KR20100127301A - 3차원 마이크로유체 장치 - Google Patents

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엠마누엘 카르릴로
안드레스 더블유 마르티네즈
캐서린 에이 미리카
스캇 티 필립스
아담스 씨 시겔
벤자민 윌리
조지 엠 화이트사이즈
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프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하바드 칼리지
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Abstract

복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어와, 매 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되는 유체 불침투 레이어를 포함하는 3차원 마이크로유체 장치가 기술된다. 각각의 패턴화된 다공성 친수성 레이어는 실질적으로 다공성 친수성 레이어의 두께를 관통하여 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 갖는다. 유체 불침투 레이어는 적어도 하나의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역의 적어도 일부분과 정렬되는 개구부를 갖는다. 마이크로유체 분석 장치, 마이크로유체 혼합기, 마이크로유체 유동 제어 장치가 또한 기술된다.

Description

3차원 마이크로유체 장치{THREE-DIMENSIONAL MICROFLUIDIC DEVICES}
관련 출원
본 출원은 2008년 3월 27일 출원된 미국 특허 가출원 제61/072,049호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 전체는 인용에 의해 본 출원에 포함된다. 본 출원은 국제 특허 출원 제PCT/US07/081848호에 관련된 것이며, 그 전체는 인용에 의해 본 출원에 포함된다.
기술분야
개시되는 보호 대상은 일반적으로 3차원 마이크로유체 장치에 관한 것이다.
최근에, 마이크로유체 시스템이 그 다양하고 광범위한 잠재적 용례로 인해 점점 더 관심을 끌고 있다. 예를 들면, 매우 적은 부피의 시료를 사용하여, 마이크로유체 시스템은 복잡한 생물화학적 반응을 수행하여 중요한 화학적 정보 및 생물학적 정보를 획득할 수 있다. 다른 이점들 중에서도 특히, 마이크로유체 시스템은 시료 및 시약의 요구량을 줄이고, 반응의 응답시간을 짧게 하고, 그리고 처분을 위한 생물학적 위험 폐기물의 양을 감소시킨다.
1990년대 초기에 처음 개발되었던 마이크로유체 장치는 마이크로전자 산업에서 채택된 포토리소그래피 기술 및 에칭 기술을 사용하여 규소(silicon) 및 유리로 최초로 제조되었다. 현재의 마이크로유체 장치는 플라스틱, 실리콘(silicone), 또는 기타 폴리머 재료, 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS; polydimethylsiloxane)으로 구성된다. 그러한 장치는 일반적으로 고가이고, 유연성이 없으며, 구성하기 어렵다.
측방향 유동 유체 장치는 2차원(2D; two dimensional)이고 유체가 단일 평면에서 직렬로 또는 병렬로 수송될 필요가 있는 용례를 위해 사용된다. 그러나, 2D 장치의 인접한 채널 내 유체는 교차하지 않고서는 서로를 가로지를 수 없다. 이러한 위상학적 제약은 궁극적으로는 2D 유체 장치의 구성 및 용례를 제한한다. 따라서, 저가이고, 유연하며, 구성하기 쉬운 3차원 마이크로유체 장치에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 일 양태에서, 3차원 마이크로유체 장치가 기술된다. 3차원 마이크로유체 장치는 적어도 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하는 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 패턴화된 다공성 친수성 레이어는, 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 각각의 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함한다. 3차원 마이크로유체 장치는 또한 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에서 그리고 매 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어마다 배치되는 유체 불침투 레이어를 포함한다. 유체 불침투 레이어는 하나 이상의 개구부를 포함한다. 3차원 마이크로유체 장치는 또한 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 사이에 배치된 유체 불침투 레이어의 개구부에 배치되는 다공성 친수성 매질을 포함한다. 친수성 매질은 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각의 친수성 영역 중 적어도 하나와 접촉한다.
일 실시형태에서, 다공성 친수성 매질은 종이를 포함한다. 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 매질은 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 매질은 종이를 포함하고, 이 종이에는 화학적 또는 생물학적 시약, 지시약, 결합제, 유체 유동 지연제, 유체 유동 촉진제, 또는 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 성분이 주입된다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함하고, 이 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하고, 이 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하고, 이 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하며, 이 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 친수성 영역은 제 1 유체를 침전시키기 위한 침전지를 포함하는 제 1 친수성 영역; 침전지로부터 제 1 유체를 수용하고 제 1 유체를 배포하기 위한 배포 영역을 포함하는 제 2 친수성 영역; 및 배포 영역으로부터 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 각 친수성 영역의 어레이는 제 1 유체를 분석하기 위한 분석 시약을 더 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 분석 시약은 단백질 분석 시약, 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합이다.
다른 양태에서, 3차원 마이크로유체 장치가 기술된다. 3차원 마이크로유체 장치는 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 각각의 패턴화된 다공성 친수성 레이어는, 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 각각의 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함한다. 3차원 마이크로유체 장치는 또한 매 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 사이에 배치된 유체 불침투 레이어를 포함하고, 이 유체 불침투 레이어는 하나 이상의 개구부를 포함한다. 3차원 마이크로유체 장치는 또한, 국부 온도 제어를 제공하거나, 유체 시료를 분석하거나, 마이크로유체 시료를 여과하거나, 또는 마이크로유체 유동을 조정하기 위해 개구부의 하나 이상을 채우는 재료 플러그를 포함한다. 재료 플러그는 각각의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역 중 하나의 영역의 적어도 일부분과 직접 접촉한다.
일 실시형태에서, 재료 플러그는 유체 시료를 분석하기 위한 분석 시약을 포함한다. 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 유체 시료를 분석하기 위한 분석 시약을 포함하고, 이 분석 시약은 단백질 분석 시약, 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 시드(seed)를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 시드는 콩 시드, 껍질, 및 콩고물, 또는 분석 시약으로써 사용되는 페록시다아제(peroxidase)를 제공하는 임의의 기타 시드를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 고형물 또는 혈구를 여과하기 위한 필터를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 필터는 여과지, 고형 오염물을 제거하기 위한 기타 임의의 여과 매질, 덱스트란(dextran), 또는 혈액 시료로부터 적혈구를 제거할 수 있는 임의의 기타 재료를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 국부 온도 제어를 제공하기 위해 유체와 접촉할 때 열을 흡수하거나 열을 내는 염(salt)을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 염은 질산 암모늄 또는 황산 마그네슘을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 마이크로유체 전도(microfluidic communication)를 허용하기 위해 유체와 접촉할 때 팽창하는 겔(gel)을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 마이크로유체 전도를 허용하기 위해 유체와 접촉할 때 팽창하는 겔(gel)을 포함하고, 겔은 아가로스(agarose), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 또는 하이라로난(hylaronan)을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 마이크로유체 전도를 허용하기 위해 자기장의 영향하에서 이동할 수 있는 자기 재료를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 산화철을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 재료 플러그는 유체 혼합 가능한 재료 또는 유체 혼합 가능한 재료와 유체 혼합 불가능한 재료의 혼합물을 포함하고, 유체 혼합 가능한 재료는 유체와 접촉할 때 용해되어 마이크로유체 전도를 허용하고, 일단 유체 혼합 가능한 재료가 용해되어 흘러가면 더 이상의 마이크로유체 전도는 허용되지 않는다. 또 다른 실시형태에서, 유체 혼합 가능한 재료는 당류를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 당류는 자당(sucrose)을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 혼합 불가능한 재료는 소수성 폴리머를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 소수성 폴리머는 폴리스티렌을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함한다.
또 다른 양태에서, 3차원 마이크로유체 혼합기가 기술된다. 3차원 마이크로유체 혼합기는, 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역 중 하나는 제 1 유체 유동 채널, 제 2 유체 유동 채널, 및 결합 구역을 포함한다. 제 1 및 제 2 유체 유동 채널은 결합 구역 안으로 합류한다. 3차원 마이크로유체 혼합기는 또한, 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역 중 하나는 혼합 채널을 포함한다. 3차원 마이크로유체 혼합기는 또한, 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되며, 결합 구역과 정렬되고 혼합 채널의 적어도 일부분과 정렬되는 채워지지 않은 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어를 포함한다. 결합 구역은 제 1 공간 분리 위치로부터 제 2 접촉 위치로 이동 가능하다. 공간 분리 위치에서, 결합 구역은 혼합 채널과 유체 접촉하지 않는다. 접촉 위치에서, 결합 구역은 혼합 채널과 유체 접촉한다.
일 실시형태에서, 제 1 및 제 2 유체 유동 채널은 결합 구역으로 합류하고, 제 1 및 제 2 유체 유동 채널 사이의 경계를 정의한다. 다른 실시형태에서, 혼합 채널은 경계에 대해 수직이다. 또 다른 실시형태에서, 혼합 채널의 길이는 1 mm를 초과한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함한다.
또 다른 양태에서, 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치는, 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 복수의 다공성 친수성 레이어는, 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하고, 그리고 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역의 하나는 제 1 유동 채널을 포함한다. 복수의 다공성 친수성 레이어는, 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하고 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하고, 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역의 하나는 제 2 유동 채널을 포함한다. 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치는 또한 매 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 사이에 배치된 유체 불침투 레이어를 포함하고, 이 유체 불침투 레이어는 하나 이상의 개구부를 포함한다. 유체 불침투 레이어는 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되고 제 1 및 제 2 유동 채널과 적어도 부분적으로 정렬되는 채워지지 않은 개구부를 포함하는 제 1 유체 불침투 레이어를 포함한다. 제 1 유동 채널의 적어도 일부분은 제 1 공간 분리 위치로부터 제 2 접촉 위치로 이동 가능하다. 공간 분리 위치에서, 제 1 유동 채널은 제 2 유동 채널과 유체 접촉하지 않는다. 접촉 위치에서, 제 1 유동 채널은 제 2 유동 채널과 유체 접촉한다.
일 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함한다. 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치는 유체 불침투 레이어 중 하나의 개구부 중 하나에 배치되는 소수성 플러그를 더 포함하고, 이 소수성 플러그는 미리 선택된 온도에서 용융되어 유동할 수 있는 저융점 소수성 재료를 포함한다. 패턴화된 다공성 친수성 레이어 중 하나는 소수성 플러그를 함유하는 유체 불침투 레이어 아래에 위치하고 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 친수성 영역 중 하나를 포함한다. 소수성 재료는 미리 선택된 온도에서 용융되어 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 친수성 영역으로 유동하여 친수성 영역을 실질적으로 차단하고 친수성 영역 내의 마이크로유체 유동을 금지한다. 다른 실시형태에서, 소수성 플러그는 저융점 소수성 재료가 투과하는 다공성 친수성 매질을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 매질은 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 저융점 소수성 재료는 저융점 왁스를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 왁스는 양초 왁스, 치즈 왁스, 패키징 왁스, 파라핀 왁스, 베이베리(bayberry) 왁스, 또는 기타 왁스를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 왁스는 베이베리 왁스이다. 또 다른 실시형태에서, 저융점 소수성 재료는 200℃ 미만, 100℃ 미만, 50℃ 미만, 또는 45℃ 내지 50℃의 용융점을 갖는다.
또 다른 양태에서, 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 3차원 마이크로 유동 제어 장치는 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어와 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하고, 이들 각각은 제 1 또는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 투과하고 제 1 또는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 정의하는 유체 불침투 장벽을 포함한다. 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치는 또한, 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되어 하나 이상의 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어 및 유체 불침투 레이어에 배치되는 소수성 플러그를 포함한다. 소수성 플러그는 미리 선택된 온도에서 용융 및 유동 가능한 저융점 소수성 재료를 포함한다. 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어는 소수성 플러그를 함유하는 유체 불침투 레이어 아래에 위치하고 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 친수성 영역 중 하나를 포함한다. 소수성 재료는 미리 선택된 온도에서 용융되어 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 친수성 영역으로 유동하여 친수성 영역을 실질적으로 차단하고 친수성 영역 내의 마이크로유체 유동을 금지한다.
일 실시형태에서, 소수성 플러그는 저융점 소수성 재료가 투과하는 다공성 친수성 매질을 포함한다. 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 매질은 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 저융점 소수성 재료는 저융점 왁스를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 왁스는 양초 왁스, 치즈 왁스, 패키징 왁스, 파라핀 왁스, 베이베리 왁스, 또는 기타 왁스를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 왁스는 베이베리 왁스를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 저융점 소수성 재료는 200℃ 미만, 100℃ 미만, 50℃ 미만, 또는 45℃ 내지 50℃의 용융점을 갖는다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 장벽은 중합물 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어, 구멍 및 개구부는 상호교환 가능하게 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 용어, 2D 및 2차원은 상호교환 가능하게 사용된다. 본 명세서에서 사용되는 용어, 3D 및 3차원은 상호교환 가능하게 사용된다.
본 발명에 따르면, 저가이고, 유연하며, 구성하기 쉬운 3차원 마이크로유체 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한, 비제한적인 실시형태가 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명될 것이다.
도 1은 패턴화된 종이 레이어 및 양면 테이프의 레이어를 번갈아 적층함으로써 제조되는 3차원 마이크로유체 장치의 개략도이다.
도 2는 패턴화된 종이 레이어 및 종이 조각으로 채워진 홀을 구비한 양면 테이프 레이어를 번갈아 적층함으로써 제조되는 3차원 마이크로유체 장치의 개략도이다.
도 3은 2개의 수성 유체가 접촉이나 혼합 없이 가로지르는 것을 허용하는 3차원 마이크로유체 장치의 분해도이다.
도 4는 시료를 어레이 안으로 배포하는 4개의 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 5는 다중 분석을 실시하기 위한 16개 웰의 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 6은 다중 분석을 실시하기 위한 다른 16개 웰의 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 7은 포도당을 검출하기 위해 테이프 레이어의 개구부 내 종이 디스크에 첨가된 시약을 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 8은 종이 채널 내 층류 구성의 2개 유체를 도시한다.
도 9는 패턴화된 종이 및 양면 테이프로 제작된 3차원 마이크로유체 혼합기의 개략도이다.
도 10은 청색 염료와 황색 염료를 혼합하기 위한 3차원 마이크로유체 혼합기를 도시한다.
도 11은 유체의 경계에 관하여 상이한 방위의 혼합 채널을 구비한 2개의 3차원 마이크로유체 혼합기를 도시한다.
도 12는 4개의 유체를 2 개씩, 모두 가능하게는 6개의 조합으로 혼합하기 위한 3차원 마이크로유체 혼합기를 도시한다.
도 13은 1회 용도의 온 및 오프 버튼을 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 14는 AND 및 OR 논리 게이트를 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 15는 NOT 논리 게이트를 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 16은 NAND 및 NOR 논리 게이트를 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 17은 XOR 및 XNOR 논리 게이트를 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 도시한다.
도 18은 3차원 마이크로유체 역다중화기를 도시한다.
예시적인 다층 마이크로유체 장치는 도 1을 참조하여 본원에 기술되고, 수직 방향 및 측방향 유동의 원리를 설명한다. 도 1은 3차원 마이크로유체 장치(100)의 사시도를 개략적으로 도시하고, 이는 2개의 패턴화된 종이 레이어(110 및 130), 및 예컨대, 구멍(122, 124, 126 및 128)을 구비한 양면 테이프인 하나의 분리된 장벽 재료 레이어(120)를 포함한다. 3개의 레이어(110, 120, 130)는 서로에 대해 정렬되고 결합된다. 패턴화된 종이 레이어(110)는 교차하지 않는 채널(112 및 114)을 포함한다. 분리 레이어(120)는 상부 패턴화된 종이(110)의 채널(114)로부터 하부 패턴화된 종이(130)의 채널(132)로 유체를 안내하고 이후 패턴화된 종이(110)의 채널(114')로 백업하도록 위치하는 일군의 구멍(122 및 124)을 포함한다. 분리 레이어(120)는 또한, 채널(112)로부터 하부 패턴화된 종이(130)의 채널(134)로 유체를 안내하고 이후 패턴화된 종이(110)의 채널(112')로 백업하도록 위치하는 일군의 구멍(126 및 128)을 각각 포함한다. 이 장치는 염료가 그를 통해 유동하는 분리된 채널이 2개의 유체 사이에서 발생하는 임의의 혼합 없이 서로를 가로지르도록 허용하는 다층 마이크로유체 채널의 일 실시예이다.
마이크로유체 장치는 수직 마이크로유체 유동을 안내하기 위해 분리 레이어 내 구멍에 의존한다. 본 출원인은 인접한 친수성 레이어 사이의 갭을 브리징하는 다공성 친수성 재료를 이용하여 분리 레이어 내 개구부를 채움으로써 수직 유동(또는 통과 유동)이 현저하게 개선될 수 있다는 점을 발견하였다. 그 결과, 개구부와 부분적으로 중첩되는 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내의 2개의 마이크로유체 영역은 개구부에서 친수성 재료와 직접 접촉하게 되고, 따라서 모세관 현상에 의해 최적화된 마이크로유체 유동을 허용하게 될 것이다. 하나 이상의 실시형태에서, 다공성 친수성 재료는 실질적으로 구멍에 의해 생성되는 분리된 레이어 내의 공극을 채운다. 하나 이상의 실시형태에서, 다공성 친수성 재료는 실질적으로 개구부의 형상과 부합한다. 개구부를 채우는 다공성 친수성 재료는 예를 들어, 분리 레이어의 두께와 유사한 두께를 갖는 다공성 종이 패드 또는 도트가 될 수 있다. 종이는 분리 레이어에서 구멍에 의해 생성된 공극 공간의 치수와 부합하는 형상으로 절단될 수 있다.
일 양태에서, 3차원(3D) 마이크로유체 장치가 기술된다. 일 실시형태에서, 유체 불침투 분리 레이어 및 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 레이어들로 제작된 3차원 마이크로유체 장치가 도 2를 참고하여 기술된다. 마이크로유체 장치는 소수성 장벽에 의해 분리되는 친수성 영역 또는 채널로 패턴화된 종이 레이어와, 그리고 예컨대 종이 플러그인 다공성 친수성 재료로 채워진 구멍 또는 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어를 포함하고, 유체가 하나의 종이 레이어의 친수성 영역에서 다른 영역으로 수직으로 효율적으로 이동하는 것을 허용한다. 종이 레이어 내의 친수성 영역 또는 채널은 수평 평면에서 유체를 연결하고, 종이로 패턴화된 소수성 폴리머는 유체가 채널 내에서 이동하는 곳을 지시하고, 따라서 패턴화된 종이 내에서 마이크로유체 측방 유동의 방향을 정의한다. 유체 불침투 레이어는 2개의 인접한 종이 레이어 사이에 배치되고 2개의 인접한 종이 레이어의 채널을 서로에 대해 분리한다. 유체 불침투 분리 레이어의 구멍은 구멍의 형상과 실질적으로 부합하도록 절단된 종이 조각으로 채워진다. 구멍 및 그 내부의 종이 조각은 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각의 친수성 영역의 적어도 일부분과 정렬된다. 개구부 내의 종이 플러그는 따라서 2개의 인접한 다공성 종이 레이어 각각의 친수성 영역의 적어도 일부분과 접촉하여 모세관 작용을 향상시키고, 유체가 하나의 종이 레이어의 채널로부터 인접한 종이 레이어의 채널로, 개구부 내의 종이 조각을 통해 (인접한 패턴화된 친수성 종이 레이어 사이의) 수직 평면에서 효율적으로 이동하는 것을 허용한다. 종이 레이어 및 테이프 레이어가 (레이어 당 ~100 내지 200 ㎛로) 얇기 때문에, 장치의 크기를 현저하게 변경하지 않고도 수 개의 종이 레이어 및 테이프 레이어를 적층하는 것이 가능하다. 종이 레이어 및 테이프 레이어 각각은 또한, 장치 내에서 고유한 기능(예컨대, 시약 저장, 유체 분석, 시료 여과, 유체 배포, 유체 혼합, 및 유체 유동 제어)을 담당하도록 사용될 수 있다.
다공성 친수성 레이어는 모세관 작용에 의해 유체를 연결하는 임의의 친수성 기재를 포함한다. 하나 이상의 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이이다. 다공성 친수성 레이어의 비제한적인 예로는 크로마토그래피 종이, 여과지, 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 종이, 여과지, 종이 타올, 화장지, 티슈 종이, 공책 종이, 킴와이프스(KimWipes), VWR 경량 티슈 와이퍼(VWR Light-Duty Tissue Wipers), 테크니클로스 와이퍼(Technicloth Wipers), 신문, 그리고 결합제, 천 및 다공성 폴리머 필름을 포함하지 않는 임의의 다른 종이가 있다. 일반적으로, 선택된 패터닝 방법을 적용할 수 있는 임의의 종이가 사용될 수도 있다. 특정 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1을 포함한다.
하나 이상의 실시형태에서, 친수성 레이어는 도 2에 기술된 절차를 따라 패터닝된다. 특정 실시형태에서, 친수성 종이는 감광제로 적셔지고, PCT/US07/081848에 기술된 절차에 따라 포토리소그래피가 사용되어 감광제를 패턴화하여 장벽을 형성한다. 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트와 같은 다른 친수성 재료는, 통상적으로 사용되고 유체 진단의 용도에 대해서 널리 공지된 멤브레인이지만, 통상적으로 포토리소그래피에서 사용되는 용매와는 친화성이 없다. 스크리닝, 스탬핑, 또는 프린팅과 같은 다른 방법들이 그러한 재료를 패터닝하기 위해 더욱 적절할 수도 있다. 게다가, 친수성 레이어 및 소수성 장벽 영역은, 예컨대 온도, pH, 및/또는 이온 강도와 같은 테스트 조건에 적합한 재료를 사용하여 준비될 수 있다.
다공성 친수성 재료를 패턴화하기 위해 사용되는 감광제는 SU-8 감광제, SC 감광제((후지 필름사), 폴리(메틸메타아크릴레이트), 거의 대부분의 아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 및 소수성 폴리머를 형성하는 임의의 광중합 모노머를 포함한다.
유체 불침투 레이어는 통상적으로 시트이며, 이는 마이크로유체 장치의 유체에서 용해되지 않고 그리고 소망하는 레벨의 장치 안정성 및 유연성을 제공한다. 하나 이상의 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트이다. 특정 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 접착 시트 또는 접착 테이프이다. 유체 불침투 레이어의 비제한적인 예시는 스카치(Scotch®) 양면 카핏 테이프를 포함하고, 불투수성 장벽은 3M 양면 테이프, 테이프워크 양면 테이프, CR 로렌스 블랙 양면 테이프(CR Laurence black double sided tape), 3M 스카치 폼 마운팅 양면 테이프(Scotch Foam Mounting double-sided tape), 3M 스카치 양면 테이프(투명), 퀵심(QuickSeam) 스플라이스 테이프, 양면 심(seam) 테이프, 3M 외장 내후성 양면 테이프, CR 로렌스 CRL 투명 양면 PVC 테이프, 퓨어 스타일 걸프렌드 스테이풋 양면 방식 테이프(Pure Style Girlfriends Stay-Put Double Sided Fashion Tape), 덕 덕 양면 덕트 테이프(Duck Duck Double-sided Duct Tape), 및 전기덕트 양면 테이프를 포함한다. 특정 실시형태에서, 양면 테이프는 유체 불침투 레이어로서 사용된다. 양면 테이프는 2개의 인접한 패턴화된 종이 레이어에 접착되고, 마이크로유체 장치의 다른 구성요소에 결합될 수 있다. 양면 테이프는 물에 대해 불투성이고, 유체 스트림을 200 ㎛ 미만으로 분리되도록 격리한다. 게다가, 양면 테이프는 또한, 인접한 종이 레이어가 가압될 때 테이프 내 펀칭된 홀을 통해 접촉하는 것을 허용하기에 충분히 얇다. 양면 테이프는 양면 테이프가 접착되는 종이로부터 용이하게 분리될 수 있고, 이에 따라 적층된 장치의 분해를 허용하고, 양면 테이프는 값싸고 널리 활용 가능하다.
양면 테이프에 대한 대안으로서, 열 활성화 접착제(heat-activated adhesive)가 사용되어 유체 운반 레이어를 함께 밀봉할 수 있다. 실제로, 패턴화된 친수성 레이어에 접착되고 형성될 수 있는 임의의 유체 불침투 재료가 사용될 수 있다. 게다가, 종이 레이어를 패턴화하기 위해 사용되는 동일한 재료를 사용하여 종이 레이어를 함께 결합하는 것이 또한 가능하다. 하나 이상의 실시형태에서, 감광제 레이어는 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 사이에 배치된다.
구멍 또는 개구부를 채우는 다공성 친수성 재료는 다공성 친수성 레이어와 동일한 재료이거나 다른 재료가 될 수 있다. 다공성 친수성 재료의 비제한적인 예로는 크로마토그래피 종이, 여과지, 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 종이, 여과지, 종이 타올, 화장지, 티슈 종이, 공책 종이, 킴와이프스, VWR 경량 티슈 와이퍼, 테크니클로스 와이퍼, 신문, 그리고 결합제를 포함하지 않는 임의의 기타 종이를 포함한다.
하나 이상의 실시형태에서, 패턴화된 다공성 친수성 레이어는 SU-8 2010 감광제를 사용하여 패턴화된 [수정(water well)의 심지 역할을 하는 순수 셀룰로오스인] 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1이고, 유체 불침투 레이어는 스카치(Scotch®) 양면 카핏 테이프이고, 유체 불침투 레이어의 구멍 또는 개구를 채우는 다공성 친수성 재료는 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1이다.
본 명세서에 기술된 마이크로유체 장치는 생산하기에 값싸고, 조립하기에 용이하며, 그리고 특수한 장비를 필요로 하지 않는다는 점과, 내부 레이어가 환경으로부터 보호되고, 따라서 증발을 제한한다는 점과, 내부 레이어가 광에 민감한 분석을 위한 시약을 저장하기 위해 사용될 수 있다는 점과, 각각의 기능에 대해 선택된 다양한 유형의 종이의 두께에 대응하는 짧은 수직 구역을 강조하는 점, 복합 채널이 용이하게 제조되고 용이하게 분해될 수 있다는 점을 장점으로 갖는다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 도 2와 관련하여 기술되고 수직 방향 및 측방향 유동의 원리를 설명한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로유체 장치는 패턴화된 종이 레이어 및 유체 불침투 레이어로서 사용되는 양면 테이프 레이어를 정렬하고 번갈아 적층함으로써 조립된다. 일부 실시형태에서, 소형 특징부(예컨대, 1 mm 미만 폭의 채널 특징부)를 갖는 마이크로유체 장치는 자동화 조립체를 사용하여 조립된다. 다른 실시형태에서, 정렬은 육안에 의해 수행될 수 있다. 조립체는 (좌측의) 사시도와 (우측의) 단면도로 설명된다. 단계 1에서, 종이(200)는 포토리소그래피를 사용하여 친수성 종이 영역(220)(백색 영역) 및 소수성 폴리머 영역(210)(흑색 영역)으로 패턴화된다. 그리고 나서, 제 2 친수성 종이(205)가 장치의 하부 레이어를 위해 패턴화된다. 이 실시형태에서, 소수성 폴리머는 SU-8 감광제이고 친수성 종이는 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1이다. 종이는 소정 범위의 두께를 가질 수 있고, 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1은 약 160 ㎛의 두께를 갖는다. 단계 2에서, 인접한 종이 레이어들 간의 접촉 지점이 요망되는 위치에서 양면 테이프 레이어(240)에 홀(230)이 펀칭된다. 분리 레이어는 소정 범위의 두께를 가질 수 있지만, 통상적으로 장치의 크기 및 부피를 최소화하도록 선택된다. 이 실시형태에서, 테이프는 약 75 ㎛의 두께를 갖는다. 단계 3에서, 테이프(240)의 홀(230) 내부의 공간은 테이프의 홀(2.5 mm 폭)의 형상과 부합하도록 절단된 종이 조각(250)으로 채워진다. 종이로 공간을 채우지 않는다면, 유체는 테이프의 홀을 통해 하나의 종이 레이어에서 다른 종이 레이어로 소형 갭(~75 ㎛)을 가로질러 최적으로 연결되지 않을 것이다. 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1과 같은 종이 레이어와 동일 유형의 종이로 홀이 채워지고, 이는 갭을 제거하도록 기능하고 2개의 패턴화된 종이 레이어 사이의 신뢰성 있는 접촉을 제공한다. 대안적으로, 홀은 임의 유형의 친수성 재료의 조각으로 채워질 수 있다. 테이프의 홀이 채워진 이후에, 테이프의 각 측면이 패턴화된 종이 레이어에 부착되어 도 2에 도시된 바와 같은 종이-테이프-종이의 샌드위치(260)를 형성한다. 장치의 전체적인 두께는 매우 얇고, 예컨대 0.4 mm 미만이다.
다른 실시형태에서, 서로 접촉하지 않고 서로 4번 교차하는 2개의 채널을 구비한 마이크로유체 장치가 도 3b를 참조하여 기술되어 수직 방향 및 측방향 유동의 원리를 설명한다. 이 장치는 도 3a에 도시되고, 도 2에 기술된 바와 같은 유사한 원리를 사용하여 구성되며, 친수성 영역(311) 및 감광제(312)를 포함하는 패턴화된 종이 레이어와 종이로 채워진 홀(313)을 포함하는 테이프 레이어를 포함한다. 마이크로유체 장치(300)는 2개의 수성 유체가 접촉이나 혼합 없이 교차하는 것을 허용한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 2개의 시료 침전지(301 및 310) 각각으로부터 나온 적색 및 청색 수성 염료가 혼합 없이 다중 교차하는 경로를 따라 연결된다. 유체는 측방향으로(좌측에서 우측으로) 3 cm(적색 염료) 및 4.5 cm(청색 염료)의 거리만큼 이동함으로써 대략 15분간 채널을 통과하여 흐른다. 도 3a에서 도시된 바와 같이, 이 장치는 2개의 패턴화된 종이 레이어(상부 레이어 및 하부 레이어) 및 1개의 양면 테이프 레이어로 조립된다. 종이는, 노출되는 종이의 친수성 영역 및 SU-8 감광제의 소수성 영역으로 포토리소그래피를 사용하여 패턴화되는 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 1 mM 알루아 레드 AC(allura red AC; 적색 염료) 및 1 mM 에리오글로신(erioglaucine; 청색 염료)이 종이의 친수성 채널 안으로 연결된다. 중간 레이어는 2개의 종이 조각의 패턴에 부합하는 위치에 2.5 mm 직경의 홀을 구비한 스카치(Scotch®) 양면 카핏 테이프이다. 홀은 종이 디스크, 예컨대 302, 304, 306, 및 308로 채워진다. 예로서, 적색 염료의 세부적인 마이크로유체 유동이 기술된다. 적색 염료는 양면 테이프 레이어 내 홀들 중 하나에 있는 종이 디스크(302)와 부분적으로 정렬되는 상부 패턴화된 종이의 친수성 영역(301)에 전달된다. 그리고 나서 적색 염료는 301로부터 종이 디스크(302)를 통해 하부 패턴화된 종이, 구체적으로 친수성 영역(303) 안으로 수직으로 전달된다. 적색 염료는 채널(303)을 통해 측방으로 전달되고, 그 후 종이 디스크(304)를 통해 상부 레이어의 친수성 영역(305)으로 전달된다. 그리고 나서 적색 염료는, 적색 염료가 종이 디스크(308)를 통해 상부 레이어의 친수성 영역(309)으로 다시 전달되기 이전에, 다시 종이 디스크(306)를 통해 하부 레이어로, 즉 하부 레이어의 친수성 영역(307)으로 전달된다. 청색 염료는 마찬가지로 레이어들 사이에서 마이크로유체 장치를 통해 전달되고 2개의 염료는 서로 접촉함 없이 서로에 대해 4회 교차한다. 도 3b는 장치의 시계열적인 사진을 보여준다. 첫번째 이미지는 염료가 침전되기 이전의 장치(t=0)를 보여주고 계속되는 이미지는 염료가 침전된 이후 1분, 10분, 및 15분에서의 장치를 보여준다. 순서는 장치 내에서 적색 및 청색 수성 염료의 점진적인 이동을 보여준다. 단면 이미지는 2개의 종이 레이어를 분리하는 테이프의 홀이 존재하는 영역에서 단지 2개의 종이 레이어 사이에서 유체가 이동하는 것을 보여준다.
종이의 3차원적인 제조는 시료 진입 지점(sample entry point)과 분석용 영역(regions for assays) 사이의 매우 짧은 경로 길이(즉, 사용되는 종이 레이어의 개수 및 종이의 두께에 좌우되어, 200 내지 600 ㎛)의 이점을 갖는다. 짧은 경로 길이는 2차원 측방향 유동 종이 기반의 장치보다 훨씬 더 높고, 그리고 선택적으로 개방형 마이크로채널 장치에 필적하는, 모세관 현상에 의한 유체 이동 속도와 시료의 신속한 배포를 야기한다.
종이 레이어를 적층하는 능력은 마이크로유체에 대한 새로운 성능들: i) 패턴화된 종이 시트를 적층함에 의한 복합 3차원 다층 시스템을 구축하는 능력, ii) 훨씬 더 큰 수평 거리(mm) 대신에 짧은 수직 거리(수 마이크로미터)에 의해 기능적으로 분리되는 상이한 구역들을 구비한 시스템을 제조하는 능력을 가져온다. 마이크로유체 장치는 다중 분석을 실시하고, 종이의 중간층에 시약을 첨가하며, 유체를 제어 가능하게 혼합하고, 유체 유동을 프로그래밍하기 위해 사용될 수 있다.
단일 시료를 어레이로 배포하기
또 다른 실시형태에서, 침전지에서 검출 구역의 어레이로 시료를 배포하기 위한 3차원 마이크로유체 장치가 기술된다. 마이크로유체 장치는 패턴화된 다공성 친수성 레이어, 매 2개의 인접한 패턴화된 친수성 레이어 사이에 배치되고 다공성 친수성 재료로 채워지는 개구부를 갖는 유체 불침투 레이어의 레이어들을 포함한다. 특정 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 또한, 유체 침전지로서 기능하는 제 1 친수성 영역, 제 1 유체를 배포하기 위한 배포 영역을 포함하는 제 2 친수성 영역, 및 배포 영역으로부터 나온 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이를 포함한다. 침전지 및 배포 영역은 3차원 장치 내 동일하거나 상이한 레이어 상에 있을 수 있다. 상이한 방식으로 시료를 배포하는 3차원 장치의 4가지 실시예가 도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d에 각각 도시되어 있다. 각 장치는 측방향 유동을 실시하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어와 수직 방향 유동을 실시하는 종이 디스크로 채워진 개구부를 구비한 유체 불침투 레이어를 번갈아 사용하여 구성된다. 장치 내 마이크로유체 유동은 상술한 마이크로유체 장치의 측방향 및 수직 방향 유동의 원리에 따른다. 도 4a에서 표시된 바와 같이, 장치의 갈색 영역은 소수성 SU-8 감광제이고, 반면 염료로 채워진 영역은 친수성 종이이다. 각 장치는, 각각 청색, 녹색, 적색 및 황색 수성 염료로 채워지는 장치의 상부의 4개의 웰로 구성되는 동일한 입력부를 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각 장치는, 장치가 유입구에 첨가된 유체를 4 × 4 어레이의 검사 구역에 상이한 패턴으로 배포하는 상이한 출력부를 갖는다. 3차원 장치의 중간 레이어는 시료를 시료간의 혼합이나 교차 오염 없이 검출 구역으로 안내한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서, 검출 구역은 시료 침전지로부터 등거리 간격이고 동일 부피의 시료가 각 검출 구역에서 수집되는 것을 보증한다. 도 4a 및 도 4b는 상이한 배포 패턴을 달성하기 위해 선형 및 별 모양의 배포 영역의 상이한 조합을 사용한다. 도 4a에서, 청색 시료는 도포 침전지(421)로 도포되고 종이 디스크로 채워진 홀(401)을 통해, 제 1 위치(403)의 청색 시료가 제 2 종이 레이어의 한 사분면에 중심적으로 위치한 제 2 위치(404)로 홀(401)을 이용하여 직접 정렬되는 채널 배포 영역(402)으로 배포된다. 제 2 위치(404) 내 액체는 종이 디스크로 채워진 홀(405)을 통해 별 모양의 친수성 배포 영역(406)의 중심 위치(407)로 수직으로 유동한다. 그리고 나서 액체는 종단(408)으로 측방향으로 유동하고 이후 종이 디스크로 채워진 홀(409)을 통해 하부 수용 레이어(410)로 수직으로 유동한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 수용 레이어(410)는 (원형의 친수성 영역으로 나타낸 것처럼) 청색 염료로 채워진 4개의 친수성 영역으로 구성되는 사분면(425)을 갖는다. 결과적인 어레이는 하나의 색상으로 이루어진 사분면을 갖는다. 각 염료의 시작 및 최종 위치를 가리키는 상부 및 하부 종이 레이어의 사진이 또한 도시되어 있다. 도 4b에서, 청색 염료는 장치 상부의 침전지(451)에 침전된다. 도 4b의 장치는 청색 염료를 함유하는 하부 종이 레이어 내 (박스의 친수성 영역에 의해 지시되는 바와 같이) 친수성 영역의 어레이(413)를 생성하는 일련의 채널 배포 영역(411 및 412)을 사용한다. 각 염료의 시작 및 최종 위치를 나타내는 상부 및 하부 종이 레이어의 사진이 또한 도시되어 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제 3 실시예에서, 청색 염료는 침전지(461)에 침전되고 (박스의 친수성 영역에 의해 지시되는 바와 같이) 대각선으로 배열된 색상 구역을 포함하는 최종 어레이(415)로 배포된다. 색상 구역은 상이한 시간에 채워지며, 왜냐하면 이들은 시료 침전지로부터 등거리에 있지 않기 때문이다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 장치는 장치 상부의 침전지로부터 4개의 시료를 16개의 검출 구역의 어레이로 배포한다. 도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 수성 청색 염료[각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 침전지(421, 451, 및 461)에 침전된 1 mM 에리오글로신], 수성 녹색 염료[각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 침전지(422, 452, 및 462)에 침전된 0.5 mM 에리오글로신 및 0.5 mM 타르트라진(tartrazine)], 수성 적색 염료[각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 침전지(423, 453, 및 463)에 침전된 1 mM 알루아 레드 AC], 및 수성 황색 염료[각각 도 4a, 도 4b 및 도 4c의 침전지(424, 454, 및 464)에 침전된 1 mM 타르트라진]가 연결되고, 그리고 5분간 16개의 검출 구역을 채우는 3개의 장치를 보여준다.
도 4d는 시료를 밀착된 간격의 검사 구역의 대형 어레이로 배포하기 위한 3D 장치를 사용하기 위한 가능성을 도시한다. 이 실시예에서, 4개의 유체(441, 442, 443 및 444)는 도 4d에 도시된 바와 같은 마이크로유체 장치의 상부에 침전된다. 4개의 유체는 8 × 8 어레이의 검사 구역으로 배포된다. 이러한 장치는 또한 4개의 유입구를 갖지만, 이 장치는 시료를 64개의 검사 구역의 어레이로 배포한다. 장치의 하부 종이 레이어의 사진에 의해 도시된 것처럼, 유체(444)는 친수성 영역을 포함하는 하부 레이어의 중심의 4개 친수성 영역(445)으로 배포된다. 유체(443)는 친수성 영역을 포함하는 하부 레이어 상의 유체(444)용 4개의 친수성 영역을 둘러싸는 12개의 친수성 영역(446)으로 배포된다. 유체(442)는 친수성 영역을 포함하는 하부 레이어 상의 유체(443)용 12개의 친수성 영역을 둘러싸는 20개의 친수성 영역(447)으로 배포된다. 유체(441)는 친수성 영역을 포함하는 하부 레이어 상의 유체(442)용 20개의 친수성 영역을 둘러싸는 28개의 친수성 영역(448)으로 배포된다. 출력 패턴의 복잡성은 장치에서 요구되는 종이 레이어와 테이프의 중간 레이어의 개수를 결정한다. 도 4a 내지 도 4d에 도시된 4개의 장치 각각에서, 테이프 내 홀은 와트만 크로마토그래피 종이 No.1으로 채워진다.
장치에 추가의 종이 레이어 및 테이프의 레이어를 통합함으로써 기타 패턴 및 더욱 복잡한 패턴이 얻어질 수 있다.
다중 분석을 실시하기 위한 3D 마이크로유체 장치
또 다른 실시형태에서, 다수의 시료에 관한 다중 분석을 동시에 실시하기 위한 3D 마이크로유체 장치가 기술된다. 마이크로유체 장치는 패턴화된 다공성 친수성 레이어와, 매 2개의 인접한 패턴화된 친수성 레이어 사이에 배치되고 다공성 친수성 재료로 채워지는 개구부를 갖는 유체 불침투 레이어의 레이어들을 포함한다. 마이크로유체 장치는 또한 유체 침전지로서 기능하는 제 1 친수성 영역, 제 1 유체를 배포하기 위한 배포 영역을 포함하는 제 2 친수성 영역, 배포 영역으로부터 나온 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이를 포함하고, 그리고 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이는 제 1 유체를 분석하기 위한 분석 시약을 더 포함한다. 특정 실시형태에서, 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이는 유체를 분석하기 위한 다양한 분석 시약으로 미리 반점으로 도포된다.
특정 실시형태에서, 이러한 목적을 위해 사용되는 16개의 웰 장치의 예가 도 5에 도시되어 있다. 인공 소변에서 단백질 및 포도당을 검출하기 위한 마이크로유체 장치가 기술된다. 마이크로유체 장치는 측방향 유동을 실시하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어(510, 520, 530, 540 및 550)와 수직 방향 유동을 실시하는 종이 디스크로 채워진 개구부를 구비한 유체 불침투 레이어(515, 525, 535, 및 545)를 번갈아 사용하여 구성된다. 도 5a는 상술한 마이크로유체 장치의 측방향 및 수직 방향 유동의 원리에 따라 2개의 시료를 장치 상부의 유입구(511 및 512)로부터 장치 하부의 검사 구역의 어레이로 배포하는 장치를 보여준다. 시료가 배포되고 따라서 시료는 나란히 배열된 2개 세트의 컬럼으로 정렬된다. 제 1 배포 단계에서, 침전지(512)로부터 도포된 시료는 종이 레이어(520) 상의 별 모양의 배포 영역(513)의 4개의 종단(521, 522, 523, 및 524)으로 배포되는 한편, 침전지(511)로부터 도포된 시료는 511로부터의 시료가 종이 레이어(530) 상의 별 모양의 배포 영역(514)의 4개의 종단(531, 532, 533 및 534)으로 배포되는 곳인 종이 레이어(530)에 대한 단 분할(single aliquot)로 수직 방향으로 유동한다. 유체(511 및 512)는 테이프 레이어(535) 내 홀을 채우도록 종이 디스크를 통해 수직 방향으로 유동한다. 결과적인 8개 채널의 유체 유동(침전지 511로부터의 4개 및 침전지 512로부터의 4개)은 또한 엘보우 또는 굽은 배포 영역(515)을 사용하여 종이 레이어(540) 상에 배포되어 종이 레이어(550) 상의 4×4 어레이의 배포 구역을 생성한다. 컬럼 1 및 컬럼 3은 침전지(511)로부터 도포된 유체를 함유하고, 컬럼 2 및 컬럼 4는 침전지(512)로부터 도포된 유체를 함유한다.
도 5b는 시료(512) 및 제어(511)에 대한 2개의 라벨이 붙여진 유입구를 구비한 조립된 장치의 상부를 보여준다. 시약은 장치의 하부 레이어 상의 검사 구역 내 각각의 비색 정량 분석(colorimetric assay)에 대해 장치의 조립 이전에 반점으로 도포된다. 도 5c는 검사 구역에 미리 반점으로 도포된 단백질 분석 및 포도당 분석을 위한 시약을 구비한 장치의 하부를 보여준다. 소혈청 알부민(BSA; bovine serum albumin)과 포도당을 함유한 시료가 장치의 상부에 첨가된다. 단백질의 존재는 황색에서 청색으로의 색상 변화에 의해 지시된다. 포도당의 존재는 무색에서 갈색으로의 색상 변화에 의해 지시된다.
도 5b 내지 도 5d에 도시된 장치는 단일 시료에 대해 2개의 분석(4회 반복)을 실시하고, 공지된 농도의 2개의 분석물(인공 소변 내 포도당 및 단백질)을 포함하는 제어 시료에 대해 동시에 동일한 분석을 실시한다(도 5b). 분석 결과는 나란히 나타나고 따라서 제어 및 시료의 분석은 직접 비교될 수 있디. 이러한 특징은 원격 진료(카메라 폰 및 디지털 영상 소프트웨어)를 사용하여 시료를 비교하고자 할 때 특히 중요하다.
도 6a 내지 도 6d에 도시된 다른 16개의 웰 장치는 4개의 상이한 시료 A, B, C 및 D에 대해 정부(正副) 2통으로 동시에 2개 분석을 실시한다. 마이크로유체 장치의 다양한 레이어의 레이아웃이 도 6a에 도시되어 있다. 유체 A, B, C 및 D를 위한 4개의 침전지는 4개 액체를 번갈아 사용되는 종이 레이어(610, 620, 630 및 640) 및 유체 불침투 레이어(615, 625 및 635)를 통해 배포한다. 예를 들면, 유체 A는 종이 레이어(620)의 배포 영역(621)을 및 종이 레이어(630)의 굴곡된 배포 영역(622)을 사용하여 배포되고, 그리고 최종적으로 종이 레이어(640)의 컬럼 1의 4개의 친수성 영역으로 배포된다. 결과적인 검사 구역은 4개의 컬럼(각각 1개의 침전지로부터의 시료를 포함함)을 포함한다. 구체적으로, 친수성 영역의 컬럼 1, 2, 3 및 4는 각각 유체 A, B, C 및 D를 함유한다. 이러한 구성에서, 4개 시료 중 하나의 시료는 정량 검출을 위한 제어 시료일 수 있다. 2개 분석물을 위해 4개의 상이한 시료를 검사하도록 구성된 장치의 상부가 도 6b에 도시되어 있다. 검사 구역 내에 사전에 반점으로 도포된 단백질 분석과 포도당 분석을 위한 시약을 구비한 장치의 하부가 도 6c에 도시되어 있고, 유입구로 20 ㎕의 시료를 첨가하고 30분 이후의 모습이 도 6d에 도시되어 있다.
기타 비한정적인 예시의 분석 시약은 기타 단백질 분석 시약, 기타 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함한다. 기타 적절한 분석 시약이 당업자에게 명백할 것이다.
중간 종이 레이어에 시약을 첨가하기
일 양태에서, 마이크로유체 장치는 패턴화된 다공성 친수성 레이어와, 매 2개의 인접한 친수성 레이어 사이에 배치되고 개구부를 구비하며, 개구부 중 적어도 하나를 채우는 재료 플러그를 포함하는 유체 불침투 레이어의 레이어들을 포함한다. 하나 이상의 실시형태에서, 재료 플러그는 분석용 시약을 함유하고 유체와 접촉시에 시약을 방출하는 종이 디스크이다. 이러한 장치는 3개의 유용한 특성들, 즉 (i) 분석을 위한 시약이 (각 검출 구역으로 시약을 반점으로 도포하는 것보다는) 적절한 크기의 디스크 안으로 종이를 절단하기 이전에 종이 시트에 첨가될 수 있고, (ii) 디스크는 광 및 주변 환경으로부터 보호되고(이러한 보호는 감광성 시약의 오염 및 분해를 방지함), (iii) 상이한 분석을 위한 시약을 포함하는 종이 디스크가 장치를 조립할 때 혼합되거나 매칭될 수 있어 단일 설계를 사용한 매우 다양한 종류의 장치를 허용하도록 할 수 있다는 특성을 갖는다. 이러한 접근 방법에서, 디스크 내 시약은 이동성이 있어 용매선(solvent front)과 함께 이동할 필요가 있고, 만일 그렇지 않다면, 시약은 장치의 하부상의 검사 구역 상에 반점으로 도포될 수 있다.
하나 이상의 실시형태에서, 도포기 예를 들어, 피펫대(pipette man)는 유체 불침투 레이어 내 개구부를 채우는 친수성 재료 상으로 분석 시약을 침전하기 위해 사용된다. 다른 실시형태에서, 잉크젯 프린터, 플로터 또는 스탬프는 유체 불침투 레이어 내 개구부를 채우는 친수성 재료 상으로 분석 시약을 침전하기 위해 사용된다.
종이 내에 내장되는 분석 시약은 단백질 분석 시약, 기타 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함한다. 기타 적절한 분석 시약이 당업자에게 명백할 것이다.
구체적인 일 실시형태에서, 도 7은 포도당을 검출하기 위한 시약을 함유하는 개구부 내 종이 디스크를 구비한 3차원 마이크로유체 장치를 보여준다. 마이크로유체 장치는 측방향 유동을 실시하고 단일 유체 침전지(711)로부터 유체를 4 × 4 테스트 구역으로 배포하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어(710, 720, 730, 및 740)와, 수직 방향 유동을 실시하는, 종이 디스크로 채워진 개구부(712)를 구비한 유체 불침투 레이어(715, 725, 및 735)의 교번 레이어를 사용하여 구성된다. 장치 내에 포함된 종이 디스크의 일부는 포도당 분석을 위해 요구되는 시약(즉, 포도당 산화제, 당근과산화효소, 요오드화칼륨, 및 트레할로스)이 함유된 종이로부터 절단된다. 잔여부에는 시약이 반점으로 도포되지 않고 제어부로서 사용될 수 있다. 장치 내 마이크로유체 유동은 상술한 마이크로유체 장치의 측방향 및 수직 방향 유동의 원리에 따른다. 도 7a는 장치의 개략도를 보여준다. 장치 상부의 유입구는 시료를 장치 하부의 16개의 검사 구역으로 배포한다. 장치를 조립하기 이전에, 도 7b에 도시된 바와 같이, 종이 레이어의 하부의 검사 구역을 장치의 잔여부로 전달하는 레이어(735)의 홀의 종이 디스크의 절반(750)(장치의 우측 2개 컬럼)에 포도당 분석을 위한 시약이 도포된다. 좌측 2개의 컬럼은 제어부로서 사용되며, 즉 분석 시약이 첨가되지 않은 종이 디스크를 포함한다. 도 7c 및 도 7d는 포도당을 함유하는 시료를 첨가하기 이전의, 장치 상부 및 하부 각각을 보여준다. 도 7e는 40 ㎕의 30 mM 포도당 용액을 장치의 상부로 첨가하고 30분 이후의 장치의 하부를 보여주며, 이때 우측 2개의 컬럼의 검출 구역은 시료 내 포도당의 존재로 인해 색상의 변화를 보여준다.
다른 실시형태에서, 종이 레이어 사이의 갭에는 종이 디스크를 사용함 없이 생물학적 정량 분석과 같은, 용례를 위한 고형 시약으로 채워진다. 기타 비한정적인 예시의 생물학적 정량 분석을 위한 고형 시약은 고형 단백질 분석 시약, 고형 포도당 분석 시약, 고형 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 고형 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함한다. 기타 적절한 분석 시약이 당업자에게 명백할 것이다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내의 개구부는 시드로 채워진다. 시드의 비한정적인 실시예는 콩 시드, 껍질, 및 콩고물, 또는 시약으로서 사용되는 페록시다아제(peroxidase)를 제공하는 임의의 다른 시드를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내의 개구부는 시료로부터 고형 오염물을 제거하거나 혈액 시료로부터 적혈구를 제거하기 위한 필터로 채워진다. 필터의 비한정적인 실시예는 여과지, 고형 오염물을 제거하기 위한 기타 임의의 여과 매질, 덱스트란(dextran), 또는 혈액 시료로부터 적혈구를 제거할 수 있는 임의의 기타 재료를 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내의 개구부는 유체 내에서 분해될 때 열을 방출하거나 열을 흡수하여 국부 온도 제어를 제공하는 염(salt)으로 채워진다. 유체 내에서 분해될 때 열을 내는 염의 비한정적인 실시예는 황산 마그네슘을 포함한다. 유체 내에서 분해될 때 열을 흡수하는 염의 비한정적인 실시예는 질산 암모늄을 포함한다. 이는 마이크로유체 장치 내 국부 온도 제어를 위한 메커니즘을 제공한다. 특정 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 분석물을 가열하기 위해 유체 내에서 분해될 때 열을 내는 염을 함유한다. 기타 특정 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 분석물을 냉각하기 위해 유체 내에서 분해될 때 열을 흡수하는 염을 함유한다. 또 다른 특정 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 중합 연쇄 반응을 위한 가열 및 냉각 주기를 제공하기 위해 유체 내에서 분해될 때 열을 방출하거나 열을 흡수하는 염을 함유한다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내 개구부는, 2개의 종이 레이어 사이에 접촉을 제공하기 위해, 또는 온 버튼을 활성화하는 기계적 힘을 제공하기 위해 겔에 유체가 첨가될 때, 팽창하는 겔로 채워진다. 겔의 비한정적인 실시예는 아가로스, 메틸셀룰로오스, 및 하이라노난을 포함한다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내의 개구부는 자성 입자로 채워진다. 자기장의 존재하에서, 그러한 자성 입자는 장치의 온 버튼으로서 기능할 수 있다. 자성 입자의 비한정적인 실시예는 산화철 입자를 포함한다. 특정 실시형태에서, 유체 불침투 레이어의 개구부 내에 침전된 자성 입자는 하나의 패턴화된 종이 레이어에 대해 힘을 가하고 종이를 가압하여 외부 자석의 존재하에서 종이 레이어와 테이프 레이어 사이의 갭을 메우고, 결과적으로 2개의 종이 레이어 사이의 유체 접속을 가져온다.
또 다른 실시형태에서, 유체 불침투 레이어 내의 개구부는 장치를 통한 유체 유동을 제어하기 위한 재료로 채워진다. 이들 재료는 그 접속 속성에 대해 선택된 재료, 젖을 때 용해되는 당류와 같은 고형 재료, 및 당류와 폴리머 비드의 혼합물을 포함하고, 따라서 유체는 당류가 존재할 때에만 유동하고, 일단 모든 당류가 용해되면, 유동은 정지할 것이다. 당류의 비한정적인 실시예는 자당(sucrose)을 포함한다. 폴리머의 비한정적인 실시예는 폴리스티렌을 포함한다.
유체의 제어식 혼합
일 양태에서, 유체의 유동 및 혼합을 제어하는 3D 마이크로유체 장치가 기술된다. 마이크로유체 장치는 패턴화된 다공성 친수성 레이어와, 매 2개의 인접한 친수성 레이어 사이에 배치되고 개구부를 갖는 유체 불침투 레이어의 레이어들을 포함한다. 이러한 양태에서, 마이크로유체 장치의 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내 친수성 영역 중 하나는 결합 구역으로 합류하는 제 1 유체 유동 채널 및 제 2 유체 유동 채널을 포함한다. 마이크로유체 장치는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 내의 친수성 영역들 중 하나에 의해 형성되는 혼합 채널, 및 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되는 유체 불침투 레이어 내 채워지지 않은 개구부를 더 포함한다. 채워지지 않은 개구부는 결합 구역과 정렬되고 혼합 채널의 적어도 일부분과 정렬된다. 이러한 양태에서, 결합 구역은 결합 구역이 혼합 채널과 유체 접촉하지 않는 제 1 공간 분리 위치로부터 결합 구역이 혼합 채널과 유체 접촉하는 제 2 접촉 위치로 이동할 수 있다.
하나 이상의 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 특정 조합과 순서로 유체를 혼합하도록 프로그래밍될 수 있고, 따라서 순서화된 이벤트를 요구하는 분석에 대한 플랫폼을 제공할 수 있다. 특정 실시형태에서, 3D 마이크로유체 장치는 장치의 구성에 따라 4개 이상의 액체르 혼합(한번에 2개 액체)하기 위해 사용되고 6개의 별개의 유체의 조합을 제공한다.
많은 비색 정량 분석 및 면역크로마토그래피 분석은 분석물, 시약, 및 세정액의 이송을 포함하는 순차적인 반응을 필요로 한다. 이들 분석은 정확한 순서로의 시약의 수동 혼합과, 유체가 장치를 통해 이동하는 위치 및 속도를 제어하는 메커니즘 중 어느 하나를 필요로 한다. 3차원 장치는 많은 수의 시료가 처리될 필요가 있는 경우에, 또는 단일 시료가 다수의 상이한 방식으로 조작될 필요가 있는 경우의 용례에서 유리할 수도 있다.
본원에 기술된 3D 마이크로유체 장치의 이점은 종이 내 유체의 동적 유동 및 혼합에 대해 정밀 제어를 제공할 수 있는 능력과, 낮은 비용을 포함한다. 저렴하고, 폐기 가능한, 1회용 장치는, 저비용으로 신속하게 수행하고자 하는 다수의 검사를 필요로 하는 용례에 대해, 그리고 수 개의 시약이 순차적으로 조합될 필요가 있는 다수 단계를 필요로 하는 검사에 대해 새로운 도구를 제공한다. 적절한 용례는 의원 또는 응급실에서의 신속한 검사, 개발도상국에서의 질병 진단, 및 만성 질환을 모니터링하기 위한 가정용 의료를 포함한다.
유체는 층류 및 낮은 레이놀드 수를 이용하여 마이크로유체 채널에서 이동한다. 이러한 거동의 결과는 서로에 인접하여 유동하는 2개의 유체가 대류에 의해서가 아니라, 확산에 의해 혼합된다는 점이다. 층류 내 분자의 확산은 도 8a에 도시된 바와 같이, 유동 방향에 수직한 2개 유체의 경계를 가로질러 발생한다. 확산 속도는 다음의 스토크스-아인스타인 방정식(Stokes-Einstein equation)을 사용하여 추정될 수 있다.
Figure pct00001
[식 1]
이 방정식에서, D는 확산 계수이고, μ는 유체의 점도이며(20℃의 물에서, μ ~ 1×10-3 Pa·s), Rm은 분자의 반경이다(염료 분자 Rm의 경우 ~ 10Å). 소형 분자의 확산 계수는 ~1×10-6 cm2/s이고, 이는 도 8a에 도시된 바와 같이 1 mm 폭인 종이 채널 내의 나란한 구성의 2개 유체(예컨대, 물과 황색 염료)가 ~5분 동안 완전히 혼합된다는 점을 의미한다. 이러한 시간 범위는 분석을 위해서는 너무 느리고, 2차원의 유체의 완전한 혼합을 위한 종이 기반 마이크로유체 장치에 5 cm 길이의 채널을 필요로 한다.
이러한 느린 혼합 단계를 해결하는 한 가지 방식은 측방향 유동 채널의 폭을 줄이는 것이다. 그러나, 이러한 접근은 채널을 통해 운반될 수 있는 유체의 양을 제한하며, (현재 기술을 사용하여) 500 ㎛로 좁은 채널을 이용하는 경우에만 실제적이다.
확산에 의한 신속한 혼합을 가능하게 하는 유체의 구성은, 도 8b에 도시된 바와 같이, 제 1 유체가 채널의 상반부를 따라 흐르고, 제 2 유체가 채널의 하반부를 따라 흐르는 이중층 구성이 될 것이다. 이러한 구성은 혼합을 이루기 위해 분자가 확산을 필요로 하는 거리를 최소화할 수 있지만, 채널의 폭에 영향을 주지 않을 것이다. 예컨대, 높이가 180 ㎛인 채널(와트만 크로마토그래피 종이 No. 1의 두께에 의해 정의된다)에 있어서, 유체의 분자는 채널의 높이 방향을 가로질러 확산할 것이고, ~5초 내에 완전하게 혼합될 것이다. 따라서, 1 mm 길이의 채널은 이중층 구성의 유체를 혼합하기에 충분하다.
도 8a 및 도 8b는 종이 채널 내 층류의 2개 유체의 구성을 도시한다. 채널의 높이(h)는 종이의 두께에 의해 정의되고, 채널의 폭(w)은 포토리소그래피에 의해 정의된다. 완전한 혼합을 달성하기 위해 분자가 확산을 필요로 하는 거리(x)는 유체의 구성에 따라 w 또는 h에 비례한다. 도 8a는 층류의 2개 유체가 채널 내에서 통상적으로 나란히 배열된 구성이다. 유체는 채널의 세로 단면을 따라 접촉한다. 하나의 유체의 분자는 유체 유동 방향에 수직한 방향으로 다른 유체 안으로 확산한다. 이러한 구성에서, 분자는 다른 유체와 혼합하기 위해서 채널의 폭의 절반을 가로질러 확산할 필요가 있다. 도 8b에서, 채널 내에서 층류의 2개 유체를 확산에 의해 혼합하기 위한 이상적인 이중층 구성이 도시된다. 하나의 유체의 분자가 다른 유체와 혼합되도록 확산하는 데 필요한 거리는 채널 높이의 절반이다.
2D 종이 기반 마이크로유체 장치에서, 유체는 도 8a에 도시된 것처럼 채널 내에서 나란히 도입된다. 다른 한편으로, 3D 장치는 신속하고 완전한 혼합을 위해, 도 8b에 도시된 바와 같이 이중층 구성으로 유체를 도입하는 가능성을 제공한다.
일 양태에서, 2개 유체가 장치를 통해 이동할 때 이중층 구성의 2개 유체를 혼합하는 마이크로유체 혼합기가 도 9를 참조하여 기술된다. 마이크로유체 장치는 측방향 유동을 실시하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어(910, 920)와 2개의 종이 레이어 사이에 정렬되는 개구부(925)를 구비한 유체 불침투 레이어(915)를 번갈아 사용하여 구성된다. 장치 내 마이크로유체 유동은 상술한 마이크로유체 장치의 측방향 및 수직 방향 유동의 원리에 따른다. 도 9는 패턴화된 종이 및 테이프로 제작되는 3D 마이크로유체 장치에 대1개략도를 사시도(좌측) 및 단면도(우측)로 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 종이 레이어는 수평면에서 유체를 전달하는 친수성 종이(911)(백색 영역) 및 각각의 종이 레이어 내에서 유체의 배포를 제어하는 소수성 폴리머(912)(회색 영역)를 포함하는 마이크로유체 채널을 구비하여 패턴이 형성된다. 양면 테이프 레이어는 인접한 종이 레이어의 친수성 채널을 서로에 대해 분리한다. 홀이 테이프 레이어에 펀칭된다. 이 장치의 제조 방법은 도 2에서 상술한 바와 유사하지만, 인접한 레이어 사이의 접촉을 제공하기 위해 테이프의 홀 내에 종이 디스크를 삽입하는 것 대신에, 어떠한 종이 디스크도 사용되지 않는다. 유동을 야기하기 위해서, 종이 레이어 내 개구부(925)와 정렬되어 있는 패턴화된 종이의 친수성 영역의 부분들이 가압되어 이 부분들을 테이프의 홀 위치에서 서로 접촉하도록 한다. 구체적으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 테이프 내 홀 위의 친수성 영역(930)은 홀을 관통하여 하방 가압되고 따라서 친수성 영역(930)은 친수성 영역(940)과 직접 접촉한다. 홀과 정렬되어 있는 종이의 친수성 영역 내 부분은 가압되어 테이프에 의해 생성되는 100 ㎛ 갭을 메운다. 가압된 친수성 영역은 서로 접촉하고 유체가 하나의 레이어로부터 다음 레이어로 전달될 수 있도록 한다.
특정 실시형태에서, 채널 영역 내 액체의 표면 장력은, 유체가 분리 레이어의 채워지지 않은 구멍에 의해 생성된 공극을 통해 유동하는 것을 방지하도록 선택된다. 이는 치수(예를 들면, 구멍의 높이 및 직경) 및 소수성 벽, 친수성 다공성 영역 및 분리 레이어에 대해 선택된 재료를 제어함으로써 달성될 수 있다. 특정한 구체적인 실시형태에서, 동일한 채워지지 않은 개구부를 구비한 하나보다 많은 불침투 레이어가 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되어 2개의 인접한 친수성 레이어 사이에 더욱 넓은 갭을 제공하여 2개의 친수성 레이어 사이의 유체 유동을 제한한다.
일 실시형태에서, 종이 내 짧은 유체 경로에서 신속하고 완전하게 유체를 혼합하기 위해 구성된 3D 종이 기반 마이크로유체 혼합기가 사시도(좌측) 및 단면도(우측)로 도시되어 있는 도 10a를 참고하여 기술된다. 3D 혼합기는 중앙 결합 구역(1014) 안으로 안내되는 2개의 마이크로유체 채널(1010, 1012)을 구비한 상부 종이 레이어(1000)를 갖는다. 도 10b 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 2개의 유체는 이 결합 구역(1014)에서 만나고 도 10b 및 도 10c에서 용이하게 식별할 수 있는 경계(1018)를 형성한다. 경계의 방향은 1018에 의해 도시된 바와 같이 2개의 유체가 만날 때 형성하는 선에 의해 지시된다. 3D 마이크로유체 혼합기는 또한, 도 10a 및 도 10c에 도시된 바와 같이, 결합 구역(1014)에서 나온 유체를 혼합 채널(1022)로 연결하는 제 2 종이 레이어(1020)를 포함한다. 홀을 포함하는 테이프 레이어(1024)가 2개의 패턴화된 종이 레이어 사이에 배치된다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 결합 구역을 형성하는 상부 종이 레이어 내 친수성 영역의 부분은 하향 가압되어 하부 레이어 내 친수성 영역과 접촉을 제공하여 유체가 종이 레이어들 사이에서 전달되도록 최적화한다.
3D 마이크로유체 혼합기의 유체 혼합은 도 8b에 도시된 메커니즘에 의해 혼합되며, 이때 유체는 180 ㎛의 종이 두께에 걸쳐 서로 상호작용한다. 혼합하는 경우의 더 나은 시각적 표현을 제공하기 위해서, 통상의 180 ㎛ 두께의 장치를 대신하여, 두꺼운 3D 마이크로유체 장치(1.5 mm)가 사용되고 있다(도 10c에 도시됨). 마이크로유체 혼합기는 패턴화된 상부 종이 레이어(180 ㎛ 두께), 패턴화된 하부 종이 레이어(1.5 mm 두께), 및 2개의 종이 레이어 사이의 홀을 구비한 테이프 레이어를 이용하여 조립된다. 두꺼운 하부 종이는 유체가 3D 결합 구역을 통해 이동할 때 유체의 용이한 시각화를 허용한다(도 10c 참조). 도 10c는 3D 혼합기의 세로 단면 및 염료들이 결합 구역으로부터 혼합 채널로 장치를 통해 연결될 때 황색 염료와 청색 염료의 배포를 보여준다.
도 10은 또한 3D 마이크로유체 혼합기의 혼합 메커니즘을 설명한다. 도 10a는 이론적인 유체(청색 및 황색 수용액)의 이동을 보여주는 혼합기의 사시도 및 단면도를 보여준다. 청색 및 황색 용액은 결합 구역에서 경계를 형성하고 결합 구역에서 나와 혼합 채널로 진입할 때 층상 구조로 된다. 도 10b는 청색 용액과 황색 용액 사이의 경계를 보여주는 혼합기의 평면도이다. 용액은 1 mM 에리오글로신(청색) 및 1 mM 타르트라진(황색)이다. 도 10c는 테이프(100 ㎛ 두께)의 상부에 층상화되고, 하부의 종이 레이어(1.5 mm 두께)에 결합된 와트만 여과지 No. 1(180 ㎛ 두께)로 구성된 혼합기의 단면도이다. 두꺼운 하부 종이는 혼합기 내 유체의 동역학의 관측을 용이하게 하도록 사용되고 있다. 도 10a의 사진은 용액들이 서로 혼합될 때 청색 및 황색 용액의 이중층 구성을 강조한다. 이러한 실시형태에서, 혼합 채널의 방위는 결합 구역 내 2개의 유체의 경계에 대해 수직이다.
다른 실시형태에서, 2개 유체의 혼합을 제어하는 마이크로유체 혼합기가 기술된다. 상술한 바와 같이, 결합 구역 내 경계와 관련하여 하부 종이 레이어 내 혼합 채널의 방위는 유체가 결합 구역 내에서 혼합되는지, 또는 유체가 평행한 층류로 결합 구역을 빠져나오는지 여부를 지시한다. 예를 들어, 혼합 채널이 경계에 평행할 때, 유체는 결합 구역에서 경계를 형성하지만, 혼합 채널에서 혼합되지 않는다. 대신에, 유체는 혼합 채널을 평행한 층류로 빠져나오고, 유체 사이에 잘 정의된 분리를 이용하여 검출 영역을 채운다. 반대로, 혼합 채널이 경계에 수직할 때, 유체가 결합 구역을 빠져 나와 혼합 채널로 진입할 때, 유체는 상하로 적층되고, 이에 따라 유체가 적절히 혼합된다. 유체가 180 ㎛ 두께의 종이에서 층상화되기 때문에, 유체는 유체가 혼합 채널을 통해 이동할 때 신속하게 혼합된다. 3D 마이크로유체 혼합기의 유체 혼합 정도는, 혼합 채널이 1 mm보다 큰 길이를 가질 때 혼합 채널의 길이에 대해 독립적이다.
도 11은 유체 혼합에 관하여 경계에 관련된 혼합 채널의 배향의 효과를 도시한다. 2개의 유체를 단일 혼합 채널로 안내하는, 도 11a 내지 도 11c 및 도 11d 내지 도 11f에 도시된 바와 같은, 2개의 3D 마이크로유체 혼합기가 비교된다. 도 11a 내지 도 11c에 도시된 마이크로유체 혼합기에서, 혼합기는 패턴화된 종이 레이어(1110 및 1120)와 함께, 2개의 종이 레이어 사이에 배치된 테이프 레이어(1115)를 포함한다. 상부 종이 레이어(1110)는 결합 구역(1113)으로 합류하는 2개의 친수성 채널(1111 및 1112)을 포함한다. 2개의 액체(청색 염료 및 황색 염료)가 채널(1111 및 1112)에 침전되고, 결합 구역(1113) 내의 2개 유체(청색 염료 및 황색 염료)의 경계(1114)가 도 11c에 도시되어 있다. 테이프 레이어(1115)의 구멍(1116)은 결합 구역(1113)과 정렬되고 종이 레이어(1120)의 혼합 채널(1117)과 또한 정렬된다. 혼합기는 결합 구역(1113)이 구멍(1116)으로 하향 가압되어 혼합 채널(1117)과 접촉하도록 가압된다. 이러한 경우에, 경계(1114)는 혼합 채널의 방향에 대해 평행하다. 따라서, 도시된 바와 같은 이러한 혼합기는 효과적인 유체의 혼합을 가져오지 않는다.
도 11d 내지 도 11f에 도시된 마이크로유체 혼합기에서, 혼합기는 패턴화된 종이 레이어(1130 및 1140)와 함께, 2개의 종이 레이어 사이에 배치된 테이프 레이어(1135)를 포함한다. 상부 종이 레이어(1130)는 결합 구역(1133)으로 합류하는 2개의 친수성 채널(1131 및 1132)을 포함한다. 2개의 액체(청색 염료 및 황색 염료)가 채널(1131 및 1132)에 침전되고, 결합 구역(1133) 내의 2개 유체(청색 염료 및 황색 염료)의 경계(1134)가 도 11f에 도시되어 있다. 테이프 레이어(1135)의 구멍(1136)은 결합 구역(1133)과 정렬되고 종이 레이어(1140)의 혼합 채널(1137)과 또한 정렬된다. 혼합기는 결합 구역(1133)이 구멍(1136)으로 하향 가압되어 혼합 채널(1137)과 접촉하도록 가압된다. 이러한 경우에, 경계(1134)는 혼합 채널의 방향에 대해 수직하다. 따라서, 대조적으로, 2개의 유체는 도 8b에 도시된 메커니즘과 도 10c에 도시된 실시예에 따라 도 11d 내지 도 11f에 도시된 것처럼 용이하게 혼합된다. 도 11a 및 도 11d는 장치 내 3개 레이어의 개략도이다. 2개 혼합기 사이의 차이점은 상부 레이어 내 유체의 경계와 관련하여 하부 레이어 내 혼합 채널의 방위이다. 도 11a에 도시된 혼합기에서, 하부 혼합 채널은 경계에 대해 평행하게 형성된다. 도 11d에 도시된 혼합기에서, 혼합 채널은 경계에 대해 수직하게 형성된다. 도 11b 및 도 11e는 청색 및 황색 수성 염료가 채널로 전달된 이후에 혼합기의 사진(상부 및 하부)이다. 도 11b에서, 유체는 유체가 혼합 채널로 하향 전달될 때 혼합되지 않는다. 도 11e에서 유체는 효과적으로 혼합된다. 도 11c 및 도 11f는 각각 도 11b 및 도 11e와 동일한 이미지이며, 명암 대비와 휘도를 이용하여 2개 장치 사이의 혼합의 차이를 강조한다. 도 11f에서, 수집 구역의 색상은 균일하며, 2개의 염료가 효과적으로 혼합되었음을 가리킨다. 도 11c에서, 수집 구역은 식별되는 영역의 청색, 녹색 및 황색을 보여주며, 이러한 구성은 효과적인 혼합을 이루지 못한다는 점을 나타낸다.
다른 실시형태에서, 2개보다 많은 유체의 혼합을 제어하는 3D 마이크로유체 혼합기가 기술된다. 또 다른 실시형태에서, 4개의 유체, 2개씩 모두 6개의 유체 조합이 가능한 유체를 혼합하는 3D 마이크로유체 혼합기가 도 12a 및 도 12b를 참조하여 기술된다. 마이크로유체 혼합기는 복수의 패턴화된 종이 레이어 및 매 2개의 인접한 종이 레이어 사이에 배치되고 홀을 구비하는 테이프 레이어를 이용하여 조립된다. 상술한 바와 같이, 결합 구역 내 친수성 영역은 가압되어 2개의 종이 레이어 사이의 접촉을 허용하고 수직 마이크로유체 유동을 최적화한다. 이러한 구성은 3D 혼합기의 유연성을 설명한다. 상부 레이어 내의 채널은 반드시 서로로부터 180°로 배향될 때 결합 구역으로 진입할 필요는 없으며, 채널은 임의의 방위로 진입할 수 있다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 유체 A 및 B, 유체 A 및 C, 유체 A 및 D, 유체 B 및 C, 유체 B 및 D, 유체 C 및 D를 위한 혼합 채널은 개개의 경계에 대해 수직이며, 따라서 효과적인 유체의 혼합을 허용한다. 도 12에서 표시된 것처럼, 유체 A는 황색 염료이고, 유체 B는 청색 염료이고, 유체 C는 물이고, 유체 D는 적색 염료이다.
도 12c 및 도 12d는 3D 혼합기를 포함하지 않는 장치를 보여준다. 마이크로유체 혼합기는 복수의 패턴화된 종이 레이어 및 매 2개의 인접한 종이 레이어 사이에 배치되고 홀을 구비한 테이프 레이어를 이용하여 조립된다. 상술한 바와 같이, 결합 구역 내 친수성 영역은 가압되어 2개의 종이 레이어 사이의 접촉을 허용한다. 이러한 장치는 2개 유체가 결합 구역에서 만날 때 생성되는 잘 정의된 경계를 도시한다. 유출구 채널이 2개 유체의 경계에 대해 수직하지 않는 한, 이러한 경계는 수 개 층의 종이 레이어를 통과하면서 유지될 수 있다(도시되지 않음).
도 12a 내지 도 12d는 다수의 유체를 동시에 혼합하거나 조합하기 위한 2개의 3차원 마이크로유체 혼합기의 상세를 보여준다. 훨씬 더 많은 유체를 수용할 수 있는 다른 3차원 마이크로유체 혼합기가 예상될 수 있음에도, 양 장치는 장치로 유체를 첨가하기 위한 4개의 입력 구역을 갖는다. 제 1 장치(도 12a 및 도 12b)는 2개씩, 모두 6개의 조합이 가능한 유체를 혼합하고 생성물을 장치 하부의 6개의 출력 웰(output well)로 운반한다. 제 2 장치(도 12c 및 도 12d)는 유체를 조합하지만, 유체를 혼합하지는 않는다 조합된 유체를 장치 하부의 다섯 개의 출력 웰로 운반한다. 6번째 조합은 구성의 단순화를 위해 장치에서 제거되었다. 장치에 사용된 레이어의 개략도가 도 12a 및 도 12c에 도시되어 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 마이크로유체 혼합기는 패턴화된 종이 레이어(1210, 1220, 1230, 1240, 1250) 및 테이프 레이어(1215, 1225, 1235, 1245)를 포함한다. 유체 A 및 유체 D는 각각 친수성 영역(1211 및 1212)에 침전된다. 유체 A(황색 염료)는 테이프 레이어(1215) 내 종이 디스크로 채워진 홀(1213)을 통해 종이 레이어(1220)의 채널(1216)로 유동한다. 유사한 방식으로, 유체 D(적색 염료)는 테이프 레이어(1215) 내 종이 디스크로 채워진 홀(1214)을 통해 종이 레이어(1220)의 채널(1217)로 유동한다. 채널(1216 및 1217)은 결합 구역(1218)으로 합류하고, 이로 인해 2개 유체의 경계(1219)가 형성된다. 결합 구역(1218)은 테이프 레이어(1225) 내 채워지지 않은 구멍(1226)과 정렬되어 있다. 구멍(1226)은 종이 레이어(1230) 내 혼합 채널(1231)과 정렬되어 있다. 혼합기는 결합 구역(1218)이 채워지지 않은 구멍(1226)으로 하향 가압되어 혼합 채널(1231)과 접촉하도록 가압된다. 이러한 경우에, 경계(1219)는 혼합 채널(1231)의 방향에 대해 수직하고, 따라서 효과적인 유체 혼합을 허용한다. 그 후에 혼합된 유체는 테이프 레이어(1235) 내 종이 디스크로 채워진 구멍(1236), 종이 레이어(1240) 내 친수성 영역(1241), 테이프 레이어(1245) 내 종이 디스크로 채워진 구멍(1246), 및 최종적으로 종이 레이어(1250) 내 친수성 영역(1251)을 통해 유동하여, 유체 A 및 D의 잘 혼합된 혼합물의 결과를 가져온다. 장치 상부의 4개의 입력 웰은 A, B, C 및 D로 라벨링되어 있다. 장치 하부의 6개의 출력 웰은 AB, AC, AD, BC, BD 및 CD로 라벨링되어 있다. 유사한 원리에 따라, 유체 A 및 B, 유체 A 및 C, 유체 B 및 C, 유체 B 및 D, 그리고 유체 C 및 D가 또한 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같은 혼합기에서 혼합된다. 비교예로서, 제 2 장치(도 12c 및 도 12d)는 유체를 조합하지만, 유체를 혼합하지는 않는다. 조합된 유체를 장치 하부의 5개의 출력 웰로 운반한다. 도 12b 및 도 12d는 물과, 적색, 황색 및 청색 수성 염료가 장치를 통해 연결되도록 허용한 이후에 장치의 상부 및 하부를 보여준다. 도 12b에서, 염료가 장치를 통하여 연결될 때 서로 혼합된 염료는 6개의 식별 가능한 색상, 즉 적색(적색 염료 + 물), 주황색(적색 염료 + 황색 염료), 황색(황색 염료 + 물), 녹색(황색 염료 + 청색 염료), 청색(청색 염료 + 물), 및 자주색(청색 염료 + 적색 염료)을 산출한다. 도 12d에서, 색상들이 서로 다른 색상과 직접 접촉하는 경우일지라도, 색상(염료)이 5개의 출력 웰로 배포될 때 4개의 초기 색상은 변하지 않은 채로 남는다.
또 다른 실시형태에서, 3D 마이크로유체 혼합기는 임의의 3D 마이크로유체 장치에 통합될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 3D 마이크로유체 혼합기는 2개의 패턴화된 종이 레이어 및 2개의 종이 레이어 사이에 배치되고 홀을 구비하는 1개의 테이프 레이어를 필요로 하며, 장치 상에서 ~1 mm × 1 mm × ~500 ㎛의 공간을 점유한다. 혼합에 기여하는 중요한 특징은 결합 구역에 형성된 2개 유체의 경계에 대한 혼합 채널의 배향이다. 3D 혼합기의 잔여 부분은 유체를 혼합하는 능력에 실질적으로 영향을 주지 않으면서 수정될 수 있다.
기술된 실시형태의 장점은 값싸고, 1회용의 자주적인 종이 기반 장치가 정밀한 유체 취급을 필요로 하는 용례를 가능하게 해야 하는 배경 하에서 어떻게 유체를 서로 상호작용 하도록 제어하는지에 관한 능력을 포함한다. 계량봉(dipstick)은 측방향 유동 포맷으로 유체 처리 및 혼합을 통합하는 단순한 장치의 어디에나 있는 실시예이다. 3차원 마이크로유체 장치는 계량봉보다 더욱 큰 정도의 제어를 제공하며, 왜냐하면 장치는 수 개의 유체의 동시적인 혼합을 가능하게 하고, 그리고 장치는 정확한 패턴으로 유체를 혼합하도록 프로그래밍될 수 있기 때문이다. 다른 장점은 낮은 비용을 포함하는데, 그 이유는 장치가 종이 및 테이프로 제조될 수 있고, 특수한 장비를 필요로 하지 않고서 조립이 용이하기 때문이다. 게다가, 장치는 다수의 유체를 동시에 처리하도록 사용될 수 있다.
유체 유동을 프로그래밍하기 위한 온 및 오프 버튼
일 양태에서, 온 버튼을 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 각각 제 1 유동 채널 및 제 2 유동 채널을 형성하는 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하는 복수의 다공성 친수성 레이어를 포함한다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 또한, 매 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어마다 그 사이에 배치된 유체 불침투 레이어를 포함한다. 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치된 유체 불침투 레이어는 제 1 및 제 2 유체 유동 채널의 적어도 일부분과 정렬되는 하나의 채워지지 않은 개구부를 포함한다. 제 1 유동 채널의 적어도 일부분은 제 1 유동 채널이 제 2 유동 채널과 유체 접촉하지 않는 제 1 공간 분리 위치로부터 제 1 유동 채널이 제 2 유동 채널과 유체 접촉하는 제 2 접촉 위치로 이동할 수 있다.
다른 양태에서, 오프 버튼을 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 제 1 및 제 2 패턴화된 친수성 레이어와 함께 그 사이에 배치된 유체 불침투 레이어를 포함한다. 유체 불침투 레이어는 개구부를 가지며, 소수성 플러그가 개구부 중 하나에 배치되어 있다. 소수성 플러그는 미리 선택된 온도에서 용융 및 유동 가능한 저융점 소수성 재료를 포함한다. 제 2 패턴화된 친수성 레이어는 소수성 플러그와 정렬되는 친수성 영역을 갖는다. 사용 중에, 소수성 플러그는 가열되어 용융되고, 용융된 재료는 아래의 친수성 영역으로 유동하여 친수성 영역 내 마이크로유체 유동을 억제한다.
일 실시형태에서, 마이크로유체 유동 제어 장치는 패턴화된 종이 레이어 및 테이프 레이어로 제작된 마이크로유체 장치 내의 유체 유동을 1회용 온 및 오프 버튼을 사용하여 프로그래밍한다. 버튼은 유체가 채널을 통해 전달되거나(온 버튼), 또는 채널 내 유체의 이동을 멈추는(오프 버튼) 것을 허용한다. 버튼은 3차원(3D) 마이크로유체 장치에 형성된다. 3D 장치의 층상 구조는, 장치의 구조에 복잡성을 추가하지 않고, 이들 장치에 중대한 기능을 부여하는 버튼의 구성을 허용한다.
일부 실시형태에서, 온 및 오프 버튼은 가압에 의해 형성되고, 패턴화된 종이 레이어 내 2개의 친수성 영역의 부분을 가압하는 것과(온), 또는 테이프 레이어의 홀 내에 매립된 소수성, 저융점 왁스를 친수성 채널로 안내하는 것(오프)을 수반한다. 버튼은 단순하고 사용하기에 용이하며, 그리고 다양한 기능에 대해 유체 장치를 프로그래밍하도록 가압될 수 있다.
다른 실시형태에서, 마이크로유체 장치는 유체 채널 내에 구성되어 AND, OR, NAND, NOR, NOT, XOR 및 NXOR 논리 게이트를 형성할 수 있는 온 및 오프 버튼을 포함하며, 이들 논리 게이트는 대단히 단순하고, 표준의, 1회용의 유체 컴퓨터를 위한 기반으로써 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 마이크로유체 역다중화기(de-multiplexer)가 또한 기술된다.
종이로 제작된 프로그래밍 가능한 마이크로유체 장치는 사용자가 장치의 기능 전반에 걸쳐 더 양호헌 제어를 할 수 있도록 하는 바람직한 특징을 갖는다. 대부분의 마이크로유체 장치의 기능은 장치의 구성에 의해 미리 결정되고, 유체는 특정 순서로 채널을 통해 유동할 것이다. 프로그래밍 가능한 장치와 관련하여, 사용자는 장치의 어느 채널 또는 어느 영역이 유체로 채워져야 하고 어느 영역이 채워지지 않아야 하는지 선택할 수 있다. 이는 단지 한정된 양의 시료만이 활용 가능하거나, 또는 다른 기능에 대해 특정 기능을 수행하기 위해 범용 세트의 채널(및 장치)이 프로그래밍될 필요가 있는 경우의 상황에 유용할 수 있다. 프로그래밍 가능한 장치와 관련하여, 사용자는 또한 임의의 적절한 시기에 채널을 전환할 수 있다. 이는 시약이 시간 순서에 따라 혼합될 필요가 있는 경우의 상황에 유용할 수 있다.
다른 실시형태에서, 온 또는 오프 버튼에 기초하는 논리 게이트를 구비한 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 3D 마이크로유체 장치의 온 및 오프 버튼은 매우 복잡한 장치를 제작하도록 사용될 수 있다. 논리 게이트는 또한 특정 기능을 장치로 프로그래밍하기 위해 유용할 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 온 또는 오프 버튼을 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치가 도 13을 참조하여 기술된다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 측방향 유동을 실시하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어와 개구부를 구비한 유체 불침투 레이어를 번갈아 사용하여 구성된다. 패턴화된 종이 레이어 및 채워지지 않은 홀을 구비한 테이프 레이어가 적층될 때, 2개의 인접한 패턴화된 종이 레이어 사이의 테이프 레이어의 홀 내에 소형 갭이 존재하며, 이 갭은 테이프의 두께로 인해 생성된다. 따라서 홀 또는 개구부와 정렬 중인 2개의 인접한 종이 레이어 내 2개의 친수성 영역의 일부분은 서로 접촉하지 않는다. 그 결과, 이 갭이 소형 종이 디스크 또는 일부 다른 친수성 재료로 채워지지 않거나, 기계적 힘을 사용하여 개구부와 정렬중인 친수성 영역의 부분을 가압함으로써 이 갭이 메워지지 않는다면, 하나의 종이 레이어로부터 다른 레이어로의 수직 유체 유동은 최적화되지 않는다. 이러한 기계적 메커니즘은 온 버튼을 생성하는데, 그 이유는 수직 유체 유동이 종이 레이어들이 가압되어 접촉할 때 최적화되기 때문이다. 도 13a 내지 도 13d의 마이크로유체 유동 제어 장치는 이러한 구성을 도시한다. 사용자로부터의 입력은 레이어의 가압이다. 출력은 특정 채널로의 유체 유동이다. 마이크로유체 유동 제어 장치 내의 온 버튼은 장치가 사용되기 이전에, 그리고 장치가 사용중인 때 모두에서, 임의의 시각에 가압될 수 있다.
도 13a는 온 버튼의 제조에 관1개략도이다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 종이 레이어(1310, 1320, 1330) 및 테이프 레이어(1315, 1325)를 포함한다. 종이 레이어는 감광제를 사용하여 패턴이 형성된다. 테이프 레이어는 펀칭되어 그 내부에 홀 또는 개구부가 생성된다. 패턴화된 종이 레이어 및 테이프 레이어는 정렬되어 적층된다. 도 13a에서 종이 조각으로 채워진 홀(1326)은 회색 타원으로 도시되어 있다. 도 13a에서 아무 것으로도 채워지지 않은 홀(1322 및 1332)은 백색 타원으로 도시되어 있다. 만일 테이프 내 홀이 종이 디스크로 채워지지 않는다면(백색 타원), 그 후에 종이 레이어들 사이에 소형 갭이 존재할 것이고 유체는 채워지지 않은 홀을 통해 하나의 종이 레이어로부터 다른 종이 레이어로 효과적으로 전달되지 않게 될 것이다. 온 버튼이 가압될 때, 즉 채워지지 않은 개구부와 정렬 중인 친수성 영역의 일부분이 가압될 때, 이 갭은 메워지고, 2개의 인접한 종이 레이어 내 친수성 영역의 부분들이 접촉하게 되고, 유체는 하나의 종이 레이어로부터 다른 레이어로 수직으로 효과적으로 전달될 수 있다. 도 13c에 도시된 바와 같이 2개의 유체가 종이 레이어(1310) 내의 친수성 영역에 침전된다. 도 13b는 2개의 온 버튼을 구비한 조립된 장치를 보여주며, 버튼 2는 가압에 의해 활성화되어 있다(화살표에 의해 표시된 바와 같다). 구체적으로, 각기 하부 종이 레이어(1330) 내의 친수성 영역(1321 및 1331)에 도달하는 2개의 유체는 장치를 통한 모세관 현상에 의해, 종이 레이어(1310) 내의 친수성 영역(1311 및 1312)으로 침전된다. 종이 레이어(1320) 내 친수성 영역(1333)은 채워지지 않은 구멍(1332)과 정렬되어 있고, 이 구멍은 친수성 영역(1331)의 일부분과 정렬되어 있다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 영역(1333)이 구멍(1332)으로 가압되어 채널(1331)의 일부분과 접촉하도록 가압된다. 도 13d에 도시되어 있는 바와 같이, 따라서 1312에 침전된 유체는 가압된 구멍(1332)을 통해 유동하여 최종적으로 상부 종이 레이어(1310) 내 친수성 영역(1314)에 도달하게 된다. 다른 한편으로, 종이 레이어(1320) 내 친수성 영역(1323)은 채워지지 않은 구멍(1322)과 정렬되어 있고, 이는 친수성 영역(1321)의 일부분과 정렬되어 있다. 영역(1323)은 가압되지 않고, 따라서 채널(1321)의 어떠한 부분과도 접촉하지 않는다. 그 결과로써, 도 13d에 도시되어 있는 바와 같이, 1311에 침전된 유체는 가압되지 않은 구멍(1322)을 통해 유동하지 않으며 상부 종이 레이어(1310) 내 친수성 영역(1313)으로 도달할 수 없게 된다. 도 13c 및 도 13d는 한 유체가 2개의 친수성 영역에 침전되고, 유체는 온 버튼이 가압되어 있는 출력 번호 2에만 도달한다는 점을 보여준다. 또한, 가압되지 않은 버튼 1과 가압된 버튼 2의 단면도의 2개의 사진이 도 13d에 도시되어 있다. 가압된 버튼의 사진에서, 2개 종이 레이어의 친수성 영역의 부분들이 서로 접촉하고 수직 유동이 효과적으로 발생한다. 대조적으로, 가압되지 않은 버튼의 사진은 수직 유동이 효과적으로 발생하지 않았음을 보여준다.
일 양태에서, 오프 버튼을 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 측방향 유동을 실시하는 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어와 저융점 소수성 재료를 함유하고 개구부를 구비한 유체 불침투 레이어를 번갈아 사용하여 구성된다. 일 실시형태에서, 테이프의 두께로 인해 생성되는 종이 레이어 사이의 소형 갭은 저융점 왁스로 적셔진 소형 종이 디스크로 채워진다. 적절한 왁스는 양초 왁스, 치즈 왁스, 패키징 왁스, 파라핀 왁스, 또는 기타 왁스를 포함한다. 일부 실시형태에서, 200℃ 이하에서 용융하는 왁스가 사용된다. 다른 실시형태에서, 100℃ 미만의 용융점을 갖는 왁스가 사용된다. 구체적인 실시형태에서, 베이베리 왁스(mp = 45 내지 50℃)가 사용된다. 왁스를 함유한 종이 디스크가 고온 유리봉으로 가압될 때, 왁스는 용융되어 그 아래의 채널을 채우고, 종이 디스크와 적어도 부분적으로 정렬되어 있는 친수성 채널 내에 소수성 장벽을 생성하며, 따라서 유체가 채널을 가로질러 전달되는 것을 막는다(도 13e 내지 도 13g). 도 13e는 오프 버튼을 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치의 제조에 관1개략도이다. 마이크로유체 유동 제어 장치는 패턴화된 종이 레이어(1340 및 1350)와 함께 그 사이에 배치되는 테이프 레이어(1345)를 포함한다. 2개의 유체가 각각 종이 레이어(1340) 내 친수성 영역(1341 및 1342)으로 침전된다. 마이크로유체 유동을 통해, 2개의 유체는 각각 친수성 영역(1349 및 1348)에 도달하게 된다. 테이프 레이어(1345) 내 구멍(1346)은 친수성 왁스 종이로 채워지고 종이 레이어(1350) 내 친수성 영역(1348)과 정렬되어 있으며, 또한 종이 레이어(1340) 내 영역(1352)과 정렬되어 있다. 영역(1352)이 고온 물체로 가압될 때, 구멍(1346) 내 왁스는 용융되고, 채널(1348)로 유동하여 이 채널을 막는다. 다른 한편으로, 테이프 레이어(1345) 내 구멍(1347)은 친수성 왁스 종이로 채워지고 종이 레이어(1350) 내 친수성 영역(1349)과 정렬되어 있으며, 또한 종이 레이어(1340) 내 영역(1351)과 정렬되어 있다. 영역(1351)이 고온 물체로 가압되지 않는 때, 구멍(1347) 내 왁스는 유동하지 않는다. 따라서, 영역(1341)에 침전된 유체는 채널(1349)을 통해 유동하며 종이 레이어(1340) 내 친수성 영역(1343)에 도달한다. 도 13f는 2개의 오프 버튼, 즉 구멍(1346 및 1347)을 구비한 이러한 장치를 보여준다. 버튼 2[구멍(1346)]는 고온 교반 유리봉으로 버튼 2를 가압함으로써 활성화된다. 도 13g는 2개의 유체가 영역 1341 및 1342에 첨가되고 단지 1341에 침전된 유체만이 오프 버튼이 활성화되지 않은 우측의 출력부(1343)에 도달하는 것을 보여준다.
하나 이상의 실시형태에서, 온 버튼 및 오프 버튼 양자를 구비한 3D 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 다른 실시형태에서, 온 버튼 및 오프 버튼을 구비한 3D 마이크로유체 유동 제어 장치가 조립되어 AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, 또는 XNOR과 같은 논리 게이트의 기능을 생성한다. 그러한 마이크로유체 장치 및 그 논리 기능이 실시예에서 기술된다.
게다가, 상술한 기본 논리 게이트가 조립되어 반가산기(half adder)를 형성하고, 또한 디지털 계산을 수행하기 위한 다른 조합을 형성할 수 있다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 모세관 작용에 의해 유체를 전달하는 임의의 친수성 기재를 포함한다. 하나 이상의 실시형태에서, 다공성 친수성 레이어는 종이이다. 다공성 친수성 레이어의 비제한적인 예시는 크로마토그래피 종이, 여과지, 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 종이, 여과지, 종이 타올, 화장지, 티슈 종이, 공책 종이, 킴와이프스, VWR 경량 티슈 와이퍼, 테크니클로스 와이퍼, 신문, 그리고 결합제, 천 및 다공성 폴리머 필름을 포함하지 않는 임의의 기타 종이를 포함한다. 일반적으로, 선택된 패터닝 방법과 호환 가능한 임의의 종이가 사용될 수도 있다. 특정 실시형태에서, 다공성 친수성 계층은 와트만 크로마토그래피 종이 No. 1을 포함한다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 친수성 레이어는 PCT/US07/081848에 기술된 절차에 따라 패턴이 형성된다. 특정 실시형태에서, 친수성 종이는 감광제에 적셔지고, 그리고 포토리소그래피가 사용되어 감광제를 패턴화하여 PCT/US07/081848에 기술된 절차에 따라 장벽을 형성한다. 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트와 같은 다른 친수성 재료가 통상적으로 사용되고, 이는 유체 진단에서 그 사용을 위해 널리 공지된 멤브레인이지만, 통상적으로 포토리소그래피에서 사용되는 용매와 융화성이 있지 않다. 따라서 다른 방법이 패터닝을 위해 더욱 적절할 수 있다. 게다가, 친수성 레이어 및 소수성 장벽 영역은 예컨대, 온도, pH, 및/또는 이온 강도와 같은 테스트 조건과 양립할 수 있는 재료를 사용하여 준비될 수 있다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 다공성 친수성 재료를 패턴화하기 위한 감광제는 SU-8 감광제, SC 감광제((Fuji Film), 폴리(메틸메타아크릴레이트), 거의 대부분의 아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 및 소수성 폴리머를 형성하는 임의의 광중합 모노머를 포함한다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 시트이며, 이 시트는 마이크로유체 장치의 유체에서 용해되지 않고, 소망 레벨의 장치 안정성 및 유연성을 제공한다. 하나 이상의 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트이다. 특정 실시형태에서, 유체 불침투 레이어는 접착 시트 또는 접착 테이프이다. 유체 불침투 레이어의 비제한적인 예시는 스카치 양면 카핏 테이프를 포함하고, 불투수성 장벽은 3M 양면 테이프, 테이프워크 양면 테이프, CR 로렌스 블랙 양면 테이프, 3M 스카치 폼 마운팅 양면 테이프, 3M 스카치 양면 테이프(투명), 퀵심 스플라이스 테이프, 양면 심 테이프, 3M 외장 내후성 양면 테이프, CR 로렌스 CRL 투명 양면 PVC 테이프, 퓨어 스타일 걸프렌드 스테이풋 양면 방식 테이프, 덕 덕 양면 덕트 테이프, 및 전기덕트 양면 테이프를 포함한다. 특정 실시형태에서, 양면 테이프는 유체 불침투 레이어로서 사용된다. 양면 테이프는 2개의 인접한 패턴화된 종이 레이어에 접착되고, 마이크로유체 장치의 다른 구성요소에 결합될 수 있다. 양면 테이프는 물에 대해 불투성이고, 200 ㎛ 미만으로 분리된 유체 스트림을 분리시킨다. 게다가, 양면 테이프는 또한, 인접한 종이 레이어가 가압될 때 테이프 내 펀칭된 홀을 통해 접촉하는 것을 허용하기에 충분히 얇다. 양면 테이프는 양면 테이프가 접착하는 종이로부터 용이하게 분리할 수 있고, 따라서 적층된 장치의 분해를 허용하며, 양면 테이프는 값싸고 널리 활용 가능하다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 열 활성화 접착제가 사용되어 유체 운반 레이어를 함께 밀봉할 수 있다. 실제로, 패턴화된 친수성 레이어에 절단되어 고정될 수 있는 임의의 유체 불침투 재료가 사용될 수 있다. 게다가, 종이 레이어를 패턴화하기 위해 사용되는 동일한 재료를 사용하여 종이 레이어를 함께 고정하는 것이 또한 가능하다. 하나 이상의 실시형태에서, 감광제 레이어는 2개의 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 사이에 배치된다.
상술한 양태의 특정 실시형태에서, 구멍 또는 개구부를 채우는 다공성 친수성 재료는 다공성 친수성 레이어와 동일한 재료 또는 다른 재료가 될 수 있다. 다공성 친수성 재료의 비제한적인 예로는 크로마토그래피 종이, 여과지, 니트로셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 종이, 여과지, 종이 타올, 화장지, 티슈 종이, 공책 종이, 킴와이프스, VWR 경량 티슈 와이퍼, 테크니클로스 와이퍼, 신문, 그리고 결합제를 포함하지 않는 임의의 다른 종이가 있다.
하나 이상의 실시형태에서, 소수성 장벽은, 상대적으로 적은 장비를 필요로 하고, 거의 모든 연구소에서 수행될 수 있고, 그리고 각 패턴의 다중 사본 및 다수 유형의 패턴을 제작하기에 충분히 다재다능한 패터닝 방법을 사용하여 다공성 친수성 레이어에 제공될 수 있다. 제조의 상대적인 편의성 및 저가 구성요소의 신속한 활용가능성으로 인해, 생물학적 정량 장치는 계량봉과 같은 통상의 장치보다 훨씬 낮은 비용으로 형성될 수 있고, 따라서 그중에서도 특히, 자원이 한정되고, 그리고 비용 및 장치의 휴대성이 유용한 경우에, 원격 위치에서 질병을 검출하기 위하여 유용할 수 있다.
위에서 기재한 바와 같이, 이로 한정되지 않지만, 종이와 같은 다공성 친수성 매체에 마이크로유체 채널을 제조하기 위해서, 패턴화된 소수성 폴리머가 일반적으로 종이의 두께 전체를 통해 연장되어 소망 영역 내로 액체를 한정한다. 이러한 억제는 종이를 패터닝하기 위해 실제로 사용될 수 있는 방법을 제한한다. 예를 들면, 표준 잉크를 사용하는 프린팅 방법은 종이에 채널을 제작하기에 적절하지 않을 수도 있고, 왜냐하면 현재 활용가능한 잉크는 종이의 표면에 접착되도록 설계되는 것이지, 종이로 흡수되지 않기 때문이다. 그러나, 특정 잉크가 종이 두께를 통해 실질적으로 흡수하도록 설계될 수 있다는 점이 기대될 수 있다.
다공성 매질, 예컨대 종이의 조성은 또한 실제로 사용될 수 있는 패터닝 방법을 제한할 수 있다. 예를 들면, 종이는 통상적으로 종이 시트의 x축 및 y축으로 배향되고 z축에서 서로의 상부에 적층되는 서로 뒤엉킨 섬유를 포함한다. 이러한 구성의 결과는 z 방향에 비교하여 x-y 평면에서 증가하는 액체의 퍼짐이고, 이는 패턴이 형성되는 특징의 얼룩을 야기한다. 모노머, 폴리머, 및 용매의 적절한 선택은 종이의 이들 속성을 극복하도록 할 수 있고, 종이 두께 전체를 관통하는 선명한 특징부의 패턴화를 가능하게 한다.
종이를 패터닝하기 위한 일부 유용한 방법은 포토리소그래피에 기초하며, 이는 청정실 또는 연구실의 어느 곳에서도 실시될 수 있다. 청정실 포토리소그래피 작업은 종이에 고밀도의 패턴을 제작하는 데 좋지만, 이는 상대적으로 고가이고, 느리며, 가능하게는 그 상업적인 실행 가능성을 다소 제한하도록 한다. 연구실 포토리소그래피 또는 소프트 리소그래피(또는 마이크로 접촉 프린팅이라 칭해진다)와 같은 다른 방법은 청정실에 대한 필요를 배제하며, 단지 제조업체의 부분에 관한 장비 및 전문기술에 대한 적당한 요구사항만을 요구하지만, 여전히 고품질의 장치를 생성한다. 연구실 포토리소그래피는 고해상도의 채널 및 소형 특징부 크기를 갖는 패턴을 제작함에 유용하다. 소프트 리소그래피는 통상적으로 포토리소그래피 기반 방법보다 비싸지 않으며, 상대적으로 신속하게 동일 패턴의 다중 사본을 제작하기에 유용하다.
일부 용례의 경우에, 종이 마이크로유체 장치의 특징부 크기는 상대적으로 크고(예컨대, 1 내지 2 mm 폭을 가짐), 따라서 더 낮은 해상도, 그렇지만 더 빠른 스탬핑 기술이 효과적일 수 있다. 다른 용례의 경우에, 미크론 크기의 특징부가 사용될 것이며, 따라서 저가이지만 고해상도의 방법이 유용할 것이다. 대부분의 경우에 장치는 1.5 mm보다 적은 크기의 특징부를 갖게 된다. 그러나, 대단히 폭넓은 채널의 형상 및 크기가 본원에 기술된 시스템 및 방법을 사용하여 형성될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 모든 유형의 용례에서, 패터닝 방법이 비싸지 않고, 높은 산출량을 가지며, 제조자에게 고도의 기술로 숙련된 사용자를 요구하지 않는다는 점이 바람직하다.
하나 이상의 실시형태에서, 소수성 패턴은 청정실 포토리소그래피를 사용하여 생성된다. 예를 들면, 크로마토그래피 종이는 감광제를 사용하여 포토리소그래피로 패턴화되어 종이 내에 소수성 장벽을 생성한다.
다음의 실시예는 본 발명을 설명하기 위해 제공되며, 이는 본 발명의 한계를 의도하지 않으며, 본 발명의 범위는 뒤따르는 청구범위에 의해 규정된다.
실시예 1. 종이에 패턴 형성하기
패턴화된 친수성 종이 레이어가 PCT/US07/081848에 기술된 절차에 따라 제공된다. 종이 기반 마이크로유체 장치용 패턴은 레이아웃 에디터 CleWin을 사용하여 구성된다.
실시예 2. 논리 게이트를 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치
논리 게이트를 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치는 패턴화된 친수성 종이 레이어 및 앞서 기술한 채워지거나 채워지지 않은 개구부를 구비한 유체 불침투 매질 레이어를 사용하여 조립된다.
AND 및 OR 논리 게이트를 구비한 마이크로유체 유동 제어 장치가 기술된다. 이들 논리 게이트는 온 버튼을 사용하는 3D 종이 장치로 구성될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 이들 논리 게이트의 경우에, 2개의 입력부 A 및 B가 구성되고 이들 입력부는 패턴화된 상부 종이 레이어에 원형으로 표시되는 온 버튼을 포함한다. 입력부가 가압될 때, 입력부는 네트워크의 특정 채널을 활성화시킨다.
논리 게이트는 유체가 상시 공급되는 소스, 버튼들인 2개의 입력부 A 및 B, 및 웰인 출력부로 구성되며, 웰은 입력부가 참값(1)을 산출할 때 유체로 채워지거나 입력부가 거짓값(0)을 산출할 때 유체로 채워지지 않게 된다. 4개의 논리 게이트가 각 장치 상에 배치되고 따라서 완전한 진리표는 각 논리 기능에 대해 설명될 수 있다. AND 게이트의 구성은 직렬의 2개의 온 버튼을 포함한다. 이러한 구성에서, 양 버튼이 모두 가압된 경우에만, 유체는 소스로부터 네트워크 채널을 통해 출력부로 유동하게 된다. OR 게이트의 구성은 병렬의 2개의 온 버튼을 포함한다. 이러한 구성에서, 양 버튼 중 하나 또는 모두가 가압되는 경우에, 유체는 소스로부터 출력부 웰로 유동하게 된다.
도 14는 AND 및 OR 논리 게이트에 대한 구성을 보여준다. 도 14a는 AND 논리 게이트의 레이어의 개략도이다. 4개의 논리 게이트가 각 장치 상에 구성되고 따라서 완전한 진리표는 각 기능에 대해 도시될 수 있다. 도 14b는 모든 가능한 조합으로 입력부를 가압하고 소스로 청색 염료(1 mM 에리오글로신)를 첨가한 이후에 조립된 장치를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 10분간 유동한다. 도 14c는 AND 게이트 진리표이다. A 또는 B를 가압하는 것은 1의 입력과 등가이고, 가압하지 않는 것은 0의 입력과 등가이다. 1의 출력은 출력부 웰을 유체로 채우는 것과 등가이다. 0의 출력은 출력부 웰 내 유체의 결여로 명백히 나타난다. 도 14d는 AND 논리 게이트의 단면의 개략도를 보여준다. 2개의 온 버튼이 직렬로 배열되고 따라서 유체는 양 버튼이 가압되는 경우에만 출력부에 도달하게 된다. 4개의 단면이 도시되며, 각각의 가능한 입력부 조합에 대한 것이다.
도 14e는 OR 논리 게이트의 레이어의 개략도이고, 도 14f는 버튼을 가압하고 청색 염료를 소스로 첨가한 이후의 조립된 장치를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 10분간 유동한다. 도 14g는 OR 게이트의 진리표이고, 도 14h는 OR 논리 게이트의 단면의 개략도를 보여준다. 2개의 온 버튼이 병렬로 배열되고 따라서 유체는 어느 버튼이라도 가압되는 경우에 출력부에 도달하게 된다.
NOT 논리 게이트의 기능을 포함하는 마이크로유체 유동 제어 장치가 도 15를 참조하여 기술된다. 온 버튼은 단지 AND 및 OR 게이트의 구성에 대해서만 허용한다. NOT 게이트는 오프 버튼을 필요로 한다. 가압될 때, 오프 버튼은 채널을 막아 유체가 채널 안으로 유동하는 것을 방지한다. NOT 게이트는 단지 하나의 입력부, 이 경우에는 하나의 오프 버튼만을 갖는다. 버튼이 가압될 때, 유체는 출력부로 도달하는 것이 차단된다. 도 15는 NOT 게이트를 보여준다. 도 15a는 장치의 레이어를 개략도로 도시한다. 장치상에 2개의 NOT 게이트가 구성되어 2개의 가능한 입력 조합을 보여준다. 도 15b는 제 2 NOT 게이트의 버튼을 가압하고 소스로 유체를 첨가한 이후의 장치의 상부를 보여준다. 유체는 단지 버튼이 가압되지 않은 경우에만 출력부에 도달한다. 도 15d는 장치의 하부를 보여준다. 제 2 NOT 게이트에서, 유체는 채널 내 왁스에 의해 차단된다. 도 15c는 NOT 게이트의 단면의 개략도이다. 도 15e는 NOT 게이트 진리표를 보여준다.
NAND 및 NOR 논리 게이트의 기능을 포함하는 마이크로유체 유동 제어 장치가 도 16을 참조하여 기술된다. NAND 및 NOR 논리 게이트는 AND 및 OR 논리 게이트의 역이다. NAND 게이트는 2개의 오프 버튼을 병렬로 구성함으로써 달성될 수 있고, 따라서 유체는 양 버튼 모두가 가압되지 않는다면 출력부에 도달할 것이다. NOR 게이트는 직렬의 2개의 오프 버튼을 포함하고, 따라서 유체는 양 버튼 모두가 가압되지 않는 경우에만 출력부에 도달하게 된다. 도 16은 어떻게 NAND 및 NOR 게이트가 구성될 수 있는지를 보여준다. 도 16a는 NAND 논리 게이트의 레이어의 개략도를 보여준다. 도 16b는 모든 가능한 조합으로 입력부를 가압하고 소스로 청색 염료를 첨가한 이후에 조립된 장치를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 5분간 유동한다. 도 16c는 NAND 게이트 진리표이다. 도 16d는 NAND 논리 게이트의 단면의 개략도를 보여준다.
도 16e는 NOR 논리 게이트의 레이어의 개략도이다. 버튼을 가압하고 청색 염료를 소스로 첨가한 이후의 조립된 장치가 도 16f에 도시되어 있다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 3분간 유동한다. 도 16g는 NOR 게이트의 진리표이고, 도 16h는 NOR 논리 게이트의 단면의 개략도를 보여준다.
XOR 및 XNOR 논리 게이트의 기능을 포함하는 마이크로유체 유동 제어 장치가 도 17을 참조하여 기술된다. XOR 게이트는 NAND 및 OR 게이트의 직렬 조합에 의해 달성될 수 있다. XNOR 게이트는 NOR 및 AND 게이트의 병렬 조합이다. 도 17은 XOR 및 XNOR 게이트의 개략도 및 구현예를 보여준다. 도 17a는 XOR 논리 게이트의 레이어의 개략도이다. XOR 게이트는 직렬의 NAND 게이트 및 OR 게이트를 포함한다. 도 17b는 모든 가능한 조합으로 입력부를 가압하고 소스로 청색 염료를 첨가한 이후에 조립된 장치를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 5 내지 20분간 전달된다. 도 17c는 XOR 게이트의 진리표이고, 도 17d는 XOR 논리 게이트의 단면의 개략도이다.
도 17e는 XNOR 논리 게이트의 레이어의 개략도이다. XNOR 게이트는 병렬의 NOR 게이트 및 AND 게이트로 이루어진다. 도 17f는 모든 가능한 조합으로 버튼을 가압하고 소스로 청색 염료를 첨가한 이후에 조립된 장치를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 유체는 소스로부터 출력부로 3 내지 20분간 유동한다. 도 17g는 XNOR 게이트의 진리표이고, 도 17h는 XNOR 논리 게이트의 단면의 개략도이다.
실시예 3. 역다중화기와 같은 마이크로유체 유동 제어 장치
마이크로유체 역다중화기는 패턴화된 친수성 종이 레이어 및 앞서 기술한 채워지거나 채워지지 않은 개구부를 구비한 유체 불침투 매질 레이어를 사용하여 조립된다.
온 및 오프 버튼의 용례 중 하나는 유체를 특정 채널 또는 구역으로 안내하는 능력이다. 이러한 원리에 기초하는 마이크로유체 역다중화기는 도 18을 참조하여 기술되고, 이는 유체용 하나의 입력부와 여섯 개의 상이한 출력부를 포함한다. 출력부는 각 출력부 옆에 배치되어 있는 온 버튼에 의해 제어된다. 도 18은 유체 역다중화기를 보여준다. 이러한 장치는 단일 소스로부터 임의 개수의 출력부(이 경우에는 6개의 출력부)로 유체를 안내하기 위해 사용될 수 있다. 장치는 유체용의 1개의 소스, 6개의 온 버튼, 및 6개의 출력부 웰로 구성된다. 출력부는 버튼에 의해 결정된다. 도 18a는 역다중화기의 레이어의 개략도이고, 이 역다중화기는 정의된 친수성 영역을 구비한 패턴화된 종이 레이어 및 종이 디스크로 채워지거나 채워지지 않은 홀을 구비한 테이프 레이어를 사용하여 조립된다. 장치 내 채워지지 않은 홀은 상술한 온 버튼으로서 기능한다. 도 18b는 제 1 버튼(화살표에 의해 지시되어 있음)을 가압하고 소스로 유체를 첨가한 이후의 조립된 역다중화기를 보여준다. 기술된 실시형태에서, 30분 이후에도 단지 제 1 출력부만이 유체로 채워진다. 도 18c 내지 도 18j는 다른 버튼 또는 버튼들의 조합이 가압되고 유체가 소스로 첨가된 이후의 역다중화기의 도면이다. 각 도면은 상이한 장치를 보여준다.
수 개의 입력부를 갖고 사용자가 어느 입력부를 단일 출력부로 안내하게 할 것인지 선택하도록 허용하는 다중화기를 구성하기 위해 유사한 기법이 사용될 수 있다.
100: 3차원 마이크로유체 장치 110, 130: 종이 레이어
112, 114, 132: 채널 120: 분리 레이어
122, 124, 126, 128: 구멍
200: 종이 210: 소수성 폴리머 영역
220: 친수성 종이 영역 230: 홀
240: 양면 테이프 250: 종이 조각
260: 종이-테이프-종이 샌드위치
300: 3차원 마이크로유체 장치 301, 310: 시료 침전지
302, 304, 306, 308: 종이 디스크
303, 305, 307, 309, 311: 친수성 영역
312: 감광제 313: 종이가 채워진 홀
401, 405, 409: 종이 디스크로 채워진 홀
402, 406, 411, 412: 배포 영역
403: 제 1 위치 404: 제 2 위치
408: 종단 410: 하부 수용 레이어
413: 친수성 영역의 어레이 421, 451: 침전지
425: 사분면
510, 520, 530, 540, 550: 종이 레이어
511, 512: 유입구 513: 배포 영역
515, 525, 535, 545: 유체 불침투 레이어
521, 522, 523, 524: 종단 531, 532, 533, 534: 종단
610, 620, 630, 640: 종이 레이어
615, 625, 635: 유체 불침투 레이어
621, 622: 배포 영역
710, 720, 730, 740: 종이 레이어
715, 725, 735: 유체 불침투 레이어
711: 유체 침전지 712: 개구부
750: 홀
910, 920: 종이 레이어 911: 친수성 종이 영역
912: 소수성 폴리머 영역 915: 유체 불침투 레이어
925: 개구부 930: 친수성 영역
1000: 상부 종이 레이어
1010, 1012: 마이크로유체 채널 1014: 결합 구역
1018: 경계 1020: 제 2 종이 레이어
1022: 혼합 채널 1024: 테이프 레이어
1110, 1120, 1130, 1140: 종이 레이어
1111, 1112, 1131, 1132: 친수성 채널
1113, 1133: 결합 구역 1114, 1134: 경계
1115, 1135: 테이프 레이어 1116, 1136: 구멍
1117, 1137: 혼합 채널
1210, 1220, 1230, 1240, 1250: 종이 레이어
1211, 1212, 1241: 친수성 영역 1213, 1214: 홀
1215, 1225, 1235, 1245: 테이프 레이어
1216, 1217: 채널 1218: 결합 구역
1219: 경계 1226: 구멍
1231: 혼합 채널
1310, 1320, 1330: 종이 레이어
1311, 1312, 1321, 1331, 1333: 친수성 영역
1315, 1325: 테이프 레이어
1322, 1326, 1332: 홀

Claims (79)

  1. 3차원 마이크로유체 장치로서,
    적어도 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어를 포함하고, 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각은 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 것인 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어;
    상기 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되고, 하나 이상의 개구부를 포함하는 것인 유체 불침투 레이어; 및
    상기 유체 불침투 레이어의 상기 개구부에 배치되는 다공성 친수성 매질
    을 포함하며, 상기 친수성 매질은 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각의 상기 친수성 영역 중 적어도 하나와 유체 접촉하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 매질은 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 매질은 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 종이에는 화학적 또는 생물학적 시약, 지시약, 결합제, 유체 유동 지연제, 유체 유동 촉진제, 또는 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 성분이 주입되는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 장벽은 중합물 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 영역은
    제 1 유체를 침전하기 위한 침전지를 포함하는 제 1 친수성 영역;
    상기 침전지로부터 나온 상기 제 1 유체를 수용하고 상기 제 1 유체를 배포하기 위한 배포 영역을 포함하는 제 2 친수성 영역; 및
    상기 배포 영역으로부터 나온 상기 제 1 유체를 수용하기 위한 친수성 영역의 어레이
    를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 어레이의 각 친수성 영역은 상기 제 1 유체를 분석하기 위한 분석 시약을 더 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 분석 시약은 단백질 분석 시약, 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  15. 3차원 마이크로유체 장치로서,
    각각의 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어;
    매 2개의 인접한 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어마다 그 사이에 배치되고, 하나 이상의 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어; 및
    하나 이상의 상기 개구부를 채워, 국부 온도 제어를 제공하거나, 유체 시료를 분석하거나, 마이크로유체 시료를 여과하거나, 또는 마이크로유체 유동을 조정하기 위한 재료 플러그
    를 포함하고, 상기 재료 플러그는 상기 인접한 패턴화된 다공성 친수성 레이어 각각의 상기 친수성 영역 중 하나의 적어도 일부분과 직접 접촉하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 유체 시료를 분석하기 위한 분석 시약을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 분석 시약은 단백질 분석 시약, 포도당 분석 시약, 아세토아세트산 나트륨 분석 시약, 아질산 나트륨 분석 시약, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 시드(seed)를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 시드는 콩 시드, 껍질, 및 콩고물, 또는 분석 시약으로서 사용되는 페록시다아제(peroxidase)를 제공하는 임의의 다른 시드(seed)를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  20. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 고형물 또는 혈구를 여과하기 위한 필터를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 필터는 여과지, 고형 오염물을 제거하기 위한 임의의 다른 여과 매질, 덱스트란(dextran), 또는 혈액 시료로부터 적혈구를 제거할 수 있는 임의의 다른 재료를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  22. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 국부 온도 제어를 제공하기 위해, 유체와 접촉할 때 열을 흡수하거나 열을 내는 염(salt)을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 염은 질산 암모늄 또는 황산 마그네슘을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  24. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 마이크로유체 전도(microfluidic communication)를 허용하기 위해 유체와 접촉할 때 팽창하는 겔(gel)을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 겔은 아가로스(agarose), 메틸셀룰로오스(methylcellulose), 및 하이라노난(hylaronan)을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  26. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 마이크로유체 전도를 허용하기 위해 자기장의 영향하에서 움직일 수 있는 자성 재료를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 자성 재료는 산화철을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  28. 제 15 항에 있어서, 상기 재료 플러그는 유체 혼합 가능한 재료 또는 유체 혼합 가능한 재료와 유체 혼합 불가능한 재료의 혼합물을 포함하고, 상기 유체 혼합 가능한 재료는 유체와 접촉할 때 용해되어 마이크로유체 전도를 허용하고, 일단 상기 유체 혼합 가능한 재료가 용해되어 흐르면 더 이상의 마이크로유체 전도가 허용되지 않는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 유체 혼합 가능한 재료는 당류를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 당류는 자당(sucrose)을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 유체 혼합 불가능한 재료는 소수성 폴리머를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 소수성 폴리머는 폴리스티렌을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  33. 제 15 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  34. 제 15 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  35. 제 15 항에 있어서, 상기 장벽은 중합물 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  37. 제 15 항에 있어서, 상기 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 장치.
  40. 3차원 마이크로유체 혼합기로서,
    패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어로서, 상기 친수성 영역 중 하나는 제 1 유체 유동 채널 및 제 2 유체 유동 채널, 및 결합 구역을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2유체 유동 채널은 상기 결합 구역으로 합류하는 것인 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어;
    패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어로서, 상기 친수성 영역 중 하나는 혼합 채널을 포함하는 것인 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어; 및
    상기 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되고, 상기 결합 구역과 정렬되고 상기 혼합 채널의 적어도 일부분과 정렬되는 채워지지 않은 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어
    를 포함하고, 상기 결합 구역은 제 1 공간 분리 위치로부터 제 2 접촉 위치로 이동 가능하고, 상기 공간 분리 위치에서, 상기 결합 구역은 상기 혼합 채널과 유체 접촉하지 않으며, 상기 접촉 위치에서, 상기 결합 구역은 상기 혼합 채널과 유체 접촉하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 유체 유동 채널은 상기 결합 구역으로 합류하고, 상기 제 1 및 제 2 유체 유동 채널 사이의 경계를 정의하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 혼합 채널은 상기 경계에 대해 수직한 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  43. 제 40 항에 있어서, 상기 혼합 채널의 길이는 1 mm를 초과하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  44. 제 40 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  45. 제 40 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  46. 제 40 항에 있어서, 상기 장벽은 중합물 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  48. 제 40 항에 있어서, 상기 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  49. 제 48 항에 있어서, 상기 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 혼합기.
  51. 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치로서,
    패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어; 및
    매 2개의 인접한 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어마다 그 사이에 배치되고, 하나 이상의 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어를 포함하고,
    이때 상기 복수의 패턴화된 다공성 친수성 레이어는
    패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어로서, 상기 친수성 영역 중 하나는 제 1 유동 채널을 포함하는 것인 제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어; 및
    패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어로서, 상기 친수성 영역 중 하나는 제 2 유동 채널을 포함하는 것인 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어
    를 포함하고, 상기 유체 불침투 레이어는 상기 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되고 상기 제 1 및 제 2 유동 채널과 적어도 부분적으로 정렬되는, 채워지지 않은 개구부를 포함하는 제 1 유체 불침투 레이어를 포함하며,
    상기 제 1 유동 채널의 적어도 일부분은 제 1 공간 분리 위치로부터 제 2 접촉 위치로 이동 가능하고, 상기 공간 분리 위치에서, 상기 제 1 유동 채널은 상기 제 2 유동 채널과 유체 접촉하지 않으며, 상기 접촉 위치에서, 상기 제 1 유동 채널은 상기 제 2 유동 채널과 유체 접촉하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  52. 제 51 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  53. 제 51 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  54. 제 51 항에 있어서, 상기 장벽은 중합물 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  55. 제 54 항에 있어서, 상기 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  56. 제 51 항에 있어서, 상기 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  57. 제 56 항에 있어서, 상기 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  58. 제 57 항에 있어서, 상기 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  59. 제 51 항에 있어서, 상기 3차원 마이크로 유체 유동 제어 장치는 상기 유체 불침투 레이어 중 하나의 상기 개구부 중 하나에 배치되며, 미리 선택된 온도에서 용융되어 유동할 수 있는 저융점 소수성 재료를 포함하는 소수성 플러그를 더 포함하고,
    상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어 중 하나는 상기 소수성 플러그를 포함하는 상기 유체 불침투 레이어 아래에 위치하고, 상기 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 상기 친수성 영역 중 하나를 포함하며,
    상기 소수성 재료는 상기 미리 선택된 온도에서 용융되어 상기 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 상기 친수성 영역으로 유동하여 상기 친수성 영역을 실질적으로 차단하고 상기 친수성 영역 내의 마이크로유체 유동을 금지하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  60. 제 59 항에 있어서, 상기 소수성 플러그는 상기 저융점 소수성 재료가 침투하는 다공성 친수성 매질을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  61. 제 59 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 매질은 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  62. 제 59 항에 있어서, 상기 저융점 소수성 재료는 저융점 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  63. 제 62 항에 있어서, 상기 왁스는 양초 왁스, 치즈 왁스, 패키징 왁스, 파라핀 왁스, 베이베리 왁스, 또는 다른 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  64. 제 63 항에 있어서, 상기 왁스는 베이베리 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  65. 제 59 항에 있어서, 상기 저융점 소수성 재료는 200℃ 미만, 100℃ 미만, 50℃ 미만, 또는 45℃ 내지 50℃의 용융점을 갖는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  66. 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치로서,
    제 1 패턴화된 다공성 친수성 레이어와 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어로서, 이들 각각은 상기 제 1 또는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어의 두께를 실질적으로 관통하여 상기 제 1 또는 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어에 하나 이상의 친수성 영역의 경계를 형성하는 유체 불침투 장벽을 포함하는 것인 제 1 및 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어;
    상기 제 1 및 제 2 상기 패턴화된 다공성 친수성 레이어 사이에 배치되고, 하나 이상의 개구부를 포함하는 유체 불침투 레이어; 및
    상기 유체 불침투 레이어에 있는 상기 개구부 중 하나에 배치되고, 미리 선택된 온도에서 용융되어 유동할 수 있는 저융점 소수성 재료를 포함하는 소수성 플러그
    를 포함하고, 상기 제 2 패턴화된 다공성 친수성 레이어는 상기 소수성 플러그를 포함하는 상기 유체 불침투 레이어 아래에 위치하고 상기 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 상기 친수성 영역 중 하나를 포함하며,
    상기 소수성 재료는 상기 미리 선택된 온도에서 용융되어 상기 소수성 플러그와 적어도 부분적으로 정렬되는 상기 친수성 영역으로 유동하여 상기 친수성 영역을 실질적으로 차단하고 상기 친수성 영역 내의 마이크로유체 유동을 금지하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  67. 제 66 항에 있어서, 상기 소수성 플러그는 상기 저융점 소수성 재료가 침투하는 다공성 친수성 매질을 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  68. 제 66 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 매질은 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  69. 제 66 항에 있어서, 상기 저융점 소수성 재료는 저융점 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  70. 제 69 항에 있어서, 상기 왁스는 양초 왁스, 치즈 왁스, 패키징 왁스, 파라핀 왁스, 베이베리 왁스, 또는 다른 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  71. 제 70 항에 있어서, 상기 왁스는 베이베리 왁스를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  72. 제 66 항에 있어서, 상기 저융점 소수성 재료는 200℃ 미만, 100℃ 미만, 50℃ 미만, 또는 45℃ 내지 50℃의 용융점을 갖는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  73. 제 66 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  74. 제 66 항에 있어서, 상기 다공성 친수성 레이어는 크로마토그래피 종이를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  75. 제 66 항에 있어서, 상기 장벽은 중합물 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  76. 제 75 항에 있어서, 상기 중합물 감광제는 SU-8 감광제를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  77. 제 66 항에 있어서, 상기 유체 불침투 레이어는 플라스틱 시트를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  78. 제 77 항에 있어서, 상기 플라스틱 시트는 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
  79. 제 78 항에 있어서, 상기 접착 테이프는 양면 접착 테이프를 포함하는 것인 3차원 마이크로유체 유동 제어 장치.
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