KR20160064768A - Apparatus and method for microfluidic chip filtration using spiral branch channel - Google Patents

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KR20160064768A KR1020140168850A KR20140168850A KR20160064768A KR 20160064768 A KR20160064768 A KR 20160064768A KR 1020140168850 A KR1020140168850 A KR 1020140168850A KR 20140168850 A KR20140168850 A KR 20140168850A KR 20160064768 A KR20160064768 A KR 20160064768A
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Abstract

A device for filtering a microfluidic chip according to the present invention comprises: a main channel formed to flow a sample solution including particles; a side channel connected with the main channel and making a solvent liquid flowed so as to make the sample solution focused toward a wall surface of the main channel in the opposite side of the side channel; and one or more branch channels connected with the main channel, and formed to receive the particles from the main channel. Each of the branch channels is formed in a spiral shape having an inner surface and an outer surface on the basis of a radius curvature and includes two or more exits for discharging the particles therefrom. The device for filtering a microfluidic chip may generate a Dean flow in a spiral branch channel, so particles or cells may be separated and analyzed by size. Also, gravity concentration is applied, so separation efficiency may be improved. A designing procedure therefor is simple compared to a conventional multimodal linear branch channel.

Description

나선형 분지채널을 이용한 미세유체칩 여과 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MICROFLUIDIC CHIP FILTRATION USING SPIRAL BRANCH CHANNEL} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a microfluid chip filtering apparatus and method using a spiral branch channel,

실시예들은 나선형 분지채널을 이용한 미세유체칩 여과 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력학적 여과(hydrodynamic filtration)에 나선형 채널에서 일어나는 딘(Dean) 유동을 적용하여 분리 효율을 증가시킨 미세유체칩 여과 장치 및 방법에 대한 것이다. Embodiments relate to a microfluidic chip filtering apparatus and method using a spiral branch channel, and more particularly, to a microfluidic chip filtering apparatus and method using a microfluidic chip filtration apparatus using a spiral branch channel, Chip filtering apparatus and method.

자기장, 유전영동, 광학 기법 등과 같은 외부장의 자발적인 도입 없이 채널유동에서의 수력학적 효과에 의해서 입자 및 세포의 조작이나 분리를 행하는 방법으로서, 수력학적 여과와 관성력(inertial force)에 의한 분리 방법이 있다. 수력학적 여과는 층류에 대한 유동 저항과 임의의 채널지점에서의 유동 분획(flow fraction)을 기본 원리로 하고 있다. 수력학적 여과에 대해서는 다양한 종류의 세포에 대해 많은 연구와 개발이 이루어져 왔으며, 예를 들어, "Apparatus and method for continuous two-dimensional particle separation"의 발명의 명칭을 가지는 일본 공개특허공보 제2012-076016호 등에 상세히 소개되어 있다. There is a method of hydrolytic filtration and separation by inertial force as a method of manipulating and separating particles and cells by hydrodynamic effects in a channel flow without voluntary introduction of external fields such as magnetic field, dielectrophoresis, and optical techniques . Hydraulic filtration is based on the flow resistance to laminar flow and the flow fraction at any channel point. Numerous studies and developments have been made on various types of cells for hydrodynamic filtration. For example, in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2012-076016, entitled " Apparatus and Method for Continuous Two- .

도 1은 종래의 수력학적 여과 장치의 원리를 보여주기 위한 단순한 장치의 평면도이다.1 is a plan view of a simple device for illustrating the principle of a conventional hydrodynamic filtration device.

도 1을 참조하면, 종래의 수력학적 여과 장치에서는 입자나 세포가 분산되어 있는 시료용액이 주채널(10)에 연속적으로 도입되어 흐르면, 각 분지채널(branch channel)(30)에서의 유동 분획에 의해 결정되는 유선의 선택적 배제에 의해 분리가 일어난다. 도 1에서 분지채널(30)은 하나의 채널로 도시되나, 실제로는 다수 개로 이루어진 다중형(multiple) 직선 채널이다. 유동 분획 효과를 높이기 위해, 주채널(10)의 측면에 연결된 측면채널(side channel)(20)로 용매액(medium)을 연속적으로 도입함으로써 시료용액을 측면채널(20) 반대편의 주채널(10) 벽면쪽으로 집중(focusing)시킬 수 있다. 주채널(10)에서 분지채널(30)이 형성되어 있는 벽면 부근에 있는 유선은 분지채널(30)로 빠지는데, 이때 중심이 이 유선에 위치하는 입자도 분지채널(30)로 빠지게 된다. 분지채널(30)로 빠지는 유량은 채널 네트워크에서의 유동저항(flow resistance)과 관련되어 주채널(10)과 분지채널(30) 간의 유동 분배로부터 결정된다. Referring to FIG. 1, in the conventional hydrodynamic filtration apparatus, when a sample solution in which particles or cells are dispersed is continuously introduced into the main channel 10 and flows, the flow fraction in each branch channel 30 Separation occurs by selective exclusion of the streamline as determined by. In FIG. 1, the branch channel 30 is shown as a single channel, but in practice it is a multiple linear channel with a plurality of channels. A solvent solution is continuously introduced into the side channel 20 connected to the side surface of the main channel 10 to increase the flow fractionation effect by continuously introducing the sample solution into the main channel 10 ) To the wall surface. The stream line near the wall surface where the branch channel 30 is formed in the main channel 10 falls into the branch channel 30. At this time, the particles whose center is located in the stream line also fall into the branch channel 30. [ The flow rate exiting the branch channel 30 is determined from the flow distribution between the main channel 10 and the branch channel 30 in relation to the flow resistance in the channel network.

도 1에서 WC는 이러한 유동분배에 의해 형성된 컷오프(cut-off) 두께로서, WC와 입자의 반경 크기에 따라 해당 입자가 분지채널(30)로 빠질지의 여부가 결정된다. 주채널(10)의 폭을 W, 주채널(10) 입구에서의 유량을

Figure pat00001
, 측면채널(20) 입구에서의 유량을
Figure pat00002
라 할 경우, W/2-WC=X를 만족하는 X에 대해 -X≤x≤0 (혹은 대칭에 의해, 0≤x≤X) 범위에 대한 유량을 QX 라고 하면,
Figure pat00003
+
Figure pat00004
= Q와
Figure pat00005
+ QX = Q/2인 관계가 성립한다. 따라서, 주채널(10)에서 분지채널(30)이 분지되는 분지점 Sb에서 유량비는 하기 수학식 1로 정해진다. In FIG. 1, W C is a cut-off thickness formed by this flow distribution, and it is determined whether or not the particle falls into the branch channel 30 according to the size of W C and the radius of the particle. The width of the main channel 10 is W, the flow rate at the inlet of the main channel 10 is
Figure pat00001
, The flow rate at the inlet of the side channel (20)
Figure pat00002
, The flow rate for the range satisfying W / 2-W C = X with respect to the range of -X? X? 0 (or symmetry, 0? X ? X )
Figure pat00003
+
Figure pat00004
= Q and
Figure pat00005
+ Q X = Q / 2. Therefore, the flow ratio at the branching point S b at which the branch channel 30 branches from the main channel 10 is determined by the following equation (1).

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 유량은, 채널 단면이 사각형인 사각채널에서의 정상상태이고 층류인 뉴톤성 유체에 대한 운동방정식과 경계조건으로 구한 속도분포를 채널의 단면에 대해 적분하여 구한다. Here, the flow rate is obtained by integrating the velocity distribution obtained by the equation of motion and the boundary condition for the channel section in a normal state and laminar Newtonian fluid in a quadrangular square channel section.

수력학적 여과 방법에서 통상 분지채널은 유동집중(flow focusing) 효과를 높이기 위해서 수십 개 이상 형성되고 직선이며, 출구 부분에서 집합되어 외부로 배출되는 구조를 적용한다. 여기서 출구는 입자나 세포가 여러 크기 별로 혼합되어 있는 시료용액에서 특정한 크기 별로 분리하고자 하는 분취액의 개수만큼 설치되도록 설계된다. 수십 개 이상의 분지채널들로 이루어진 채널 네트워크 중 임의의 j 번째 분지채널로의 분지점에서 분지채널과 주채널간의 유량비는 다음 수학식 2와 같이 정리될 수 있다.In the hydrodynamic filtration method, the branch channels are generally formed in a number of tens or more in order to enhance the flow focusing effect, and they are collected at the outlet portion and discharged to the outside. Here, the outlet is designed to be installed as many as the number of aliquots to be separated by a specific size in a sample solution in which particles or cells are mixed in various sizes. The flow rate ratio between the branch channel and the main channel at the branch point to any j-th branch channel among the channel networks having dozens of branch channels can be summarized as shown in Equation (2).

Figure pat00007
Figure pat00007

상기 수학식 2에서 여기서,

Figure pat00008
=tanh(npW/2H),
Figure pat00009
=cosh(npW/2H),
Figure pat00010
=sinh(npX/H) 이며, W와 H는 각각 주채널의 폭과 높이를 나타낸다. 위의 수학식 2와 각 분지점에서의 압력강하 관계로부터, 목적하는 입자나 세포의 분리를 위해 설정한 WC 값과 각 채널의 폭, 높이, 길이, 그리고 분지채널 개수, 분지채널간의 간격, 출구 개수 등의 제반 설계값들을 결정하기 위해서는, 복잡한 반복 계산이 수행되어야만 한다. In the above Equation 2,
Figure pat00008
= tanh (npW / 2H),
Figure pat00009
= cosh (npW / 2H),
Figure pat00010
= sinh (npX / H), and W and H indicate the width and height of the main channel, respectively. From the relationship between the pressure drop at each point and the above equation (2), the W C value set for separating the desired particles or cells and the width, height, length, and number of branch channels of each channel, In order to determine all design values such as the number of outlets, complex iterations must be performed.

즉, 종래의 수력학적 여과 방법에서는 유동집중의 향상을 위해 통상 설치된 출구 개수만큼의 분지채널들이 필요하고, 각각의 분지채널들은 수 개에서 수십 개 이상의 직선채널들로 이루어져 전체적으로는 수십 개 이상의 다중형 직선 분지채널이 필요하였으며, 이러한 복잡한 채널 네트워크로 이루어진 미세유체칩(microfluidic chip)의 설계를 위해서는 매우 많은 양의 계산이 요구되었다.That is, in the conventional hydrodynamic filtration method, branch channels as many as the number of normally installed outlets are required to improve flow concentration, and each branch channel is composed of several to several tens of linear channels, A straight branch channel was required. In order to design a microfluidic chip having such a complicated channel network, a very large amount of calculation was required.

일본 공개특허공보 제2012-076016호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2012-076016 미국등록특허 제8,186,913호United States Patent No. 8,186,913 미국등록특허 제8,361,415호U.S. Patent No. 8,361,415

본 발명의 일 측면에 따르면, 수력학적 여과(hydrodynamic filtration)에 나선형 채널에서 일어나는 딘(Dean) 유동을 적용하여 입자나 세포 등을 크기별로 분리분석함에 있어 분리 효율을 증가시키며 종래의 장치에 비해 설계가 용이한 새로운 미체유체칩 여과 장치 및 방법을 제공할 수 있다. According to an aspect of the present invention, a dean flow generated in a spiral channel is applied to hydrodynamic filtration to increase the separation efficiency in separating and analyzing particles or cells by size, It is possible to provide a new microfluidic chip filtering apparatus and method which are easy to use.

일 실시예에 따른 미체유체칩 여과 장치는, 입자를 포함하는 시료용액이 흐르도록 구성된 주채널(main channel); 상기 주채널에 연결되며 용매액이 흐르도록 하여 시료용액을 측면채널 반대편의 주채널 벽면쪽으로 집중(focusing)시키는 측면채널(side channel); 및 상기 주채널에 연결되며, 상기 주채널로부터 상기 입자를 받도록 구성된 하나 이상의 분지채널(branch channel)을 포함한다. 상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 곡률반경을 기준으로 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상이며, 상기 분지채널로부터 상기 입자가 빠져나가기 위한 2개 이상의 출구를 포함한다.A microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment includes a main channel configured to flow a sample solution containing particles; A side channel connected to the main channel and allowing the solvent solution to flow to focus the sample solution toward the main channel wall surface opposite to the side channel; And one or more branch channels connected to the main channel and configured to receive the particles from the main channel. Each of the one or more branch channels is helically shaped with an inner side and an outer side relative to a radius of curvature and includes two or more outlets for the particles to escape from the branch channel.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 상기 내측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제1 출구 및 상기 외측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제2 출구를 포함한다. In one embodiment, each of the one or more branch channels includes a first outlet located relatively adjacent to the inner surface and a second outlet located relatively adjacent to the outer surface.

일 실시예에서, 상기 하나 이상의 분지채널은 상기 주채널의 길이 방향과 상이한 방향으로부터 상기 주채널의 측면에 연결된 분지채널 및/또는 상기 주채널의 길이 방향과 평행한 방향으로부터 상기 주채널에 연결되는 분지채널을 포함한다. In one embodiment, the at least one branch channel is connected to the main channel from a direction parallel to the longitudinal direction of the main channel and / or a branch channel connected to a side of the main channel from a direction different from the longitudinal direction of the main channel Branch channels.

일 실시예에서, 상기 주채널 및 상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 채널의 폭이 높이에 비해 큰(즉, 채널단면의 종횡비(aspect ratio)가 작은) 형상을 갖는다. In one embodiment, each of the main channel and the at least one branch channel has a shape in which the width of the channel is larger than the height (i.e., the aspect ratio of the channel cross section is small).

일 실시예에서, 상기 시료용액은 크기가 상이한 복수 개의 종류의 입자를 포함하되, 상기 하나 이상의 분지채널은 상기 입자의 종류의 수보다 많은 수의 출구를 포함한다. In one embodiment, the sample solution comprises a plurality of types of particles of different sizes, wherein the at least one branch channel comprises a greater number of outlets than the number of types of particles.

일 실시예에서, 상기 입자의 직경을 D, 상기 분지채널의 폭을 WB, 상기 분지채널의 높이를 H로 나타낼 경우, D(WB+H)/2WBH > 0.07의 수학식을 만족하도록 상기 미세유체칩 여과 장치가 구성된다.In one embodiment, when the diameter of the particle is denoted by D, the width of the branch channel is denoted by W B , and the height of the branch channel is denoted by H, the following equation is satisfied: D (W B + H) / 2 W B H> 0.07 The microfluidic chip filtering device is constructed.

일 실시예에서, 상기 입자의 직경을 D, 상기 분지채널의 곡률 반경을 RC, 상기 분지채널의 높이를 H로 나타낼 경우, 0.08 ≤ 2D2RC/H3 < 20의 수학식을 만족하도록 상기 미세유체칩 여과 장치가 구성된다. In one embodiment, when the diameter of the particle is D, the radius of curvature of the branch channel is R C , and the height of the branch channel is H, 0.08? 2D 2 R C / H 3 <20 The microfluidic chip filtering device is constituted.

일 실시예에 따른 미세유체칩은, 채널기판; 및 상기 채널기판상에 형성되며, 입자를 포함하는 시료용액이 흐르도록 구성된 주채널, 상기 주채널에 연결되며 용매액이 흐르도록 하여 시료용액을 측면채널 반대편의 주채널 벽면쪽으로 집중시키는 측면채널, 및 상기 주채널에 연결되어 상기 주채널로부터 상기 입자를 받도록 구성된 하나 이상의 분지채널을 포함하는 미체유체칩 여과 장치를 포함한다. 상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 곡률반경을 기준으로 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상이며, 상기 분지채널로부터 상기 입자가 빠져나가기 위한 2개 이상의 출구를 포함한다.A microfluidic chip according to an embodiment includes a channel substrate; A main channel formed on the channel substrate and configured to flow a sample solution containing particles, a side channel connected to the main channel and concentrating the sample solution toward the main channel wall side opposite to the side channel, And at least one branch channel connected to the main channel and adapted to receive the particles from the main channel. Each of the one or more branch channels is helically shaped with an inner side and an outer side relative to a radius of curvature and includes two or more outlets for the particles to escape from the branch channel.

일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 방법은, 주채널 내로 입자를 포함하는 시료용액을 주입하는 단계; 상기 주채널에 연결된 측면채널로 용매액을 주입하는 단계; 상기 용매액에 의해, 상기 주채널로부터, 상기 주채널에 연결되며 곡률 반경을 기준으로 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상의 분지채널로 상기 입자를 이동시키는 단계; 상기 분지채널에서 관성 양력(inertial lift force) 및 딘 항력(Dean drag force)에 의하여 입자를 크기별로 분리하는 단계; 및 상기 분지채널의 2개 이상의 출구를 통하여 상기 분지채널로부터 상기 입자를 토출시키는 단계를 포함한다.The microfluidic chip filtering method according to an embodiment includes injecting a sample solution containing particles into a main channel; Injecting a solvent liquid into a side channel connected to the main channel; Moving the particles from the main channel to a spirally branched channel connected to the main channel and having an inner side surface and an outer side surface with respect to a radius of curvature; Separating the particles in size by an inertial lift force and a dean drag force in the branch channel; And discharging the particles from the branch channel through two or more outlets of the branch channel.

일 실시예에서, 상기 입자를 크기별로 분리하는 단계는, 관성 양력 및 딘 항력에 의하여 상기 입자를 상기 분지채널의 상기 내측면 방향으로 집중시키는 단계를 포함한다.In one embodiment, separating the particles by size comprises concentrating the particles in the direction of the inner side of the branch channel by inertial lift and drag forces.

일 실시예에서, 상기 시료용액은 제1 입자 및 상기 제1 입자에 비해 작은 제2 입자를 포함한다. 이때, 상기 입자를 토출시키는 단계는, 상기 분지채널의 상기 내측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제1 출구를 통해 상기 제1 입자를 토출시키는 단계; 및 상기 분지채널의 상기 외측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제2 출구를 통해 상기 제2 입자를 토출시키는 단계를 포함한다. In one embodiment, the sample solution comprises a first particle and a second particle smaller than the first particle. Wherein the step of discharging the particles comprises: discharging the first particles through a first outlet located relatively adjacent to the inner side of the branch channel; And discharging the second particles through a second outlet located relatively adjacent to the outer surface of the branch channel.

일 실시예에서, 상기 미세유체칩 여과 방법은, 상기 분지채널로 이동하지 않고 상기 주채널 내에 남아 있는 입자를, 시료용액의 흐름 방향을 따라 상기 분지채널보다 뒤에 위치하는 또 다른 분지채널로 이동시키는 단계; 상기 또 다른 분지채널에서 관성 양력 및 딘 항력에 의하여 상기 입자를 크기별로 분리하는 단계; 및 상기 또 다른 분지채널의 2개 이상의 출구를 통하여 상기 또 다른 분지채널로부터 상기 입자를 토출시키는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the microfluidic chip filtering method further comprises moving the particles remaining in the main channel without moving to the branch channel to another branch channel located behind the branch channel along the flow direction of the sample solution step; Separating said particles by size by inertial lifting and dragging forces in said another branch channel; And discharging the particles from the further branch channel through two or more outlets of the further branch channel.

본 발명의 일 측면에 따른 미세유체칩(microfluidic chip) 여과 장치 및 방법에 의하면, 유동집중(flow focusing) 효과를 높이기 위해 하나 이상의 나선형 분지채널(branch channel)을 주채널(main channel)에 연결함으로써, 나선형 분지채널에서 딘(Dean) 유동을 발생시킬 수 있다. 이를 이용하면, 입자나 세포를 크기 별로 분리분석할 수 있으며, 관성 집중이 부가되어 단지 수력학적 여과만 작용되는 종래의 다중형 직선 분지채널보다 분리 효율을 증가시킬 수 있고, 종래와 같이 복잡한 계산으로 설계된 수십 개 이상의 분지채널들을 도입할 필요가 없으므로 설계 과정이 단순화 될 수 있다. 상기 여과 장치 및 방법은 미세유체칩의 형태로 구현될 수 있으며, 형태가 변하지 않는 나노입자는 물론이고, 형태가 변하는 적혈구, 백혈구, 간세포, 줄기세포, 암세포 등의 크기별 분리(sorting), 개수 분석(counting), 특정 크기선별(fractionation) 등 미세종합분석시스템(micro total analysis system)에 광범위하게 적용될 수 있다.In accordance with one aspect of the present invention, a microfluidic chip filtration apparatus and method includes: connecting one or more helical branch channels to a main channel to enhance flow focusing effect; , A Dean flow can be generated in the spiral branch channel. Using this, it is possible to separate and analyze the particles or cells by size, and it is possible to increase the separation efficiency compared to the conventional multi-channel linear branch channel in which the inertial concentration is added and only the hydrodynamic filtering is performed, The design process can be simplified because there is no need to introduce dozens of branch channels designed. The filtration apparatus and method can be implemented in the form of a microfluidic chip. The filtration apparatus and method can be implemented in the form of a microfluidic chip, and can be classified into various types such as sorting of red blood cells, white blood cells, hepatocytes, stem cells, (micro total analysis system), such as counting and specific size fractionation.

도 1은 종래의 수력학적 여과 장치의 원리를 보여주기 위한 단순한 장치의 평면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 미세유체칩(microfluidic chip) 여과 장치의 평면도이다.
도 3은 곡선채널에서 딘(Dean) 유동 발생에 기인하는 압력구배(pressure gradient)와 원심력에 의한 유체관성을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 곡선채널에서 딘 와류, 딘 유동분포, 관성 양력(inertial lift force)만 있는 경우와 관성 양력과 딘 항력이 동시에 있는 경우의 입자의 집중을 비교 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 미체유체칩 여과 장치에서 나선형 분지채널의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 6c는 2분산(bidisperse) 입자 시료 또는 2형(bimodal) 세포 시료의 분리분석을 위한 수력학적 여과 구조에 있어 종래의 장치와 일 실시예에 따른 장치를 비교하여 나타낸 도면들이다.
도 7a 내지 7c는 3분산(tridisperse) 입자 시료 또는 3형(trimodal) 세포 시료의 분리분석을 위한 수력학적 여과 구조에 있어 종래의 장치와 일 실시예에 따른 장치를 비교하여 나타낸 도면들이다.
도 8은 일 실시예에 따른 미체유체칩 여과 장치를 이용하여 3분산 입자의 크기별 분리를 시행하기 위한 미세유체칩의 개략도이다.
도 9a는 종래의 수력학적 여과 구조에 의해 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 회수율을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 종래의 수력학적 여과 구조에 의해 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 순도를 나타내는 그래프이다.
도 10a는 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 이용한 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 회수율을 나타내는 그래프이다.
도 10b는 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 이용한 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 순도를 나타내는 그래프이다.
1 is a plan view of a simple device for illustrating the principle of a conventional hydrodynamic filtration device.
2 is a plan view of a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.
3 is a conceptual diagram for explaining a pressure gradient due to the occurrence of Dean flow in a curved channel and fluid inertia due to centrifugal force.
FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the concentration of particles when there is only an inertial lift force and an inertial lifting force at the same time in the curved channel.
5 is a view illustrating the structure of a spiral branch channel in a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.
6A to 6C are views showing a comparison between a conventional apparatus and a device according to an embodiment in a hydrodynamic filtration structure for separation analysis of a bi-dispersible particle sample or a bimodal cell sample.
FIGS. 7A to 7C are views showing a comparison between a conventional apparatus and an apparatus according to an embodiment in a hydrodynamic filtration structure for separation analysis of a tridisperse particle sample or a trimodal cell sample. FIG.
FIG. 8 is a schematic view of a microfluidic chip for separating three dispersed particles by size using a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.
FIG. 9A is a graph showing recovery rates obtained by size-based separation of three dispersed particles by a conventional hydraulic filtration structure. FIG.
FIG. 9B is a graph showing the purity obtained for the size-based separation of three dispersed particles by the conventional hydrodynamic filtration structure. FIG.
FIG. 10A is a graph showing recovery rates obtained by size-based separation of three dispersed particles using a microfluidic chip filtration apparatus according to an embodiment. FIG.
FIG. 10B is a graph showing the purity obtained for the size-based separation of three dispersed particles using the microfluidic chip filtering apparatus according to one embodiment.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 일 실시예에 따른 미세유체칩(microfluidic chip) 여과 장치의 평면도이다. 2 is a plan view of a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치는 주채널(main channel)(10) 및 주채널(10)에 연결된 하나 이상의 분지채널(branch channel)(40)을 포함한다. 일 실시예에서, 미세유체칩 여과 장치는 주채널(10)의 일 측면에 연결된 측면 채널(side channel)(20)을 더 포함한다. 본 명세서의 도면들에서 각각의 채널(10, 20, 40)은 소정의 형상을 가진 구성요소로 도시되나, 각각의 채널(10, 20, 40)은 유체 형태의 시료가 흐를 수 있도록 기판 등 지지체(미도시)에 형성된 공동(cavity)이나 홈(recess) 형태의 공간일 수 있으며, 도면에 도시된 각각의 채널(10, 20, 40)은 이러한 공간의 형상을 나타내는 것으로 의도된다. 기판 등 지지체는 원하는 형상을 갖는 채널의 가공이 용이한 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane; PDMS)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Referring to FIG. 2, the microfluidic chip filtering apparatus according to the present embodiment includes a main channel 10 and one or more branch channels 40 connected to the main channel 10. In one embodiment, the microfluidic chip filtering device further comprises a side channel 20 connected to one side of the main channel 10. Although each channel 10, 20, 40 is shown in the drawings herein as being a component having a predetermined shape, each channel 10, 20, (Not shown), and each channel 10, 20, 40 shown in the figures is intended to represent the shape of such a space. The support such as the substrate may be made of polydimethylsiloxane (PDMS), which is easy to process a channel having a desired shape, but is not limited thereto.

주채널(10)은 여과하고자 하는 입자를 포함하는 시료용액이 흐르기 위한 공간이다. 본 명세서에서 입자란, 나노입자와 같이 변형되지 않는 단단한(hard) 물체는 물론이고, 변형 가능하도록 무른(deformable soft) 적혈구, 백혈구, 간세포, 줄기세포, 암세포 등 세포를 포괄하는 개념으로 의도되며, 특정 종류에 한정되지 않는다. 주채널(10) 내를 흐르는 시료용액에는 크기가 상이한 한 종류 이상의 입자(100, 200)가 포함될 수 있으며, 입자(100, 200)의 일부 또는 전부를 주채널(10)로부터 분지채널(40)로 빠지도록 하여 분지채널(40)을 통해 입자를 여과할 수 있다. The main channel 10 is a space through which a sample solution containing particles to be filtered flows. Particles are intended to encompass cells such as deformable soft red blood cells, white blood cells, hepatocytes, stem cells, cancer cells as well as hard objects that are not deformed like nanoparticles, It is not limited to a specific kind. The sample solution flowing in the main channel 10 may include one or more kinds of particles 100 and 200 having different sizes and a part or all of the particles 100 and 200 may be supplied from the main channel 10 to the branch channel 40, So that the particles can be filtered through the branch channel 40.

측면채널(20)은 주채널(10)의 일 측면에 연결되어, 용매액(medium)을 연속적으로 도입함으로써 측면채널(20) 반대편의 벽면쪽으로 입자를 집중(focusing)시키는 역할을 한다. 측면채널(20)은 주채널(10)과 60도의 각도를 이루도록 주채널(10)에 연결될 수 있다. 주채널(10)에서 측면채널(20) 반대편의 벽면에 적어도 하나의 분지채널(40)이 연결될 수 있다. The side channel 20 is connected to one side of the main channel 10 and serves to concentrate the particles toward the wall opposite to the side channel 20 by continuously introducing a solvent medium. The side channel 20 may be connected to the main channel 10 at an angle of 60 degrees with the main channel 10. At least one branch channel 40 may be connected to a wall surface opposite the side channel 20 in the main channel 10.

분지채널(40)은 곡률을 가지고 휘어지는 나선 형상을 갖는다. 또한, 분지채널(40)의 폭(WB)은 주채널(10)의 폭(W)에 비하여 같거나 크다. 도 2에 도시된 분지채널(40)의 형상은 단지 예시적인 것으로, 분지채널(40)의 구체적인 나선 형상에 대해서는 상세히 후술한다. 주채널(10)에서 분지채널(40)이 형성되어 있는 벽면 부근에 있는 유선은 분지채널(40)로 빠지는데, 이때 중심이 이 유선에 위치하는 입자(100, 200)도 분지채널(40)로 빠지게 된다. 분지채널(40)로 빠지는 유량은 채널 네트워크에서의 유동저항(flow resistance)과 관련되어 주채널(10)과 분지채널(40) 간의 유동 분배로부터 결정되며, 유동분배에 의해 형성된 컷오프(cut-off) 두께 WC와 입자(100, 200)의 반경 크기에 따라 분지점 Sb에서 해당 입자(100, 200)가 분지채널(40)로 빠질지의 여부가 결정된다. 분지채널(40)의 개수는 입자가 여러 크기 별로 혼합되어 있는 시료용액에서 특정한 크기별로 분리하고자 하는 분취액의 개수로 결정된다.The branch channel 40 has a spiral shape that curves with a curvature. The width W B of the branch channel 40 is equal to or greater than the width W of the main channel 10. The shape of the branch channel 40 shown in Fig. 2 is merely exemplary, and the specific spiral shape of the branch channel 40 will be described in detail later. The streamlines near the wall where the branch channel 40 is formed in the main channel 10 fall into the branch channel 40 where the particles 100 and 200 whose center is located in the streamline are also connected to the branch channel 40 It will fall out. The flow rate exiting the branch channel 40 is determined from the flow distribution between the main channel 10 and the branch channel 40 in relation to the flow resistance in the channel network and is determined by the cut- It is determined whether or not the particles 100 and 200 fall into the branch channel 40 at the branch point S b according to the thickness W C and the size of the radius of the particles 100 and 200. The number of branch channels 40 is determined by the number of aliquots to be separated by a specific size in a sample solution in which particles are mixed in various sizes.

일 실시예에서, 주채널(10) 및 상기 하나 이상의 분지채널(40) 각각은, 각각의 채널의 폭이 높이에 비해 큰 형상, 즉, 채널단면의 종횡비(aspect ratio)가 작은 형상을 갖는다. In one embodiment, each of the main channel 10 and the at least one branch channel 40 has a shape in which the width of each channel is larger than the height, that is, the aspect ratio of the channel cross-section is small.

도 2에 도시된 실시예에서는 2분산(bidisperse) 입자의 분리 과정을 나타내기 위하여 크기가 상이한 두 종류의 입자(100, 200)가 도시되었다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 시료용액에 포함되어 실시예들에 따른 미세유체칩 여과 장치에 의해 여과되기 위한 입자의 종류는 더 많을 수도 있다. 또한, 도 2에 도시된 각 채널(10, 20, 40)의 형상 및 크기는 단지 예시적인 것으로서, 각 채널의 실제 형상 및 크기를 한정하는 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.In the embodiment shown in FIG. 2, two kinds of particles 100 and 200 of different sizes are shown to illustrate the process of separating two particles of bidisperse. However, this is an illustrative example, and there may be more kinds of particles included in the sample solution to be filtered by the microfluidic chip filtration apparatus according to the embodiments. It should also be understood that the shape and size of each channel 10, 20, 40 shown in Fig. 2 is merely exemplary and does not limit the actual shape and size of each channel.

본 발명의 실시예들에서 분지채널(40)은 나선형이므로, 곡률 반경이 상대적으로 작은 내측면(410)과 곡률 반경이 상대적으로 큰 외측면(420)을 포함한다. 이때, 분지채널(40) 내를 흐르는 시료용액에서는 딘(Dean) 유동으로 인하여 입자(100, 200)의 크기별 분리가 일어난다. 그 결과, 상대적으로 크기가 큰 입자(100)는 분지채널(40)의 내측면(410) 방향으로 이동하게 되고, 상대적으로 크기가 작은 입자(200)는 분지채널(40)의 외측면(420) 방향으로 이동하게 된다. 이에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다. In embodiments of the present invention, the branch channel 40 is helical and thus includes an inner surface 410 having a relatively small radius of curvature and an outer surface 420 having a relatively large radius of curvature. At this time, in the sample solution flowing in the branch channel 40, separation of the particles 100 and 200 occurs due to Dean flow. As a result, the relatively large particles 100 are moved in the direction of the inner side 410 of the branch channel 40 and the relatively small particles 200 are moved along the outer side 420 of the branch channel 40 ) Direction. This will be described in detail with reference to FIG. 3 and FIG.

도 3은 곡선채널에서 딘 유동 발생에 기인하는 압력구배(pressure gradient)와 원심력에 의한 유체관성을 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram for explaining a pressure gradient due to the generation of the dean flow in the curved channel and fluid inertia due to the centrifugal force.

도 3을 참조하면, 곡선채널에 유체가 흐를 경우 채널의 외측면과 내측면의 길이 차이에 의해 국부적인 유속이 달라지고, 이에 따라 채널의 측면방향(spanwise)으로 압력구배가 발생한다. 아울러, 채널의 곡률에 의한 원심력으로 인해, 압력구배와 반대방향으로는 유체 관성이 발생하게 된다. 압력구배와 유체관성 사이의 크기 차이에 따라 측면방향으로 2차적인 유동장을 형성하게 되는데, 이러한 유동을 딘 유동이라고 한다. Referring to FIG. 3, when a fluid flows through the curved channel, a local velocity varies depending on a length difference between an outer side surface and an inner side surface of the channel, thereby causing a pressure gradient in a spanwise direction of the channel. In addition, due to the centrifugal force due to the curvature of the channel, fluid inertia occurs in the direction opposite to the pressure gradient. Depending on the magnitude difference between the pressure gradient and the fluid inertia, a secondary flow field is formed in the lateral direction, which is called the dehydration flow.

딘 유동의 크기는 무차원 수인 딘 수(Dean number)(De=Re(WB/RC)1/2)에 의해 결정되며, 여기서 Re는 유동의 세기를 나타내는 레이놀즈 수(Reynolds number)이고, WB 는 채널의 폭이며, RC는 채널이 휘어지는 곡률반경(radius of curvature)이다. 즉, 레이놀즈 수(Re)가 클수록, 곡률반경(Rc)이 작을수록, 또한 채널의 폭(WB)과 높이(H)의 비 WB/H가 클수록(즉, 얕은 채널일수록) 강한 딘 유동에 의한 항력(drag)때문에 보다 한쪽으로 치우친 축방향(axial) 속도분포를 얻게 된다. 이에 관해서는 M.-S. Chun저 논문 "Electrokinetic secondary-flow behavior in a curved microchannel under dissimilar surface conditions", Phys. Rev. E, 83, 036312, 2011 등을 통해 통상의 기술자에게 알려져 있으므로, 자세한 설명을 생략한다. 딘 수(De)가 0.1 보다 훨씬 작으면, 압력구배가 유체관성에 비해 커서 채널의 내측면 방향으로 치우친 축방향 속도분포(내향경사)가 형성되지만, 딘 수(De)가 약 0.1 이상이 되면 채널의 외측면 방향으로 치우친 축방향 속도분포(외향경사)가 형성된다.The size of a Dean flow is determined by the dimensionless number Dean number (Dean number) (De = Re (W B / R C) 1/2), where Re is the Reynolds number that represents the intensity of the flow (Reynolds number), W B is the width of the channel, and R C is the radius of curvature at which the channel is bent. That is, the larger the Reynolds number (Re), the radius of curvature (R c) more is less, and the larger the ratio W B / H of the width (W B) and height (H) of the channel (that is, the more shallow channel) strong Dean Due to the drag due to the flow, a more unidirectional axial velocity distribution is obtained. As for this, M.-S. Chun, "Electrokinetic secondary-flow behavior in a curved microchannel under dissimilar surface conditions", Phys. Rev. E, 83, 036312, 2011, etc., so that detailed description is omitted. When the Dean number (De) is much smaller than 0.1, the pressure gradient is larger than the fluid inertia so that the axial velocity distribution (inwardly inclined) deviated in the inner side direction of the channel is formed. However, when the Dean number De becomes about 0.1 or more An axial velocity distribution (outward slope) deviated in the outer surface direction of the channel is formed.

이러한 Dean 유동을 입자의 조작과 분리에 응용한 연구가 Dino Di Carlo 연구그룹에 의해 이루어졌다. 상기 연구는 미국등록특허 제8,186,913호 및 미국등록특허 제8,361,415호 등에 의해 알려져 있으며, 곡선이나 나선형 채널에서 관성집중과 항력을 부가하여 입자의 집중과 관성 집중점에서 입자의 이동에 대해 내용을 포함한다. The Dino Di Carlo research group applied this Dean flow to particle manipulation and separation. Such studies are known from U.S. Patent No. 8,186,913 and U.S. Patent No. 8,361,415, and include content of particle concentration and inertial concentration at particle concentration by adding inertial concentration and drag in curved or spiral channels .

도 4는 곡선채널에서 딘 와류, 딘 유동분포, 관성 양력(inertial lift force)만 있는 경우와 관성 양력과 딘 항력이 동시에 있는 경우의 입자의 집중을 비교 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the concentration of particles when there is only an inertial lift force and an inertial lifting force at the same time in the curved channel.

도 4를 참조하면, vz는 채널 내 유체의 흐름 방향을 나타내고, 곡선채널에서 측면 방향으로의 딘 유동이 발생하면 채널단면에 상하 대칭으로 딘 와류 소용돌이(vortices)가 형성된다. 딘 와류 소용돌이는 상부는 시계반대방향이고 하부는 시계방향임이 알려져 있다. 그리고, 딘 유동의 모양은 채널 상하의 벽면부근에서는 채널이 휘어지는 방향(즉, 채널의 외측면에서 내측면 방향)으로, 채널 중심에서는 채널이 휘어지는 방향의 반대 방향(즉, 채널의 내측면에서 외측면 방향)으로 형성된 분포를 갖는다. Referring to FIG. 4, v z represents the flow direction of the fluid in the channel, and when a dehydrated flow is generated in the curved channel in the lateral direction, vortices are formed vertically symmetrically on the channel cross section. Dean vortex vortex is known to be counterclockwise at the top and clockwise at the bottom. The shape of the dean flow is the direction opposite to the direction in which the channel is bent (that is, in the inner side direction from the outer side of the channel) in the vicinity of the upper and lower walls of the channel, Direction).

딘 유동을 고려하지 않을 경우, 입자에 미치는 관성 양력은 채널 중심 부근의 강한 전단유동에 기인한(shear-induced) 관성 양력과 채널 벽면에 기인한 관성 양력이 서로 반대 방향으로 작용하여 균형을 이루는 4부분(즉, 채널 단면의 상하좌우)의 평형 지점에 입자들이 집중하게 된다. 여기에 딘 유동에 의한 항력이 작용하게 되면, 채널 상하 벽면 부근에 있는 입자들은 강한 딘 항력의 영향으로 인하여 채널이 휘어지는 안쪽 방향(즉, 채널 외측면에서 내측면 방향)으로 이동한다. 채널 외측면 부근의 입자들은 양력과 같은 방향의 항력을 받아서 딘 와류를 따라 채널 내측면 방향으로 이동하게 되지만, 채널 내측면 부근의 입자들은 양력과 방향이 반대인 항력을 동시에 받아서 주로 그 위치에 체류하게 된다. 결과적으로 입자들은 채널 내측면 부근으로 집중된다. Without considering the dean flow, the inertial lift on the particles is due to the shear-induced inertial lift due to the strong shear flow near the channel center and the inertial lift due to the channel wall in the opposite direction Particles are concentrated at the equilibrium point of the portion (that is, up, down, left, and right of the channel section). When the drag force due to the dean flow is applied, the particles in the vicinity of the channel upper and lower walls move inward (that is, inward from the channel outer side) due to the influence of the strong drag force. Particles in the vicinity of the channel outer side receive the drag force in the same direction as the lift force and move in the lateral direction of the channel along the din vortex. However, the particles in the inner side of the channel receive the drag in opposite direction to the lift force, . As a result, the particles are concentrated near the inner side of the channel.

다시 도 2를 참조하면, 분지채널(40) 내를 흐르는 입자는 전술한 관성 양력과 딘 항력의 영향으로 인하여 이동하면서 입자(100, 200)의 크기별 분리가 일어난다. 분지채널(40)의 내측면(410)으로부터 외측면(420) 방향으로는 관성 양력(FL)이 작용하고, 그 반대 방향으로는 딘 항력(FD)이 작용한다. 여기서 입자의 직경을 D라 하면, FL은 D4의 함수로 표현되며, FD는 D의 함수로 표현된다. 따라서, 입자가 클수록 FL/FD 값도 커지므로, 크기가 상대적으로 큰 입자(100)일수록 분지채널(40)의 내측면(410) 방향으로 이동하게 되어 상대적으로 큰 입자(100)와 상대적으로 작은 입자(200) 간의 분리가 일어나게 된다. Referring again to FIG. 2, the particles flowing in the branch channel 40 are separated due to the size of the particles 100 and 200 while moving due to the influence of the inertial lifting force and the drag force described above. The inertial lifting force F L acts from the inner side surface 410 of the branch channel 40 toward the outer side surface 420 and the drag force F D acts in the opposite direction. Where D is the diameter of the particle, F L is the function of D 4 , and F D is the function of D. Therefore, as the particle size is larger, the F L / F D value becomes larger. Therefore, the particle 100 having a relatively larger size moves toward the inner surface 410 of the branch channel 40, The separation of the small particles 200 occurs.

구체적으로는, 직경이 D인 입자가 수력학적 직경(hydraulic diameter)이 DH인 채널을 통해 흐르는 경우에 관성 양력에 의한 입자의 집중이 발생하기 위해서는 하기 수학식 3의 조건을 만족해야 하는 것으로 알려져 있다. Specifically, it is known that when the particle having the diameter D flows through the channel having the hydraulic diameter D H , it is known that the conditions of the following formula (3) must be satisfied in order for the particles to be concentrated by the inertial lift: have.

Figure pat00011
Figure pat00011

채널의 폭과 높이가 각각 WB와 H 인 분지채널(40)의 수력학적 직경 DH는 2WBH/(WB+H)이므로, 수학식 3은 D(WB+H)/2WBH > 0.07로 정리될 수 있다. 여기서 높이 H는 채널의 바닥면을 기준으로 채널 단면의 수직 방향 길이를 지칭한 것이며, 채널의 상부면을 기준으로 할 경우 깊이로도 지칭될 수 있다. 더 나아가, 곡선 및 나선형 채널에서 입자의 크기에 따른 분리가 원활하게 구현되려면, 관성 양력과 딘 항력의 비(즉, FL/FD=2D2RC/H3)가 약 0.08 이상이고 수십 이하이어야 하는 것으로 알려져 있는 바 실시예에서는 20이하로 하여, 이는 하기 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.Since the hydraulic diameter D H of the width and height of the channel W B and a branch channel (40) H, respectively, 2W B H / (W B + H), equation (3) D (W B + H) / 2W B H > 0.07. Here, the height H refers to the vertical length of the channel cross-section with respect to the bottom surface of the channel, and may also be referred to as the depth when the upper surface of the channel is referred to. Further, in order to smoothly achieve separation according to the size of the particles in the curved and spiral channels, the ratio of the inertia lift to the drag force (i.e., F L / F D = 2D 2 R C / H 3 ) It is 20 or less in the embodiment, which can be summarized as shown in Equation (4) below.

Figure pat00012
Figure pat00012

이에 따라, 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치에서 나선형 분지채널의 형상은 상기 수학식 3 및 수학식 4를 설계 조건으로 하여 결정될 수 있다. Accordingly, the shape of the spiral branch channel in the microfluidic chip filtering apparatus according to one embodiment can be determined based on the above-described Equation (3) and Equation (4) as design conditions.

이상을 만족하는 분지채널(40)에서 입자(100, 200)가 분지채널(40)로부터 빠져나오는 출구(430)를 적절하게 구성함으로써, 입자(100, 200)를 크기별로 분리할 수 있다. 예컨대, 출구(430)는 각각의 입자(100, 200)가 빠져나오도록 구성된 2개 이상의 분리된 출구들로 이루어질 수 있다.The particles 100 and 200 can be separated by size by appropriately configuring the outlet 430 through which the particles 100 and 200 exit from the branch channel 40 in the branch channel 40 satisfying the above condition. For example, outlet 430 may comprise two or more separate outlets configured to allow each particle 100, 200 to exit.

도 5는 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치에서 나선형 분지채널의 구조를 나타낸 도면이다.5 is a view illustrating a structure of a spiral branch channel in a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 분지채널(40)의 나선 회전수는 임의의 자연수인 N 개로서 가장 내측에 위치한 최초 나선 공간(400)에는 튜빙이 설치되는 출구(431, 432)가 형성될 수 있다. 직경이 1.59 mm인 1/16 인치 튜빙이 각 출구(431, 432)에 설치되기 위해서는, 최초 나선 공간(400)의 직경은 약 3.1 mm 이상이 되어야 한다. 또한, 분지채널(40)의 폭(WB)은 120 마이크로미터(μm)일 수 있다. 출구(431)는 분지채널(40)의 내측면(410)에 인접하여 연장되고, 출구(432)는 분지채널(40)의 외측면(420)에 인접하여 연장된다. 각각의 출구(431, 432)는 상응하는 연결관(433, 434) 및 연결관(433, 434)과 연결된 분기관(435)을 통하여 분지채널(40)에 연결될 수 있다. 분기관(435)은 분지채널(40)을 통해 이동해 온 입자들이 2개의 연결관(433, 434)으로 진입하는 과정에서 입자들의 집중이 변화되지 않도록 설치되는 것으로서, 분기관(435)의 폭은 분지채널(40)의 폭의 1.2 내지 1.5 배일 수 있다. 또한, 각 연결관(433, 434)의 폭은 분지채널(40)의 폭의 0.6 내지 0.75 배일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서, 각 부분의 폭 및 이들 사이의 관계는 전술한 것에 한정되지 않는다. Referring to FIG. 5, the number of turns of the branch channel 40 is N, which is an arbitrary natural number, and the first spiral space 400 located innermost can be formed with the outlets 431 and 432 in which the tubing is installed. In order for 1/16 inch tubing having a diameter of 1.59 mm to be installed in each of the outlets 431 and 432, the diameter of the initial helical space 400 should be about 3.1 mm or more. Also, the width W B of the branch channel 40 may be 120 micrometers (μm). The outlet 431 extends adjacent the inner side 410 of the branch channel 40 and the outlet 432 extends adjacent the outer side 420 of the branch channel 40. Each of the outlets 431 and 432 may be connected to the branch channel 40 through branch pipes 435 connected to the corresponding connection pipes 433 and 434 and the connection pipes 433 and 434. The branch pipe 435 is installed such that the particles moved through the branch channel 40 are not changed in the course of entering the two connection pipes 433 and 434, May be 1.2 to 1.5 times the width of the branch channel (40). In addition, the width of each of the connectors 433 and 434 may be 0.6 to 0.75 times the width of the branch channel 40. [ However, this is merely an example, and the width of each part and the relationship therebetween are not limited to those described above.

분지채널(40)을 구성하는 나선의 수는 다양하게 결정될 수 있으며, 이에 따라 분지채널(40)의 곡률 반경이 상이하게 된다. 하기 표 1은, 각각의 나선 회전수에 대한 분지채널(40)의 회전 중심부터 채널의 중심까지의 곡률 반경(RC)을 정리한 것이다. 그러나, 실시예들에 따른 미세유체칩 여과 장치에서 분지채널의 형상은 하기 표 1의 수치에 의하여 한정되는 것은 아니다. The number of spirals constituting the branch channel 40 can be determined in a variety of ways, and thus the radius of curvature of the branch channel 40 is different. Table 1 below summarizes the radius of curvature (R C ) from the rotation center of the branch channel 40 to the center of the channel with respect to each spiral rotation speed. However, the shape of the branch channel in the microfluidic chip filtering apparatus according to the embodiments is not limited by the numerical values shown in Table 1 below.

나선 회전수 (n)Spiral rotation speed (n) 1One 22 33 NN 채널간의 간격(WS) (μm)Interval between channels (W S ) (μm) 32003200 240240 200200 200200 채널 폭(WB) (μm)Channel width (W B ) (μm) 120120 120120 120120 120120 곡률 반경(RC) (μm)Curvature radius (R C ) (μm) 32603260 36203620 39403940 ∑WS + W(N-0.5)? W S + W (N-0.5)

도 6a 내지 6c는 2분산 입자 시료의 분리분석을 위한 수력학적 여과 구조에 있어 종래의 장치와 일 실시예에 따른 장치를 비교하여 나타낸 도면들이다.6A to 6C are views showing a comparison between a conventional apparatus and an apparatus according to an embodiment in a hydrodynamic filtration structure for the separation analysis of a two-dispersed particle sample.

도 6a는 상대적으로 작은 입자 DS와 상대적으로 큰 입자 DL로 조성된 2분산 입자 시료의 구성을 나타내며, 도 6b는 이의 분리분석을 위해 종래의 수력학적 여과 장치를 나타낸다. 도 6b에 도시된 것과 같이, 종래의 장치에서는 주채널(10)에 여러 개의 분지채널(31)로 이루어진 다중형 직선 분지채널(31)이 연결된다. 주채널(10)의 입구(110)로는 시료용액이 주입될 수 있다. 또한, 주채널(10)의 일 측면에는 용매액이 주입되는 측면채널(20)이 연결될 수 있다. 도시된 장치에서, 상대적으로 크기가 작은 DS 입자의 반경보다 분지채널 전반부에 형성되는 WC가 크도록 설계하여 DS 입자는 주 채널(10)로부터 분지채널(31)로 이동하며 그 결과 분지채널(31)의 출구(310)에서 분취된다. 한편, 상대적으로 크기가 큰 DL 입자는 주채널(10)을 따라 이동하여 주채널(10)의 출구(120)에서 분취된다. Figure 6a shows the construction of a bifurcated particle sample composed of a relatively small particle D s and a relatively large particle D L , and Figure 6b shows a conventional hydrodynamic filtration device for its separation analysis. As shown in FIG. 6B, in the conventional apparatus, the main channel 10 is connected to the multi-branch straight branch channel 31 made up of a plurality of branch channels 31. A sample solution may be injected into the inlet 110 of the main channel 10. [ A side channel 20 to which a solvent liquid is injected may be connected to one side of the main channel 10. In the illustrated device, than the radius of the relatively small size particles D S W C branch channel formed in the first part that is designed to be larger D S The particles move from the main channel 10 to the branch channel 31 and as a result are separated at the outlet 310 of the branch channel 31. On the other hand, the relatively large D L particles travel along the main channel 10 and are collected at the outlet 120 of the main channel 10.

한편, 도 6c는 2분산 입자를 포함하는 시료의 분리분석을 위한 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 나타낸다. 도 6c를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치는 주채널(10) 및 이에 연결된 나선형 분지채널(40)을 포함하며, 나선형 분지채널(40)은 2개 이상의 출구(431, 432)를 포함한다. 나선형 분지채널(40) 내에서 상대적으로 큰 입자는 딘 유동에 의해 채널 내측면으로 집중되므로, 분지채널(40)의 내측면에 인접한 출구(431)로는 나선형 분지채널(40)로 빠진 일부 DL 입자가 분취되며, 분지채널(40)의 외측면에 인접한 출구(432)로는 DS 입자가 분취된다. 또한, 나머지 DL 입자는 주채널(10)의 출구(120)에서 분취된다. On the other hand, FIG. 6C shows a microfluidic chip filtering apparatus according to one embodiment for separation analysis of a sample containing two dispersed particles. 6C, the microfluidic chip filtering apparatus according to the present embodiment includes a main channel 10 and a spiral branch channel 40 connected thereto, and the spiral branch channel 40 includes two or more outlets 431 and 432 ). The relatively large particles in the spiral branch channel 40 are concentrated in the channel side by the dean flow so that an outlet 431 adjacent to the inner side of the branch channel 40 has a portion D L And the outlet 432 adjacent to the outer surface of the branch channel 40 is D S &lt; RTI ID = 0.0 &gt; Particles are collected. The remaining D L particles are also collected at the outlet 120 of the main channel 10.

따라서, 본 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 이용하여 크기가 상이한 2 종류의 입자를 분리해낼 수 있다. 본 미세유체칩 여과 장치는 작은 입자 파트(DS±σS)와 큰 입자 파트(DL±σL)로 가우시안(Gaussian) 형태로 분포되어 있는 2형(bimodal) 세포 시료에도 적용될 수 있다. 여기서, σS 및 σL은 각 입자의 크기의 표준편차를 나타낸다. Accordingly, the microfluidic chip filtering apparatus according to the present embodiment can be used to separate two kinds of particles having different sizes. This microfluidic chip filter can be applied to bimodal cell samples distributed in Gaussian form with small particle part (D S ± σ S ) and large particle part (D L ± σ L ). Here, σ S and σ L represent the standard deviation of the size of each particle.

도 7a 내지 7c는 3분산(tridisperse) 입자 시료의 분리분석을 위한 수력학적 여과 구조에 있어 종래의 장치와 일 실시예에 따른 장치를 비교하여 나타낸 도면들이다.7a to 7c are diagrams comparing a conventional apparatus and an apparatus according to an embodiment in a hydrodynamic filtration structure for separation analysis of tridisperse particle samples.

도 7a는 상대적으로 작은 입자 DS, 중간 입자 DM, 및 상대적으로 큰 입자 DL로 조성된 3분산 입자 시료의 구성을 나타내며, 도 7b는 이의 분리분석을 위한 종래의 수력학적 여과 장치를 나타낸다. 도 6b를 참조하여 전술한 장치와 비교하면, 도 7b에 도시된 종래의 장치에서는 두 종류의 다중 분지채널(31, 32)을 사용하여 상이한 크기의 입자를 분리하도록 구성된다. 분지채널(31, 32)은 설명의 편의를 위해 몇 개의 채널로 도시되었으나, 실제로는 수 개 내지 수십 개의 분지채널들로 이루어지므로, 한 종류의 다중 분지채널을 추가하는 것은 수십 개 이상의 분지채널들이 추가되어야 하여 설계 부담을 증가시킨다. Figure 7a shows the construction of a three-dispersed particle sample composed of a relatively small particle D S , a middle particle D M and a relatively large particle D L , and Figure 7b shows a conventional hydrodynamic filtration device for its separation analysis . Compared with the apparatus described above with reference to FIG. 6B, the conventional apparatus shown in FIG. 7B is configured to separate particles of different sizes using two kinds of multi-branch channels 31 and 32. FIG. Although the branch channels 31 and 32 are shown as several channels for the sake of convenience of description, in practice, they are made up of several to several tens of branch channels. Thus, adding one kind of multi-branch channels requires several tens or more branch channels To increase the design burden.

한편, 도 7c는 3분산 입자를 포함하는 시료의 분리분석을 위한 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 나타낸다. 도 6c를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치는 주채널(10), 주채널(10)에 연결된 제1 나선형 분지채널(40) 및 주채널(10)에 연결된 제2 나선형 분지채널(50)을 포함한다. 제1 분지채널(40)은 주채널(10)의 길이 방향과 상이한 방향으로부터 주채널(10)의 측면에 연결되며, 제2 분지채널(50)은 주채널(10)의 길이 방향과 평행한 방향으로부터 주채널(10)에 연결된다. 제1 나선형 분지채널(40)은 출구(431, 432)를 포함하며, 제2 나선형 분지채널(50)은 출구(531, 532)를 포함한다. Meanwhile, FIG. 7C shows a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment for separation analysis of a sample containing three dispersed particles. 6C, the microfluidic chip filtering apparatus according to the present embodiment includes a main channel 10, a first helical branch channel 40 connected to the main channel 10, and a second helical branch channel 40 connected to the main channel 10, Channel &lt; / RTI &gt; The first branch channel 40 is connected to the side of the main channel 10 from a direction different from the longitudinal direction of the main channel 10 and the second branch channel 50 is connected to the side of the main channel 10 parallel to the longitudinal direction of the main channel 10 To the main channel (10). The first spiral branch channel 40 includes outlets 431 and 432 and the second spiral branch channel 50 includes outlets 531 and 532. [

주채널(10)과 각각의 분지채널(40, 50)의 형상은, 첫번째로 분리하고자 하는 입자 또는 세포의 반경 혹은 영역이 주채널의 첫번째 컷오프 두께 WC 보다 작도록 결정된다. 그 결과, 주채널(10)과 제1 나선형 분지채널(40)의 분지점에서 DS 입자 및 일부 DM 입자만이 분지채널(40)로 빠지고 나머지 DM 입자 및 DL 입자는 계속하여 주채널(10)을 따라 이동한다. 나선형 분지채널(40)에서 상대적으로 큰 입자가 내측면으로 집중되므로, 분지채널(40)의 내측면에 인접한 출구(431)에서는 분지채널(40)로 빠진 일부 DM 입자가 분취되며, 분지채널(40)의 외측면에 인접한 출구(432)에서는 DS 입자가 분취된다. 동일한 과정이 제2 나선형 분지채널(50)에서도 일어나, 제2 분지채널(50)에서 분지채널(50)의 내측면에 인접한 출구(531)에서는 DL 입자가 분취되며, 분지채널(50)의 외측면에 인접한 출구(532)에서는 DM 입자가 분취된다. The shape of the main channel 10 and each of the branch channels 40 and 50 is determined so that the radius or area of the particle or cell to be firstly separated is smaller than the first cutoff thickness W C of the main channel. As a result, only the D S particles and some D M particles fall into the branch channel 40 at the points of the main channel 10 and the first spiral branch channel 40, and the remaining D M and D L particles continue to flow into the main channel Moves along the channel (10). Some of the D M particles missing in the branch channel 40 are collected at the outlet 431 adjacent to the inner side of the branch channel 40 because relatively large particles are concentrated in the spiral branch channel 40, the outlet 432 is adjacent the outer surface of (40) D S Particles are collected. The same process occurs in the second spiral branch channel 50 and at the exit 531 adjacent to the inner side of the branch channel 50 in the second branch channel 50 D L particles are collected and the At the outlet 532 adjacent the outer surface, D M particles are collected.

따라서, 본 실시예에 따른 장치를 이용하여 크기가 상이한 3 종류의 입자를 분리해낼 수 있다. 본 미세유체칩 여과 장치는 상대적으로 작은 입자 파트(DS±σS), 중간 입자 파트(DM±σM), 및 상대적으로 큰 입자 파트(DL±σL)로 가우시안 형태로 분포되어 있는 3형(trimodal) 세포 시료에도 적용될 수 있다. 여기서, σS, σM 및 σL은 각 입자의 크기의 표준편차를 나타낸다.Therefore, it is possible to separate three kinds of particles having different sizes by using the apparatus according to this embodiment. The microfluidic chip filter is distributed in Gaussian form with relatively small particle parts (D S ± σ S ), middle particle parts (D M ± σ M ), and relatively large particle parts (D L ± σ L ) Gt; (trimodal) &lt; / RTI &gt; Here, σ S , σ M and σ L represent the standard deviation of the size of each particle.

도 6c 및 도 7c에서는 각각 2분산 및 3분산 입자 시료를 여과하기 위한 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 도시하며, 도 6c의 미세유체칩 여과 장치는 한 개의 나선형 분지채널(40)을 포함하고 도 7c의 미세유체칩 여과 장치는 두 개의 나선형 분지채널(40, 50)을 포함한다. 그러나, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명에 따른 미세유체칩 여과 장치의 형태는 전술한 것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 실시예들에 따른 미세유체칩 여과 장치는 분리분석하고자 하는 시료의 유형에 따라 적절한 개수의 나선형 분지채널을 포함할 수 있으며, 하나 또는 복수 개의 나선형 분지채널이 주채널의 길이 방향 및/또는 주채널의 측면 방향에서 주채널과 연결되어 미세유체칩 여과 장치를 구성할 수 있다. 6C and 7C show a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment for filtering two dispersed and three dispersed particle samples, respectively. The microfluidic chip filtering apparatus of FIG. 6C includes one spiral branch channel 40 And the microfluidic chip filtration device of Figure 7c includes two spiral branch channels 40,50. However, this is merely an example, and the form of the microfluidic chip filtering apparatus according to the present invention is not limited to the above. That is, the microfluidic chip filtering apparatus according to the embodiments may include an appropriate number of spiral branch channels depending on the type of the sample to be analyzed, and one or a plurality of spiral branch channels may be arranged in the longitudinal direction of the main channel and / It can be connected to the main channel in the lateral direction of the main channel to form a microfluidic chip filtering device.

또한, 실시예들에 따른 미세유체칩 여과 장치에서 시료의 평균 유속, 주채널 및 분지채널 단면의 크기, 주채널 및 분지채널의 폭, 분지채널의 곡률 반경, 분지채널을 구성하는 나선의 수, 출구 개수 등은 분리하고자 하는 입자의 반경 또는 영역에 기초하여 적절히 결정될 수 있다. 예를 들면, 미세유체칩 여과 장치는 시료의 흐름 방향을 따라 주채널의 측면에 배열된 복수 개의 나선형 분지채널을 포함할 수 있다. 이때, 첫번째로 분리하고자 하는 입자의 반경 혹은 영역이 주채널의 첫번째 컷오프 두께 WC 보다 작게 하여 해당 입자가 시료의 흐름 방향을 따라 첫번째로 위치하는 분지채널로 빠지게 하고, 다음으로 두번째로 분리하고자 하는 입자의 반경 혹은 영역이 주채널의 두번째 컷오프 두께 WC 보다 작게 하여 해당 입자가 시료의 흐름 방향을 따라 두번째로 위치하는 분지채널로 빠지도록 할 수 있다. 이상의 과정을 각 분지채널에 대해 반복함으로써, 각각의 분지채널에서 입자가 크기별로 분리되도록 할 수 있다.In the microfluidic chip filtering apparatus according to the embodiments, the average flow rate of the sample, the size of the main channel and the branch channel cross section, the width of the main channel and the branch channel, the radius of curvature of the branch channel, The number of outlets and the like can be appropriately determined based on the radius or area of the particle to be separated. For example, the microfluidic chip filtration device may comprise a plurality of spiral branch channels arranged on the side of the main channel along the flow direction of the sample. At this time, the radius or area of the particle to be separated first becomes smaller than the first cutoff thickness W C of the main channel, causing the particles to fall into the first branch channel along the flow direction of the sample, The radius or area of the particles may be made smaller than the second cutoff thickness W C of the main channel so that the particles fall into the branch channel located second along the flow direction of the sample. By repeating the above procedure for each branch channel, the particles can be separated by size in each branch channel.

도 8은 일 실시예에 따른 미체유체칩 여과 장치를 이용하여 3분산 입자의 크기별 분리를 시행하기 위한 미세유체칩의 개략도이다.FIG. 8 is a schematic view of a microfluidic chip for separating three dispersed particles by size using a microfluidic chip filtering apparatus according to an embodiment.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치(1)는 기판(2)상에 형성되어 미세유체칩을 구성할 수 있다. 예를 들어, 채널 깊이 또는 채널 높이가 약 60 마이크로미터(μm)인 채널을 MEMS(Micro Electro Machining System) 공정을 이용하여 PDMS 채널기판(2)에 형성시키고, 주채널(10) 입구, 측면채널(20) 입구, 각 분지채널(40)들의 내측면 출구와 외측면 출구를 둥근 칼로 채널기판(2)을 관통시켜 형성시킬 수 있다. 각 입구와 출구의 직경은 1/16 인치로 하여 1/16 인치 튜빙의 설치가 가능하도록 할 수 있다. 채널기판(2)의 두께는 1.5 내지 2.5 밀리미터(mm)가 바람직하고, 주채널(10)과 측면채널(20)의 채널폭은 70 내지 100 마이크로미터(μm), 각 분지채널(40)의 채널폭은 100 내지 150 μm가 바람직하다. 또한, 채널기판(2)은 유리기판(미도시)과 접합될 수 있다. 유리기판은 채널기판(2)보다 넓이가 크고 두께가 1.0 내지 1.5 mm일 수 있으며, 산소 플라즈마 접합법 또는 다른 적당한 방법을 이용하여 채널기판(2)에서 채널이 형성된 면과 접합될 수 있다. Referring to FIG. 8, the microfluidic chip filtering apparatus 1 according to the present embodiment may be formed on a substrate 2 to form a microfluidic chip. For example, a channel having a channel depth or channel height of about 60 micrometers may be formed in a PDMS channel substrate 2 using a MEMS (Micro Electro Machining System) process, (20), and an inner side outlet and an outer side outlet of each branch channel (40) can be formed by passing through the channel substrate (2) with a round knife. The diameter of each inlet and outlet can be 1/16 inch to allow installation of 1/16 inch tubing. The thickness of the channel substrate 2 is preferably 1.5 to 2.5 millimeters and the channel width of the main channel 10 and the side channel 20 is 70 to 100 micrometers. The channel width is preferably 100 to 150 mu m. Further, the channel substrate 2 can be bonded to a glass substrate (not shown). The glass substrate may be wider than the channel substrate 2 and may have a thickness of 1.0 to 1.5 mm and may be joined to the channeled surface in the channel substrate 2 using an oxygen plasma bonding method or other suitable method.

그러나, 위에 기재한 채널의 가공 방법이나 채널 및 기판에 관련된 각 수치들은 단지 예시적인 것으로서, 실시예들에 따른 미체유체칩 여과 장치의 제조 방법이나 형상을 한정하는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다.It should be understood, however, that the above-described methods of working the channel, and the respective numerical values associated with the channel and the substrate are merely exemplary and are not intended to limit the method or form of manufacture of the microfluidic chip filtering device according to the embodiments.

다음으로, 채널(10, 20, 40)의 각 입구와 출구에 튜빙을 설치하고, 실린지 펌프에 의해 일정한 압력으로 분리하고자 하는 시료용액을 설치된 튜빙을 통해 주입할 수 있다. 실린지 펌프(3)를 이용하여 주채널(10) 입구로

Figure pat00013
의 유량으로 여과하고자 하는 입자가 포함된 시료용액을 주입하고, 또 다른 실린지 펌프(4)에 의해 용매액을 설치된 튜빙을 통해 측면채널(20) 입구로
Figure pat00014
의 유량으로 주입할 수 있다. 여기서,
Figure pat00015
/
Figure pat00016
는 6이상을 유지하여 시료용액이 주채널(10)에서 분지채널(40)이 형성된 벽면 부근에 충분히 집중하여 컷오프 두께 WC 가 형성되도록 할 수 있다. 각 분지채널(40) 출구에서 나오는 크기 별로 분리된 시료는 별도의 용기(5, 6, 7)에 취합할 수 있다. Next, the tubing is installed at each inlet and outlet of the channels 10, 20, 40, and the sample solution to be separated at a constant pressure by the syringe pump can be injected through the installed tubing. By using the syringe pump 3,
Figure pat00013
The sample solution containing the particles to be filtered is injected at a flow rate of the sludge into the side channel 20 through the tubing provided with the solvent solution by another syringe pump 4
Figure pat00014
Of the flow rate. here,
Figure pat00015
/
Figure pat00016
Can be maintained at 6 or more so that the sample solution is sufficiently concentrated in the vicinity of the wall surface where the branch channel 40 is formed in the main channel 10 so that the cut-off thickness W C is formed. Samples separated in size from the outlet of each branch channel 40 can be collected in separate containers 5, 6 and 7.

도 9a 및 9b는 종래의 수력학적 여과 구조에 의해 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 회수율 및 순도를 각각 나타내는 그래프이다. 9A and 9B are graphs respectively showing the recovery and the purity obtained for the size-based separation of three dispersed particles by the conventional hydraulic filtration structure.

본 발명자들은, 직경이 각각 6, 11, 18 μm이며 완전한 구형인 3 종류의 폴리스타이렌(polystyrene) 라텍스(latex) 입자를 Triton X-100 계면활성제가 0.2% (w/v) 농도로 조제된 용액에 동일한 개수만큼 분산하였다. 계면활성제는 입자와 입자간, 및 입자와 채널 벽면간에 흡착이 없도록 하는 역할을 한다. 이상과 같이 구성된 시료를 이용하였으며, 도 6b에 도시된 수력학적 여과 장치를 구성하고, 이를 도 8에 도시된 것과 같이 미세유체칩으로 제작하여 입자의 분리를 수행하였다. 그 결과 미세유체칩에 형성된 출구로 배출되는 입자들을 각각의 용기에 받고, 그 중의 일정한 부피를 취해서 거기에 들어있는 3종류 입자들의 수를 형광현미경과 이미징 프로그램에 의해 산출하였다. The present inventors have found that when three kinds of polystyrene latex particles having a diameter of 6, 11 and 18 μm and each having a completely spherical shape are dispersed in a solution prepared with a Triton X-100 surfactant at a concentration of 0.2% (w / v) They were dispersed by the same number. Surfactants serve to prevent adsorption between particles and particles, and between particles and channel walls. The hydrodynamic filtration apparatus shown in FIG. 6B was constructed using the sample constructed as described above, and the particles were separated by fabricating it as a microfluidic chip as shown in FIG. As a result, the particles discharged to the outlet formed on the microfluid chip were received in each container, and a certain volume of the particles was taken, and the number of the three kinds of particles contained therein was calculated by a fluorescence microscope and an imaging program.

도 9a와 9b는 각각 위와 같이 산출된 회수율과 순도를 나타내는 것으로서, 회수율과 순도는 분리효율 혹은 분리성능을 정량적으로 판단하는 척도가 된다. 회수율은 [특정한 출구에서 취합된 분리하고자 하는 입자 개수]/[모든 출구에서 취합된 시료 중에서 분리하고자 하는 입자의 총 개수] 로 정의된다. 또한, 순도는 [분리하고자 하는 입자 개수]/[각각의 출구에서 취합된 시료 중에서 총 입자 개수]로 정의된다. 9A and 9B show recovery rates and purity calculated as above, respectively, and the recovery rate and purity are measures for quantitatively determining the separation efficiency or separation performance. The recovery rate is defined as [the number of particles to be separated at the particular outlet] / [the total number of particles to be separated in the sample collected at all the outlets]. The purity is also defined as [number of particles to be separated] / [total number of particles in the sample collected at each exit].

한편, 도 10a 및 10b는 일 실시예에 따른 미세유체칩 여과 장치를 이용한 3분산 입자의 크기별 분리에 대해 얻어진 회수율 및 순도를 각각 나타내는 그래프이다. FIGS. 10A and 10B are graphs respectively showing recovery rates and purity values obtained by size-based separation of three dispersed particles using the microfluidic chip filtration apparatus according to one embodiment.

도 9a 및 9b를 참조하여 전술한 것과 같이 준비한 3분산 입자 시료를 이용하였으며, 도 7c에 도시된 실시예에 따라 나선형 분지채널을 구성하고, 이를 도 8에 도시된 것과 같이 미세유체칩으로 제작하여 입자의 분리를 수행하였다. 나선형 분지채널의 각 출구(431, 432, 531, 532; 도 7c)로 배출되는 입자들 중에서 출구(431)와 출구(532)를 같은 용기에 연결하였다는 점을 제외하면, 3종류 입자들의 개수를 산출하는 과정은 도 9a 및 9b를 참조하여 전술한 것과 동일하다. The three dispersed particle samples prepared as described above with reference to FIGS. 9a and 9b were used and a spiral branch channel was constructed according to the embodiment shown in FIG. 7c, which was fabricated as a microfluidic chip as shown in FIG. 8 Separation of the particles was carried out. Except that the outlet 431 and the outlet 532 were connected to the same vessel among the particles discharged to the respective outlets 431, 432, 531 and 532 (FIG. 7C) of the spiral branch channel, Is the same as that described above with reference to Figs. 9A and 9B.

도 9a 및 도 10a에 도시된 회수율을 서로 비교하고, 또한 도 9b 및 도 10b에 도시된 회수율을 서로 비교하면, 본 발명의 실시예에 따른 미체유체칩 여과 장치로 이용하여 얻어진 회수율 및 순도가 모두 종래의 수력학적 여과 장치를 사용한 경우에 비해 개선된 것임을 확인할 수 있다. Comparing the recovery rates shown in Figs. 9A and 10A with each other and comparing the recovery rates shown in Figs. 9B and 10B with each other, both the recovery rate and the purity obtained using the microfluidic chip filtering apparatus according to the embodiment of the present invention It can be confirmed that it is improved as compared with the case of using the conventional hydrodynamic filtration apparatus.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.While the invention has been shown and described with reference to certain embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. However, it should be understood that such modifications are within the technical scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (13)

입자를 포함하는 시료용액이 흐르도록 구성된 주채널; 및
상기 주채널에 연결되며 용매액이 흐르도록 하여 시료용액을 측면채널 반대편의 주채널 벽면쪽으로 집중시키는 측면채널; 및
상기 주채널에 연결되며, 상기 주채널로부터 상기 입자를 받도록 구성된 하나 이상의 분지채널을 포함하되,
상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상이며, 상기 분지채널로부터 상기 입자가 빠져나가기 위한 2개 이상의 출구를 포함하는 미체유체칩 여과 장치.
A main channel configured to flow a sample solution containing particles; And
A side channel connected to the main channel and concentrating the sample solution toward the main channel wall side opposite to the side channel so that the solvent solution flows; And
And at least one branch channel connected to the main channel and configured to receive the particles from the main channel,
Wherein each of the at least one branch channel is helically shaped with an inner side and an outer side and includes at least two outlets for the particles to escape from the branch channel.
제 1항에 있어서,
상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 상기 내측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제1 출구 및 상기 외측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제2 출구를 포함하는 미세유세칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
Wherein each of the one or more branch channels includes a first outlet located relatively adjacent to the inner surface and a second outlet located relatively adjacent to the outer surface.
제 1항에 있어서,
상기 하나 이상의 분지채널은 상기 주채널의 길이 방향과 상이한 방향으로부터 상기 주채널의 측면에 연결된 분지채널을 포함하는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the at least one branch channel comprises a branch channel connected to a side of the main channel from a direction different from the longitudinal direction of the main channel.
제 1항에 있어서,
상기 하나 이상의 분지채널은 상기 주채널의 길이 방향과 평행한 방향으로부터 상기 주채널에 연결되는 분지채널을 포함하는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the at least one branch channel comprises a branch channel connected to the main channel from a direction parallel to the longitudinal direction of the main channel.
제 1항에 있어서,
상기 주채널 및 상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 채널의 폭이 높이에 비해 큰 형상을 갖는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
Wherein each of the main channel and the at least one branch channel has a shape in which the width of the channel is larger than the height.
제 1항에 있어서,
상기 시료용액은 크기가 상이한 복수 개의 종류의 입자를 포함하되,
상기 하나 이상의 분지채널은 상기 입자의 종류의 수보다 많은 수의 출구를 포함하는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
The sample solution includes a plurality of kinds of particles having different sizes,
Wherein the at least one branch channel comprises a greater number of outlets than the number of types of particles.
제 1항에 있어서,
상기 입자의 직경을 D, 상기 분지채널의 폭을 WB, 상기 분지채널의 높이를 H로 나타낼 경우, D(WB+H)/2WBH > 0.07의 수학식을 만족하는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
(W B + H) / 2W B H > 0.07 when the diameter of the particle is D, the width of the branch channel is W B , and the height of the branch channel is H, Device.
제 1항에 있어서,
상기 입자의 직경을 D, 상기 분지채널의 곡률 반경을 RC, 상기 분지채널의 높이를 H로 나타낼 경우, 0.08 ≤ 2D2RC/H3 < 20의 수학식을 만족하는 미세유체칩 여과 장치.
The method according to claim 1,
When referring to the radius of curvature of the diameter of the particles D, the branch channel the height of the R C, wherein the branch channel to H, 0.08 ≤ 2D 2 R C / H 3 < microfluidic chip filtration device that satisfies Equation 20 .
채널기판; 및
상기 채널기판상에 형성되며, 입자를 포함하는 시료용액이 흐르도록 구성된 주채널, 상기 주채널에 연결되며 용매액이 흐르도록 하여 시료용액을 측면채널 반대편의 주채널 벽면쪽으로 집중시키는 측면채널, 및 상기 주채널에 연결되어 상기 주채널로부터 상기 입자를 받도록 구성된 하나 이상의 분지채널을 포함하는 미세유체칩 여과 장치를 포함하되,
상기 하나 이상의 분지채널 각각은, 곡률반경을 기준으로 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상이며, 상기 분지채널로부터 상기 입자가 빠져나가기 위한 2개 이상의 출구를 포함하는 미세유체칩.
A channel substrate; And
A main channel formed on the channel substrate and configured to flow a sample solution containing particles, a side channel connected to the main channel, the side channel concentrating the sample solution toward the main channel wall opposite to the side channel, and And a microfluidic chip filtration device coupled to the main channel and including at least one branch channel configured to receive the particles from the main channel,
Wherein each of the one or more branch channels is helically shaped with an inner side and an outer side relative to a radius of curvature and comprises at least two outlets for the particles to escape from the branch channel.
주채널 내로 입자를 포함하는 시료용액을 주입하는 단계;
상기 주채널에 연결된 측면채널로 용매액을 주입하는 단계;
상기 용매액에 의해, 상기 주채널로부터, 상기 주채널에 연결되며 곡률 반경을 기준으로 내측면 및 외측면을 갖는 나선 형상의 분지채널로 상기 입자를 이동시키는 단계;
상기 분지채널에서 관성 양력 및 딘(Dean) 항력에 의하여 입자를 크기별로 분리하는 단계; 및
상기 분지채널의 2개 이상의 출구를 통하여 상기 분지채널로부터 상기 입자를 토출시키는 단계를 포함하는 미세유체칩 여과 방법.
Injecting a sample solution containing particles into the main channel;
Injecting a solvent liquid into a side channel connected to the main channel;
Moving the particles from the main channel to a spirally branched channel connected to the main channel and having an inner side surface and an outer side surface with respect to a radius of curvature;
Separating the particles by size by inertial lift and Dean drag in the branch channel; And
And discharging the particles from the branch channel through two or more outlets of the branch channel.
제 10항에 있어서,
상기 입자를 크기별로 분리하는 단계는, 관성 양력 및 딘 항력에 의하여 상기 입자를 상기 분지채널의 상기 내측면 방향으로 집중시키는 단계를 포함하는 미세유체칩 여과 방법.
11. The method of claim 10,
The step of separating the particles by size comprises concentrating the particles in the direction of the inner side of the branch channel by an inertial lift and drag force.
제 10항에 있어서,
상기 시료용액은 제1 입자 및 상기 제1 입자에 비해 작은 크기의 제2 입자를 포함하되, 상기 입자를 토출시키는 단계는,
상기 분지채널의 상기 내측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제1 출구를 통해 상기 제1 입자를 토출시키는 단계; 및
상기 분지채널의 상기 외측면에 상대적으로 인접하여 위치하는 제2 출구를 통해 상기 제2 입자를 토출시키는 단계를 포함하는 미세유체칩 여과 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the sample solution includes a first particle and a second particle smaller in size than the first particle,
Discharging the first particles through a first outlet located relatively adjacent to the inner side of the branch channel; And
And discharging the second particles through a second outlet located relatively adjacent to the outer surface of the branch channel.
제 10항에 있어서,
상기 분지채널로 이동하지 않고 상기 주채널 내에 남아 있는 입자를, 시료용액의 흐름 방향을 따라 상기 분지채널보다 뒤에 위치하는 또 다른 분지채널로 이동시키는 단계;
상기 또 다른 분지채널에서 관성 양력 및 딘 항력에 의하여 상기 입자를 크기별로 분리하는 단계; 및
상기 또 다른 분지채널의 2개 이상의 출구를 통하여 상기 또 다른 분지채널로부터 상기 입자를 토출시키는 단계를 더 포함하는 미세유체칩 여과 방법.
11. The method of claim 10,
Moving particles remaining in the main channel without moving to the branch channel into another branch channel located behind the branch channel along the flow direction of the sample solution;
Separating said particles by size by inertial lifting and dragging forces in said another branch channel; And
Further comprising ejecting said particles from said another branch channel through two or more outlets of said another branch channel.
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