KR20120030130A - 다이아프램 밸브를 포함하는 유체 장치 - Google Patents

다이아프램 밸브를 포함하는 유체 장치 Download PDF

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룰리우 아이. 블라가
스테반 비. 조바노비치
보리스 코브린
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Abstract

본 발명은 유체 장치, 특히 낮은 실패율을 갖는 다이아프램 밸브를 가진 미세 유체 장치를 제공하고, 낮은 실패율은 상기 다이아프램이 밸브 시트, 밸브 챔버, 유체 채널 및 유체 도관과 같은 교차 표면에 접착되는 것을 방지함으로써 달성된다. 이것을 완성하기 위한 한 가지 방법은 상기 다이아프램, 특히 밸브 시트를 마주하고 귀금속, 과불화 폴리머, 자가결합 단층, 견고한 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 또는 금속 산화물과 같은 저에너지 물질을 갖는 노출된 표면을 제공하는 것이다. 다른 실시예에서, 상기 밸브는 리지를 포함하여 제공되고, 상기 다이아프램은 상기 유체층 또는 부착 물질을 포함하는 작동층에 부착된다.

Description

다이아프램 밸브를 포함하는 유체 장치{FLUIDIC DEVICES WITH DIAPHRAGM VALVES}
본 발명은 다이아프램 밸브를 포함하는 유체 장치에 관한 것이다.
본 명세서는 2009년 6월 2일에 출원된 USSN 61/183,468 및 2009년 7월 21일에 출원된 USSN 61/227,186에 관한 것이고, 모든 목적에 대해 이것을 본원에 참조로서 원용한다.
메티스 등(미국 특허 공보 제2004-0209354호)은 공압 채널을 포함하는 제 1 표면, 유체 채널을 포함하는 제 2 표면; 및 제 1 표면과 제 2 표면 사이에 위치된 탄성체막을 포함하는 미세 유체 구조를 설명하며, 여기서 상기 공압 채널에 압력 또는 진공을 적용하는 것은 상기 유체 채널에서 유체의 흐름을 조절하도록 상기 막의 방향 조절을 야기한다.
이러한 장치의 유체 도관 내의 유체 흐름은 밸브 시트 상에 위치한 탄성체막을 포함하는 도관 내의 다이아프램 밸브에 의해 조절될 수 있다. 상기 탄성체막이 상기 밸브 시트에 접촉되어 있는 경우, 탄성체막은 유체 도관을 지나는 유체 흐름을 막는다. 상기 탄성체막이 상기 밸스 시트에 접촉되어 있지 않은 경우, 통로는 유체가 밸브를 가로질러 흐를 수 있도록 존재한다.
앤더슨 등(Nucleic Acids Res. 2000년 6월 15일;28(12):E60)은 초음파 용접 또는 접착제를 이용하여 함께 유지된 플라스틱 장치를 설명한다.
실시예에서, 상기 탄성체막은 두 개의 유리층 사이에 샌드위칭 된 폴리디메틸실록산(PDMS)의 시트를 포함한다. 상기 탄성체막은 일반적으로 밸브 시트 상에 위치하고 상기 탄성체의 반대표면에 네거티브 압력의 적용에 의해 상기 밸브 시트로부터 옮겨진다. 일반적으로 상기 탄성체막은 상기 유체 및 공압층의 표면에 접촉되거나 결합하여 상기 밸브를 밀봉하고, 상기 밸브는 상기 탄성체막이 상기 밸브 시트; 다른 노출된 표면; 또는 상기 탄성체와 상기 유체층 및 공압층의 접촉 표면 사이에 불충분한 결합으로 초래되는 상기 미세 유체 장치의 탈-적층에 빠져 움직일 수 없게 되지 않는 한 기능을 한다.
미국 특허 제7,063,304호; LEYS, 2006년 6월 20일 미국 특허 제7,377,483호; IWABUCHⅱ 등; 2008년 5월 27일 미국 특허 제7,416,165호; OHMI 등; 2008년 8월 26일 미국 특허 제7,445,926호; MATHIES 등, 2008년 11월 4일 미국 특허 공보 제2004/0209354호; MATHIES 등, 2004년 10월 21일 미국 특허 공보 제2005/0161669호, JOVANOVICH 등, 2005년 7월 28일 미국 특허 공보 제2006/0073484호; MATHIES 등, 2006년 4월 6일 미국 특허 공보 제2007/0113908호; LEE 등; 2007년 5월 24일 미국 특허 공보 제2007/0248958호; JOVANOVICH 등, 2007년 10월 25일 미국 특허 공보 제2007/0289941호; DAVIES; 2007년 12월 20일 미국 특허 공보 제2008/0014576호; JOVANOVICH 등, 2008년 1월 17일 PCT 공보 WO2008/1115626; JOVANOVICH 등, 2008년 9월 25일 PCT 공보 WO2009/108260; VANGBO 등, 2009년 9월 3일
Anderson RC, Su X, Bogdan GJ 및 J.Fenton. "A miniature integrated device for automated multistep genetic assays." Nucleic Acids Res. 2000년 6월 15일; 28(12):E60 Bianco 등, "Teflon-like Coatings for Microdevices" CPAC Satellite Workshops, 로마, 이탈리아, 2009년 3월 23일~25일 Blaga 등, "Plastic chips with valves and pumps", MSB Conference, 2008년 3월, 베를린, 독일 Grover, W.H.A.M. Skelley, C.N.Liu, E.T.Lagally 및 R.M.Mathies. 2003년 "Monolithic membrane valves and diaphragm pumps for practical large-scale integration into glass microfluidic devices." Sensors and Actuators B89:315-323 Lee 등, "Polymer Nanoengineering for Biomedical Applications," Annals Biomed. Engineer., 2006년 34:75-88 Lu 등, Anal. Chem., 2007년 79, 994-1001 Oh 등, "A review of microvalves", J.Micromech.Microeng., 16(2006년)R13-R39 Samel, "Novel Microfluidic Devices Based On A Thermally Responsive PDMS Composite," School of Electrical Engineering, Royal Institute of Technology, 스톡홀름, 스웨덴, 2007년 9월 7일 Tajima 등, J.Phys.Chem.C, 2007년 111(11)4358-4367 Willis 등, Lab on a Chip, 2007년 7월 1469-1474 Zhang 등, "PMMA/PDMS valves and pumps for disposable microfluidics," Lab Chip 2009년 9:3088(2009년 8월 20일)
본 발명의 목적은 다이아프램 밸브를 포함하는 유체 장치를 제공하는 것이다.
일 양태에서 본 발명은 유체층, 작동층, 및 상기 유체층과 작동층 사이에 샌드위칭 된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치를 제공하고, (a) 상기 유체층 및 작동층은 상기 탄성층에 접촉하는 밀봉 표면을 포함하며; 그리고 (b) 상기 유체층은 표면(surface)을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하고, 상기 작동층은 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관을 포함하되, 상기 유체 도관 및 작동 도관의 표면 중 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되며, 노출된 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 더 포함하며, 각각의 다이아프램 밸브는 (i) 상기 작동층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 바디, (ⅱ) 상기 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트, (ⅲ) 상기 탄성층에 포함되고, 상기 밸브 시트 표면에 안착하거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (ⅳ) 유체가 밸브로 유입, 유출되게 구성된 밸브 포트를 포함하되, 여기서 상기 밸브 시트 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 밀봉 표면은 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하지 않는다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 유체 도관은, 밸브 시트를 포함하지 않는 노출된 표면을 포함하는 챔버를 더 포함하며, 상기 챔버의 노출된 표면 중 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 밸브 바디의 적어도 일부분은 상기 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 밸브의 모든 노출된 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 유체 도관 및 작동 도관의 모든 노출된 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 노출된 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 일부 노출된 표면을 갖도록 패턴화되어 있다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질은 자가조립 단층, 패럴린, 다이아몬드형 탄소 및 금속 산화물(예를 들면, 티타니아 및 알루미나), 금속 및 세라믹에서 선택된다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질은 금과 같은 귀금속을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 귀금속은 크로뮴같은 내화 금속층 상에 코팅된다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질은 과불화 폴리머를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질은 폴리(테트라플루오로에틸렌)(Teflon？)을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 표면은 접촉 표면보다 적어도 20° 큰 수접촉각(water contact angle)을 가진다. 다른 실시예에서, 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 표면은 접촉 표면보다 적어도 100°의 수접촉각을 가진다. 다른 실시예에서, 상기 유체층 또는 작동층은 유리(예를 들면, 보로실리케이트 유리, 보로플로트 유리, Corning Eagle 2000, 파이렉스), 실리콘, 석영 및 플라스틱(예를 들면, 폴리카보네이트, 올레핀코폴리머(예를 들면, Zeonor), 시클로올레핀 코폴리머, 실리콘 아크릴, 액정고분자, 폴리메틸메톡시아크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 폴리프로필렌 및 폴리티올)에서 선택되는 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 탄성층은 열가소성 플라스틱 또는 가교 플라스틱에서 선택되는 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 탄성층은 실리콘(예를 들면, 폴리디메틸실록산), 폴리이미드(예를 들면, Kapton™, Ultem), 고리형 올레핀코폴리머(예를 들면, Topas™, Zeonor), 고무(예를 들면, 천연 고무, 부나(Buna), EPDM), 스티렌블록코폴리머(예를 들면, SEBS), 우레탄, 퍼플루오로 탄성체(예를 들면, Teflon, PFPE, Kynar), 마일라(Mylar), 비톤(Viton), 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 산토프렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌에서 선택되는 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 탄성층은 실리콘을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 탄성층은 PDMS를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 탄성층은 탈기 및 UV오존 이온화에 의해 처리된 PDMS를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 밀봉 표면은 상기 탄성체에 가열결합되어있다. 다른 실시예에서, 상기 밀봉 표면은 상기 탄성층에 압력에 의해 유지되어 있다. 다른 실시예에서, 단일체 탄성체는 복수 개의 밸브 시트를 덮는다. 다른 실시예에서, 상기 작동층은 공압층이다. 다른 실시예에서, 상기 작동층은 다른 유체 도관에 복수 개의 다이아프램 밸브를 작동시키는 하나 이상의 작동 도관을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 유체 채널과 교류하는 외부 포트를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 1mm 미만으로 분리된 유체 도관을 더 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 1,000㎟ 당 5개 이상의 유체 회로를 가진 유체층을 더 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 유체층 및 상기 유체층의 면(face)과 접촉하고 있는 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치를 제공하며; (a) 상기 유체층은 유체-접촉 표면의 적어도 일부가 상기 탄성층에 노출된, 상기 유체-접촉 표면 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하며; 그리고 (b) 상기 노출된 유체-접촉 표면에서 유체 도관을 밀봉하도록 상기 탄성층에 결합된 밀봉 표면을 포함하며; 상기 노출된 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 밀봉 표면 보다 큰 소수성을 갖는 저 표면 에너지 물질을 포함한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 (a) 제 2 항의 미세 유체 장치; (b) 상기 유체 도관에 유체를 운반하도록 구성된 유체 운반 시스템; 및 (c) 상기 작동층을 제어하도록 구성된 제어 시스템을 포함하는 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 작동층은 공압층이다. 다른 실시예에서, 상기 시스템은 상기 유체 운반 시스템 및 상기 제어 시스템의 작동을 제어하도록 프로그램되고 구성된 컴퓨터를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 (a) (i) 표면을 포함하는 하나 이상의 유체 도관 및 (ⅱ) 하나 이상의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 유체층을 제공하는 단계, 및 (b) 탄성층을 밀봉 표면에 결합시키지만, 노출된 유체 도관 표면에는 결합시키지 않은 단계를 포함하며,
유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되고, 유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 미세 유체 장치를 제작하는 방법을 제공한다. 일 양태에서, 본 발명은 (c) 결합 후에 노출된 표면으로부터 저에너지 물질을 제거하는 단계를 더 포함한다. 또한, 다른 양태에서 본 발명은 (c) (i) 표면을 포함하는 하나 이상의 작동 도관 및 (ⅱ) 하나 이상의 밀봉 표면을 포함하는 표면을 포함하는 작동층을 제공하는 단계, 및 (d) 상기 탄성층을 작동 밀봉 표면에 결합시키지만 노출된 작동 도관 표면에는 결합시키지 않는 단계를 더 포함하며, 작동 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 면에 노출된다.
다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하되, 각각의 다이아프램 밸브는 (i) 상기 작동층의 노출된 표면을 포함하는 바디, (ⅱ) 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트, (ⅲ) 상기 탄성층 내에 포함되고 상기 밸브 시트의 표면에 안착하거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (ⅳ) 유체가 상기 밸브에 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하며, 밸브 시트 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 밸브 시트의 적어도 한 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함한다. 다른 실시예는 (i) 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관 및 적어도 하나의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 유체층으로, 유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되는 것을 포함하는 유체층을 제공하는 단계; 및 (ii) 상기 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는 단계를 포함하는 유체층을 제공한다. 다른 실시예는 (i) 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관 및 적어도 하나의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 작동층으로, 작동 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되는 것을 포함하는 작동 층을 제공하는 단계; 및 (ii) 상기 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는 단계를 포함하는 작동층을 제공한다. 다른 실시예에서, 상기 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는 단계는 (1) 저 표면 에너지 물질로 코팅되도록 표면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 쉐도우 마스크를 포함한 표면을 덮는 단계; 및 (2) 노출 부분 상에 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 증착하는 단계는 화학 기상 증착법에 의해 실행된다. 다른 실시예에서, 증착하는 단계는 물리 기상 증착법에 의해 실행된다. 다른 실시예에서 상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는 (1) 상기 면 및 노출된 표면 상에 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계; 및 (2) 쉐도우 마스크를 이용하고, UV오존 또는 산소 플라즈마에 노출시켜 상기 면으로부터 저 표면 에너지 물질을 선택적으로 제거하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는 (1) 면 또는 노출된 표면을 코팅하거나 그대로 두기 위해 이의 일부를 활성화하거나 비활성화하는 단계; 및 (2) 상기 저 표면 에너지 물질에 표면을 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 저 표면 에너지 물질은 노출면에 부착된다. 다른 실시예에서, 상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는 (1) 포토레지스트 패턴화된 마스크를 통해 상기 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계; (2) 유체층의 면을 상기 마스크에 접촉시키는 단계; 및 (3) 상기 노출된 표면 상에 저 표면 에너지 물질을 남기는 박리 처리로 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 적어도 하나의 미세 유체 채널은 복수 개의 미세 유체 채널이다. 다른 실시예에서, 상기 탄성층은 상기 밀봉 영역에 열결합된다. 다른 실시예에서, 상기 탄성 물질은 단일체이다.
다른 양태에서, 본 발명은 (a) 탈기 및 UV오존 이온화에 의한 실리콘(예를 들면, PDMS)층의 처리 단계; 및 (b) 도관을 갖도록 식각된 층의 표면에 처리된 실리콘을 결합시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은 (a) 표면에 노출된 하나 이상의 도관을 포함하는 제 1 층, 표면에 노출된 하나 이상의 도관을 포함하는 제 2 층, 및 상기 제 1 층 및 제 2 층 사이에 탄성층을 포함하는 샌드위치를 생성하는 단계; (b) 상기 표면에 상기 탄성층을 결합시키는 단계; 및 (c) PEG 또는 1-2 프로판디올로 도관을 세척(flushing)하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은 (a) 상기 미세 유체 도관에서 유체를 갖는, 다이아프램 밸브가 닫혀 있는 제 2 항에 따른 장치를 제공하는 단계; (b) 상기 다이아프램 밸브를 개방하는 단계; (c) 유체가 개방된 밸브를 통과해 흐르도록 하는 단계; (d) 밸브를 닫는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하는 미세 유체 장치를 제공하고, 상기 밸브는 1/1,000, 1/10,000 또는 1/100,000 미만의 작동 실패율을 갖는다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 10개 이상의 안착된(seated) 다이아프램 밸브, 50개 이상의 안착된 다이아프램 밸브 또는 100개 이상의 안착된 다이아프램 밸브를 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 1㎠ 당 1개 이상의 다이아프램 밸브가 있는 밀도를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하는 미세 유체 장치를 제공하며, 상기 미세 유체 장치는 20% 미만, 1% 미만 또는 0.1% 미만의 장치 실패율을 갖는 복수 개의 다이아프램 밸브를 갖는 10개 이상의 미세 유체 장치의 집단의 부재이다.
다른 양태에서, 본 발명은 (a) 복수 개의 정의된 처리된 영역을 포함하는 제 1 표면을 갖는 제 1 층; 및 (b) 제 1 표면의 일부분에 결합되고 상기 정의된 처리된 영역에서 제 1 표면에 결합되지 않은 유연층을 포함하는 장치를 제공한다.
다른 양태에서, 본 발명은 유체층, 작동층 및 이들 사이에 샌드위칭된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치를 제공하며, (a) 상기 유체층 및 작동층은 상기 탄성층에 접촉하는 밀봉 표면을 포함하고; (b) 상기 유체층은 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하고, 상기 작동층은 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관을 포함하되, 상기 유체 도관 및 작동 도관 표면의 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되며, 상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내에서 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하되, 다이아프램 밸브 각각은 (i) 상기 작동층 및 유체층의 노출된 표면을 포함하는 바디, (ⅱ) 상기 탄성층에 포함되고 상기 밸브 시트의 표면에 안착되거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (ⅲ) 유체가 상기 밸브에 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하며, 상기 바디에서 유체층의 노출된 표면의 적어도 일부분은 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성된다. 일 실시예에서 상기 밸브는 상기 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트를 더 포함하며, 상기 다이아프램은 상기 밸브 시트 상에 안착되어 상기 밸브를 닫도록 구성되고, 상기 밸브 시트는 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성되지 않는다. 다른 실시예에서, 유체 채널의 표면은 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성되지 않는다. 다른 실시예에서, 상기 결합 기능성은 핵산, 단백질, 탄수화물, 금속 또는 금속 킬레이트를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 제 1 기판층 및 제 2 기판층 및 이들 사이에 샌드위칭되고 상기 기판층들의 밀봉 표면에 접촉하는 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치를 제공하며, 상기 미세 유체 장치는 하나 이상의 기판층에 구멍을 포함하는 바디로 구성된 하나 이상의 다이아프램 밸브, 탄성층의 일부분을 구성한 다이아프램, 및 유체가 밸브안으로 유입되고 밖으로 유출되도록 하는 포트를 포함하며, 유체는 유체-접촉 표면에 접촉하고, 상기 미세 유체 장치는 상기 탄성층이 밀봉 표면에 결합되지만 유체-접촉 표면에는 결합되지 않도록 구성된다. 일 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 유체-접촉 표면을 갖는 밸브 시트를 더 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 상기 밀봉 표면이 포함하지 않는 저에너지 물질을 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 유체층, 상기 유체층의 표면 상에 부착층, 상기 부착층에 부착된 탄성층을 제공하며, (a) 상기 유체층은 유체-접촉 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하되, 상기 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되고, (b) 상기 부착층은 상기 유체층에서 리지(ridge)에 의해 적어도 일부분의 유체 도관 부분과 분리된다. 일 실시예에서, 상기 부착층은 테이프, 수용액 또는 반-수용액을 포함한다. 다른 실시예에서, 상기 부착제는 아크릴계 부착제 또는 실리콘계 부착제를 포함한다.
본 명세서에 언급된 모든 공보 및 특허 출원은 각각의 공보 또는 특허 출원이 분명하고 개별적으로 참조로서 원용되는 경우, 동일한 구문에서 본원에 참조로서 원용된다.
본 발명의 신규한 특징은 첨부된 청구항의 특징으로 제시된다 . 본 발명의 특징 및 이점의 더 나은 이해는 본 발명의 이론과 첨부된 도면을 사용하여 예시적인 실시예로 제시되는 하기 상세한 설명을 참조하여 얻어질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 다이아프램 밸브의 클램쉘뷰(clamshell view)를 도시한다. 유체층(101)은 상기 유체층의 표면과 평면인 밸브 시트(103)에 의해 개입된 유체 채널(102)을 포함하는 유체 도관을 포함한다. 본 실시예에서, 상기 유체 채널은 유체 밸브 바디(104)에 의해 열린다. 상기 유체층의 한 면은 상기 조립 장치 내의 탄성층(105)에 접촉되어 있다. 상기 면은 상기 탄성층이 밀봉될 수 있는 밀봉 표면(106), 상기 기능 요소-상기 밸브 시트를 포함하는 유체 도관의 노출된 표면을 포함한다. 작동층(111)은 작동 채널(112) 및 상기 밸브 시트에 마주하게 배치된 작동 밸브 바디(113)을 포함하는 작동 도관을 포함한다. 또한, 상기 작동층은 밀봉 표면(114) 및 기능성 요소인 노출된 표면(112 및 113의 표면)을 갖는 상기 조립 장치 내의 탄성층에 접촉되어 있는 면을 포함한다. 점묘 영역은 저에너지 물질의 코팅을 나타낸다.
도 2는 3차원으로 조립된 다이아프램 밸브를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 닫히고(도 3a) 열린(도 3b) 구성의 "3층" 다이아프램 밸브의 단면도를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 분해도 및 조립도이고, 복수 개의 하부층을 포함하는 유체층이 존재하는 장치의 일부분을 도시한다. 상기 최상 또는 외부 하부층(121)을 "식각"층이라고 하고, 바닥 또는 낮은 하부층(122)을 "비아"층이라고 한다. 본 실시예에서, 상기 식각층은 상기 비아층을 마주하는 표면에 홈(groove)(예를 들면, 123 및 128)을 포함하여 닫힌 유체 채널을 형성한다. 상기 비아층은 상기 탄성층(105)을 마주하는 표면 상에 홈(예를 들면, 124)을 포함한다. 상기 탄성층이 상기 비아층에 결합되고 압박되는 경우, 이것은 채널을 덮고 밀봉하여 누출에 대비한다. 또한, 상기 비아층은 이러한 하부층을 횡단하고 한 면은 상기 탄성층과 이어지고, 다른 한 면은 상기 식각층과 이어지는 비아(예를 들면, 홀 또는 비아)(예를 들면, 126 및 127)를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 식각층에 있는 채널에서 이동하는 유체는 상기 탄성층과 마주하고 있는 상기 비아층 내의 도관으로 흐를 수 있다.
도 5는 미세 유체 도관의 실시예를 도시한다.
도 6은 미세 유체 도관의 실시예를 도시한다.
도 7은 미세 유체 도관의 실시예를 도시한다.
도 8은 미세 유체 도관의 실시예를 도시한다.
도 9는 미세 유체 도관의 실시예를 도시한다.
도 10은 타원형 챔버를 도시한다.
도 11은 다이아프램 펌프를 형성하고 다이아프램 밸브 3개를 연속으로 포함하는 장치의 3차원도를 도시한다.
도 12는 유체 관통 밸브를 제시하고, 여기서 한 개 채널(1210)은 항시 열려있고 다른 채널(1220)과 교류하며 밸브(1230)에 의해 조절된다. 유체 관통 채널(1210)은 유체 관통 밸브(1230)가 위치한 교차점에서 교차 채널(1220)과 교차한다.
도 13은 밸브와 연결되는 3개의 채널을 제시하고, 상기 밸브가 닫혀 있는 경우 세 개 채널 모두 사이의 유체을 막거나 감소시키고, 열려있는 경우 상기 세 개 채널 사이에 유체를 흐르게 한다. 이것을 "Y"밸브라고 한다.
도 14는 공동 포트(70)와 연결되는 3개의 미세 유체 도관에 대한 유체 아키텍처를 도시한다.
도 15는 총 24개의 미세 유체 회로를 포함하는 장치에 조립된 도 14의 회로의 조합을 도시한다.
도 16a 및 도 16b는 상기 회로에 개입하는 복수 개의 유체 회로 및 밸브 시트를 포함하는 유체층; 및 분해되고 닫혀진 구성으로 저에너지 물질을 부착하는 열려진 밸브 시트를 포함하는 쉐도우 마스크(1601)를 도시한다. 예를 들면, 홀(1629)는 밸브(129)와 나란하고 홀(1631)은 밸브(131)와 나란하게 위치한다.
도 17a 및 17b는 밸브(129)의 밸브 시트와 유일하게 짝을 이루는 홀(1729)을 포함하는 쉐도우 마스크를 도시한다.
도 18은 상기 채널과 밸브 시트를 경계로 접하는 융기 영역을 포함하는 유체층을 포함하는 장치를 도시한다. 도 18a 및 도 18b은 상기 유체층의 표면의 나머지 부분 위로 고양된 영역 또는 리지를 제시하는 도 18의 단면도이다. 다른 실시예의 이러한 대조에서 상기 채널의 상부 및 상기 밸브 시트는 상기 유체층의 접촉 표면과 적면한다. 도 18c는 상기 탄성층(105)에 접하는 상기 유체층(101)의 면을 제시하는 클램쉘뷰이다.
1. 서론
본 발명의 상기 유체 장치는 하나 이상 또는 복수 개의 유체 도관 내에, 예를 들면 온-장치 다이아프램 밸브에 의해 조절되는 유체 흐름 및 예를 들면 공압기 또는 유압기에 의해 작동되는 펌프를 포함한다. 상기 미세 유체 장치는 일반적으로 탄성층에 결합되는 유체층을 포함하고, 여기서 상기 탄성층은 상기 유체층에서 유체 경로에서 장애물(예를 들면, 밸브 시트)을 가로지르는 유체 흐름을 조절하는 방향 변경이 가능한 다이아프램으로서 기능을 한다. 상기 탄성층은 PDMS와 같은 폴리실록산을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 3개의 층을 포함한다: 유체층, 작동층 및 이들 사이에 샌드위칭 된 탄성층. 상기 3개의 층은 하나의 유닛으로 함께 결합된다. 작동 도관은 상기 층을 통과하는 개구(예를 들면, 보아)로서 또는 상기 층의 표면을 절단하고, 그 부분의 끝에서 개방되는 채널로서 배치될 수 있다. 보아(bore)의 경우, 상기 작동층이 구성되어 하나의 도관이 하나의 밸브를 조절할 수 있다. 대안적으로, 상기 작동 도관이 상기 작동층의 표면을 가로지르는 채널로서 구성되는 경우, 하나의 도관은 복수 개의 밸브의 가동을 조절할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 유체층 및 상기 탄성층은 함께 결합하여, 짝을 이룰 수 있고, 작동 층으로부터 제거될 수 있는 단일 유닛을 형성할 수 있으며, 상기 작동층으로부터의 제거는 예를 들면 클램핑에 의해서 압력을 가하고 제거하는 등을 통해 이루어질 수 있다. 상기 미세 유체 장치는 상기 탄성체, 및 유체 도관 또는 작동 도관, 밸브 시트, 밸브 챔버 및 채널과 같은 상기 미세 유체 장치의 기능성 구성 요소 사이의 접착을 감소시키도록 구성된다. 이것은, 예를 들면 기능성 표면을 저 표면 에너지 물질로 처리하거나, 공정에서 기능부에 탄성층이 결합하지 않고 탄성층에 유체층 또는 작동층이 결합하도록 물질을 제공함으로써 달성된다.
유체 도관 및 작동 도관은 플라우, 딤플, 컵, 개방 채널, 홈, 트렌치, 압입 자국, 임프레션 등을 갖는 상기 유체층 또는 작동층의 표면에서 형성될 수 있다. 도관 또는 통로는 그들의 기능에 적합한 임의의 형태를 취할 수 있다. 이것은, 예를 들면 반원, 원 직사각형, 직사각형 또는 다각형의 단면도를 갖는 채널을 포함한다. 밸브, 저장소, 및 원 또는 다른 형상을 갖는 챔버를 제작할 수 있고, 그것이 연결될 수 있는 채널보다 크기가 크게 제작될 수 있다. 도관이 연결 통로보다 더 깊거나 덜 깊은 영역이 포함될 수 있다. 상기 도관은 도관을 통해 흐르는 유체에 접촉하는 표면 또는 벽면을 포함한다. 상기 유체층 내의 유체는 액체 또는 가스일 수 있다. 작동층의 경우에, 상기 유체는 작동제로서 불린다. 이것은 가스 또는 액체일 수 있다.
상기 유체층 그 자체는 하나 이상의 하부층을 포함할 수 있고, 특정 하부층 내의 채널은 비아를 통해서 다른 하부층에서 연결되어 다른 채널 또는 상기 탄성층과 교류할 수 있다. 다수의 하부층에서, 유체 통로는 교차점에서 유체가 통하도록 연결되지 않고 다른 것과 교차할 수 있다.
상기 다이아프램 밸브 및 펌프는 상기 3개의 층에서 기능성 요소로 구성된다. 다이아프램 밸브는 바디, 시트(필요에 따라서), 다이아프램 및 수용액이 상기 밸브로 유입되거나 상기 밸브로부터 유출되도록 구성된 포트를 포함한다. 상기 바디는 탄성층에 마주하는 표면으로 이어지는 작동층에 구멍(cavity) 또는 챔버를 포함한다(예를 들면, 도 1 및 113("작동 밸브 바디")). 필요에 따라서, 상기 밸브 바디는 상기 탄성층에 마주하는 표면으로 이어지고, 상기 작동층 챔버의 반대편에 배치된 유체층 내의 챔버도 포함한다(예를 들면, 도 1, 104("유체 밸브 바디")). 상기 작동층 챔버는 통로, 예를 들면 채널로 통하며, 양압 또는 음압이 상기 작동제에 의해 전달될 수 있다. 상기 작동제가 가스, 예를 들면 공기인 경우, 상기 작동층은 공압층으로서 기능을 한다. 다른 실시예에서, 상기 작동제는 수용액, 예를 들면 물, 오일 등이다. 상기 유체층은 상기 탄성층에 마주하는 밸브 시트를 포함할 수 있다. 상기 밸브 시트는 직접적으로 또는 상기 유체층 내의 바디 챔버 내에 배치됨으로써 유체 채널에 개입한다. 상기 다이아프램은 상기 탄성층에 포함된다. 상기 밸브는 상기 다이아프램이 자연스럽게 상기 밸브 시트에 안착되어 상기 밸브를 닫게 하고, 상기 시트로부터 떨어져 변형되어 상기 밸브를 열도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 밸브는 상기 다이아프램이 자연스럽게 상기 시트에 안착되지 않고 상기 시트를 향해 변형되어 상기 밸브를 닫도록 구성될 수 있다. 상기 다이아프램이 상기 밸브 시트에서 떨어진 경우, 이것은 유체가 흐를 수 있는 유체 챔버 또는 유체 통로를 형성할 수 있다. 상기 채널은 밸브 포트를 통해 밸브 챔버와 유체가 통하도록 연결되어 있다.
다른 실시예에서, 다이아프램 밸브는 장애물 또는 밸브 시트(예를 들면, 도 14, 밸브(40)) 없이 상기 작동층 및 상기 유체층 내에 챔버를 포함하는 바디로 형성된다. 이러일 실시예에서, 상기 다이아프램을 상기 작동 챔버 안으로 변형시키는 것은 유체를 받아들일 수 있는 용적을 만들고, 상기 다이아프램을 상기 유체 챔버 안으로 변형시키는 것은 상기 펌프 밖으로 유체를 펌핑하고 밸브를 밀봉한다. 또한, 이러한 구성에서 상기 다이아프램의 위치는 상기 유체 통로의 용적을 변형함으로써 상기 펌프를 통과하는 유속을 조절할 수 있다. 이러한 형태의 밸브는 유체 저장소 및 펌핑 챔버로서 유용하고, 이는 펌핑 밸브라고 말할 수 있다.
밸브에 연결된 포트는 다양한 구성을 취할 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 유체 채널은 상기 탄성체에 마주하는 유체층의 표면 상에 포함된다. 밸브는 장애물이 채널을 방해하는 곳에 형성될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 포트는 장애물을 마주치고 다이어프램이 방향을 바꾸는 경우 밸브 챔버로 이어지는 채널의 일부분을 포함한다. 다른 실시예에서, 유체 채널은 유체층 내에서 이동한다. 이러한 경우에서, 포트가 형성되고 그 곳에서 상기 유체층 내에서 만들어진 두 개의 비아는 두 개의 채널 사이에서 교류하고, 상기 탄성층은 작동 밸브 바디의 바로 맞은편에 위치한다(상기 두 개의 인접한 비아는 밸브 시트로서의 기능을 할 수 있는 장애물에 의해 분리된다). 다른 실시예에서, 유체 채널은 상기 유체층의 한 표면으로부터 상기 탄성층에 마주하는 반대 표면을 가로지르는 보어로서 형성된다. 장애물에 의해 분리된 이러한 보어의 한 쌍은 밸브로서 기능 할 수 있다. 상기 탄성층이 상기 장애물(결합되지 않음)로 변형되는 경우, 통로는 상기 보어가 교류할 수 있고, 유체가 한 보어에서 이동하고, 밸브를 통과해 다른 보어 밖으로 이동할 수 있도록 제작된다.
상술한 샌드위칭된 구성에서, 상기 탄성층에 마주하는 상기 유체층 또는 작동층의 표면 또는 면(face)은 일반적으로 평면, 편평하거나 매끄러운 표면을 포함하고, 여기에는 자국, 함몰부(depressions) 또는 식각부(etchings)가 만들어져서 상기 유체층 및 작동층의 기능성 요소, 예를 들면 채널, 챔버 및 밸브를 형성한다. 상기 탄성층에 접촉하는 이러한 표면(예를 들면, 평면, 매끄럽거나 편평한 표면)의 부분을 접촉 표면이라고 한다. 탄성층에 마주하지만 상기 탄성층을 밀봉하지 않는, 요철이 있거나, 함몰되거나 식각되는 표면의 일부분을 "노출된 표면"이라고 한다. 도관, 채널, 밸브 또는 펌프 바디, 밸브 시트, 저장소 등을 포함하는, 유체가 흐르는 표면을 "기능성 표면"이라고 한다.
상기 유체 장치의 구성에서, 예를 들어, 압력 또는 결합에 의해 접촉 표면의 전부 또는 일부에 탄성층이 접촉하는 것은 노출된 도관을 덮고 상기 유체 도관 또는 작동 도관 내에 수용액을 함유하도록 기능 할 수 있다. 상기 탄성체가 결합되는 상기 접촉 표면을 "밀봉 표면"이라고 한다. 밸브 및 펌프의 기능에서, 다이아프램은 밸브 시트 또는 접촉 표면에 안착하거나 떨어질 수 있고, 유체층 또는 작동층의 바디 챔버의 표면 쪽으로 또는 이로부터 멀리 이동할 수 있다. 만일, 상기 탄성층이 밸브 시트, 접촉 표면, 또는 미세 유체 장치의 임의의 노출된 기능성 표면에 부착된다면, 상기 미세 유체 장치는 제대로 기능하지 못할 수 있다.
1.1 저 에너지 물질을 가진 기능성 표면
본 발명은 미세 유체 장치의 제조 또는 사용 도중에 기능성 표면의 일부 또는 모두가 탄성층에 부착되지 않거나 결합하지 않도록 구성된 장치를 제공한다. 기능성 표면은 저 표면 에너지를 갖는 물질을 제공함으로써 구성될 수 있다. 상기 기능성 표면은 기능성 요소를 밀봉하는 접촉 표면의 일부분에 비해 낮은 표면 에너지를 갖도록 구성될 수 있다. 저 표면 에너지 물질은 상기 밀봉 표면 보다 소수성이 더 강하거나, 화학 반응성이 약하거나, 그렇지 않으면 약한 접착성을 갖도록 형성될 수 있다. 특정 실시예에서, 탄성층은 저 표면 에너지 물질을 포함하지 않는다.
예를 들면, 노출된 기능성 표면은, 밀봉 표면이 상기 탄성층과 화학 결합을 형성하지만 상기 기능성 표면은 화학 결합을 형성하지 않도록 처리될 수 있다. 상기 노출된 기능성 표면은 유체층 및/또는 작동층의 밀봉 표면 보다 소수성이 더 강하고, 화학 반응성이 약할 수 있다. 상기 조립된 장치에서, 상기 탄성체는 상기 밀봉 표면에 결합될 수 있지만, 상기 노출된 기능성 표면에는 결합될 수 없다. 이것은 기능성 표면을 선택적으로 처리하되, 저 표면 에너지 물질을 포함하도록 밀봉하거나 접촉하지 않음으로써 달성될 수 있다.
노출된 기능성 표면의 모두 또는 일부는 본 발명의 장치에서 접착성이 덜하게 제조될 수 있다. 특정 실시예에서, 상기 장치의 작동 중에 탄성층과 접촉할 수 있는 임의의 기능성 표면은 첨착성이 덜하게 제조된다. 다른 실시예에서, 상기 밸브 시트의 표면 모두 또는 일부는 접착성이 덜하게 제조된다. 이런 방식에서, 밸브는 제작 또는 사용 도중에 밸브가 박혀서 닫히는 경우가 덜해지므로, 더 신뢰할 수 있는 밸브 및 장치가 제조된다. 다른 실시예에서, 상기 작동층 또는 상기 유체층 내의 챔버 모두 또는 일부를 포함하여, 밸브 또는 펌프 바디의 임의의 다른 노출된 표면 모두 또는 일부는 접착성이 덜하게 제조될 수도 있다. 또한, 표면에 노출된 상기 유체 채널 또는 작동 채널 모두 또는 일부는 접착성이 덜하게 구성될 수 있다. 표면은 특히 결합 공정 중에 저 표면 에너지 물질을 제공함으로써 또는 제조 중에 탄성층에 표면이 결합되지 않게 상기 표면을 보호하고, 이후에 선택적으로 보호제를 제거함으로써 접촉성이 덜하게 제조될 수 있다.
상기 노출된 유체 표면 또는 작동 표면의 일부는 상기 유체 표면 및 상기 작동 표면의 접촉 표면 전체에 비해 접착성이 덜하도록 구성될 수 있고, 이는 밸브의 제어된 영역에 탄성체가 선택적으로 결합할 수 있도록 한다. 대안적으로, 밀봉 표면으로 기능하는 것으로 여겨지는 접촉 표면의 극히 일부분은 노출된 기능성 표면의 일부분에 비해 더 접착성을 가질 수 있다. 이러한 영역은 일반적으로 노출된 면의 모서리에 인접하거나 접해 있다. 더 접착성이 있는 영역은 유체 표면 또는 작동 표면 상에서 1mm 미만의 간격을 갖는 기능성 요소들 사이에 접촉 표면의 일부를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 저 에너지 물질, 예를 들어, 소수성 물질은 선택된 기능성 표면에 도포될 수 있고, 미세 유체 장치는 조립될 수 있고, 이어서 단성층이 접촉 표면에 결합하도록 처리될 수 있다. 이어서, 싱기 저 에너지 물질은 상기 기능성 표면으로부터 제거될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 저 에너지 물질은 희생층으로 기능하여 결합 공정 중에 상기 기능성 표면을 보호하며, 밸브는 상기 물질이 상기 탄성층에 부착되지 않고 제거된 후 기능을 할 수 있다.
층들을 함께 결합한 후에, 상기 도관은, 예를 들면 PEG(예를 들면, PEG-200) 또는 1-2 프로판디올(Sigma #398039)로 세척될 수 있다.
본 발명의 미세 유체 장치는 매우 낮은 실패율을 갖는다. 하나 이상의 유체 회로가 수행에 실패하는 경우에, 상기 장치는 실패했다고 여겨진다. 실패는 예를 들어, 층들 간의 결합이 실패하는 경우에 샌드위치의 층간 박리(delamination), 또는 탄성층에 노출되는 층 표면 상의 밸브 시트, 밸브 챔버 또는 채널을 접착하는 것과 같이 유체층 또는 탄성층의 기능성 부분에 탄성층이 접착하는 것을 야기할 수 있다.
본 발명의 미세 유체 장치는 기능성 표면이 저 표면 에너지 물질을 포함하지 않는 장치에 비해 더 바람직하게 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 집단의 실패율은 20% 미만, 10% 미만, 1% 미만 또는 0.1% 미만이다. 상기 집단은 10개 이상, 50개 이상 또는 100개 이상의 장치일 수 있다.
본 발명의 밸브는 1,000번 작동, 10,000번 작동 또는 100,000번 작동에서 1% 미만의 실패율을 가질 수 있다. 본원의 장치는 1,000번 작동, 10,000번 작동 또는 100,000번 작동에서 1% 미만의 층간 박리 실패율을 가질 수 있다.
1.2 결합 기능성을 가진 코팅된 밸브 및 콤파트먼트
상기 유체층의 특정 기능성 표면은 이곳에 결합된 화학적 또는 생화학적 결합 기능성을 갖도록 기능화될 수 있다. 일반적으로, 이러한 표면은 안착되거나 안착되지 않은 밸브의 기능적 표면을 포함할 것이다. 다양일 실시예에서, 밸브 시트 및/또는 기능성 표면은 작동층 내의 챔버와 마주하지 않는 유체층 내의 채널 또는 챔버와 같은 밸브의 일부가 아니다. 이러한 물질은 선택적으로 또는 특이적으로 분석물과 결합한다. 예를 들면, 상기 결합 기능성은 핵산, 금속 또는 금속 킬레이트, 탄수화물, 또는 항체 또는 항체-유사 분자, 효소, 비오틴, 아비딘/스트렙타비딘 등과 같은 단백질일 수 있다.
이러한 물질은 당해 분야의 통상의 기술자에게 알려진 임의의 결합 화학에 의해 밸브 챔버 표면과 같은 표면에 결합될 수 있다. 예를 들면, 표면은 아미노실란 또는 아크릴실란과 같은 기능화된 실란 및 결합 기능성을 포함하는 분자 상의 반응기와 반응하는 작용기와 유도체 합성될 수 있다.
1.2 결합 기능성을 가진 코팅된 밸브 및 구획
다른 양태에서, 본 발명은 미세 유체 장치를 제공하고, 여기서 상기 탄성체는 피착제를 갖는 유체층 및/또는 작동층에 부착된다. 유체 채널 또는 작동 채널 안으로 피착제의 누출을 방지하기 위해서, 리지(ridge) 또는 엘레베이션(elevation)과 같은 융기 영역이 상기 도관의 모서리를 따라 제공된다. 상기 융기된 리지는 댐 또는 둑과 같은 기능을 하여 상기 피착제가 채널 안으로 손실되는 것을 방지한다. 상기 피착제는 도관으로부터 융기된 영역의 다른 면 상의 기판층의 면 또는 표면 상에 제공된다. 이러한 실시예를 도 18에 나타낸다. 유체층(101)은 밸브 시트(103)를 가진 도관(102)를 포함한다. 상기 도관의 모서리 및 상기 밸브 시트는 상기 유체층의 나머지 표면에 따라 융기되어 리지(123)를 형성한다. 접착제(121)는 상기 도관으로부터 측으로 마주하는 리지 상에서 유체층 표면을 덮는다. 또한, 상기 밸브 시트(103)는 유체층의 나머지 표면과 함께 세척되지 않는다. 탄성층(105)은 상기 접착제를 통해 상기 유체층의 표면에 부착되고 상기 리지 위로 연장한다.
상기 리지는 예를 들면, 물질을 제거하여 도관이 식각되는 표면에 비해 상대적인 함몰부를 만들기 위해 유체층의 표면을 식각함으로써 생성될 수 있다. 접착제는 융기 영역의 높이 보다 얇은 층에 포함될 수 있다. 이는 도관 안으로 또는 밸브 시트의 상부로 접착제가 누출되는 것을 억제할 수 있다. 예를 들면, 상기 접착제는 아크릴계 또는 실리콘계 접착제일 수 있다. 상기 접착체는 테이프, 수용액 또는 반-수용액의 형태일 수 있다. 이것의 두께는 1밀리 또는 수밀리일 수 있다. 예를 들면, 상기 접착제는 접착 테이프로 변형된 실리콘을 사용하여 적용된 실리콘 접착제일 수 있다. 실리콘 변형 테이프의 예로는 5밀리의 접착층을 갖는 Dielectric Polymer(Holyoke, MA)의 TransSil 1005, PPI Adhesive Products Limited(Waterford, Ireland)의 RD-577을 들 수 있다. 대안적으로, 상기 접착제는 양면 테이프일 수 있다. 상기 캐리어는 양쪽 면에 2밀리의 아크릴 접착제를 가진 폴리에틸렌(예를 들면, 2밀리)일 수 있다. 융기 영역의 홀 매칭 위치는 다이스(dies) 또는 레이저에 의해 만들어질 수 있다. 액체는 마스크 또는 실크 스크린에 의해 적용될 수 있다. 미세 유체 장치는 탄성층을 부착제의 상부에 놓고, 탄성층이 표면에 결합하고 도관을 밀봉하도록 압력을 가하여 조립될 수 있다. 이것은 열을 수반하지 않고 행해질 수 있다.
2. 장치
유체 흐름을 제어하는 다이아프램 밸브를 가진 미세 유체 장치는 미국 특허 제7,445,926호, 미국 특허 공보 제2006/0073484호, 제2007/0248958호, 제2008/0014576호 및 제2009/0253181호, 및 PCT 공보 제WO2008/115626호에서 설명된다.
본 발명의 유체 장치는 유체가 흐르는 적어도 하나 또는 복수 개의 유체 도관을 포함한다. 유체는 포트가 유체 도관과 교류하는 포트(예를 들면, 입구 포트 또는 출구 포트)를 통해 장치로부터 제거되거나 장치 안으로 유입될 수 있다. 흐름은 예를 들면 압력, 공압 또는 수압에 의해 작동가능한 온-장치 다이아프램 밸브 및/또는 펌프에 의해 제어될 수 있다. 상기 미세 유체 장치는 탄성체에 결합된 유체층을 일반적으로 포함하고, 여기서 상기 탄성층은 상기 유체층 내의 유체 통로에서 장애물(예를 들면, 밸브 시트)을 가로지르는 유체 흐름을 조절하는 방향 변경이 가능한 다이아프램으로서 기능을 한다. 상기 탄성체는 PDMS와 같은 폴리실록산을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 3개의 층을 포함한다: 유체층, 작동층 및 이들 사이에 샌드위칭된 탄성층. 상기 작동층은 선택된 위치에 예를 들어, 다이아프램 밸브에서 상기 탄성층을 작동시키고 방향을 바꾸도록 구성된 작동 도관을 포함할 수 있고, 그렇게 함으로써 상기 유체 도관 내의 유체 흐름을 조절할 수 있다. 작동 도관은 상기 층을 관통하는 보아와 같은 개구로 배치되거나, 상기 층의 표면을 잘라 그 부분의 모서리에서 개방되는 채널로 배치될 수 있다. 상기 3개 층은 하나의 유닛으로 함께 결합될 수 있다. 대안적으로, 상기 유체층 또는 상기 작동층은 상기 탄성층에 결합하여 유닛을 형성할 수 있고, 상기 유닛은 다른 층과 짝을 이룰 수 있고, 또는 다른 층으로부터 제거될 수 있다. 쌍을 이루는 것은 압력을 가하거나 배출 함으로써, 예를 들면 클램핑에 의해 달성될 수 있다. 상기 탄성층에 접촉하는 상기 미세 유체 장치의 면은 약 1㎠ 내지 약 400㎠ 면적을 가질 수 있다.
2.1 탄성층
일반적으로, 상기 탄성층은 여기에 진공 또는 압력을 가할 경우 변형될 수 있는 성분으로 형성되고, 상기 진공 또는 압력이 제거됨에 따라 이것의 원래 상태, 예를 들면 탄성 물질로 복원될 수 있다. 상기 변형 크기는 10㎜ 미만, 1㎜ 미만, 500㎛ 미만 또는 100㎛ 미만으로 측정되기 때문에 요구되는 변형은 더 작고 다양한 물질이 채용될 수 있다. 일반적으로, 상기 변형 가능한 물질은 약 0.001GPa 내지 2,000GPa, 바람직하게는 약 0.01GPa 내지 5GPa를 갖는 영 계수(Young' modulus)를 갖는다. 변형 가능한 물질의 예는 실리콘(예를 들면, 폴리디메틸실록산), 폴리이미드(예를 들면, Kapton™, Ultem), 고리형 올레핀 코폴리머(예를 들면, Topas™, Zeonor), 고무(예를 들면, 천연 고무, 부나, EPDM), 스티렌 블록 코폴리머(예를 들면, SEBS), 우레탄, 퍼플루오로 탄성체(예를 들면, Teflon, PFPE, Kynar), 마일러, 비톤, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 산토프렌, 폴리에틸렌 또는 폴레프로필렌과 같은 열가소성 수지 또는 가교 폴리머를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 상기 탄성층으로서 기능을 할 수 있는 다른 부류의 물질은 예를 들면 금속 박막, 세라믹 박막, 유리 박막, 단일 박막 또는 다결정 박막을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 탄성층은 금속 박막과 PDMS층의 조합과 같은 다른 물질의 다중층을 포함할 수 있다.
상기 유체 채널 또는 작동 채널이 개방되거나, 상기 탄성층과 접촉하는 지점에서, 밸브와 같은 기능성 장치가 형성될 수 있다. 이러한 밸브를 도 3a 및 도 3b에서 단면도로 나타낸다. 상기 유체층 및 작동층 모두는 상기 외부 표면에 채널을 연결하는 포트를 포함할 수 있다. 이러한 포트는, 예를 들면 카트리지 또는 공압 매니폴드와 같은 유체 매니폴드를 이용하여 적용될 수 있다.
2.2 유체층 및 작동층
상기 미세 유체 장치의 유체층 및/또는 작동층은 유리(예를 들면, 보로실리케이트 유리(예를 들면, 보로플로트 유리, Corning Eagle 2000, 파이렉스), 실리콘, 석영 및 플라스틱(예를 들면, 폴리카보네이트, 올레핀 코폴리머(예를 들면, Zeonor), 시클로올레핀 코폴리머, 실리콘아크릴, 액정 고분자, 폴리메틸메타옥시아크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 폴리프로필렌 및 폴리티올))를 포함하지만 이에 제한되지 않으며, 이로부터 선택된 다양한 물질로 제조될 수 있다. 또한, 상기 물질의 선택에 따라서, 다양한 제조 기술이 사용될 수도 있다.
일부 실시예에서, 채널 및 비아의 미세 구조는 포토리소그래피(photolithography)를 이용하여 형성된다. 예를 들면, 포토리소그래피는 비결정성 실리콘 마스크 층과 같은 유리 웨이퍼 상에 포토레지스트 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 유리 웨이퍼는 500㎛ 두께의 웨이퍼 상에 1㎛ 두께의 유리층이 있고 그 맨 위에 100㎛ 두께의 유리층으로 이루어진다. 포토레지스트 부착을 최적화하기 위해서, 상기 웨이퍼는 포토레지스트를 코팅하기 전에 헥사메틸디실라잔의 고온 증기에 노출시킬 수 있다. UV-민감성 포토레지스트는 상기 웨이퍼 상에 스핀 코팅하고 90℃에서 30분 동안 가열하고, 크롬 접촉 마스크를 통해서 300초 동안 자외선에 노출시키고, 현상기 내에서 5분 동안 현상하고, 90℃에서 30분 동안 재가열한다. 상기 처리의 변수는 상기 포토레지스트의 특성 및 두께에 따라 달라질 수 있다. 상기 접촉 크롬 마스크의 패턴은 상기 포토레지스트로 전달되고 상기 미세 구조의 기하학을 결정한다.
상기 미세 유체 장치는 주어진 공정 또는 검사를 위한 샘플 및 시약을 다루기 위해 디자인되고 구성될 수 있는 다수의 미세 채널 및 비아를 일반적으로 포함한다. 미세 유체 채널은 500마이크론 이하, 400마이크론 이하, 300마이크론 이하 또는 250마이크론 이하의, 예를 들면 1마이크론 내지 500마이크론의 하나 이상의 단면 크기를 가진다. 일부 실시예에서, 상기 미세 채널은 동일한 폭과 깊이를 가진다. 다른 실시예에서, 상기 미세 채널은 다른 폭과 깊이를 가진다. 다른 실시예에서, 미세 채널은 상기 샘플로부터 분리된 가장 큰 분석물(예를 들면, 최대 세포)의 폭 이상의 폭을 갖는다. 예를 들면, 일부 실시예에서, 미세 유체 칩 장치 내의 미세 채널은 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150 또는 300마이크론을 초과하는 폭을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 미세 채널은 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30 또는 20마이크론 이하의 깊이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 미세 채널은 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140 또는 150마이크론을 초과하는 깊이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 미세 채널은 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30 또는 20마이크론 이하의 깊이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 미세 채널은 서로 평행하는 측벽을 가진다. 일부 다른 실시예에서, 미세 채널은 서로 평행하는 상부 및 바닥을 가진다. 일부 다른 실시예에서, 미세 채널은 단면과 다른 영역을 포함한다. 일부 실시예에서, 미세 채널은 치즈 쐐기 형상의 단면을 가지고, 여기서 상기 쐐기의 예리한 끝은 하류(downstream)를 향한다.
상기 미세 유체 장치는 핫 엠보싱(hot embossing) 기술을 사용하여 폴리스티렌과 같은 플라스틱으로 제조될 수 있다. 상기 구조는 상기 플라스틱에 엠보싱되어 상기 패턴화된 표면을 생성한다. 이어서, 제 2 층은 상기 플라스틱 층의 패턴화된 표면에 결합될 수 있다. 사출성형은 이러한 장치를 제조하는데 사용할 수 있는 또 다른 접근법이다. 또한, 매끄러운 리소그래피가 이용되어 플라스틱으로부터 전체 챔버 또는 제작될 수 있는 미세 구조의 일부분만을 제작할 수 있고, 이어서 유리 기판에 결합되어 상기 폐쇄 챔버를 제작할 수 있다. 그러나 다른 접근법은 에폭시 캐스팅 기술을 사용하여 상기 의도된 구조의 부정적인 복제품을 갖는 마스터 상에 UV 또는 온도 치유 가능한 에폭시를 사용하여 장애물을 만들 수 있다. 또한, 레이저 또는 미세 기계 가공 접근법의 다른 형태가 이용되어 상기 유체 챔버를 제작할 수 있다. 상기 미세 유체 장치의 제조에 사용될 수 있는 다른 적합한 폴리머는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 및 폴리(메틸메타크릴레이트)이다. 또한, 강철 및 니켈과 같은 금속은, 예를 들면 종래 금속 기계 가공법으로 본 발명의 장치의 마스터를 제조한다. 3차원 제조 기술(예를 들면, 스테레오 리소그래피)은 장치를 하나의 조각으로 제조하는데 사용될 수 있다. 다른 제조 방법은 통상의 기술자에게 알려져 있다.
2.3 마이크로- 로보틱 온-칩 밸브 및 펌프(" MOVe ") 기술
밸브와 같은 MOVe 요소, 라우터 및 혼합기는 상기 미세 유체 장치의 유체층, 탄성층 및 작동층의 하부 요소로 형성된다. MOVe 밸브(도 1)는 미세 유체 칩의 유체층, 탄성층 및 작동층 내의 상호 작용 요소로 형성된 다이아프램 밸브이다. 상기 다이아프램 밸브는 미세 유체 채널 및 작동 채널이 서로 교차하고 상기 탄성층과 이어진 곳에서 형성된다. 상기 위치에서, 상기 유체 채널 또는 상기 공압 채널의 공간 안으로 상기 탄성체의 방향 변경은 상기 유체 채널의 공간을 변경하고 유체의 흐름을 조절할 것이다. 상기 교차 지점에서 상기 유체 채널 및 작동 채널은 다른 형태라고 가정할 수 있다. 예를 들면, 상기 유체 채널은 상기 탄성층에 대한 밸브 시트로서 기능을 하는 장애물을 포함할 수 있다. 상기 유체 채널은 상기 밸브 내의 공간과 같은 채널로 이어질 수 있다. 상기 작동 채널은 상기 작동층의 다른 부분의 채널, 예를 들어 원형 챔버에 비해 큰 공간 및/또는 단면을 취할 수 있다.
도 2는 MOVe 밸브의 3차원도를 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 MOVe를 단면도로 도시한다. 이러한 경우, 상기 유체층은 상기 유체층의 표면에 형성되어 있고 상기 탄성층에 의해 덮여진 채널을 포함한다. 도 11은 연속으로 3개의 MOVe로부터 형성된 다이아프램 펌프의 3차원도를 도시한다. 도 4a 및 도 4b는 상기 탄성층과 비아를 통해서 이어지는 내부 채널을 가진 유체층을 나타낸다. 도 12는 항상 개방되어 있는 하나의 채널 및 개방 채널 안으로의 유체 흐름이 다이아프램 밸브에 의해 조절되어 가로지르는 채널을 포함하는 유체-관통 밸브를 도시한다. 도 13은 3개의 채널에 대한 3개의 흡입구를 갖는 밸브를 도시한다. 상기 밸브를 개방하는 것은 임의의 두 개의 채널로부터 상기 제 3 차 채널 안으로 또는 임의의 하나의 채널로부터 다른 두 개의 채널 안으로 유체가 흐르게 한다.
도 4a 및 도 4b에 대해서, 유체층(101), 탄성층(105) 및 작동층(111)은 함께 샌드위칭 된다. 미세 유체 채널(128)은 비아(126)을 통과하여 상기 탄성층에 이어진다. 밸브 시트(129)는 상기 탄성층에 접하여 밸브를 닫히게 한다. 상기 작동층이 작동되는 경우, 상기 탄성층(105)은 공압 챔버(130)로 변형된다. 이것은 유체가 흐를 수 있는 통로를 생성하면서 상기 밸브를 연다. 상기 미세 유체 채널에 대한 공압 챔버 내의 압력은 상기 탄성층의 위치를 조절한다. 상기 미세 유체 채널에 대한 공압 챔버 내의 압력이 약해지는 경우, 상기 탄성층은 상기 공압 챔버를 향해서 변형될 수 있다. 대안적으로, 상기 공압 챔버에 대한 미세 유체 채널 내의 압력이 약해지는 경우, 상기 탄성층은 상기 미세 유체 채널을 향해서 변형될 수 있다. 상기 미세 유체 채널 및 상기 공압 챔버 내의 압력이 동일하거나 대략적으로 동일한 경우, 상기 밸브는 닫힌 위치에 있을 수 있다. 이러한 구성은 밸브가 닫힌 경우, 상기 시트 및 상기 탄성체 사이에 접촉을 완전하게 한다. 대안적으로, 압력이 상기 미세 유체 채널 및 상기 공압 챔버 내에서 동일하거나 대략적으로 동일한 경우, 상기 밸브는 열린 위치에 있을 수 있다. 공압적으로 작동된 밸브는 진공 또는 양압 하에 있는 주입선을 이용하여 작동될 수 있다. 상기 진공은 가정 내 진공(house vacuum) 또는 가정 내 진공 보다 낮은 압력, 예를 들면 15 inHg 이상 또는 20 inHg 이상일 수 있다. 상기 포지티브 압력은 약 0, 1, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30 또는 35 psi일 수 있다. 원(source)과 압력 또는 진공을 교류하는 유체는 수용액 또는 가스와 같은 임의의 유체일 수 있다. 상기 가스는 공기, 질소 또는 산소일 수 있다. 상기 수용액은, 예를 들면 물, 과불화 폴리머 수용액(예를 들면, Fluorinert), 디옥틸세바케이트(DOS) 오일, 모노플렉스 DOS 오일, 실리콘 오일, 유압유 또는 자동차 변속기유를 포함하는 유기 용액 또는 수용액과 같은 임의의 유체일 수 있다.
다이아프램 미세-밸브, 미세-펌프 및 미세-라우터는 상기 밸브를 열고 닫으며 폴리디메틸실록산(PDMS)과 같은 변형 가능한 막층을 가진 유체층과 작동층(예를 들면, 공압 또는 유압)을 결합시켜서 상기 막을 변형시키고 상기 밸브를 작동시킬 수 있다. 상기 유체층은 다층 구성을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 개방 채널, 고랑(furrow) 또는 홈(groove)은 상기 유리층 중 하나의 표면 안으로 식각될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 채널은 예를 들면 터널, 튜브 또는 비아의 형태로 상기 층의 내부에 있을 수 있다. 제 1 유리층에서 식각되는 상기 유체 채널은 불연속적일 수 있고, 제 1 유리층의 결합에서 마주하는 불연속적인 채널을 연결해주는 제 2 유리층 내의 비아 또는 포트에 연결되고 상기 비아는 밸브 시트로서 역할을 한다. 상기 탄성층(예를 들면, PDMS)은 상기 밸브 시트에 마주하여 배치되고, 일반적으로 상기 두 개의 비아 사이의 유체 통로에 근접한다. PDMS 막의 반대면 상에서, 층의 식각에 의해 형성된 공압 이동 챔버는 실제 크기 또는 더 작은 진공 또는 압력원에 연결된다. 최소화된 오프-칩 슬레노이드를 조절함으로써, 진공 또는 압력(대기압의 약 1/2)은 PDMS막에 적용되어 상기 유연막을 단순 변형함으로써 상기 밸브를 열거나 닫을 수 있다(예를 들면, 상기 막에 진공을 적용하여 밸브 시트로부터 상기 막을 방향을 바꾸게함으로써 밸브를 개방함).
본 발명의 다이아프램 밸브는 정해진 양의 용액을 교체시킬 수 있다. 상기 밸브가 닫히거나 열린 위치로 이동하는 경우, 다이아프램 밸브는 정해진 양의 용액을 교체시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 밸브가 열린 경우에 다이아프램 밸브 내에 포함된 용액은 상기 밸브가 닫히면 상기 다이아프램 밸브 밖으로 유출된다. 상기 용액은 미세 채널, 챔버 또는 다른 구조로 유입될 수 있다. 상기 다이아프램 밸브는 약 1,000, 750, 500, 400, 300, 200, 100, 50, 25, 20, 15, 10, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, 0.25, 0.1, 0.05 또는 0.01㎕ 미만 또는 초과의 부피를 교체시킬 수 있다. 예를 들면, 교체한 부피(본원에서 "박출량(stroke volume)"으로도 불릴 수 있음)는 약 10nL 내지 5㎕, 예를 들면 약 100nL 내지 약 500nL, 또는 약 25nL 내지 약 1,500nL일 수 있다.
유체-관통 및 인-라인 밸브 상의 변형물은 2개, 3개, 4개 또는 그 이상의 채널들의 교차점에 존재하는 밸브를 포함할 수 있다. 하나 이상의 다른 채널로 유체가 흐르는 동안, 밸브 시트 또는 다른 구조는 상기 밸브의 닫힘을 방지하고 하나 이상의 상기 채널로의 유입을 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 흐름이 5개 채널 중의 3개 채널을 따라 차단될 수 있지만, 5개 중의 2개의 채널을 통해 계속 흘러갈 수 있다. 유체-관통 밸브는 미국 출원 제12/026,510호 및 WO2008/115626에 나타낸 T-밸브라고 불릴 수도 있다.
연속으로 3개의 다이아프램 밸브가 배치되는 경우, 상기 다이아프램 밸브는 양성 이동 펌프로서 기능을 할 수 있는 다이아프램 펌프로서 기능을 할 수 있다(도 11 참조). 다이아프램 펌프는 자급식이고 3개의 밸브(여기에 제한되는 것은 아니지만, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개, 12개, 13개, 14개, 15개, 16개, 17개, 18개, 19개 또는 20개 이상의 밸브)를 구동시킴으로써 작동될 수 있고 어느 방향으로든지 흐르게 할 수 있다. 유속은 작동 연속의 시간, 다이아프램 크기, 채널 폭 변경 및 다른 온-칩 크기에 의해서 변화할 수 있다. 라우터는 이러한 밸브 및 펌프로 비슷하게 형성될 수 있다. 상기 라우터는 중앙 다이아프램 밸브에 연결되는 분리된 채널 상에 각각 3개 이상의 밸브를 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 라우터는 각각 다이어프램 펌프를 포함하는 3개의 채널이 공통의 챔버, 예를 들어 펌핑 챔버에서 만나도록 구성함으로써 형성될 수 있다. 또한, 버스 구조는 동일한 흐름-관통 채널을 교차하는 교차 채널에 2개 이상의 일련의 흐름-관통 밸브가 채용되도록 제작될 수 있다.
미세 유체 채널을 따라서 배치된 다이아프램 밸브는 도 5에 도시되며, 이는 혼합 채널(110)에 유체가 통하도록 연결된 제 1 채널(107) 및 제 2 채널(108)을 도시한다. 제 1 인-라인 다이아프램 밸브(507)는 제 1 채널을 따라 배치된다. 제 2 인-라인 다이아프램 밸브(505)는 제 2 채널을 따라 배치된다. 두 개의 인-라인 밸브(511 및 513)는 상기 혼합 채널을 따라 배치된다. 펌프는 흐름 통로를 따라 연속적으로 배치된 3개의 다이아프램 밸브에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 밸브(507, 511 및 513)는 제 1 펌프를 형성할 수 있고 밸브(505, 511 및 513)는 제 2 펌프를 형성할 수 있다. 상기 중앙에 배치된 밸브(511)는 펌핑 밸브일 수 있다. 상기 펌핑 밸브는 본원에서 설명된 바와 같이 소정의 박출량 또는 변위 용적(본원에서 이렇게도 불림)(예를 들면, 10nℓ 내지 5㎕)을 가질 수 있다. 상기 제 1 펌프는 제 1 채널로부터 상기 혼합 채널로 수용액을 이동시킬 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다. 상기 제 2 펌프는 제 2 채널로부터 상기 혼합 채널로 수용액을 이동시킬 수 있고, 그 반대의 경우도 가능하다. 제 2 채널 내의 유체 흐름이 밸브(505), 제 2 채널 상에 위치된 다른 밸브 또는 상기 제 2 채널에 연결된 다른 채널의 폐쇄에 의해 막히는 동안, 제 1 펌프는 작동될 수 있다.
도 6은 혼합 채널(110)에 연결된 제 1 채널(107) 및 제 2 채널(108)을 도시한다. 제 1 채널을 관통하는 흐름은 인-라인 밸브(507)에 의해 조절될 수 있고 제 2 채널을 통하는 흐름은 흐름-관통 밸브(505)에 의해 조절될 수 있다. 도 5에 제시된 것과 비슷하게, 상기 혼합 채널은 두 개의 인-라인 밸브(511 및 513)를 가질 수 있다.
도 7은 3개의 채널을 따라 배치된 미세 유체 밸브의 대안적 배치를 도시한다. 제 1 채널(107)은 두 개의 인-라인 밸브(701 및 703)를 가질 수 있고, 제 2 채널(108)은 두 개의 인-라인 밸브(705 및 707)를 가질 수 있다. 제 1 채널 및 제 2 채널은 혼합 채널(110)에 연결될 수 있다. 접합 밸브(709)는 제 1 채널, 제 2 채널 및 상기 혼합 채널 사이의 교차점에 배치될 수 있다. 상기 접합 밸브의 폐쇄는 제 1 채널, 제 2 채널 및 상기 혼합 채널에서의 유체 흐름을 막거나 감소시킬 수 있다. 상기 접합 밸브(709)는 삼각형 또는 도 13에 제시된 형상의 시트를 가질 수 있다.
도 8은 혼합 채널(807)에 연결된 제 1 채널(801), 제 2 채널(805) 및 제 3 채널(803)을 도시한다. 상기 밸브 및 상기 채널은 도 7에 제시된 밸브 및 채널과 비슷한 방식으로 작동될 수 있다. 도 8에 따르면, 제 2 채널 및 제 3 채널에서의 유체 흐름이 밸브(805 및 803)의 폐쇄에 의해 막히거나 감소하는 동안, 수용액은 제 1 채널로부터 상기 혼합 채널로 이동할 수 있다.
도 9는 혼합 채널(905)에 연결된 제 1 채널(903), 제 2 채널(902) 및 제 3 채널(904)을 도시한다. 접합 다이아프램 밸브는 제 1 채널, 제 2 채널, 제 3 채널 및 상기 혼합 채널 사이의 교차점에 위치할 수 있다. 상기 밸브 및 채널은 도 8에 제시된 밸브 및 채널과 같은 방식으로 작동될 수 있다.
도 10에 제시된 바와 같이, 상기 혼합 채널은 다양한 단면 영역의 챔버를 가질 수 있다. 상기 챔버의 형상은 타원형(201), 구형 또는 직사각형일 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 챔버는 이를 관통하여 흐르는 유체의 혼합을 향상시키기 위해 불규칙적인 모양일 수 있다. 탄성층은 상기 챔버의 한쪽 벽을 형성할 수 있다. 상기 탄성층은 변형되어 상기 챔버의 부피를 변형시킬 수 있다. 상기 탄성층은 빠르게 변형되어 상기 챔버 내의 혼합이 향상된다.
유체를 펌핑하기 위해 상기 다이아프램 밸브를 사용하는 것은 한 회분의 액체가 미세 채널로 이동할 수 있게 한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 두 개의 다른 유체는 미세 채널 안으로 펌핑될 수 있고, 그 결과 한 회분의 제 1 유체는 상기 미세 채널에서 한 회분의 제 2 유체와 마주하여 층을 이룬다. 제 1 유체와 제 2 유체는 상이한 유체일 수 있다. 제 1 유체와 제 2 유체는 다른 성분을 포함할 수 있다. 상기 유체는 시약액 및 샘플액일 수 있다. 상기 시약액은 자기 비드(magnetic bead )를 포함하는 용액일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 미세 유체 칩 장치는 본원에서 샘플 또는 시약(예를 들면, 효소, 라벨링된 뉴클레오티드, 친화성 시약)을 함유할 수 있는 하나 이상의 저장소를 포함한다. 상기 저장소는 본원에 개시된 하나 이상의 미세 채널 또는 밸브에 유체가 통하도록 결합되는 것이 바람직하다.
마이크로칩 또는 모세관에서 유체를 혼합시키는 능력을 개시된다. 밸브의 적절한 조합을 작동시킴으로써 상기 채널 또는 저장소 중 하나로부터의 수용액은 중앙 다이아프램 밸브 안으로 끌어내릴 수 있고, 유체 회로에서 수용액을 내보내기 위해 다른 채널 안으로 방출시킬 수 있다. 상기 용액은 분석물, 생물학적 샘플, 화학적 시약 및 생화학적 시약, 완충액, 결합 부분, 비드, 자기입자, 검출 부분, 및 검사 또는 생화학이나 화학 반응의 수행에 사용된 다른 물질을 제한 없이 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 펌핑되는 유체는 공기와 같은 가스이다.
다른 다이아프램 밸브, 펌프 및 라우터는 내구성이 있고, 저렴한 비용으로 용이하게 제작되며, 조밀한 배열 내에서 작동할 수 있고, 낮은 불용체적을 가진다. 다이아프램 밸브, 펌프 및 라우터의 배열은 NanoBioProcessor 마이크로칩과 같은 마이크로칩 상에서 쉽게 제작될 수 있다. 일 실시예에서, 마이크로칩 상의 다이아프램 밸브, 펌프 및 라우터 모두는 PDMS 시트와 같은 단일 또는 단일체막을 사용하는 단순 제조 공정에서 동시에 제작될 수 있다. 5개의 다이아프램 펌프를 칩 상에 제작하는 것은 500개를 제작하는 것과 동일한 비용이 든다. 이러한 기술은 복잡한 마이크로- 및 나노 유체 회로를 마이크로칩 상에 제작하고 상기 회로를 이용하여 화학 및 생화학적 공정을 통합하는 능력을 제공한다. 따라서, 본원의 개시는 단순하고 복잡한 마이크로-, 나노- 및 피코-유체 회로를 칩 상에 제작하는 방법 및 능력을 제공하고, 칩 상에 임의의 반응 또는 검사를 실질적으로 완수한다. 일반적으로, 이런 기술은 용액 이온 강도 및 표면 오염의 변화에 상당히 둔감할 수 있고, 인가 전기장을 필요로 하지 않는다.
칩과 같은 장치는 복수개의 유체 회로를 일반적으로 포함할 것이며, 이는 외부 입구 및 출구 포트로 연결되는 미세 유체 도관을 각각 포함한다. 일반적으로 회로는 채널, 및 밸브, 라우터, 펌프(예를 들면, 독립적으로 연속하여 작동하는 3개 밸브) 및 챔버와 같은 기능 요소를 포함한다. 상기 미세 유체 장치의 미세 유체 회로의 도식예를 도 14에 도시한다. 이것은 공동 포트(70)를 공유하는 3개의 회로를 도시한다. 상기 미세 유체 회로는 샘플 유입 영역 또는 저장소(80)로부터 유체를 이동시키고, 밸브(20)에서 시약과 다른 물질과 유체를 혼합하고, 상기 미세 유체칩 장치(30, 40 및 60) 내의 다른 영역으로 그것을 운반한다. 두 개, 세 개 또는 그 이상의 유체 스트림(stream)은 적당한 개수의 밸브, 펌프 및 채널의 구성으로 합쳐질 수 있다. 상기 스트림은 샘플, 시약, 완충액 및 다른 성분을 포함할 수 있다. 상기 미세 채널(60, 61, 62) 및 포트(70)는 폭 또는 높이가 다양할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 및 시약은 인큐베이션 및/또는 공정을 위해 상기 마이크로칩의 확장된 셸프 영역 내의 상기 구불구불한 채널(60)에 운반되고, 이어서 게이트형(gated) 밸브(50)를 통해 상기 미세 유체 장치(90) 내의 출구 영역으로 돌아오게 된다. 또한, 상기 가공한 샘플은 분석물 또는 영역(40) 내의 자기비드와 같은 다른 성분을 제거하기 위한 영역으로 이동될 수 있다. 상기 각각의 유체 스트림은 다이아프램 밸브 또는 (10, 20, 30, 40 및 50)과 같은 다른 밸브를 포함하여 3개 이상의 밸브를 포함하는 펌프에 의해 이동될 수 있다. 상기 밸브는 온도, 압력에 따라 변형될 수 있는 작동 구조로 제작될 수 있다. 두 개 이상의 스트림은 다이아프램 및 다른 미세 밸브를 이용하여 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 다이아프램 밸브는 자급식이고 컴퓨터 제어하에 있고; 어느 방향으로도 이동될 수 있고, 상기 동일한 회로는 상기 미세 유체칩 장치 내의 두 개의 영역에 상기 샘플을 이동시키는 공동 결합한 펌프 두 개를 단순하게 작동시킴으로써 샘플을 두 개의 스트림으로 분열시킬 수 있거나, 기록 샘플을 형성하는데 사용된다.
특정 실시예에서, 상기 칩은 복수 개의 평행한 회로를 포함한다. 이러한 실시예는 샘플 24개로 구성된 미세 유체칩을 나타내고, 상기 미세 유체칩 장치의 확장된 외판(shelf) 부분 상에 구불구불한 패턴으로 배치된 24개의 유체 회로 배열을 갖는 도 15를 도시한다.
특정 실시예에서, 본 발명의 상기 미세 유체 장치는 단일체 장치이다. 단일체 장치에서, 복수 개의 회로는 단일 기판에 제공된다. 다이아프램 밸브를 포함하는 장치의 경우, 단일체 장치는 복수 개의 밸브에 대하여 다이아프램으로서 기능을 하는 단일 탄성층을 포함한다. 특정 실시예에서, 하나의 작동 채널은 단일체 장치 상에 복수 개의 밸브를 작동시킬 수 있다. 이것은 복수 개의 유체 회로가 동시에 작동 하게 한다. 단일체 장치는 미세 유체 회로의 조밀한 배열를 가질 수 있다. 일부에서 각각의 회로 내의 채널은 독립적으로 제작되고, 함께 조립되기 보다 단일 기판 상에서 동시에 제작되기 때문에 이러한 회로는 고도의 신뢰성을 가진 기능을 한다. 다른 실시예에서, 작동 도관은 단일 밸브의 작동을 조절할 수 있다(예를 들면, 각각의 밸브는 분리된 작동 도관에 의해 작동될 수 있음). 예를 들면, 상기 작동 도관은 상기 작동면으로부터 다른 작동면으로, 예를 들면 보아를 지나서 상기 기판으로, 상기 작동층을 가로지른다.
상기 유체 회로 및 이러한 칩의 작동 회로는 조밀하게 패킹된다. 회로는 열리거나 닫힌 도관을 포함한다. 특정 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 1개 이상의 유체 회로/1,000㎟, 2개 이상의 유체 회로/1,000㎟, 5개 이상의 유체 회로/1,000㎟, 10개 이상의 유체 회로/1,000㎟, 20개 이상의 유체 회로/1,000㎟, 50개 이상의 유체 회로/1,000㎟를 포함한다. 대안적으로 상기 미세 유체 장치는 1㎜ 이상의 채널 길이/10㎟ 영역, 5㎜ 이상의 채널 길이/10㎟, 10㎜ 이상의 채널 길이/10㎟ 또는 20㎜ 이상의 채널 길이/10㎟를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 미세 유체 장치는 1개 이상의 밸브/㎠, 4개 이상의 밸브/㎠ 또는 10개 이상의 밸브/㎠의 밀도로 밸브(안착되거나 안착되지 않음)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 미세 유체 장치는 모서리에서 모서리 사이가 5㎜ 이하, 2㎜ 이하, 1㎜ 이하, 500마이크론 이하 또는 250마이크론 이하로 떨어진 채널과 같은 특징을 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 1개 이하의 유체 회로/1,000㎟, 2개 이하의 유체 회로/1,000㎟, 5개 이하의 유체 회로/1,000㎟, 10개 이하의 유체 회로/1,000㎟, 20개 이하의 유체 회로/1,000㎟, 50개 이하의 유체 회로/1,000㎟를 포함할 수 있다. 대안적으로 상기 미세 유체 장치는 1㎜ 이하의 도관 길이/10㎟ 영역, 5㎜ 이하의 도관 길이/10㎟, 10㎜ 이하의 도관 길이/10㎟ 또는 20㎜ 이하의 도관 길이/10㎟를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 미세 유체 장치는 1개 이하의 밸브/㎠, 4개 이하의 밸브/㎠ 또는 10개 이하의 밸브/㎠의 밀도로 밸브(안착되거나 안착되지 않음)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 상기 미세 유체 장치는 모서리와 모서리 사이가 5㎜ 이상, 2㎜ 이상, 1㎜ 이상, 500마이크론 이상 또는 100마이크론 이상으로 떨어진 채널과 같은 특징을 포함한다.
3. 상기 미세 유체 장치의 제작 방법
3.1. 저 표면 에너지 물질을 포함하는 기능적, 노출된 표면
본 발명의 상기 미세 유체 장치에서, 상기 기능 표면은 충분한 저 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하여, 그것은 특히 상기 층들이 함께 결합하는 동안에는 상기 탄성층에 부착되지 않을 것이다. 또한, 상기 밀봉 표면은 일반적으로 충분한 표면 에너지를 가지는 물질을 포함하여 결합 및 레지스트 층간 박리 도중에 상기 기능적 표면을 밀봉할 것이다. 상기 탄성체가 폴리(디메틸실록산)(PDMS)과 같은 실리콘인 경우, 상기 처리된 표면의 수접촉각은 90° 이상, 100° 이상, 115° 이상, 120° 이상 또는 140° 이상이어야 한다.
3.1.1. 물질
다수의 물질은 노출된 표면에 저 표면 에너지를 생성하는데 유용하다. 일 실시예에서, 상기 물질은 과불화 폴리머 또는 폴리(p-크실릴렌)(예를 들면, 패럴린)과 같은 저에너지 폴리머이다. 테플론은 불활성이고 생체 적합한 저 표면 에너지 물질로 알려져있다. 상기 물질은 자가조립된 단층일 수 있다. 자가조립된 단층은, 예를 들면 클로로실란 또는 티올 내지 알칸을 포함하는 실란으로부터 제작될 수 있다. 일반적으로 그것은 약 5Å 내지 약 200Å의 두께를 가진다. 상기 저 에너지 물질은 금속(금, 은 또는 백금과 같은 귀금속)일 수 있다. 저 표면 에너지 표면에 제공되는데 사용되는 다른 물질은 견고한 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소(DLC) 또는 금속 산화물(예를 들면, 티타니아, 알루미나 또는 세라믹)을 포함한다.
과불화 폴리머 폴리머로는, 예를 들면 불소첨가된 가스, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌, Teflon？), PFA(퍼플루오로알콕시폴리머 수지), FEP(불소첨가된 에틸렌-프로필렌), ETFE(폴리에틸렌테트라플루오로에틸렌), PVF(폴리비닐플루오라이드), ECTPF(폴리에틸렌클로로트리플루오로에틸렌), PVDF(폴리비닐리덴플루오라이드) 및 PCTFE(폴리클로로트리플루오로에틸렌)로부터 저장된 테플론성 물질을 들 수 있다. 상기 물질은 약 100Å 내지 약 2,000Å의 두께를 가진다.
일 실시예에서, 상기 물질은 금과 같은 귀금속을 포함한다. 상기 귀금속은 코팅된 표면에 직접적으로 적용될 수 있다. 상기 귀금속은 상기 표면에 귀금속의 부착을 용이하게 하는 내화 금속과 같은 다른 금속으로 미리 코팅된 표면에 도포될 수도 있다. 내화 금속은, 예를 들면 크롬, 티타늄, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 탄탈룸, 레늄을 포함한다. 예를 들면, 1,000Å의 크롬층이 선택적인 표면에 도포된 이후에 2,000Å의 금층이 선택적인 표면에 도포될 수 있다. 상기 크롬층은 금을 부착할 만큼 충분한 두께, 예를 들면 30Å 이상, 50Å 이상, 100Å 이상, 500Å 이상 또는 1,000Å 이상일 필요가 있다. 또한, 상기 귀금속은 상기 탄성체의 결합을 방해할 만큼 충분히 두꺼울 필요가 있다. 예를 들면, 상기 귀금속은 50Å 이상, 100Å 이상, 500Å 이상, 1,000Å 이상 또는 2,000Å 이상의 두께를 가질 수 있다. 상기 금속은 박막 증착, 증발 또는 상기 코팅된 표면을 노출시키는 쉐도우 마스크를 이용한 원자층 증착 또는 다른 기술에 의해서 도포될 수 있다. 박막 증착은, 예를 들면 Rf 또는 DC 에너지를 사용할 수 있다.
다른 방법은 특히 실록산으로 만들어진 탄성층 및 플라스틱 일부 사이의 결합을 향상시킨다. 이러한 방법은 활성화된 실록산과 반응할 수 있는 히드록실기를 생산할 수 있는 물질을 가진 상기 플라스틱 일부를 코팅하는 단계를 수반한다. 예를 들면, 상기 금속은 폴리실록산 또는 산화 금속일 수 있다. 물질이 UV오존 또는 산소 플라즈마에 노출되는 경우, 이러한 물질은 활성화된 폴리실록산과 쉽게 결합할 수 있다. 이러한 방법은 2009년 12월 1일에 출원된 미국 특허 가출원 제61/265,579호에서 더 자세히 설명된다.
상기 일부 유체는 단일 조각으로 제작된 아티클(article)에서 비-미세 유체 요소를 가진 미세 유체 요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 조각은 비-미세 유체 용적을 가진 챔버를 포함하는 한쪽 면 상에서 미세 유체 채널과 다른 쪽 면을 연결하는 상기 조각을 가로지르는 개구를 가질 수 있다. 이러한 아티클은 2010년 4월 30일에 출원한 미국 특허 출원 번호 제61/330,154호에 설명된다. 본원에 사용되는 상기 용어 "비-미세 유체 용적"이란 5㎕ 이상, 10㎕ 이상, 100㎕ 이상, 250㎕ 이상, 500㎕ 이상, 1㎖ 이상 또는 10㎖ 이상의 용적을 말한다.
3.1.2. 방법
물질은 화학 기상 증착법, 물리 증착법, 표면 상 유체 수용액, 포토레지스트 또는 프린팅을 포함하는 다수의 다른 방법들에 의해 증착될 수 있다. 표면은 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)의 혼합물인 피라냐 용액으로 세정될 수 있다.
3.1.2.1. 화학 기상 증착
이러한 선택적인 소수성을 달성하기 위한 한 가지 방법은, 쉐도우 마스크를 이용하는 화학 기상 증착 시스템을 사용하거나, 노출된 구획 안으로 증기를 확산시킴으로써 기능적 표면 상에 저 표면 에너지 코팅을 증착하는 것이다. 상기 쉐도우 마스크는 적절한 위치에 입구를 포함하는 유리와 같은 적합한 물질로 만들어진다. 상기 층이 상기 마스크와 적당하게 나란히 겹쳐지는 경우, 코팅된 표면은 노출된다. 마스크의 예로는 유리, 금속 시트, 금속 박편 또는 반도체 웨이퍼를 들 수 있다. 본 공정에 유용한 마스크 중 일부의 예를 도 16a 및 16b에 도시한다. 이러한 경우, 비아층(122)은, 예를 들면 식각된 채널(124), 밸브 시트(129), (126 및 127)과 같은 밸브 시트 및 비아를 포함하지 않는 유체 밸브 바디(131)를 포함하는 접촉 표면(106)을 포함한다. 마스크(1601)는 밸브 바디/시트와 연결되는 홀(예를 들면, 1629) 및 안착되지 않는 밸브 바디와 연결되는 홀(예를 들면, 1631)을 포함한다. 도 16b에서와 같이 상기 홀들이 연결되는 경우, 상기 홀은 저 표면 에너지 물질로 코팅되기 위하여 기능성 표면을 노출시킨다. 도 17a 및 17b는 밸브 시트와 연결되는 홀을 포함하는 쉐도우 마스크를 제시하지만, 유체 밸브 바디를 제시하지는 않는다.
3.1.2.1.1. 열반응을 수반한 화학 증착
열화학 증착 공정에서, 상기 코팅 물질 및 코팅될 부분은 챔버 내에 배치된다. 상기 챔버는 저압 하에서 가열되어 상기 코팅 물질을 증발시킨다. 상기 코팅 물질은 상기 노출된 표면에 부착된다. 이러한 방법은 폴리(p-크실렌)폴리머(패럴린)을 부착하는데 특히 유용하다.
3.1.2.1.2. 플라즈마 화학 기상 증착
저에너지 코팅은 플라즈마 화학 기상 증착 공정(PECVD)에 의해 부착될 수 있다. 이러한 방법에서, 상기 층은 상기 기능성 표면을 노출시키는 마스크로 덮여진다. 상기 챔버는 낮은 밀리토르 압력까지 낮아진다. 상기 코팅 물질의 가스는 상기 반응기 안으로 유입된다. 상기 가스는 DC, AC 또는 무선 주파수와 같은 방전기에 노출된다. 이것은 상기 가스를 플라즈마로 이온화하고 상기 노출된 표면 상에 재형성한다.
이러한 방법은 상기 표면 상에 과불화 폴리머 물질을 부착하는데 특히 유용하다. 예를 들면, 상기 가스는 CF4 또는 C4F8 일 수 있다. 이것은 상기 일반식 CxFy를 갖는 상기 표면 상에 폴리머를 생산할 수 있다.
3.1.2.1.3. 자가조립 단층
자가조립 단층 코팅은 진공 오븐 또는 다른 진공계 시스템을 사용하여 기상으로부터 부착될 수 있다. 이러한 코팅은 실란 또는 티올계 일 수 있고, 또는 다른 표면 부착군을 사용할 수 있다. 또한, 귀금속이 안착되어 SAM이 조립될 수 있다. 임의의 실시예에서, 상기 미세 유체 장치는 유체층, 탄성층 및 작동층으로부터 조립되거나 이어진다. 이어서, 상기 조립된 장치는 상기 물질을 담은 용기를 포함하는 오븐 내에 배치되어 상기 자가조립된 단층을 형성한다. 예를 들면, 상기 물질은 클로로트리메틸실란과 같은 실란계일 수 있다. 상기 챔버는 저압을 받아 상기 물질을 증발시킨다. 상기 물질은 개방 채널로 유입되고 상기 단층을 포함한 표면을 코팅한다.
대안적으로, 상기 SAM 분자 헤드 그룹(head group)에 따라, 이것은 다른 물질에 우선적으로 결합된다. 예를 들면, 실란은 산소에 결합하지만 귀금속에는 결합하지 않고, 티올은 상기 귀금속에 결합될 수 있지만 산화물에는 결합되지 않는다. 일부는 물질 화합물을 사용하여 상기 표면상에 선택적으로 SAM을 부착할 수 있다. 예를 들면, SAM 증착/결합 효율은 샘플의 온도 및 표면 전하에 따라 강하게 좌우된다. 일부는 다른 전하 축적(다른 물질을 사용)의 영역을 생성할 수 있고, 이것을 사용하여 상기 밸브 시트 상에 또는 기능적 영역에 선택적으로 SAM을 부착할 수 있다.
이어서, 상기 미세 유체 장치는 상기 챔버로부터 제거되고 상기 층은, 예를 들면 본원에서 설명한 열과 압력을 사용하여 서로 결합된다. 상기 채널은 물과 같은 수용액으로 세정되어 상기 밸브를 열리게 한다.
3.1.2.2. 물리 기상 증착(박막 증착)
다른 방법에서, 상기 코팅 물질 및 코팅될 표면은 챔버 내에 위치할 수 있다. 상기 코팅 물질은 아르곤과 같은 불활성 기체를 쏟아낸다. 상기 방출된 물질은 상기 표면을 코팅한다. 이러한 방법은 과불화 폴리머 폴리머와 같은 고체 물질에 유용하다.
3.1.2.3. 수용액의 적용
표면을 코팅하는 다른 방법은 코팅 물질을 포함하는 액체를 표면 위로 흐르게 하는 것을 수반한다. 예를 들면, 과불화 폴리머(Dupont Teflon-AF 물질)의 용액 상태는 이러한 방법으로 증착될 수 있다. 자가조립 단층 코팅은 채널을 통해 전구체를 흐르게 함으로써 액상으로부터 증착될 수 있다.
3.1.2.4. 포토레지스트 패턴화된 마스크
선택적인 소수성을 달성하는 다른 방법은 상기 포토레지스트 패턴화된 마스크 상에 저 표면 에너지 코팅을 증착한 후 박리 처리(용매 내 포토레지스트의 용해)를 하는 것이다. 상기 전체 표면은, 예를 들면 DNQ와 같은 양성 포토레지스트로 덮힐 수 있다. 이어서, 상기 표면은 처리될 표면의 위치에서 투명한 마스크로 덮힐 수 있다. 상기 화합물은 빛에 노출된다. 상기 마스크는 제거되고, 노출된 부분은 포토레지스트 현상액을 이용하여 제거된다. 상기 표면에 저에너지 물질(예를 들면, 소수성 물질)을 적용하는 임의의 방법을 상기 표면에 적용한다. 이어서, 남아있는 포토레지스트는, 예를 들면 UV오존 또는 산소 플라즈마와 같은 레지스트 스트리퍼로 제거된다.
3.1.2.5. 활성-비활성 방법
선택적인 소수성을 달성하는 다른 방법은 빛, 온도, 압력, 전기 전하, 다른 물리적 활성 또는 화학적 활성, 또는 물질의 선택에 의한 활성화 또는 비활성화를 이용하여 상기 표면에 저에너지 코팅을 증착하는 것이다.
3.1.2.6 프린팅
선택적인 소수성을 달성하는 또 다른 방법은 프린팅 방법으로 저 표면 에너지 필름을 부착하는 것이다. 예를 들면, 공업용 잉크젯 프린터는 100㎛ 미만의 해상도로 다양한 물질(수용액 상태)을 증착할 수 있다. 이어서, 이러한 물질은 자외선 또는 열처리에 의해 경화되거나/폴리머화되거나/고체화될 수 있다. 다른 실시예는 저 표면 에너지 물질을 선택적으로 증착하는 스크린 프린팅 방법이다. 또한, 상기 물질은 전자회로를 형성할 수도 있다.
3.2. 탄성층의 제조
PDMS와 같은 상기 탄성층, 유체층 및 작동층 사이의 밀봉을 향상시키기 위해서, 상기 탄성층은 상기 유체층 및 탄성층의 표면 상에 반응기와 결합할 표면상의 반응기를 활성화하도록 처리될 수 있다. 다른 실시예에서 상기 탄성층의 선택적 영역은 활성화 또는 비활성화될 수 있다.
기판의 표면 상에서 유용한 반응기는 히드록실기, 아민기, 메타크릴레이트기, 디술피드기, 디실라잔기, 설프히드릴기, 아크릴레이트기, 카르복실레이트기, 활성 에스테르기, 활성 이탈기, 아이소니트릴기, 아이소시아네이트기, 포스포라미디트기, 니트렌기, 에폭시드기, 하이드로실릴기, 에스테르기, 아렌기, 아지도기, 니트릴기, 비닐기 및 알킬포스포네이트기와 같은 것을 포함한다.
예를 들면, 일 실시예에서 상기 탄성층은 폴리(디메틸실록산)(PDMS)과 같은 실리콘 폴리머(폴리실록산)를 포함한다. 일반적으로 실리콘은 방수이고, 부분적으로 표면 상에 메틸기가 풍부하다. 폴리실록산과 히드록실기와 같은 반응기를 포함하는 기판(예를 들면, 유리) 간의 결합 강도를 증가시키기 위해서, 상기 실록산은 UV오존, 플라스마 산화 또는 표면에 실라놀기(Si-OH)를 배치하는 다른 방법에 의해 소수성을 증가시킬 수 있다. 활성화된 PDMS가 활성 히드록실기를 포함하는 유리 또는 다른 물질과 접촉하고, 바람직하게는 열과 압력을 받는 경우, 축합 반응은 물을 생산할 것이고 상기 두 개의 층은, 예를 들면 실록산 결합을 통해 공유 결합할 것이다. 이것은 상기 표면들 간의 강한 결합을 만든다. 그러나, 상기 밸브가 기능적이기 위해서 상기 탄성층은 상기 밸브 시트에 결합하지 않고, 바람직하게는 상기 밸브의 임의의 표면, 또는 상기 탄성층에 접하는 상기 유체층 또는 탄성층의 표면의 임의의 채널에 결합하지 않는다. 일 실시예에서, 상기 저에너지 코팅은 결합을 막는다.
다른 실시예에서, 수용액 물질은 상기 탄성층이 상기 유체층에 결합되기 전에 상기 기능 영역 상에 증착될 수 있다. 상기 수용액은 실크 스크리닝, 젯 프린팅, 스템핑, 마스크 이용 및 다수의 다른 방법에 의해 제한 없이 많은 방법들에 의해 도포될 수 있다.
3.3. 장치의 조립
본 발명의 장치는 조립되어 밸브, 펌프, 저장소 및 채널과 같은 기능부가 밀봉되어 유체의 누수를 방지하고, 상기 탄성층은 기능성 노출된 표면에 부착되지 않는다.
한 방법에서, 상기 탄성체는 공유 결합 또는 비공유결합(예를 들면, 수소 결합)으로 함께 결합되어 밀봉된다. 이것은 상기 유체층, 탄성층 및 작동층을 함께 샌드위칭하고 압력과 열을 적용하여 연결함으로써 달성된다. 예를 들면, 상기 탄성층은 상기 표면에 소수성을 더 부여하기 위해서 처리된 PDMS와 같은 실리콘을 포함하고, 상기 유체층 및 작동층은 노출된 표면에 소수성을 더 부여하기 위해서 처리된 유리이고 상기 조각은 100kg 내지 500kg, 예를 들면 약 300kg의 압력을 받는다. 상기의 것들은 이용된 온도 및 압력의 조합에 따라 25℃ 내지 100℃, 예를 들면 90℃에서 약 5분 내지 약 30분, 예를 들면 약 10분 동안 가열된다. 이것은 상기 탄성층 및 상기 밀봉 표면 사이에 결합을 경화할 것이다.
다른 방법에서, 상기 칩이 기능을 하는 동안 압력하에서 상기 조각을 함께 유지함으로써 상기 미세 유체 장치가 조립될 수 있고, 그렇게 함으로써 상기 유체층의 기능 영역이 누수되지 않게 밀봉할 수 있다. 이것은 상기 층들을 함께 클리핑(clipping)하거나 클램핑(clamping)함으로써 기계적으로 행해질 수 있다.
4. 시스템
유체 시스템은 유체 어셈블리 및 작동 어셈블리를 포함한다. 상기 유체 어셈블리는 (1) 유체 도관과 같은 미세 유체 요소를 포함하는 미세 유체 장치의 유체부를 결합시키고 유지시키는 요소, (2) 유체를 유체 매니폴드 또는 미세 유체 도관에 직접적으로 운반하도록 구성된 자동기계장치와 같은 유체 운반 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 작동 어셈블리는 (1) 작동 도관을 포함하는 미세 유체 장치의 작동부를 결합시키고 유지시키는 요소, (2) 미세 유체 장치 상에 포트와 연결하거나 나란하게 구성되고, 작동제를 미세 유체 장치의 작동 도관 안으로 운반하도록 구성된 작동 매니폴드, 및 (3) 작동제를 상기 작동 매니폴드 또는 작동 도관에 직접적으로 운반하도록 구성된 작동 운반 어셈블리를 포함할 수 있다. 상기 작동 운반 어셈블리는 양압 또는 음압의 공급원을 포함할 수 있고, 전송 라인을 통해 작동 도관에 연결될 수 있다.
작동 중에, 펌프는 유입 밸브, 펌핑 밸브 및 유출 밸브를 연속으로 배치함으로써 제공될 수 있다. 상기 펌프는 유입 밸브를 활성화하여 이것을 열고, 유출 밸브를 활성화하여 이것을 닫고, 펌프 밸브를 활성화하여 상기 유입 밸브를 통과해 상기 펌프 밸브 안으로 수용액을 끌어내고, 상기 유입 밸브를 활성화하여 이것을 닫고, 상기 유출 밸브를 활성화하여 이것을 열고, 상기 펌프 밸브를 활성화하여 상기 유출 밸브를 통과해 수용액을 내보내는 기능을 할 수 있다. 따라서, 상기 작동 메커니즘은 밸브 작동 및 임의의 소정의 통로를 따라 용액을 보내기 위한 챔버를 조직화할 수 있다.
또한, 미세 유체 장치는 부속 어셈블리를 포함한다. 이러한 어셈블리 중 하나는 유체 도관 내에서 유체의 온도를 조절하도록 구성된 온도 제어기이다. 다른 것은, 영구자석 또는 전자석과 같은 자력의 공급원이며, 이는 예를 들어 자기력에 영향을 받기 쉬운 입자를 포함할 수 있는 미세 유체 장치상 상의 용기에 자기력을 가하도록 구성된다. 다른 것은 분석물 어셈블리, 예를 들면 상기 유체 어셈블리로부터 샘플을 받고, 샘플에서 분리된 종의 식별을 돕기 위한 모세관 전기이동과 같은 과정을 수행하도록 구성된 어셈블리이다. 다른 것은 미세 유체 장치 내에서 분석물(예를 들면, 형광 또는 발광종)을 식별하기 위한 광학 어셈블리와 같은 검출기이다. 또한, 미세 유체 장치는 다양한 어셈블리를 자동적으로 작동하도록 구성된 제어 유닛을 포함할 수 있다. 상기 제어 유닛은 미세 유체 장치에 적합한 공정에 사용된 연속 단계를 실행함으로써 어셈블리를 작동시키는 코드 또는 로직(logic)를 포함하는 컴퓨터를 포함할 수 있다.
5. 장치의 사용 방법
본 발명의 장치는 유체 샘플 상에 반응을 수행하기 위해 사용될 수 있다. Tecan 자동 기계 장치와 같은 유체 자동 기계 장치는 유체를 유체층 내의 포트에 첨가할 수 있다. 작동층은 양압 또는 음압의 공급원을 갖는 공압층 내에서 포트를 연결하는 공압 매니폴드와 같은 매니폴드와 결합될 수 있다. 특정 실시예에서, 단일 공압 채널은 복수 개의 다른 유체 도관 내의 밸브를 동시에 작동시킨다. 이어서, 다양한 순서로 상기 밸브를 공압적으로 작동시킴으로써, 액체는 챔버 사이에서 펌핑될 수 있다. 상기 챔버는 반응이 진행되도록 시약을 제공받을 수 있다.
일 실시예에서, 순차적 분석을 위해 샘플의 추출을 가능하도록 반응이 종료된 후에, 미세 유체 장치는 고립된 영역으로 상기 샘플 및 시약을 유입한 다음 회복 영역으로 이동시키도록 프로그래밍될 수 있다. 다른 실시예에서, 미세 유체 장치는 반응된 샘플을 저장소 또는 유체 영역 안으로 이동시키고, 추가 반응 시약을 첨가하고, 추가 반응을 위해 상기 샘플을 상기 고립된 영역으로 재유입시킬 수 있도록 프로그래밍될 수 있다. 다른 실시예에서, 미세 유체 장치는 반응 샘플을 저장소 또는 유체 영역으로 이동시키고, 포획제를 첨가한 뒤, 관심있는 분석물의 물리적 분리를 위해 예를 들면 결합 모이어티(moieties)로 코팅된 자기 비드를 포획하는 자기장의 사용을 통해 샘플을 포획 영역으로 이동시키도록 프로그래밍될 수 있다. 다른 실시예에서, 미세 유체 장치는 반응 샘플을 저장소 또는 유체 스트림으로 이동시키고, 검출 시약 또는 모이어티을 첨가한 뒤, 순차적 분석을 위해 샘플의 추출을 가능하게 하는 회복 영역 안으로 샘플을 이동시키도록 프로그래밍 될 수 있다. 통상의 기술자에 알려진 형광 라만, 플라스몬 공명, 면역원포획(immunocapture) 및 DNA 분석 장치에 유도된 레이저와 같은 식별 장치는 다이아프램 밸브 내, 외판 영역의 채널 내 또는 상기 미세 유체 장치의 다른 부분 내의 샘플의 정보를 얻기 위해 사용될 수 있다(WO2008/115626(Jovanovich)를 참조). 단일체 막을 포함하는 미세 유체 장치는 칩 상에서 검출 시스템을 시행하는 가장 적합한 장치의 예이다. 다양한 실시예에 따르면, 상기 식별 시스템은 폴리메라아제 연쇄 반응(PCR) 및 모세관 전기 이동(CE) 메커니즘과 같은 면역원포획 및 DNA 분석 메커니즘을 포함할 수도 있다.
도 14는 샘플 상에서 열순환을 수행할 수 있고 정제화된 산물을 배출할 수 있는 미세 유체 장치의 예를 도시한다. 예를 들면, 미세 유체 장치는 순환 순서 결정 핵산 분석법(cycle sequencing nucleic acid analysis)을 위한 샘플을 제조할 수 있다. 이러한 구성에서, 웰(80)에 유입된 핵산 샘플은 이동되고, 순환 순서 결정 시약에 따라 다이아프램 밸브(20)에서 혼합되고, 효소는 웰(70) 안으로 유입되고, 밸브(10, 20, 30 및 40)의 작동에 의해 분리된 영역의 구불구불한 채널(60)로 펌핑된다. 대안적으로, 밸브(10, 20, 30 및 50)는 펌핑에 사용될 수 있다. 상기 시약 및 샘플의 혼합은 본원에서 설명된 바와 같이 수행될 수 있다. 복수 회분의 시약 및 샘플은, 상기 시약(밸브 10, 30 및 40)을 이동시키는 펌핑 밸브 및 상기 샘플(밸브 20, 30 및 40)을 이동시키는 펌핑 밸브를 이용함으로써, 마이크로칩의 미세 유체 채널 안으로 순차적으로 및/또는 대안적으로 이동될 수 있다. 상기 시약 및 샘플은 밸브(20)에서 혼합될 수 있고 밸브(40)에 다다르기 전에 혼합될 수 있다. 이어서, 상기 혼합된 시약 및 샘플은 상기 미세 유체 장치의 분리된 영역 상에 배치된 구불구불한 채널(60)로 펌핑될 수 있다. 상기 분리된 영역은 열조절체와 열접촉할 수 있기 때문에, 상기 외판의 반응 영역으로 유입된 상기 샘플은 조작자에 의해 선택된 제어 조건 하에서 가열되거나 냉각될 수 있다. 상기 시약 및 샘플은 순환 순서 결정을 위한 열적 조건을 겪을 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플은 밸브를 통해 상기 외판 영역 안으로 유입될 수 있고, 상기 챔버를 둘러싸고 있는 밸브(예, 40 및 50)는 열 조절기에 의해 샘플의 열순환 또는 다른 열-조절 반응 조건 을 위해 닫힐 수 있다. 상기 우수한 체적-표면비 및 약 100배 더 긴 통로 길이는 더 큰 체적-표면비에 의해 생화학 및 온도 조절된 샘플 제조에 이점이 있다. 순환 순서 결정 이후, 상기 샘플 및/또는 반응 혼합물은 웰(80)로 이동될 수 있다. 결합 모이어티를 포함하는 자기비드는 웰(80)로 유입될 수 있고, 그 결과 샘플 및/또는 반응 혼합물은 상기 자기비드와 혼합된다. 본 발명의 일부 실시예에서, 상기 자기비드는 카복실기로 코팅되고 핵산을 흡수할 수 있다. 흡수된 핵산을 포함하는 상기 자기비드는 포획 영역(40) 안으로 더 이동될 수 있고, 자기장을 적용함으로써 포획될 수 있다. 상기 자기장에 의한 비드 포획은 상기 포착 밸브의 변형에 의해 수반될 수 있다. 상기 자기장은 본원에 설명된 자기 어셈블리를 작동시킴으로써 적용될 수 있다. 상기 포착 밸브는 변형되어 상기 챔버 크기를 증가시킬 수 있다. 상기 포착 밸브의 증가된 크기는 상기 챔버를 통한 유속을 감소시킬 수 있다. 상기 비드가 자기장에 의해 포착되는 동안 상기 자기비드는 세정될 수 있다. 상기 온-칩 다이아프램 펌프(10, 20, 30 및 40)는 완충액, 결합된 핵산으로 세정될 수 있는 비드를 이동시킬 수 있다. 상기 비드는 제거 포트(90)들 중 하나로 이동될 수 있거나, 국부적인 열의 국부적 적용 또는 물이나 완충액으로 용출하여 방출될 수 있는 핵산은 제거 포트(90) 중 하나로 이동될 수 있다.
다른 실시예에서, 미세 유체 장치는 DNA 염기서열 결정을 위한 여러 반응 단계를 통합하도록 프로그래밍된다. 공통 시약 저장소(70)는 DNA와 혼합되는 순환 순서 결정 시약을 탑재하는데, 상기 DNA는 PCR, 플라스미드 또는 다른 서열화될 핵산 증폭 산물로 존재하는 샘플과 함께 샘플 저장소(80) 안으로 탑재된 샘플을 함유한다. 상기 샘플 및 순환 순서 결정 시약을 포함하는 상기 혼합물은, 열순환을 사용하여 순환 서열 결정 반응을 수행하는 장치의 연장된 외판 영역에 배치된 반응 챔버(60)로 미세 밸브를 이용하여 프로그래밍 가능한 유체에 의해 이동될 수 있다. 이어서, 상기 순환 순서 결정 산물은 추가적인 처리를 위해 산물 저장소(90)로 이동되어 장치로부터 떨어질 수 있고, 바람직일 실시예에서 상기 순환 순서 결정 산물은 저장소로 이동되고 Agencourt SPRI와 같은 비드는 소정의 순환 순서 결정 산물을 얻도록 적절한 화학반응으로 순환 순서 결정 산물에 첨가되며, 이런 순환 순서 결정 산물은 비드에 결합되어 염과 포함되지 않은 염료로 라벨링된 종결자 또는 프라이머(primer)로부터 산물을 분리한다. 비드에 순환 순서 결정 산물을 결합하는 것과 반대로 용액 중에 순환 서열 산물이 남아있고, 염과 포함되지 않은 염료를 비드에 결합하는 방식으로 수행될 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 자명하다. 상기 용어 비드는 입자, 상자성 입자, 나노 입자, 단일체, 젤, 친화성 포획 성질 또는 비특이성 성질을 가진 젤을 포함하도록 제한 없이 사용된다.
만약 상기 비드 및 순환 순서 결정 산물이 저장소(80)에 포함되는 경우, 상기 혼합된 혼합물은 열릴 수 있고 인접하게 고정되거나 이동가능한 자석을 갖는 미세 밸브(40)로 미세 밸브(20 및 30)를 통해 펌핑된다. 상자성인 SPRI 비드와 같은 비드는 개방된 미세밸브에서 유속이 느려짐에 따라 포획되고, 상기 비드는 자기장에서 포획된다. 예를 들면, 밸브는 개방될 수 있고, 본 발명의 자석 어셈블리에 포함되는 자석은 챔버를 통과하는 비드가 자석에 의한 자력에 의해 포획되도록 상기 밸브와 인접한 기능적 위치 안으로 이동할 수 있다.
에탄올과 같은 유체는 이후 공정을 위해 비드를 처리하는 저장소에 첨가될 수 있고, 원치 않는 불순물, 예를 들어 염 및 포함되지 않은 염로 라벨링된 반응물을 제거할 수 있다. 이어서, 자석은 제거되어 비드 상에 자력을 해제한다. 상기 비드는 산물 저장소(90)로 펌핑되거나, 순환 순서 결정 산물은 물 안으로 용출되어 산물 저장소(90)로 펌핑될 수 있다. 순환 순서 결정을 위해, 상기 용출된 산물은 CAE 또는 마이크로칩과 같은 분리 장치 상에서 분석할 준비가 되어있다. 다른 저장소는 다른 구성을 가지고, 단일 샘플은 저장소(70)에 첨가될 수 있고, 다수의 시약은 저장소(80)에 첨가되어 단일 샘플에 3개의 다른 반응을 수행할 수 있다는 것이 통상의 기술자에게 자명하다.
실시예
실시예 1- Teflon 의 PECVD 와 같은 쉐도우 마스크를 통한 물질
쉐도우 마스크는 유리 웨이퍼에 홀을 드릴링하여 만든다(1.1㎜ 두께). 상기 홀은, 예를 들면 1㎜ 밸브에 대해 쉐도우 마스크는 유리 웨이퍼에 홀을 드릴링하여 만든다(1.1㎜ 두께). 상기 홀은, 예를 들면 1㎜ 밸브에 대해 약 900마이크론의 홀과 같이 공차(tolerance)를 조정하여 밸브 직경에 비해서 약간 더 작다.
Teflon과 같은 코팅은 PlasmaTherm(St. Petersburg, FL.)로부터 입수 가능한 플라즈마 공정 기계 내의 쉐도우 마스크를 통해서 증착되고, 상기 기계는 다름의 프로토콜을 가진다:
1. 4층 칩(예를 들면, 유체층은 식각 하부층 및 비아 하부층을 포함)에 대해 피라냐로 코팅하기 위해, 그리고 3층칩에 대해서 KOH로 코팅하기 위해 유리를 세정한다.
2. 상기 세정 칩을 상기 쉐도우 마스크에 나란히 배치하고, Kapton 테이프로 그것을 단단히 고정시킨다.
3. 플라즈마 식각 기계로 평행 플레이트를 벤팅(vent)한다.
4. 챔버를 열고 코팅할 유리 부분을 탑재한다.
5. 상기 챔버를 닫고 약 30㎜Torr로 펌핑다운 시킨다.
6. 가스 판넬 상에 O2 밸브를 연다.
7. 가스 유출 제어기 상의 채널(1)을 선택한다.
8. 100% 흐름을 설정하고 시작한다.
9. 전력 발생기를 켜고 2분 동안 300W를 적용한다.
10. 플라즈마 및 가스 흐름을 변경한다.
11. 30㎜Torr로 이베큐에이팅(evacuate)한다.
12. C4F8 밸브를 연다.
13. 가스 흐름 제어기 상에 채널(3)을 선택한다.
14. 100% 흐름을 설정하고 시작한다.14. 100% 흐름을 설정하고 시작한다.
15. 2분 동안 75W를 적용한다.
16. 플라즈마 및 가스 흐름을 변경한다.
17. 약 100㎜Torr로 이베큐에이팅한다.
18. 약 50Torr로 벤팅한다.
19. 10㎜Torr로 이베큐에이팅한다.
20. 상기 챔버를 벤팅한다.
21. 상기 챔버를 열고 상기 코팅된 부분을 제거한다.
22. 상기 챔버를 닫고 펌핑다운 시킨다.
밸브 상에 Teflon 유사 물질로 코팅된 칩을 조립하고 컬링 오븐 내에 90℃에서 10분 동안 300kg의 압력에 두었다. 이것은 강한 PDMS/유리 결합을 만든다. 상기 밸브는 즉시 작동한다.
실시예 2- SAM 의 화학 기상 증착법 이후의 접촉 표면 제거
SAM 코팅은 상업적인 기상 증착 시스템 MVD-100(Microstructures)에 증착되고, Gelest Corp.의 과불화 폴리머 실란(트리에카플루오로-1,1,2,2-테트라히드로옥틸트리클로로실란(FOTS))은 촉매로서 탈이온수와 함께 전구체로서 사용된다. 상기 증착은 진공(기저압 25 mTorr)에서 진행되며, 전구체는 순차적 모드로(0.7 Torr × 4 FOTS 주입; 및 12 Torr × 1탈이온 수증기) 챔버 내에 주입되고, 이어서 반응을 35℃에서 15분 동안 행한다. 상기 표면 상에서 SAM-증착의 접촉각은 110° 내지 115°로 측정된다. 이어서 상기 칩을 밸브 및 채널이 위치하는 불투명한 영역을 갖도록 디자인된 쉐도우 마스크를 통해 UV오존에 노출시킨다. 상기 쉐도우 마스크를 리소그래피 및 웨이퍼를 통한 식각에 의해 실리콘 웨이퍼로부터 제작한다. Si 식각(깊은 Si "Bosch" 처리) 또는 웨트한 Si 이방질 식각(KOH 식각)을 사용할 수 있다. 노출은 시스템을 세정하는 UVOX UV오존에서 일어나고, 상기 시스템은 248㎚ 파장에서 5분 동안 작동하는 램프 및 상기 램프로부터 2㎜의 거리에 샘플을 포함한다. 상기 노출부의 접촉각은 10° 내지 15°로 측정된다. 상기 칩을 폴리머막을 포함하여 UV에 노출된 후에 밸브 스트라이킹 없이 기능적 칩으로 조립한다.
실시예 3- 건포토레지스트 증착
0.125㎜두께의 필름 음성 레지스트인 블랭킷을 유리칩 상에 식각된 채널과 밸브로 80℃에서 라미네이팅한다. 마스크를 통해 상기 필름을 노출시키고 3% 베이킹 소다 용액에서 현상한다. 실시예 1에서 설명된 동일한 프로토콜로 Teflon 코팅을 행하고, 이어서 레지스트를 3% KOH 용액에서 용해한다. 설명한 바와 같이 미세 유체 장치를 조립하고 결합한다.
실시예 4-수용액 포토레지 스트 증착
표면 상에서 포토레지스트를 스피닝하거나 건조 포토레지스트를 라미네이팅한다. 코팅되어 있어야 할 위치에서 불투명한 특징을 갖는 포토마스크를 통해서 상기 포토레지스트를 노출시킨다. 상기 포토레지스트를 현상한다. 진공 오븐 또는 증기 증착 시스템을 이용하여 SAM 소수성 코팅을 증착하거나, 플라즈마 시스템을 이용하여 Teflon 코팅을 증착하거나, PVD 시스템을 이용하여 Teflon 코팅을 증착한다. 이어서, 아세톤 내에 샘플을 침지하여 코팅된 포토레지스트를 들어올리면 밸브 시트 위치에 코팅 섬을 남길 것이다. 이러한 코팅의 접촉각은 약 110°이고 이것은 상기 표면의 소수성 성질을 증명한다. 레지스트를 제거한 상기 표면의 접촉각은 10° 내지 15°로 측정된다. 상기 칩을 UV에 노출시킨 후에, 폴리머막과 함께 기능성 칩을 조립한다.
실시예 5- 잉크젯을 이용한 프린팅
Teflon 물질(Teflon-AF)을 밸브 시트의 위치를 따라서 배치하도록 프로그래밍된 잉크젯 프린터 시스템을 이용하여 프린팅한다. 이어서, 상기 출력된 물질을 오븐에서 열처리하여 경화한다. 상기 칩을 UV에 노출시킨 후에, 폴리머막과 함께 기능성 칩을 조립한다.
실시예 6-화학적 부착으로 기능적 표면 상에서 자가조립된 실리콘 단층
1. 소형 비이커에 10㎖의 클로로트리메틸실란을 둔다.
2. 유리 및 폴리머 물질-유체층, 탄성층, 공압층으로 미세 유체칩을 조립한다.
3. 칩을 실란이 들어있는 상기 비이커와 함께 동봉된 플라스틱 박스에 둔다. 선택적으로, 감압하여 동봉될 수 있다.
4. 실온에서 30분 후에 상기 박스에서 칩을 제거한다.
5. 상기 칩을 100℃에서 10분 동안 열경화한다.
6. 모든 포트 및 밸브를 물로 씻어낸다.
7. 모든 포트 및 밸브에 공기를 가하여 건조한다.
실시예 7( PEG 프로토콜)
1. 미세 유체칩을 유리 및 폴리머 물질로 조립한다.
2. PEG200(예를 들면, Sigma #81150)을 피펫팁으로 구성된 시린지를 이용하여 모든 포트를 통해 상기 유체층으로 밀어보낸다. 모든 채널 및 밸브가 반드시 채워지도록 노력한다.
3. 100℃에서 10분 동안 칩을 열경화하여 유리 물질을 포함한 폴리머막의 결합을 완료한다.
4. 모든 포트 및 밸브를 물로 씻어낸다.
5. 모든 포트 및 밸브에 공기를 가하여 건조한다.
실시예 8-증발된 금
본 발명의 다른 실시예는 PDMS가 밸브 시트에 결합하는 것을 방지하기 위한 비접착층으로서 귀금속을 채용한다. 이러한 경우, 접착 목적으로 Cr 또는 Ti와 같은 제 1 내화 금속을 유리 또는 플라스틱 상에 증착한다. 이어서, Au를 증착한다.
Cr의 두께= 300Å 내지 500Å
Cr 증착 공정:
1. 진공=2 내지 3μTorr
2. 75 내지 80Amps에서 Cr으로 코팅된 텅스텐(W) 필라멘드로부터의 증발
3. 증착율= 5Å/s
Au의 두께= 2,000Å 내지 4,000Å
Au 증착 공정:
1. Au 와이어 순도=99.99%
2. 150Amps에서 텅스텐 보트로부터의 증발
3. 증착율= 10Å/s
실시예 9-박막 증착된 금
1. 챔버를 벤팅한다.
2. 상기 챔버를 열고 코팅될 부분 및 Cr과 Au 목표물(99.99% 순도)을 탑재한다.
3. 2 내지 3μTorr으로 펌핑다운한다.
4. Ar 가스를 열고 5mTorr 내지 7mTorr의 증착 압력을 위해 스로틀 밸브(throttle valve)를 조절한다.
5. 기판 회전을 열고 200W DC에서 5분 동안 스퍼터 세정한다.
6. 150W RF, 50Å/분에서 500Å Cr 증착을 수행한다.
7. 250W DC, 250Å/분에서 2,000Å 금 증착을 수행한다.
8. Ar 가스를 끄고, 15분을 냉각시키고, 상기 챔버를 벤팅하고 코팅된 부분을 제거한다.
다른 실시예에서, Cr/Au 박막 증착을 위해 제안된 쉐도우 마스크는 금속(예를 들면, 알루미늄으로 플레이팅된 Ni)으로 제작된다. Cr/Au로 보호될 밸브 시트의 배치를 따라 금속 플레이트에 비아홀을 드릴링한다. 상기 금속 플레이트에서 포켓을 기계화하여 각각의 유리 부분을 마련하고, 상기 유리 상의 밸브와 상기 플레이트의 비아홀 간에 단순 기계적 정렬을 이룰 수 있다. 유리 부분은 상기 포켓의 코너에 대하여 미끄러지고, 이러한 부분은 상부에서 스프링에 의해 두 개의 작은 자석과 두 면에서 고정된다. 이어서, 상기 플레이트는 윗면이 아래로 향하게 뒤집히고 박막 증착 시스템의 플레이튼(platen) 안으로 탑재된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 본원에 제시하고 나타내지만, 이것은 통상의 기술자에게 예시의 수단으로서 제공되는 것이 자명하다. 다수의 변형, 변화 및 치환은 본 발명에서 벗어나지 않고 당해 분야의 통상의 기술자에게 일어날 것이다. 본원에 나타낸 본 발명의 실시예에서 다수의 대안책이 본 발명을 실행함에 있어 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이하의 특허 청구 범위는 본 발명의 범주를 정의하고, 청구 범위 내의 방법 및 구조 그리고 이들의 등가물들은 본 발명의 범위에 내에 해당한다.

Claims (71)

  1. 유체층, 작동층, 및 상기 유체층과 작동층 사이에 샌드위칭 된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로서:
    (a) 상기 유체층 및 작동층은 상기 탄성층에 접촉하는 밀봉 표면을 포함하며; 그리고
    (b) 상기 유체층은 표면(surface)을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하고, 상기 작동층은 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관을 포함하되, 상기 유체 도관 및 작동 도관의 표면 중 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되며, 노출된 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 더 포함하는 미세 유체 장치로서, 각각의 다이아프램 밸브는:
    (i) 상기 작동층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 바디, (ⅱ) 상기 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트, (ⅲ) 상기 탄성층에 포함되고, 상기 밸브 시트 표면에 안착하거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (ⅳ) 유체가 밸브로 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하되, 상기 밸브 시트 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 표면은 상기 저에너지 물질을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 유체 도관은, 밸브 시트를 포함하지 않는 노출된 표면을 포함하는 챔버를 더 포함하고, 상기 챔버의 노출된 표면 중 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브 바디의 적어도 일부분은 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브의 모든 노출된 표면은 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 도관 및 작동 도관의 모든 노출된 표면은 상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 노출된 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 일부 노출된 표면을 갖도록 패턴화되어 있는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 자가조립 단층, 패럴린, 다이아몬드형 탄소, 금속 산화물(예를 들면, 티타니아 및 알루미나), 금속 및 세라믹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 내화 금속 상에 코팅된 귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 크로뮴 상에 코팅된 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 과불화 폴리머를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질은 폴리(테트라플루오로에틸렌)(Teflon？)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 표면은 접촉 표면보다 적어도 20° 큰 수접촉각(water contact angle)을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 저 표면 에너지 물질을 포함하는 표면은 적어도 100°의 수접촉각을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체층 또는 작동층은 유리(예를 들면, 보로실리케이트 유리(예를 들면, 보로플로트 유리, Corning Eagle 2000, 파이렉스), 실리콘, 석영 및 플라스틱(예를 들면, 폴리카보네이트, 올레핀코폴리머(예를 들면, Zeonor), 시클로올레핀 코폴리머, 실리콘 아크릴, 액정고분자, 폴리메틸메톡시아크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌, 폴리프로필렌 및 폴리티올)에서 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성층은 열가소성 플라스틱 또는 가교 플라스틱으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    탄성층은 실리콘(예를 들면, 폴리디메틸실록산), 폴리이미드(예를 들면, Kapton™, Ultem), 고리형 올레핀코폴리머(예를 들면, Topas™, Zeonor), 고무(예를 들면, 천연 고무, 부나(Buna), EPDM), 스티렌블록코폴리머(예를 들면, SEBS), 우레탄, 퍼플루오로 탄성체(예를 들면, Teflon, PFPE, Kynar), 마일라(Mylar), 비톤(Viton), 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 산토프렌, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌에서 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성층은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성층은 PDMS를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성층은 탈기 및 UV오존 이온화에 의해 처리된 PDMS를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 표면은 상기 탄성층에 열결합된 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  25. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉 표면은 상기 탄성층에 압력에 의해 유지되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일체 탄성층은 복수 개의 밸브 시트를 덮는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  27. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동층은 공압층인 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  28. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동층은 다른 유체 도관 상에 복수 개의 다이아프램 밸브를 작동시키는 하나 이상의 작동 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  29. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 채널과 교류하는 외부 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  30. 제 1 항에 있어서,
    1㎜ 이하의 간격으로 분리된 유체 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  31. 제 1 항에 있어서,
    1,000㎟ 당 5개 이상의 유체 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  32. 유체층 및 상기 유체층의 면(face)과 접촉하고 있는 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로서:
    (a) 상기 유체층은 유체-접촉 표면의 적어도 일부가 사익 탄성층에 노출된, 상기 유체-접촉 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하며; 그리고
    (b) 상기 노출된 유체-접촉 표면에서 유체 도관을 밀봉하도록 상기 탄성층에 결합된 밀봉 표면을 포함하며,
    상기 노출된 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 밀봉 표면 보다 큰 소수성을 갖는 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  33. (a) 유체층, 작동층, 및 상기 유체층과 작동층 사이에 샌드위칭 된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로,
    (i) 상기 유체층 및 작동층은 상기 탄성층에 접촉하는 밀봉 표면; 및
    (ii) 상기 유체층은 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하고, 상기 작동층은 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관을 포함하되, 상기 유체 도관 및 작동 도관 표면의 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되어 있고, 상기 노출된 표면의 적어도 일부분은 저표면에너지 물질을 포함하고, 상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 더 포함하되, 각각의 다이아프램 밸브는 (1) 상기 작동층의 노출된 표면을 포함하는 바디, (2) 상기 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트, (3) 상기 탄성층에 포함되고 상기 밸브 시트 표면에 안착되거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (4) 유체가 상기 밸브로 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하며, 상기 밸브 시트 표면의 적어도 일부분은 저표면에너지 물질을 포함하며;
    (b) 상기 유체 도관에 유체를 운반하도록 구성된 유체 운반 시스템; 및
    (c) 상기 작동층을 제어하도록 구성된 작동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 작동층은 공압층인 것을 특징으로 하는 시스템.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 유체 운반 시스템 및 제어 시스템의 작동을 제어하도록 프로그래밍되고 구성된 컴퓨터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  36. 미세 유체 장치의 제작 방법으로서:
    (a) (i) 표면을 포함하는 하나 이상의 유체 도관 및 (ⅱ) 하나 이상의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 유체층을 제공하는 단계 및,
    (b) 탄성층을 밀봉 표면에 결합시키지만, 노출된 유체 도관 표면에는 결합시키지 않은 단계를 포함하며,
    유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되고, 유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    (c) 결합 후에 노출된 표면으로부터 저에너지 물질을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  38. 제 36 항에 있어서,
    (c) (i) 표면을 포함하는 하나 이상의 작동 도관 및 (ⅱ) 하나 이상의 밀봉 표면을 포함하는 표면을 포함하는 작동층을 제공하는 단계; 및
    (d) 상기 탄성층을 상기 작동 밀봉 표면에 결합시키지만 노출 작동 도관 표면에는 결합시키지 않는 단계를 더 포함하며,
    작동 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 면에 노출되는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하되, 각각의 다이아프램 밸브는 (i) 상기 작동층의 노출된 표면을 포함하는 바디, (ⅱ) 유체층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트, (ⅲ) 상기 탄성층에 포함되고 상기 밸브 시트의 표면에 안착하거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (ⅳ) 유체가 상기 밸브에 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하며, 밸브 시트 표면의 적어도 일부분은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 밸브 시트의 적어도 한 표면은 저 표면 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 방법.
  41. 제 36 항에 있어서,
    상기 유체층을 제공하는 단계는:
    (i) 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관 및 적어도 하나의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 유체층으로, 유체 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되는 것을 포함하는 유체층을 제공하는 단계; 및
    (ii) 상기 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  42. 제 37 항에 있어서,
    상기 작동층을 제공하는 단계는:
    (i) 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관 및 적어도 하나의 밀봉 표면을 포함하는 면을 포함하는 작동층으로, 작동 도관 표면 각각의 적어도 일부분은 상기 면에 노출되는 것을 포함하는 작동 층을 제공하는 단계; 및
    (ii) 상기 밀봉 표면 보다 낮은 표면 에너지를 갖는 물질을 포함하는 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  43. 제 41 항에 있어서,
    상기 노출된 표면의 적어도 일부분을 코팅하는 단계는:
    (1) 저 표면 에너지 물질로 코팅되도록 표면의 일부를 노출시키는 개구부를 갖는 쉐도우 마스크를 포함한 면을 덮는 단계,
    (2) 노출된 부분 상에 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 증착하는 단계는 화학 기상 증착법에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  45. 제 43 항에 있어서,
    상기 증착하는 단계는 물리 기상 증착법에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  46. 제 41 항에 있어서,
    상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는:
    (1) 상기 면 및 노출된 표면 상에 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계;
    (2) 쉐도우 마스크를 이용하고, UV오존 또는 산소 플라즈마에 노출시켜 상기 면으로부터 저 표면 에너지 물질을 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  47. 제 41 항에 있어서,
    상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는:
    (1) 면 또는 노출된 표면을 코팅하거나 그대로 두기 위해 이의 일부를 활성화하거나 비활성화하는 단계; 및
    (2) 상기 저 표면 에너지 물질에 표면을 노출시키는 단계를 포함하며, 상기 저 표면 에너지 물질은 노출된 면에 부착되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  48. 제 41 항에 있어서,
    상기 노출된 표면을 코팅하는 단계는:
    (1) 포토레지스트 패턴화된 마스크를 통해 저 표면 에너지 물질을 증착하는 단계;
    (2) 유체층의 면을 상기 마스크에 접촉시키는 단계;
    (3) 상기 노출된 표면 상에 저 표면 에너지 물질을 남기는 박리 처리로 상기 마스크를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  49. 제 36 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 미세 유체 채널은 복수 개의 미세 유체 채널인 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  50. 제 36 항에 있어서,
    상기 탄성층은 상기 밀봉 영역에 열결합 되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  51. 제 36 항에 있어서,
    상기 탄성 물질은 단일체인 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치의 제작 방법.
  52. (a) 탈기 및 UV오존 이온화에 의한 실리콘(예를 들면, PDMS)층의 처리 단계; 및
    (b) 도관을 갖도록 식각된 층의 표면에 처리된 실리콘을 결합 시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. (a) 표면에 노출된 하나 이상의 도관을 포함하는 제 1 층, 표면에 노출된 하나 이상의 도관을 포함하는 제 2 층, 및 상기 제 1 층 및 제 2 층 사이에 탄성층을 포함하는 샌드위치를 생성하는 단계;
    (b) 상기 표면에 상기 탄성층을 결합 시키는 단계; 및
    (c) PEG 또는 1-2 프로판디올로 도관을 세척(flushing)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. (a) 상기 미세 유체 도관 내에 유체를 갖는, 다이아프램 밸브가 닫혀 있는 제 2 항에 따른 장치를 제공하는 단계;
    (b) 상기 다이아프램 밸브를 개방하는 단계;
    (c) 유체가 개방된 밸브를 통과해 흐르도록 하는 단계;
    (d) 밸브를 닫는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하는 미세 유체 장치로, 상기 밸브는 1/1,000, 1/10,000 또는 1/100,000 미만의 작동 실패율을 갖는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 미세 유체 장치는 10개 이상의 안착된(seated) 다이아프램 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  57. 제 55 항에 있어서,
    상기 미세 유체 장치는 50개 이상의 안착된 다이아프램 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  58. 제 55 항에 있어서,
    상기 미세 유체 장치는 100개 이상의 안착된 다이아프램 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  59. 제 55 항에 있어서,
    상기 미세 유체 장치는 1㎠ 당 1개 이상의 다이아프램 밸브가 있는 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  60. 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하는 미세 유체 장치로, 상기 미세 유체 장치는 20% 미만, 1% 미만 또는 0.1%미만의 장치 실패율을 갖는 복수 개의 다이아프램 밸브를 갖는 10개 이상의 미세 유체 장치의 집단의 부재인 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  61. (a) 복수 개의 정의된 처리된 영역을 포함하는 제 1 표면을 갖는 제 1 층; 및
    (b) 제 1 표면의 일부분에 결합하고 상기 정의된 처리된 영역에서 제 1 표면에 결합하지 않는 유연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  62. 유체층, 작동층 및 이들 사이에 샌드위칭된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로;
    (a) 상기 유체층 및 작동층은 상기 탄성층에 접촉하는 밀봉 표면을 포함하고;
    (b) 상기 유체층은 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하고, 상기 작동층은 표면을 포함하는 복수 개의 작동 도관을 포함하되, 상기 유체 도관 및 작동 도관 표면의 적어도 일 부분은 상기 탄성층에 노출되며,
    상기 미세 유체 장치는 유체 도관 내의 유체 흐름을 각각 조절하는 복수 개의 다이아프램 밸브를 포함하되, 다이아프램 밸브 각각은 (i) 상기 작동층 및 유체층의 노출된 표면을 포함하는 바디, (ii) 상기 탄성층에 포함되고 상기 밸브 시트의 표면에 안착되거나 떨어지도록 구성된 다이아프램 및 (iii) 유체가 상기 밸브에 유입되고 밖으로 유출되도록 구성된 밸브 포트를 포함하며, 상기 바디에서 유체층의 노출된 표면의 적어도 일부분은 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  63. 제 62 항에 있어서,
    상기 밸브는 상기 유동층의 노출된 표면을 포함하는 밸브 시트를 더 포함하고, 상기 다이아프램은 밸브 시트 상에 안착되어 상기 밸브를 닫도록 구성되고, 상기 밸브 시트는 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  64. 제 62 항에 있어서,
    유체 채널의 표면은 결합 기능성을 갖도록 유도체 합성되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  65. 제 62 항에 있어서,
    상기 결합 기능성은 핵산, 단백질, 탄수화물, 금속 또는 금속 킬레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  66. 제 1 기판층, 제 2 기판층 및 이들 사이에 샌드위칭되고 상기 기판층들의 밀봉 표면에 접촉하는 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로서;
    상기 미세 유체 장치는 하나 이상의 기판층에 구멍을 포함하는 바디로 구성된 하나 이상의 다이아프램 밸브, 탄성층의 일부분을 구성한 다이아프램, 및 유체가 밸브 안으로 유입되고 밖으로 유출되도록 하는 포트를 포함하며, 유체는 유체-접촉 표면에 접촉하고, 상기 미세 유체 장치는 상기 탄성층이 밀봉 표면에 결합되지만 유체-접촉 표면에는 결합되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  67. 제 66 항에 있어서,
    유체-접촉 표면을 갖는 밸브 시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  68. 제 66 항에 있어서,
    상기 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 상기 밀봉 표면이 포함하지 않는 저 에너지 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  69. 유체층, 상기 유체층의 표면 상의 부착층 및 상기 부착층에 부착된 탄성층을 포함하는 미세 유체 장치로;
    (a) 상기 유체층은 유체-접촉 표면을 포함하는 복수 개의 유체 도관을 포함하되, 상기 유체-접촉 표면의 적어도 일부분은 상기 탄성층에 노출되고;
    (b) 상기 부착층은 상기 유체층 내의 리지(ridge)에 의해 적어도 일부분의 유체 도관 부분과 분리되는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  70. 제 69 항에 있어서,
    상기 부착층은 테이프, 수용액 또는 반-수용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
  71. 제 69 항에 있어서,
    상기 부착층은 아크릴계 부착제 또는 실리콘계 부착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 장치.
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