KR20090017656A - 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법 - Google Patents

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상뜨르 나시오날 드 라 리쉐르쉐 샹띠피끄
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Abstract

본 발명은 상기 액적들이 흐르는 하나 이상의 마이크로채널(12)을 포함하는 마이크로유체 회로에서 액적들을 처리하는 방법에 있어서, 상기 액적들을 분류하거나, 또는 큰 액적을 나노 액적들로 분열시키거나, 또는 액적들(60, 64)을 접촉시켜 융합하고 상기 액적들에 포함된 유체들 사이에 반응을 일으키기 위하여, 이송 액체(F3)에서 상기 액적들의 경계면에 또는 접촉해 있는 액적들의 경계면에 레이져(26)를 집속시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법에 관한 것이다.
마이크로유체 회로, 마이크로채널, 나노 액적, 계면 활성제, 마이크로반응기

Description

마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법{METHOD FOR TREATING DROPS IN A MICROFLUID CIRCUIT}
본 발명은 제1 유체와 상기 제1 유체에 수용된 제2 유체의 액적을 수용하는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법에 관한 것이다.
마이크로유체 회로가 본 출원과 동일한 출원인의 프랑스 특허 공개 공보 FR-A-2 873 171에 공지되어 있고, 상기 마이크로유체 회로는 예를 들어 PDMS(poly-dimethylsiloxane)와 같은 적절한 물질로 형성되고, 일반적으로 약 100 ㎛의 폭과 50 ㎛의 깊이를 가지는 마이크로채널을 포함하며, 이로 인해 공기, 물, 기름, 시약 등과 같은 유체가 상기 마이크로유체 회로에서 극소 유량으로 흐를 수 있다. 마이크로채널에서 제1 유체의 유동을 억제하거나 정지시키기 위하여, 액적에서 상기 제 1 유체의 유동을 분류하기 위하여, 상기 제1 유체의 유동을 제2 유체와 혼합하기 위하여, 그리고 기타 목적으로, 상기 회로의 구성 물질에 흡수되지 않는 파장을 가지는 레이져 광선이 마이크로채널에서의 제1 유체 유동의 경계면 및 상기 마이크로 채널에 적어도 국부적으로 존재하는 제2 유체의 경계면에 집속되고, 유체 경계면에 상기 레이져 광선을 집속시킴으로써 상기 경계면을 따라 온도 구배가 형성되고 유체의 모세관 열 대류 운동(capillary heat convection movement)이 발생한다.
본 발명은 앞서의 프랑스 특허 공개 공보에 개시된 기술의 개선 사항과 특수한 용도에 관한 것이다.
본 발명은 제1 유체와 상기 제1 유체에 포함된 제2 유체의 액적을 수용하는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법으로서, 상기 방법은 상기 제1 유체와 상기 제1 유체에 포함된 제2 유체의 액적의 경계면에 레이져 광선을 집속(focusing)시키는 단계를 포함하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법에 있어서, 상기 액적들이 상이한 유체를 포함하는 경우 상기 액적들을 분류하거나 또는 상기 액적들을 나노 액적으로 분열시키거나 또는 상기 액적들을 융합하기 위하여 상기 액적들의 경계면에 레이져 광선을 집속함으로써 발생하는 상기 유체의 표면 장력의 열 감응성(heat sensitivity)을 사용하고, 상기 액적에 포함된 제2 유체에 또는 상기 액적에 포함된 상이한 유체에 흡수되도록 상기 레이져 광선의 파장을 각각 선택하며, 상기 제1 유체 및 상기 마이크로채널의 구성 물질은 상기 레이져 광선의 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법을 제안한다.
본 발명은, 종래 기술에서는 불가능하였거나 또는 방해가 되는 복잡한 수단들을 사용해야만 가능했던 작동들, 즉:
- 종래에는 액적 인식 장치와 회로에 내장된 전극으로 된 제어장치로 구성된 컴퓨터 루프에 의해서만 가능했던, 상이한 특성을 가지는 액적 분류하기;
- 종래 기술을 사용해서는 불가능했던, 나노 액적을 형성하고 상이한 유체를 포함하는 액적들을 융합하여 상기 상이한 유체들이 하나의 유체를 다른 유체에 반응시킬 때 또는 서로 반응할 때 일련의 마이크로반응기 형성하기;와 같은 작동들을 간단하고 효율적인 방식으로 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 제1 유체에 존재하는 제2 유체의 액적들을 분류하기 위하여 Y형 분기부에서 상류 쪽에 레이져 광선을 집속시키는 단계를 포함하고, 상기 Y형 분기부의 양 마이크로채널 사이의 모서리에는 상류 쪽을 향하는 첨단(tip)이 형성되어 있고, 상기 레이져 광선의 초점은 상기 첨단의 단부와 상기 액적의 편향 방향의 반대 방향 쪽에 있는 마이크로채널의 측벽 사이에 위치된다.
또한, 본 발명은, 상이한 유체들의 표면 장력의 열 감응성에 따라 제1 유체에 존재하는 상이한 유체의 액적들을 분류하기 위하여, 상기 액적들을 편향시키거나 편향시키지 않도록 상기 레이져 광선에 의해 상기 액적들의 경계면에 전달되는 동력을 설정하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 물-공기 경계면에 표면 장력 구배를 생성하기에 충분한 동력을 가지고 있어 물 유동에 포함된 공기 기포를 편향시킬 수 있는 레이져 광선이 사용될 수 있지만, 상기 레이져 광선의 동력은 너무 낮아 액체-액체 경계면에 충분한 표면 장력 구배를 생성할 수는 없다.
또한, 액체-액체 액적 경계면에 위치하도록 레이져 광선을 집속시키기 위하여, 예를 들어 가스 기포를 편향시키지 않고 액체 액적을 편향시키기 위하여, 액체에 적절한 계면 활성제를 첨가하여 액체의 표면 장력을 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 대체 실시 형태에서, 상기 방법은 상기 마이크로채널의 표면에 레이져 광선을 흡수하는 물질로 된 지점을 형성하는 단계와, 분류하고자 하는 액적이 흐를 때 상기 지점에 레이져 광선을 향하게 하는 단계를 포함한다.
상기 실시 형태에서, 상기 분류 과정은 활발해지고 레이져 광선의 적절한 제어장치를 필요로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 하나의 액적을 나노 액적으로 분열시키기 위하여, 상기 방법은 계면 활성제를 포함하는 제1 유체의 유동에서 상기 액적의 하류 경계면에 상기 레이져 광선을 집속시켜 상기 액적을 고정하는 단계와, 상기 유체 유동을 사용하여 상기 액적의 나노 액적을 분리하는 단계를 포함한다.
상기 레이져 광선에 의해 고정된 액적에는 초미세 첨단이 형성되고, 상기 초미세 첨단은 하류 쪽을 향하고 상기 초미세 첨단의 나노 액적은 상기 첨단에 있는 제1 유체의 유동에 충분한 속도 구배가 존재할 때 배출될 수 있다. 이렇게 생성된 나노 액적들은 제1 유체에 의해 이송된 후, 이후의 분석 또는 용도를 위해 또 다른 마이크로채널로 향하게 될 수 있다. 나노 액적과 나머지 액적 간의 상당한 크기 차이는 침전작용(sedimentation)으로 마이크로채널의 외부로, 예를 들어 원심 방향으로 상기 나노 액적들을 분리하는데 사용될 수 있다.
실질적으로, 분열시키고자 하는 액적은 계면 활성제를 포함하는 유체의 유동에 의해 제1 마이크로채널로 이송될 수 있고, 그 후 상기 레이져 광선의 초점은 상기 마이크로채널과 상기 나노 액적들이 편향되는 또 다른 마이크로채널의 분기 부분 바로 옆에 위치된다.
다른 방법으로, 분열시키고자 하는 액적은 제2 유체를 포함하는 마이크로채널과 계면 활성제를 포함하는 유체가 흐르는 하나 이상의 마이크로채널의 접합부분에서 형성되고 고정될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상이한 유체를 포함하는 두 액적을 융합하기 위하여, 상기 방법은 제1 유체에서 상기 액적들을 서로 접촉시키는 단계와, 그 후 상기 두 액적의 경계면에 레이져 광선을 집속시키는 단계를 포함한다. 상기 상이한 유체들은 동일한 용매에 포함된 상이한 용질로 구성된 상이한 용액일 수 있다.
예를 들어, 상기 마이크로채널에서의 제1 액적의 이송은, 상기 제1 유체의 유체와 상이한 유체를 포함하는 제2 유체가 도달할 때까지 상기 제1 액적과 제1 유체의 하류 경계면에 레이져 광선을 집속시킴으로써 차단될 수 있다.
상기 액적들에 포함된 유체들은 혼합될 수 있고, 상기 액적들의 경계면에 레이져 광선을 집속하여 상기 액체들을 혼합할 수 있다.
본 발명의 특히 주된 양상에 따르면, 상기 액적들에 포함된 액체들은 서로 반응하여, 상기 융합된 액적은 마이크로반응기를 형성한다.
일 실시 형태에서는, 상기 액적들이 융합될 때 시약의 양을 변화시키기 위하여 융합하고자 하는 액적의 크기를 변화시킬 수 있다.
게다가, 융합하고자 하는 하나 이상의 액적은 레이져 광선이 상기 액적의 경계면에 집속될 때 서로 혼합되는 두 가지 이상의 상이한 유체를 포함할 수 있다.
상기 액적들의 경계면에 레이져 광선을 집속함으로써 상기 융합된 액적에 포함된 유체가 반응하기 시작할 수 있다.
상기 융합된 액적들의 반응 과정은 마이크로유체 회로에서 액적이 따르는 경로의 적어도 일부분을 현미경을 사용하여 연속적인 방식으로 또는 불연속적인 방식으로 조사함으로써 관찰될 수 있다.
첨부된 도면을 참고하여 예시적인 방법으로 제공된 이하의 설명을 읽을 때, 본 발명은 충분히 이해되어질 것이고 본 발명의 다른 특징, 자세한 내용 및 장점들이 더 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따라서 마이크로유체 회로에서 액적을 분류하는 과정을 개략적으로 도시하고 있고,
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따라서 마이크로유체 회로에서 나노 액적을 생성하는 과정을 개략적으로 도시하고 있고,
도 5는 본 발명에 따라서 마이크로유체 회로에서 액적을 융합하는 과정들을 도시하고 있다.
본 출원과 동일한 출원인의 이전 프랑스 특허 공개 공보 FR-A-2 873 171에 언급된 바와 같이, 본 발명에 사용되는 마이크로유체 회로는 예를 들어 현존하는 플렉시블 석판 인쇄술(flexible lithography)을 사용하여 폴리-디메틸실록산(poly-dimethylsiloxane, PDMS) 유형의 폴리머와 같은 적절한 물질로 된 플레이트(10)로 구성된다.
마이크로채널(12)이 상기 플레이트(10)의 표면에 형성될 수 있고, 상기 플레이트에 현미경의 유리슬라이드가 부착된다. 일반적으로, 상기 마이크로채널(12)은 약 100 ㎛의 폭과 50 ㎛의 깊이를 가진다. 그러나, 이러한 치수들은 나노미터 규모 내지 밀리미터 규모에서 상당히 가변적일 수 있다.
도 1에서, 마이크로유체 회로 중 도시된 부분은 마이크로채널(12)을 포함하고, 상기 마이크로채널(12)을 통하여 물, 기름, 반응성 액체 등과 같은 유체의 유동이 흐르고, 상기 유체의 유동은 제2 유체의 액적 또는 기포(16)와 제3 유체의 액적 또는 기포(18)를 수용하며, 여기서 두 액체의 액적 또는 기포의 구별을 용이하게 하기 위하여 상기 제2 유체의 액적 또는 기포(16)는 빗금으로 그리고 상기 제3 유체의 액적 또는 기포(18)는 점선으로 나타내어 상기 두 유체의 액적 또는 기포는 다른 방식으로 도시되어 있다.
상기 유동(14)에서 두 유체의 액적(16, 18)을 분류하기 위하여, 상기 마이크로채널(12)은 하류 쪽에서 두 개의 마이크로채널(20, 22)로 분할되어 Y형 분기부를 형성하고, 상기 두 마이크로채널 사이의 모서리는 상류 쪽을 향하는 첨단(24)을 가 질 수 있으며, 상기 첨단은 상기 유동(14)의 반대 방향으로 상기 마이크로채널(12)의 중간 근처까지 뻗어 있다. 상기 첨단(24)은 필수적인 구성요소는 아니지만 액적들을 더 용이하게 편향(deviation)시킨다.
상기 분류 과정은 상기 유동(14)을 형성하는 유체와 상기 액적들(16, 18)의 경계면에 적절한 레이져 광선을 집속시킴으로써 실행되는데, 상기 레이져 광선은 예를 들어 연속적인 또는 펄스화된 아르곤이온 발생기에 의해 생성될 수 있고, 상기 아르곤이온 발생기는 예를 들어 514 nm의 파장과 약 1 kHz 이상의 반복 주파수(repetition frequency), 그리고 10 mW 내지 50 mW인 동력을 가진다. 또한, 상기 레이져 광선은 예를 들어 레이져 다이오드 또는 YAG 유형 레이져를 사용할 수 있다.
액적(16, 18)의 경계면에 이러한 광선이 충돌하는 장소에 대응하는 상기 레이져 광선(26)의 지점의 직경은 예를 들어 약 5㎛ 내지 15 ㎛이다.
상기 레이져 광선의 파장은, 상기 마이크로유체 회로, 상기 유동(14)을 형성하는 유체, 그리고 상기 액적 또는 기포(18)를 구성하는 유체에 흡수되지 않도록 선택된다. 그러나, 상기 레이져 광선의 파장은 상기 기포 또는 액적(16)을 형성하는 유체에 흡수된다.
레이져 광선은 마이크로채널들(20, 22)을 분리하는 첨단(24)의 단부에서 상류 쪽에 위치된 지점으로 집속되고, 상기 지점은 상기 마이크로채널(12)의 측면 중에서 첨단이 사기 기포 또는 액적(16)을 편향시키고자 하는 마이크로채널(20)의 반대 방향 쪽에 위치된다.
상기 지점에서 레이져 광선(26)을 액적 또는 기포(16)와 유동(14)을 형성하는 유체의 경계면에 집속시킴으로써 이러한 경계면을 따라 온도 구배를 형성하고, 이는 상기 기포 또는 액적(16)을 형성하는 유체의 모세관 열 대류 운동을 발생시키며 상기 기포 또는 액적(16)을 마이크로채널(20)로 편향시키고, 이러한 편향은 상기 첨단(24)에 의해 용이해진다.
나머지 유체의 기포 또는 액적(18)은 상기 레이져 광선을 통과시키므로 편향되지 않는다. 결국, 상기 기포 또는 액적(18)은 유동(14)에 의해 마이크로채널(22)로 이송된다.
예를 들어, 약 514 nm의 파장을 가지는 레이져 광선을 사용함으로써, 이러한 파장을 흡수하는 플루오레세인(fluorescein)을 포함하는 액적과, 이러한 파장을 통과시키는 순수(純水, pure water) 액적을 분류한다. 이러한 액적들의 경로에 집속된 레이져 광선은 플루오레세인을 포함하는 액적들을 편향시키고, 액적들이 대체적으로 따라가는 경로와 다른 마이크로채널로 상기 플루오레세인을 포함하는 액적들을 보낸다.
약 1480 nm인 파장을 가지는 레이져를 사용함으로써, 물 액적을 편향시킬 수 있고 기름 액적을 원래 유동 방향 그대로 흐르게 할 수 있다.
또한, 예를 들어 레이져의 파장이 질소에 의해 흡수되는 레이져 광선을 사용함으로써, 유동으로부터 공기 기포를 제거하도록 공기 기포를 분류할 수 있다.
다른 방법으로, 마이크로채널(12)로 흐르는 유체가 레이져 광선의 파장을 흡수하지 않는다 할지라도, 마이크로채널(12)로 흐르는 유체를 국부적으로 가열하기 위하여 레이져 광선의 파장을 흡수하는 물질로 된 지점이 상기 마이크로채널(12)의 표면에 형성될 수 있다. 이때, 기포 또는 액적이 흡수성 물질 지점에 도달할 때 상기 레이져 광선을 상기 흡수성 물질 지점으로 향하게 함으로써 다수의 액적 또는 기포를 편향시킬 수 있다. 따라서, 또한 의도된 시간에 상기 레이져 발생기를 ON 및 OFF로 스위치작동할 수 있다.
유체의 표면 장력의 열 감응성에 따라 유체를 분류하기 위하여, 사용된 레이져 광선의 동력은 두 유체 사이의 경계면에 표면 장력 구배를 생성하도록 설정되고, 이러한 동력은 상기 두 유체 중 하나를 포함하는 하나의 기포 또는 하나의 액적을 편향시키기에 충분하며, 이러한 동력은 너무 낮아서 다른 두 유체 사이의 경계면의 편향을 발생시킬 수는 없다. 예를 들어, 이때 레이져 광선을 사용함으로써 액체 유동에 포함된 공기 기포를 편향시킬 수 있고, 상기 레이져 광선의 동력은 액체-공기 경계면에 의도된 수준의 표면 장력 구배를 생성하기에 충분하며, 상기 레이져 광선은 액체-액체 경계면에는 편향 효과를 가지지 못한다.
또한, 계면 활성제를 액체에 첨가할 수도 있는데, 상기 계면 활성제는 가스 기포를 편향시키지 않고 액체 액적을 편향시키도록 액체-액체 경계면에 레이져 광선과 함께 작용한다.
도 2는, 상기 마이크로채널(12)의 각 측면에서 직각으로 마이크로채널(12)에 배열된 두 개의 마이크로채널(30)의 또 다른 F2 유체의 유동을 사용하여, 상기 마이크로유체 회로(10)의 마이크로채널(12)의 F1 유체의 유동에서 나노 액적을 생성하는 방식을 도시하고 있다. 상기 F2 유체는 계면 활성제를 포함하고 상기 F1 유체 와 혼합될 수 없다.
상기 마이크로채널(12)에서 두 마이크로채널(12, 30)의 교차점으로부터 하류 쪽으로의 상기 F1 유체의 유동을 차단하기 위하여, 레이져 광선의 파장이 상기 마이크로유체 회로와 상기 F2 유체에서는 흡수되지 않고 상기 F1 유체에서는 흡수되는 레이져 광선(26)을 상기 마이크로채널(30)과의 교차점에서부터 하류 쪽에 인접하게 위치된 상기 마이크로채널(12)의 중앙 지점으로 집속시킨다.
상기 F1 유체는 마이크로채널(12, 30)의 교차점 근처에서 액적(32)을 생성하고, 상기 액적은 상기 액적과 상기 F2 유체 사이의 하류 경계면에 집속된 레이져 광선(26)에 의해 상기 하류 경계면에 계속 유지된다. 상기 F2 유체의 유동은 상기 액적에 초미세 첨단(34)을 생성하고, 상기 F2 유체의 영향을 받아 이송됨으로써 상기 초미세 첨단의 미소 액적(36)이 분리되며, 상기 미소 액적(36)은 일반적으로 상기 초미세 첨단(34)의 크기와 동일한 크기, 즉 상기 액적(32)의 크기보다 상당히 작은 치수를 가진다. 일반적으로, 상기 미소 액적(36)은 상기 액적(32)의 크기보다 100배 더 작은 크기를 가지고, 소위 나노 액적이라 불린다.
실시예의 한 예에서, 상기 F1 유체는 물이고, 상기 F2 유체는 제품명 SPAN 80에 속하는 것으로 알려진 계면 활성제와 같은 소량의(2 중량%의) 계면 활성제를 포함하는 기름이고, 상기 액적(32)을 차단하기 위해 사용되는 레이져 광선(26)은 약 20 내지 50 mW인 동력을 가지며, 상기 마이크로채널(12)에서의 물 유량은 약 0.2 ㎕/분이고 상기 마이크로채널(20)에서의 기름 및 계면 활성제의 유량은 약 0.9 ㎕/분이다. 상기 생성된 나노 액적(36)은 약 1000 nm의 크기를 가진다.
도 3의 대체적인 실시예에서, F1 유체와 F2 유체는 배열된 두 개의 마이크로채널(12, 30)에서 서로에 대해 마주하는 방향으로 흐르며, 상기 두 마이크로채널(12, 30)은 두 마이크로채널의 접합부분에서 직각인 제3 마이크로채널(40)에 연결된다. 상기 레이져 광선(26)은 상기 마이크로채널(12)의 출구 단부에서 생성된 F1 유체의 액적(42)의 경계면에 집속되어, 상기 F1 유체는 상기 레이져 광선에 의해 출구 단부에 유지된다.
상기한 바와 같이, 상기 액적(42)의 경계면에는, 마이크로채널(40)에서 하류 쪽으로 향하는 초미세 첨단(44)과, 계면 활성제를 포함하는 F2 유체 유동에 의해 분리된 나노 액적(46)이 생성된다.
도 4의 대체적인 실시에에서, 상기 F1 유체의 액적(48)이 마이크로채널(12)에서 흐르는 상기 F2 유체의 유동에 수용되고, 상기 마이크로채널(12)은 하류 쪽으로 그 자체가 마이크로채널(12)에 직각이고 서로 반대 방향인 두 개의 마이크로채널(50)로 분리된다. 하나의 마이크로채널(50) 쪽을 향하도록 위치된 측면에서 상기 F2 유체와의 경계면 지점에 레이져 광선(26)을 집속함으로써, 상기 F1 유체의 액적(48)은 상기 마이크로채널(50) 중 나머지 마이크로채널로 편향된다. 상기 하나의 마이크로채널(50)에서 하류 쪽으로 향하는 초미세 첨단(52)과, 상기 F2 유체의 유동에 의해 분리된 나노 액적(54)은 상기 레이져 광선(26)의 충돌 지점에서 생성된다.
이때, 계면 활성제로 코팅된 나노 액적이 생성될 수 있고, 상기 F2 유체의 액적에서 획득된 시료인 경우 분석용으로 사용될 수 있는 나노 액적 또는 예를 들 어 화학 반응과 같은 또 다른 용도로 사용될 수 있는 나노 액적이 생성될 수 있다.
추가적으로, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 두 액적의 경계면에 적절한 파장을 가지는 레이져 광선을 집속시킴으로써, 상기 두 액적을 융합시킬 수 있다.
일반적으로, 종래 기술에서는, 제3 유체에 의해 이송되며 상이한 액체를 포함하는 액적들을 융합시키는 것은 어렵거나 심지어 불가능하였는데, 이는 세 유체의 스트림이 동적 방식으로 상호작용할 뿐만 아니라, 상기 제3 유체는 상기 제1 유체 및 제2 유체를 포함하는 액적들 사이에 분리막을 추가로 생성하기 때문이었다.
본 발명에 따르면, 두 액적 사이의 경계면에 레이져 광선을 집속시킴으로써, 상기 제3 유체 박막은 상기 두 액적을 분리시키고, 이후 상기 두 액적을 융합되도록 하는 유동을 생성할 수 있다.
도 5의 예시적인 실시예에서, 제1 유체인 F1 유체는 마이크로채널(12)에서의 F3 유체의 유동에 의해 이송되는 액적에 포함되고, 마이크로채널(62)은 상기 마이크로채널(12)에 연결되어 있고, 또한 마이크로채널(62)에는 또 다른 F2 유체의 액적을 포함하는 F3 유체의 유동이 흐르고(다른 방법으로, 상기 F2 유체의 유동이 상기 마이크로채널(62)을 통하여 흐를 수 있음), 상기 F1 유체와 F2 유체는 서로 혼합될 수 있다.
도 5a에서, 상기 마이크로채널(62)에서 빠져나온 F2 유체의 액적의 경계면에 레이져 광선(26)을 집속시킴으로써, 즉 제1 마이크로채널(12)에서 상기 마이크로채널(62)의 출구 단부의 약간 하류 쪽에 레이져 광선(26)을 집속시킴으로써, 상기 F1 유체의 액적(60)이 도달할 때까지 상기 액적(64)을 차단시킬 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이 상기 액적(60)이 상기 마이크로채널(12)에 위치된 F2 유체의 액적(64)의 일부에 부딪힐 때, 도 5c에 도시된 바와 같이 상기 두 액적(60, 64)의 접촉 경계면이 상기 레이져 광선(26)을 통과할 때까지 상기 두 액적(60, 64)은 상기 마이크로채널(12)에서 함께 전진하기 시작한다.
이때, 상기 레이져 광선을 사용하여 상기 경계면을 가열함으로써 인도된 유동은 도 5d에 도시된 바와 같이 상기 두 액적을 단일 액적(66)으로 융합시키고, 상기 단일 액적 내에서 상기 F1 및 F2 유체를 혼합시킨다.
그 후, 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 단일 액적(66)은 상기 마이크로채널(12)에 있는 F3 유체의 유동에 의해 이송된다.
혼합된 F1 및 F2 유체가 서로 반응할 때, 상기 단일 액적(66)은 마이크로반응기를 생성한다.
상기 마이크로채널(12)에서 상기 액적의 경로를 따라 현미경으로 상기 액적(66)을 조사함으로써 상기 반응을 관찰할 수 있다. 결국, 상기 액적(66)이 현미경의 시야 범위에 머무르도록 또는 상기 시야 범위에서 규칙적인 간격으로 다시 통과하도록 상기 경로를 결정할 수 있다.
본 발명은 F1 및 F2 유체를 포함하는 액적(60, 64)의 크기를 원하는 만큼 변화시킬 수 있고, 이때 상기 단일 액적(66)에서 서로 반응하는 상기 유체의 양을 원하는 만큼 변화시킬 수 있다는 점을 알아야 한다. 이는 다양한 농도의 반응성 물질로 반응을 매우 빠르고 연속적으로 실행할 수 있게 한다.
또한, 상기 액적(66) 내에 레이져 광선(26)을 작용시킴으로써, 상기 F1 및 F2 유체 간의 반응이 열적으로 시작될 수 있게 한다. 또한 상기 작용은 상기 단일 액적(66) 내에서 상기 유체들을 혼합시킨다.
또한, 본 발명은 상기 액적(60, 64)들 중 하나는 하나의 유체를 포함할 수 있을 뿐만 아니라 상이한 두가지 유체도 포함할 수 있고, 상기 두 유체를 포함하는 액적에 위치되도록 레이져 광선(26)을 집속시킴으로써 상기 상이한 두 유체를 혼합할 수 있도록 제공할 수 있다.
마이크로반응기를 생성하는 액적(66)은 일반적으로 약 1 nℓ(nanoliter) 또는 심지어 약 1 pℓ(picoliter)의 체적을 가진다.
일반적으로, 유체 액적 또는 기포의 경계면에 작용하는 레이져 광선은, 액적을 차단하고, 액적을 편향시키고, 나노 액적을 생성하고, 액적을 또 다른 액적과 융합시키고, 액적에 포함된 유체 또는 유체들을 혼합시키고, 액적에서 화학 반응을 일으키는 것과 같은 매우 다양한 기능을 제공하는 스마트 액츄에이터(smart actuator)로서 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (16)

  1. 제1 유체와 적어도 상기 제1 유체에 포함된 제2 유체의 액적을 수용하는 하나 이상의 마이크로채널을 포함하는 마이크로유체 회로에서, 상기 제1 유체 및 적어도 상기 제1 유체에 포함된 제2 유체의 액적의 경계면에 레이져 광선을 집속하여 액적을 처리하는 방법에 있어서,
    상기 액적이 상이한 유체를 포함하는 경우 상기 액적을 분류하거나, 또는 상기 액적을 나노 액적으로 분열시키거나, 또는 상기 액적을 융합하기 위하여, 상기 방법은 상기 경계면에 레이져 광선을 집속시킴으로써 발생하는 상기 유체의 표면 장력의 열 감응성을 이용하는 단계를 포함하고; 상기 액적에 포함된 제2 유체에 흡수되거나 또는 상기 액적에 포함된 상이한 유체에 흡수되도록 상기 레이져 광선의 파장을 각각 선택하며; 상기 제1 유체 및 상기 마이크로채널의 구성 물질은 상기 레이져 광선의 파장을 통과시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유체에 존재하는 제2 유체의 액적을 분류하기 위하여, 상기 방법은 Y형 분기부에서 상류 쪽에 상기 레이져 광선을 집속시키는 단계를 더 포함하고, 상기 Y형 분기부의 두 마이크로채널 사이의 모서리에는 상류 쪽을 향하는 첨단을 형성하며, 상기 첨단의 단부와 상기 액적의 편향 방향의 반대 방향 쪽에 있는 상기 마이크로채널의 측벽 사이에 상기 레이져 광선의 초점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 액적의 경계면에 상기 레이져 광선으로 전달되는 동력을 설정하여, 상기 제1 유체에 존재하는 상이한 유체의 액적을 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체에 적절한 계면 활성제를 첨가하여, 상기 유체의 표면 장력을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로채널의 표면에 상기 레이져 광선을 흡수하는 물질로 된 지점을 형성하는 단계와, 분류하고자 하는 액적이 흐를 때 상기 레이져 광선을 상기 지점으로 향하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    하나의 액적을 나노 액적으로 분열시키기 위하여, 계면 활성제를 포함하는 다른 유체의 유동에서 상기 액적의 하류 경계면에 상기 레이져 광선을 집속하여 상기 액적을 고정하는 단계와, 상기 다른 유체 유동을 사용하여 상기 액적에서 나노 액적을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    분열시키고자 하는 액적은 계면 활성제를 포함하는 유체의 유동에 의해 마이크로채널로 이송되고, 상기 마이크로채널과 상기 나노 액적이 편향되는 또 다른 마이크로채널의 접합부분 바로 옆에 상기 레이져 광선의 초점을 위치시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 분열시키고자 하는 액적을 생성하는 유체를 수용하는 마이크로채널과 계면 활성제를 포함하는 유체가 흐르는 하나 이상의 마이크로채널의 접합부분에 상기 분열시키고자 하는 액적을 형성하고 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상이한 유체를 포함하는 두 액적을 융합하기 위하여, 한 액적을 또 다른 유 체의 유동에 있는 다른 액적과 서로 접촉시키는 단계와, 그 후 상기 액적들의 경계면에 레이져 광선을 집속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 액적의 유체와 상이한 유체를 포함하는 또 다른 액적이 도달할 때까지 상기 제1 액적과 이송 유체의 하류 경계면에 레이져 광선을 집속하여 상기 마이크로채널에서 상기 제1 액적의 이송을 차단하는 단계와, 그 후 상기 두 액적의 경계면에 레이져 광선을 집속하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 액적에 포함된 유체들은 혼합될 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액적에 포함된 유체들은 서로 반응하여, 상기 융합된 액적이 마이크로반응기를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 액적들이 융합될 때 혼합되는 시약의 양을 변화시키기 위하여, 융합하고자 하는 액적들의 크기를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    융합하고자 하는 액적 중 하나 이상은 두 가지 이상의 상이한 유체를 포함하고, 상기 두 가지 이상의 상이한 유체는 상기 레이져 광선이 상기 액적에 집속될 때 서로 혼합되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액적에 상기 레이져 광선을 집속함으로써 두 개의 융합된 액적에 포함된 유체가 반응하기 시작하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마이크로유체 회로에서 상기 액적들이 따르는 경로의 적어도 일부분에서 현미경을 사용하여 상기 액적들을 연속적인 방식으로 또는 불연속적인 방식으로 조사함으로써, 상기 융합된 액적에서 상기 유체들의 반응을 관찰하는 단계를 포함 하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로에서 액적을 처리하는 방법.
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