KR20170129199A - 다중-단차부 채널 에멀젼화를 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents

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KR20170129199A
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Abstract

본 발명은 액적을 형성하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은 서로 다른 직경의 액적을 형성하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다.

Description

다중-단차부 채널 에멀젼화를 위한 디바이스 및 방법
본 발명은 액적을 형성하는 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2015년 3월 16일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 62/133,621 호 및 2015년 12월 18일자로 출원된 미국 가특허 출원 제 62/269,289 호의 우선권을 주장하며, 이들 가출원 각각의 내용은 본 명세서에서 참고로서 인용된다.
다음의 설명 및 실례들은 이들이 본 배경 기술 섹션에 포함되었다고 해서 선행 기술로서 인정되지는 않는다.
구획화(Compartmentalization)는 분자 진단 및 생명 과학 연구 분야에서 점점 더 보급되고 있는 기술이다. 구획화의 용도는 디지털 중합효소 연쇄 반응(PCR), 2 단차부 PCR 멀티플렉싱(유전자형 분석을 포함함), 단일 세포 분석, 표적 서열 분석(targeted sequencing), 멀티플렉스 면역분석법(multiplex immunoassay), 초-민감성 면역분석법 및 시퀀싱을 위한 라이브러리 조제를 포함한다. 각각의 개별 용도는 상이한 구획 수, 상이한 각 구획의 단분산도와 상이한 각 구획의 첵적을 요구한다.
반응들을 구획화하기 위한 하나의 방식은 제 2 유체 또는 제 2 유체 및 하나 이상의 표면에 의해 완전히 둘러싸인 제 1 유체의 격리된 체적인 액적을 사용하는 것이다. 분자 진단 및 생명 과학 분야에서, 이러한 액적은 전형적으로 두 개의 비혼화성 액체들이다. 액적 생성 기술은 공동-유동법, 유동 포커싱법(flow focusing) 및 T-접합법을 포함한다. 공동 유동법에 의한 액적 생성은, 예를 들어 David Weitz("Monodisperse emulsion generation via drop break off in a coflowing stream," Langmuir, 2000). Stone and Weitz("Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device," Science, 2005)에서 공동 유동 설계에서 오리피스로부터 내부 유동물을 핀칭(pinching)함으로써 액적을 생성한다. Stone and Weitz("Monodisperse double emulsions generated from a microcapillary device," Science, 2005)은 수정된 공동 유동 기법을 사용하여 이중 에멀션을 시연했다. 유동 포커싱법은 액적을 생성하기 위해 채널 내에서 기하학적으로 구획된 공동 유동 설계를 사용한다(예를 들어, Stone, "Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels," APL, 2003 참조). T-접합 액적 생성 방법 및 그 변형 방법들(예를 들어, Y-접합법, 교차 접합법, ψ-접합법)은 일반적으로 연속상 및 분산상의 유동들을 교차시키는 것을 포함한다(예를 들어, Quake, "Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device", PRL, 2001; 및 Weitz, D. A., Stone, H., "Geometrically mediated breakup of drops in microfluidic devices," PRL, 2004) 참조). 또한, 미국 특허 번호 7,943,671(이는 본 명세서에서 참조로서 인용됨)는 단일 마이크로채널의 종횡비의 급격한 변화를 이용하여 구획된 공동 유동 스트림을 신속하게 불안정하게 만드는 단차법 에멀젼화 기술을 기술하고 있다.
전술한 액적 생성 기법들은 모두 연속상 및 분산상 모두의 유동을 필요로 한다. 대조적으로, Sugiura 등은 액정 형성이 주로 계면 장력에 의해서 구현되는 기법을 기술한다(Sugiura, S., Nakajima, M. "Interfacial tension driven monodispersed droplet formation from microfabricated channel array," Langmuir, 17:5562-5566(2001)). 이 기법을 사용하면, 유체성 채널로부터 배출된 후 레지(ledge)로부터 하강하여 액적이 생성된다. 더욱 최근에, Dangla 등은 구획부의 구배로 지칭되는, 연속적으로 증가하는 갭 높이를 생성하기 위해 경사진 천장부를 사용하여, 비혼화성 액체들 간 간의 계면 곡률을 변화시킴으로써 액적을 생성하는 기법을 기술하였다(US 특허 공개 제 2013/0078164 호(이는 본 명세서에서 참조로서 인용됨); Dangla et al., "Droplet microfluidics driven by gradients of confinement," PNAS, 10(3):853-858(2013)). 이러한 구획부의 구배는 Sugiura 등에 의해서 기술된 개별 단차에 의해서 이루어지는 계면 곡률 변조와 유사성을 갖는다(위 참조).
본 발명의 예시적인 실시형태들은 다중-단차부 마이크로채널 에멀젼화 디바이스를 포함하는, 액적들을 형성하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
일 실시형태는 유입 부분을 갖는 채널; 유입 부분과 유체 연통하는 제 1 단차부; 상기 제 1 단차부와 유체 연통하는 제 2 단차부; 및 상기 제 2 단차부와 유체 연통하는 제 3 단차부를 포함하는 에멀젼화 디바이스를 제공한다. 일부 실시형태들에서, 상기 에멀젼화 디바이스는 복수의 유입 부분, 각각이 복수의 유입 부분들 각각과 유체 연통하는 단일의 연속형 제 1 단차부 또는 복수의 제 1 단차부; 상기 단일의 연속형 제 1 단차부 또는 복수의 제 1 단차부들 각각과 유체 연통하는 단일의 연속형 제 2 단차부 또는 복수의 제 2 단차부; 및 상기 단일의 연속형 제 2 단차부 또는 복수의 제 2 단차부들 각각과 유체 연통하는 단일의 연속형 제 3 단차부 또는 복수의 제 3 단차부를 포함한다.
상기 유입 부분를 갖는 채널은 채널 높이(CH) 및 폭(CW)을 갖는다. 특정 실시형태들에서, CW는 CH보다 크고, 다른 실시형태들에서는 CH가 CW보다 크다. 특정 실시형태들에서, CW/CH의 비는 0.1 내지 10.0, 0.2 내지 8.0, 0.5 내지 5.0, 1.0 내지 4.0, 2.0 내지 4.0 또는 2.5 내지 3.5이다. 특정 실시형태들에서, CW/CH의 비는 약 3.0이다.
특정 실시형태들은 상기 유입 부분과 유체 연통하는 제 1 단차부를 포함하며, 제 1 단차부는 수평부 길이(thread length)(T1) 및 단차부 높이(step height)(SH1)를 갖는다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 제 1 수직부 높이(riser height)(R1)만큼 CH보다 크며, 여기서 상기 제 1 수직부 높이(R1)는 0보다 크다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과 및 10.0 미만, 보다 구체적으로 1.0 초과 5.0 미만, 또는 보다 더 구체적으로 1.0 초과 4.0 미만, 보다 더 구체적으로 1.0 초과 2.0 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH)의 비는 약 1.5이다. 특정 실시형태들은 제 1 단차부와 유체 연통하는 제 2 단차부를 포함하며, 여기서 제 2 단차부는 수평부 길이(T2) 및 제 2 단차부 높이(SH2)를 갖는다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)는 제 2 수직부 높이(R2)만큼 상기 제 1 단차부 높이(SH1)보다 크며, 여기서 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 0보다 크다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과 및 10.0 미만, 또는 구체적으로 1.0 초과 5.0 미만, 또는 보다 구체적으로 1.0 초과 3.0 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH)의 비는 약 2.0이다. 특정 실시형태들은 제 2 단차부와 유체 연통하는 제 3 단차부를 포함하며, 여기서 제 3 단차부는 제 3 단차부 높이(SH3)를 가지며, 제 3 단차부 높이(SH3)는 제 3 수직부 높이(R3)만큼 상기 제 2 단차부 높이(SH2)보다 크며, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 제로보다 크다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 단차부 높이(SH3)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과 15.0 미만, 보다 구체적으로 1.0 초과 10.0 미만, 보다 더 구체적으로 5.0 초과 10.0 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 단차부 높이(SH3)/채널 높이(CH)의 비는 약 7.5이다.
특정 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)은 0.1 마이크론 초과 내지 1000 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 및 100 마이크론 미만, 5.0 마이크론 초과 및 100 마이크론 미만, 5.0 마이크론 초과 및 50 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 50 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 20 마이크론 미만, 3.0 마이크론 초과 30 마이크론 미만, 또는 5.0 마이크론 초과 20.0 마이크론 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)은 적어도 5.0 마이크론이다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)은 약 5, 10 또는 20 마이크론 또는 이로부터 유도될 수 있는 임의의 범위를 갖는다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 0.1 마이크론 이상 1000 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 및 100 마이크론 미만, 5.0 마이크론 초과 및 100 마이크론 미만, 5.0 마이크론 초과 및 50 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 50 마이크론 미만, 1.0 마이크론 초과 20 마이크론 미만, 3.0 마이크론 초과 30 마이크론 미만, 또는 5.0 마이크론 초과 20.0 마이크론 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 적어도 5.0 마이크론이다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 약 5, 10 또는 20 마이크론 또는 그로부터 유도될 수 있는 임의의 범위를 갖는다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)와 동일하다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 0.1 마이크론 이상 1000 마이크론 미만, 1.0 마이크론 이상 1000 마이크론 미만, 5.0 마이크론 이상 1000 마이크론 미만, 5.0 마이크론 이상 500 마이크론 미만, 10.0 마이크론 이상 1000 ㎛ 미만, 10.0 ㎛ 초과 500 ㎛ 미만, 50 ㎛ 초과 300 ㎛ 미만, 또는 100.0 ㎛ 초과 내지 1000.0 ㎛ 미만이다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 약 55, 110 또는 275 마이크론, 또는 이로부터 유도될 수 있는 임의의 범위를 갖는다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 적어도 55.0 마이크론이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 적어도 275 마이크론이다. 상이한 크기의 액적들을 생성하도록 구성된 특정 실시형태들에서, CH는 10 마이크론, 20 마이크론 및 50 마이크론이고, 상기 제 1 수직부 높이(R1)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)와 같을 것이며, 5 마이크론, 10 마이크론 및 25 마이크론이다. 상이한 크기의 액적을 생성하도록 구성된 특정 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 55 마이크론, 110 마이크론 및 275 마이크론일 것이다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)보다 크며, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 상기 제 3 수직부 높이(R3)보다 크다. 다른 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)은 상기 제 2 수직부 높이(R2)보다 크고, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 상기 제 1 수직부 높이(R1)보다 크다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1) = 상기 제 2 수직부 높이(R2) = 상기 제 3 수직부 높이(R3)이다. 또 다른 실시형태들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1) = 상기 제 2 수직부 높이(R2)이고, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 상기 제 1 수직부 높이(R1)보다 크다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)/상기 제 1 수직부 높이(R1)의 비는 적어도 10.0이다. 일부 실시형태들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)/상기 제 2 수직부 높이(R2)의 비는 적어도 10.0이다.
특정 실시형태들에서, 상기 제 1 수평부 길이(T1)/채널 높이(CH)의 비는 0.1 내지 7, 보다 구체적으로 1보다 크고 5보다 작거나, 보다 구체적으로 3.0보다 크고 4.0보다 작다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 수평부 길이(T1)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 수평부 길이(T2)/채널 높이(CH)의 비는 0.1 내지 7, 보다 구체적으로 1보다 크고 5보다 작거나, 보다 구체적으로 3.0보다 크고 4.0보다 작다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 수평부 길이(T2)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 수평부 길이(T2)/채널 높이(CH)의 비는 상기 제 1 수평부 길이(T1)/채널 높이(CH) 미만이다.
에멀젼화 디바이스의 특정 실시형태들에서, CH는 1 마이크론 내지 50 마이크론, 보다 구체적으로 5 마이크론 내지 30 마이크론, 보다 구체적으로 6 내지 20 마이크론, 또는 보다 구체적으로 8 내지 12 마이크론, 또는 더욱 더 구체적으로, 약 10 마이크론이다. 특정 실시형태들에서, CH는 적어도 5 마이크론, 10 마이크론, 20 마이크론 또는 50 마이크론이다.
특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부는 CW보다 큰 폭(W1)을 가지며, 제 2 단차부는 CW보다 큰 폭(W2)을 가지며, 제 3 단차부는 CW보다 큰 폭(W3)을 갖는다. 특정 실시형태들에서, 제 1 단차부는 CW보다 큰 폭(W1)을 갖고, 제 2 단차부는 W1과 동일한 폭(W2)을 가지며, 제 3 단차부는 W1보다 큰 폭(W3)을 갖는다. 특정 실시형태들에서, W1 = W2 = W3이다. 특정 실시형태들은 복수의 유입 부분를 포함하며, 여기서 상기 복수의 유입 부분 각각은 높이(CH) 및 폭(CW)을 갖는다. 특정 실시형태들에서, CW/CH의 비는 각각의 유입 부분에 대해 1.0보다 크다. 특정 실시형태들에서, CW/CH의 비는 각 유입 부분에 대해 0.1 내지 10.0, 0.2 내지 8.0, 0.5 내지 5.0, 1.0 내지 4.0, 2.0 내지 4.0 또는 2.5 내지 3.5이다. 특정 실시형태들에서, CW/CH의 비는 각각의 유입 부분에 대해 약 3.0이다. 특정 실시형태들은 복수의 제 1 단차부를 포함하며, 복수의 제 1 단차부들의 각각의 제 1 단차부는 복수의 유입 부분의 각 유입 부분과 유체 연통하며, 제 1 수평부 길이(T1) 및 제 1 단차부 높이(SH1)를 가지며, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 제 1 수직부 높이(R1)만큼 CH보다 크다. 일부 실시형태들은 복수의 유입 부분의 각 유입 부분과 유체 연통하는 연속형 제 1 단차부를 포함하고 상기 연속형 제 1 단차부는 제 2 수평부 길이(T1) 및 제 1 단차부 높이(SH1)를 가지며, 여기서 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 상기 제 1 수직부 높이(R1)만큼 CH보다 크다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과 및 10.0 미만, 보다 구체적으로 1.0 초과 5.0 미만, 또는 보다 더 구체적으로 1.0 초과 4.0 미만, 보다 더 구체적으로 1.0 초과 및 미만 2.0 이상이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH)의 비는 약 1.5이다. 특정 실시형태들은 복수의 제 2 단차부를 포함하며, 복수의 제 2 단차부의 각각의 제 2 단차부는 복수의 제 1 단차부의 각 제 1 단차부 또는 단일 연속형 제 1 단차부와 유체 연통하고, 제 3 단차부와 유체 연통하며, 제 2 수평부 길이(T2) 및 제 2 단차부 높이(SH2)를 가지며, 여기서 상기 제 2 단차부 높이(SH2)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)만큼 상기 제 1 단차부 높이(SH1)보다 크다. 일부 실시형태들은 단일 연속형 제 1 단차부 또는 복수의 제 1 단차들과 유체 연통하는 단일 연속형 제 2 단차부를 포함하고, 상기 단일 연속형 제 2 단차부는 제 3 단차부와 유체 연통하며, 제 2 수평부 길이(T2) 및 제 2 단차부 높이(SH2)를 가지며, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)만큼 상기 제 1 단차부 높이(SH1)보다 크다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH)의 비는 1.0 초과 및 10.0 미만, 또는 특히 1.0 초과 5.0 미만, 또는 특히 1.0 초과 3.0 미만이다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH)의 비는 약 2.0이다. 일부 실시형태들에서, 단일 연속형 제 2 단차부 또는 복수 개의 제 2 단차부들은 공통 제 3 단차부와 유체 연통한다. 다른 실시형태들은 복수의 제 3 단차부를 포함하며, 각각의 제 3 단차부는 단일 연속형 제 2 단차부 또는 복수의 제 2 단차부의 각 제 2 단차부와 유체 연통한다.
일부 실시형태들에서, 에멀젼화 디바이스는 단일 노즐을 갖는다. 다른 실시형태들에서, 에멀젼화 디바이스는 복수의 노즐을 갖는다. 특정 실시형태들에서, 에멀젼화 디바이스는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 500, 또는 1000 개의 노즐들 또는 이로부터 유도될 수 있는 임의의 범위의 노즐들을 포함할 수 있다. 복수의 노즐들 각각은 복수의 제 3 단차부들 중 전용 제 3 단차부와 유체 연통할 수 있거나, 또는 복수 개의 노즐들은 공통 제 3 단차부와 유체 연통할 수 있다. 복수의 노즐 중 2 개 이상의 노즐은 2 개 이상의 상이한 크기의 액적을 형성하도록 구성된 기하학적 구조들을 가질 수 있다. 예를 들어, 에멀젼 디바이스는 3 개의 노즐 집단 또는 채널 집단을 가질 수 있으며, 이 경우에, 제 1 노즐 집단은 제 1 기하구조 CH = 10 마이크론, 상기 제 1 수직부 높이(R1) = 5 마이크론, 상기 제 2 수직부 높이(R2) = 5 마이크론을 가지며, 제 2 노즐 집단은 제 2 기하구조 CH = 20 마이크론, 상기 제 1 수직부 높이(R1) = 10 마이크론, 상기 제 2 수직부 높이(R2) = 10 마이크론을 가지며, 제 3 노즐 집단은 제 3 기하구조 CH = 50 마이크론, 상기 제 1 수직부 높이(R1) = 25 마이크론, 상기 제 2 수직부 높이(R2) = 25 마이크론을 가질 수 있으며, 이로써, 제 1 노즐 집단, 제 2 노즐 집단 및 제 3 노즐 집단은 각기 약 45 마이크론, 120 마이크론 및 300 마이크론의 액적들을 생성할 수 있다. 이러한 다양한 크기의 액적들은 공통의 제 3 단차부 영역에서 수집되거나, 이러한 다양한 크기의 액적들은 동일한 크기의 다른 액적들과 함께 개별 제 3 단차부 영역들에서 수집될 수 있다. 본 디바이스가 공간적으로 분리된 복수의 제 3 단차부 영역을 포함하는 경우, 각각의 제 3 단차부는 다른 제 3 단차부 영역들 중 하나 이상의 것의 것과는 상이한 수직부 높이(R3) 및/또는 단차부 높이(SH3)를 가질 수 있다. 예를 들자면, 약 45 마이크론, 120 마이크론, 및 300 마이크론의 액적들로서 상술된 예에서, 3 개의 개별 제 3 단차부 영역들에 대한 제 3 수직부 높이들(R3)의 값은 각기 55 마이크론, 110 마이크론 및 275 마이크론일 수 있다.
특정 실시형태들은 본 발명에 따른 에멀젼화 디바이스를 사용하여 에멀젼을 형성하는 방법을 포함한다. 상기 방법의 특정 실시형태들에서, 상기 디바이스의 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부는 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용한다. 상기 방법의 특정 실시형태들은 제 2 유체를 유입 부분 내로 유입시키고 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 통해 상기 제 2 유체를 통과시키는 단계를 포함한다. 특정 실시형태들에서, 제 2 유체의 부분적 액적이 제 1 단차부에서 형성되고, 제 2 유체의 완전한 액적이 제 2 단차부에서(또는 복수의 제 1 단차부와 제 2 단차부 간의 천이 동안) 형성되고, 상기 제 2 유체의 완전한 액적은 제 2 단차부에서 제 3 단차부로 향한다.
일부 실시형태들에서, 제 2 유체의 완전한 액적이 제 2 단차부에서 압축되어, 제 2 단차부에서 완전한 액적의 높이가 제 2 단차부에서 완전한 액적의 길이보다 작다. 특정 실시형태들에서, 제 2 유체의 완전한 액적은 제 3 단차부에서 압축되어 제 3 단차부에서 완전한 액적의 높이가 제 3 단차부에서 완전한 액적의 길이보다 작다. 제 2 유체의 완전한 액적이 제 3 단차부에서 압축되는 특정 실시형태들에서, 액적 직경(그의 가장 짧은 치수의 액적 직경 또는 액적의 "높이") < 제 3 단차부 높이(SH3) < 2 x 액적 직경(가장 긴 치수의 액적 직경 또는 액적의 "길이")가 성립된다. 일부 실시형태들에서, 제 3 단차부에서 제 2 유체의 완전한 액적은 압축되지 않으므로 제 3 단차부에서 완전한 액적의 높이는 제 3 단차부에서 완전한 액적의 길이와 동일해진다. 특정 실시형태들에서, 제 2 단차부에서 완전한 액적의 높이는 제 3 단차부에서 완전한 액적의 높이보다 작다. 특정 실시형태들에서, 제 1 단차부에서 형성되는 액적 길이는 상기 제 1 수평부 길이(T1)보다 크다. 특정 실시형태들에서, 제 2 단차부에서 형성되는 액적상의 액적 길이는 상기 제 2 수평부 길이(T2)보다 크다. 특정 실시형태들에서, 제 2 유체는 관심 비분석물을 함유한다. 특정 실시형태들에서, 제 2 유체는 하나 이상의 분석 시약을 함유하고, 특정 실시형태들에서, 상기 분석 시약은 중합효소 연쇄 반응(PCR) 프라이머, 염 또는 효소이다. 특정 실시형태들에서, 제 1 단차부 및 제 2 단차부에서의 액적의 길이는 각 대응하는 단차부의 수평부 길이(예를 들어, 상기 제 1 수평부 길이(T1) 및 상기 제 2 수평부 길이(T2))보다 크며, 이로써, 해당 단차부 표면과 접촉하는 액적의 부분이 해당 단차부의 단차부 에지와 접촉할 수도 있을 것이다.
일부 실시형태들에서, 제 1 유체는 오일이다. 특정 실시형태들에서, 제 1 유체는 소수성 액체이고 제 2 유체는 친수성 액체이다. 다른 실시형태들에서, 제 1 유체는 친수성 액체이고 제 2 유체는 소수성 액체이다. 특정 실시형태들에서, 제 1 유체 또는 제 2 유체 중 하나는 에멀젼화제를 포함하고, 특정 실시형태들에서, 에멀젼화제는 비이온성 계면 활성제 및/또는 블록킹 단백질을 포함한다.
상기 방법의 일부 실시형태들에서, 제 2 유체의 완전한 액적은 제 2 단차부에서 초당 10 개 이상의 완전한 액적이 형성되는 레이트로 형성된다. 상기 방법의 일부 실시형태들에서, 제 2 유체의 완전한 액적은 초당 1 내지 30 개의 완전한 액적이 형성되는 레이트로, 보다 구체적으로는, 초당 10 내지 30 개의 완전한 액적이 형성되는 레이트로 또는 보다 구체적으로, 초당 약 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 또는 20 개의 액적이 형성되는 레이트로 형성된다. 일부 실시형태들에서, 에멀젼화 디바이스당 초당 적어도 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 개 또는 이로부터 유도가능한 범위에 있는 개수의 완전한 액적들이 생성되게 복수의 노즐들이 사용된다.
특정 실시형태들에서, 제 2 유체의 완전한 액적이 40 내지 400 마이크론, 45 내지 300 마이크론, 또는 40 내지 50 마이크론의 평균 직경을 갖는다. 특정 실시형태들은 상이한 직경을 갖는 액적을 생성하도록 구성되며, 이러한 액적들의 직경은 예를 들어 20 내지 60, 80 내지 160 및 200 내지 400 마이크론의 직경을 갖는다. 특정 실시형태들은 상이한 직경을 갖는 액적을 생성하도록 구성되며, 이러한 액적들의 직경은 예를 들어 45, 120 및 300 마이크론을 포함한다. 특정 실시형태들에서, 제 1 유체와 제 2 유체 간에 형성된 에멀젼은 10 % 미만의 단분산도(액적 직경의 편차)를 갖는다. 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 유체와 제 2 유체 간에 형성된 에멀젼은 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 또는 8 %의 단분산도 또는 이로부터 유도가능한 범위에 있는 단분산도를 갖는다.
특정 실시형태들에서, 채널 및/또는 단차부는 실리콘 재료 내에서 에칭될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 에칭된 실리콘은 유리 및/또는 플라스틱 중합체(플라스틱, 엘라스토머, 고무, 폴리카보네이트, 시클로-올레핀 중합체[COP], 등)로, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(PDMS)로 피복될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 채널 및/또는 단차부의 표면은 소수성 조성물로 코팅될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 소수성 조성물은 퍼플루오로데실트리클로로실란(perfluorodecitrichlorosilane: FDTS)이다.
특정 실시형태들은 에멀젼을 형성하는 방법을 포함하며, 이 방법은 각각이 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 갖는 제 1 복수의 채널, 및 각각이 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 갖는 제 2 복수의 채널, 및 각각이 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 갖는 제 2 복수의 채널을 포함하는 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의, 상기 복수의 제 1 단차부, 상기 복수의 제 2 단차부 및 상기 복수의 제 3 단차부는 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용한다. 상기 방법의 예시적인 실시형태들은 제 2 유체를 상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의, 상기 복수의 유입 부분 내로 유입시키고 이어서 상기 제 2 유체가, 상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의, 상기 복수의 제 1 단차부, 상기 복수의 제 2 단차부 및 상기 복수의 제 3 단차부를 순서대로 통과하는 단계를 포함하며, 상기 제 2 유체의 부분적 액적은 상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의, 복수의 제 1 단차부 각각에서 형성되고, 상기 제 2 유체의 제 1 완전한 액적은 상기 제 1 복수의 채널의 상기 복수의 제 1 단차부들 각각과 상기 복수의 제 2 단차부들 각각 간의 상호작용(transaction) 시에 형성되고, 상기 제 2 유체의 제 2 완전한 액적은 상기 제 2 복수의 채널의 상기 복수의 제 1 단차부들 각각과 상기 복수의 제 2 단차부들 각각 간의 상호작용 시에 형성되고, 상기 제 2 유체의 제 3 완전한 액적은 상기 제 3 복수의 채널의 상기 복수의 제 1 단차부들 각각과 상기 복수의 제 2 단차부들 각각 간의 상호작용 시에 형성되고, 상기 제 2 유체의 상기 제 2 완전한 액적이 상기 제 2 유체의 상기 제 1 완전한 액적보다 크며, 상기 제 2 유체의 상기 제 3 완전한 액적이 상기 제 2 유체의 상기 제 2 완전한 액적보다 크다.
본 방법의 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 완전한 액적의 직경은 25 ㎛ 내지 65 ㎛이며; 상기 제 2 완전한 액적의 직경은 80 ㎛ 내지 200 ㎛이며; 상기 제 3 완전한 액적의 직경은 200 ㎛ 내지 400 ㎛이다. 본 방법의 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 완전한 액적의 직경은 35 ㎛ 내지 55 ㎛이며; 상기 제 2 완전한 액적의 직경은 100 ㎛ 내지 140 ㎛이고; 상기 제 3 완전한 액적의 직경은 250 ㎛ 내지 350 ㎛이다. 본 방법의 특정 실시형태들에서, 상기 제 1 완전한 액적의 직경은 약 45㎛이고; 상기 제 2 완전한 액적의 직경은 약 120 ㎛이며; 상기 제 3 완전한 액적의 직경은 약 300㎛이다.
용어 "연결된"은 반드시 직접적으로 연결되거나 또는 반드시 기계적으로 연결되는 것만을 의미하지는 않는다. 두 구성요소가 서로 연결될 수 있는 경우에는 두 구성 요소는 "연결가능한"으로 표현되며, 연결된 상태에서도, 역시 "연결가능한" 것으로서 특성화될 수 있다. 해당 문맥이 명시적으로 달리 요구하지 않는 한, "연결가능한" 요소들은 서로 분리가능하며, 서로 분리가능한 요소들도 역시 연결가능하다. 제 1 구조물이 제 2 구조물에 연결 가능한 하나의 비제한적인 방식은 상기 제 1 구조물이 상기 제 2 구조물에 연결되도록(또는 연결 가능하도록) 구성되는 것이다.
해당 명사의 단수형은 본 개시가 명백하게 달리 요구하지 않는 한, 해당 명사의 복수형의 존재를 배제하지 않는다.
"실질적으로"라는 용어 및 그 변형(예를 들어, "대략" 및 "약")은 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, "대체적으로"로서 해석될 수 있으며, 반드시 해당 치수의 전부를 말하는 것은 아니다(반드시 해당 치수의 전부를 포함하는 것은 아니다).임의의 개시된 실시형태에서, "실질적으로", "대략" 및 "약"이라는 용어는 0.1, 1, 5 및 10 퍼센트를 포함하는 해당 치수의 "퍼센트"로 대체될 수 있다.
용어 "포함한다"(및 "포함하는"과 같은 그의 임의의 형태), 용어 "갖는다"(및 "가진" 및 "갖는"과 같은 그의 임의의 형태), 용어 "구비한다"("구비하는"과 같은 그의 임의의 형태), 및 용어 "함유한다"(및 "함유하는"과 같은 그의 임의의 형태)는 범위 비제한형 연결 동사이다. 따라서, 하나 이상의 단계 또는 요소를 "포함하는", "갖는", "구비하는" 또는 "함유하는" 방법 또는 디바이스는 이들 하나 이상의 단계 또는 요소를 소유하지만 이들 하나 이상의 단계 또는 요소만을 소유하는 것으로 한정되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징부들을 "포함하는", "갖는", "구비하는" 또는 "함유하는" 방법의 단계 또는 디바이스의 요소는 이들 하나 이상의 특징부들을 소유하지만 이들 하나 이상의 특징부들만을 소유하는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 4 개의 채널을 포함하는 시스템은 5 개 이상의 채널들을 가질 수 있다.
"유체(fluid)"는 일반적으로 그를 수용하는 수용체의 형상에 따르고 유동하는 경향이 있는 물질을 지칭한다. 유체는 유동을 허용하는 임의의 적합한 점도를 가질 수 있다. 2 개 이상의 유체가 일 공간 내에 존재하는 경우, 이들 유체는 예를 들어, 혼화성(miscible), 약간의 혼화성 또는 비혼화성(immiscible)일 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 에멀젼이 사용되는 조건 하에서 일 유체가 다른 유체 내에 용해가능하지 않을 때에 이 2 개의 유체들은 서로 혼화되지 않거나 또는 비혼화성이다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, "액적(droplet)"은 제 2 유체에 의해 완전히 둘러싸인 제 1 유체의 격리된 체적 또는 제 2 유체 및 하나 이상의 표면에 의해 완전히 둘러싸인 제 1 유체의 격리된 체적이다. 액적들의 비제한적인 예들은 소수성 액체 내에 현탁된 친수성 액체, 친수성 액체 내에 현탁된 소수성 액체 및 액체 내에 현탁된 기포를 포함한다.
"에멀젼"은 액체 내의 액체의 현탁액이다. 일부 실시형태들에서, 에멀젼은 "마이크로에멀젼" 또는 "나노에멀젼", 즉 분산상이 마이크로미터 또는 나노미터 정도의 평균 직경을 각각 갖는 에멀젼일 수 있다. 에멀젼은, 예를 들어 원하는 크기의 액적을 상기 액적과 비혼화성인 용액 내에 주입함으로써 생성될 수 있다. 특정 실시형태들에서, 유체성 스트림 또는 유체성 액적은 마이크로 채널(즉, 약 1㎛ 내지 1mm 간의 평균 단면 치수를 갖는 채널 또는 단차부) 내에서 마이크로스케일로 생성될 수 있다.
"실질적으로 정적인" 유체는 유동에 의해서 유발된 압력 변화가 무시될 수 있는 유체이다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 다양한 실시형태들에서, 제 1 유체는 채널 내에서 실질적으로 정적이며, 제 1 유체와 비혼화성인 제 2 유체는 유입구를 통해 상기 채널 내로 유동한다. 상기 제 2 유체는 예를 들어, 펌프에 의해 상기 유입구를 통해 유동하게할 수 있다. 상기 실질적으로 정적인 제 1 유체는 상기 제 2 유체가 상기 채널 내로 유동함으로써 상기 제 1 유체의 변위로 인해 어느 정도 이동할 수 있다; 그러나, 상기 채널 내로 상기 제 1 유체의 유동을 전달하는 추가 유입구는 존재하지 않는다. 그러나, 상기 제 2 유체에 의해 상기 채널로부터 변위된 상기 제 1 유체의 임의의 부분을 수용하기 위한 유출구 또는 폐채널이 있을 수 있다. 다른 말로 하면, 상기 제 1 유체는 "수동적"이다. 또한, 상기 제 1 유체는 수동적이고 상기 제 2 유체와 함께 유동하지 않기 때문에, 플로우 레이트은 예를 들어, T 접합 디바이스와 같은, 다른 공동 유동 액적 형성 기법에서와 같이, 액적 크기를 결정하지 않는다.
유입 부분, 제 1 단차부 및 제 1 단차부는 본 명세서에서 집합적으로 "노즐"이라고 지칭될 수 있다. 에멀젼화 디바이스(emulsification)는 단일 노즐 또는 복수의 노즐을 가질 수 있다. 복수의 노즐은 공통의 제 3 단차부와 유체 연통될 수 있거나, 복수의 노즐 각각은 복수의 분리된 제 3 단차부와 유체 연통될 수 있다. 복수의 노즐은 복수의 유입 부분을 가질 것이나, 제 1 단차부는 복수의 유입 부분들과 유체 연통하는 단일 연속형 단차일 수 있거나, 제 1 단차부는 각각이 상기 복수의 유입 부분들 중 전용 유입 부분과 유체 연통하는 복수의 구조적으로 개별적인 제 1 단차부들일 수 있다. 마찬가지로, 제 2 단차부는 제 1 단차부 또는 제 2 단차부들과 유체 연통하는 단일 연속형 단차일 수 있거나, 제 2 단차부는 각각이 상기 복수의 제 1 단차부들 중 전용 제 1 차단부와 유체 연통하는 복수의 구조적으로 개별적인 제 2 단차부들일 수 있다.
또한, 특정 방식으로 구성된 디바이스 또는 구조체는 적어도 해당 방식으로 구성되지만, 나열되지 않은 방식들로도 구성될 수도 있다. 미터법 단위는 변환 처리 및 가장 근사한 마이크로미터로 근사치 처리(rounding)함으로써 제공되는 영어식 단위로부터 파생될 수 있다.
일 실시형태의 특징 또는 특징들은 비록 본 명세서에서 개시 또는 기술되지 않을지라도, 실시형태들의 특성 또는 본 개시에 의해서 명시적으로 금지되지 않는 한, 다른 실시형태들에도 적용될 수 있다.
개시된 디바이스들 및 방법들 중 임의의 실시형태들은 기술된 요소들 및/또는 특징들 및/또는 단차부들 중 임의의 것을 포함하거나/갖거나/구비하거나/함유하기 보다는, 이러한 임의의 것으로만 구성되거나 본질적으로 이러한 임의의 것으로 구성될 수 있다. 따라서, 해당 청구항의 범위를 상술한 바와 같은 범위-비제한형 연결 동사들을 사용하여 규정될 수 있는 범위로 변경하기 위해서는, 해당 청구항에서, "...만으로 구성되거나" 또는 "본질적으로 ....만으로 구성된다는 표현"은, 상술한 바와 같은 범위-비제한형 연결 동사들 중 임의의 것으로 대체될 수 있다.
첨부된 도면들과 함께 특정 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명을 참조하면 다른 특징들 및 이와 연관된 이점들이 명백해질 것이다.
다음의 도면은 예로서 설명하기 위한 것이지 제한하는 것은 아니다. 간결하고 명료하게 하기 위해, 주어진 구조의 모든 특징이 해당 구조가 나타나는 모든 도면들에서 참조 부호로서 표시되는 것은 아닐 수 있다. 동일한 참조 번호는 반드시 동일한 구조를 나타내는 것은 아니다. 오히려, 동일한 참조 번호는 동일하지 않은 참조 번호들이 그러한 바와 같이, 유사한 특징 또는 유사한 기능을 갖는 특징을 나타내기 위해 사용될 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 1b는 본 발명에 따른 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 2는 도 1b의 실시예의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 동작 동안 도 1b의 실시예의 단면도들이다.
도 4는 본 발명에 따른 복수의 노즐을 포함하는 디바이스의 사시도이다.
도 5는 단일-단차부 에멀젼화 디바이스들의 네트워크 및 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 네트워크에 대한 분산도 백분율 대 플로우 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 6은 단일-단차부 에멀젼화 디바이스 및 도 5의 다중-단차부 에멀젼화 디바이스에 대해 계산된, 분산도 백분율 대 플로우 레이트를 나타내는 그래프이다.
도 7은 단일-단차부 에멀젼화 디바이스 및 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 액적 크기 분산도를 나타내는 차트이다.
도 8은 본 발명에 따른 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 9는 도 8의 실시예의 부분 단면도이다.
도 10은 도 8의 실시예의 부분 단면도이다.
도 11은 도 8의 실시예의 부분 단면도이다.
도 12는 도 8의 예시적인 실시예에 의해 형성된 액적들의 개략도이다.
도 13은 다양한 액적 크기 및 면적에 대한 상이한 동적 범위를 도시하는 개략도이다.
도 14는 본 발명에 따른 다중-단차부 에멀젼화 디바이스의 예시적인 실시예의 사시도이다.
첨부된 도면들에 도시되고 이하의 상세한 설명에서 상세히 설명되는 비제한적인 실시예들을 참조하여, 다양한 특징들 및 유리한 세부 사항들이 보다 완전하게 설명된다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예들은 본 발명의 실시예들을 나타내지만, 오직 예시의 방법으로 제시된 것이지, 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다. 본 개시 내용으로부터 당업자에게는 다양한 대체, 변경, 추가 및/또는 재배열이 명백해질 것이다.
이하의 설명에서, 개시된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해 복수의 특정 세부 사항들이 제공된다. 그러나, 당업자는 본 발명이 하나 이상의 특정 세부 사항 없이 실시되거나 또는 다른 방법들, 구성 요소들, 재료들 등으로 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 구조들, 재료들 또는 동작들은 본 발명의 양태들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세히 도시되거나 기술되지 않는다. 명료함을 위해, 각 도면에서 보이는 모든 구성 요소에 대해 참조 번호가 모두 도시되어 있는 것은 아님을 이해해야 한다.
본 디바이스 및 방법은 개시된 특정 형태로 한정되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 오히려, 본 디바이스 및 방법은 청구 범위 내에 속하는 모든 수정사항, 등가사항 및 대체사항을 포함해야 한다.
도 1a는 에멀젼화 디바이스(190)를 사시도로 도시한다. 이 실시예에서, 에멀젼화 디바이스(190)는 채널 폭(CW) 및 채널 높이(CH)를 갖는 유입 채널(195)을 포함한다. 유입 채널(195)은 증가된 폭을 갖는 부분들을 더 포함한다. 예를 들어, 유입 채널(195)은 폭(CW)보다 큰 폭(W1)을 갖는 부분을 포함한다. 특정 실시예들에서, W1/CW 비는 2.0 초과, 5.0 초과, 10.0 초과, 50.0 초과 또는 100.0 초과일 수 있다. 특정 실시예들에서, W1/CW 비는 5.0 내지 25.0일 수 있다. 도시된 실시예에서, 유입 채널(195)은 증가된 폭들(W2 및 W3)을 갖는 부분들을 더 포함한다.
도 1b 및 도 2는 각각 에멀젼화 디바이스(100)를 사시도 및 단면도로 도시한다. 도 1b 및 도 2의 실시예는 이하에서 설명되는 바와 같은, 수직부들(110, 120 및 130) 및 단차부들(101, 102 및 103)을 갖는 채널(105)을 포함한다. 명료함을 위해, 모든 구성요소가 도 1b 및 도 2 모두에서 참조부호로서 표시되는 것은 아니다. 도 1b의 실시예에서, 채널(105)은 채널 폭(CW) 및 채널 높이(CH)를 갖는 유입 부분을 포함한다. 채널(105)은 채널 높이(CH)보다 큰 폭(W1)을 갖는 부분을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 복수의 유입 부분들이 공통 제 1 단차부와 유체 연통할 수 있으며, 이 경우에, 상기 공통 제 1 단차부의 폭(W1)은 임의의 개별 유입 부분의 폭(CW)보다 상당히 클 것이다. 이 공통 제 1 단차부의 폭(W1)은 상기 공통 제 1 단차부와 유체 연통하는 복수의 유입 부분들의 모든 폭들의 합보다 클 것이다. 도 3a 내지 도 3c는 동작 동안 에멀젼화 디바이스(100)의 단면도를 예시한다.
도 1b 및 도 2에 도시된 실시예에서, 에멀젼화 디바이스(100)는 유입 부분(107), 제 1 단차부(101), 제 2 단차부(102) 및 제 3 단차부(103)를 갖는 채널(105)을 포함하는 다중-단차부 구성을 가지며, 상기 유입 부분(107), 제 1 단차부(101), 제 2 단차부(102) 및 제 3 단차부(103) 각각은 서로 유체 연통한다. 또한, 에멀젼화 디바이스(100)는 상기 유입 부분(107)과 제 1 단차부(101) 간 간의 계면에서의 제 1 수직부(riser)(110), 상기 제 1 단차부(101)와 제 2 단차부(102) 간 간의 계면에서의 제 2 수직부(120) 및 상기 제 2 단차부(102)와 제 3 단차부(103) 간 간의 계면에서의 제 3 수직부(130)를 포함한다. 상기 제 1 단차부(101)는 제 1 단차부 높이 (SH1) 및 제 1 수평부(thread) 길이(T1)를 포함하고, 제 2 단차부(102)는 제 2 단차부 높이 (SH2) 및 제 2 수평부 길이(T2)를 포함하고, 제 3 단차부(103)는 제 3 단차부 높이(SH3) 및 제 3 수평부 길이(T3)를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 상기 제 1 수평부 길이(T1)는 제 1 수직부(110)와 제 2 수직부(120) 간의 거리와 같고, 상기 제 2 수평부 길이(T2)는 제 2 수직부(120)와 제 3 수직부(130) 간의 거리와 동일하고, 상기 제 3 수평부 길이(T3)는 상기 제 3 수직부(130)와 액적 수집 챔버 간의 거리와 동일하며, 상기 액적 수집 챔버는 유입 부분(107)으로부터 멀리 떨어진 에멀젼화 디바이스(100)의 액적 수집 챔버이며, 또는 상기 제 3 수평부 길이(T3)는 상기 에멀젼화 디바이스가 하나 이상의 추가 단차부를 포함하는 경우에는 제 3 수직부(130)와 제 4 수직부 간의 거리와 동일하다. 또한, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 서로 마주하는 면들(115, 111) 간의 거리와 동일하고, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)는 서로 마주 보는 면들(115, 112) 간의 거리와 동일하고, 상기 제 3 단차부(SH3)는 서로 마주 보는 면들(115,113) 간의 거리와 동일하다. 도시된 실시예에서, 표면(115)은 제 1 표면(111), 제 2 표면(112) 및 제 3 표면(113)과 떨어져 있다. 도시된 실시예에서, 표면(111)은 제 1 수직부(110)와 제 2 수직부(120) 사이에서 연장하고, 표면(111)은 표면(115)에 평행하다. 이와, 유사하게, 표면(112)은 제 2 수직부(120)와 제 3 수직부(130) 사이에서 연장하고, 표면(112)은 이 실시예에서 표면(115)에 평행하다. 표면(113)은 상기 표면(115)에 평행하며, 상기 제 3 수직부(130)으로부터 상기 유입 부분(107)으로부터 원위인 상기 에멀젼화 디바이스(100)의 단부까지 연장된다. 도시된 실시예에서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 수직부들(110, 120, 130)은 표면(115)에 수직이다.
아래에서 더 설명될 바와 같이, 채널 및 단차들의 치수 및 기하 구조는 단일 유체 유동으로부터 높은 빈도로 고도로 단분산된 에멀젼을 생성하도록 구성된다. 아래에 제시된 데이터를 통해 알 수 있듯이, 이러한 다중-단차부 구성은 단일-단차부 설계에 비해 단분산성을 크게 향상시킬 수 있다. 이론에 구속되기를 바라지 않고, 단일-단차부 설계의 열등한 성능은 현 형성되는 액적이 이전에 형성된 액적과 예측할 수 없는 방식으로 접촉하여, 현 형성되는 액적의 크기에 영향을 미친다는 사실에 기인할 수 있다. 본 명세서에 개시된 다중-단차부 구성은 단일-단차부 설계의 열등한 단분산성 문제를 해결한다. 특히, 다중-단차부 구성은 액정 형성 시에 특정한 기능을 제공하는 다수의 섹션들을 구획한다.
도시된 실시예에서, 유입 부분(107)은 채널 높이(CH) 및 채널 폭(CW)(도 1에 도시됨)을 포함한다. 특정 실시예들에서, CW/CH 비는 0.2 초과 5.0 미만이다. 유입 부분(107)은 제 1 수평부 길이(T1) 및 제 1 단차부 높이(SH1)를 포함하는 제 1 단차부(101)와 유체 연통하며, 여기서 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 0보다 큰 수직부 높이(R1)만큼 채널 높이(CH)보다 크다. 특정 실시예들에서, 채널 높이에 대한 제 1 단차부 높이의 비(SH1/CH)는 1.0보다 크고 5.0보다 작다. 본 명세서에서 도시되고 설명된 예시적인 실시예들은 선형 구성으로 배열된 노즐들을 포함하지만, 다른 실시예들은 예를 들어, 원형으로 배열된 노즐들을 포함하여, 다른 노즐 배열을 포함할 수 있다.
높이, 폭 및 길이와 같은 치수 용어는 단지, 참고 목적으로 사용되며 마이크로채널 에멀젼화 디바이스(100)의 특정 배향을 요구하지 않는 것으로 이해된다. 도 2 및 도 3a 내지 도 3c에서, 높이는 수직 치수(예를 들어, 도면 페이지의 상단에서 하단까지의 수치)를 지칭하고, 폭은 예시된 단면도의 평면에 수직(예를 들어, 도면 페이지에 수직)인 치수를 지칭하며, 길이는 수평 치수(예를 들어, 도면 페이지의 왼쪽에서 오른쪽으로의 치수)를 지칭한다. 일반적으로, 높이와 길이라는 용어는 일 평면에서 서로 수직하는 치수들을 말하며, 폭이라는 용어는 상기 높이와 길이의 평면에 수직인 치수를 지칭한다.
도시된 실시예에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)는 수직부 높이(R1)(예를 들어, 제 1 단차부 높이(SH1)과 유입 부분의 채널 높이(CH) 간의 치수 차)만큼 상기 유입 부분의 채널 높이(CH)보다 크다. 또한, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)는 수직부 높이(R2)만큼 상기 제 1 단차부 높이(SH1)보다 크고, 상기 제 3 단차부 높이(SH3)는 수직부 높이(R3)만큼 상기 제 2 단차부 높이(SH2)보다 크다. 다양한 수직부 높이들(상기 제 1 수직부 높이(R1), 상기 제 2 수직부 높이(R2) 및 상기 제 3 수직부 높이(R3))이 도 2에서 수직 방향으로 하향으로 연장되게 도시되어 있다. 그러나, 상기 수직부 높이들은 또한 상향으로 연장되거나 또는 측방향으로 연장될 수 있다. 액적은 노즐 내에서 유지되며(즉, 비구형이며), 따라서 중력이 아닌 표면 장력이 예시적인 실시예들의 동작 중에 액적 형성에 영향을 미치는 주요 힘이며, 수직부 높이가 필요하다면 임의의 방향(예를 들어, 하향, 상향, 또는 측방향)으로 형성되게할 수 있다. 채널 높이(CH) 또는 채널 폭(CW)(어느 쪽이든 작은 치수)는 본 디바이스(100)에 의해 형성되는 액적의 직경을 결정하는 1차 인자이고, 상기 제 1 단차부 높이(SH1) 또는 상기 폭(W1)은 본 디바이스(100)에 의해 형성되는 액적의 직경을 결정하는 2차 인자이다.
예시된 실시예에서, 채널(105)의 유입 부분(107)은 0.2보다 크고 5.0보다 작은 폭-대-높이 비(CW/CH)를 갖는다. 특정 실시예들에서, CW/CH 비는 1.5 초과 4.5 미만일 수 있고, 특정 실시예들에서, CW/CH 비가 2.5 초과 3.5 미만일 수 있고, 특정 실시예들에서, CW/CH 비는 대략 3.0일 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 제 1 단차부(101)는 유입 부분(107)과 유체 연통하며, 제 1 단차부(101)의 높이(SH1)는 수직부 높이(R1)만큼 유입 부분의 채널 높이(CH)보다 크다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SH1)/상기 채널 높이(CH) 비는 1.0 초과 5.0 미만, 또는 1.25 초과 2.75 미만 또는 1.5 초과 2.5 미만, 또는 1.75 초과 2.25 미만, 또는 1.25 초과이고, 1.75 미만이다.
에멀젼화 디바이스(100)는 또한 제 1 단차부(101)와 유체 연통하는 제 2 단차부(102)를 포함하고, 제 2 단차부(102)의 높이(SH2)는 수직부 높이(R2)만큼 상기 제 1 단차부 높이(SH1)보다 크다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제 2 단차부 높이(SH2)/상기 채널 높이(CH) 비는 0.1 초과 5.0 미만이다. 또한, 에멀젼화 디바이스(100)는 제 2 단차부(102)와 유체 연통하는 제 3 단차부(103)를 포함하고, 제 3 단차부(103)의 단차부 높이(SH3)는 수직부 높이(R3)만큼 상기 제 2 단차부 높이(SH2)보다 크다. 예시적인 실시예들에서, 상기 제 1 수직부 높이(R3)는 0.1 마이크론 초과 1000 마이크론 미만이다. 도시된 실시예에서, 상기 제 1 수직부 높이(R1)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)보다 크고, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 상기 제 3 수직부 높이(R3)보다 크다. 그러나, 다른 실시예들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)보다 크고, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 상기 제 1 수직부 높이(R1)보다 크다. 일부 실시예들에서, 상기 제 3 수직부 높이(R3)는 상기 제 2 수직부 높이(R2)보다 크며, 상기 제 2 수직부 높이(R2)는 상기 제 1 수직부 높이(R1)와 동일하다. 또한, 도시된 실시예는, 0.1 내지 7.0 간의 상기 제 1 수평부 길이(T1)/채널 높이(CH) 비 및 상기 제 1 수평부 길이(T1)/채널 높이(CH) 비 미만인 상기 제 2 수평부 길이(T2)/채널 높이(CH) 비를 포함한다.
특정 실시예들에서, 상기 제 1 수평부 길이(T1)/제 1 수직부 높이(R1) 비는 2.0 초과, 또는 5.0 초과 또는 10.0 초과이다. 특정 실시예들에서, 상기 제 2 수평부 길이(T2)/제 2 수직부 높이(R2)의 비는 2.0 초과, 또는 5.0 초과 또는 10.0 초과이다.
도 3a 내지 도 3c는 동작 중에 에멀젼화 디바이스(100)를 도시한다. 명확화를 위해, 에멀젼화 디바이스(100)의 모든 구성요소는 도 3a 내지 도 3c에서 모두 참조 부호가 매겨져 있는 것은 아니다. 도 3a 내지 도 3c에서 참조 부호가 매겨져 있지 않은 구성요소들에 대해서는 도 2를 참조하면 된다. 도 3a는 제 1 단차부(101)에서 제 2 단차부(102)로 천이하는 부분적 액적(152)을 도시한다. 도 3b는 제 2 단차부(102)에서 제 3 단차부(103)로 천이하는 액적(153)을 도시한다. 도 3c는 제 3 단차부(103) 상에서의 액적(154)을 도시한다. 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 동작 중에, 유체 스트림(151)은 유입 부분(107) 내로 유입될 수 있다(예를 들어, 보다 높은 압력에서 보다 낮은 압력으로 유동하는 스트림으로서 유입될 수 있음). 유입 부분(107)은 상기 유입 부분(107)과 제 1 단차부(101) 간의 높이(R1)를 갖는 제 1 수직부(110)로 길게 형성된 유체 시료(sample thread)(151)을 전달하도록 구성된다.
특정 실시예들에서, 유체 스트림(151)은 친수성 액체를 포함하는 길게 형성된 유체 시료일 수 있는 반면, 단차부들(101, 102 및 103)은 소수성 액체인 유체(155)를 수용한다. 일부 실시예들에서, 유체 스트림(151)은 소수성 액체를 포함할 수 있는 반면, 유체(155)는 친수성 액체를 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 친수성 액체(예를 들어, 수성 유체)를 포함하는 유체 스트림(151)을 제 1 단차부 (101) 내로 도입하기 이전에, 소수성 액체(예를 들어, 오일)를 포함하는 유체(155)로 단차부들(101, 102 및 103)이 충진된다. 예시적인 실시예들에서, 유체 스트림(151)이 제 1 채널(105)의 유입 부분(107)으로 도입될 때, 유체(155)는 실질적으로 정적이다. 에멀젼화 디바이스(100)에서 액적 형성을 위해 사용될 수 있는 액체의 유형의 예들은 "에멀젼"이라는 제목의 섹션에서 이하서 제공된다.
제 1 단차부(101)는 유체 스트림(151)의 불안정화(예를 들어, 연속적인 유체 스트림(151)을 불연속부를 포함하도록 천이시킴)를 개시하도록 구성되며, 부분적 액적(152)이 제 1 단차부(101)에서 형성된다. 특정 실시예들에서, 동작 중에, 부분적 액적(152)은 제 1 단차부(101)에서 (체적으로 측정했을 때) 약 90 %가 형성된다. 예시적인 실시예들에서, 제 1 단차부(101)는 완전한 액적 형성을 제공하지 않고, 부분적 액적(152)은 유체 스트림(151)에 유체적으로 연결된다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 부분적 액적(152)은 유체 스트림(151) 또는 부분적 액적(152)보다 작은 단면적을 갖는 영역(158)에 의해 유체 스트림(151)에 유체적으로 연결된다(예를 들어, 유체 스트림(151)은 부분적 액적(152)을 형성하기 전에 상기 영역(158)에서 병목화된다). 상기 부분적 액적(152)은 제 1 단차부(101)에 의해 압축되고 제 1 단차부(101)의 전체 높이(SH1)에 걸쳐서 연장된다. 유체 역학 및 물리 원리에 따라, 부분적 액적(152)은 가능한 가장 낮은 에너지 상태(예를 들어, 비압축된 상태)로 갈려고할 것이다. 따라서, 부분적 액적(152)이 제 1 수직부(110)와 접촉할 때까지, 부분적 액적(152)은 상기 제 2 단차부(102)를 향해 계속 진행할 것이고, 상기 제 2 단차부 내에서는, 액적이 제 1 단차부(101) 내에서보다 덜 압축될 것인데, 그 이유는 제 2 단차부(102)가 상기 제 1 단차부(101)의 제 1 단차부 높이(SH1)보다 큰 제 2 단차부 높이(SH2)를 갖기 때문이다.
예시적인 실시예들에서, 부분적 액적(152)은 제 1 단차부(101)와 제 2 단차부(102) 간의 계면에서의 제 2 수직부(120)에 도달할 때, (도 3b에 도시된 바와 같이) 완전한 액적(153)을 형성할 것이다. 동작 중에, 유체 스트림(151)은 제 1 채널(101) 내로 일정 시간 동안 유입될 것이다. 하나의 부분적 액적(152)이 진행하여 완전한 액적(153)을 형성할 때, 다음 부분적 액적이 제 1 단차부(101)에서 형성될 것이다. 제 2 단차부(102) 및 제 2 수직부(120)(상기 제 2 수직부 높이(R2)를 가짐)는 부분적 액적(152)(및 유체 스트림(151))과는 분리된 완전한 액적(153)을 형성하도록 구성된다.
제 2 단차부(102)는 부분적 액적(152)이 형성되는 제 1 단차부(101)와 완전한 액적(154)이 저장되는 제 3 단차부(103) 간의 보호 영역을 제공하도록 더 구성된다. 이로써, 형성된 완전한 액적과 형성 중인 부분적 액적 간의 접촉은 감소되거나 제거된다. 단차부들(101, 102)의 길이(예를 들어, 치수(상기 제 1 수평부 길이(T1) 및 상기 제 2 수평부 길이(T2))는 각 섹션이 해당 기능을 적절하게 달성할 수 있도록 각각의 섹션에서 액적을 수용하도록 크기가 정해진다. 목표 액적 형성 및 액적 전진을 위한 이론적 계산치들은 상기 제 1 수평부 길이(T1) = 3.807*CH 및 상기 제 2 수평부 길이(T2) = 1.8585*CH를 나타낸다. 실제 수평부 길이들은 이론적으로 계산된 치수와는 다를 수 있다. 이는 연속적인 램프(ramp) 구성 또는 각 단차부의 기능이 동일한 램프에 근사화되게 구성된 일련의 단차부들을 갖는 구성과는 대조적이다. 더욱이, 본 명세서에서 개시된 다중 단차부 채널은 증가된 공차를 허용함으로써 연속적인 램프 구성에서는 가용되지 않은 제조 옵션을 또한 제공한다.
예시적인 실시예들에서, 완전한 액적(153)은 형상이 완전히 구형이 아니도록 단차부(102) 내에서 압축된다. 예를 들어, 완전한 액적(153)은 상기 제 2 단차부 높이(SH2)에 상응하는 높이(DH3)(도 2에 도시된 단차부(102)의 높이)를 갖는다. 또한, 완전한 액적(153)은 상기 높이(DH3)보다 큰 길이(DL3)을 갖는다. 유체 역학 및 물리 원리에 따르면, 완전한 액적(153)은 가능한 가장 낮은 에너지 상태(예를 들어, 비압축된 상태)로 갈려고 할 것이다. 따라서, 완전한 액적(153)은 제 3 수직부(130)에 도달할 때까지 제 3 단차부(103)를 향해 계속 진행할 것이며, 상기 제 3 수직부(130) 내에서, 액적은 상기 제 2 단차부(102) 내에 있을 때보다 덜 압축되는데, 그 이유는 제 3 단차부(103)의 제 3 단차부 높이(SH3)는 상기 제 2 단차부(102)의 상기 제 2 단차부 높이(SH2)보다 크기 때문이다.
도시된 실시예에서, 제 3 단차부(103)는 액적(154)을 저장하고, 선택사양적으로 촬상 디바이스(157)(예를 들어, 카메라 또는 감광성 검출기)를 통해 액적(154)을 촬상하도록 구성된다. 액적(154)의 선택사양적 촬상에 관한 추가적인 정보는 "액적 촬상"이라는 제목의 섹션에서 이하에서 제공된다. 액적(154)은 또한 완전히 구형일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 완전한 액적이지만, 액적(153)보다 덜 압축된 액적이다. 따라서, 액적(154)의 높이(DH4)는 액적(153)의 높이(DH3)보다 크지만, 통상적으로, 액적(154)의 길이(DL4)보다는 작다. 도 3c는 단면도이며, 복수의 액적(154)이 동작 중에 제 3 단차부(103) 내에 위치될 수 있음이 이해된다.
도 4는 복수의 노즐(200)을 포함하는 에멀젼화 디바이스(250)의 분해된 어셈블리 사시도를 도시한다. 예시적인 실시예들에서, 각각의 노즐(200)은 에멀젼화 디바이스(100)의 채널 및 단차부들에 대해 본 명세서에서 설명된 것과 동일한 특징을 갖는 채널 및 단차부들을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 에멀젼화 디바이스(250)는 9 개의 평행한 노즐들(200)을 포함한다. 다른 실시예들은 더 많거나 적은 개수의 노즐을 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 에멀젼화 디바이스(250)는 폴리디메틸실록산(PDMS)으로 구성된 베이스(220) 및 유리로 구성된 커버(210)를 포함한다.
도 5는 16 개의 단일-단차부를 갖는 에멀젼화 디바이스의 네트워크 및 16 개의 다중-단차부를 갖는 에멀젼화 디바이스의 네트워크에 대한 분산도 대 플로우 레이트를 그래프로 도시한다. 단일-단차부 에멀젼화 디바이스는 약 189 μm의 단차부 높이를 갖는다. CellProfiler 소프트웨어 및 촬상 처리 파이프 라인을 사용하여 형광 라벨링된 액적을 탐지했다. 각 테스트 동안 다수의 이미지들이 수집되었고, 각 이미지는 약 300 개의 액적들을 가지고 있다. 이러한 소프트웨어는 모든 파일들에 대해 해당 액적 직경들과 함께 발견된 모든 액적들의 목록을 가진 파일을 생성하고, 이어서, 액적들의 직경의 평균 및 표준 편차를 계산했다. 분산도가 계산되고 상기 2 개의 구성들 간에서 비교되었으며, 여기서 분산도는 직경들의 편차 계수(CV)이고, 여기서 CV는 표준 편차를 평균 직경으로 나눈 값과 동일하다. 상기 테스트 동안 사용된 채널 치수는 채널 높이 20 μm, 채널 폭 60 μm, CH/SH1 = 0.666 또는 제 1 수직부 높이(R1)/채널 높이(CH) = 0.5의 비를 포함한다.
도 6은 도 4에 도시된 단일-단차부 에멀젼화 디바이스 및 다중-단차부 에멀젼화 디바이스에 대해 계산된 바와 같은, 플로우 레이트 대 분산도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 단일-단차부 에멀젼화 디바이스 및 다중-단차부 에멀젼화 디바이스에 대한 액적 크기 분산도를 나타내는 차트이다. 본 테스트에서 사용된 채널 치수는 채널 높이가 25 μm, 채널 폭이 60 μm, 델타 높이/높이가 0.5인 것을 포함한다.
특정 실시예들에서, 에멀젼화 디바이스는 다수의 액적 크기들을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 에멀젼화 디바이스는 상이한 크기 및 체적을 갖는 액적들을 생성하기 위해 상이한 기하학적 구조를 갖는 다수의 세트의 노즐 및 채널을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 에멀젼화 디바이스(500)는 제 1 복수의 노즐(300) 및 제 2 복수의 노즐(400)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 노즐들(300)에는 유체 공급 채널(355)을 사용하여 유체가 공급되고, 노즐들(400)에는 유체 공급 채널(455)을 사용하여 유체가 공급된다. 이러한 노즐들(300 및 400)에 의해 형성된 액적들은 각각 수집 챔버들(350 및 450)에서 수집된다. 에멜젼화 디바이스(500)는 폐기 물질(예를 들어, 과량의 유체 또는 액적)이 에멀젼화 디바이스(500)를 빠져 나와 폐기물 수집 챔버로 향하게 하도록 구성된 폐기물 채널(550)을 더 포함한다. 예시적인 실시예들에서, 각각의 노즐(300, 400)은 본 명세서에 기술된 다른 실시예들의 특징들과 동일한 특징을 갖는 채널 및 단차부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 복수의 노즐(300, 400) 내의 각 노즐은 각기 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같은, 채널(305 및 405)을 포함할 수 있다. 채널들(305 및 405)은 에멀젼화 디바이스(100)의 채널 및 단차부들에 대해 본 명세서에서 설명된 특징과 동일한 특징으로 구성될 수 있다.
동작 동안에, 노즐들(300 및 400)은 상이한 직경을 갖는 액적을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 채널(405)은 각 채널(305)로부터 생성된 액적의 직경보다 큰 직경을 갖는 액적을 생성하도록 구성될 수 있다. 또한, 에멀젼화 디바이스(500)는 각각의 복수의 채널에 의해 생성된 액적의 개수를 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 유체 공급 채널(355 및 455)은 채널(305 및 405)에 공급되는 유체의 양을 제어하도록 구성될 수 있다. 특정 실시예들에서, 유체 공급 채널(355 및 455)은 상이한 직경, 길이 및/또는 상이한 인자들을 가질 수 있으며, 이러한 상이한 인자들은 채널들을 통한 유체 유동의 저항에 영향을 주어 채널(305 및 405)로의 유체 유동량을 불균형을 초래할 수 있다. 다른 실시예들에서, 유체 공급 채널(355 및 455)은 채널(305 및 405)로의 유체 유동량을 제어하도록 조작될 수 있는 밸브를 포함할 수 있다. 이러한 구성들은 상이한 수의 액적들이 채널(305 및 405)에 의해 형성되도록 상기 채널들(305 및 405)에 상이한 유체 유동량을 제공할 수 있다. 채널들(305 및 405)로의 유체 유동을 개별적으로 제어하는 능력은 채널(405)에 의해 형성된 더 작은 직경의 액적의 퍼센티지 및 채널(305)에 의해 형성된 더 큰 직경의 액적의 퍼센티지를 정밀하게 제어하는데 사용될 수 있다. 상이한 크기의 액적을 생성하는 능력은 대체적으로 동일한 크기의 액적을 생성하는 다른 에멀젼화 디바이스에 비해 중요한 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 에멀젼화 디바이스(500)에 의해 생성된 상이한 크기의 액적들은 디지털 PCR 분석 동안 이용 가능한 동적 범위를 증가시키는데 사용될 수 있다.
특정 실시예들에서, 채널들(305 및 405)은 전술한 실시예들의 것과 유사한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9의 단면도에 도시된 바와 같이, 채널들(305) 각각은 유입 부분(307), 제 1 단차부(301), 제 2 단차부(302) 및 제 3 단차부(303)를 각각 구비한다. 또한, 채널(305)은 유입 부분(307)과 제 1 단차부(301) 간의 계면에서 제 1 수직부(310)(수직부 높이(R31)를 가짐)를 가지며, 제 1 단차부(301)와 제 2 단차부(302) 간의 계면에서 제 2 수직부(320)(수직부 높이(R32)를 가짐)를 가지며, 제 2 단차부(302)와 제 3 단차부(303) 간의 계면에서 제 3 수직부(330)(수직부 높이(R33)를 가짐)를 갖는다. 상기 제 1 단차부(301)는 제 1 단차부 높이(FSH1) 및 제 1 수평부 길이(T31)를 포함하고, 제 2 단차부(302)는 제 2 단차부 높이(FSH2) 및 제 2 수평부 길이(T32)를 포함하고, 제 3 단차부(303)는 제 3 단차부 높이(FSH3) 및 제 3 수평부 길이(T33)를 포함한다.
도 9에 도시된 실시예에서, 제 1 단차부 높이(FSH1)는 서로 마주보는 면들(315 및 311) 간의 거리와 동일하고, 제 2 단차부 높이(FSH2)는 서로 마주보는 면들(315 및 312) 간의 거리와 동일하며, 제 3 단차부 높이(FSH3)는 서로 마주보는 면들(315 및 313) 간의 거리와 동일하다. 도시된 실시예에서, 표면(315)은 제 1, 제 2 및 제 3 수직부(310, 320 및 330)로부터 떨어져있다. 도시된 실시예에서, 표면(311)은 제 1 및 제 2 수직부(310, 320) 사이에서 연장하고, 표면(311)은 표면(315)과 평행하다. 유사하게, 표면(312)은 제 2 및 제 3 수직부(320, 330) 간에서 연장되고 이 실시예에서 표면(315)과 평행하다. 또한, 표면(313)은 표면(315)과 평행하며, 제 3 수직부(330)으로부터 유입 부분(307)으로부터 원위 위치에 있는 에멀젼화 디바이스(300)의 단부까지 연장된다. 도시된 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 수직부(310, 320 및 330)는 표면(315)에 수직이다.
이제, 도 10의 단면도를 참조하면, 채널(405)은 유입 부분(407), 제 1 단차부(401), 제 2 단차부(402) 및 제 3 단차부(403)를 각각 구비한다. 또한, 채널(405)은 유입 부분(407)과 제 1 단차부(401) 간의 계면에서 제 1 수직부(410)(수직부 높이(R41)를 가짐), 제 1 단차부(401)와 제 2 단차부(402) 간의 계면에서 제 2 수직부(420)(수직부 높이(R42)를 가짐), 제 2 단차부(402)와 제 3 단차부(403) 간의 계면에서 제 3 수직부(430)를 갖는다. 제 1 단차부(401)는 제 1 단차부 높이 (SSH1) 및 제 1 수평부 길이(T41)를 포함하고, 제 2 단차부(402)는 제 2 단차부 높이(SSH2) 및 제 2 수평부 길이(T42)를 포함하고, 제 3 단차부(403)는 제 3 단차부 높이(SSH3)와 제 3 수평부 길이(T43)를 포함한다.
도 10에 도시된 실시예에서, 제 1 단차부 높이(SSH1)는 서로 마주보는 면들(415 및 411) 간의 거리와 동일하고, 제 2 단차부 높이(SSH2)는 서로 마주보는 면들(415 및 412) 간의 거리와 동일하며, 제 3 단차부 높이(SSH4)는 서로 마주보는 면들(415 및 414) 간의 거리와 동일하다. 도시된 실시예에서, 표면(415)은 제 1, 제 2 및 제 3 수직부(410, 420 및 430)로부터 떨어져있다. 표면(411)은 제 1 및 제 2 수직부(410, 420) 사이에서 연장하고, 표면(411)은 표면(415)과 평행하다. 유사하게, 표면(412)은 제 2 및 제 3 수직부(420, 440) 간에서 연장되고 이 실시예에서 표면(415)과 평행하다. 또한, 표면(413)은 표면(415)과 평행하며, 제 3 수직부(430)으로부터 유입 부분(407)으로부터 원위 위치에 있는 에멀젼화 디바이스(400)의 단부까지 연장된다. 도시된 실시예에서, 제 1, 제 2 및 제 3 수직부(410, 420 및 430)는 표면(415)에 수직이다.
예시적인 실시예들에서, 제 1 단차부 높이(SSH1)("제 2" 채널[예를 들어, 채널(405)]의 제 1 단차부 높이)는 제 1 단차부 높이(FSH1)("제 1"채널[예를 들어, 채널(305)]의 제 1 단차부 높이)보다 크다. 또한 제 2 단차부 높이(SSH2)("제 2" 채널의 제 2 단차부 높이)는 제 2 단차부 높이(FSH2)("제 1" 채널의 제 2 단차부 높이)보다 크다. 따라서, 채널(405)의 기하학적 구조는 채널(305)에 의해 형성된 액적의 직경보다 큰 직경을 갖는 액적을 형성하도록 구성된다. 특정 실시예들에서, 상기 제 1 단차부 높이(SSH1)는 제 1 단차부 높이(FSH1)보다 적어도 50 %만큼 크며, 특정 실시예들에서, 제 1 단차부 높이(SSH1)는 제 1 단차부 높이(FSH1)보다 100 %만큼 더 크다. 또한, 일부 실시예들에서, 제 2 단차부 높이(SSH2)는 제 2 단차부 높이(FSH2)보다 적어도 50 %만큼 더 클 수 있다. 이러한 기하학적 구조들은 채널(405)이 채널(305)에 의해 생성된 액적의 직경보다 적어도 50 %만큼 큰 직경을 갖는 액적을 생성하도록 하는 것을 가능하게 할 수 있다. 특정 실시예들에서, 제 2 단차부 높이(SSH2)는 제 2 단차부 높이(FSH2)보다 적어도 100 %만큼 더 클 수 있다. 특정 실시예들에서, 채널들(405 및 305)에 의해 형성된 액적들이 에멀젼화 디바이스(500) 내의 공통 영역으로 향하도록 제 3 단차부 높이(SSH3)는 제 3 단차부 높이(FSH3)와 동일할 수 있다(도면에 도시된 스케일은 다른 언급이 없는 한 실제 스케일대로 도시되지 않는다는 것이 이해된다).
도 9에 기술된 것과 같은 특정 실시예들에서, 채널(305)에 의해 형성된 액적의 직경은 유입 부분(307)의 CH 또는 CW의 치수 중 작은 쪽에 의해 1차적으로 결정될 수 있고, 도 1 내지 도 3을 참조하여서 상술한 바와 같은 제 1 단차부 높이(FSH1)에 의해서 2차적으로 결정될 수 있다.
이제 도 11을 참조하면, 채널(305)에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 제 3 단차부 높이(FSH3)의 값은 제 3 단차부 높이(SSH3)의 값과 동등하지 않으며, 따라서, 액적의 전진을 제공하기 위한 추가 단차부를 포함한다는 점을 제외하고는, 도 9에 도시되고 설명된 실시예와 동일하다.
채널들(305 및 405)에 의해 형성된 각 액적의 체적은 액적 직경을 갖는 입방체에 비례한다(구형 액적을 가정함). 도 9 및 도 10에 도시된 실시예들에서, 유입 부분(407)에 대한 치수(CH 및 CW) 중 작은 것이 유입 부분(307)에 대한 치수(CH 및 CW) 중 작은 것보다 50 % 이상 크다면, 채널(405)에 의해 형성된 액적의 직경은 채널(305)에 의해 형성된 액적의 직경보다 적어도 50 % 만큼 크다. 결과적으로, 채널(405)에 의해 형성된 액적의 체적은 채널(305)에 의해 형성된 액적의 체적보다 적어도 3.375 배만큼 더 크다. 마찬가지로, 유입 부분(407)에 대한 치수(CH 및 CW) 중 작은 것이 유입 부분(307)에 대한 치수(CH 및 CW) 중 작은 것보다 100 % 이상 크다면, 채널(405)에 의해 형성된 액적의 직경은 채널(305)에 의해 형성된 액적의 직경보다 적어도 100 % 만큼 크다. 결과적으로, 채널(405)에 의해 형성된 액적의 체적은 채널(305)에 의해 형성된 액적의 체적보다 적어도 8 배만큼 더 크다. 본 명세서에서 기술된 수치 비들은 단지 예시적이며 다른 실시예들은 본 개시에서 제공된 것들과는 상이한 값들을 갖는 채널 치수들을 포함할 수 있다는 것이 이해된다.
도 12를 참조하면, 채널들(405 및 305)에 의해 형성된 액적들의 개략도는 상이한 크기의 액적들을 포함하는 것으로 도시된다. 이 실시예에서, 복수의 액적(454)은 채널(405)에 의해 형성되는 반면, 복수의 액적(354)은 채널(305)에 의해 형성된다. 도시된 바와 같이, 복수의 액적(454) 각각은 직경(D4)를 가지며, 이 직경은 복수의 액적(354) 각각의 직경(D3)보다 크다. 이 실시예에서, 직경(D3)은 유입 부분(307)의 치수(CH 또는 CW)에 의해 결정된다. 유사하게, 직경(D4)은 유입 부분(407)의 치수(CH 또는 CW)에 의해 결정된다.
도 12에 도시된 것과 같이 가변 체적을 갖는 액적들을 생성하는 능력은, 디지털 PCR 분석 동안 많은 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 다수의 상이한 체적을 갖는 액적들의 사용은 일정량의 공간 및 전체 체적에 대해서 보다 큰 동적 범위를 제공한다.
균일한 체적을 갖는 액적들을 사용하는 시스템에서, 검출의 상한치는 주로 각 액적의 체적에 의해 제어된다. 검출의 하한치는 일반적으로 전체 체적에 의해 제어되며, 따라서 균일한 액적 시스템에서 생성된 액적 수에 의해 제어된다. 따라서, 균일한 액적 시스템에서 큰 동적 범위는 매우 많은 수의 작은 체적의 액적들을 필요로 한다. 다양한 체적을 갖는 액적들을 생성함으로써, 균일한 액적 시스템에 비해, 소정의 체적 및 면적에 있어서 동적 범위가 증가될 수 있다. 감소된 체적을 갖는 액적을 사용함으로써 검출의 상한치를 높일 수 있다. 또한, 검출의 하한치는 체적이 증가된 액적들을 사용함으로써 감소될 수 있으며, 이는 동일한 면적에서 보다 큰 시료 체적들을 처리할 수 있게 한다.
도 13은 상이한 범위들에 대한 상이한 동적 범위들을 그래픽적으로 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 120㎛ 직경을 갖는 액적들의 낮은 동적 범위(예를 들어, 4 내지 5 로그)는 317 평방 밀리미터를 필요로 한다. 27㎛ 직경을 갖는 액적들의, 희석 또는 재분배 없는, 높은 동적 범위(예를 들어, 7 내지 8 로그)는 1,413 평방 밀리미터를 필요로 한다. 120μm의 직경을 갖는 액적들의, 2 개의 챔버에서 100 배 희석된, 유사하게 높은 동적 범위는 634 평방 밀리미터를 필요로 한다. 대조적으로, 직경 27㎛의 액적 및 직경 120㎛의 액적을 2 개의 챔버에 재분배하는 것을 사용하는 것의 7 내지 8 로그의 높은 동적 범위는 373 평방 밀리미터의 공간만을 필요로 한다. 따라서, 상이한 직경을 갖는 액적들의 사용은 균일한 크기 및 체적을 갖는 액적들을 사용하는 시스템과 비교하여, 더 높은 동적 범위 및/또는 더 작은 요구 공간을 가능하게 한다.
전술한 실시예들은 하나 또는 두 개의 상이한 직경들을 갖는 액적들을 생성하도록 구성되지만, 다른 실시예들은 세 개 이상의 상이한 직경들을 갖는 액적들을 생성하도록 구성될 수 있다. 이제, 도 14를 참조하면, 에멀젼화 디바이스(900)는 각각 유체 공급 채널(655, 755 및 855)을 갖는 복수의 채널(600, 700 및 800)을 포함한다. 또한, 디바이스(900)는 채널(600, 700 및 800) 각각을 위한 수집 챔버(650, 750 및 850)를 포함한다. 예시적인 실시예들에서, 수집 챔버(650, 750, 850)는 상이한 직경들의 액적들을 수용하기 위해 상이한 높이를 가질 수 있다. 디바이스(900)는 폐기 물질(예를 들어, 과량의 유체 또는 액적)이 에멀젼화 디바이스(900)를 빠져 나와 폐기물 수집 챔버로 향하게 하도록 구성된 폐기물 채널(950)을 더 포함한다.
에멀젼
본 명세서에서 개시된 다양한 실시예는 비수성 연속상 내의 복수의 수성 액적을 포함하는 유중수 에멀젼(water-in-oil emulsion)을 사용한다. 수성 액적의 전부 또는 일부는 관심 피분석물을 함유할 수 있다. 에멀젼은 종종 하나 이상의 계면 활성제의 존재 시에, 2 개의 비혼화성 상들(예를 들어, 물 및 오일)을 혼합함으로써 형성된다. 기본 유형의 에멀젼은 수중유(o/w) 타입, 유중수(w/o) 타입 및 이중 연속상 타입이다. 액적 기반 생물학적 분석에서, 에멀젼은 전형적으로 수성 상에 함유된 분석 시약(예를 들어, PCR 프라이머, 염, 효소 등)을 갖는 유중수 에멀젼 일 것이다. "오일" 상은 단일 오일 또는 상이한 오일의 혼합물일 수 있다. 임의의 적합한 비수성 유체는 본 명세서에서 개시된 에멀션의 비수성 연속상을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 비수성 연속상은 미네랄 오일, 실리콘 오일 또는 플루오르화된 오일(예를 들어, Fluorinert® FC-40 [Sigma-Aldrich])를 포함한다.
에멀젼은 물/오일 계면에서 작용하여 상 분리를 방지 또는 지연시키는 하나 이상의 에멀젼화제를 포함시킴으로써 안정화될 수 있다. 에멀젼화제는 어레이 상의인접하는 액적들의 병합을 억제하는데 사용될 수도 있다. 본 명세서에 개시된 조성물은 또한 하나 이상의 에멀젼화제를 함유할 수 있다. 특정 실시예들에서, 에멀젼화제는 비이온성 계면 활성제 또는 블록킹 단백질을 포함한다. 비이온성 계면 활성제의 비한정적 실례들은 Tween 20(폴리소르베이트 20), TritonTM X-100(4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)페닐-폴리에틸렌 글리콜), Span® 80(소르비탄 모노올레 에이트 ), 소르비탄 모노올레에이트, 소르비탄 모노스테아레이트, 폴리옥시에틸 소르비탄 모노올레에이트 및 옥틸페녹시에톡시에탄올이다. 소듐 콜레이트, 소듐 타우로콜레이트 및 소듐 디옥시콜레이트와 같은 이온성 계면 활성제도 또한 에멀젼화제로서 사용될 수 있다. 에멀젼화제의 추가 예들은 폴리실록산-폴리세틸-폴리에틸렌 글리콜 공중합체와 같은 화학적으로 비활성인 실리콘계 계면 활성제; 과불소화된 폴리에테르(PFPE) 및 PFPE-PEG 공중합체와 같은 플루오로 계면활성제; 및 콜레스테롤을 포함한다. 블록킹 단백질의 비제한적 예로는 혈청 알부민, 예컨대 소(bovine) 혈청 알부민 및 아세틸화된 소 혈청 알부민이 포함된다.
특정 실시예들에서, 에멀젼은 다양한 시약 또는 피분석물이 에멀젼의 액적 내에 함유되도록 제조된다. 특정 실시예들에서, 특정 피분석물 또는 시약은 또한 액적 내에 배치되는 고체 지지체에 부착될 수 있다. 예를 들어, 프로브 및/또는 프라이머가 고체 지지체에 부착될 수 있다. 이러한 고체 지지체는 예를 들어, 마이크로스피어(예를 들어, 비드) 또는 미립자, 금 또는 다른 금속 나노입자와 같은 다른 입자들, 양자점 또는 나노도트일 수 있다. 특정 양태들에서, 이러한 입자는 자성, 상자성 또는 초상자성일 수 있다. 마이크로스피어, 비드 및 입자의 예는 풀톤(Fulton)의 미국 특허 제 5,736,330 호, 챈들러(Chandler) 등의 미국 특허 5,981,180 호, 풀톤의 미국 특허 6,057,107 호, 챈들러 등의 미국 특허 6,268,222 호, 챈들러 등의 미국 특허 6,449,562 호, 챈들러 등의 미국 특허 6,514,295 호, Chandler 등의 미국 특허 6,524,793 호 및 Chandler 등의 미국 특허 6,528,165 호에 기술되어있으며, 이러한 문헌들은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
액적 촬상
예시적인 실시예들에서, 액적은 다양한 기술에 의해 촬상될 수 있다. 촬상을 용이하게 하기 위해, 상기 액적들을 함유하는 조성물은 상기 액적들이 표면 상의 실질적으로 모노레이어(monolayer) 내에 배치되도록 상기 표면 상에 분산될 수 있다. 촬상 표면은 예를 들어, 슬라이드 상에 있거나 또는 유리, 플라스틱 또는 석영 챔버와 같은 챔버 내에 있을 수 있다. 액적, 및 액적 내의 표지된 피분석물 또는 반응 생성물은 촬상 시스템을 사용하여 검출될 수 있다. 예를 들어, 표지된 증폭 산물을 검출하는 것은 표지된 증폭 산물로부터 방출된 형광 파장 및/또는 형광 세기를 촬상하는 것을를 포함할 수 있다. 액적들이 인코딩된 입자들, 예를 들어, 인코딩된 마이크로스피어를 함유하는 실시예들에서, 촬상은 인코딩된 입자의 디코딩 이미지를 찍고 액적 내의 증폭 생성물을 검출하기 위한 분석 이미지를 찍는 것을 포함할 수 있다. 디코딩 이미지와 분석 이미지를 비교하는 것은 형광체 조합을 사용하여 더 많은 다중 기능들을 가능하게 한다. 본 발명의 방법은 직접 또는 간접적으로 표지된 증폭 산물로부터의 신호를 시료 중의 DNA 또는 RNA의 농도와 상관시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법 및 조성물과 함께 사용하도록 구성될 수 있는 촬상 시스템의 예는 미국 특허 제 8,296,088 호 및 미국 특허 출원 공개 번호 2012/0288897에 기재되어 있으며, 이들 문헌은 본 명세서에서 참고로서 인용된다.
액적은 임의의 적합한 광원으로 조사될 수 있다. 광원은 발광 다이오드(LED) 또는 레이저와 같은 광원에 의해 방출되어 직접 또는 광학 도파관을 통해 촬상 영역에 전달되는 광을 사용하여 광범위한 조명(즉, 촬상 영역의 전체 또는 비교적 넓은 영역에 동시에 제공되는 조명)을 제공하게 구성될 수 있다. 대안적으로, 조명 소스는 촬상 영역 내의 비교적 작은 스폿의 조명을 제공하도록 구성될 수도 있고, 시스템은 촬상 영역에 걸쳐 있는 비교적 작은 스폿을 스캐닝하도록 구성될 수도 있다. 이러한 방식으로, 조명은 하나 이상의 LED, 하나 이상의 레이저, 하나 이상의 다른 적합한 광원, 또는 이들의 조합으로부터 생성된 초점화된 광의 상대적 "작은 비행 스폿(tiny flying spot)"으로서 구성될 수 있다. 조사된 액적을 촬상하는 것은 감광성 검출기를 사용하여 챔버의 촬상 영역으로부터 방출되거나 반사된 광을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 감광성 검출기의 비제한적 예는 PMT(photomultiplier tube), 애벌랜치 포토 다이오드, CCD, CMOS 또는 양자점 카메라를 포함한다.
액적은 형광단, 양자점, 희토류 금속 및 화학발광 화합물을 포함하지만 이에 제한되지 않는 표지제를 포함할 수 있다. 표지제는 자유롭게 부동하거나, 피분석물에 부착되거나, 시약(예를 들어, 프라이머, 프로브 또는 항체)에 부착되거나, 자성 입자에 부착되거나, 이들의 임의의 조합에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 표지제는 하나 이상의 표지된 프라이머 또는 dsDNA-바인딩 염료이다. 일 실시예들에서, 하나 이상의 표지된 프라이머는 형광단/소광제 쌍 또는 FRET 쌍을 포함한다.
촬상 챔버는 단일 타입의 재료 또는 복수의 재료로 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 촬상 챔버의 적어도 일부분은, 조명 빔이 촬상 영역 내의 액적들을 촬상하도록 촬상 챔버를 통과할 수 있도록, 특히 촬상 영역의 근방에서 광학적으로 투명한 재료(예를 들어, 다음으로 제한되지 않지만, 광학적으로 투명한 유리, 플라스틱 또는 석영)를 포함한다. 일부 경우에서, 적어도 촬상 영역에 대응하는 촬상 챔버의 후방 부분은 조명 시스템에 의해 방출된 광의 파장에 대해서 무시될 수 있는 반사율 및 투과율을 제공하도록 구성될 수 있다.
분석
액적 내부에서 광범위한 피분석물에 대한 다양한 유형의 분석을 수행할 수 있다. 액적 내에 배치된 피분석물은 다음으로 한정되지 않지만, 핵산(DNA 또는 RNA 포함), 단백질(효소 또는 항체 포함), 호르몬, 탄수화물 및 세포와 같은 임의의 관심 분석 대상일 수 있다. 감지, 증폭, 평가 등이 되는 분석 대상 물질의 유형에 따라, 추가 성분이 액적 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 피분석물이 표적 핵산인 경우, 수성 액적은 프라이머, 중합효소, MgCl2, 완충액, 표지제 및/또는 dNTP와 같은 하나 이상의 PCR 시약을 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 일 종의 프라이머가 액적 내에 배치된 고체 지지체에 부착된다. 고체 지지체는 예를 들어 마이크로스피어 또는 나노스피어일 수 있다. 다른 예로서, 피분석물이 단백질인 경우, 수성 액적은 항체, 효소, 효소 기질, 표지제 및/또는 BSA 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다. 검출을 용이하게 하기 위해, 피분석물 또는 반응 생성물을 직접 또는 간접적으로 형광단, 양자점, 희토류 금속 및 화학발광 화합물과 같은 표지 제로 표지할 수 있다. 표지제는 자유롭게 부동하거나, 피분석물에 부착되거나, 시약(예를 들어, 프라이머, 프로브 또는 항체)에 부착되거나, 자성 입자에 부착되거나, 이들의 임의의 조합에 부착될 수 있다. 특정 실시예들에서, 표지제는 하나 이상의 표지된 프라이머 또는 dsDNA-바인딩 염료이다. 일 실시예들에서, 하나 이상의 표지된 프라이머는 형광단/소광제 쌍 또는 FRET 쌍을 포함한다. 일부 실시예들에서, 표지제는 스트렙타비딘-컨쥬케이션된(strepatvidin-conjugated) 효소 및 형광발생 기질(fluorogenic substrate)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 스트렙타비딘 -컨쥬게이션된 효소는 스트렙타비딘-컨쥬게이트션된 베타-갈락토시다제(beta-galactosidase)이고, 형광발생 기질(fluorogenic substrate)은 레조루핀 베타-D- 갈락토피라노시드(resorufin beta-D-galactopyranoside)이다.
중합효소 연쇄 반응(PCR)은 액적 내에서 수행될 수 있는 반응의 일 예이다. 특히, 액적은 디지털 PCR(dPCR) 기법에서 유용한다. dPCR은 시료에 포함된 개개의 핵산 분자가 마이크로웰 플레이트의 개별 웰 내, 에멀젼의 분산상 내 또는 핵산 바인딩 표면들의 어레이 내와 같은 많은 개별 영역에서 국한되도록 시료를 구획하는 것을 포함한다. 각각의 구획(예를 들어, 액적)은 0 개 이상의 분자를 함유할 것이고, 이들은 각기 음성 또는 양성 반응을 제공할 것이다. 종래의 PCR과 달리, dPCR은 시료 내의 표적 핵산의 초기 양을 결정하기 위해서 증폭 사이클의 수에 의존하지 않는다. 따라서, dPCR은 표적 핵산을 정량화하기 위해 지수 데이터에 의존하지 않고 절대적인 정량화를 제공한다. 에멀젼 내의 비드 상의 핵산을 클론 증폭하는 비드 에멀젼 PCR은 반응이 액적들로 구획되는 dPCR 기술의 한 예이다. 예를 들어, 본 명세서에서 참고로서 인용된 미국 특허 제 8,048,627 호 및 제 7,842,457 호를 참조하면 된다. dPCR이 하기에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이 에멀젼 내에서 수행될 때, 에멀젼은 열적 사이클링 조건을 견딜 수 있도록 열 안정성이 있어야 한다.
에멀젼 내에서 dPCR을 수행하는 다양한 방법이 있다. 예를 들어, 한 가지 방식에서, DNA 시료를 적절한 농도로 희석하고 PCR 시약(프라이머, dNTP 등)과 혼합한 다음, 위에서 설명한 바와 같은 에멀젼 내에서 액적으로 캡슐화하여, 수많은 개별 반응 시료를 생성한다. 상기 액적은 PCR 열적 사이클링을 받으며, 이로써, 상술한 바와 같은 형광형(또는 다른 적합한 표지형) 촬상에 의해 앰플리콘(amplicon)이 검출된다.
다른 방식에서, 인코딩된 마이크로스피어가 또한 액적 내에 포함된다. 마이크로스피어는 프라이머를 고정시키는데 사용될 수 있다. 상이한 프라이머를 상이한 인코딩된 마이크로스피어에 고정함으로써, 각각의 상이한 프라이머 및 이에 대응하는 앰플리콘은 이들이 부착된 인코딩된 마이크로스피어에 의해 식별될 수 있다. 비드 에멀젼 PCR의 예는 본 명세서에 참고로서 인용된 미국 특허 제 8,048,627 호에 기재되어있다. 그러나, 이 '627 특허에 기술된 기법은 에멀젼을 파괴하고 이어서 비드 상의 서열을 분석하기 위해 자석으로 비드를 분리시키는 것을 포함한다. 이와 대조적으로, 앰플리콘은 본 명세서에 기재된 방법 및 조성물을 사용하여 액적 내에서 (예를 들어, 에멀젼을 파괴할 필요 없이) 검출될 수 있다.
액적들의 열적 사이클링은 당업계에 공지된 임의의 적절한 기법에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 액적은 가열 및 냉각될 수 있는 튜브 또는 챔버 내에서 열적으로 사이클링될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 방법은 핵산 템플릿을 증폭시키기 위해 연속 유동 증폭을 이용한다. 연속 유동 증폭의 다양한 방법이 보고되었다. 예를 들어, 본 명세서에 참고로서 인용된 미국 특허 제 7,927,797 호에는 연속 유동 PCR과 함께 사용되는 유중수 에멀젼이 기재되어 있다. 열 전달 요소에 걸친 에멀젼의 연속 유동은 효율적이고 신속한 반응 사이클을 가능하게 하며 열적 증폭 반응(예를 들어, PCR) 또는 등온 반응(예를 들어, 롤링 서클 증폭(rolliing circle amplification), 전체 게놈 증폭, NASBA 또는 가닥 변위 증폭)에서 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 에멀젼은 연속 유동 증폭 후에 촬상 영역으로 바로 이동한다.
단분자 면역분석 및 효소 분석이 또한 액적 내에서 수행될 수 있다(예를 들어, Sakakihara et al., "A single-molecule enzymatic assay in a directly accessible femtoliter droplet array," Lab on a Chip 10:3355-3362(2010); Sista et al., "Heterogeneous Immunoassays Using Magnetic Beads On a Digital Microfluidic Platform," Lab Chip. 8(12):2188-2196(2008) 참조).
실제 실례
본 발명에 따른 예시적인 실시예의 제 1 실례에서, 다음의 치수를 갖는 단일 다중-단차부 노즐을 갖는 에멀젼화 디바이스를 사용하여 액적을 생성하였다 : CH = 20um, CW = 60um, 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH) = 1.5, 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH) = 1.75. 다중 단차부 채널의 표면은 소수성 퍼플루오로데실 트리클로로실란(FDTS)으로 코팅되었다. 이 예에서, 계면 활성제(액적을 안정화시키기 위함; PFPE-PEG-PFPE)와 혼합된 화학적으로 비활성인 오일(Fluorinert® FC-40)을 본 디바이스 내에 배치하였다. 물 내의 AP559 형광 염료에 커플링된 올리고뉴클레오타이드의 2 μM 용액을 1 내지 100 nL/s의 플로우 레이트로 다중-단차부 채널의 유입 부분으로 향하게 하였다. 초당 1 내지 30 액적의 생성 레이트로 그리고 약 3.8 %의 평균 분산도 백분율로, 약 120 마이크론의 직경을 갖는 액적들이 형성되었다.
본 발명에 따른 예시적인 실시예의 제 2 실례에서, 99 개의 노즐을 갖는 에멀젼화 디바이스를 사용하여, 분당 약 20,000 개의 액적의 생성 레이트로 액적들을 생성하였다. 이 예에서, 액적의 평균 직경은 약 122 마이크론이고, 분산도는 약 9 퍼센트였다. 이 실시예에서의 분산도가 불균일한 액적을 생성하는 하나의 결함있는 노즐로 인해 예상보다 더 높았다. 이러한 노즐들은 단일 노즐부 상에서 사용된 것과 동일한 기하구조: CH = 20um, CW = 60um, 제 1 단차부 높이(SH1)/채널 높이(CH) = 1.5, 제 2 단차부 높이(SH2)/채널 높이(CH) = 1.75를 가지며, 초당 노즐당 1 내지 30 개의 액적의 액적 생성 레이트를 가졌다. 연속상 유체는 FC-40 내의 계면 활성제(PFPE-PEG-PFPE)의 용액이었고, 분산된 상은 물 내의 AP559 형광 염료에 커플 링된 올리고뉴클레오티드의 2uM 용액이었다.
상기 명세서 및 실례들은 예시적인 실시예의 구조 및 사용에 대한 완전한 설명을 제공한다. 특정 실시예들이 특정 구체성의 정도로, 또는 하나 이상의 개별 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 개시된 실시예들에 대해 복수의 변경을 가할 수 있다. 이로써, 본 디바이스의 예시적인 실시예는 개시된 특정 형태로만 한정되는 것으로 의도되지 않는다. 오히려, 이들은 청구 범위 내에 속하는 모든 변경사항 및 대체사항을 포함하며 도시된 실시예 이외의 다른 실시예는 도시된 실시예의 특징들의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 또한, 적절한 경우에, 전술한 임의의 실례들의 양태는 유사한 또는 상이한 특성을 갖고 동일하거나 상이한 문제점을 해결하기 위한 다른 실례를 형성하도록 기재된 다른 실례들의 임의의 것의 양태와 결합될 수 있다. 유사하게, 전술한 이점 및 장점은 일 실시예와 관련될 수 있거나 여러 실시예와 관련될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
청구항들에서 "하기 위한 수단" 또는 "하기 위한 단계"와 같은 기능식 구성 요소들이 명시적으로 사용되는 경우를 제외하고는, 이러한 청구항들은 기능식 청구항으로서 해석되지 말아야 한다.
다음과 같은 참조 문헌들이 본 명세서에서 참조로서 인용된다:
Sugiura, "Interfacial Tension Driven Monodispersed Droplet Formation from Microfabricated Channel Array", Langmuir 2001, 17, 5562-5566.
Dangla, "Droplet microfluidics driven by gradients of confinement", PNAS; January 15, 2013; vol. 110, no. 3, 853-858.
미국 특허 5,736,330
미국 특허 5,981,180
미국 특허 6,057,107
미국 특허 6,268,222
미국 특허 6,449,562
미국 특허 6,514,295
미국 특허 6,524,793
미국 특허 6,528,165
미국 특허 7,842,457
미국 특허 7,927,797
미국 특허 8,048,627
미국 특허 8,296,088
미국 특허 출원 공개 번호 2013/0078164
미국 특허 출원 공개 번호 2012/0288897

Claims (63)

  1. 에멀젼화 디바이스(emulsification device)로서,
    채널 높이 CH 및 채널 폭 CW를 갖는 유입 부분을 구비한 채널로서, CW/CH의 비가 0.2보다 크고 5.0보다 작은, 상기 채널;
    상기 유입 부분과 유체 연통하는 제 1 단차부(step)로서,
    상기 제 1 단차부는 수평부 길이(thread length) T1과 단차부 높이 SH1을 가지고;
    상기 단차부 높이 SH1은 수직부 높이(riser height) R1만큼 상기 채널 높이 CH보다 크고;
    SH1/CH의 비가 1.0 초과 5.0 미만인, 상기 제 1 단차부;
    상기 제 1 단차부와 유체 연통하는 제 2 단차부로서,
    상기 제 2 단차부는 수평부 길이 T2와 단차부 높이 SH2를 가지고;
    상기 단차부 높이 SH2는 수직부 높이 R2만큼 상기 단차부 높이 SH1보다 크고;
    SH2/CH의 비가 1.0 초과 5.0 미만인, 상기 제 2 단차부; 및
    상기 제 2 단차부와 유체 연통하는 제 3 단차부로서,
    상기 제 3 단차부는 단차부 높이 SH3를 가지고;
    상기 단차부 높이 SH3는 수직부 높이 R3만큼 상기 제 2 단차부 높이 SH2보다 크며;
    상기 수직부 높이 R3는 0보다 큰, 상기 제 3 단차부;를 포함하는 에멀젼화 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    CW/CH 비는 2.0 초과 4.0 미만인, 에멀젼화 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    SH1/CH 비는 1.0 초과 2.0 미만인, 에멀젼화 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    SH1/CH 비는 약 1.5인, 에멀젼화 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    R3는 50 마이크론보다 큰, 에멀젼화 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    R1은 R2와 동일하고, R2는 R3보다 작은, 에멀젼화 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    T1/CH 비가 3.0 내지 4.0인, 에멀젼화 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    T2/CH 비가 2.0 내지 4.0인, 에멀젼화 디바이스.
  9. 제 1 항에 있어서,
    CH가 10 내지 50 마이크론인, 에멀젼화 디바이스.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단차부는 CW보다 큰 폭 W1을 가지고;
    상기 제 2 단차부는 W1보다 크거나 같은 폭 W2를 가지며;
    상기 제 3 단차부는 W1보다 크거나 같은 폭 W3를 갖는, 에멀젼화 디바이스.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 유입 부분으로서, 각각의 유입 부분이 높이 CH와 폭 CW를 가지고 CW/CH의 비가 0.2보다 크고 5.0보다 작은, 복수의 유입 부분;
    복수의 제 1 단차부로서, 각각의 제 1 단차부는:
    상기 복수의 유입 부분 중 하나의 유입 부분과 유체 연통하며,
    길이 T1과 높이 SH1를 가지고, SH1은 CH보다 수직부 높이 R1만큼 크고, SH1/CH의 비가 1.0 초과 5.0 미만인, 복수의 제 1 단차부;
    복수의 제 2 단차부로서, 각각의 제 2 단차부는:
    복수의 제 1 단차부 중 하나의 제 1 단차부와 유체 연통하고,
    제 3 단차부와 유체 연통하며,
    길이 T2와 높이 SH2를 가지고, SH2는 SH1보다 수직부 높이 R2만큼 크고, SH2/CH의 비가 1.0 초과 5.0 미만인, 복수의 제 2 단차부;를 포함하는 에멀젼화 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 유입 부분은 10 내지 100 개의 유입 부분을 포함하는, 에멀젼화 디바이스.
  13. 에멀젼을 형성하는 방법으로서,
    제 1 항 내지 제 10 항, 제 32 항 또는 제 33 항 중 어느 한 항에 따른 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계로서, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부가 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는, 상기 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계; 및
    제 2 유체를 유입 부분 내로 유입시키고 이어서 제 2 유체가 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 순서대로 통과하는 단계로서,
    상기 제 2 유체의 부분적 액적(droplet)이 제 1 단차부에 형성되고,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적이 제 2 단차부에 형성되며,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 제 2 단차부로부터 제 3 단차부로 전이되는, 상기 제 2 유체가 통과하는 단계;를 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 단차부의 완전한 액적의 높이가 상기 제 2 단차부의 완전한 액적의 길이보다 작도록, 상기 제 2 유체의 완전한 액적이 상기 제 2 단차부에서 압축되는, 에멀젼 형성 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 3 단차부의 완전한 액적의 높이가 상기 제 3 단차부의 완전한 액적의 길이보다 작도록, 상기 제 2 유체의 완전한 액적이 상기 제 3 단차부에서 압축되는, 에멀젼 형성 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 단차부의 완전한 액적의 높이는 상기 제 3 단차부의 완전한 액적의 높이보다 작은, 에멀젼 형성 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체는 관심 피분석물을 함유하는, 에멀젼 형성 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체는 분석 시약을 함유하는, 에멀젼 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 분석 시약은 PCR(중합효소 연쇄 반응) 프라이머, 염 또는 효소인, 에멀젼 형성 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 오일인, 에멀젼 형성 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 소수성 액체이고 상기 제 2 유체는 친수성 액체인, 에멀젼 형성 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 친수성 액체이고 상기 제 2 유체는 소수성 액체인, 에멀젼 형성 방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체 또는 제 2 유체 중 어느 하나가 에멀젼화제(emulsifying agent)를 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 에멀젼화제는 비이온성 계면 활성제를 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 에멀젼화제는 블록킹 단백질(blocking protein)을 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  26. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 초당 1 내지 30 개의 완전한 액적이 형성되는 레이트로 상기 제 2 단차부에 형성되는, 에멀젼 형성 방법.
  27. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 초당 10 내지 20 개의 완전한 액적이 형성되는 레이트로 상기 제 2 단차부에 형성되는, 에멀젼 형성 방법.
  28. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 40 내지 300 마이크론의 평균 직경을 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  29. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 50 내지 300 마이크론의 평균 직경을 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  30. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 형성되는 에멀젼은 2 내지 10%의 단 분산도를 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  31. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 형성되는 에멀젼은 4 내지 6%의 단 분산도를 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  32. 에멀젼화 디바이스로서,
    채널 높이 CH를 갖는 유입 부분을 구비한 채널;
    상기 유입 부분과 유체 연통하는 제 1 단차부로서,
    수평부 길이 T1과 단차부 높이 SH1을 가지고;
    SH1은 CH보다 수직부 높이 R1만큼 크고;
    R1은 제로보다 큰, 상기 제 1 단차부;
    상기 제 1 단차부와 유체 연통하는 제 2 단차부로서,
    수평부 길이 T2와 단차부 높이 SH2를 가지고;
    SH2는 SH1보다 수직부 높이 R2만큼 크고;
    R2는 제로보다 큰, 상기 제 2 단차부; 및
    상기 제 2 단차부와 유체 연통하는 제 3 단차부로서,
    단차부 높이 SH3를 가지고;
    SH3는 SH2보다 수직부 높이 R3만큼 크고;
    R3는 제로보다 큰, 상기 제 3 단차부;를 포함하는, 에멀젼화 디바이스.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 채널은 폭 CW를 가지고;
    제 1 단차부는 CW보다 큰 폭 W1을 가지며;
    제 2 단차부는 W1과 동일한 폭 W2를 가지며;
    제 3 단차부는 W1보다 큰 폭 W3를 갖는, 에멀젼화 디바이스.
  34. 제 32 항에 있어서,
    각각의 유입 부분이 높이 CH를 가지는, 복수의 유입 부분;
    복수의 제 1 단차부로서, 각각의 제 1 단차부는:
    상기 복수의 유입 부분 중 하나의 유입 부분과 유체 연통하며,
    길이 T1과 높이 SH1를 가지고, SH1은 CH보다 수직부 높이 R1만큼 크고, R1은 제로보다 큰, 복수의 제 1 단차부;
    복수의 제 2 단차부로서, 각각의 제 2 단차부는:
    복수의 제 1 단차부 중 하나의 제 1 단차부와 유체 연통하고,
    제 3 단차부와 유체 연통하며,
    길이 T2와 높이 SH2를 가지고, SH2는 SH1보다 수직부 높이 R2만큼 크고, R2는 제로보다 큰, 복수의 제 2 단차부;를 포함하는 에멀젼화 디바이스.
  35. 제 34 항에 있어서,
    복수의 유입 부분은 2 내지 100 개의 유입 부분을 포함하는, 에멀젼화 디바이스.
  36. 에멀젼을 형성하는 방법으로서,
    제 11 항, 제 12 항, 제 34 항 또는 제 35 항 중 어느 한 항에 따른 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계로서,
    복수의 제 1 단차부, 복수의 제 2 단차부, 및 복수의 제 3 단차부는 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는, 상기 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계; 및
    제 2 유체를 복수의 유입 부분으로 유입시키고 이어서 제 2 유체가 복수의 제 1 단차부, 복수의 제 2 단차부 및 복수의 제 3 단차부를 순서대로 통과하는 단계로서,
    상기 제 2 유체의 부분적 액적이 복수의 제 1 단차부 각각에 형성되고;
    복수의 제 1 단차부와 복수의 제 2 단차부 사이의 천이 동안에, 상기 제 2 유체의 완전한 액적이 복수의 제 2 단차부 각각에 형성되며;
    상기 제 2 유체의 완전한 액적은 복수의 제 2 단차부로부터 제 3 단차부로 전이되는, 상기 제 2 유체가 통과하는 단계;를 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    분당 적어도 10,000 개의 액적들이 복수의 제 2 단차부로부터 제 3 단차부로 전이되는, 에멀젼 형성 방법.
  38. 제 37 항에 있어서,
    상기 액적들은 10 % 미만의 평균 분산도를 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  39. 제 37 항에 있어서,
    상기 액적들은 5 % 미만의 평균 분산도를 갖는, 에멀젼 형성 방법.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 제 3 단차부의 액적들의 평균 액적 직경은 40 내지 300 마이크론인, 에멀젼 형성 방법.
  41. 에멀젼화 디바이스로서,
    제 1 직경을 갖는 액적들을 형성하도록 구성된 제 1 기하학적 구조를 포함하는 제 1 복수의 채널; 및
    제 1 직경보다 큰 제 2 직경을 갖는 액적들을 형성하도록 구성된 제 2 기하학적 구조를 포함하는 제 2 복수의 채널;을 포함하는, 에멀젼화 디바이스.
  42. 제 41 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널은 각각 유입 부분, 제 1 단차부, 및 제 2 단차부를 포함하고;
    제 2 복수의 채널은 각각 유입 부분, 제 1 단차부, 및 제 2 단차부를 포함하는, 에멀젼화 디바이스.
  43. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널 각각의 제 1 단차부는 단차부 높이 FSH1을 가지고;
    제 2 복수의 채널 각각의 제 1 단차부는 단차부 높이 SSH1을 가지며;
    SSH1은 FSH1보다 적어도 50% 더 큰, 에멀젼화 디바이스.
  44. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널 각각의 제 1 단차부는 단차부 높이 FSH1을 가지고;
    제 2 복수의 채널 각각의 제 1 단차부는 단차부 높이 SSH1을 가지며;
    SSH1는 FSH1보다 적어도 100% 더 큰, 에멀젼화 디바이스.
  45. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널 각각의 제 2 단차부는 단차부 높이 FSH2를 가지고;
    제 2 복수의 채널 각각의 제 2 단차부는 단차부 높이 SSH2를 가지며;
    SSH2는 FSH2보다 적어도 50% 더 큰, 에멀젼화 디바이스.
  46. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널 각각의 제 2 단차부는 단차부 높이 FSH2를 가지고;
    제 2 복수의 채널 각각의 제 2 단차부는 단차부 높이 SSH2를 가지며;
    SSH2는 FSH2보다 적어도 100% 더 큰, 에멀젼화 디바이스.
  47. 제 46 항에 있어서,
    FSH2는 10 μm 내지 50 μm이며,
    SSH2는 80 μm 내지 200 μm인, 에멀젼화 디바이스.
  48. 제 46 항에 있어서,
    FSH2는 20 μm 내지 30 μm이며,
    SSH2는 100 μm 내지 140 μm인, 에멀젼화 디바이스.
  49. 제 46 항에 있어서,
    FSH2는 약 27 ㎛이며,
    SSH2는 약 120 μm인, 에멀젼화 디바이스.
  50. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널은 각각 단차부 높이 FSH3를 갖는 제 3 단차부을 포함하고;
    제 2 복수의 채널은 각각 단차부 높이 SSH3를 갖는 제 3 단차부을 포함하며;
    FSH3는 SSH3와 동일한, 에멀젼화 디바이스.
  51. 제 42 항에 있어서,
    제 1 복수의 채널은 각각 단차부 높이 FSH3를 갖는 제 3 단차부을 포함하고;
    제 2 복수의 채널은 각각 단차부 높이 SSH3를 갖는 제 3 단차부을 포함하며;
    FSH3는 SSH3보다 작은, 에멀젼화 디바이스.
  52. 에멀젼을 형성하는 방법으로서,
    제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널을 포함하는 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계로서,
    제 1 복수의 채널 각각은 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는 일련의 단차부들을 포함하고;
    제 2 복수의 채널 각각은 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는 일련의 단차부들을 포함하는, 상기 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계; 및,
    제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널 내로 제 2 유체를 유입시키는 단계로서,
    제 2 유체의 제 1 액적이 제 1 복수의 채널 각각에 형성되고;
    제 2 유체의 제 2 액적이 제 2 복수의 채널 각각에 형성되며,
    상기 제 2 액적은 제 1 액적보다 큰 직경을 갖는, 상기 제 2 유체를 유입시키는 단계;를 포함하는, 에멀젼 형성 방법.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 액적의 직경은 10 ㎛ 내지 50 ㎛이고;
    상기 제 2 액적의 직경은 80 ㎛ 내지 300 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  54. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 액적의 직경은 20 ㎛ 내지 30 ㎛이고;
    상기 제 2 액적의 직경은 100 ㎛ 내지 140 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  55. 제 52 항에 있어서,
    상기 제 1 액적의 직경은 약 27 ㎛이고;
    상기 제 2 액적의 직경은 약 120 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  56. 에멀젼을 형성하는 방법으로서,
    제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널을 포함하는 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계로서,
    제 1 복수의 채널 각각은 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부, 및 제 3 단차부를 포함하며,
    제 2 복수의 채널들 각각은 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부, 및 제 3 단차부를 포함하고,
    상기 제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부, 복수의 제 2 단차부 및 복수의 제 3 단차부는 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는, 상기 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널의 복수의 유입 부분으로 제 2 유체를 유입시키고, 이어서, 제 2 유체가 상기 제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들, 복수의 제 2 단차부들 및 복수의 제 3 단차부들을 순서대로 통과하는 단계로서,
    상기 제 2 유체의 부분적 액적이 상기 제 1 복수의 채널 및 제 2 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각에 형성되며,
    상기 제 2 유체의 제 1 완전한 액적이 상기 제 1 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각과 복수의 제 2 단차부들 각각 사이의 처리(transaction) 중에 형성되고;
    상기 제 2 유체의 제 2 완전한 액적이 상기 제 2 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각과 복수의 제 2 단차부들 각각 사이의 처리(transaction) 중에 형성되고;
    상기 제 2 유체의 제 2 완전한 액적은 제 2 유체의 제 1 완전한 액적보다 큰, 에멀젼 형성 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 10 ㎛ 내지 50 ㎛이고;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 80 ㎛ 내지 300 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  58. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 20 ㎛ 내지 30 ㎛이고;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 100 ㎛ 내지 140 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  59. 제 56 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 약 27 ㎛이고;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 약 120 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  60. 에멀젼을 형성하는 방법으로서,
    제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널, 및 제 3 복수의 채널을 포함하는 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계로서,
    제 1 복수의 채널 각각은 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 포함하고,
    제 2 복수의 채널 각각은 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 포함하고,
    제 3 복수의 채널 각각은 유입 부분, 제 1 단차부, 제 2 단차부 및 제 3 단차부를 포함하며,
    상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널, 및 제 3 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부, 복수의 제 2 단차부 및 복수의 제 3 단차부는 실질적으로 정적인 제 1 유체를 수용하는, 상기 에멀젼화 디바이스를 제공하는 단계; 및
    제 2 유체를 상기 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의 복수의 유입 부분으로 유입시키고, 이어서 제 2 유체가 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널 및 제 3 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부, 복수의 제 2 단차부 및 복수의 제 3 단차부를 순서대로 통과하는 단계로서,
    제 2 유체의 부분적 액적이 제 1 복수의 채널, 제 2 복수의 채널, 및 제 3 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각에 형성되고,
    제 2 유체의 제 1 완전한 액적이 제 1 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각과 복수의 제 2 단차부들 각각 사이의 처리(transaction) 중에 형성되고,
    제 2 유체의 제 2 완전한 액적이 제 2 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각과 복수의 제 2 단차부들 각각 사이의 처리(transaction) 중에 형성되고,
    제 2 유체의 제 3 완전한 액적이 제 3 복수의 채널의 복수의 제 1 단차부들 각각과 복수의 제 2 단차부들 각각 사이의 처리(transaction) 중에 형성되며,
    제 2 유체의 제 2 완전한 액적은 제 2 유체의 제 1 완전한 액적보다 크며,
    제 2 유체의 제 3 완전한 액적은 제 2 유체의 제 2 완전한 액적보다 큰, 에멀젼 형성 방법.
  61. 제 60 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 25 ㎛ 내지 65 ㎛이며;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 80 ㎛ 내지 200 ㎛이며;
    상기 제 3 완전한 액적의 직경은 200 ㎛ 내지 400 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  62. 제 60 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 35 ㎛ 내지 55 ㎛이며;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 100 ㎛ 내지 140 ㎛이고;
    상기 제 3 완전한 액적의 직경은 250 ㎛ 내지 350 ㎛인, 에멀젼 형성 방법.
  63. 제 60 항에 있어서,
    상기 제 1 완전한 액적의 직경은 약 45㎛이고;
    상기 제 2 완전한 액적의 직경은 약 120 ㎛이며;
    상기 제 3 완전한 액적의 직경은 약 300㎛인, 에멀젼 형성 방법.
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