KR20140009217A - 샘플 액체의 분석을 위한 마이크로유체 요소 - Google Patents

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Abstract

기판 (34) 및 피복 층에 의해 포위되는 채널 구조 (7) 를 갖는 마이크로유체 수송 시스템 (2) 과 기판 (34) 을 갖는 유체 샘플의 분석을 위한 마이크로유체 요소 (1). 채널 구조 (7) 는 2 개의 측벽들 (22) 을 갖는 채널 (8, 13) 뿐만 아니라 이 채널 (8, 13) 과 유체 연통 상태인 챔버 (9, 11) 를 포함한다. 챔버 (9, 11) 는 유입 오리피스 (21) 를 구비하는 챔버 벽 (20) 을 갖는다. 채널 (8, 13) 은 채널 부분 (18) 및 이 채널 부분 (18) 에 인접하는 밸브 부분 (19) 을 포함하고, 밸브 부분 (19) 은, 유체가 채널 (8, 13) 로부터 밸브 부분 (19) 을 통해 챔버 (9, 11) 내로 유입할 수 있도록 챔버 벽 (20) 내의 유입 오리피스 (21) 와 유체 연통 상태에 있다. 밸브 부분 (19) 은 유동 방향으로 확장되는 유체 수송 단면을 갖는다. 밸브 부분 (19) 내의 유체 수송 단면은 선행하는 채널 부분 (18) 내의 유체 수송 단면보다 크다.

Description

샘플 액체의 분석을 위한 마이크로유체 요소 {MICROFLUIDIC ELEMENT FOR ANALYSIS OF A SAMPLE LIQUID}
본 발명은 기판 및 이 기판과 피복 층에 의해 포위되는 채널 구조를 갖는 마이크로유체 수송 시스템을 구비하는 유체 샘플의 분석을 위한 마이크로유체 요소에 관한 것이다. 채널 구조는 채널 및 이 채널과 유체 연통 상태인 챔버를 포함한다. 유체는 채널을 통해 챔버 내로 수송되고, 이것에 의해 챔버 내로 유체의 유입은 제어된 방법으로 실행된다.
이와 같은 유형의 마이크로유체 요소 또는 테스트 캐리어 (test carriers) 는, 예를 들면, 유체의 다양한 파라미터들이 챔버 내에서 분석되는 생화학적 분석용으로 사용된다. 이와 같은 유형의 테스트는, 예를 들면, 면역학적 분석을 위한 체외 (in-vitro) 진단 시스템에서 사용된다. 이 면역학적 테스트는 종종 다단계 반응 프로토콜을 요구하므로, 테스트 수순은 다수의 하위 단계들에서 실행된다. 일예로서, 테스트될 샘플은 초기에 샘플 챔버 내에 설치된다. 여기서 샘플은 고정화된 수용체 분자들, 즉 챔버 내에 국부적으로 고정된 분자들과 접촉하므로 수용체 분자들에 상보적인 샘플 유체 내의 분자들은 수용체 분자들과 반응할 수 있게 된다. 이 수용체 분자들은 개별 스팟들 (sopts) 의 형태일 수 있으나, 이들은 또한 마이크로어레이로 고정화될 수 있다. 마이크로어레이는 다양한 샘플 파라미터들이 하나의 챔버 내에서 테스트되는 경우에 유리하다. 예를 들면, 항체일 수 있는 고정화된 수용체 분자들을 갖는 샘플을 반응시킨 후, 수순의 추가 단계에서, 샘플 챔버는 세척액으로 세척된다. 다음 단계에서, 검출 항체가 결합 분자들에 도달할 수 있도록 라벨링 유체가 챔버 내로 수송되거나 시약이 첨가된다. 이 유형의 라벨은, 예를 들면, 형광물질 태그를 갖는 수용체 항체일 수 있다. 추가의 단계에서, 세척액을 이용한 챔버의 세척이 다시 실행된다. 이 단계는, 예를 들면, 프리 비결합 검출 항체, 예를 들면, 형광물질 라벨과 결합된 항체를 분리하기 위해 "바운드/프리 분리 (bound/free separation)"용으로 사용된다. 이 세척 공정은 프리 라벨링 항체의 모두가 제거될 수 있도록 연속하여 수 차례 실행되는 경우가 많다. 이 방법으로만 모든 프리 항체들이 제거되고, 결합된 항체들만이 측정되는 것이 보장된다.
시스템의 특성에 기인되어 또한 공간의 부족으로 인해, 마이크로유체 요소의 경우, 별개의 채널과 별개의 모세관 스톱 (stop) 을 공정의 각 단계를 위한 테스트 캐리어나 마이크로유체 요소로 일체화하는 것이 불가능한 경우가 종종 있다. 따라서, 채널들과 밸브들이 연속하여 다수 회 사용되어야 한다. 유량을 제어하기 위해, 예를 들면, 기하학적 밸브가 모세관 스톱으로서 사용된다. 모세관 작용에 의한 유체 수송은 소형 채널이 대형 챔버 내로 개방될 때 단면의 급격한 변화에 의해 정지된다. 따라서, 이 천이부 (transition) 는 밸브를 형성한다.
그러나, 본 기술분야에 공지된 밸브 및 천이부는 1 회만 사용되도록 설계된다. 다중 사용을 위해, 이들은 신뢰 가능하고 견고한 방식으로 통기될 수 없으므로, 제어된 유체 수송이 신뢰 가능하게 보장될 수 없다. 특히 합성세제를 함유하는 용액을 포함하는 세척 완충액의 경우, 비누막이 밸브에 종종 형성되므로 밸브 및 채널의 통기가 이 비누막에 의해 방해된다. 더욱이, 시스템의 특성에 기인되어, 큰 모세관 힘 또는 점착력은 종종 채널의 가장자리부나 모서리부에 유체 잔류물이 남는 원인이 된다. 따라서, 예를 들면, 사이펀 밸브 (2 개의 챔버들 사이의 S 자형 또는 U 자형의 채널) 의 모세관 충전 중에, 유체 잔류물이, 다음 챔버 내로 진행 시, 상호 유입할 수 있는 그 단부에 유지되므로, 공기는 후속 충전 중에 더 이상 배출될 수 없다. 연통하는 채널 (파이프) 의 원리가 더 이상 만족되지 않으므로, 유체의 충전은 정지되고, 따라서 다음 챔버 내로의 유체의 수송은 더 이상 가능하지 않다. 이 우려는, 사이펀 구조를 포함하고 또한 다수 회 사용되어야 하는, 사용되는 마이크로유체 채널들의 경우에 특히 높다. 다른 밸브 유형들에서, 그 경우에 채널 구조에 대해 연통하는 채널들이 기능하는 것이 요구되지 않으므로 채널 내의 잔류하는 유체는 중요성이 덜하다. 문제는 채널들이 모세관 작용에 의해 충전되어야 하는 경우에 주로 발생한다.
종래 기술에서 다수 회 사용될 수 있는 밸브를 제공하기 위해, 다양한 해결 방법들이 실행되었다. 일예로서, US 2007/0134799 A1 및 US 6 395 553 B1은 스프링의 하중을 받는 강 볼이 출구를 폐쇄하는 마이크로유체 밸브를 제안한다. 그와 같은 유형의 밸브는 고가이고 또한 제작이 복잡하고, 사이펀 형태의 구조가 채널용으로 사용될 수 없는 경우의 마이크로유체 테스트 분석에서 사용된다. 유체의 수송을 위해, 챔버 출구의 밸브는 개방될 필요가 있다. 이것은 통상적으로 원심력을 발생시킴으로써 달성되므로, 이와 같은 밸브의 용도는 회전식 테스트 캐리어에 제한된다.
회전이 개시되면, 밸브 내측의 볼은 반경 방향 외측을 향해 가압되고, 유체가 밸브를 통해 유동할 수 있도록 오리피스를 개방시킨다. 속도가 소정의 회전 속도 미만인 경우, 원심력은 감소되고, 볼 상에 작용하는 스프링의 스프링 힘이 우세하고, 밸브는 폐쇄된다. 스프링 힘 외에도, 밸브를 개방하기 위해서는 밸브 볼의 마찰력이 또한 극복되어야 한다.
유체를 제어하기 위해 요구되는 힘은 다른 모세관 구조에서도 원심력에 의해 생성되는 경우가 빈번하다. 그러나, 유체를 제어하기 위한 다른 수단은, 예를 들면, DE 10 2005 048 260 A1에서 요약된 바와 같이 공지되어 있다. 회전식 테스트 캐리어 내에서 유체를 제어하기 위한 하나의 가능성은 2 개의 챔버들 사이의 사이펀 채널의 사용으로서, 여기서 원하는 유체 제어는 사이펀 채널로의 입구 및 그로부터 반경 방향으로의 출구의 적절한 배치에 의해 얻어진다. 예를 들면, WO 95/33986 A1, WO 95/06870 A1, WO 93/19827 A1 및 US 5 160 702 B1는 또한 이 유형의 개념을 사용한다.
생화학적 분석의 목적을 위한 마이크로유체 구조물을 개선하기 위해 전술한 종래 기술에서 취한 조치들에도 불구하고, 종래 기술에서는 개별 채널, 특히 사이펀 채널의 통기와 관련된 문제들이 반복적으로 발생한다. 이 문제들은, 특히 비교적 협폭이고 또한 약 0.4 mm 미만의 영역에 있는 사이펀 채널에서 다양한 유체들에 의한 채널의 다중 사용의 경우에 증가된다.
따라서, 한편으로 다중 사용 시에도 채널 구조의 내측에서 신뢰 가능한 유체의 제어가 얻어지고, 다른 한편으로 다중 사용 시에 통기가 신뢰 가능하게 실행되는 마이크로유체 채널 구조를 갖는 마이크로유체 요소의 제공을 위한 필요성이 종래 기술에 존재한다. 추가하여, 이와 같은 소자는 저비용으로 제조되어야 한다.
이 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 마이크로유체 요소에 의해 해결된다.
본 발명에 따르면, 유체 샘플의 분석을 위한, 특히 다단계 생화학적 분석 공정들을 실행하기 위한 마이크로유체 요소는 기판 및 이 기판과 피복 층에 의해 포위되는 마이크로유체 수송 시스템을 포함한다. 수송 시스템은 2 개의 측벽들을 갖는 채널을 갖고 또한 이 채널과 유체 연통 상태인 챔버를 갖는 적어도 하나의 채널 구조를 포함한다. 채널은 평행하게 연장하는 측벽들을 갖는 채널 부분 및 이 채널 부분에 인접하는 밸브 부분을 구비하고, 채널 부분은 채널 구조의 챔버 내로 연장한다. 챔버는 밸브 부분이 종료되는 위치에 유입 오리피스를 갖는 챔버 벽을 가지므로, 유체는 채널로부터 밸브 부분 및 유입 오리피스를 통해 챔버 내로 유입될 수 있다. 따라서 챔버는 밸브 부분에 직접 인접한다. 본 발명에 따르면, 밸브 부분은 유동 방향으로 확대되는 유체 수송 단면을 갖는다. 이 유체 수송 단면은 선행하는 채널 부분 내의 유체 수송 단면보다 크다. 채널 부분과 밸브 사이의 천이부에서, 이 단면들은 동일한 것이 바람직하다. 챔버의 유입 오리피스에서, 밸브 부분의 단면은 채널 부분을 향하는 천이부에서의 단면보다 크다. "유체 수송 단면"이라는 용어는 수송될 유체의 유동 방향에 수직한 채널 구조의 채널의 단면을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 원형 단면을 갖는 채널의 경우, 유체 수송 단면은 반경에 의해 결정되는 채널의 영역과 동일하다. 사각형 채널의 경우, 유체 수송 단면은 채널에 의해 결정되는 높이 및 폭에 의해 제공된다.
본 발명에 따르면, 밸브 부분 및 이것에 인접하는 챔버의 치수는 이들이 기하학적 밸브를 형성하는 치수; 즉 밸브 부분과 인접하는 챔버가 모세관 스톱을 구성하는 치수이다. 모세관 스톱은 채널을 통해 유동하는 유체가 챔버의 유입 오리피스의 밸브 부분의 단부에서 정지되는 것을 보장한다. 여기서 실질적으로 더 작은 모세관 힘이 우세하므로, 유체는 제어되지 않은 방법으로 챔버에 진입하지 않는다. 유체는 모세관 스톱이 유체 상에 작용하는 (외부의) 힘에 의해 개방될 때 비로서 챔버 내에 진입한다. 따라서, 모세관 스톱은 신뢰 가능하게 기능하고, 유체의 유동 방향으로 밸브 부분의 단부에 더욱 추가의 확대가 제공되어야 하므로, 모세관 작용에 의해 이동되는 유체의 추가의 유동이 방지된다. 그 결과, 챔버의 단면은 밸브 부분의 단부에서의, 즉 챔버 벽 내의 유입 오리피스에서의 단면보다 챔버의 유입 오리피스의 직후에서 상당히 더 커야 한다. 따라서, 밸브 부분 내의 유체 수송 단면에 대해 평행하게 위치되는 단면 영역이 챔버 내에 형성되어야 한다. 이것은 "관련 챔버 단면 영역" 또는 "관련 챔버 단면"으로서 설명될 것이다.
채널 구조는 채널 부분 및 밸브 부분을 갖는 채널 뿐만 아니라 챔버를 포함하고, 또 밸브 부분과 챔버 사이의 천이부에서, 즉 밸브 부분에 인접하는 챔버 벽 내의 유입 오리피스에서 직접 밸브로서 작용한다.
밸브 부분과 챔버 벽 사이의 천이부에서 밸브 기능을 제공하기 위해, 밸브 부분이 인접하는 챔버 벽 내의 유입 오리피스에 근접하는 챔버의 관련 단면이 챔버 벽의 유입 오리피스에서 밸브 부분 내의 유체 수송 단면보다 적어도 1.5 배 크도록 채널 구조가 확대되는 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 밸브 부분이 인접하는 챔버 벽 내에서 유입 오리피스로부터 챔버의 관련 단면 영역의 거리는 0.2 mm 이다.
특정의 바람직한 실시형태에서, 유입 오리피스까지의 소정의 거리에서 관련 챔버 단면은 입구 개구에서의 밸브 부분의 유체 수송 단면의 적어도 2 배, 특히 바람직하게는 적어도 4 배 더 크다. 일부의 실시형태들에서, 챔버 내에서의 관련 단면은 밸브 부분의 단부에서의 단면의 6 배, 또는 10 배 이상 더 크다. 추가의 바람직한 실시형태에서, 유입 오리피스로부터 0.4 mm 의 수직 거리에서의 관련 단면은 밸브 부분 내의 유체 수송 단면보다 적어도 3 배 더 커야 한다.
밸브 부분에서 확대되는 유체 수송 단면을 갖는 이 유형의 채널은, 채널이 신뢰 가능하게 통기될 수 있고, 그 결과 채널의 다중 사용이 가능하도록 유체 잔류물이 밸브로부터 배출될 수 있다는 이점을 갖는다. 특히, 밸브에서 비누막을 형성하는 경향을 갖는 합성세제를 함유하는 세척 완충 용액이 사용되는 다단계 분석 공정에서, 챔버를 향한 단면 영역을 확대하는 것은 비누막에 의한 모세관 채널의 폐쇄가 방지되고, 그 결과 채널이 다수 회 충전되는 경우에도 효과적인 통기가 보장된다는 것을 의미한다. 원리적으로, 모세관의 단면이 실질적으로 확대되는 경우에, 비누막의 형성이 방지될 수 있다는 것을 나타낸다. 그러나, 상당한 단면의 확대는, 이와 같은 대형 모세관에서 작용하는 작은 모세관 힘으로 인해, 사이펀 밸브 형상의 모세관의 충전 시간이 극히 길어진다는 사실로 귀결된다. 더욱이, 더 많은 유체가 채널 내에 잔류하므로 채널은 큰 "사 용적 (dead volume)"을 갖는다. 그러나, 이것은 가능한 한 적은 샘플 양을 원하는 요구에 역행하는 것이다. 대형의 모세관을 충전하는 것은 또한 이와 같은 채널들 내에 기포가 용이하게 축적된다는 단점이 있다.
본 발명과 관련하여, 전술한 채널 구조의 기술적 실시 및 다음 챔버로의 천이부에서 확대 밸브 부분은 모세관들의 단부에 잔류 유체가 잔류되는 것을 실질적으로 방지하기 위해 사용될 수 있다는 것이 관찰되었다. 일반적으로, 2 개의 챔버들이 하나의 모세관 채널에 연결되는 채널 구조의 경우, 모세관 채널, 특히 사이펀 밸브 형상의 또는 사이펀 형상의 모세관의 단부에 잔류 유체가 잔류할 수 있다는 문제가 발생한다. 잔류 유체는 불완전한 배출로부터 또는 함께 유동하는 모세관 벽 상에 (점착에 의해) 부착되어 유지되는 유체로부터 초래된다. 배출 시, 다음 챔버 내로 진행하는 사이펀 밸브 형상의 모세관 (사이펀 밸브) 의 일부 내의 유체 기둥 상의 압력은 감소한다. 전방-챔버 (유동 방향에서의 제 1 챔버) 가 비워지고, 잔류 유체가 여전히 전방-챔버에 인접하는 사이펀 밸브 모세관 내에 존재하는 경우, 임계점에 도달한다. 이상적인 경우, 유체 잔류물은 다음 챔버 내로 완전히 배출된다. 그러나, 이것은 공지의 마이크로유체 요소의 경우에 항상 그렇지는 않다.
소정의 압력에서 잔유물의 배출의 질은 다음 챔버로의 채널의 천이부의 형상에 결정적으로 의존한다는 것이 관찰되었다. 급격한 표면 확대부를 갖는 가장자리부 또는 부위가 존재하는 경우, 하류의 챔버로의 통상의 사이펀 밸브 천이부를 갖는 경우와 같이, 유체가 이 천이 부위 (단차 위치) 를 통과하기 위해 특정량의 에너지가 필요하다. 이것은 전방-챔버 내에 여전히 충분한 유체가 존재하는 한 결정적인 것은 아니다. 배출의 말기를 향해 압력이 감소되는 경우, 천이부에서 유체 기둥은 불안정해지고, 다소 재생 가능한 방식으로 붕괴된다. 다음에 이 잔류 유체는 모세관 작용 하에서 사이펀 밸브 내에 유지되고, 축소된 "소형의" 유체 기둥은 극히 작은 압력을 축적할 뿐이므로, 제거하는 것이 극히 곤란하다. 통기를 위한 기회가 부족하므로 사이펀 밸브의 새로운 충전은 불가능하다. 그러나, 본 발명의 채널의 확대로 인해, 채널 내에, 특히 확대된 밸브 부분 내에 잔류 유체가 잔류하지 않는다. 급격한 공간적 천이가 방지된다. 물론, 본 발명의 실시형태에서, 밸브 부분으로부터 챔버 내로의 현저한 확대부가 존재한다. 그러나, 천이부가 덜 계단 형상으로 되어, 따라서 모세관 채널의 잔류물 배출이 가능하도록, (부분적으로 경사부와 같은 추가의 요소들의 도움으로) 챔버로의 천이부는 확대된 밸브 부분에 의해 최적화된다.
따라서, 확대된 밸브 부분을 갖는 본 발명의 모세관 채널은 종래 기술의 문제점을 제거하고, 또한 비누막의 형성 또는 안정화를 효과적으로 방지하고, 또한 모세관 내에 잔류 유체가 잔류하는 것을 방지하고, 그 결과 모세관 채널이 폐쇄되는 것을 방지한다. 또한, 모세관 채널은 선택적으로 (예를 들면, 라운딩 가공에 의해) 급격한 표면 확대부를 갖는 가장자리부 및 부분들이 방지되도록 형상화될 수 있고, 선택적으로 모세관은 하류의 챔버 벽의 부근에 위치된다. 그 결과, 본 발명의 모세관 구조에서, 이중 확대가 발생한다. 최초에, 채널은 유체의 유동 방향으로 밸브 부분 내에서 확대된다. 두 번째 확대는 인접하는 챔버 내로의 채널의 천이부에서, 즉 정확하게는 밸브 부분과 채널 벽이 만날 때, 발생한다. 따라서, 챔버 자체는 상류의 밸브 부분에 비해 더 확대된다. 밸브 부분 내의 확대는, 모세관 채널이 완전히 비워지는 것을 보장한다. 채널 내로의 천이부에서의 두번 째 확대는, 원하는 밸브 기능이 밸브 부분의 단부에서의 채널 구조 내에서 실행되는 것을 보장한다. 유체는 외부의 힘, 예를 들면, 회전력이 기하학적 밸브를 극복하는 경우에만 챔버 내로 유입한다.
본 발명의 밸브 부분의 구성은, 전체 채널 구조가 여전히 공지의 사출 성형 기술을 이용하여 제작될 수 있다는 추가의 이점을 갖는다. 추가의 외부 요소들이 사용될 필요가 없고, 이것은 한편으로 재료비가 낮게 유지되고, 다른 한편으로 공정의 생산비가 합리적일 수 있다는 것을 의미한다. 폐쇄용 볼을 갖는 공지의 스프링의 하중을 받는 밸브에 비해, 단순한 기하학적 구성은 주요한 생산비 이점을 제공한다.
바람직한 실시형태에서, 유체 수송 단면은 밸브 부분 내의 측벽들을 평행하게 연장시키는 것에 의해서가 아니라, 이들을 챔버의 유입 오리피스를 향해 확대시키는 것에 의해 확대될 수 있다. 따라서, 챔버의 유입 오리피스에서의 밸브 부분 측벽들 사이의 거리는 밸브 부분과 채널 부분의 천이부에서의 밸브 부분 측벽들 사이의 거리보다 길다. 바람직하게, 밸브 부분은 유체의 유동 방향으로 연속적으로 확대되고; 따라서 확대부는 연속적이다. 단면은 꾸준하게 확장된다. 밸브 부분은 어느 부위도 일정한 폭 또는 일정한 단면 영역을 가지지 않는다. 원리적으로, 단면의 계단형 변화가 모세관 스톱으로서 작용하는 만큼 크지 않는 한 계단형 확대가 가능하다. 어떤 경우에도, 유체 수송 단면 영역은 밸브 부분에서 축소되어야 한다.
바람직한 실시형태에서, 밸브 부분은 일정한 높이를 가질 수 있다. 이 때, 유체 수송 단면의 확대는 측벽들 사이의 거리를 증가시키는 것에 의해서만 실현된다. 대안적으로 또는 추가하여, 유체 수송 단면의 확장은 높이를 증가시킴으로써 실현될 수 있고, 그에 따라 밸브 부분의 높이는 챔버의 유입 오리피스를 향해 증가된다.
본 발명과 관련하여, 챔버의 유입 오리피스에서 밸브 부분 측벽들 사이의 거리는 채널 부분으로의 천이부에서의 밸브 부분 측벽들 사이의 거리의 적어도 2 배인 것이 바람직하다는 것을 알아야 한다. 바람직하게, 유입 오리피스에서 측벽들 사이의 거리는 채널 부분에서 측벽들 사이의 거리의 적어도 3 배, 특히 바람직하게는 적어도 4 배 더 크다. 대안적으로 또는 추가하여, 높이는 동일 비율로 변화될 수 있다.
밸브 부분과 비교하여 챔버는 실질적으로 더 큰 폭 및 높이를 가지므로, 밸브 부분은 모세관 스톱으로서 효과적으로 작용하고, 따라서 모세관 작용 하에서 유동하는 유체는 챔버의 유입 오리피스에서 정지된다. 챔버의 높이는 채널의 높이의 적어도 2 배인 것이 바람직하다. 채널 내에서 유동하는 유체 상에 모세관 힘만이 작용하는 한, 모세관 채널의 채널 부분 및 밸브 부분은 유체로 충전된다. 유체는 채널 내에서 정지 상태이고, 인접하는 챔버 내로 자동적으로 유동하지 않는다. 유체는 추가의 힘의 작용에 의해서만 챔버 내로 유입이 허용된다. 적절한 (외부) 힘은, 예를 들면, 외부 펌프에 의해 생성될 수 있고, 또는 마이크로유체 요소를 회전시킴으로써 생성되는 원심력일 수 있다. 밸브 부분의 돌파 주파수는 밸브 부분을 위한 적절한 형상 및 유체 요소들의 회전에 의해 설정된다. 돌파 주파수는 모세관 스톱이 더 이상 유체를 저지하지 않지만 밸브를 개방하는 주파수이다. 돌파 주파수가 초과되는 즉시, 모세관 채널은 비워진다. 유체는 채널로부터 챔버 내로 유입된다. 비회전식 시스템의 경우, 외부의 힘은 적절히 설정되어야 한다.
챔버의 유입 오리피스로의 밸브 부분의 확대는, 최종 유체 잔류물조차도 채널로부터 확실하게 유출되는 것을 보장한다. 바람직하게, 유체 잔류물의 유출은 챔버 측벽에 근접하는 챔버 벽 내에 유입 오리피스를 위치시킴으로써 지원된다. 밸브 부분은, 밸브 부분 측벽들 중 하나의 측벽이 챔버 측벽에 근접한 챔버 벽과 만나도록 위치되는 것이 바람직하다. 측벽이 접착력에 의해 잔류 유체를 흡인하거나 응집력에 의해 측벽을 따라 이미 챔버 내로 유입된 잔류 유체를 흡인하므로, 채널로부터 잔류 유체의 배출이 지원된다. 밸브 부분 내에 형성된 비누막은 또한 인접한 측벽에 의해 흡인되므로, 비누막은 안정화될 수 없고, 따라서 퍼져서, 그 결과 파괴된다. 밸브 부분 측벽으로부터 챔버 측벽까지의 거리는 채널 부분의 폭의 최대 2 배인 것이 유리한다. 바람직하게, 이 거리는 채널 부분의 폭에 대해 최대로 동일하고, 더 바람직하게는 채널 부분의 폭의 적어도 1/2 또는 1/4이다.
마이크로유체 요소의 대안적인 바람직한 실시형태에서, 2 개의 밸브 부분 측벽들 사이의 밸브 부분에서, 2 개의 인접하여 위치되는 밸브 부분 하위 채널들이 형성되도록 리브 (rib) 가 위치된다. 바람직하게, 하위 채널들은 상이한 크기를 갖는다. 리브는, 유입 오리피스의 부위에서 챔버 내로의 2 개의 하위 채널들의 유체 수송 단면들이 합계로 채널 부분의 유체 수송 단면보다 크도록 구성되는 것이 바람직하다. 특정의 실시형태에서, 2 개의 하위 채널들의 유체 수송 단면들은 합계로 채널 부분의 유체 수송 단면의 적어도 2 배이다. 일예로서, 각 하위 채널의 단면은 채널 부분의 단면과 같은 크기일 수 있다. 선택적으로, 2 개의 밸브 부분 하위 채널들 중 하나의 폭은 채널 부분 내의 채널의 폭과 동일하다. 또한, 2 개의 하위 채널들 중 적어도 하나는 챔버를 향해 확대되는 것이 바람직하다. 바람직하게, 리브는 마이크로유체 요소의 기판의 하위 부품에 의해 형성되고, 상기 하위 부품은 챔버를 향해 확장된다.
2 개의 밸브 부분 하위 채널들의 각각은 챔버의 챔버 벽에서 종료된다. 챔버 벽에서 제 1 밸브 부분 하위 채널과 제 2 밸브 부분 하위 채널 사이의 거리는 더 협폭의 밸브 부분 하위 채널의 폭의 적어도 2 배이다. 바람직하게, 챔버 벽에서 2 개의 밸브 부분 하위 채널들 사이의 거리는 더 협폭의 밸브 부분 하위 채널의 폭의 적어도 4 배, 특히 바람직하게는 적어도 6 배이다. 마이크로유체 요소의 특정의 실시형태들에서, 2 개의 밸브 부분 하위 채널들 사이의 거리는 더 협폭의 밸브 부분 하위 채널의 폭의 적어도 8 배 또는 10 배이다.
2 개의 밸브 부분 하위 채널들 및 이들 사이에 위치되는 리브를 갖는 밸브 부분의 구조는 각각의 모세관 스톱을 형성하는 챔버와 함께 양자 밸브 부분 하위 채널들을 유발한다. 따라서, 밸브 부분 하위 채널들 및 챔버는 각각 기하학적 밸브로서 구성된다. 챔버에 대해 적절한 치수들을 사용함으로써, 밸브 부분 하위 채널로부터 챔버까지의 각각의 천이부에서 유체가 정지되고, 또한 밸브 기능이 실행되도록 밸브 기능이 형성된다.
바람직하게, 2 개의 하위 채널들은 서로에 대해 적어도 40도의 각도를 이룬다. 2 개의 하위 채널들 사이의 각도가 적어도 50도, 특히 바람직하게는 적어도 60도인 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 유체 유동 조건 하에서, 밸브 부분 하위 채널은 채널 부분과 본질적으로 정렬되는 것이 유리하다. 이 하위 채널은 주 하위 채널라고 부른다. 그 폭은 채널의 채널 부분의 폭과 본질적으로 대응하는 것이 바람직하다. 제 2 하위 채널은 유동의 방향으로 확대된다.
이하, 본 발명은 본 발명의 예시적 실시형태들을 도시하는 첨부한 도면들을 참조하여 더 상세히 설명된다. 도면에 도시된 특정의 특징은 본 발명의 바람직한 실시형태들을 제공하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 배치될 수 있다. 설명된 실시형태들은 청구항들에서 그 일반적인 형태로 한정되는 바와 같은 본 발명을 제한하지 않는다. 이 예시적 설명은 회전식 마이크로유체 요소 및 회전식 테스트 캐리어에 대해 이루어진다. 바람직한 실시형태들은 또한 비회전식 테스트 캐리어를 사용할 수 있다는 것은 자명하다.
도 1 은 수송 시스템을 갖는 마이크로유체 요소를 도시하고,
도 2 는 테스트 캐리어를 갖는 원심 장치의 개략도를 도시하고,
도 3 은 채널 구조를 갖는 도 1 의 수송 시스템의 일부를 도시하고,
도 4a 내지 도 4c 는 각각 채널 및 밸브 부분을 갖는 채널 구조의 일부를 도시하고,
도 5 는 채널 및 챔버를 갖는 채널 구조의 추가의 일부를 도시하고,
도 6 은 도 5 의 채널 구조의 일부를 통한 단면을 도시하고,
도 7 은 밸브 부분을 갖는 채널 구조의 대안적 실시형태를 도시하고,
도 8 은 도 7 의 밸브 부분의 상세도를 도시하고,
도 9 는 도 8 의 밸브 부분의 상세도를 도시한다.
도 1 은 수송 시스템 (2) 을 갖는 체외 진단을 위한 마이크로유체 요소 (1) 의 실시형태를 도시한다. 수송 시스템 (2) 은 마이크로유체 요소 (1) 의 기판 (34) 및 도시되지 않은 피복 층에 의해 포위된다. 기판 (34) 은, 예를 들면, COC (시클로-올레핀 코폴리머), PMMA (폴리메틸 메타크릴레이트), 폴리카보네이트 또는 폴리스티렌과 같은 플라스틱 재료로 이루어진다. 도시된 실시예에서, 마이크로유체 요소 (1) 는, 예를 들면, 회전 가능한 디스크의 형태로 회전식 테스트 캐리어 (3) 로서 구성된다.
테스트 캐리어 (3) 는, 예를 들면, 도 2 에 도시된 바와 같은 원심 장치 (4) 내에 유지되고, 회전 축선 (5) 을 중심으로 회전된다. 원심 장치 (4) 는, 테스트 캐리어를 유지하고 또한 회전 가능하게 장착되는 회전 샤프트 (5a) 의 단부에 위치되는 홀더 (6) 를 구비한다. 회전 샤프트 (5a) 는 회전 축선 (5) 과 동심으로 위치된다. 도면에 도시된 실시형태에서, 회전 축선 (5) 은 테스트 캐리어 (3) 의 중심점을 통해 연장한다. 분명히, 마이크로유체 요소 (1) 의 다른 실시형태들이 가능하고, 여기서 회전 축선은 소자 (1) 의 중심점을 통해 연장하지 않거나 소자 (1) 를 통해 연장하지 않는다.
회전식 테스트 캐리어 (3) 로서 마이크로유체 요소 (1) 를 구성하는 것은 수송 시스템 (2) 내에서 유체를 제어하기 위한 외부 힘이 생성될 수 있는 하나의 가능한 실시형태이다. 원심력 대신, 예를 들면, 외부에서 생성되는 압력이 사용될 수 있다.
도면에 도시된 마이크로유체 요소 (1) 는 혈액 검사용으로 사용된다. 이 점에서, 다수의 공정 단계들이 연속적으로 실행되고, 수송 시스템 (2) 의 부분들 또는 부위들은 이 공정의 과정 중에 수 차례 사용된다. 공정의 단계들 사이에서 수송 시스템 (2) 의 채널들을 건조시키는 것은 불가능하므로, 마이크로유체 요소 (1) 및 그 내부에 수용되는 수송 시스템 (2) 은, 수송 시스템 (2) 의 개별 채널들이 수 차례 충전되는 경우에도, 안전한 공정 수순이 가능하고, 특히 잔류 유체가 잔류함으로 인한 원하지 않는 기포가 발생하지 않는 것이 보장되어야 한다.
수송 시스템 (2) 은 채널 (8) 및 챔버 (9) 를 각각 포함하는 다수의 채널 구조들 (7) 을 포함한다. 다수 회 사용되는 채널 구조들 (7) 중 하나의 채널 구조는 폐기물 챔버 (12) 로서 형성된 챔버 (11) 및 채널 (13) 을 포함하고, 채널 (13) 은 샘플 유체를 테스트하기 위한 측정 챔버 (10) 와 폐기물 챔버 (12) 사이에 연장한다. 폐기물 챔버 (12) 는 과잉의 유체 또는 더 이상 필요하지 않는 유체를 위한 폐기물 수용체로서 작용한다.
도 3 은 2 개의 채널 구조들 (7a, 7b) 을 갖는 도 1 의 수송 시스템 (2) 의 일부를 도시하고; 도 4a 내지 도 4c 는 채널 구조 (7a) 를 갖는 일부를 도시한다. 본 명세서에 설명되는 실시형태들은 회전식 테스트 캐리어에 제한되지 않고, 마이크로유체 채널들이 다수 회 충전되는 수송 시스템을 갖는 임의의 테스트 캐리어에서 사용될 수 있다. 채널 구조 (7a) 는 수집 챔버 (15) 및 측정 챔버 (10) 뿐만 아니라 수집 챔버 (15) 와 측정 챔버 (10) 사이에 위치되고, 또한 사이펀 형상을 갖는 유체 채널 (8) 을 포함한다.. 이와 같은 채널은 사이펀 밸브라고 부른다. 채널 구조 (7b) 는 측정 챔버 (10), 사이펀 형상의 채널 (13) 뿐만 아니라 그 일부만 도시된 폐기물 챔버 (12) 를 포함한다. 특정의 실시형태에서, 폐기물 챔버는 챔버 내로 유입하는 유체를 흡수하는 섬유 매트 (14) 를 수용한다. 샘플 유체를 분석하기 위해 요구되는 반응들은 측정 챔버 (10) 내에서 발생한다. 이 측정 챔버는, 예를 들면, 고정화된 항체들을 갖는 마이크로어레이들을 포함할 수 있다. 간단히 하기 위해, 예를 들면, 챔버들 내의 통기 오리피스들은 도시되어 있지 않다.
따라서, 채널 구조 (7, 7a, 7b) 는 제 1 챔버 및 제 2 챔버 뿐만 아니라 챔버들을 연결하는 채널 (모세관 채널) 을 항상 포함한다. 바람직하게, 이 유형의 채널 구조의 채널은 사이펀형 형상의 소위 사이펀 밸브이다. 채널 구조 (7a) 에서, 제 1 챔버는 수집 챔버 (15) 이고, 제 2 챔버는 중간 밸브 챔버 (16) 이다. 채널 구조 (7b) 에서, 제 1 챔버는 측정 챔버 (10) 이고, 제 2 챔버는 폐기물 챔버 (12) 이다.
도 4a 및 도 4b는 중간 밸브 챔버 (16) 및 채널 (8) 의 상세도를 도시하고, 여기서 도 4b는 등각도를 도시한다. 채널 (8) 및 중간 밸브 챔버 (16) 는 모세관 스톱 (17) 을 형성하는 기하학적 밸브를 구성하므로, 모세관 작용에 의해 채널 (8) 내에 수송된 유체는 중간 밸브 챔버 (16) 의 상류에서 정지된다. 따라서, 채널 (8) 은 유동 방향 (화살표 (S)) 으로 작용되는 모세관 힘에 의해 충전된다.
유체 소자 (1) 가 화살표 (R) 의 방향으로 회전되는 경우, 유체는 반경 방향 외측으로, 본 경우에서는 화살표 (r) 의 방향으로 가압된다. 회전 주파수가 돌파 주파수를 초과하는 즉시, 즉 마이크로유체 요소 (1) 가 충분히 빠르게 회전되는 즉시, 모세관 스톱 (17) 이 개방되고, 유체는 채널 (8) 로부터 측정 챔버 (10) 내로 유입될 수 있다. 중간 밸브 챔버 (16) 는 유입 오리피스 (21) 를 갖는 챔버 벽 (20) 을 구비하고, 이 유입 오리피스를 통해 유체는 채널 (8) 로부터 중간 밸브 챔버 (16) 내로 유입된다.
채널 (8) 은 채널 부분 (18) 및 이것에 유동 방향으로 인접하는 밸브 부분 (19) 을 포함한다. 본 발명에 따르면, 밸브 부분 (19) 은 유동 방향으로 증대되는 유체 수송 단면을 갖는다. 유입 오리피스 (2) 에서 밸브 부분 (19) 의 유체 수송 단면은 채널 부분 (18) 으로부터 밸브 부분 (19) 으로의 천이부에서의 유체 수송 단면보다 크다.
채널 (8) 의 측벽들 (22) 은 채널 부분 (18) 에서 상호 평행하게 연장하는 것이 바람직하다. 밸브 부분 (19) 에서, 측벽들 (밸브 부분 측벽들 (26)) 은 평행하지 않은 것이 바람직하므로, 채널의 폭은 확대된다. 밸브 부분 (19) 의 높이 (h) 는 일정하므로 전체 채널 (8) 의 높이는 일정하다. 여기서 "높이"라는 용어는 마이크로유체 요소 (1) 의 표면의 평면에 대해 수직한 치수를 의미한다.
본 명세서에 도시된 실시형태에서, 유입 오리피스 (21) 에서 밸브 부분 (19) 의 폭 (측벽들 (22) 사이의 거리) 는 채널 부분 (18) 으로부터 밸브 부분 (19) 으로의 천이부 (23) 에서의 채널 (8) 의 폭보다 3 배 더 크다
본 발명과 관련하여, 밸브 부분 (19) 의 길이 (l) 는 채널 부분 (18) 에서의 측벽들 (22) 사이의 거리보다 적어도 3 배 더 큰 것이 바람직하고, 채널 부분 (18) 으로부터 밸브 부분 (19) 으로의 천이부 (23) 에서 측벽들 (22) 사이의 거리보다 3 배 더 큰 것이 바람직하다는 것이 관찰되었다. 특히 바람직하게, 밸브 부분 (19) 의 길이 (l) 는 천이부 (23) 에서의 측벽들 (22) 사이의 거리의 적어도 5 배인 것이 유리하다. 측벽들 (22) 사이의 거리의 7 배의 길이는 특히 우수한 특성을 갖는 밸브 부분을 제공하는 것이 입증되었다.
도 4a 및 도 4c 에 따르면, 중간 밸브 챔버 (16) 는 밸브 부분 (19) 에 인접한다. 이것을 통해, 중간 밸브 챔버 (16) 의 관련 단면 영역 (Q) 이 유입 오리피스 (21) 에서 밸브 부분 (19) 의 단부에서의 유체 수송 단면 영역 (q) 보다 현저하게 크므로, 채널 구조의 단면은 다시 확대된다.
도 4c 는 채널 (8) 의 밸브 부분 (19) 및 인접하는 중간 밸브 챔버 (16) 의 도식도를 도시한다. 밸브 부분 (19) 의 유동 방향 (s) 으로의 확대 및 챔버 벽 (20) 의 유입 오리피스 (21) 에서의 유체 수송 단면 (q) 을 명확하게 볼 수 있다. 밸브 부분 (19) 으로부터 챔버 (16) 까지의 제 2 확대의 특징을 보이기 위해 사용되는 관련 챔버 단면 영역 (Q) 은 챔버 벽으로부터 거리 (a) 에서 명확하게 볼 수 있다. 유입 오리피스로부터 0.2 mm 의 거리는 관련 챔버 단면을 설정하기 위한 적절한 측정치임이 입증되었다. 바람직하게, 관련 챔버 단면으로부터 챔버 벽까지의 거리는 챔버 벽 (20) 에 수직한 방향으로 측정된다. 챔버의 관련 단면 영역은 유체 수송 단면의 표면에 평행하게 취해진다.
본 실시예에서, 밸브 부분 (19) 의 길이 (l) 는 1.4 mm 이고, 밸브 부분 (19) 과 채널 부분 (18) 사이의 천이부 (23) 는 0.2 mm 이다. 유입 오리피스 (21) 에서의 밸브 부분 (19) 의 폭은 0.74 mm 이다. 밸브 부분의 높이는 일정한 0.15 mm 이다. 밸브 부분의 단부에 대응하는 유입 오리피스 (21) 로부터 0.2 mm 의 거리에서 중간 밸브 챔버 (16) 는 1.6 mm 의 폭 및 0.5 mm 의 높이를 갖는다. 이것은 0.8 mm 2의 관련 챔버 단면 영역 (Q) 에 대응한다. 유입 오리피스 (21) 에서의 유체 수송 단면 (q) 을 관련 챔버 단면 영역 (Q) 과 비교하면, 6.7의 확장 인자가 나온다. 이 치수들은 채널 (8) 의 원하는 비워짐 및 밸브 부분 (19) 의 단부에서의 원하는 밸브 기능이 실행되는 것을 보장한다.
따라서, 이 밸브 기능은 또한 챔버 (여기서 중간 밸브 챔버 (16)) 의 높이 및/또는 폭이 유입 오리피스 (21) 에서의 밸브 부분 (19) 의 높이 또는 폭보다 큰 경우에 실행된다. 챔버 및 밸브 부분을 위한 적절한 치수를 선택하면, 유입 오리피스에 근접하는 깊이 및 폭으로부터 형성되는 챔버 단면이 밸브 부분 (19) 의 단부에서의 유체 수송 단면보다 적어도 1.5 배 더 커지는 것이 보장된다.
대안적으로, 채널 구조 (7) 의 기능을 수행하기 위해, 사용되는 치수 기준은 또한 유입 오리피스 (21) 가 위치되는 챔버 벽 (20) 의 크기일 수 있다. 바람직하게 챔버 벽 (20) 의 영역은 유입 오리피스 (21) 의 영역의 적어도 1.5 배 또는 적어도 2 배 더 커야 한다. 이에 따라, 이와 같은 유형의 치수를 얻기 위해, 챔버 벽 (20) 의 폭 및/또는 높이는 대응하여 유입 오리피스 (21) 의 폭 및/또는 높이보다 커야 한다. 길이가 천이부 (23) 에서 측벽들 (22) 사이의 거리의 최대 10 배인 밸브 부분 (19) 의 경우, 채널 구조 (7a) 내에 유체 잔류물이 잔류되지 않고, 채널 (8) 및 수집 챔버 (15) 가 효율적으로 비워진다. 세척 완충 용액을 사용하는 경우, 밸브 부분 (19) 으로부터의 출구에서 비누막의 축적은 신뢰 가능하게 방지되므로, 채널 (8) 은 통기될 수 있다.
따라서, 밸브 부분 (19) 및 채널 부분 (18) 을 포함하는 채널 (8) 의 완전한 비워짐은 중간 밸브 챔버 (16) 의 챔버 벽 (20) 상에 비대칭으로 밸브 부분 (19) 을 위치시킴으로써 바람직하게 더 개선된다. 측벽들 (22) 중 하나의 측벽은 챔버 벽 (20) 에 인접하는 챔버 측벽 (25) 에 더욱 근접하여 위치된다. 챔버 측벽 (25) 은 챔버 벽에 대해 적어도 80 ~ 170도의 각도를 이루는 것이 바람직하고, 본 경우, 이 각도는 90도이다. 바람직하게, 밸브 부분 측벽들 (26) 중 하나는, 밸브 부분 측벽들과 챔버 측벽 (25) 사이의 거리 (27) 가 채널 부분 (18) 의 폭과 최대로 동일하도록, 바람직하게는 천이부 (23) 에서 측벽들 (22) 사이의 거리와 동일하도록 챔버 측벽 (25) 의 부근에 위치된다. 본 발명과 관련하여, 밸브 부분 측벽들 (26) 중 하나의 밸브 부분 측벽을 챔버 측벽 (25) 에 가능한 근접하여 위치시키는 것은 잔류물 배출에 관하여 유리하다는 것이 관찰되었다. 일예로서, 거리 (27) 는 천이부 (23) 에서 채널 (8) 의 폭의 최대 1/2, 바람직하게는 이 폭의 최대 1/3이다.
바람직하게, 거리 (27) 는 챔버 벽 (20) 의 라운딩 가공부 (29) 로의 챔버 측벽 (25) 과 밸브 부분 측벽 (26) 사이에서 측정된다. 바람직하게 이 거리 (27) 는 천이부 (23) 에서 채널 (8) 의 폭의 최대 1/3이어야 한다. 0.2 mm 의 채널 폭의 경우, 이것은 거리 (27) 에 대해 최대 0.06 mm 를 제공한다.
적절한 회전 방향 (화살표 (R)) 을 선택함으로써, 회전 중에 발생하는 코리올리힘 및 회전 방향에 대해 반대 방향으로 작용하는, 가속 중에 발생하는 오일러힘 (Euler's forces) 에 의해, 유체 샘플은 밸브 부분 (19) 으로부터 챔버 (16) 로 수송될 때 유체 샘플의 가장 근접한 벽 (25) 에 대해 가압되는 것이 보장될 수 있다. 특히, 이 사실은 밸브 (19) 로부터 잔류물의 완전한 배출을 유발하고, 또한 채널 (18) 이 재충전될 수 있는 것을 보장한다.
도 3 으로부터의 채널 구조 (7b) 는 채널 (13) 및 통기 오리피스 (도시되지 않음) 를 갖는 폐기물 챔버 (12) 를 포함하고, 또한 사이펀 구조로서 구성되고, 또한 유체 수송을 제어하기 위한 사이펀 밸브로서 작용한다. 도 5 및 도 6 은 채널 부분 (18) 및 밸브 부분 (19) 을 갖는 채널 (13) 의 일부를 상세히 도시한다. 트럼펫 형상의 밸브 부분 (19) 은 유동 방향으로 확대된다. 밸브 부분 (19) 의 유체 수송 단면은 천이부 (23) 에서보다 챔버 벽 (20) 내의 유입 오리피스 (21) 에서 더 크다. 이 실시형태에서, 밸브 부분 (19) 은 폐기물 챔버 (12) 의 챔버 측벽 (25) 에 위치되지 않는다. 채널 (13) 의 완전한 비워짐을 보장하기 위해, 이 경우 폐기물 챔버 (12) 는 경사부 (30) 를 포함하고, 이 경사부 (30) 는 폐기물 챔버 (12) 의 플로어 (31) 에 위치되고, 또한 챔버 벽 (20) 에서 유입 오리피스 (21) 로부터 멀리 연장한다. 이 점에서, 경사부 (30) 의 높이 (36) 는 챔버 벽 (20) 으로부터 거리가 증가됨에 따라 감소된다. 경사부 (30) 의 상측면 (32) 은 밸브 부분의 플로어 (33) 와 거의 동일면이므로, 도 5 및 도 6 에 도시된 도 5 의 A-A 선단면도에 도시된 바와 같이, 연속적인 천이부가 형성된다. 경사부 (30) 는 또한 사출 성형 기술을 이용하여 마이크로유체 요소 (1) 의 기판 (34) 또는 테스트 캐리어 (3) 내에 생성된다. 따라서, 이 경사부 (30) 를 생성하는 것은 어떤 추가의 비용도 발생시키지 않는다.
폐기물 챔버 (12) 로서 형성되는 챔버 (11) 의 경우에도, 유입 오리피스 (21) 로부터 0.2 mm 의 거리에서 관련 챔버 단면 (Q) 이 유입 오리피스 (21) 에서 유체 수송 단면 (q) 보다 1.5 배 더 큰 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 본 실시형태에 대한 테스트는, 챔버 (12) 내의 경사부를 갖는 구성에도 불구하고, 심지어 경사부 (30) 가 밸브 부분 (19) 의 플로어로의 연속적인 천이부를 구성하는 경우에도, 이 기준이 만족된다는 것을 보여준다. 유입 오리피스 (21) 로부터 0.4 mm 의 거리에서, 유입 오리피스에서 유체 수송 단면 (q) 에 대한 관련 챔버 단면 (Q) 의 비는 현저히 더 커지고, 본 경우에 이것은 36 배 더 크다. 이는, 채널 (8) 의 잔류물 없이 비워지는 원하는 기능 및 유입 오리피스 (21) 에서의 밸브 기능이 신뢰 가능하게 달성되는 것을 보여준다.
밸브 부분 (19) 으로부터 경사부 (30) 를 통해 폐기물 챔버 (12) 로의 플로어의 연속적인 천이부로 인해, 도 4a 및 도 4b에 관련하여 설명된 선행하는 실시형태에서 하나의 챔버 측벽 (25) 에 근접하여 밸브 부분 (19) 을 위치시키는 바와 같이, 밸브 부분 (19) 및 채널 (8) 의 비워짐이 더욱 개선된다.
바람직하게, 경사부 (30) 는 그 상측면 (32) 이 평평하도록 구성된다. 대안적으로, 그 상측면은 만곡될 수 있다. 밸브 부분 (19) 의 플로어 (33) 와 경사부 (30) 의 상측면 (32) 에 의해 형성되는 "접선 방향의" 천이부 (라운딩 가공부 (35)) 는 1.25 mm ~ 2.25 mm 범위인 것이 바람직한 Z 방향 (도 6 참조) 에서의 라운딩 가공부의 반경으로 라운딩 가공되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 라운딩 가공부 (35) 의 반경은 1.75 mm 이다.
바람직한 실시예에서, 밸브 부분 (19) 은, 밸브 부분 측벽들 (26) 이 적어도 부분적으로 직선으로 연장되도록 구성된다. 유입 오리피스 (21) 를 향한 밸브 부분 (19) 의 단부에서, 실제의 테스트는 챔버 벽 (20) 으로의 천이부에서 라운딩 가공부 (37) 가 유리한 것으로 입증되었음을 보여준다. X-Y 방향에서의 라운딩 가공부 (37) 는 0.5 mm ~ 1 mm 범위의 라운딩 반경을 갖는 것이 바람직하고, 도시된 본 실시형태에서, 라운딩 반경은 0.65 mm 이다.
유리하게, 경사부 (30) 의 폭 (38) 은 유입 오리피스 (21) 의 폭 (b) 보다 크다. 바람직하게, 경사부는 유입 오리피스 (21) 보다 적어도 10% ~ 50% 더 넓고, 특히 바람직하게는 이것은 폭의 2 배이다. 본 발명과 관련하여, 유입 오리피스 (21) 의 폭 (b) 의 3 배인 폭 (38) 을 갖는 경사부 (30) 가 유리하다는 것이 또한 입증되었음이 발견되었다. 경사부 (30) 의 폭은 (라운딩 가공부 (37) 없이) 유입 오리피스 (21) 의 폭 (b) 보다 최대 5 배 더 커야 한다. 경사부 (30) 는 유입 오리피스 (21) 와 횡측으로 중첩되므로, 경사부의 횡측 라운딩 가공부는 불필요하다. 경사부 (30) 의 측면들은 폐기물 챔버 (12) 의 챔버 플로어 (31) 로의 급격한 천이부를 형성하는 것이 유리하다는 것이 입증되었다. 이 방법으로, 폐기물 챔버로부터 밸브 부분 (19) 내로의 유체의 역류가 방지된다.
폐기물 챔버 (12) 내에 경사부 (30) 를 사용하는 것은 또한 밸브 부분 (19) 내에 축적된 비누막이 "챔버 내로 흡인"됨으로써 비누막이 파괴되는 것을 의미한다. 채널 (13) 로부터의 유체 잔류물은 응집력에 의해 경사부 (30) 를 통해 배출된다.
도 7 은 대안적인 본 발명의 채널 구조 (7) 를 갖는 마이크로유체 요소 (1) 의 수송 시스템 (2) 을 통한 단면도를 도시한다. 이 수송 시스템은 선택적인 섬유 매트 (14) 를 구비하는 폐기물 챔버 (12) 및 채널 (13) 을 포함한다. 폐기물 챔버 (12) 는 통기 오리피스 (51) 를 갖는 단부에 통기 채널 (50) 을 갖고, 이 통기 오리피스를 통해 공기는 폐기물 챔버 (12) 및 채널 구조 (7) 로부터 배출될 수 있다. 채널 (13) 은 채널 부분 (18) 및 인접하는 밸브 부분 (19) 을 포함하고, 밸브 부분은 폐기물 챔버 (12) 와 함께 모세관 스톱을 형성한다. 유체는 모세관 스톱이 돌파되었을 때에만 폐기물 챔버 (12) 내로 유입될 수 있다.
2 개의 밸브 부분 측벽들 (26) 사이에서, 밸브 부분 (19) 은, 2 개의 인접하여 위치되는 밸브 부분 하위 채널들 (41, 42) 이 형성되도록 리브 (40) 를 포함하는 것이 바람직하다. 밸브 부분 (19) 의 이 하위 부분 (42) 에서도, 유체 수송 단면은 유동 방향 (S) 으로 확대된다 (도 7 및 도 8 참조).
바람직하게, 제 1 밸브 부분 하위 채널 (41) 은 주 하위 채널 (43) 을 형성하고, 제 2 밸브 부분 하위 채널 (42) 은 우회 하위 채널 (44) 을 형성한다. 이 경우, 2 개의 하위 채널들 (41, 42) 은 65도의 각도를 포함한다.
도 8 및 도 9 에서 볼 수 있는 바와 같이, 주 하위 채널 (43) 은 채널 부분 (18) 과 정렬된다. 도 9 는 밸브 부분의 등각도를 도시한다. 주 하위 채널 (43) 의 폭 및 높이는 채널 부분 (18) 의 폭 및 높이와 대응한다. 주 하위 채널 (43) 의 측벽들은 상호 평행한 것이 바람직하다. 이것은 바람직하게는 0.14 mm ~ 0.2 mm 범위의 높이, 특히 바람직하게는 0.15 mm ~ 0.18 mm 범위이다. 본 명세서에 도시된 실시예에서, 주 하위 채널 (43) 의 높이는 0.15 mm , 그 폭은 0.2 mm 이다.
우회 하위 채널 (44) 은 주 하위 채널 (43) 보다 넓은 것이 바람직하다. 바람직하게, 우회 하위 채널 (44) 은 분기 부위 (45) 로부터 폐기물 챔버 (12) 의 챔버 벽 (20) 내의 우회 유입 오리피스 (46) 까지 확장된다. 따라서, 우회 하위 채널 (44) 의 유체 수송 단면은 유동 방향으로 확장된다. 본 실시예에서, 분기 부위 (45) 에서 우회 하위 채널 (44) 의 폭은 0.38 mm 이고, 한편 우회 유입 오리피스 (46) 에서 (밸브 부분 측벽 (26) 에 평행한) 그 폭은 0.6 mm 이다. 우회 유입 오리피스 (46) 에서 (Z방향으로의) 우회 하위 채널 (44) 의 높이는 0.24 ~ 0.3 mm 범위, 바람직하게는 0.25 ~ 0.28 mm 범위이어야 한다. 도시된 실시형태에서, 높이는 0.25 mm 이다. 도시된 실시예에서, 폐기물 챔버 (12) 의 높이는 1.4 mm 이다.
챔버 벽 (20) 에서 우회 하위 채널 (44) 의 높이는 챔버 벽 (20) 에서 주 하위 채널 (43) 의 높이보다 큰 것이 바람직하다 (도 9 ). 바람직하게, 본 명세서에 도시된 바와 같이, 분기 부위 (45) 에서 2 하위 채널들 (41, 42) 의 높이는 동일하다.
밸브 부분 (19) 의 하나의 실시형태 (도 7 내지 도 9 ) 에서, 주 하위 채널 (43) 은 90도 이외의 각도로 폐기물 챔버 (12) 의 챔버 벽 (20) 과 만난다. 바람직하게, 주 하위 채널 (43) 은 챔버 벽 (43) 에 대해 직각으로 위치된다.
이 실시형태에서도, 챔버 벽 (20) 에 근접한 관련 챔버 단면 (Q) 은 유입 오리피스 (21, 46) 에서의 유체 수송 단면 (q) 보다 실질적으로 크다. 밸브는 모세관 스톱과 함께 기능하고, 이 챔버 내에서 채널 (8) 의 비워짐이 또한 보장된다. 바람직하게, 여기서 다시, 관련 챔버 단면 (Q) 은 챔버 벽 (20) 으로부터 0.2 mm 의 거리에서 결정된다. 이 거리 (a) 는 챔버 벽 (20) 에 대해 수직하도록 취해진다.
도 7 및 도 8 은 리브 (40) 를 갖는 밸브 부분 (19) 이 우회 하위 채널 (44) 을 형성하는 것을 도시한다. 밸브 부분 (19) 은, 우회 하위 채널 (44) 이 주 하위 채널 (43) 보다 챔버 측벽 (25) 에 더 근접하여 위치되도록 챔버 (12) 에 위치되는 것이 바람직하다. 챔버 측벽 (25) 에 대한 우회 하위 채널 (44) 의 공간적 접근은 트럼펫 형상의 밸브 부분의 경우와 동일한 효과가 달성됨을 의미한다. 여기서 다시, 배출 중에 유체 기둥의 분열 (splitting) 이 방지되고, 잔류물 배출이 신뢰 가능하게 보장된다.
채널 구조 (7a)(도 3 ) 에서, 밸브 부분 (19) 은 유동 방향으로 트럼펫 형상으로 확대된다. 밸브 부분 (19) 의 회전 방향 (R) 에 대향하여 배향되는 측벽 (26)(우측 측벽) 은 챔버 측벽 (25) 에 근접해 있다. 마이크로유체 요소 (1) 는 시계 방향 (화살표 (R)) 으로 회전되므로, 소자 (1) 가 가속될 때, 채널 (8) 내에 수용된 유체는 채널 (8) 의 우측 측벽 (22) 에 대해 가압된다. 이 측벽 (22, 26) 은 챔버 측벽 (25) 에 근접하므로, 채널 (8) 의 비워짐은 회전 중에 발생하는 코리올리힘 및 가속 중에 발생하는 오일러힘에 의해 최적화된다. 채널 (8) 의 통기, 따라서 재충전이 효과적으로 보장된다.
대조적으로, 도 7, 도 8 및 도 9에 따른 우회로를 갖는 밸브 부분 (19) 의 실시형태에서, 우회 하위 채널 (44) 은 챔버 측벽 (25) 에 근접한다. 이 경우, 회전은 반시계 방향으로 발생한다. 회전 중에 발생하는 코리올리힘 및 가속 중에 발생하는 오일러힘에 의해, 이 경우, 유체는 밸브 부분 하위 모세관 (42) 에 인접한 챔버 (11) 의 좌측 벽 (25) 에 대해 가압되어, 우회 하위 채널 (44) 의 비워짐을 지원해준다. 세척 완충 용액을 이용하는 경우에 비누막의 축적이 방지된다. 밸브 부분 (19) 의 비교적 협폭의 주 하위 채널 (43) 에서, 채널 (13) 의 통기가 우회 하위 채널 (44) 을 통해 효과적으로 실행될 수 있으므로, 비누막 형성은 중요하지 않고 또한 유해하지 않다. (회전 주파수에 의해 돌파 주파수를 초과하는) 사전 설정된 돌파 주파수에 도달한 후, 채널 (13) 의 비워짐 및 또한 밸브 부분 (19) 의 돌파는 초기에 우회 하위 채널 (44) 을 통해 발생하고, 이 우회 하위 채널은, 그 유체 수송 단면의 확대에도 불구하고, 이것이 모세관 작용 하에서 충전의 가능성이 유지되도록 구성된다. 우회 하위 채널 (44) 은, 유체가 배출 수순의 말기를 향하여 분열되지 않고, 따라서 완전한 비워짐과 그에 따른 통기가 보장되도록 설계된다. 이 방법으로, 사이펀 밸브 채널 (13) 의 사이펀 형상의 구조는 신뢰 가능하게 다수 회 사용될 수 있다..
주 하위 채널 (43) 은, 이 주 하위 채널 (43) 이 챔버 측벽으로부터 멀어지는 방향으로 위치되므로, 챔버로부터 유체의 역류를 방지하도록 작용한다. 챔버 벽 (20) 을 습윤시키고 또한 밸브 부분 (19) 의 방향으로 챔버 벽 (20) 을 따라 폐기물 챔버 (12) 로부터 역류하는 유체는 모세관 작용 하에서 작은 단면으로 인해 우회 하위 채널 (44) 보다 높은 모세관 효과를 갖는 협폭의 주 하위 채널 (43) 내로 공급된다. 이 방법으로, 응집력의 존재는 유체의 귀환류가 협폭의 주 하위 채널 (43) 내로 안내되고 또한 우회 하위 채널 (44) 에 도달하지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 우회 하위 채널 (44) 은 봉쇄되지 않고, 천이부는, 특히 폐기물 챔버가 점차 완전히 충전되어 감으로써 위기 상태일 수 있는 경우에, 챔버로부터의 유체의 역류에 대해 보호된다.
마이크로유체 요소가 정지 상태일 때, 유체는 모세관 작용으로 인해 측정 챔버 (10) 로부터 배출되어 채널 (13) 내로 유입된다. 이 점에서, 최초로, 협폭의 주 하위 채널 (43) 은 비교적 신속하게 충전된다. 그 때 비로서 우회 하위 채널 (44) 이 충전되고, 그로 인해 우회 하위 채널 (44) 의 충전은 주 하위 채널 (43) 의 충전보다 느려진다. 특히 우회 하위 채널 (44) 을 확대하고 또한 2 하위 채널들 (41, 42) 사이의 각도를 설정하는 것에 의한 2 하위 채널들 (41, 42) 의 적절한 구성은, 발생하는 모세관 힘의 기능으로서, 충전이 조절될 수 있다는 것을 의미한다.
마이크로유체 요소가 회전을 개시하는 즉시, 최초에, 우회 하위 채널 (44) 에서 돌파가 발생한다. 이것은 비교적 낮은 주파수에서도 발생한다. 따라서, 생화학적 분석 공정 (분석) 에서, 예를 들면, 단백질의 손상을 방지하도록 챔버를 주의 깊게 비울 수 있다.
본 발명에 따른 밸브 부분 (19) 을 이용하면, 채널의 봉쇄를 야기하지 않고, 동일한 모세관을 사용하거나 또는 동일한 채널 (8, 13) 을 사용하여 다수의 공정 단계들 (분석 단계들) 이 확실하게 실행될 수 있다는 것이 입증되었다. 모세관들 (채널 (8, 13)) 의 통기는 또한 다중의 공정 단계들, 즉 다양한 유체들을 다수 회 도입하는 단계들에 걸쳐 보장된다. 따라서, 높은 합성세제 농도를 갖는 용액도, 비누막이 축적되거나 또는 잔류 용액 (유체) 이 함께 유동하여 채널들을 재충전하지 않고, 사용될 수 있다.

Claims (17)

  1. 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소로서,
    기판 (34), 및 채널 구조 (7) 를 갖는 마이크로유체 수송 시스템 (2) 을 구비하고,
    상기 마이크로유체 수송 시스템 (2) 은 상기 기판 (34) 및 피복 층에 의해 포위되고;
    - 상기 채널 구조 (7) 는 2 개의 측벽들 (23) 을 갖는 채널 (8, 13) 및 상기 채널 (8, 13) 에 인접하는 챔버 (9, 11) 를 포함하고;
    - 상기 채널 (8, 13) 은 채널 부분 (18) 및 상기 채널 부분 (18) 에 인접하는 밸브 부분 (19) 을 포함하고;
    - 상기 2 개의 측벽들 (23) 은 상기 채널 부분 (18) 내에서 서로 평행하게 연장하고;
    - 상기 챔버 (9, 11) 는 유입 오리피스 (21) 를 갖는 챔버 벽 (20) 을 구비하고;
    - 상기 챔버 벽 (20) 내의 상기 유입 오리피스 (21) 는 상기 밸브 부분 (19) 에 인접하여서, 유체는 상기 채널 (8, 13) 로부터 상기 밸브 부분 (19) 을 통해 상기 챔버 (9, 11) 내로 유입할 수 있고;
    - 상기 밸브 부분 (19) 은 유동 방향으로 확장되는 유체 수송 단면을 구비하고, 상기 밸브 부분 (19) 의 유체 수송 단면은 선행하는 상기 채널 부분 (18) 에서의 유체 수송 단면보다 크고;
    - 상기 밸브 부분 (19) 및 상기 챔버 (9, 11) 는 기하학적 밸브를 구성하는 모세관 스톱 (17) 을 형성하여, 상기 채널 (8, 13) 을 통해 유동하는 유체는 상기 챔버 (9, 11) 의 상기 유입 오리피스 (21) 에서 상기 밸브 부분 (19) 의 단부에서 정지되는, 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 (8, 11) 의 관련 단면은, 상기 챔버 벽 (20) 의 유입 오리피스 (21) 로부터 0.2 mm 의 챔버 벽 (20) 에 대해 수직한 거리에서, 상기 유입 오리피스 (21) 에서의 상기 밸브 부분 (19) 의 유체 수송 단면보다 적어도 1.5 배, 바람직하게는 적어도 2 배, 특히 바람직하게는 적어도 4 배 더 큰 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브 부분 (19) 은 상기 유입 오리피스 (21) 를 향해 연속적으로 확장되는 유체 수송 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (9, 11) 의 유입 오리피스 (21) 에서 상기 밸브 부분 (19) 에서의 측벽들 (22, 26) 사이의 거리는 상기 채널 부분 (18) 에서의 측벽들 (22) 사이의 거리의 적어도 2 배이고; 바람직하게, 상기 거리는 적어도 3 배, 특히 바람직하게, 상기 거리는 적어도 4 배 더 긴 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 부분 (19) 은 상기 채널 부분으로부터 상기 밸브 부분까지의 천이부에서 밸브 부분 측벽들 (26) 사이의 거리 (b) 의 적어도 3 배, 바람직하게는 상기 거리의 적어도 5 배, 특히 바람직하게는 상기 거리의 적어도 7 배인 길이 (l) 를 갖고, 상기 길이 (l) 는 상기 거리의 최대 10 배에 대응하는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 부분 (19) 은 일정한 높이 (h) 또는 상기 챔버 (9, 11) 의 유입 오리피스 (21) 를 향해 증가하는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (9, 11) 는 상기 챔버 벽 (20) 으로부터 거리가 증가함에 따라 그 높이가 감소하는 방식으로 상기 챔버 벽 (20) 의 유입 오리피스 (21) 로부터 멀리 연장하는 경사부 (30) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 경사부 (30) 의 폭은 상기 유입 오리피스 (21) 의 폭보다 더 크고, 바람직하게는 적어도 10%, 매우 바람직하게는 적어도 2 배, 특히 바람직하게는 적어도 3 배, 그리고 최대 5 배 더 큰 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 챔버 (9, 11) 는 상기 챔버 벽 (20) 에 인접하는 챔버 측벽 (25) 을 포함하고;
    - 상기 밸브 부분 (19) 은, 상기 챔버 벽 (20) 에서, 밸브 부분 측벽들 (26) 중 하나의 밸브 부분 측벽이 상기 챔버 측벽 (25) 에 근접하여 위치되도록 배치되어, 상기 밸브 부분 측벽들 중 하나의 밸브 부분 측벽과 상기 챔버 측벽 (25) 사이의 거리 (27) 가 상기 채널 부분 (18) 의 폭과 최대로 동일한, 바람직하게는 상기 채널 부분 (18) 의 폭의 최대 1/2과 동일한, 특히 바람직하게는 상기 채널 부분 (18) 의 폭의 최대 1/3과 동일한 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (9, 11) 의 챔버 벽 (20) 에서 둘 다 종료되는 2 개의 인접한 밸브 부분 하위 채널들 (41, 42) 이 형성되도록, 2 개의 상기 밸브 부분 측벽들 (26) 사이의 상기 밸브 부분 (19) 내에 리브 (40) 가 위치되고, 상기 챔버 벽 (20) 에서 제 2 밸브 부분 하위 채널 (42) 로부터의 제 1 밸브 부분 하위 채널 (41) 의 거리는 협폭의 상기 밸브 부분 하위 채널 (41, 42) 의 폭의 적어도 2 배, 바람직하게는 적어도 4 배, 매우 바람직하게는 적어도 6 배 더 큰 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  11. 제 10 항에 있어서,
    2 개의 인접한 상기 밸브 부분 하위 채널들 (41, 42) 의 각각은 기하학적 밸브로서 구성되는 상기 챔버 (9, 11) 에 의해 모세관 스톱 (17) 을 형성하는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 리브 (40) 는, 2 개의 상기 밸브 부분 하위 채널들 (41, 42) 이 적어도 40도의 각도, 바람직하게는 적어도 50도의 각도, 특히 바람직하게는 적어도 60도의 각도를 형성하도록 위치되는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 밸브 부분 하위 채널 (41) 은 주 하위 채널 (43) 이고, 상기 제 2 밸브 부분 하위 채널 (42) 은 우회 하위 채널 (44) 이고, 바람직하게는 상기 우회 하위 채널 (44) 은 상기 주 하위 채널 (43) 보다 넓은 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 주 하위 채널 (43) 의 측벽들 (22) 은 서로 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 주 하위 채널 (43) 은 상기 채널 부분 (18) 과 정렬되는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 챔버 (9, 11) 는 상기 챔버 벽 (20) 에 인접하는 챔버 측벽 (25) 을 포함하고;
    - 상기 밸브 부분 (19) 의 상기 우회 하위 채널 (44) 은 상기 밸브 부분 (19) 의 상기 주 하위 채널 (43) 보다 상기 챔버 측벽 (25) 에 더 근접하게 위치되는 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
  17. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버 (9, 11) 의 우회 유입 오리피스 (46) 에서의 상기 우회 하위 채널 (44) 의 높이는 상기 챔버 (9, 11) 의 유입 오리피스 (21) 에서의 상기 주 하위 채널 (43) 의 높이보다 높고, 바람직하게는 상기 채널 부분 (18) 으로의 천이부에서의 상기 우회 하위 채널 (44) 과 상기 주 하위 채널 (43) 의 높이는 동일한 것을 특징으로 하는 유체 샘플을 분석하기 위한 마이크로유체 요소.
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