KR20060018474A - Method and apparatus for particle separation using centrifugal force and microfluidic channel - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원심력과 미세유체채널을 이용하여 미세입자를 분리하는 방법에 관한 것으로, 원심력으로 미세입자와 유체와의 밀도차를 이용하여 분리함에 있어 미세유체채널을 이용하여 분리시간을 단축하고, 각각의 미세입자와 유체를 용이하게 분리할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 디스크상에 형성된 저장고와 상기 저장고에 연결된 미세한 채널을 포함하여 구성되며, 상기 디스크를 회전시키거나 유체에 압력을 가하여 원심력에 의하여 유체와 입자를 신속하게 분리시킨다. 본 발명은 의료진단기기에서 피검자의 혈액에서 혈장을 단시간 내에 분리하여 분석이 가능하게 하는 시료전처리기기로서 유용하다.The present invention relates to a method for separating microparticles using centrifugal force and microfluidic channel, and to shorten the separation time by using microfluidic channel in separating using the density difference between microparticles and fluid by centrifugal force, respectively. The fine particles and the fluid can be easily separated. Specifically, the present invention comprises a reservoir formed on a disk and a fine channel connected to the reservoir, and the fluid and particles are quickly separated by centrifugal force by rotating the disk or applying pressure to the fluid. The present invention is useful as a sample pretreatment device capable of analyzing by separating plasma from blood of a subject in a short time in a medical diagnostic device.
원심력, 분리, 미세입자, 미세채널Centrifugal force, separation, microparticle, microchannel
Description
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세입자분리장치를 도시한 평면도.1 is a plan view showing a fine particle separation apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 부분확대도.2 is a partially enlarged view of FIG. 1;
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 미세입자분리장치를 도시한 평면도.3 is a plan view showing a fine particle separation apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 부분확대도.4 is an enlarged partial view of FIG.
도 5는 도 4의 부분확대도.5 is an enlarged partial view of FIG. 4.
도 6은 미세입자의 운동을 모델링한 물체자유도.6 is an object freedom modeling the motion of the fine particles.
도 7a 및 7b는 원심분리의 속도와 초기 반경방향 위치에 따른 미세입자의 운동거리를 나타낸 그래프.7a and 7b are graphs showing the movement distance of the microparticles according to the speed and initial radial position of the centrifugation.
*** 도면의 주요부분에 대한 보호의 설명 ****** Description of the protection of the main parts of the drawing ***
10: 디스크 11:저장고10: Disc 11: Storage
12:미세유체채널 13:보조미세채널12: Microfluidic channel 13: Auxiliary microchannel
14:분리저장고 21:저장고14: storage 21: storage
22:나선형 미세유체채널22: spiral microfluidic channel
24:분리저장고24: separate storage
본 발명은 원심력과 미세유체채널을 이용한 미세입자분리 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 소량의 유체에 대하여 원심력과 미세채널을 이용하여 미세입자를 분리하는 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for separating fine particles using centrifugal force and microfluidic channel. Specifically, it relates to an apparatus and a method for separating microparticles using a centrifugal force and a microchannel for a small amount of fluid.
혈액으로부터 혈장이나 혈청을 분리하고자 할 때에, 종래에는 원심분리기를 이용하여 대량의 혈액을 약 1200g 정도의 힘으로 30분 정도 원심력을 가하여 혈장을 분리하였다. 기존의 원심분리기는 많은 양의 시료로부터 미세입자를 분리하는 데 많이 쓰이고 있으나, 분리시간이 많이 걸리므로 적은 양의 시료로부터 단시간 내에 많은 분석정보를 얻고자 하는 미세유체시스템에는 적당하지 않다. When plasma or serum is to be separated from blood, conventionally, centrifugal force is applied to a large amount of blood for 30 minutes with a force of about 1200 g to separate plasma. Conventional centrifuges are widely used to separate microparticles from a large amount of sample, but it takes a lot of separation time and is not suitable for a microfluidic system that wants to obtain a lot of analysis information from a small amount of sample in a short time.
위급상황에서는 신속한 진단을 위해서는 혈액처리시간과 진단시간을 최소화하여 환자가 적절한 치료를 받을 수 있도록 해야 하는데 종래의 기술로는 불가능하다. 이를 위하여 현장진단기에 쓰이는 기술로서 다공막을 이용하여 분리하는 기술이 많이 사용되고 있으나 처리량이 적고 처리된 유체를 챔버에 수집하기가 용이하지 않아서 미세유체를 이용한 진단기에 적용하기가 용이하지 않다. 또한 초음파를 이용하여 미세입자를 모으고 이를 미세유체채널을 이용하여 분리하는 방법 등이 있으나 외부에서 초음파를 생성해야 하는 단점이 있다. In an emergency situation, in order to make a rapid diagnosis, the blood treatment time and the diagnosis time should be minimized so that the patient can receive appropriate treatment. To this end, a technique used in the on-site diagnostics is widely used to separate a porous membrane, but it is not easy to apply to a diagnostic apparatus using a microfluid because the throughput is small and the collected fluid is not easy to collect in the chamber. In addition, there is a method of collecting microparticles using ultrasonic waves and separating them using microfluidic channels, but there is a disadvantage in that ultrasonic waves must be generated externally.
따라서, 본 발명의 목적은 미세입자가 포함된 유체를 단시간 내에 간단한 방 법으로 분리할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus capable of separating a fluid containing fine particles in a simple manner within a short time.
또한, 본 발명의 다른 목적은 다른 진단 장치와의 적용이 용이한 새로운 형태의 분리장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a new type of separation device that is easy to apply with other diagnostic devices.
기타, 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명에서 더욱 구체적으로 제시될 것이다.Other objects and features of the present invention will be more specifically set forth in the following detailed description.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1구성에 따르면, 디스크;와 상기 디스크상에, 디스크의 중심으로부터 반경방향으로 소정 거리에 설치되며, 미세입자를 포함하는 유체를 저장하는 저장고;와 상기 디스크상에 형성되며, 상기 저장고의 일측으로부터 연장되는 미세유체채널;과 상기 디스크상에 형성되며, 상기 미세유체채널에 의하여 상기 저장고와 연결되며, 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의하여 미세입자와 유체가 이동하여 서로 분리된 상태로 저장되는 분리저장고; 및 상기 분리저장고의 일측으로부터 연장되어, 분리된 유체가 이동되는 보조미세채널;을 포함하여 구성되는 원심력과 미세유체채널을 이용한 미세입자분리장치를 제공한다.In order to achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, a disk; and on the disk, a reservoir which is installed at a predetermined distance in the radial direction from the center of the disk, and stores a fluid containing fine particles; and the A microfluidic channel formed on the disk and extending from one side of the reservoir, and formed on the disk, connected to the reservoir by the microfluidic channel, and the microparticles and the fluid by centrifugal force due to the rotation of the disk. Is separated storage is moved and stored in a state separated from each other; And an auxiliary microchannel extending from one side of the separation reservoir, into which the separated fluid is moved, and the microparticle separation apparatus using the centrifugal force and the microfluidic channel.
또한, 본 발명의 제2구성에 따르면, 디스크;와 상기 디스크상에, 디스크의 중심으로부터 반경방향으로 소정 거리에 설치되며, 미세입자를 포함하는 유체를 저장하는 저장고와; 상기 디스크상에 형성되며, 상기 저장고의 일측으로부터 연장되어 나선형으로 형성되는 미세유체채널과; 상기 디스크상에 형성되며, 상기 디스크의 회전에 따른 원심력에 의하여 상기 미세유체채널을 통하여 이동하는 미세입자와 유체가 서로 분리된 상태로 각각 저장되는 두 개의 분리저장고;를 포함하여 구성되 는 원심력과 미세유체채널을 이용한 미세입자분리장치를 제공한다. According to a second aspect of the present invention, there is provided a disk, comprising: a reservoir on the disk, which is installed at a predetermined distance in a radial direction from the center of the disk, and stores a fluid containing fine particles; A microfluidic channel formed on the disk and extending from one side of the reservoir to form a spiral; A centrifugal force formed on the disc; two separate reservoirs each having microparticles and fluids moved through the microfluidic channel and separated from each other by a centrifugal force due to the rotation of the disc. Provided is a microparticle separation device using a microfluidic channel.
한편, 본 발명은 디스크상에 설치되며, 미세입자를 포함하는 유체가 보관되어 있는 다수의 저장고에 원심력을 가하고; 원심력에 의하여, 상기 저장고로부터 연장되어 형성된 미세유체채널로 상기 미세입자 및 유체를 이송시키고; 원심력에 의하여, 상기 미세유체채널을 이송하는 미세입자와 유체를 분리시키는 것을 포함하여 구성되는 원심력과 미세유체채널을 이용한 미세입자분리방법을 제공한다.On the other hand, the present invention is installed on a disk, the centrifugal force is applied to a plurality of reservoirs in which a fluid containing fine particles are stored; Conveying the microparticles and the fluid to the microfluidic channel extending from the reservoir by centrifugal force; By centrifugal force, there is provided a method for separating microparticles using a centrifugal force and a microfluidic channel comprising separating the microparticles and the fluid conveying the microfluidic channel.
본 발명은, 미세입자가 원심력에 의해 이동되는 거리를 감소시켜 원심분리시간을 단축하고, 미세채널에서의 층류현상을 이용하여 분리된 미세입자와 유체를 각기 다른 챔버로 실시간으로 분류하여 분리의 효율을 높이고자 한 것이다. The present invention shortens the centrifugation time by reducing the distance that the microparticles are moved by centrifugal force, and uses the laminar flow phenomenon in the microchannels to classify the separated microparticles and fluid into different chambers in real time to achieve separation efficiency. It is intended to increase.
이하, 도면을 참고하여 실시예를 통하여 본 발명의 기술적 구성 및 작용을 더욱 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in more detail the technical configuration and operation of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 미세입자분리장치를 보여주는 평면도이고, 도 2는 도 1의 부분확대도이다. 판상의 원형 디스크(10) 상에는 다수의 저장고(11)가 형성되어 있다. 상기 저장고(11)는 디스크(10) 자체에 일체적으로 형성된 것일 수도 있고, 별도로 제조되어 디스크에 결합될 수도 있다. 저장고(11)에는 미세입자를 포함하는 유체를 보관하며, 저장고(11)의 위치는 디스크(10) 중심근처에서 중심으로부터 소정 거리 이격되어 위치하는 것이 바람직하다. 다수의 저장고(11)는 서로 원주상에 배열되는 것이 바람직하다.1 is a plan view showing a fine particle separation apparatus according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a partially enlarged view of FIG. A plurality of
상기 저장고(11)의 일측으로부터 미세유체채널(도 2의 11')이 연장되어 분리저장고(12)로 연결된다. 상기 분리저장고(12)는 폭보다 길이가 큰 막대 형상의 관 으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 미세채널(11') 및 분리저장고(12)는 디스크(10)의 반경 방향으로 일직선상에 있는 것이 바람직하다. 그러나 반드시 일직선상에 위치할 필요는 없으며, 디스크의 반경방향으로 상기 저장고(10)와 이격되어 있으면 무방하다. 상기 분리저장고(12)에는 미세유체채널(11')을 통하여 이동되어 온 미세입자를 포함하는 유체가 저장된다. 상기 미세유체채널(11') 및 분리저장고(12) 역시 디스크(10) 상에 일체적으로 형성될 수도 있으며, 각각 별도로 제조되어 디스크(10)에 결합될 수도 있을 것이다. A microfluidic channel (11 ′ in FIG. 2) extends from one side of the
상기 디스크(10)는 회전수단(미도시)을 구비할 수 있는데, 회전수단에 의하여 디스크가 회전하게 되면 원심력이 발생하며, 원심력에 의하여 저장고(11)에 보관되어 있던 미세입자를 포함하는 유체가 미세유체채널(11')을 통과하여 분리저장고(12)에 저장된다. 분리저장고(12)로 이동된 미세입자 및 유체는 서로의 밀도 차이에 의하여 분리가 이루어지는데, 통상은 미세입자가 밀도가 크기 때문에 디스크 반경방향으로 더 먼 쪽으로 분리된다. The
분리저장고(12)에서 분리되어 있는 유체 또는 미세입자는 별도의 보조미세체널(13)을 통하여 각각 분리될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 분리저장고의 디스크 반경방향의 앞쪽에 위치한 유체를 외부로 배출할 수 있도록 보조미세채널(13)의 한쪽 끝단이 일측에 연결되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 보조미세채널에는 밸브(미도시)가 연결되어 있을 수 있으며, 보조미세채널(13)의 다른 한 쪽 끝단은 유체보관저장고(14)에 연결된다. Fluid or microparticles separated from the separating
이와 같이, 디스크(10) 상에 다수의 저장고(11) 및 상기 저장고와 연결되는 미세유체채널(11') 및 분리저장고(12)를 형성함으로써, 미량의 유체를 내부의 미세입자와 신속하게 분리할 수 있다. 특히, 여러 종류의 유체를 각각의 미세입자로부터 한꺼번에 분리하는 것이 가능하다.As such, by forming a plurality of
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 미세입자분리장치를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 부분확대도이다. 판상의 원형 디스크(20) 상에 다수의 저장고(21)가 형성되어 있다. 상기 저장고(21)에는 미세입자를 포함하는 유체가 보관된다. 상기 저장고(21)는 디스크(20) 자체에 일체적으로 형성된 것일 수도 있고, 별도로 제조되어 디스크에 결합될 수도 있다. Figure 3 is a plan view showing a microparticle separation device according to a second embodiment of the present invention, Figure 4 is a partially enlarged view of FIG. A plurality of
상기 저장고(21)의 일측으로부터 나선형의 미세유체채널(22)이 연장되어 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 상기 미세유체채널(22)은 그 두께 내지는 직경이 매우 작은 것이 바람직하며, 예를 들면, 수십 내지 수백 마이크로미터의 범위로 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 미세한 채널은 나선형으로 디스크 상에 형성되어 있고, 일단이 분리저장고(24)에 연결된다. It can be seen that the spiral
상기 미세유체채널(22)은 끝단 근처에서 두 개의 채널로 분리되며, 각각의 채널에는 별개의 분리저장고(24a, 24b)가 연결된다. The
상기 디스크(20)에는 회전수단(미도시) 또는 압력인가수단(미도시)이 포함된다. 회전수단은 디스크를 회전시켜 다스크 중심으로부터 반경 방향으로 원심력을 발생시키며, 압력인가수단은 저장고(21)에 보관되어 있는 유체에 압력을 가하여 미세유체널(22)로 유체를 이동시키며, 유체는 나선형의 미세유체채널(22)을 이동하면서 미세유체채널의 중심방향면(디스크의 중심방향)으로부터 외부방향면(디스크의 반경방향)으로 원심력을 받게 된다.The
회전수단 또는 압력인가수단에 의하여 원심력을 받는 유체는 나선형의 미세유체채널(22)을 통과하면서 원심력에 의하여 미세입자와 분리된다. 미세유체채널은 그 두께 내지는 폭이 매우 작으므로 내부를 통과하는 유체와 미세입자의 분리 역시 매우 신속하게 이루어진다. 보통은 미세입자가 유체에 비하여 밀도가 크므로, 미세유체채널 내에서 미세유체채널의 중심방향면(디스크의 중심방향)에는 유체가, 외부방향면(디스크의 반경방향)에는 미세입자가 분리된 채로 이동하게 된다.The fluid subjected to centrifugal force by the rotating means or the pressure applying means is separated from the fine particles by the centrifugal force while passing through the helical
분리된 미세입자 및 유체는 각각 미세유체채널(22)의 끝단에 형성된 분리된 두 채널을 통과하여 각각 분리저장고(24a, 24b)에 저장된다. 도 4의 A부분 확대도인 도 5를 참조하면, 밀도가 큰 미세입자는 미세유체채널의 디스크 반경방향면에 분리되어 제1분리채널(22a)를 통과하여 제1분리저장고(24a)에 저장되며, 유체는 미세유체채널의 디스크 중심방향면으로 분리되어 제2분리채널(22b)를 통과하여 제2분리저장고(24b)에 저장된다.The separated microparticles and the fluid pass through two separate channels formed at the ends of the
도 6은 상기 제2실시예에서 미세입자가 분리되는 원리를 설명하는 물체자유도이다. 미세유체채널을 이동하는 유체는 채널에서 양단의 압력 P1 및 P2에 의하여 움직이며, 미세입자는 원심력과 마찰력에 의하여 가속을 받아 최종적으로 오른쪽 그림과 같이 힘을 받아 미세유체채널의 한쪽 벽면을 따라 움직이게 된다. 본 발명의 제2실시예에서 상기 미세유체채널의 두께 내지는 직경이 매우 작을 수록, 유체로부터 분리되는 미세입자의 이동경로가 작아 분리시간이 단축될 수 있다. 6 is an object freedom diagram illustrating a principle in which fine particles are separated in the second embodiment. The fluid moving the microfluidic channel is moved by the pressures P1 and P2 at both ends of the channel, and the microparticles are accelerated by the centrifugal and frictional forces and finally move along one wall of the microfluidic channel by the force shown in the figure on the right. do. In the second embodiment of the present invention, the smaller the thickness or diameter of the microfluidic channel is, the shorter the movement path of the fine particles separated from the fluid can be.
본 발명에 따른 미세입자분리장치의 미세입자 분리 능력을 확인하기 위하여 다음과 같은 계산을 하였다. 먼저 디스크 상의 저장고에 혈액을 로딩하고, 디스크의 회전속도를 약 1000rpm으로 1분간 회전시켜서 미세유체채널을 통하여 혈액을 이동시키고, 필터링 된 유체는 및 분리된 미세들을 각각 별도의 분리저장고로 분리시켰다. In order to confirm the microparticle separation ability of the microparticle separation apparatus according to the present invention, the following calculations were made. First, blood was loaded into a reservoir on the disc, and the rotational speed of the disc was rotated at about 1000 rpm for 1 minute to move blood through the microfluidic channel, and the filtered fluid and the separated fine particles were separated into separate separate reservoirs.
초기에 디스크상의 반경 10mm에 입자가 있는 경우, 회전수를 변경시키면서 운동시켰을 때 적혈구(RBC), 백혈구(WBC), 혈소판(Platelet)의 20초 후의 위치를 도 7a에 나타내었다. 이때, 적혈구, 백혈구, 혈소판의 비중은 각각 1.09645, 1.075, 1.0645 이고, 유체의 밀도는 1.0269이다. 1000rpm에서 혈소판은 20초 후 약 500㎛ 정도 이동하므로, 채널의 폭을 200~300㎛로 제작할 경우 수십 초 안에 분리가 끝남을 알 수 있다. 따라서 회전수를 500~2000rpm에서 동작하는 것으로 충분히 수 분 이내에 분리가 가능하다. In the case where the particles initially have a radius of 10 mm on the disc, the position after 20 seconds of red blood cells (RBC), white blood cells (WBC), and platelets is shown in FIG. At this time, the specific gravity of red blood cells, white blood cells, and platelets is 1.09645, 1.075, 1.0645, respectively, and the density of the fluid is 1.0269. Since platelets move at about 1000 μm at about 500 μm after 20 seconds, separation can be seen in a few tens of seconds when the width of the channel is 200 to 300 μm. Therefore, the rotation speed can be separated within a few minutes by operating at 500 ~ 2000rpm.
회전속도를 10000rpm으로 고정하고 초기위치를 변화시키면서 20초 후의 입자들의 위치를 도 7b에 나타내었다. 10mm 이내의 초기 반경위치에서도 충분히 분리가 가능함을 알 수 있다. The position of the particles after 20 seconds while fixing the rotational speed at 10000 rpm and changing the initial position is shown in FIG. 7B. It can be seen that even in the initial radial position within 10mm can be sufficiently separated.
위 계산결과로부터 회전속도를 1000rpm으로 하고 초기 반경위치를 10mm로 한 경우, 폭을 200㎛로 설계하면 최초 저장고에서 분리저장고까지 유체가 이동하는 시간은 약 40초 정도 걸리며, 이로부터 본 발명에 따른 나선형 미세유체채널이 미세입자의 분리와 유체 이송을 동시에 구현할 수 있음을 알 수 있다.When the rotational speed is 1000rpm and the initial radial position is 10mm from the above calculation results, when the width is 200㎛, the time taken for the fluid to move from the first reservoir to the separate reservoir takes about 40 seconds, and according to the present invention It can be seen that the helical microfluidic channel can simultaneously implement separation and fluid transfer of the microparticles.
이와 같이 본 발명에 따른 미세유체채널은 디스크상에서 도 1 또는 도 3과 같이 배열하면 그 크기에 따라 약 12 ~ 90개 정도가 배치될 수 있으며, 유체를 필 터링한 후, 이를 진단기나 분석기와 연결하여 바로 사용할 수 있다.As described above, when the microfluidic channels according to the present invention are arranged as shown in FIG. 1 or 3 on a disk, about 12 to 90 may be arranged, and after filtering the fluid, the microfluidic channels are connected to a diagnostic apparatus or an analyzer. Can be used immediately.
본 발명은 원심력을 이용하여 분리할 때, 미세유체채널을 이용하여 미세입자가 이동해야 하는 경로길이를 짧게 함으로써 분리시간을 단축시키고 동시에 층류를 이용하여 분리된 유체를 실시간으로 얻을 수 있다. 본 발명은 원심력을 이용하므로 원심력을 이용하는 진단기에 적용하기가 매우 용이하고 연속적으로 혈장을 분리해 낼 수 있는 장점이 있고, 또한 분리만 한 후, 이를 미세유체를 이용한 진단기에 적용하기가 용이하므로 진단을 위한 소량의 혈액분리기로서 유용하다. 따라서 본 발명은 현재 많은 연구기관과 진단기 회사에서 개발하고 있는 휴대용 진단기에 유용하게 사용될 수 있는 단시간 혈액전처리기로 사용될 수 있으며, 또는 미세입자가 포함된 유체의 필터링 기구로도 사용가능 할 것이다.The present invention can shorten the separation time by using a microfluidic channel to shorten the path length that the microparticles must move by using a centrifugal force, and at the same time obtain a separated fluid in real time using laminar flow. Since the present invention uses centrifugal force, it is very easy to apply to a diagnoser using centrifugal force, and there is an advantage that the plasma can be separated continuously, and after separation, it is easy to apply to a diagnoser using microfluidics. It is useful as a small amount of blood separator. Therefore, the present invention can be used as a short time blood preprocessor that can be usefully used in a portable diagnostic device developed by many research institutes and diagnostic companies, or may be used as a filtering device for fluids containing microparticles.
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