KR20060080585A

KR20060080585A - 미세유체 패키징

Info

Publication number: KR20060080585A
Application number: KR1020067004160A
Authority: KR
Inventors: 제임스 엔 허메닉; 고빈다라잔 나타라잔; 산드라 더블유 비쉬노이; 알버트 영
Original assignee: 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2006-07-10
Also published as: EP1680224A4; TW200517183A; WO2005032448A3; WO2005032448A2; US20050069462A1; CN1859977A; EP1680224A2; JP2007507714A

Abstract

제약 업계에서 재료를 혼합 및 테스트하는 데 사용되는 플레이트(100)는, 샘플 셀(110)의 어레이가 바닥 시트에서 수평 통로(126)에 의해 연결되는 2개의 수직 구멍(121, 123)을 갖는 U형 구조를 수용하도록 하고, 시약이 모세관 현상에 의해 수직 통로 내로 흡인되도록 하여, 수평 통로에서 반응시키는 방법에 의해 형성된다. 본 발명의 선택적인 버전은 린스 처리 유체를 수용하기 위하여 비교적 큰 저장조(680)를 구비하는 것이다.

Description

미세유체 패키징{MICROFLUIDIC PACKAGING}

본 발명의 분야는 생물학적/화학적 상호 작용을 위하여 많은 화합물을 동시에 검사하는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 약물의 상호 작용을 검사하는 장치/구조 및 방법에 관한 것이다.

신약 개발 효율을 향상시키기 위하여, 선두 제약 회사는 잠재적인 신약 후보 물질의 평가를 위해 초고속 스크리닝(HTS; high-throughput screening) 기술을 실행하고 있다. 초고속 스크리닝에 있어서는, 화학물질 B1-Bn(예컨대, 분자 라이브러리로부터 취한 화합물)과의 반응성을 위하여 시약 세트 A(예컨대, 적절한 분석 시약을 갖는 생물학적 표적)을 검사하며, 여기서 n은 백만 정도의 큰 수일 수 있다. 초고속 스크리닝은 많은 수의 화합물을 빠르게 동시에 검사할 수 있게 한다. 현재의 노력은 미량역가판(microtiter plate) 또는 마이크로플레이트로서 알려진 플라스틱 소모품의 사용과 관련하여 표준화되고 있다. 물질 B1-Bn 세트는 이들 마이크로플레이트에 어레이될 수 있고, 그 후 특정의 생물학적 표적과의 상호 작용을 검사하는 화학물질을 포함하는 시약 세트 A를 Bn의 각각과 혼합할 수 있다. 검출 도구, 예컨대 광학 마이크로플레이트 판독기를 사용하여 상호 작용을 검출할 수 있다.

현재의 제약 업계는 신약 개발 효율을 향상시키고 비용을 절감하기 위하여 초고속 스크리닝 기술에 있어서의 발전을 필요로 하고 있다. 신약 개발에 사용된 시약 및 화합물은 종종 불충분하고 고가이며, 이는 보다 작은 분석 용적을 갖는 소형화된 분석물의 개발을 촉진하여 왔다. 미량역가판이 다양한 표준 웰 포맷(예컨대, 플레이트당 96; 384; 및 1536 웰)에 상업적으로 이용되고 있고, 수 내지 수십 밀리미터 정도의 웰 치수를 갖는다. 이들 플레이트에서 실행되는 분석은 통상적으로 테스트 지점당 십 마이크로리터를 초과하여 사용된다. 이들 타입의 상호 작용은 이론적으로는 서브-마이크로미터 용적의 시약으로 실행될 수 있지만, 현재까지는 그러한 작은 용적의 분석은 광범위한 채택되지 못하고 있다. 저-용적 분석의 채택을 방지하는 한 가지 중요한 요인은 확실한 고성능 유체 이송 방법의 결여이다.

최근의 David Juncker, Heinz Schmid, Ute Drechsler, Heiko Wolf, Marc Wolf, Bruno Michel, Nico de Rooij 및 Emmanuel Delamarche의 Anal. Chem; 2002; 74(24) pp 6139 내지 6144의 "Autonomous Microfludic Capillary System"은 모세관 현상을 이용한 미세구조에서의 다중 시약의 흐름을 조절하는 특정의 설계 개념을 개시하고 있다. 이러한 개념에 있어서, 시약의 유동은 서비스 포트로의 이송에 의해 개시되고, 그 후 후단 메니스커스가 모세관 현상 유지 밸브로서 알려진 요소에 도달하는 지점으로 유체가 배출된 때에 종료된다. 이러한 위상(phase) 중의 유속은 미세구조의 기하형상 및 표면 특성을 기초로 공학적으로 제어될 수 있다.

종래 기술은 미세구조 내의 액체의 위치에 대하여 일부를 제어할 수 있었지 만, 사용자는 높은 정확도로 정확한 양의 유체를 서비스 포트 내로 퇴적시킬 필요가 있었다.

점점 더 소량의 액체를 이동시키는 데에 있어서의 한 가지 문제는 종래의 수단을 이용하여 서비스 포트 내로 이송하는 액체의 양을 정확하게 계량하는 능력이다. 따라서, 단순히 수용기로서 작용하는 대신에 미세구조가 유체의 이송량을 정확하게 개선할 수 있는 방법이 필요하다.

로봇 핸들러에 의해 웰의 어레이를 하나의 도구로부터 다른 도구로 운반하고 있다.

당업계에서는 멀티-웰 플레이트의 기계적 치수를 특정하기 위하여 예컨대 Microplate Standards Committee of the Society for Biomedical Screening, 36 Tamarack Avenue, Danbury CT 06811을 조합하여 사용하고 있다.

본 발명은 마이크로 웰 및 마이크로 채널을 갖춘 세라믹 소자와, 이 소자를 형성하는 형성 방법에 관한 것이다.

본 발명의 특징은 복수의 맞춤형 그린 시트를 적층함으로써 마이크로 웰과 마이크로 채널의 어레이를 세라믹 구조로 조립하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 있어서, 개방 웰과 채널은 개별 층 맞춤(personalization)에 의해 형성된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 어레이는 상이한 직경의 수직 브렌치를 갖는 U형 채널을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 채널에서의 유체 이송은 채널에서의 공학적 기하형상에 의해 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 유체 이송은 각종 표면의 파라미터 및/또는 조도와 같은 표면 특징에 의해 제어된다.

본 발명의 다른 양태에 있어서, 유체 용적의 자가 계량은 상이한 모세관 현상을 이용함으로써 달성된다.

본 발명의 다른 특징은 소결 공정 중에 세라믹 재료로부터 빠져나가는 희생 재료를 사용한다는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 소결 공정 중에 채널 용적을 제어하는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 웰에서 조작을 실행하는 중에 플레이트를 유지하며 검사 대상 샘플을 유지하는 마이크로 웰이 있는 샘플 플레이트용 인터페이스/홀더에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징은 유지되는 플레이트와 기계적으로 접촉하는 지지부의 세트와, 플레이트와 지지부를 지지 프레임에 대하여 이동시키는 조정기 세트를 제공하는 것이다

본 발명의 다른 특징은 샘플 홀더에 기상 압력을 인가하도록 샘플 홀더의 어레이에 매칭되는 인터페이스 모듈의 어레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 특징은 번갈아서 위치 결정된 2가지 타입의 인터페이스의 어레이를 제공하는 것으로, 제1 타입은 어레이의 제1 서브세트에 적용될 수 있고, 그 후에 제2 타입이 어레이를 병진 이동시킴으로써 동일한 서브 세트에 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 특징은 샘플 홀더에 기상 압력을 인가하기 위한 수단이 산재되어 있는 샘플 홀더를 광학적으로 검사하는 수단을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예와 이 실시예를 위한 홀더를 함께 도시하는 개략도이고,

도 2는 어레이의 평면도이고,

도 3은 서브-어레이의 상세부를 도시하고 있고,

도 4a는 어레이의 개별 모듈의 평면도를 도시하고 있고,

도 4b는 도 4a의 모듈의 횡단면도를 도시하고 있고,

도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 실시예의 조립 단계를 도시하고 있고,

도 6은 유체 이송 단계를 도시하고 있고,

도 7a 내지 도 7d는 표면 파라미터에 의해 실현되는 운반 제어를 도시하고 있고,

도 8a 내지 도 8g는 소정 양의 시약을 운반하는 작업 순서의 단계를 예시하고 있고,

도 9a는 본 발명의 실시예의 평면도를 도시하고 있고,

도 9b는 도 4a의 모듈의 횡단면도를 도시하고 있고,

도 10은 본 발명의 실시예의 조립체의 상세부를 도시하고 있고,

도 11은 어레이를 광학 검사하도록 되어 있는 배치를 도시하고 있고,

도 12는 광학 검사와 기계적 조작을 행하도록 되어 있는 대안의 어레이를 도시하고 있고,

도 13은 본 발명에 따른 홀더의 상세부의 분해도를 도시하고 있다.

도 1은 본 발명을 위한 홀더/캐리어와 함께 본 발명의 실시예의 사시도를 도시하고 있다. 본 발명에 따른 카드(100)는 검사 대상의 샘플 세트를 수용하고 있는 유체 수용기의 어레이를 포함하는 비교적 얇은 플레이트이다. 카드(100)의 전체 치수는 산업 표준을 따르며, 이는 어레이 내에서 개별 모듈의 위치를 따르는 것이다.

카드(100)는 카드의 위치를 결정하는 홀더(10) 내로 끼워지며, 이 홀더는 유체 제어를 위하여 이용 가능한 진공 및 압력을 가지며, 자동 재료 취급 장치에 적합하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 어레이(100)의 평면도를 도시하고 있다. 산업계는 표준 어레이에 대한 사양을 규정하고 있지만, 필요에 따라 비표준 어레이를 사용할 수도 있다. 이 경우에, 어레이는 48 ×32 서브-모듈의 세트이며, 각각의 서브-모듈은 단위 모듈의 2×2 서브-어레이를 수용하고 있다. 도면의 하부 우측에서, 서브-모듈(110)은 4개의 단위 모듈(110-1 내지 110-4)을 수용하고 있으며, 이들 모듈은 도 3에 도시되어 있다.

도 3은 4개의 단위 모듈(110-1 내지 110-4)을 수용하는 서브-모듈(110)을 상세하게 도시하고 있다. 각 단위 모듈은 하나의 보다 큰 입력 브렌치와 하나의 보 다 작은 출력 브렌치를 갖는 U형 채널을 포함하고 있다. 예컨대, 입력 브렌치는 원 122로 지시되는 상측 직경과 수직 통로(121)를 포함한다. 출력 브렌치는 상측 직경(124)과 수직 통로(123)를 포함한다. 편의상 도면에서는 수직 통로(123)의 직경이 수직 통로(121)의 대응 직경과 동일한 것으로 도시되어 있지만, 이 대응 직경보다 작을 수도 있다. 브렌치의 사이즈와 표면 재료는 이하에 설명하는 바와 같이 선택되어 유체 운동 및 위치를 제어한다.

U형 기하형상을 사용하여 재현 가능한 미세유체 소자 성능을 달성하는 것을 돕는 한 가지 신규의 예는 원치 않는 기포가 미세유체 구조의 활성 소자 영역 내로 도입되는 것을 방지하는 것을 돕는 능력으로부터 유래하는 것이다.

본 발명은 소자의 입력부에서 도입되는 기포가 상측에 이르기까지 부유한다는 사실에 기인하여 중력에 의해 미세유체를 분리하는 이점을 취하고 있다. 기포를 상측으로 부유할 수 있게 하여 기포 없는 유체를 활성 장치까지 하향으로 지향시킬 수 있는 그러한 기하형상은 활성 영역으로부터 기포를 제거하는 것을 도울 수 있다. 기포가 미세채널 내로 도입되는 것을 방지하는 한 가지 방법은 U형 구조를 사용하는 것이다. 크기 배제 필터(size-exclusion filter)와 같은 다른 방법을 상기 방법과 함께 실행하여 특정 영역으로부터 기포를 제거하는 것을 도울 수 있다.

도 4a는 도 2의 어레이의 단일의 서브-모듈의 평면도를 도시하고 있다. 도 4b는 도 4a의 구조의 횡단면도를 도시하고 있는데, 이 구조는 도시의 단순화를 위하여 6매의 그린 시트와 2개의 수직 웰(well)을 연결하는 1개의 수평 채널을 이용하여 형성되는 것이다. 양 수직 웰과 수평 채널은 세라믹, 유기물, 유리, 금속 또 는 복합물과 같은 적절한 재료의 단일 층 내에 형성될 수도 있고, 다층의 조합에 의해 형성될 수도 있다는 것을 주목해야 한다. 도 4에 도시된 구조는 개별 시트의 적층(lamination)에 의해 조립되었다. 조립 공정은 수천 개의 단위 모듈의 어레이와, 수직 구멍을 링크하도록 선택적으로 연결된 수천 개의 수평 채널을 갖는 세라믹 구조의 조립 공정과 동일하다. 세라믹 재료로는 알루미나, 유리 세라믹, 질화알루미늄, 보로실리케이트(borosilicate) 유리 및 유리를 포함할 수 있다. 수직 웰(121, 123)의 직경은 20 마이크론 이상일 수 있고, 채널의 폭(126)은 20 마이크론 이상일 수 있으며, 그 길이는 최소 2 직경/40 마이크론일 수 있다. 이들 치수는 예시적인 것이며, 기술의 발전에 따라 작아질 수 있다. 물질을 노출시키는 웰의 형상은 원형 또는 장방형일 수 있고, 부드럽거나 거칠 수 있다. 플레이트(100)의 총 두께는 임의의 원하는 크기일 수 있지만, 바람직하게는 1mm 이하이다. 개별 그린 시트의 두께는 용례에 따라 다르지만, 바람직하게는 약 150 마이크론이다.

적층 공정은 열, 압력 및 시간을 포함한다. 바람직한 적층 압력은 800 psi 이하이고, 온도는 90℃ 이하이고, 시간은 5분 미만이다. 소결 공정은 재료의 선택과 그린 시트를 형성하는 데 사용된 바인더 시스템을 포함한다. 소결 공정은 2000℃ 미만의 온도를 포함할 수 있고, 등압 공정, 프리 공정 및/또는 정합 공정일 수 있다. 주변에는 공기, 질소, 수소, 증기, 이산화탄소 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.

조립에 사용된 채널의 직경은 특정 용례에 따라 다르고, 또한 그 채널을 통과하는 물질의 점성, 표면 및 유체의 표면장력/활성도, 원하는 유체력(flow force), 모세관 현상의 유동 또는 강제 유동, 원하는 양 및 유량 등과 같은 기술적 변수에 따라 달라진다.

본 발명의 하나의 예에 따르면, 그린 시트는 알루미나, 유리, 세라믹 및 유리 세라믹과 같은 물질로 형성되며, 이는 세라믹 그린 시트로 지칭된다. 수직 구멍 및 수평 채널을 형성하는 기술은 재료 펀칭, 레이저 천공, e-빔 천공, 샌드블라스팅 및 고압 액체 분사와 같은 기계적 기술에 의해 재료를 제거하는 것이다. 일부 용례는 엠보싱, 프레싱, 성형 및 주조와 같이 재료를 제거하지 않는 기술에 의해 형성된 채널을 채용할 수 있다.

도 4b는 본 발명에 따른 간단한 완성 구조의 일부를 도시하며, 이 구조는 6층으로 형성되며, 시트(130-5)에 형성된 단일의 수평 채널(126)을 포함하며, 이 수평 채널은 시트(130-2 내지 130-4)에 형성된 2개의 수직 구멍(121, 123)을 연결한다. 시트(130i)는 초기에는 개별 세라믹 그린 시트로서, 통상의 방법으로 적층 및 소결되어 세라믹 플레이트(100)를 형성한다. 상측에서, 이하에서 설명하는 다양한 사이즈의 구멍은 유체 시약과 이 시약에 조합되어 샘플을 형성하는 다른 시약을 투입하거나, 화합물의 테스트를 위한 테스트 화합물의 적용에 사용된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수평 채널(126)의 바닥면을 포함하는 층은 동일한 재료, 예컨대 반응 생성물을 유지하도록 되어 있는 채널의 바닥면을 갖는다. 표면은 (1 마이크론 미만의) 최소 거칠기를 가질 수도 있고, 및/또는 취급 중에 재료를 수용하도록 오목한 형상으로 될 수도 있다. 또한, 층은 고속 스캐닝에 적합할 수 있는데, 예컨대 통상의 스캐너에 설치되기에 충분히 얇을 수 있고, 하나 의 셀로부터 다른 셀로 이동하는 데 소요되는 시간을 최소화하도록 함께 충분히 근접하게 배치된 셀을 포함할 수 있다. 도 4b는 반응 생성물이 적층되어 U형 구조의 바닥층을 형성하는 상측 표면(125)이 단단한 바닥층(130-6)에 있고, 바닥층 상에 놓이는 하층(130-5)에 구멍이 형성되어 있는 버전을 도시하고 있다. 구멍(126)이 바닥층에 홈으로서 형성되어 있는 변형예를 또한 사용할 수 있다.

바람직하게는, 반응 생성물이 놓이고 U형 구조의 바닥을 형성하는 상측 표면(125)을 갖는 층은 분리 가능한데, 즉 층은 유체가 누설되는 것을 방지하기에 충분하게 상층에 잘 고착되지만, 상층으로부터 용이하게 분리될 수 있다. 부착 방법은 당업계에 알려진 임의의 방법일 수 있는데, 예컨대 열, 테이프, 감압 밀봉제 또는 밀봉 재료의 실크 스크리닝을 포함할 수 있다. 동작 시에, 시약은 (예컨대 피펫 을 이용하여) 구멍(122)으로 삽입되고, 이어서 직경을 감소시킴으로써 야기되는 모세관 현상의 증가에 의해 통로(121)까지 하향으로 끌려간다. 시약은 설정 시간 동안 인출되고, 그 후에 분배 피펫이 후퇴된다.

시약이 통로(121)의 바닥에 도달한 때에, 시약은 통로(123)에 도달할 때까지 수평으로 이동하며, 여기서 시약은 이하에서 설명하는 각종 수단에 의해 영향을 받을 수 있는 레벨까지 상승한다.

도 8을 참조하면, 유체는 구조가 유체 저장조와 관련하여 작동하도록 시스템을 설계함으로써 외부의 유체 저장조로부터 효율적으로 자가 계량될 수 있다(하나의 예로서, 종래의 피펫 팁을 이용할 수 있다). 이를 위해서는 외부 유체 저장조의 기하형상, 치수 및 표면 습윤 특성에 대한 제한된 지식을 가져야 한다. 미세구 조는 직경과 표면 특성의 조합에 의해 유체를 당기는 모세관 압력을 제공하므로, 유체를 저장조 내로 당기는 모세관 현상이 유체를 피펫 내에 유지하는 힘보다 크게 된다.

하나의 실시예는 유체 추출 속도를 제어하도록 유동-저항 요소를 제공한다. 통상의 사용 시에, 외부 유체 저장조는 실제로 필요한 양을 초과하는 소정 양의 유체로 충전된다. 피펫 팁 내의 유체를 미세유체 소자에 접촉시킴으로써, 유동이 개시된다. 유속은 유동-제한 요소에 의해 조절되므로, 피펫 팁이 미세유체 소자와 상호 반응하는 시간 양을 제어함으로서 원하는 용적을 얻을 수 있다. 그 후, 피펫 팁은 미세유체 카드와의 근접으로부터 제거되어 계량 작업을 종료한다. 그 후, 유체는 모세관 현상 유지 밸브(CRV; 830으로 지시됨)로서 알려진 위치에서 후단 메니스커스에 의해 스스로 자가 위치 결정될 때까지 흐르며, 여기서 직경의 제한이 실현되어 추가의 흐름을 제한한다.

도 6은 기본 동작을 도시하고 있으며, 여기서 피펫(620)은 어레이(610)의 단위 셀에 근접하게 한다. 유체의 돌출 부분이 구멍에 접촉하는 때에, 모세관 현상에 의해 유체가 피펫으로부터 채널 내로 흐른다. 수용 채널의 내면을 유체에 의해 젖게 하고 상면(540)을 유체에 의해 젖지 않게 함으로써 인력이 부가될 수 있다(이는 또한 유출을 감소시킨다). 유체는 채널 내로 통과하고, 제한 부재(602)의 제한 구멍(605)을 통과하며, 이 구멍은 시간에 따른 유동을 보다 정확하게 하기 위하여 유체를 감소키도록 크기가 정해진다. 유체 점도와, 제한 구멍 및 운반 대상의 원하는 용적을 포함한 피펫과 수용 채널의 치수 및 표면 특성에 따라 달라지는 특정 시간 후에, 피펫을 제거한다. 유체는 상부 (후단) 메니스커스가 제한 구멍에 있는 상태로 체류한다.

도 8a는 돌출 유체(655)와 함께 유체(650)를 셀(810)에 운반하는 피펫(620)의 초기 도입을 도시하고 있으며, 이 셀은 상부 내부면(822)이 있는 구멍(820)과, 상면(815)과, CRV(830)에 있는 제한 구멍(832)을 구비한다. 제한 구멍 아래에서, 라이너(824)의 내면(825)은 상면(822)과 상이한 (상면보다 큰) 유체에 대한 인력을 갖는다.

도 8b는 구멍(820)의 상부에 바로 접촉하는 돌출 유체(655)의 돌출을 도시하고 있다.

도 8c에서, 유체는 초기 운반 단계로 있으며, 하부 메니스커스(662)가 제한 구멍(832)에 접근한다.

도 8d는 하부 메니스커스가 제한 구멍을 통과한 후의 단계를 도시하고 있고, 하부 메니스커스가 대략 제한 구멍(832)에 의해 정해지는 비율로 (보관 저장조)의 구멍(820)의 하측 부분으로 통과한다.

도 8e는 피펫이 후퇴된 후의 동일한 구조를 도시하고 있고, 피펫의 바닥의 드롭(655)이 상면(655')으로부터 분리되어 있다.

도 8f는 보다 많은 유체가 하부의 보관 저장조로 통과한 때에, 소정의 하측 깊이로 통과한 상부 메니스커스(672)와 하부 메니스커스(664)가 형성된 직후의 구조를 도시하고 있다.

마지막으로, 도 8g는 상부 메니스커스(672)가 제한 구멍의 레벨로 피닝된 때 의 초기 상태의 구조를 도시하고 있다.

단순화를 위하여 단일의 수직 구멍을 구비하는 상태에서의 동작이 도시되어 있지만, 도 4의 U형 구조 또는 보다 복잡한 구조를 사용할 수도 있다.

이들 기술을 적용할 수 있는 한 가지 분야는 시약 보관 분야이다. 작은 용적으로 시약을 (몇 분이든 몇 달이든) 유용하게 보관하는 구조는 보관 용기 내에서 유체의 위치 결정을 제어하기가 곤란하기 때문에 복잡해진다. 보관된 시약의 초기 위치 결정에 대한 제어가 부족하면, 이들 시약과 추가의 시약의 반응은 잘 제어되지 않는다. 본 발명에 따르면, 통합된 모세관 현상 유지 밸브를 갖춘 미세유체 구조를 시약 보관에 사용할 수 있다. 이러한 방법을 사용하면, 시약이 비교적 낮은 정밀도로 미세구조의 입구 포트에 적용될 수 있지만, 그 후에 시약은 모세관 현상에 의해 정확하게 추진되어 유체를 미세구조 내의 예정된 위치로 이동시킬 수 있다.

도 6을 다시 참고하면, 수직 채널의 하측 부분을 사용하여 시약을 보관할 수 있으며, 후단 메니스커스가 구멍(605)에 피닝되어 시약을 적소에 유지한다. 도 6의 수직 채널은 도 4에서와 같은 U형 구조 또는 더욱 복잡한 구조의 일부일 수 있다. 유체의 정확한 위치 결정으로 인하여 재현 가능하고 설계에 따라 반응 동력학을 정확하게 계산할 수 있다. 미세구조 내에 보관된 시약을 훨씬 후의 시간에 사용하도록 현장에서 냉동시키거나 유지할 수 있다.

많은 생물학적 프로토콜에 있어서 유체를 린스 처리하는 하는 것은 중요한 단계이다. 그러나, 작은 유체 용적에서 재현 가능한 린스 처리를 달성하는 곤란하 므로, 상업적으로 현재에는 양호한 결과를 달성하기 위하여 테스트 당 본질적으로 큰 점유 용적이 필요하다. 작은 점유 용적에서 다수의 유체에 대한 린스 처리를 실행하는 능력이 유리할 수 있고, 미세구조 내에서 그러한 능력을 실현하는 방법이 문헌에 개시되어 있다. 그러나, 그 경우에는, 주요 유체-처리 미세구조로부터 유체를 추출(이는 모세관 유동 기구에 의하여 린스 처리 공정을 촉진함)할 수 있도록 하기 위해서 별도의 보조 기구가 필요하다. 보조 부품에 대한 이러한 요구는 실제의 실행에 원치 않는 복잡성(예컨대, 정렬 요건)을 부가한다. 본 발명에 따르면, 완전히 일체화된 구조는 린스 처리를 실행할 수 있게 하며, 부착된 모세관-현상에 따른 유동 촉진 영역의 용적(특히, 제3 치수)을 현저하게 증가시키기 위하여 다층 구조를 사용함으로써 다단 분석(assay)을 가능하게 할 수 있다. 예시적으로, 도 6의 선택적인 특징부는 일반적으로 점선 680으로 지시된 그린시트의 추가의 세트이며, 이는 도 6의 바닥에 더 길고 더 깊은 저장조를 부가한다.

이 방법은 작은 전체 점유 용적을 허용하고, 본질적으로 이질적인 저-용적 분석을 가능하게 하며, 미세유체 구조가 다수의 부품으로 구성되어 분리될 필요가 있는 경우에 원치 않는 시약의 유출을 방지하는 것을 보조한다.

유사한 미세유체 방법 및 구조를 사용하여 생물학적 셀과, 비균질 유체에 수반되는 (비드 또는 나노입자와 같은) 다른 비-유체 집단을 소정 기재로 정확하게 운반할 수 있다. 예컨대, 기재는 조립된 구조의 벽일 수 있고, 이는 후에 분리되어 특정-기재의 처리를 가능하게 한다. 또한, 시약은 초기 단계의 미세채널의 표면에 부착되어 있었던 임의의 그러한 집단(셀, 비드, 나노입자 등)에 운반될 수 있 다. 하나의 예로서, 생물학적 셀을 갖는 배야 매체(culture media)가 미세구조로 운반될 수 있으며, 모세관 현상 유지 밸브의 사용을 통하여 위치 결정될 수 있다. 그 후, 생물학적 셀은 예상할 수 있는 방식으로 미세구조〔채널(126)〕의 바닥면(125)에 체류할 수 있으며, 그 후 이들 셀은 종래의 셀 배양에서 발견되는 것과 유사한 공정으로 스스로 부착될 수 있다. 그 후, 후속의 린스 처리 및 시약 적용 단계를 이용하여 가치있는 셀-기초 분석을 행할 수 있다.

저-용적 시약 취급을 위한 종래의 방법은 일반적으로 시약의 낭비가 매우 심하다. 이는 시약이 고가이거나 및/또는 공급이 부족한 때에 특히 문제로 된다. 본 발명에 따른 구조는 통상적으로 (적어도 개략적으로 알려져 있는) 확산 계수의 작은 배수(reduced multiple)인 소정 높이의 미세구조를 이용하여, 표면과 반응할 수 없는 시약을 최소화한다. 또한, 본 발명에 따른 구조는 전술한 기술을 이용하여 설계 유량을 제공하므로, 시약이 표면 근처에서 고갈되는 데 소요되는 개략적인 시간 크기 내에, 새로운 공급 시약을 도입할 수 있다. 이는 연속 유동 또는 양자화 유동일 수 있지만, 최단 시간 내에 가장 효율적으로 시약을 적용할 수 있도록 설계된다. 본 발명은 또한 선 및 점을 기록하는 미세유체 구조의 사용을 포함하며, 여기서 도 8a의 655와 같은 돌출 드롭(drop)이 종이 또는 다른 매체와 접촉하게 된다.

이제 도 5를 참고하면, 본 발명의 일 실시예를 조립하는 순서가 도시되어 있으며, 여기서 도 5a는 적층되어 있는 3개의 세라믹 그린 시트(502)를 도시하며, 각 그린 시트는 수직 구멍의 위치를 채우는 임시 재료(530)를 포함한다. 바닥에 서, 시트(505)는 수평 스트립을 포함하고, 또한 재료(530)로 채워지며, 이는 2개의 수직 구멍을 연경하는 수평 채널로 된다. 도 5b는 소성 준비 상태로 있는 조립된 스택을 도시하며, 도 5c는 소성 후의 조립체(510)를 도시하며, U형 통로는 2개의 수직 통로(535)와 수평 통로(515)를 포함한다.

도 5d 및 도 5e에는 바닥 플레이트의 2개의 변형예가 도시되어 있으며, 도 5d의 플레이트(520)는 상면 내로 형성된 채널(522)을 갖고, 도 5e의 플레이트(520)는 채널을 갖지 않는다.

도 5f는 도 5e의 바닥 플레이트(520')와 도 5c의 조립체의 조합체를 도시하고 있다.

도 5g는 기재(540)와 함께 상면을 처리하는 선택적 단계 후의 조립체를 도시하며, 시약이 상면을 적시는 것을 방지하여, 낭비되는 시약이 구멍(535) 중 하나로 들어가지 않는 것을 예시적으로 보여주고 있다. 당업자는, 하나 이상의 수직 구멍을 형성할 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같은 제한 구멍을 수직 구멍 중 하나 또는 양자에 구비할 수 있고, 하나 이상의 수직 구멍이 린스 처리용 유체 또는 과잉 시약을 보관하기 위하여 수평 구멍(515) 아래로 하향 연장될 수 있는 것과 같은 다른 기술을 채용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 7은 상이한 습윤성의 사용을 예시하는 순서를 도시하고 있다. 도 7a는 플레이트(710) 내의 단일의 구멍(708)을 도시하고 있으며, 이 단일의 구멍은 예컨대 DMSO(dimethylsulfoxide)에서 용해되는 소정 양의 시약을 수용하고, 구멍의 종래의 용해력이 있는 내부 표면(702)은 DMSO를 모세관 현상을 통하여 당기도록 처리 된다〔또는 블록(710)의 재료가 선택된다〕.

이와 달리, 도 7b에 도시된 바와 같이, 블록(710)의 상면(712)은 물에 의해 젖지 않으며, 수용성 시약은 채널 내로 관통하지 않는다. 도 7c는 수용성 시약을 아래로부터 투여하는 것을 도시하며, 그에 따라 유체는 아래로부터 구멍 내로 관통한다. DMSO 유체의 용적은 수용성 시약(717)이 하부 메니스커스(720)에 도달하도록 선택되었다. 도 7d에 도시된 바와 같이, 2개의 유체가 도 7d에 점선으로 지시되어 있는 오버랩 영역에서 만나서 반응한다.

시약이 서로에게 도달하는 것을 허용하는 시약 확산 거리를 제공하도록 파라미터를 선택하였다.

이제 도 9a를 참고하면, 본 발명에 따른 홀더의 x-y 평면을 향하여 본 평면도가 도시되어 있고, 여기서 프레임(150)은 마이크로-플레이트를 유지하고 있다. 프레임(150)은 후술하는 바와 같이 x 및 y 방향으로 병진 운동한다. 좌측에서, 박스(135)는 액츄에이터에 전력을 공급하는 전지를 나타내고 있다. 대안으로, 박스(135)는 압축 가스를 액츄에이터 및/또는 어레이 내의 모듈에 적용하여 유체를 내외로 이동시키는 보관 유닛을 나타낼 수도 있다.

도면 부호 55는 마이크로플레이트를 유지하는 릿지(ledge)를 나타내고 있다. 도면 부호 52는 웰의 어레이를 이하에서 실시하는 작업에 노출시키는 큰 구멍을 지시하고 있다. 튜브(42, 44)는 가스 및 진공 라인을 나타낸다. 구석에서, 박스(120)는 마이크로플레이트의 정렬을 측정하기 위한 위치 센서를 나타내고 있다.

도 9b는 도 9a의 홀더의 단면도를 도시하고, 여기서 플레이트(50)는 릿지 (55)로부터 변위된 것으로 도시되어 있다. 승강 핀(45)은 자동 재료 취급 장치가 플레이트를 파지할 수 있도록 플레이트를 상승시키는 특징부를 나타낸다. 하부 프레임(110)은 프레임(150)을 x-y 평면에서 이동시키도록 이하에서 설명하는 액츄에이터를 포함한다.

도 10은 하부 프레임(110)과 유지 프레임(150) 사이의 인터페이스를 상세하게 도시하고 있다. 우측에서, 상측 및 바닥의 한 쌍의 액츄에이터(130)는 하부 프레임(110)과 프레임(150) 사이에 위치 결정되어 있다. 액츄에이터(130)는 압전 소자, 도시 생략된 제어기로부터의 명령에 의해 제어될 수 있는 나사, 압축 가스에 의해 작동되는 피스톤 등일 수 있다. 이들은 프레임(150)을 좌측으로 압박한다. 프레임의 좌측의 엘라스토머 또는 통상의 스프링이 필요에 따라 복원력을 제공한다. 선택적으로, 압전식 액츄에이터는 양단에서 접착될 수 있으므로, 복원력을 필요로 하지 않는다. 바닥에도 동일한 배치가 반복된다. 이러한 방법에 의하여, 상측 프레임은 x-y 평면에서 원하는 위치로 압박될 수 있다. 액츄에이터가 압박되는 접촉면은 플레이트(50)와 동일 평면으로 있을 수도 있고, 설계자의 선택에 따라 수직으로 오프셋될 수도 있다.

도 11은 본 발명의 변형예의 측면도를 도시하고 있으며, 여기서 릿지(55) 위에 위치 결정된 제2 릿지(65)는 웰 내의 시약과 시편의 조합의 결과를 광학적으로 검사하는 데 사용된 마이크로렌즈의 어레이를 유지한다. 렌즈는 시험 중인 유체 상에 빛의 초점을 모을 수 있고, 또한 상업적으로 이용 가능한 광학 장치에 신호 광을 전달할 수 있다.

바닥의 점선(75)은 선택적인 하부 렌즈 어레이를 나타내고 있다.

분배/작동 시스템을 사용하여 미세유체 어레이를 처리할 수 있다. 도 12에 있어서, 웰 어레이에 매칭되는 유닛의 어레이가 일반적인 형태로 도시되어 있으며, 이 어레이는 원(77)과 박스(78)로 지시된 교번 유닛(alternating unit)을 포함하는 소정 세트의 열(72-1 내지 72-n)을 수용한다. 두꺼운 선의 세트(73-1 내지 73-n)는 압력 및/또는 진공을 위한 분배 시스템을 나타내고 있다. 원과 사각형 기호(77, 78)는 각각, 본 발명에 따른 모든 유닛이 동일할 필요가 없다는 것을 나타내는 데 사용되고 있다. 예컨대, 박스는 린스 처리 작업 후의 잉여의 유체를 수용하는 챔버(도 3에 지시됨)를 나타낼 수도 있고, 박스는 도 3에 도시된 바와 같이 모듈(310)의 바닥에 압력을 인가하는 개별 밸브 제어부를 갖춘 압력 공급원을 나타낼 수도 있다. 다른 옵션으로서, 원은 도 6에서와 같은 마이크로-렌즈를 나타낼 수 있고, 박스는 압력/진공 공급부를 나타낼 수 있다.

처리 대상 플레이트는 2개의 옵션 중 단지 하나만을 이용하는 웰을 포함할 수도 있고, 웰의 절반만이 이러한 특정 작업을 위하여 사용되는 표준 어레이를 포함할 수도 있다. 대안으로, 프레임(150)은 (하부 트레이와 접촉하지 않으면서 미끄러지도록 수직으로 상승하는 플레이트를 선택적으로 구비하는) 액츄에이터에 의해 병진 운동할 수 있으므로, 제1 동작 시에 웰의 처음 절반이 처리되고, 제2 동작 시에 웰의 두 번째 절반이 처리된다. 그 후에, 사각형으로 표현되는 장치를 이용하여 2단계 공정을 반복할 수 있다. 대안으로, 어레이의 처음 절반은 원 및 사각형으로 표시되는 것에 의해 처리될 수 있고, 그 후에 두 번째 절반이 처리된다.

도 13을 참고하면, 도 3에 도시된 바와 같은 모듈(310)과 분배/작동 시스템 사이의 인터페이스의 분해도를 도시하고 있다. 이 버전에 있어서, 유닛(310)은 돌출하는 원통형 노즐(317)을 구비하며, 이 노즐은 바닥면(315)을 갖고 벽(310)에 의해 둘러싸여 있다. 아래에서, 도 6에서 점선 680으로 지시되는 지지 시스템은 내면(384)과 상측면(382)을 갖는 실린더(385)를 구비한다. 축선(82)은 2개의 실린더가 공통 중심을 갖는 것을 나타내고 있다. 일 실시예에 따르면, 표면(315)은 표면(382)에 대하여 압박되며, 벽(310)은 결과적으로 있을 수 있는 임의의 스프레이를 구속하도록 표면들이 만나는 지점을 넘어서 돌출한다. 다른 실시예에 따르면, 내면(382)은 돌출 실린더(317)를 둘러쌀 수 있으므로, 수직 오버랩이 존재한다. 가스 압력, 진공 또는 시약이 실린더(385)로부터 모듈로 공급될 수 있거나 또는 제거될 수 있는데, 예컨대 진공을 사용하여 미사용 시약을 셀로부터 인출할 수 있어서, 반응 결과는 광학 수단에 의해 결정되거나 실린더(315)의 내벽에 적층함으로써 이후의 단계에서 테스트된다. 실린더 대신에, 도 6에 도시된 바와 같은 넓은 평탄면을 사용할 수 있다.

당업자는 중력, 전기영동 힘 또는 전기삼투 힘 등과 같은 외력의 인가에 의해 시약이 반응면(또는 미세입자, 미세비드, 나노 입자 또는 생물학적 셀과 같은 비균질 물질 형태의 다른 시약)에 대하여 압박될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명을 단일의 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 당업자는 본 발명을 이하의 청구범위의 사상 및 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다는 것을 알 것이다.

본 발명은 제약 테스트 및 제조 분야에 유용하다.

Claims

적어도 하나의 물질을 구멍 세트를 통하여 제1 위치로부터 제2 위치로 통과시키기 위한 플레이트(100)를 형성하는 형성 방법으로서,

제1 층에 샘플 셀(110)의 어레이에 배치되어 있는 두 세트의 수직 구멍(121, 123)을 형성하는 단계로서, 각 샘플 셀은 상기 두 세트의 수직 구멍의 각각의 부재를 수용하는 것인 단계와,

적어도 하나의 대응 층에 상기 두 세트를 연결하는 대응 세트의 수직 구멍을 형성하는 단계와,

상기 제1 층과 적어도 하나의 대응 층의 아래에 배치되는 하층에 연결 수평 구멍(126)의 세트를 형성하는 단계로서, 여기서 상기 하층의 상기 수평 구멍의 적어도 일부는 상기 두 세트의 수직 구멍(121, 123)의 부재들을 연결하는 것인 단계와,

상기 제1 층, 상기 적어도 하나의 대응층 및 상기 하층을 조립하여 U형 구조(127)를 포함하는 샘플 셀의 어레이를 수용하는 플레이트를 형성하는 단계

를 포함하는 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 하층은 상기 U형 구조의 바닥면을 형성하는 단단한 층의 위에 배치되어 있는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 하층은 상기 수평 구멍을 포함하고, 상기 U형 구조의 바닥면을 형성하는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 층들 중 적어도 2개를 함께 접합하여 상기 플레이트를 형성하는 단계를 더 포함하는 플레이트 형성 방법.
제4항에 있어서, 상기 층들 중 적어도 2개를 함께 접합하는 상기 단계는 소결에 의해 실행되는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층 중 적어도 하나에 수평 및 수직 구멍을 형성하는 상기 단계는 재료 제거 기법에 의해 실행되는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 층, 제2 층 및 제3 층 중 적어도 하나에 수평 및 수직 구멍을 형성하는 상기 단계는 재료를 제거하지 않는 기법(non-material removal technique)에 의해 실행되는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, U형 구조의 바닥면을 형성하는 층은 샘플 재료를 유지하도록 되어 있는 상면을 갖는 탈착 가능한 층(680)인 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, U형 구조의 바닥면을 형성하는 층은 광이 통과하도록 되어 있는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, U형 구조의 바닥면을 형성하는 층은 투명한 것인 플레이트 형성 방법.
제9항에 있어서, 상기 탈착 가능한 층은 고속 스캐닝에 적합한 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 수직 구멍의 세트 중 적어도 하나는 탈착 가능한 라이너를 포함하여, 상기 탈착 가능한 라인에 부착되는 재료는 상기 플레이트로부터 멀어지게 처리될 수 있는 것인 플레이트 형성 방법.
제12항에 있어서, 상기 탈착 가능한 라이너 중 적어도 하나는 시약용 캐리어이므로, 작동 시에 상기 시약은 인가된 유체의 성분과 반응하는 것인 플레이트 형성 방법.
제12항에 있어서, 상기 수직 구멍의 세트 중 적어도 하나는 린스 처리 유체를 보관하기 위한 공간에 연결되어 있는 것인 플레이트 형성 방법.
제12항에 있어서, 상기 구멍의 세트 중 하나의 내면에 부착되는 재료가 시약용 캐리어이므로, 작동 시에 상기 시약은 인가된 유체의 소정 물질과 반응하는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 수직 구멍과 구멍 구조의 반응 영역은 기포가 상기 반응 영역 외측의 소정 영역으로 상승하도록 되어 있는 것인 플레이트 형성 방법.
제1항에 있어서, 상기 수직 구멍 세트 중 제1 세트는 모세관 현상에 대하여 제1 인력을 갖는 표면 재료를 수용하고, 상기 수직 구멍 세트 중 제2 세트는 모세관 현상에 대하여 제2 인력을 갖는 표면 재료를 수용하여, 상이한 유체가 상기 제1 및 제2 세트의 수직 구멍 내로 선택적으로 삽입될 수 있는 것인 플레이트 형성 방법.
소정 세트의 구멍에서 시약과 반응하도록 샘플 셀(110)의 어레이를 수용하는 샘플 유지 플레이트(100)로서,

제1 층에서 샘플 셀의 상기 어레이 내에 배치되는 두 세트의 수직 구멍(121, 123)으로서, 각 샘플 셀은 상기 두 세트의 수직 구멍의 각각의 부재를 수용하는 것인 두 세트의 수직 구멍과,

제1 층의 상기 두 세트의 구멍에 연결되는 대응 수직 구멍의 세트를 포함하는 적어도 하나의 대응 층과,

상기 제1 층과 상기 적어도 하나의 대응 층의 아래에 배치되며 연결 수평 구멍(126)의 세트를 수용하는 바닥 층으로서, 상기 세트의 연결 수평 구멍이 상기 두 세트의 수직 구멍의 적어도 일부 부재를 연결하여, U형 구조(127)를 수용하는 샘플 셀의 어레이를 형성하는 것인 바닥 층

을 구비하는 샘플 유지 플레이트.
제18항에 있어서, 상기 수직 구멍 중 제1 구멍은 모세관 현상 유지 밸브(830)를 포함하고 소정 양의 제1 시약을 보관하도록 되어 있으며, 상기 수직 구멍 중 제2 구멍은 제2 시약을 수용하고, 제2 시약을 상기 제1 시약과 접촉시키도록 되어 있는 것인 샘플 유지 플레이트.
제19항에 있어서, 상기 제1 및 제2 시약은 제1 및 제2 시약이 이들 중 하나의 확산 길이에 의해 오버랩되도록 하는 양을 갖는 것인 샘플 유지 플레이트.
제19항에 있어서, U형 구조의 바닥면을 형성하는 층은 샘플 재료를 유지하도록 되어 있는 상면을 갖는 탈착 가능한 층(680)인 것인 샘플 유지 플레이트.
제18항에 있어서, U형 구조의 바닥면을 형성하는 층은 투명한 것인 샘플 유지 플레이트.
제18항에 있어서, 상기 수직 구멍 세트 중 적어도 하나는 린스 처리 유체를 보관하기 위한 공간에 연결되어 있는 것인 샘플 유지 플레이트.
샘플 홀더의 어레이를 수용하는 플레이트(50)를 조작하기 위한 지지 및 취급 구조(150)로서,

상기 플레이트를 기준 위치에 위치 결정하기 위한 정렬 수단(130)과,

상기 플레이트와 기계적으로 접촉하는 지지부 세트와,

상기 지지부 세트를 지지 프레임에 대하여 이동시키는 조정기 세트

를 구비하여, 상기 지지부 세트가 상기 지지 프레임에 대하여 이동하는 것인 지지 및 취급 구조.
제24항에 있어서, 상기 구조는 상기 지지부 세트를 X-Y 평면에서 이동시키도록 배치된 상기 조정기 세트를 운반하는 지지 프레임(110)을 포함하여, 상기 플레이트를 상기 X-Y 평면에서 이동시키는 것인 지지 및 취급 구조.
제25항에 있어서, 재료 취급기가 상기 플레이트를 잡을 수 있도록 상기 플레이트를 상기 구조 위로 상승시키는 수단(45)을 더 포함하는 지지 및 취급 구조.
제24항에 있어서, 상기 지지 프레임(150)은 상기 플레이트의 하면에 형성된 샘플 홀더의 구멍에 기상 압력을 공급하는 수단(130)을 구비하는 것인 지지 및 취 급 구조.
제27항에 있어서, 상기 지지 프레임에 있어서 기상 압력을 공급하는 상기 수단 중 적어도 일부는 주변 압력보다 낮은 기상 압력을 공급하는 수단을 포함하여, 상기 샘플 홀더 내에 배치된 유체가 상기 샘플 홀더로부터 상기 기상 압력 공급 수단으로 흐르는 것인 지지 및 취급 구조.
제24항에 있어서, 상기 지지부 세트는 상기 플레이트 위에 광학 인터페이스를 지지하는 수단(60)을 포함하는 것인 지지 및 취급 구조.
제24항에 있어서, 상기 지지 프레임은 제2 인터페이스(382)와 산재되어 있는 제1 인터페이스(315)의 하부 인터페이스 어레이를 포함하며, 상기 제1 및 제2 인터페이스는 상기 샘플 홀더의 상기 어레이의 위치에 대응하는 위치를 갖고,

상기 지지 프레임은, 상기 제1 인터페이스가 제1 위치에서 상기 샘플 홀더의 제1 세트와 만나고 제2 위치에서 상기 샘플 홀더의 제2 세트와 만나며, 상기 제2 인터페이스가 상기 제1 위치에서 상기 샘플 홀더의 제2 세트와 만나고 상기 제2 위치에서 상기 샘플 홀더의 제1 세트와 만나도록 상기 플레이트와 상기 하부 인터페이스 어레이의 상대 위치를 변위시키는 수단을 더 포함하여, 상기 제1 및 제2 인터페이스 모두는 상기 하부 인터페이스를 변위시킴으로써 상기 모든 세트의 샘플 홀더에 적용되는 것인 지지 및 취급 구조.
샘플 홀더의 어레이를 수용하는 플레이트를 조작하기 위한 지지 및 취급 구조(150)로서,

상기 플레이트(50)를 기준 위치에 위치 결정하기 위한 정렬 수단과,

상기 플레이트와 기계적으로 접촉하는 지지부 세트(45)와,

상기 플레이트의 하면에 인접하게 위치 결정된 인터페이스 모듈 세트

를 포함하며,

상기 인터페이스 모듈 세트의 각각은 상기 플레이트의 하면에 있는 구멍에 기상 압력을 인가하는 수단(42, 44)을 수용하는 것인 지지 및 취급 구조.