 가장 높은 레이저 강도의 영역을 향해 끌어당기는 경도력으로 인해 레이저 빔 내의 초점 평면에 정렬 또는 배향될 수 있다. 레이저 산란력은 레이저 빔 전파의 방향으로 입자들을 추진한다(도 6b 참조). 이 예에서 X축에서 레이저를 이동시키는 것은 디스크(680)에 의해 예시된 세포의 상이한 부분들에서의 특징들의 이미징을 허용한다. 이것은, 예를 들어, 세포 또는 입자의 핵, 세포기관, 봉입체, 또는 다른 특징을 나타낼 수 있다. 레이저는 경도력의 결과로서 세포를 그의 중심으로 당긴다. 또한, 2개 이상의 카메라가 상세 및 정확도를 증가시킬 수 있다는 것이 고려된다.
도 7에 도시된 본 발명의 실시예는, 입자 또는 세포(710)가 광학적 힘(730)과 유동성 힘(fluidic forces, 735)을 균형화함으로써 지정된 차동 유지 위치(differential retention location)에 정지되는 정적 모드(static mode)이다. 광학적 힘은, 예를 들어, 레이저 또는 시준된 광원에 의해 인가될 수 있다. 이미지들은 도 5 및 6a-b에 대해 도시되고 설명된 것과 같은 다수의 평면들에서 취해질 수 있다. 흐름 센서는 각각의 입자가 주어진 레이저 파워에 대해 흐름을 정지하는 유동률을 측정하기 위해 사용된다. 광학적 힘과 유동성 힘이 균형을 이루기 때문에, 유체 항력(fluidic drag force)(즉, 유동률 및 채널 치수(channel dimension)로부터의 힘)은 광학적 힘과 동일하다. 각각의 세포의 특성들은 이러한 방식으로 순차적으로 측정될 수 있다. 높은 처리량의 측정 시스템이 아니지만, 본 발명의 이 실시예는 포획된 세포, 및 또한 세포에서의 생화학적 또는 생물학적 변화들로부터 유발되는 광학적 힘의 동적 변화들의 면밀한 관찰 및 이미징을 허용한다. 화학물질들, 생화학물질들, 세포들, 또는 다른 표준 생물학적 작용제들(biological agents)을 포함하는 시약 스트림들(reagent streams)이 흐름 채널들 내로 도입되어 포획된 세포(들)와 상호작용할 수 있다. 이러한 동적 프로세스들은 단일 세포 또는 세포들에 대한 실험들 동안 광학적 힘의 변화들을 측정함으로써 정량적으로 모니터링될 수 있다.
일 실시예에서, 카메라 또는 다른 이미징 디바이스는 흐름을 따르고 그에 평행하도록, 분석 채널의 흐름 내에 또는 흐름에 반대로 배향 및/또는 집속된다(예를 들어, 도 8 및 도 9 참조). 도 8은 분석 채널(820) 및 레이저 또는 시준된 광원(830)을 따르는 카메라(810)를 도시한다. 이색성 미러 또는 유사한 디바이스(840)는 레이저 광(835)을 카메라로부터 멀어지게 반사시켜 손상을 방지하지만 조명원(860)에 의해 생성된 광(865)을 통과시켜 이미징을 가능하게 한다. 카메라는, 일 실시예에서, 세포들 또는 입자들(880)이 카메라로부터 멀리 이동하도록 유체 흐름(870)에 평행하게 배향된다. 조명원은 채널 및 레이저에 직교하도록 배향된다. 레이저 광을 통과시키고 조명 광을 반사하는 제2 이색성 미러(845)는 채널을 통해 조명 광 및 레이저 광 둘 다를 지향시키는 데 사용된다. 이 구성의 대안적인 실시예는 레이저가 채널에 직교하고 조명원이 채널에 평행하도록 레이저 및 조명원의 위치들을 스위칭한다. 제2 이색성 미러는 여전히 레이저 광 및 가시 광 둘 다를 채널을 통해 지향시킬 것이다.
대안적인 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 이 경우, 카메라 또는 이미징 디바이스(910)는 세포들 또는 입자들(980)이 유체 흐름(970)에서 카메라를 향해 이동하도록 배향된다. 따라서, 카메라 및 레이저(930)는 채널의 동일한 측 상에 있는 반면, 조명원(960)은 채널의 대향 단부에 있다. 2개의 이색성 미러(940 및 945)는 레이저 광(935) 및 조명 광(965)을 채널 내로 지향시키고, 조명 광을 카메라로 지향시키고, 레이저 광을 조명원으로부터 멀어지게 전환시키기 위해 사용된다. 이러한 구성의 대안적인 실시예는 레이저가 채널에 직교하고 조명원이 채널에 평행하도록 레이저 및 카메라의 위치들을 스위칭한다. 이어서, 제2 이색성 미러(945)는 레이저 광을 채널을 통해 지향시키고 조명 광을 카메라로 지향시킬 것이다.
선택적으로, 본 발명의 실시예는 광학적 힘의 소스와 상기 제4 채널 사이에 적어도 하나의 광학 요소를 더 포함하고, 적어도 하나의 광학 요소는 표준 TEM00 모드 빔, 표준 TEM01 모드 빔, 표준 TEM10 모드 빔, 표준 에르미트-가우시안 빔(Hermite-Gaussian beam) 모드, 표준 랑게르-가우시안 빔(Laguerre-Gaussian beam) 모드, 베셀 빔(Bessel beam) 또는 표준 멀티모달 빔(multimodal beam)을 생성하도록 동작 가능하다. 선택적으로, 적어도 하나의 광학 요소는 표준 원통형 렌즈, 표준 액시콘(axicon), 표준 오목 미러(concave mirror), 표준 환상 미러(toroidal mirror), 표준 공간 광 변조기(spatial light modulator), 표준 음향 광학 변조기(acousto-optic modulator), 표준 압전 미러 어레이(piezoelectric mirror array), 회절 광학 요소(diffractive optical element), 표준 1/4 파장판 및/또는 표준 1/2 파장판을 포함한다. 선택적으로, 광학적 힘의 소스는 표준 원형 편광 빔, 표준 선형 편광 빔, 또는 표준 타원 편광 빔을 포함할 수 있다.
선택적으로, 마이크로유체 채널, 광학계(optic)에 의해 마이크로유체 채널 내로 집속되는 레이저 광원, 및 전극들을 통해 마이크로유체 채널에 동작가능하게 연결되는 전기장의 소스를 포함하고; 마이크로유체 채널을 통해 액체 내의 입자들을 흐르게 하고; 및 레이저 광 및 전기장을 조작하여 마이크로유체 채널 내의 입자들에 공동으로 작용하게 하여, 크기, 형상, 굴절률, 전하(electrical charge), 전하 분포(electrical charge distribution), 전하 이동도(charge mobility), 유전율(permittivity) 및/또는 변형성(deformability)에 기초하여 입자들을 분리하는 디바이스가 구현된다. 또 다른 실시예에서, 디바이스는 (1) 전극 시스템 또는 (2) 절연체 DEP(insulator dielectrophoretic) 시스템을 통해 채널의 내부에 유전 영동(DEP) 필드를 공급하도록 구성된 마이크로유체 채널, 및 광학계에 의해 마이크로유체 채널 내로 집속되는 레이저 광원을 포함하고; 액체 내에 복수의 입자들을 마이크로유체 채널 내로 흐르게 하고; 레이저 광 및 필드를 마이크로유체 채널 내의 입자들에 대해 공동으로 동작시켜 입자들을 포획하거나 그들의 속도를 수정하며, DEP 필드는 선형 또는 비선형이다. 디바이스의 다른 가능한 실시예는 입구 및 복수의 출구를 포함하는 마이크로유체 채널, 및 선택된 입자들의 레이저 광에서의 체류 시간을 최대화하면서 입자들에 대한 광학적 힘을 생성하기 위해 마이크로유체 채널 내의 유속에 매칭되는 임계 각도로 마이크로유체 채널을 가로지름으로써 입자들을 복수의 출구 내로 분리하도록 광학계에 의해 집속되는 레이저 광원을 포함하며, 레이저 광은 마이크로유체 채널을 통해 흐르는 입자들에 힘들을 인가하여 입자들을 복수의 출구 내로 분리하도록 동작 가능하다.
선택적으로, 본 발명의 실시예는, 분석 채널(들), 특히 제4 채널과 같은 채널들 중 하나 이상과 통하는 적어도 하나의 입자 조회 유닛(particle interrogation unit)을 더 포함한다. 입자 조회 유닛은 표준 조명기, 표준 광학계, 및 표준 센서를 포함한다. 선택적으로, 적어도 하나의 입자 조회 유닛은 표준 명시야 이미저(bright field imager), 표준 광 산란 검출기(light scatter detector), 표준 단일 파장 형광 검출기(single wavelength fluorescent detector), 표준 분광 형광 검출기(spectroscopic fluorescent detector), 표준 CCD 카메라, 표준 CMOS 카메라, 표준 포토다이오드, 표준 광증배 튜브(photomultiplier tube), 표준 포토다이오드 어레이, 표준 화학 발광 검출기(chemiluminescent detector), 표준 생물 발광 검출기(bioluminescent detector) 및/또는 표준 라만 분광 검출기(Raman spectroscopy detector)를 포함한다.
제4 채널과 통하는 적어도 하나의 입자 조회 유닛은 세포 질병 식별, 선택 및 분류를 용이하게 하는 레이저 힘 기반 장치 또는 디바이스를 포함한다. 일 양태에서, 유닛은 입자들을 분리 및 특성화하는 수단으로서 입자 크기, 형상, 굴절률, 또는 형태의 변화들로부터 발생하는 광학적 압력의 고유한 차이들을 이용한다. 일 양태에서, 근적외선 레이저 빔은 세포들에 물리적 힘을 가하며, 이어서 이 힘이 측정된다. 방사 압력(radiation pressure)을 통한 광학적 힘은, 입자들에 대한 유체 항력에 대해 균형을 이룰 때, 상이한 입자들을 식별하는 데 사용될 수 있는 입자 속도의 변화들 또는 고유 차이들(intrinsic differences)에 기초하는 입자들의 모집단들의 변화들을 유발한다. 유동 및 광학적 힘 균형은 또한 그들의 고유 특성들에 기초하여 입자들의 서로에 대한 상대 위치를 변경하여 물리적 분리들을 유발하는 데 사용될 수 있다. 조회 유닛의 다른 실시예는 입자 분석 및/또는 분리를 위한 디바이스, 예컨대 적어도 하나의 시준된 광원 빔을 생성하도록 동작가능한 적어도 하나의 시준된 광원을 포함한다. 적어도 하나의 시준된 광원 빔은 적어도 하나의 빔 단면을 포함한다.
본 발명의 일 실시예는 통합 디바이스(unitary device) 내에 전술한 설계 요소들 중 여러 개의 조합을 포함한다. 실시예들은 또한 그러한 디바이스들을 사용하는 방법들을 포함한다. 그러한 통합 디바이스의 예가 도 1에 예시되어 있다. 본 발명의 예시된 실시예는 고체 마이크로유체 칩을 생성하기 위해 서로 본딩된 모두 5개의 층을 갖는 5층 구조이지만, 칩은 본딩된 층들과 달리 하나의 구조일 수 있다. 칩은 용융 실리카, 크라운 유리, 붕소 규산염 유리, 소다 석회 유리, 사파이어 유리, 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리(디메틸)실록산(PDMS), OSTE, 폴리스티렌, 폴리(메틸)메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 다른 플라스틱 또는 폴리머를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다수의 표준 재료를 이용하여 구성될 수 있다. 이 칩은 샘플 투입, 유체역학적 집속, 광학적 조회, 이미징, 분석, 샘플 배출 및 레이저 광이 영역들에 들어가고 나가기 위한 명확한 광학 액세스를 허용한다. 실시예들에서의 칩은 또한 3D 인쇄되거나, 몰딩되거나, 다른 방식으로 성형될 수 있다.
선택적으로, 적어도 하나의 입자 유형은 복수의 입자 유형을 포함한다. 복수의 입자 유형의 각각의 입자 유형은 각자의 고유 특성들 및 각자의 유도된 특성들(induced properties)을 포함한다. 선택적으로, 고유 특성들은 크기, 형상, 굴절률, 형태, 고유 형광, 및/또는 종횡비를 포함한다. 선택적으로, 유도된 특성들은 변형, 각도 배향, 회전, 회전률, 항체 라벨 형광(antibody label fluorescence), 앱타머 라벨 형광(aptamer label fluorescence), DNA 라벨 형광, 얼룩 라벨 형광(stain label fluorescence), 차동 유지 메트릭 및/또는 경도력 메트릭을 포함한다. 이 방법 실시예는 고유 특성들 및 유도된 특성들 중 적어도 하나에 기초하여 각자의 입자 유형에 따라 복수의 입자를 식별하고 분리하는 단계를 더 포함한다. 선택적으로, 이 방법 실시예는 샘플 흐름을 조회하거나 조작하는 단계를 더 포함한다. 선택적으로, 샘플 흐름을 조회하는 단계는 입자 유형들의 고유 특성들 및 유도된 특성들 중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 복수의 입자들의 입자 속도를 측정하는 단계를 포함한다. 고유 특성들 중 적어도 하나의 측정은, 바이러스의 정량화(viral quantification), 프로세스 개발 및 모니터링, 샘플 방출 검정(sample release assays), 우발적 작용제 테스팅(adventitious agent testing), 임상 진단, 바이오마커 발견의 목적들을 위해 세포 샘플의 바이러스 감염력(viral infectivity)(플라크 검정(plaque assay) 또는 종점 희석 검정(end point dilution assay)과 유사한 특정 세포 모집단에 존재하는 기능적 감염 바이러스 입자들의 수)을 결정하는 것, 프로세스 개발 및 모니터링을 위한 항체 또는 단백질에 관한 세포의 생산성(productivity)을 결정하는 것, CAR T 및 다른 종양학 응용들(oncology applications) 및 줄기 세포들을 포함하는 세포-기반 치료법(cell-based therapy)으로서 생성된 세포들의 효능, 품질 또는 활성화 상태를 결정하는 것, 특정 세포 모집단에 대한 화학물질, 박테리아, 바이러스, 항미생물(antimicrobial) 또는 항바이러스의 효과를 결정하는 것, 및 연구 또는 임상 세포 샘플의 질병 상태 또는 잠재성을 결정하는 것을 포함하지만 이에 한정되지 않는 응용들의 범위를 위해 사용될 수 있다. 선택적으로, 광학적 힘의 소스는 적어도 하나의 빔 축을 포함하고, 샘플 흐름은 샘플 흐름 축을 포함한다. 입자 유형들의 고유 특성들 및 유도된 특성들 중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 복수의 입자들의 입자 속도를 측정하는 단계는 함께 샘플 흐름 축으로부터 빔 축을 오프셋시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 입자 유형들의 고유 특성들 및 유도된 특성들 중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 복수의 입자들의 입자 속도를 측정하는 단계는 함께 샘플 흐름 축으로부터 적어도 하나의 빔 축을 향하여 벗어나는 복수의 입자들의 입자의 기울기 및 궤적을 계산하는 단계를 포함한다.
본 기술분야의 기술자는 개시된 특징들이 단독으로 또는 임의의 조합으로 사용될 수 있거나, 주어진 응용 또는 설계의 요건들 및 사양들에 기초하여 생략될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 실시예가 소정 특징들을 "포함하는" 것을 언급할 때, 실시예들은 대안적으로 특징들 중 임의의 하나 이상으로 "구성되거나" "본질적으로 구성"될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 발명의 다른 실시예들은 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 본 기술분야의 기술자들에게 명백할 것이다.
특히, 본 명세서에서 값들의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 값도 구체적으로 개시된다는 점에 유의한다. 이러한 더 작은 범위들의 상한 및 하한은 또한 범위 내에 독립적으로 포함되거나 배제될 수 있다. 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명확히 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 명세서 및 예들은 본질적으로 예시적이거나 설명적인 것으로 간주되어야 하며, 본 발명의 본질로부터 벗어나지 않는 변경들은 본 발명의 범위 내에 속한다는 것을 의도한다. 또한, 본 개시에서 인용된 모든 참조들은 각각 그 전체가 본 명세서에 참고로 개별적으로 통합되며, 따라서 본 발명의 가능한 개시를 보완하는 효율적인 방식을 제공하는 것은 물론, 본 기술분야의 통상의 기술 수준을 상세히 설명하는 배경을 제공하도록 의도된다.

Claims (98)

  1. 디바이스로서,
    하나 이상의 물질을 운반하도록 구성된 복수의 채널을 포함하는 기판을 포함하고, 상기 복수의 채널은:
    상기 기판 내에 수직으로 배치된 제1 채널,
    상기 제1 채널과 동작가능하게 통하고 상기 기판 내에 수평으로 배치된 제2 채널,
    상기 제2 채널과 동작가능하게 통하고 상기 기판 내에 수직으로 배치된 제3 채널, 및
    상기 제3 채널과 동작가능하게 통하고 상기 기판 내에 수평으로 배치된 제4 채널
    을 포함하고,
    상기 제4 채널은 상기 하나 이상의 물질의 이동 동안 입자들 또는 세포들의 이미징 및 분석을 가능하게 하며;
    상기 제1, 제2, 제3 및 제4 채널들은 상기 기판을 통해 상기 제1 채널로부터 상기 제2 채널로 상기 제3 채널로 상기 제4 채널로의 상기 하나 이상의 물질의 이동을 위한 경로를 제공하는 방식으로 배치되며,
    상기 하나 이상의 물질은, 상기 제1 채널과의 방향 및 볼륨 연속성(directional and volumetric continuity)을 유지하기 위해 수직 방향으로 상기 제1 채널에 대한 개구를 갖는 하부 수평 평면 표면을 통해 상기 기판 내에 수직으로 배치된 상기 제1 채널 내로 주입되는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질은, 상기 제1 채널에 대한 개구를 갖는 하부 수평 평면 표면을 통해 상기 기판 내에 수직으로 배치된 상기 제1 채널 내로 주입되며, 상기 하부 수평 평면 표면은 상기 제1 채널과의 방향 및 볼륨 연속성을 유지하기 위해 수직 방향으로 상기 기판의 수직 평면 표면 상의 하나의 에지로부터 다른 에지까지의 적어도 하나의 길이에 비해 더 짧은 하나의 에지로부터 다른 에지까지의 적어도 하나의 길이를 갖는, 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질은, 상기 제1 채널에 대한 개구를 갖는 하부 수평 평면 표면을 통해 상기 기판 내에 수직으로 배치된 상기 제1 채널 내로 주입되며, 상기 하부 수평 평면 표면은 상기 제1 채널과의 방향 및 볼륨 연속성을 유지하기 위해 수직 방향으로 상기 기판의 수직 평면 표면 상의 표면적에 비해 더 작거나 동일한 표면적을 갖는, 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널은, 상기 기판의 외부 표면에 그리고 상기 하나 이상의 물질이 상기 기판 내로 수직으로 들어가고 상기 제1 채널 내에서 수직으로 이동하는 경로를 제공하는 방식으로 배치되는 개구를 포함하는, 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질은, 상기 제1 채널과의 방향 및 볼륨 연속성을 유지하기 위해 수직 방향으로 상기 제1 채널에 대한 개구를 갖는 하부 수평 평면 표면을 통해 상기 기판 내에 수직으로 배치된 상기 제1 채널 내로 주입되며, 상기 제1 채널의 단면은 상기 개구의 단면과 동일하거나, 더 크거나, 더 작은 면적을 갖는, 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질은, 상기 제1 채널과의 방향 및 볼륨 연속성을 유지하기 위해 수직 방향으로 상기 제1 채널에 대한 개구를 갖는 하부 수평 평면 표면을 통해 상기 기판 내에 수직으로 배치된 상기 제1 채널 내로 주입되며, 상기 제1 채널 및 상기 개구는 방향 및 볼륨 연속성을 유지하는 방식으로 성형(shaped), 사이징(sized) 및 배향(oriented)되는, 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널 내의 입자들 또는 세포들과 상호작용하도록 배향된 시준 또는 집속된 광원을 더 포함하는, 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 시준 또는 집속된 광원이 상기 제4 채널에서의 상기 하나 이상의 물질의 상기 이동의 방향으로, 반대 방향으로, 직교하는 방향으로 또는 대각선 방향으로 전파하도록 배향되는, 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 다수의 초점 평면에서의 입자들 또는 세포들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 하나 이상의 물질의 이동 동안에 다수의 초점 평면에서 입자들 또는 세포들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 하나 이상의 물질의 이동 동안 그리고 다수의 각도 및/또는 배향으로부터 입자들 또는 세포들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 하나 이상의 물질의 이동 동안 그리고 다수의 초점 평면, 각도 및/또는 배향으로부터 하나 이상의 이미징 디바이스에 의한 입자들 또는 세포들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  13. 제1항에 있어서, 하나 이상의 채널에서 세포(들) 또는 입자(들)를 이동시키기 위한 하나 이상의 전기적 힘, 광학적 힘 및/또는 유동성 힘(fluidic force)을 더 포함하는 디바이스.
  14. 제1항에 있어서, 하나 이상의 채널에서 세포(들) 또는 입자(들)를 이동시키기 위한 하나 이상의 동전기 힘, 전기영동 힘 및/또는 유전 영동(DEP) 힘을 더 포함하는 디바이스.
  15. 제1항에 있어서, 하나 이상의 이미징 디바이스를 더 포함하며, 상기 이미징 디바이스들 중 적어도 하나는 상기 제4 채널에서 이미징되는 초점 평면을 변경하는 방식으로 이동될 수 있는, 디바이스.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널 내의 세포(들) 또는 입자(들)는 광학적 및/또는 유동성 힘의 변화에 의해 이동될 수 있으며, 상기 제4 채널에서 이미징되는 상기 세포의 영역은 상기 입자가 이동함에 따라 변경되는, 디바이스.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 기판의 2개 이상의 외부 표면으로부터 소정 거리에 위치되어, 초점 평면이 세포 또는 입자에 대해 이동함에 따라 상기 세포 또는 입자의 다수의 이미지 슬라이스의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 기판의 2개 이상의 외부 표면으로부터 소정 거리에 위치되어, 이동 세포 또는 입자가 초점 평면을 통해 이동함에 따라 상기 이동 세포 또는 입자의 다수의 이미지 슬라이스들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 기판의 2개 이상의 외부 표면으로부터 소정 거리에 위치되어, 부유 또는 정적 세포 또는 입자의 다수의 이미지 슬라이스들의 이미징 및 분석을 가능하게 하는, 디바이스.
  20. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질은 압력, 진공, 연동(peristalsis), 동전기 힘, 전기영동 힘, 자기력, 광학적 힘 또는 이들의 임의의 조합에 의해 이동될 수 있는, 디바이스.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널 내의 세포들 또는 입자들을 이미징 및/또는 분석하는 이미징 디바이스로 또는 그로부터 멀리 광을 지향시키기 위한 이색성 미러를 더 포함하는 디바이스.
  22. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널 내의 세포들 또는 입자들과 상호작용하도록 시준된 또는 집속된 광원을 지향시키기 위한 이색성 미러를 더 포함하는 디바이스.
  23. 제1항에 있어서, 시준된 또는 집속된 광원을 이미징 디바이스, 다른 광원 또는 상기 디바이스의 다른 부분으로부터 멀리 지향시키기 위한 이색성 미러를 더 포함하는 디바이스.
  24. 제1항에 있어서, 상기 복수의 채널은 상기 기판 내에 수평으로, 수직으로 또는 대각선으로 배치된 제5 채널을 포함하는, 디바이스.
  25. 제1항에 있어서, 상기 복수의 채널은 제5 채널을 포함하며, 상기 제5 채널은 2개 이상의 채널 또는 우물(wells)로 분할되어 세포들 또는 입자들을 분류하는, 디바이스.
  26. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 제1 채널, 상기 제2 채널 또는 상기 제3 채널보다 상기 기판의 상부에 더 가깝게 위치되는, 디바이스.
  27. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 상기 기판의 상부로부터 100 마이크로미터 내지 100mm에 위치되는, 디바이스.
  28. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널은 길이가 0.1mm 내지 100.0mm에 걸치는, 디바이스.
  29. 제1항에 있어서, 상기 제2 채널은 길이가 0.1mm 내지 100.0mm에 걸치는, 디바이스.
  30. 제1항에 있어서, 상기 제3 채널은 길이가 0.05mm 내지 100.0mm에 걸치는, 디바이스.
  31. 제1항에 있어서, 상기 제4 채널은 길이가 0.1mm 내지 100.0mm에 걸치는, 디바이스.
  32. 제1항에 있어서, 상기 제1 채널은 상기 제2 채널, 상기 제3 채널 또는 상기 제4 채널보다 길이가 더 긴, 디바이스.
  33. 제1항에 있어서, 세포 또는 입자 조회 유닛을 더 포함하는, 디바이스.
  34. 제1항에 있어서, 세포 또는 입자 수집 채널을 더 포함하는, 디바이스.
  35. 제1항에 있어서, 명시야 이미저, 광 산란 검출기, 단일 파장 형광 검출기, 분광 형광 검출기, CCD 카메라, CMOS 카메라, 포토다이오드, 포토다이오드 어레이(PDA), 분광기, 광증배 튜브 또는 튜브 어레이, 포토다이오드 어레이, 화학 발광 검출기, 생물 발광 검출기, 표준 라만 분광법 검출 시스템, 표면 증강 라만 분광법(SERS), 코히어런트 반 스토크스 라만 분광법(CARS) 및/또는 코히어런트 스토크스 라만 분광법(CSRS) 중 적어도 하나로부터 선택된 이미징 디바이스를 더 포함하는, 디바이스.
  36. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 물질을, 상기 기판의 외부 표면에 그리고 상기 하나 이상의 물질이 상기 기판 내로 들어가고 상기 제1 채널 내에서 이동하기 위한 경로를 제공하는 방식으로 배치된 개구 내로 주입하는 튜브 단부를 더 포함하고, 상기 개구의 단면은 상기 튜브 단부의 단면과 동일하거나, 더 크거나, 더 작은 면적을 갖는, 디바이스.
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