KR20140119764A - 샘플 중의 하전된 종의 농도를 측정하기 위한 장치 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생물학적, 화학적, 공업적 또는 환경 샘플 중의 하전된 종(charged speceis)을 감지하기 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 혈액과 같은 샘플 중에서 하전된 종의 농도, 특히 이온 농도, 예컨대 리튬 이온 농도를 측정하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 유체에 의해 충전된 밀폐된 마이크로유체 채널; 유체에 의해 충전되고 그 안에 가스 기포를 갖는 팽창 챔버; 및 상기 팽창 챔버를 상기 밀폐된 마이크로유체 채널과 유체 접속되도록 하기 위한 인터코넥션을 포함하는 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 마이크로유체 채널과 팽창 챔버를 연결하는 단계와; 상기 마이크로유체 채널에 유체를 충전하는 단계와; 상기 팽창 챔버에 적어도 부분적으로 유체를 채우는 단계와; 상기 팽창 챔버에 존재하는 유체 내부에 가스 기포를 형성하는 단계와; 상기 마이크로유체 채널을 밀폐하여 밀폐된 마이크로유체 채널을 획득하는 단계;를 포함하는 장치의 제조 방법을 제공한다.

Description

샘플 중의 하전된 종의 농도를 측정하기 위한 장치 및 그의 제조 방법{An apparatus for the measurement of a concentration of a charged species in a sample}

본 출원은 2006년 11월 21일 출원된 국제특허출원번호 PCT/EP2006/011148호 "유체에 대한 이온 센서 및 그를 제조하는 방법"에 관련된 것이다.

본 발명은 생물학적, 화학적, 공업적 또는 환경 샘플 중의 하전된 종(charged speceis)을 감지하기 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 혈액과 같은 샘플 중에서 하전된 종의 농도, 특히 이온 농도, 예컨대 리튬 이온 농도를 측정하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

무기 이온은 생명에 필수요건이며 음용수, 혈액 및 생물의 모든 세포뿐만 아니라 환경에서 다량으로 발견된다. 예컨대, 세포 내외의 다수의 이온, 즉 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 및 칼슘의 이온은 살아있는 생물에 대해 필수적이다. 따라서, 동물 및 인간의 혈액 및 혈액 세포 중에서 이온 농도는 다양한 체내 기능에 아주 중요하다.

보통 리튬은 혈장 중에 존재하는 미량 원소이다. 리튬은 또한 양극성 기분장애를 치료하기 위한 약물로서도 사용된다. 전세계적으로 백만명 이상의 사람들이 매일 리튬을 섭취하는 것으로 추산된다. 리튬 사용에서 결점은 치료 지수, 즉 독성 농도와 치료 농도 사이의 비율이 매우 낮은 것이다. 대부분의 환자는 0.4-1.2 mmol/L 리튬의 혈장 농도에 잘 반응하는 반면에, 1.6 mmol/L 이상의 리튬 농도에서 독성 효과가 발생할 수 있다. 높은 혈액 리튬 수준이 오래지속되면 신경계에 영구적인 손상을 초래할 수 있고 심지어 사망을 초래할 수 있다. 따라서 치료하는 동안 리튬 농도를 모니터링하는 것이 필수적이어서, 리튬 수준을 소망하는 수준으로 유지하기 위하여 몇 개월에 한번 씩 규칙적으로 확인해야 한다.

과도한 작업자 취급을 피하기 위하여, 혈액 변수의 측정에는 이온-선택적 전극(ISEs)이 자동화된 방식으로 흔히 사용된다. 이들 ISEs는 신속하고 큰 동적 범위를 제공한다. 그러나, 이들의 반응은 대수적(logarithmic)이고 또 리튬에 대한 높은 선택성 요건은 문제가 될 수 있다. 또한, 리튬 해독의 경우 혈액분석을 위한 신속한 과정을 필요로 한다. 현재, 특별히 훈련받은 사람이 환자로부터 정맥 혈액 샘플을 취하여 중앙 실험실로 수송해야 하며 또 그 혈액 세포는 측정하기 바로 전에 제거될 필요가 있다. 이러한 과정은 45분 정도 소요될 수 있다. 샘플 처리 시간을 최소화하고 소재지에서 측정을 가능하게 하기 위하여, 이온 감응성 전계효과 트랜지스터를 이용한 소형 장치가 전혈(whole blood) 중의 칼륨과 나트륨의 농도를 손으로 잡는 분석기를 사용하여 결정하는데 유용하다. 그러나, 이러한 분석기는 리튬 측정에는 사용되지 않는데, 이는 리튬 이온의 훨씬 적은 농도에 비교한 다른 하전된 종, 특히 나트륨 이온의 높은 바탕(background) 농도 때문이다.

전혈 중의 리튬을 직접 측정하고 또 혈장 중의 무기 양이온을 결정하는 것은 E. Vrouwe et al. in Electrophoresis 2004, 25, 1660-1667 및 Electrophoresis 2005, 26, 3032-3042에 기재되고 예시되어 있다. 소정 샘플이 로딩된 마이크로칩 모세관 전기영동(CE)과 컬럼 결합 원리를 이용하여, 전혈 한 방울 중의 알칼리 금속의 농도가 측정되었다. 핑거 스틱(finger stick)으로부터 수집한 전혈은 전혈의 성분 추출 또는 제거없이 마이크로칩으로 전달하였다. 리튬 요법 중인 환자로부터 얻은 혈장에서 샘플 전처리 없이 리튬 농도를 측정할 수 있다. 도전성 검출하는 마이크로칩을 이용하여, 140-mmol/L 나트륨 매트릭스 중의 리튬에 대하여 0.1 mmol/L의 검출 한계를 얻었다.

혈액 샘플 중의 이온 농도를 측정하기 위한 몇 가지 종류의 마이크로칩을 개시하는 기타 종래 기술 문헌이 당해 분야에 공지되어 있다. 예컨대, 미국 특허출원 US 2005-0150766호(Manz)는 모세관 전기영동 마이크로칩을 개시한다.

미국특허번호 5,882,496호(노르트럽 등)는 전기영동 장치 중의 하나의 표면적을 증가시키기 위하여 다공성 실리콘 구조를 제조하는 방법 및 그의 용도를 개시한다.

미국특허번호 7,250,096호(쇼지 등, 히타치 하이-테크놀로지스 코포레이션으로 양도됨)는 전류전달 통로 상태를 검출하기 위하여 전기영동 동안 전류전달 통로를 측정하는 방법 및 장치를 개시한다.

종래 기술의 문제점의 하나는 전극에서 전해질 중에서 가스 기포가 발생하는 것(US 7,250,096호에서 밝혀진 바와 같음) 및/또는 장치의 마이크로채널 중의 전극에서 전기분해로 인한 바람직하지 않은 리독스(환원-산화) 반응이 생기는 것이다. 이러한 것은 상기 장치를 통한 전하 수송이 전기적 통로 중의 전자 및 화학적 통로 중의 이온에 의해 실시되기 때문에 생긴다. 전하는 전극과 전극에 있는 이온 사이에서 교환된다.

마이크로채널 중의 전해질은 특정 가스 용량을 갖는다. 특정 가스 용량의 최대량을 가스 한계라 칭한다. 가스 한계가 마이크로채널 내에서 국소적으로 도달하면 가스 기포가 형성된다. 가스 기포의 형성은 직접적으로 상기 측정에 영향을 준다.

이온 및 다른 하전 분자는 산화환원 반응으로 인하여 변화를 거치고, 전극에서 농도를 변화시킨다. 가스 기포는 가스 한계를 초과하여 가스 기포를 형성하는 비하전 분자의 형성으로 인하여 형성된다. 이들 가스 기포는 장치의 마이크로채널 내에 한정되며 그 결과 측정을 왜곡시킬 수 있다.

가스 기포의 형성은 모세관 전기영동 측정을 위한 단일 전기회로 또는 접촉 도전성 검출을 위한 단일 전기회로가 존재하고 또 전압 및 또는 전류가 적합하게 제어되면 종래 기술에서 설명된 바와 같이 피해질 수 있다. 그러나, 조합된 측정 방법에 대하여 2개의 전기 회로가 존재하면, 양쪽 전기회로의 전기적 간섭이 복잡성을 더한다.

단일 전기회로에 대한 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 종래 기술의 방법은 전기적 전류를 제한하는 것에 의해, 산화환원 반응의 유형을 제어하는 것에 의해 또 전압을 산화환원 전위 아래로 감소시키는 것에 의해 전극 사이의 전류를 교대로 이용하는 것을 포함한다. 전류에 대한 제한은 예컨대 전류 공급원, 소형 채널 기하 및 채널에서 낮은 전해질 농도를 이용하는 것에 의해 실현될 수 있다. 채널 중의 바탕 전해질의 농도를 낮게 이용할 수도 있다. 또한 전극의 디자인도 역할을 할 수 있다. 넓은 표면적을 갖는 전극은 전하 농도 변화가 넓은 면적에 걸쳐 퍼지기 때문에 가스 기포의 형성에 덜 영향을 받는다.

미국 특허출원 US 2005-0150766호 미국특허번호 5,882,496호 미국특허번호 7,250,096호

본 발명은 생물학적, 화학적, 공업적 또는 환경 샘플 중의 하전된 종(charged speceis)을 감지하기 위한 장치 및 그를 위한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 혈액과 같은 샘플 중에서 하전된 종의 농도, 특히 이온 농도, 예컨대 리튬 이온 농도를 측정하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 유체에 의해 충전된 밀폐된 마이크로유체 채널; 유체에 의해 충전되고 그 안에 가스 기포를 갖는 팽창 챔버; 및 상기 팽창 챔버를 상기 밀폐된 마이크로유체 채널과 유체 접속되도록 하기 위한 인터코넥션을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.

한편, 본 발명에 따르면, 개방되고 충전되지 않은 마이크로유체 채널과; 상기 개방되고 충전되지 않은 마이크로유체 채널에 배치된 적어도 2개의 전극과; 샘플 입구와; 개방 샘플 저장기와; 밀폐된 증발 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

본 발명은, 인터코넥션을 통하여 마이크로채널의 부품에 입구에서 접속되어 있고, 인터코넥션은 채널의 단면보다 더 작은 단면을 가지며, 또한 상기 인터코넥션은 길고 최소한의 공간을 이용하기 위하여 전방 및 후방으로 굽었음(curved)을 알 수 있다. 따라서, 이러한 구조는 채널 및 다른 저장기에 관한 팽창 챔버에 대한 인터코넥션의 공기역학적 저항을 증가시키는데 유용하다.

본 발명은 샘플 중의 하전된 종의 농도를 측정하기 위한 장치를 제공한다. 상기 샘플은 복수 유형의 하전된 종 및 적어도 1개의 불용성 성분을 포함한다. 상기 장치는 샘플을 유지하는 채널을 따라 배열된 적어도 2개의 제1 전극에 접속될 수 있는 전압제어장치를 갖는 제1 회로 및 채널 중에 배열된 적어도 2개의 제2 전극에 접속될 수 있는 도전성 검출장치를 갖는 제2 회로를 포함하며, 상기 제1 회로 및 제2 회로는 서로 전기적으로 격리(electrically isolated)되어 있다.

상기 전기적 격리는 2개의 전기회로가 서로에 대하여 간섭하지 않는 것을 의미하므로, 상기 측정은 정확하다.

본 발명은 도면 및 본 발명의 예시를 위해 제공된 것으로 본 발명을 한정하지 않는 상세한 바람직한 실시형태를 참조하여 더욱 잘 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 요지에 따른 장치의 주요 성분을 도시한다.
도 1b 및 도 1c는 마이크로채널에 관한 전극 배열을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 채널에 관한 전극 배열을 더 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 1개 전극 또는 전극 사이에서 가능한 전류 통로를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 장치의 성분을 마이크로채널에 관한 전극에 접속하는 것을 도시한다.
도 5a 내지 도 5d는 격리 성분의 상이한 배열을 도시한다.
도 6은 측정 장치의 일례를 도시한다.
도 7은 팽창 챔버를 갖는 장치의 일례를 도시한다.
도 8은 샘플 도전성 측정이 포함된 장치의 일례를 도시한다.
도면에서 동일 참조 부호는 동일하거나 유사한 물품을 나타낸다.

본 발명은 도면과 실시예를 들어 자세하게 설명할 것이다. 본 발명의 일 요지에 따른 특징은 본 발명의 다른 요지에 의한 특징과 조합될 수 있음을 이해해야 한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 요지에 따른 측정 시스템(1)의 성분을 도시한다.

상기 측정 시스템(1)은 센서(18)로부터 전기 신호를 측정하여 처리하는 측정장치(17)를 포함한다. 상기 센서(18)는 액체 샘플(10) 중의 하전 종의 농도를 측정(도 1b 및 도 1c에 도시됨)하며 또 특허 출원의 내용이 본 명세서에 참고문헌으로 포함되어 있는 동시계류중인 국제 특허출원 WO 2008/061542호에 개시되어 있다. 액체 샘플(10)은 가장 흔히 혈액 샘플이다.

상기 센서(18)는 칩 홀더(15)와 샘플 장치(9)를 갖는다. 칩 홀더(15)는 그 내용이 본 명세서에 충분히 포함되어 있는 국제특허 출원 PCT/EP2007/004468호에 개시되어 있다. 샘플 장치(9)는 도 1b 및 도 1c에 더욱 자세하게 개시되어 있으며 이들 도면과 조합하여 더욱 자세하게 설명될 것이다.

상기 측정장치(17)는 샘플 도전성 측정장치(53), 전압 제어 및 전류 감지 장치(54) 및 도전성 검출 및 세포 제어장치(55)를 갖는다. 상기 도전성 측정장치(53)는 샘플 장치(9) 상에서 전기통로를 통하여 샘플 도전성 전극(4, 4')에 접속된다. 상기 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)는 샘플 장치(9) 상에서 전기통로(60 내지 60'")를 통하여 각각 저장기 전극(30, 30') 및 웰 전극(30", 30'")에 접속된다. 유사하게, 상기 도전성 검출 및 세포 제어장치(55)는 샘플 장치(9) 상에서 전기통로(65, 65')를 통하여 채널전극(5, 5')에 접속된다.

측정장치(17) 중의 메인 콘트롤(43)은 계산을 실시하기 위한 프로세서(44)를 포함한다. 메인 보드(43)는 전기통로(75)를 통하여 도전성 측정장치(53)에, 전기통로(76)를 통하여 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)에 또 전기통로(77)를 통하여 도전성 검출 및 세포 제어장치(55)에 접속된다.

상기 측정장치(17)는 LCD 디스플레이 및 작동패널(69)에 접속된 버튼을 갖는다. 상기 작동패널(69)은 전기통로(72)를 통하여 메인 보드(43)에 접속된다. 상기 측정장치(17)는 전원(79)에 접속된 전원(68)을 통하여 전력이 공급된다. 시리얼 포트(serial port)(67)는 전기통로(73)를 통하여 메인 보드(43)에 접속되고 또 외부 접속부(78)에 접속된다.

상기 샘플 장치(9)는 도 1a에 도시되고 또 도 1b 및 도 1c에 더욱 분명하게 도시된 바와 같이 채널(12)가 형성되어 있는 기판(도시되지 않음)을 포함한다. 상기 기판은 글래스 또는 플라스틱 재료로 제조된다. 채널(12)의 제작을 허용하는 다른 재료도 사용될 수 있다. 글래스를 기판 재료로 사용하는 경우, 상기 채널(12)은 제1 저장기(8), 제2 저장기(8') 및 제3 저장기(8") 사이의 기판(13)에 에칭된다. 채널(12)의 측벽은 중합체로 코팅될 수 있다. 상기 채널(12)은 센티미터 이하의 크기일 수 있고; 특히 상기 채널(12)은 1cm 미만의 폭 및 100㎛ 미만의 깊이일 수 있다. 제1 저장기(8), 제2 저장기(8') 및 제3 저장기(8")는 채널(12)(예컨대 100㎛ 내지 1 cm)의 폭에 비하여 그 크기가 현저하게 클 수 있다. 이것은 도 1b 및 도 1c에서도 확인할 수 있다. 또한 1 이상의 저장기가 채널(12)에 포함될 수 있다.

상기 채널(12) 및 제1 저장기(8), 제2 저장기(8') 및 제3 저장기(8")는 사용하기 전에 전해질(11)에 의해 충전될 수 있다. 전형적으로 저장기의 부피는 약 10 ㎕이다.

도 1b 및 도 1c는 샘플 장치(9)의 측면도를 도시한다. 본 발명의 일례에 의한 실시형태에서 샘플 장치는 폭이 30 mm, 높이가 4 mm, 그리고 두께가 1.4 mm이다. 상기 칩은 글래스로 제조될 수 있다.

채널(12) 뿐만 아니라 제1 저장기(8), 제2 저장기(8') 및 제3 저장기(8")는 다수의 전극을 갖는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서 채널(12)은 폭이 100 ㎛ 미만이고, 깊이가 100 ㎛ 미만이며 또 길이가 3 cm 미만이다. 샘플 장치(9)의 상면(3)과 채널(12) 사이에서 부품(19)이 접속되어 있음을 알 수 있다. 샘플(10)은 샘플장치(9)의 상면(3)에 위치한다. 샘플(10)은 상면(3) 중의 개구(2)를 통하여 채널(12)의 부품(19)과 유체 소통한다. 상기 개구(2) 및 부품(19)은 원형 형태일 수 있지만, 채널(12)에 액체를 삽입하기에 적합한 임의 형태가 이용될 수 있다.

상기 상면(3)에는 1 이상의 개구(2)가 만들어 질 수 있다. 이러한 개구는 샘플(10)이 다수의 진입 지점에서 채널(12)로 들어가게 하는데 유용하다. 이것은 다수의 측정을 실시하고 그 평균을 취할 수 있게 한다. 1 이상의 개구(2)의 다른 이점은 1개 개구에서부터 다른 개구로 대류전달성 유동을 허용하므로 개구(2)를 통하여 채널(12)로 수송 메카니즘을 제공한다. 1 이상의 개구(2)의 다른 이점은 국제 특허출원 PCT/EP2007/004468호에 기재된 바와 같이 채널(12) 중에서 증발을 방지하는 것이다.

채널(12)에는 전류 집중을 피하기 하여 일반적으로 원형 모서리를 갖는 다수의 전극이 제공된다. 저장기 전극(30, 30')은 제1 저장기(8) 및 제3 저장기(8")에 제공된다. 상기 저장기 전극(30, 30')은 전압이 채널(12)를 따라 위치하도록 한다. 저장기 전극(30, 30')은 상기 설명한 바와 같이 전기 통로를 통하여 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)에 접속된다. 저장기 전극(30, 30')뿐만 아니라 이하에 기재한 바와 같은 웰 전극(well electrode)은 전형적으로 백금으로 제조되고 또 평탄하고 얇으며, 전형적으로 2 mm 미만의 폭과 2 mm 길이를 갖지만 높이는 100 nm 정도이다.

상기 상면(3) 및 다른 저장기(8')에는 웰 전극(30", 30"')이 제공되어 있어, 채널(12) 전반에 걸쳐 전압의 배치를 허용한다. 이것은 개구(2)를 통하여 샘플(10)에서부터 공동(19)으로 하전 이온을 빼낸 다음 채널(12)로 보내는데 유용하다. 이러한 웰 전극(30", 30'")은 상기 설명한 바와 같이 전기통로를 통하여 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)에 접속된다. 이용된 전형적인 전압은 1200 V이고 또 전류는 10 uA 미만일 수 있다.

상기 채널(12)은 서로 실질적으로 대향하게 배치되며 채널(12) 전반에 걸친 도전성을 측정하는 2개의 채널전극(5, 5')을 갖는다. 상기 도전성 전극(5, 5')은 상기 설명한 바와 같이 전기통로를 통하여 도전성 검출 및 제어장치(55)에 접속된다. 상기 2개의 채널전극(5, 5')은 약 100 ㎛ 떨어져 있고 또 백금으로 제조된다. 이들의 폭은 100㎛ 미만, 예컨대 40 ㎛이고, 또 상기 2개의 채널전극(5, 5')은 약간 원형으로된 모서리를 갖는다. 채널을 걸쳐 인가된 신호는 전형적으로 AC로 100 Hz 내지 100 kHz 범위이고 상부-상부 진폭은 1 내지 내지 10 V이다.

상기 2개의 채널전극(5, 5')은 상기 장치(1)에 접촉이온검출(ICCD라 약칭) 메카니즘의 이용을 허용한다. 상기 ICCD 메카니즘은 채널전극(5, 5')이 채널(12) 중의 유체와 직접적인 전기화학적 계면을 갖는 검출 방법이다.

도 1c는 상면(3) 상의 2개의 샘플 도전성 전극(4, 4')을 도시한다. 샘플 도전성 전극(4,4')은 샘플(10)에 의해 덮히며 하전된 종이 마이크로채널의 부품(19)으로 끌어지기 이전에, 동안 및/또는 후에 샘플(10) 중의 하전 종의 도전성을 측정한다. 샘플 도전성 전극(4, 4')은 상기 설명한 바와 같이 샘플 도전성 측정장치(53)에 접속된다. 샘플 도전성 전극(4, 4')은 일반적으로 곡선 형태를 가지므로 샘플 도전성 전극(4, 4')의 끝에서 전류 밀도를 감소시킨다.

도 2a 및 도 2b는 채널(12) 중의 전극 배열을 더욱 자세하게 도시한다. 단순화를 위해 제1 저장기(8), 제2 저장기(8') 및 제3 저장기(8")는 자세하게 도시하지 않는다. 오직 전극(30 내지 30'")만이 도시되어 있다. 도 2a에서 채널전극(5, 5')은 채널(12) 내부에 위치하지 않지만, 채널벽(7,7')의 외부에 존재한다. 즉, 채널전극(5,5')의 어떤 것도 채널(12) 내의 유체(11)와 직접적으로 접촉하지 않는다. 도 2b에서, 채널전극(5, 5')은 측벽(7,7')을 통하여 침투하며 또 채널(12) 내의 유체(11)과 접촉하는 유체(및 직접적 전기)에 존재하는 것을 알 수 있다. 도 2a에 도시된 셋업의 요지는 2개의 채널전극(5, 5') 어떤 것도 유체(11)와 직접 접촉하지 않는 이점을 갖는다. 그 결과 기포 가스는 2개의 채널전극(5,5')의 표면 상에서 형성될 수 없다.

도 2b에 도시된 본 발명의 요지에서, 전압 및 또는 산화환원 반응의 유형 및 또는 전기적 전류는 2개의 채널전극(5,5')에서 제어되도록 확실히 할 필요가 있이며, 이러한 점에서 가스의 형성은 가스 한계(즉, 미리 정해진 농도) 아래로 머문다. 본 발명의 다른 요지로서, 교대되는 전류가 2개의 채널전극(5,5')을 통과할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 다양한 전극(30, 30') 상의 전류 통로를 도시하며, 전극(30", 30"') 상의 전류 통로는 간편하게 하기 위하여 도시하지 않지만 존재하고 있다. 도 3a는 채널(12) 내의 채널전극(5)(또는 5') 일례를 도시한다(즉, 도 2b에 도시된 본 발명의 요지). 전류통로(40a-4Od)는 채널(12)을 따라 저장기 전극(30, 30')을 향하여 존재한다. 전류통로(40, 40c, 40b)는 채널(12) 전반에 작용한다.

도 3b는 저장기 전극(30, 30') 뿐만 아니라 채널전극(5,5') 상에 작용하는 전류통로를 도시한다. 저장기 전극(30)은 채널 전극(5)의 방향으로 전류통로(51a)를 갖고 또 채널전극(5')의 방향으로 전류통로(51c)를 가질 뿐만 아니라 다른 저장기 전극(30')의 방향으로 전류통로(51b)를 가짐을 알 수 있다. 유사하게, 저장기 전극(30')은 채널전극(5)의 방향으로 전류통로(51d)를 갖고 또 채널전극(5')의 방향으로 전류통로(51f)를 가질 뿐만 아니라 다른 저장기 전극(30)의 방향으로 전류통로(51e)를 갖는다.

채널전극(5)은 저장기 전극(30)의 방향으로 전류통로(50a)를 갖고 또 저장기 전극(30')의 방향으로 전류통로(50c)를 가질 뿐만 아니라 채널전극(5')의 방향으로 전류통로(50b)를 갖는다. 채널전극(5')은 저장기 전극(30)의 방향으로 전류통로(50d)를 갖고 또 저장기 전극(30')의 방향으로 전류통로(5Of)를 가질 뿐만 아니라 채널전극(5)의 방향으로 전류통로(5Oe)를 갖는다.

도 3a 및 도 3b는 도전성 검출에서 접촉하는 이온을 분리하기 위한 모세관 전기영동 방법을 조합하는데 있어 문제 중의 하나를 도시한다. 채널전극(5, 5') 사이 및 저장기 전극(30, 30') 사이의 전기적 전위뿐만 아니라, 참조부호(50a, 50c, 5Od, 5Of 및 51a, 51c, 51d, 51f)로 표시된 "교차 전극" 또는 "교차 메카니즘" 전류통로를 고려할 필요가 있다. 채널전극(5, 5')을 비롯한 회로 및 저장기 전극(30, 30')를 비롯한 회로로부터 형성된 회로 사이의 격리가 존재할 필요가 있다. 이러한 문제는 본 발명의 장치와 같은 소규모의 장치에서 더욱 중요하다.

이것은 전기적으로 실시되어 전자공학을 통한 공통적인 dc 또는 ac 접속이 존재하지 않거나 감소되게 할 수 있다. 이러한 것은 상부 절반에서는 전압 제어를 위한 회로(54) 근처에 있는 전기적 절연체(80)로서 또 하부 절반에서는 도전성 검출을 위한 회로(55) 근처에 있는 전기적 절연체(80')로서 도시하는 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있다.

저장기 전극(30 내지 30'")은 전기통로(60 내지 60"')에 의해 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)에 접속된다. 웰 전극(5, 5')은 전기통로(65, 65')를 통하여 도전성 검출 및 세포 제어장치(55)에 접속된다.

도 4a에서, 전압 제어 및 전류 감지 장치(54)는 전기적 절연체(80)를 통하여 메인 보드에 접속된다. 도 4b에서, 도전성 검출 및 세포 제어장치(55)는 절연체(80')를 통하여 메인 보드(43)에 접속된다. 전기적 절연체(80, 80')의 목적은 다양한 전극을 서로로부터 격리시키는 것이다. 전기적 절연체(80, 80')는 도 4a 및 도 4b에 예시적 위치에 도시되어 있지만, 이들은 다른 위치에 존재할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 1 이상의 전기적 절연체(80, 80')가 포함될 수 있음도 알 수 있을 것이다. 일반적으로 낮은 용량의 전기적 절연체(82)는 전극(30 내지 30'", 5 내지 5")와 조합된 전압 제어 회로(54) 및 도전성 검출 회로(55) 사이에서 실현되어야 한다고 말할 수 있다.

상기 전기적 절연체(80, 80')는 도 5a 내지 도 5d에 도시한 바와 같이 다양한 구조를 가질 수 있다. 도 5a에서 2개의 전기통로(90, 91) 각각의 인푸트(input)는 커패시터(95, 95a)에 의해 2개의 전기통로(90', 91')의 아웃푸트(output)로부터 격리된다. 유사하게, 도 5b에서, 2개의 전기통로(90, 91) 각각의 인푸트는 인덕트(96)에 의해 2개의 전기통로(90', 91')의 아웃푸트로부터 격리된다. 도 5c에서 인덕터(97)는 중앙 탭(92, 92')을 갖는다. 도 5d에서 피에조 원소(98)는 전기통로(90', 91')의 아웃푸트로부터 전기통로(90, 91)의 아웃푸트를 격리하도록 유발된다.

전기적 절연체(80, 80')는 모세관 전기영동 회로와 ICCD 회로 사이의 dc 전류를 실질적으로 감소시키는 효과를 갖는다. 생길 수 있는 다른 문제는 모세관 전기영동 회로와 ICCD 회로 사이에 ac 전류가 존재하는 것이다. 이것은 전기적 절연체(80, 80')를 사용하는 것에 의해서도 감소될 수 있다.

커패시턴스(82)에서 감소는 dc 및 ac 효과를 감소시키기 위한 장치에 대해서도 유리함을 알 수 있다. 채널(12) 중의 이온을 정확하게 측정할 수 있도록 100 pF 미만, 예컨대, 2OpF의 커패시턴스가 최적인 것으로 생각된다.

도 6은 디스플레이(69)를 갖는 장치를 측정하는 일례를 도시한다. 폭(16")은 일반적으로 50 cm 미만이고 또 예시적 실시형태로서 10 cm이다. 높이(16"')는 10 cm 미만이고 또 예시적 실시형태로서 5 cm이다. 깊이(16')는 50cm 미만이고 또 예시적 실시형태로서 20cm이다.

본 발명의 다른 실시형태는 도 7에 도시되어 있으며, 도 7에는 팽창 챔버(104)가 개구(100') 및 인터코넥션(101)을 통하여 마이크로채널(19)의 부품(19)에 입구(100')에서 접속되어 있다. 인터코넥션(101)은 채널(12)의 단면보다 더 작은 단면을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 상기 인터코넥션은 길고, 최소한의 공간을 이용하기 위하여 전후방으로 굽었음을 알 수 있다. 이것은 채널(12) 및 다른 저장기에 관한 팽창 챔버(104)에 대한 인터코넥션(101)의 공기역학적 저항을 증가시키는데 유용하다.

상기 팽창 챔버(104)는 전해질(11)과 같은 유체(102)로 충전된다. 가스 기포(103)는 유체(102) 내부에 존재한다. 상기 가스 기포(103)는 바람직하게는 불활성 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤과 같은 가스로 제조된다.

가스 기포(103)를 갖는 팽창 챔버(104)는 마이크로채널(12) 내의 유체가 칩 파괴없이 온도 차이에 따라 팽창 및 수축하게 한다. 약간의 온도 차 뿐만 아니라 예컨대 50도 정도의 온도차도 상기 방식으로 처리될 수 있다. 이것은 장치를 효과적으로 동작시키는데 필요하다. 예컨대, 마이크로채널(12) 내의 유체가 과도하게 팽창하여 유체가 칩 밖으로 누출되면, 냉각시 마이크로채널(12)이 측정에서 변화를 초래할 수 있는 유체에 의해 더 이상 완전히 충전되지 않을 것이다. 팽창 챔버(104)는 생성된 가스 기포(103)가 온도 차를 견디고 누출을 방지할 수 있는 방식으로 저장기(8 내지 8") 및 채널(12)의 부피와 대조하여 실질적인 부피를 갖는 것을 알 수 있다.

가스 기포(103)는 샘플 장치(9)로부터 공기를 배출한 다음 팽창 챔버(104) 내에서 새어나오는 불활성 가스를 마이크로채널(12)로 부가하는 것에 의해 생성된다. 샘플 장치(9)는 다시 비워지고 또 유체를 샘플 장치(9)에 위치시킨다. 샘플 장치(9)에 대기압이 가해지면 유체가 샘플 장치로 들어간다. 잔류 가스로 인하여 팽창 챔버(104)에는 가스 기포(103)가 존재한다. 다른 방법에서, 가스 기포(103)는 물의 전기분해에 의해 형성될 수 있다. 이것은 물론 전극이 팽창 챔버(104) 내에 존재하는 것을 필요로 한다. 팽창 챔버(104)의 배출량은 가스 기포(102)의 형성을 좌우한다. 인터코넥션(101) 수단의 공기역학적 저항이 더 높을수록 예를 들어 가스는 채널(12)로부터 보다는 팽창 챔버(104)로부터 더욱 서서히 누출되어 나온다. 이것은 채널(12)을 실질적으로 비우게 할 수 있지만 여전히 팽창 챔버(104)에는 약간의 가스가 잔존함을 의미한다. 유체를 사용하여 샘플 장치를 충전할 때, 팽창 챔버(104) 내에 잔존하는 가스는 공기 기포를 형성한다.

팽창 챔버(104)의 사용은 기재된 샘플 장치(9)에서보다 실질적으로 더 크다는 것을 알 수 있다. 예컨대, 팽창 챔버(104)는 마이크로유체 장치의 마이크로채널로 혼입된 유체의 팽창/수축을 보상하기 위하여 다른 마이크로유체 장치에서 사용될 수 있다.

샘플 도전성은 다른 샘플 시스템(120)을 이용하여 측정될 수 있다. 도 8에서 상기 샘플 시스템(120)의 전형적인 요지가 도시되어 있다. 본 발명의 이러한 요지에서, 샘플 입구(112)는 채널 평탄화부(113) 및 샘플 채널(111)에 의해 샘플 저장기(110)에 접속된다. 상기 샘플 저장기(110)는 전형적으로 공기에 개방된다. 본 발명의 이러한 요지에서, 채널 시스템(12)에 대한 직접적 접속은 전형적으로 존재하지 않는다.

샘플 시스템(120)은 사용하기 전에 전형적으로 건조하다. 표면 상부에 샘플(10)을 인가한 후 샘플 시스템(120)의 충전은 샘플 입구(112) 및 채널 평탄화부(113)를 통하여 달성된다. 이것은 가스 기포의 형성을 방지하고 또 전극(4,4') 주변의 샘플 채널(111)의 적절한 충전을 허용한다. 상기 충전은 샘플 저장기(110)에서 공기에 개방하는 것에 의해 가능하게 되는 유체역학적 압력에 의해 달성될 수있다.

충전된 채널 시스템(12)과의 조합 사용으로 인하여 샘플 시스템(120)의 정확한 충전에는 주의를 기울려야 한다. 샘플 시스템(120)은 제조하는 동안 전해질(11)에 의해 충전된다. 전해질(11)은 샘플 시스템(120)으로부터 제거되어야 한다. 이러한 제거는 전해질(11)을 공기에 건조시키기 위하여 사용된 개방 샘플 저장기(110)를 통하여 실시된다. 이러한 요지에서 전해질(11)의 증발에 의한 샘플 시스템(120)에 침전이 생기지 않도록 주의해야 하는데 이는 이후의 샘플 충전에 영향을 주기 때문이다. 증발 챔버(115)는 증발 채널(116)에 의해 샘플 시스템(120)에 접속되게 실시된다. 증발 채널(116)의 입구는 샘플 입구(112)와 가깝게 배치된다. 증발 챔버(115)는 전형적으로 밀폐된 챔버이다. 증발 챔버(115) 및 증발 채널(116)로 인하여, 전해질(11)의 증발은 이온 챔버(115)에서 종결되므로 종의 침전은 샘플 채널 시스템(120) 내부 대신 증발 챔버 내부에서 일어난다.

샘플 채널 시스템(120), 증발 채널(116) 및 증발 챔버(115)의 사용은 도 1a-도 1c에 개시된 샘플 장치(9)에서 사용되는 것에 비하여 실질적으로 더욱 현저하게 응용되는 것을 알 수 있다. 예컨대, 증발 채널(116) 및 증발 챔버(115)를 갖는 샘플 시스템(120)는 예컨대 샘플 도전성 및 혈장 도전성을 측정하기 위하여 다른 마이크로유체 장치에서 사용될 수 있다. 일례는 헤모글로빈 수준의 측정이다.

본 발명은 몇 개 실시형태에 관하여 기재하였다. 그러나, 본 발명이 이들에 한정되지 않음은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 하기 특허청구범위와 조합하여 해석되어야 한다.

1: 측정 시스템 2: 개구
3: 상면 9: 샘플 장치
10: 샘플 12: 채널
101: 인터코넥션 102: 유체
103: 가스 기포 104: 팽창 챔버
115: 증발 챔버

Claims (15)

1. 유체에 의해 충전된 밀폐된 마이크로유체 채널;
   유체에 의해 충전되고 그 안에 가스 기포를 갖는 팽창 챔버; 및
   상기 팽창 챔버를 상기 밀폐된 마이크로유체 채널과 유체 접속되도록 하기 위한 인터코넥션을 포함하는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 인터코넥션은 상기 밀폐된 마이크로유체 채널보다 실질적으로 더 높은 유체 저항성을 갖는 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가스 기포는 불활성 가스를 포함하는 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 밀폐된 마이크로유체 채널은 상기 장치 상면과 연결되는 부분을 가지며, 상기 장치 상면과 연결되는 부분은 샘플을 상기 밀폐된 마이크로유체 채널로 안내하기 위하여 적어도 하나의 개구를 가지는 장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 인터코넥션의 입구는 개구와 인접하는 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 인터코넥션은 상기 밀폐된 마이크로유체 채널의 단면보다 더 작은 단면을 갖는 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 밀폐된 마이크로유체 채널의 입구와 상기 팽창 챔버 사이에는,
   길이가 길고 전후방으로 굽은 인터코넥션이 구비되는 장치.
8. 마이크로유체 채널과 팽창 챔버를 연결하는 단계와;
   상기 마이크로유체 채널에 유체를 충전하는 단계와;
   상기 팽창 챔버에 적어도 부분적으로 유체를 채우는 단계와;
   상기 팽창 챔버에 존재하는 유체 내부에 가스 기포를 형성하는 단계와;
   상기 마이크로유체 채널을 밀폐하여 밀폐된 마이크로유체 채널을 획득하는 단계;를 포함하는 장치의 제조 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 가스 기포를 형성하는 단계는,
   샘플 장치로부터 공기를 부분적으로 배출하는 단계;
   유체를 샘플 장치에 위치시키는 단계;
   상기 샘플 장치에 부분적으로 유체가 충전되도록 상기 샘플장치에 대기압이 가해지도록 하는 단계; 그리고
   잔류 가스에 의한 가스 기포 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 팽창 챔버 내에서 새어나오는 불활성 가스를 상기 마이크로유체 채널로 부가하는 단계를 포함하는 장치의 제조 방법.
11. 제 9항에 있어서, 상기 샘플 장치로부터 불활성 가스를 부분적으로 배출하는 단계를 더 포함하는 장치의 제조 방법.
12. 제 8항에 있어서, 상기 가스는 공기인 장치의 제조 방법.
13. 제 8항에 있어서, 상기 가스 기포를 형성하는 단계는,
    물의 전기분해 단계를 포함하는 장치의 제조 방법.
14. 개방되고 충전되지 않은 마이크로유체 채널;
    상기 개방되고 충전되지 않은 마이크로유체 채널에 위치하는 적어도 두 개의 전극;
    샘플 개구;
    개방된 샘플 저장기; 그리고
    밀폐된 증발 챔버;를 포함하는 장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 샘플 개구와 상기 개방되고 충전되지 않은 마이크로유체 채널 사이에 채널 평탄부가 위치하는 장치.

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