KR20180039737A - 미세유체 디바이스용 수동형 펌프 - Google Patents
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Abstract
수동형 미세유체 펌프가 본 명세서에서 제공된다. 펌프는 유체 입구, 흡수 영역, 유체 입구와 흡수 영역을 유체 연결하는 저항 영역, 및 저항 영역, 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러싸는 증발 장벽(evaporation barrier)을 포함할 수 있다. 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 유체 입구로부터 제1다공성 매체를 통하여 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(fluidly non-conducting boundary)를 포함할 수 있다. 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있다. 저항 영역 및 흡수 영역은 유체 입구가 유체와 접촉된 경우에 유체 입구로부터 저항 영역을 통하여 흡수 영역으로 전진하는 모세관 유도 유체 전방부(capillary-driven fluid front)를 확립하도록 구성될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 9월 4일자로 출원된 미국 가출원 제62/214,352호의 이익을 청구하고, 이는 본 명세서에 전체적으로 참고로 포함된다.
연방 후원 연구 또는 개발에 관한 진술
본 발명은 국립 보건원(National Institutes of Health)에 의해 수여된 허가 번호 UL1TR001111호 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 소정 권리를 가진다.
많은 진단 검사장치를 사용 지점으로 이동시키기를 원하는 경우, 미세유체 디바이스는 건강관리, 환경 모니터링, 식품 안전, 및 다른 응용예에서 광범위하게 사용하기 위한 놀라운 잠재력을 갖는다. 특히, 소량의 액체를 처리하는 미세유체 시스템의 능력은 이를 많은 바이오 분석 응용예에 매우 적절한 것으로 만든다.
많은 이점에도 불구하고, 일부 중요한 기술적 장애가 많은 응용예에 대한 미세유체 디바이스의 광범위한 채택을 방해하였다. 예를 들어, 대부분의 미세유체 디바이스는 디바이스 내의 유체 유동을 안내 및 제어하기 위하여 부피가 크고 고가인 펌프에 의존한다. 이러한 외부 펌프는 전형적으로 유체 유동의 정밀한 제어가 많은 응용예에 이점을 제공하기 때문에 요구된다. 예를 들어, 유체 유동을 신중하게 제어/최적화함으로써, 검사장치(예컨대, 면역검정장치)의 민감도를 증가시킬 수 있고, 분석을 위해 세포 배양물로부터 생성물을 전달할 수 있고, 바이오센서에서 고정된 인식 분자에 대한 표적 결합을 제한하는 제거 구역의 효과를 최소화할 수 있다. 그러나, 펌프와 같이 복잡하고/하거나 고가인 외부 기기에 대한 필요성은, 특히 낮은 자원 환경에서, 현장 진료 진단(point-of-care diagnostic), 식품 및 수질 검사, 및 환경 모니터링을 위한 미세유체 검사장치의 잠재적 사용을 극적으로 제한한다. 이러한 미세유체 디바이스가 사용하기 쉽고, 보다 저비용이고, 작동 신뢰성이 더 우수하기 위하여, 미세유체 디바이스 내의 유체 유동을 제어하기 위한 개선된 디바이스 및 방법이 필요하다.
본 명세서에서는 미세유체 펌프가 제공된다. 펌프(본 명세서에서 설명되는 하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)는 제조가 단순하고, 저가이며, 부착된 미세유체 시스템을 통한 유체 유동의 용이하고 정밀한 제어를 제공한다. 추가로, 펌프는 수동형(passive)이고(즉, 입력되는 에너지가 필요하지 않음), 일회용이고/이거나, 생분해성이고/이거나 가연성이도록 설계될 수 있다.
수동형 미세유체 펌프는 유체 입구, 흡수 영역, 유체 입구와 흡수 영역을 유체 연결하는 저항 영역, 및 저항 영역, 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러싸는 증발 장벽(evaporation barrier)을 포함한다. 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 유체 입구로부터 제1다공성 매체를 통하여 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(fluidly non-conducting boundary)를 포함할 수 있다. 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있다. 저항 영역 및 흡수 영역은 유체 입구가 유체와 접촉된 경우에 유체 입구로부터 저항 영역을 통하여 흡수 영역으로 전진하는 모세관 유도 유체 전방부(capillary-driven fluid front)를 확립하도록 구성될 수 있다.
저항 영역 및 흡수 영역의 치수 및 특성은 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 (예컨대, 일정하거나, 단차형으로 증가하거나, 단차형으로 감소하거나, 진동하거나, 점진적으로 증가 또는 감소하는) 원하는 유체 유량 프로파일을 생성하도록 구성된 수동형 펌프를 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 소정 실시 형태에서, 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 더 크다(예컨대, 적어도 5배 초과, 적어도 10배 초과, 또는 적어도 20배 초과). 이들 실시 형태에서, 저항 영역의 치수 및 특성은 펌프가 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 펌프에 의해 제공되는 유량을 선택하도록 변형될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 저항 영역은 모세관 유도 유체가 저항 영역으로부터 제2다공성 매체를 통하여 전진함에 따라 1 nL/min 내지 100 ㎕/min의 유체 유량을 제공하도록 구성된다. 유사하게, 흡수 영역의 치수 및 특성은 저항 영역에 의해 결정된 유량으로 펌핑되는 미리-결정된 체적의 유체를 선택하도록 변형될 수 있다. 예를 들어, 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤된 1 ㎕ 내지 10 mL(예컨대, 10 ㎕ 내지 10 mL)의 유체를 흡수하도록 크기-설정될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 저항 영역은 미리-결정된 체적의 유체를 10초 내지 7일(예컨대, 0.1분 내지 90분) 내에 흡수 영역으로 전달하는 데 유효한 유체 유량을 제공하도록 구성될 수 있다.
원하는 경우, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프는 유체 입구, 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 펌프는 또한 펌프의 요소들을 통과하는 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함할 수 있다.
증발 장벽은 저항 영역, 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러쌀 수 있다. 일부 경우에, 증발 장벽은 저항 영역을 둘러쌀 수 있다. 일부 경우에, 증발 장벽은 흡수 영역을 둘러쌀 수 있다. 소정 실시 형태에서, 증발 장벽은 저항 영역 및 흡수 영역 둘 모두를 둘러쌀 수 있다. 증발 장벽이 흡수 영역을 둘러싸는 경우에, 펌프는 (예컨대, 흡수 영역이 유체로 충전됨에 따라 압력 균등화를 허용하도록) 흡수 영역에 작동식으로 결합된 기공을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수동형 미세유체 펌프는 제2(또는 그 이상의) 흡수 영역을 추가로 포함할 수 있다. 그러한 펌프는 본 명세서에서 "하이브리드 펌프"로 지칭된다. 그러한 펌프는 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 더 복합적인 유체 유량 프로파일을 유도하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 및 제2흡수 영역을 추가로 포함할 수 있다. 제2흡수 영역은 제1흡수 영역에 병렬로 또는 직렬로 유체 연결될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시 형태에서, 제2흡수 영역은 제1흡수 영역에 병렬로 유체 연결될 수 있다. 이러한 실시 형태들에서, 제2저항 영역은 제3다공성 매체, 및 유체 입구로부터 제3다공성 매체를 통하여 제2흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있고, 제2흡수 영역은 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 유체 입구로부터 제2저항 영역 내로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 제2흡수 영역은 제1흡수 영역에 직렬로 유체 연결될 수 있다. 이러한 실시 형태들에서, 제2저항 영역은 제3다공성 매체, 및 제1흡수 영역으로부터 제3다공성 매체를 통하여 제2흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있고, 제2흡수 영역은 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 제1흡수 영역으로부터 제2저항 영역으로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 하이브리드 펌프는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 하이브리드 펌프는 또한 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 하이브리드 펌프는 병렬 및 직렬 둘 모두로 유체 연결되는 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 하이브리드 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들, 및 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 펌프의 영역들을 이루는 다공성 매체는 임의의 적합한 다공성 재료로 형성될 수 있다. 적합한 다공성 재료는, 펌프에 의해 이송되는 유체의 아이덴티티(identity)(예컨대, 수성 유체 또는 유기 유체) 및 펌프에 의해 유도되는 원하는 유체 유량 프로파일을 포함하는, 다수의 인자들을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 수용액의 유동을 구동하도록 구성되는 펌프의 경우, 다공성 재료는 다공성 친수성 재료를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 다공성 재료는 셀룰로오스성 기재(substrate)(예컨대, 종이, 셀룰로오스 유도체, 직조 셀룰로오스 재료, 부직 셀룰로오스 재료, 또는 이들의 조합)를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 펌프는 종이 기반 펌프일 수 있다(즉, 다공성 재료는 종이를 포함할 수 있다). 적합한 종이의 예에는 크로마토그래피 종이, 카드 스톡, 필터 용지, 모조 양피지(vellum paper), 인쇄 용지, 포장 용지, 장부 용지, 지폐 용지, 증권 용지, 압지, 제도 용지, 어지(fish paper), 화장 용지, 종이 타월, 파라핀지, 및 사진 용지가 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에서 설명되는 펌프의 다공성 영역들(예컨대, 제1다공성 매체 및 제2다공성 매체)은 단일 조각의 기재 재료 내에 형성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 본 명세서에서 설명되는 펌프의 다공성 영역들(예컨대, 제1다공성 매체 및 제2다공성 매체)은 서로 유체 접촉 상태에 있는 별개 조각의 기재 재료들(예컨대, 서로 인접한 별개 조각의 기재 재료들)을 포함한다. 이러한 실시 형태들에서, 별개 조각의 기재 재료들은 동일한 두께 또는 상이한 두께를 갖는다. 일례에서, 제2다공성 매체를 형성하는 기재 재료의 조각은 제1다공성 재료를 형성하는 기재 재료의 조각보다 더 두꺼울 수 있다(즉, 흡수 영역을 형성하는 다공성 매체는 저항 영역을 형성하는 다공성 매체보다 더 두꺼울 수 있다). 일부 경우에, 제2다공성 매체를 형성하는 기재 재료의 조각 및 제1다공성 재료를 형성하는 기재 재료의 조각은 동일 평면에 있지 않다. 소정의 경우에, 흡수 영역은 비평면이다. 예를 들어, 원하는 경우에, 흡수 영역은 흡수 영역의 풋프린트(footprint)(그리고, 신장에 의해, 펌프의 전체 풋프린트)를 감소시키기 위하여 3차원 형상으로 절첩 또는 절곡될 수 있다.
일 실시 형태에서, 흡수 영역은 저항 영역에 탈착 가능하게 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 흡수 영역은 (예컨대, 일단 유체로 충전되면) 제거될 수 있고, (예컨대, 펌프가 다른 체적의 유체를 침윤시키게 하는) 새로운 흡수 영역으로 교체될 수 있다. 원하는 경우, 예를 들어, 이후의 분석을 위한 다수의 분획(fraction)의 유체를 수집하기 위하여, 탈착 가능한 흡수 영역들이 사용될 수 있다.
원하는 경우, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 미세유체 디바이스 내의 유체의 제어를 제공하기 위하여 더 큰 미세유체 디바이스 내에 일체로 형성될 수 있다. 다른 경우에, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 구조가 모듈형일 수 있고, 외부 미세유체 디바이스에 용이하게 부착되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 '플러그 앤드 플레이(plug-and-play)' 방식으로 사용되어 종래의 다양한 미세유체 디바이스들에서 유체 유동을 제어할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 유체 입구는 미세유체 채널과 유체 연결되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 유체 입구는 미세유체 디바이스(예컨대, 외부 미세유체 디바이스)와 펌프의 부착을 용이하게 하는 기하학적 구성 및 구조를 가질 수 있다. 예로서, 유체 입구는 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 전도성 영역을 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은, 예를 들어, 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 형성하는 다공성 매체를 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은 또한 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 제공하는 개방형 공기 충전 채널 및/또는 전도성 재료(예컨대, 유리 비드(bead), 유리섬유, 및/또는 유리솜)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 복수의 유체 연결된 펌프들 또는 하이브리드 펌프들을 포함하는 복합 펌프가 또한 본 명세서에서 제공된다. 복수의 펌프들은 병렬로, 직렬로, 또는 병렬 및 직렬 둘 모두로 유체 연결될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들 및 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다.
복수의 펌프들은 임의의 적합한 방식으로 유체 연결될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 평행한 평면들에 적층된다. 선택적으로, 복합 펌프는 복합 펌프를 통과하는 (예컨대, 복수의 유체 연결된 펌프들 중 적어도 하나의 펌프 내로의) 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 복합 펌프 내의 펌프의 유체 입구, 복합 펌프 내의 펌프의 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 복합 펌프 내의 복수의 펌프들 중 2개의 펌프들 사이에 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 수동형 펌프들 중 하나 이상을 포함하는 미세유체 디바이스가 또한 제공된다. 예시적인 미세유체 디바이스는 유체 입구를 유체 출구에 유체 연결하는 미세유체 채널, 및 (예컨대, 유체 입구가 유체와 접촉되는 경우에 펌프가 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록) 미세유체 채널의 유체 출구에 유체 연결되는 본 명세서에서 설명되는 펌프(예컨대, 펌프, 하이브리드 펌프, 및/또는 복합 펌프)를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 펌프의 유체 입구는 미세유체 채널의 유체 출구와 직접 접촉 상태에 있을 수 있다. 소정 실시 형태에서, 펌프는 적어도 0.1분(예컨대, 적어도 0.5분, 적어도 1분, 적어도 5분, 적어도 10분, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 펌프는 적어도 10분(예컨대, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 가변하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 가변하는 유량은, 예를 들어, 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 펌프(하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)를 사용하는 방법이 또한 제공된다. 본 명세서에서 설명되는 펌프는 부착된 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 유도하는 데(예컨대, 설정된 체적에 대한 제어된 유량을 달성하는 데, 그리고/또는 디바이스를 통과하는 다수의 미리-결정된 유량들을 달성하는 데) 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 펌프를 미세유체 디바이스의 유체 출구에 유체 연결하는 단계; 및 미세유체 디바이스의 유체 입구를 유체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 유도하기 위한 방법이 또한 제공된다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 미세유체 디바이스의 유체 출구에 직접 연결될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 펌프는 적어도 0.1분(예컨대, 적어도 0.5분, 적어도 1분, 적어도 5분, 적어도 10분, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 펌프는 적어도 10분(예컨대, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 가변하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 가변하는 유량은, 예를 들어, 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함할 수 있다.
펌프(본 명세서에서 설명되는 하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)는 또한 공정 제어 응용예들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 미세유체 채널의 유체 저항을 결정하는 데, 미세유체 채널의 높이를 측정하는 데, 종이와 같은 다공성 재료의 특성(예컨대, 투과율)을 정량화하는 데, 그리고/또는 미지의 유체의 특성(예컨대, 점도)을 정량화하는 데 사용될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 펌프의 모듈형 본질을 고려하면, 개별 모듈형 펌프들은 미세유체 채널 내에 미리-결정된 유체 유량을 제공하는 복합 펌프를 형성하도록 용이하게 조립될 수 있다. 따라서, 미세유체 채널 내에 미리-결정된 유체 유량을 제공하도록 구성되는 수동형 복합 펌프를 조립하는 방법이 또한 제공된다. 이러한 방법은 유체와의 접촉 시 특정 유체 유량을 유체 입구로 유도하도록 형상화된 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 펌프(본 문맥에서는 "펌프 서브유닛"으로 지칭됨)를 유체 연결하여 수동형 복합 펌프를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 펌프 서브유닛은 저항 영역 및 흡수 영역을 포함할 수 있는데, 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 유체 입구로부터 제1다공성 매체를 통하여 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하고, 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함한다. 선택적으로, 각각의 펌프 서브유닛은 증발 장벽 내에 둘러싸일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수동형 복합 펌프를 조립하는 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 유체 연결하고 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 단계는 유체 입구를 형성하도록 펌프 서브유닛들을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 유체 입구는, 적층체 내의 펌프 서브유닛들을 통하여 연장되고 각각의 펌프 서브유닛의 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 전도성 영역을 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은, 예를 들어, 유체 유동을 위한 경로를 형성하는 다공성 매체를 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은 또한 유체 유동을 위한 경로를 제공하는 개방형 공기 충전 채널 및/또는 전도성 재료(예컨대, 유리섬유 또는 유리솜)를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 복합 펌프 내의 펌프 서브유닛들 사이에 유체 유동에 대한 장벽을 형성하기 위하여 적층체 내의 펌프 서브유닛들 사이에 (예컨대, 유체 입구를 횡단하는) 용해성 멤브레인을 위치시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
도 1은 예시적인 수동형 미세유체 펌프의 개략도이다.
도 2는 제1흡수 영역에 직렬로 유체 연결되는 제2흡수 영역을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프의 개략도이다.
도 3은 제1흡수 영역에 병렬로 유체 연결되는 제2흡수 영역을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프의 개략도이다.
도 4a는 기지의 본질적 특성을 갖는 다공성 재료의 직사각형 스트립을 통과하는 유체 유동을 예측하기 위한 1차원 수치적 방법 모델의 단계형 접근법의 개략도를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 단계형 접근법의 상응하는 회로의 개략도를 도시한다.
도 4c는 도 4a에 도시된 접근법의 전파 방향을 따르는 각 단계에 대한 계산된 저항(Rtot), 체적 유량(Q), 및 시간(ttot)의 예시적인 결과를 도시한다.
도 5는 예시적인 형상화된 조립체들 및 각각의 형상에 예상되는 액체 전방부의 형상들(좌측 컬럼) 및 습윤 전방부 위치의 함수로서의 습윤 전방부의 유효 폭의 개략도(우측 컬럼)를 도시한다.
도 6은 일 실시 형태에 따른 형상화된 종이 조립체의 제조 단계의 개략도를 도시한다.
도 7은 유체 비전도성 경계로서 공기 갭을 사용한 도 3에 도시된 최종 형상화된 종이 조립체의 개략도를 도시한다.
도 8은 다른 실시 형태에 따른 다수의 수동형 펌프들의 제조 단계의 개략도를 도시한다.
도 9는 (예컨대, 주사기 펌프를 사용함으로써) 가변하는 유량에 따른 현장 진료 검사장치의 실험 데이터를 예시한다. 형광 세기는 미세채널의 바닥부에서의 미세어레이의 스폿(spot)에 결합된 표적의 형광 세기이다. 증가된 유량이 결합 속도(형광 세기 대 시간의 기울기)를 증가시키고 지속된 유동이 진단 검사장치의 민감도를 증가시키는 결과를 보여준다.
도 10a는 일 실시 형태에 따른 전통적인 미세유체 채널에 부착된 수동형 펌프의 개략도를 도시한다.
도 10b는 유사한 저항 전기 회로의 개략도를 도시한다.
도 10c는 수동형 펌프 내로의 유체의 예상된 유동을 도시하는데, 입구가 먼저 습윤되고, 이어서 유체가 저항 목부(resistive neck)를 내려가서 최종적으로 흡수 영역 내로 들어간다.
도 11은 상이한 목부 저항들을 갖지만 흡수 영역에서 동일한 용적(volumetric capacity)을 갖는, 동일한 다공성 재료로 제조된 4개의 수동형 펌프(P1, P2, P3, P4)를 도시한다. 이들 펌프의 각각은 흡수 영역들이 모두 동일한 크기이기 때문에 유사한 용적을 갖는다. 도 11은 또한 P1, P2, P3, 및 P4에 대한 체적 유량 프로파일(각각, 4.5 ㎕/min, 2.3 ㎕/min, 1 ㎕/min, 및 0.5 ㎕/min)의 플롯을 포함한다.
도 12는 동일한 다공성 재료로 제조되지만 다양한 크기의 흡수 영역들을 갖는 3개의 수동형 펌프(P1, P2, P3)를 도시한다. 이들 펌프의 각각은 저항 목부들이 모두 동일한 치수이기 때문에 유사한 저항의 목부를 갖는다. 도 12는 또한 P1, P2, 및 P3에 대한 체적 유량 프로파일의 플롯을 포함한다.
도 13a 및 도 13b는 현장 진료 진단 검사장치를 위한 조립체에 통합된 수동형 펌프의 개략도를 도시한다. 도 13a는 조립된 조립체의 분해도이고, 도 13b는 조립된 조립체의 사시도이다.
도 14a 및 도 14b는 일 실시 형태에 따라, 일정 기간 동안 하나의 유량을 갖고, 주어진 시간 동안 더 낮은 제2유량을 갖고, 최종적으로 주어진 시간 동안 더욱 더 낮은 제3유량을 갖는 펌프의 개략도를 도시한다.
도 14c는 펌프를 따르는 다양한 지점들(A 내지 F)에서의 유량 대 시간을 예시한다. 다양한 지점들이 도 14b에 도시되어 있다.
도 15a는 일 실시 형태에 따른 단차형으로 감소하는 유량에 대한 하이브리드 펌프를 예시한다. 상부 흡수 영역 및 하부 흡수 영역의 방향으로의 유동이 부가된다.
도 15b는 도 15a에 도시된 펌프에 대한 유량 대 시간을 예시한다. 시간(A)에서는, 둘 모두가 펌핑 중이다. 시간(B)에서는, 하부 영역이 포화되어 펌핑을 정지하지만, 상부 영역은 펌핑을 계속한다. 단차형으로 감소하는 체적 유량이 미세채널에서 확립된다.
도 16a 및 도 16b는, 2개의 흡수 영역들을 갖고 흡수 영역들 중 하나와 연결 포트(유체 입구) 사이에 지연부가 연장되는 다른 실시 형태에 따른 하이브리드 펌프를 도시한다. 펌프는 일정 기간 동안 하나의 유량으로 펌핑하고 이어서 일단 지연부가 없어지면 일정 기간 동안 더 높은 유량으로 펌핑하도록 설계된다.
도 16c는 시간(A) 내지 시간(F)에서의 도 16a 및 도 16b에 도시된 펌프에 대한 유량 대 시간을 예시한다.
도 17은 일 실시 형태에 따른, 적층을 위해 입구 패드의 양 측부 상에 개방 포트를 갖는 펌프의 개략도를 도시한다.
도 18a는 일 실시 형태에 따른, 함께 적층될 수 있는 기지의 펌핑 프로파일들을 갖는 펌프 형상들을 도시한다.
도 18b는 도 18a에 도시된 펌프들을 조립된 구성으로 도시한다.
도 18c는 시간(A) 내지 시간(D)에서의 도 18b에 도시된 구성에 대한 예시적인 유량 대 시간을 예시한다.
도 19는 유동에 대해 승법적 효과(multiplicative effect)를 갖도록 미세유체 채널의 단부에 적층될 수 있는 도 18b에 도시된 복합 펌프와 유사한 적층가능 복합 펌프를 도시한다.
도 20은 단일 미세유체 펌프 및 복합 펌프를 형성하도록 적층된 2개의 수동형 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다.
도 21은 각각이 2개의 적층된 펌프 서브유닛들(P1+P3 적층체 및 P2+P4 적층체)을 포함하는 2개의 상이한 복합 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다. P1, P2, P3, 및 P4 각각은 유체 유동에 상이한 저항을 제공하는 저항 영역을 포함한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 다양한 방식으로 이들을 조합함으로써, 복합적인 프로그램가능 유체 유량 프로파일들이 생성될 수 있다.
도 22a 및 도 22b는 미세유체 채널의 단부에 있는 포트 이외의 포트들에서 적층이 일어날 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 접근법을 이용하여, 탈착 가능한 흡수 영역을 포함하는 펌프들이 제조될 수 있다. 이러한 펌프들에서, 흡수 패드가 용이하게 교체될 수 있어서, 저항 영역(목부)을 미세유체 채널과 연결된 상태로 남길 수 있고, 침지된 패드는 이후의 분석을 위하여 사용될 수도 있다.
도 23은 상이한 영역들에서 상이한 두께들을 갖는 다공성 재료를 갖는 펌프의 제조를 위한 단계들의 개략도를 도시한다. 본 실시 형태에서, 다공성 매체들의 상이한 층들의 표면들은 유체에 대해 투과성이어서 저항 영역보다 더 두꺼운 흡수 영역을 생성한다.
도 24는 펌프의 원래 특성을 유지하면서 펌프의 풋프린트를 감소시키기 위한 펌프의 제조를 위한 단계들의 개략도를 도시한다. 이러한 경우에, 다공성 매체들의 상이한 층들의 표면들은 유체에 대해 불투과성이다.
도 25는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함하는 예시적인 복합 펌프를 도시한다. 유체가 초기에 펌프 내로 (제1펌프 서브유닛의 유체 입구 내로) 침윤되는 경우, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1으로 결정된다(패널 A). 일단 멤브레인이 파열되면, 유체는 펌프들 둘 모두 내로 침윤될 수 있고, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1+Q2로 결정된다(패널 B).
도 26은 복합 펌프가, 예를 들어, 미세유체 채널 또는 현장 진료 진단 검사장치에 유체 연결될 수 있는 것을 도시하는데, 여기서 복합 펌프는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함한다. 패널 A는 최종 조립체의 분해도를 도시한다. 패널 B는 시간의 함수로서의 부착된 미세유체 디바이스를 통한 유체 유량을 나타내는 플롯이다.
도 27은 펌프(P4)의 입구 영역과 펌프-유사 디바이스(P9)의 입구 영역 사이에 삽입된 용해성 PVA 멤브레인(D1)을 포함하는 복합 펌프의 실험 유량 프로파일을 도시한다. P9는 그가 입구 영역 및 흡수 영역을 갖지만 저항 영역을 갖지 않기 때문에 펌프-유사형이다.
도 28은 동일한 형상을 갖지만 상이한 본질적 특성들을 갖는 다공성 재료들(F4, F597, Chr1, F1, F6, F5)로 제조된 펌프들의 유량 프로파일들을 도시한다.
도 29는 형상화된 다공성 재료가 미세유체 채널의 저항을 측정하는 데 사용될 수 있는 방법의 기본적인 개략도를 도시한다.
도 30은 증가하는 유체 저항에 따라 제조될 수 있는 미세채널들의 길이의 예시적인 범위의 개략도를 도시한다.
도 31은 주어진 수동형 펌프 및 캘리브레이션 피팅에 대한 가상 데이터를 도시한다. 이러한 캘리브레이션 곡선은 충전하는 시간을 측정함으로써 주어진 미세채널의 저항을 검사하는 데 사용될 수 있다.
도 32는 상이한(낮은, 중간, 높은) 저항들의 미세채널들에 부착된 주어진 수동형 펌프에 대한 가상 침윤 데이터 및 각각의 펌프를 위한 다공성 재료의 투과율 및 모세관 압력의 최상의 피팅을 도시한다.
도 2는 제1흡수 영역에 직렬로 유체 연결되는 제2흡수 영역을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프의 개략도이다.
도 3은 제1흡수 영역에 병렬로 유체 연결되는 제2흡수 영역을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프의 개략도이다.
도 4a는 기지의 본질적 특성을 갖는 다공성 재료의 직사각형 스트립을 통과하는 유체 유동을 예측하기 위한 1차원 수치적 방법 모델의 단계형 접근법의 개략도를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 도시된 단계형 접근법의 상응하는 회로의 개략도를 도시한다.
도 4c는 도 4a에 도시된 접근법의 전파 방향을 따르는 각 단계에 대한 계산된 저항(Rtot), 체적 유량(Q), 및 시간(ttot)의 예시적인 결과를 도시한다.
도 5는 예시적인 형상화된 조립체들 및 각각의 형상에 예상되는 액체 전방부의 형상들(좌측 컬럼) 및 습윤 전방부 위치의 함수로서의 습윤 전방부의 유효 폭의 개략도(우측 컬럼)를 도시한다.
도 6은 일 실시 형태에 따른 형상화된 종이 조립체의 제조 단계의 개략도를 도시한다.
도 7은 유체 비전도성 경계로서 공기 갭을 사용한 도 3에 도시된 최종 형상화된 종이 조립체의 개략도를 도시한다.
도 8은 다른 실시 형태에 따른 다수의 수동형 펌프들의 제조 단계의 개략도를 도시한다.
도 9는 (예컨대, 주사기 펌프를 사용함으로써) 가변하는 유량에 따른 현장 진료 검사장치의 실험 데이터를 예시한다. 형광 세기는 미세채널의 바닥부에서의 미세어레이의 스폿(spot)에 결합된 표적의 형광 세기이다. 증가된 유량이 결합 속도(형광 세기 대 시간의 기울기)를 증가시키고 지속된 유동이 진단 검사장치의 민감도를 증가시키는 결과를 보여준다.
도 10a는 일 실시 형태에 따른 전통적인 미세유체 채널에 부착된 수동형 펌프의 개략도를 도시한다.
도 10b는 유사한 저항 전기 회로의 개략도를 도시한다.
도 10c는 수동형 펌프 내로의 유체의 예상된 유동을 도시하는데, 입구가 먼저 습윤되고, 이어서 유체가 저항 목부(resistive neck)를 내려가서 최종적으로 흡수 영역 내로 들어간다.
도 11은 상이한 목부 저항들을 갖지만 흡수 영역에서 동일한 용적(volumetric capacity)을 갖는, 동일한 다공성 재료로 제조된 4개의 수동형 펌프(P1, P2, P3, P4)를 도시한다. 이들 펌프의 각각은 흡수 영역들이 모두 동일한 크기이기 때문에 유사한 용적을 갖는다. 도 11은 또한 P1, P2, P3, 및 P4에 대한 체적 유량 프로파일(각각, 4.5 ㎕/min, 2.3 ㎕/min, 1 ㎕/min, 및 0.5 ㎕/min)의 플롯을 포함한다.
도 12는 동일한 다공성 재료로 제조되지만 다양한 크기의 흡수 영역들을 갖는 3개의 수동형 펌프(P1, P2, P3)를 도시한다. 이들 펌프의 각각은 저항 목부들이 모두 동일한 치수이기 때문에 유사한 저항의 목부를 갖는다. 도 12는 또한 P1, P2, 및 P3에 대한 체적 유량 프로파일의 플롯을 포함한다.
도 13a 및 도 13b는 현장 진료 진단 검사장치를 위한 조립체에 통합된 수동형 펌프의 개략도를 도시한다. 도 13a는 조립된 조립체의 분해도이고, 도 13b는 조립된 조립체의 사시도이다.
도 14a 및 도 14b는 일 실시 형태에 따라, 일정 기간 동안 하나의 유량을 갖고, 주어진 시간 동안 더 낮은 제2유량을 갖고, 최종적으로 주어진 시간 동안 더욱 더 낮은 제3유량을 갖는 펌프의 개략도를 도시한다.
도 14c는 펌프를 따르는 다양한 지점들(A 내지 F)에서의 유량 대 시간을 예시한다. 다양한 지점들이 도 14b에 도시되어 있다.
도 15a는 일 실시 형태에 따른 단차형으로 감소하는 유량에 대한 하이브리드 펌프를 예시한다. 상부 흡수 영역 및 하부 흡수 영역의 방향으로의 유동이 부가된다.
도 15b는 도 15a에 도시된 펌프에 대한 유량 대 시간을 예시한다. 시간(A)에서는, 둘 모두가 펌핑 중이다. 시간(B)에서는, 하부 영역이 포화되어 펌핑을 정지하지만, 상부 영역은 펌핑을 계속한다. 단차형으로 감소하는 체적 유량이 미세채널에서 확립된다.
도 16a 및 도 16b는, 2개의 흡수 영역들을 갖고 흡수 영역들 중 하나와 연결 포트(유체 입구) 사이에 지연부가 연장되는 다른 실시 형태에 따른 하이브리드 펌프를 도시한다. 펌프는 일정 기간 동안 하나의 유량으로 펌핑하고 이어서 일단 지연부가 없어지면 일정 기간 동안 더 높은 유량으로 펌핑하도록 설계된다.
도 16c는 시간(A) 내지 시간(F)에서의 도 16a 및 도 16b에 도시된 펌프에 대한 유량 대 시간을 예시한다.
도 17은 일 실시 형태에 따른, 적층을 위해 입구 패드의 양 측부 상에 개방 포트를 갖는 펌프의 개략도를 도시한다.
도 18a는 일 실시 형태에 따른, 함께 적층될 수 있는 기지의 펌핑 프로파일들을 갖는 펌프 형상들을 도시한다.
도 18b는 도 18a에 도시된 펌프들을 조립된 구성으로 도시한다.
도 18c는 시간(A) 내지 시간(D)에서의 도 18b에 도시된 구성에 대한 예시적인 유량 대 시간을 예시한다.
도 19는 유동에 대해 승법적 효과(multiplicative effect)를 갖도록 미세유체 채널의 단부에 적층될 수 있는 도 18b에 도시된 복합 펌프와 유사한 적층가능 복합 펌프를 도시한다.
도 20은 단일 미세유체 펌프 및 복합 펌프를 형성하도록 적층된 2개의 수동형 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다.
도 21은 각각이 2개의 적층된 펌프 서브유닛들(P1+P3 적층체 및 P2+P4 적층체)을 포함하는 2개의 상이한 복합 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다. P1, P2, P3, 및 P4 각각은 유체 유동에 상이한 저항을 제공하는 저항 영역을 포함한다. 도 21에 도시된 바와 같이, 다양한 방식으로 이들을 조합함으로써, 복합적인 프로그램가능 유체 유량 프로파일들이 생성될 수 있다.
도 22a 및 도 22b는 미세유체 채널의 단부에 있는 포트 이외의 포트들에서 적층이 일어날 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 접근법을 이용하여, 탈착 가능한 흡수 영역을 포함하는 펌프들이 제조될 수 있다. 이러한 펌프들에서, 흡수 패드가 용이하게 교체될 수 있어서, 저항 영역(목부)을 미세유체 채널과 연결된 상태로 남길 수 있고, 침지된 패드는 이후의 분석을 위하여 사용될 수도 있다.
도 23은 상이한 영역들에서 상이한 두께들을 갖는 다공성 재료를 갖는 펌프의 제조를 위한 단계들의 개략도를 도시한다. 본 실시 형태에서, 다공성 매체들의 상이한 층들의 표면들은 유체에 대해 투과성이어서 저항 영역보다 더 두꺼운 흡수 영역을 생성한다.
도 24는 펌프의 원래 특성을 유지하면서 펌프의 풋프린트를 감소시키기 위한 펌프의 제조를 위한 단계들의 개략도를 도시한다. 이러한 경우에, 다공성 매체들의 상이한 층들의 표면들은 유체에 대해 불투과성이다.
도 25는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함하는 예시적인 복합 펌프를 도시한다. 유체가 초기에 펌프 내로 (제1펌프 서브유닛의 유체 입구 내로) 침윤되는 경우, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1으로 결정된다(패널 A). 일단 멤브레인이 파열되면, 유체는 펌프들 둘 모두 내로 침윤될 수 있고, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1+Q2로 결정된다(패널 B).
도 26은 복합 펌프가, 예를 들어, 미세유체 채널 또는 현장 진료 진단 검사장치에 유체 연결될 수 있는 것을 도시하는데, 여기서 복합 펌프는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함한다. 패널 A는 최종 조립체의 분해도를 도시한다. 패널 B는 시간의 함수로서의 부착된 미세유체 디바이스를 통한 유체 유량을 나타내는 플롯이다.
도 27은 펌프(P4)의 입구 영역과 펌프-유사 디바이스(P9)의 입구 영역 사이에 삽입된 용해성 PVA 멤브레인(D1)을 포함하는 복합 펌프의 실험 유량 프로파일을 도시한다. P9는 그가 입구 영역 및 흡수 영역을 갖지만 저항 영역을 갖지 않기 때문에 펌프-유사형이다.
도 28은 동일한 형상을 갖지만 상이한 본질적 특성들을 갖는 다공성 재료들(F4, F597, Chr1, F1, F6, F5)로 제조된 펌프들의 유량 프로파일들을 도시한다.
도 29는 형상화된 다공성 재료가 미세유체 채널의 저항을 측정하는 데 사용될 수 있는 방법의 기본적인 개략도를 도시한다.
도 30은 증가하는 유체 저항에 따라 제조될 수 있는 미세채널들의 길이의 예시적인 범위의 개략도를 도시한다.
도 31은 주어진 수동형 펌프 및 캘리브레이션 피팅에 대한 가상 데이터를 도시한다. 이러한 캘리브레이션 곡선은 충전하는 시간을 측정함으로써 주어진 미세채널의 저항을 검사하는 데 사용될 수 있다.
도 32는 상이한(낮은, 중간, 높은) 저항들의 미세채널들에 부착된 주어진 수동형 펌프에 대한 가상 침윤 데이터 및 각각의 펌프를 위한 다공성 재료의 투과율 및 모세관 압력의 최상의 피팅을 도시한다.
본 명세서에서 설명되는 방법 및 디바이스는 본 명세서에 포함된 개시된 주제의 구체적인 태양, 도면 및 실시예의 후속하는 상세한 설명을 참조함으로써 더 용이하게 이해될 수 있다.
본 디바이스 및 방법이 개시되고 설명되기 전에, 이하에서 설명되는 태양이 예시로서 의도된 본 명세서에서 설명되는 특정 디바이스 및 방법에 의해 범주가 제한되도록 의도되지는 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 도시되고 설명되는 것들에 더하여 디바이스 및 방법의 다양한 변형예는 본 명세서에서 설명되는 것의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 추가로, 본 명세서에 개시된 단지 소정의 대표적인 디바이스들 및 방법 단계들이 구체적으로 설명되고 있지만, 디바이스들 및 방법 단계들의 다른 조합도 또한, 구체적으로 언급되어 있지 않더라도, 본 명세서에서 설명되는 것의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 단계들, 요소들, 구성요소들, 또는 구성들의 조합이 본 명세서에서 명시적으로 언급될 수 있지만; 명시적으로 서술되어 있지 않더라도, 단계들, 요소들, 구성요소들, 및 구성들의 다른 조합이 포함된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 용어 "포함하는" 및 그의 변형은 용어 "비롯한" 및 그의 변형과 동의어로 사용되며, 개방적, 비-제한적 용어이다. 용어 "포함하는" 및 "비롯한"이 다양한 실시예를 설명하기 위하여 본 명세서에서 사용되었지만, 용어 "~로 본질적으로 이루어진" 및 "~로 이루어진"은 "포함하는" 및 "비롯한" 대신에 사용되어 본 발명의 더 구체적인 실시예를 제공할 수 있으며, 이들이 또한 개시된다. 이러한 실시예들 이외에서, 또는 달리 언급된 곳에서, 명세서 및 청구범위에 사용된 성분의 양, 반응 조건 등을 표현하는 모든 숫자는 유효 숫자의 개수 및 통상의 반올림 접근법을 고려하여 해석되는 것으로 이해되어야 한다.
상세한 설명 및 후속하는 청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an", "the")는 그 문맥에 달리 명확히 나타나 있지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어, "조성물"이라 함은 둘 이상의 그러한 조성물들의 혼합물을 포함하며, "제제"라 함은 둘 이상의 그러한 제제들의 혼합물을 포함하며, "구성요소"라 함은 둘 이상의 그러한 구성요소들의 혼합체를 포함하는, 등등이다.
"선택적" 또는 "선택적으로"는 이어서 설명되는 사건 또는 상황이 일어날 수 있거나 또는 일어나지 않을 수 있음을 의미하고, 상세한 설명이 상기 사건 또는 상황이 일어나는 경우 및 일어나지 않은 경우를 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "다수" 또는 "복수"는 둘 이상으로 정의된다.
본 명세서 전체를 통하여 식별자 "제1" 및 "제2"는 단지 개시된 주제의 다양한 구성요소들 및 단계들을 구별하는 것을 돕는 데 사용된다는 것이 이해된다. 식별자 "제1" 및 "제2"는 이들 용어에 의해 변형되는 구성요소들 또는 단계들에 대해 어떠한 특정 순서, 양, 선호도, 또는 중요도를 암시하려고 의도되지 않는다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐서, 다양한 공개 문헌들이 참조된다. 이러한 공개 문헌들의 개시 내용 전체는 이로써 개시된 주제가 관련되는 최신 기술을 더 충분히 설명하기 위해서 본 출원에 참고로 포함된다. 개시된 참조 문헌은 또한, 참조 문헌이 의존되는 문장에서 논의되는 것들에 포함되는 자료에 대하여 개별적으로 그리고 구체적으로 본 명세서에서 참고로 포함된다.
수동형 펌프
본 명세서에서는 미세유체 펌프가 제공된다. 펌프(본 명세서에서 설명되는 하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)는 제조가 단순하고, 저가이며, 부착된 미세유체 시스템을 통한 유체 유동의 용이하고 정밀한 제어를 제공한다. 추가로, 펌프는 수동형이고(즉, 입력되는 에너지가 필요하지 않음), 일회용이고/이거나, 생분해성이고/이거나 가연성이도록 설계될 수 있다.
예시적인 수동형 미세유체 펌프가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 펌프(100)는 유체 입구(102), 흡수 영역(106), 유체 입구와 흡수 영역을 유체 연결하는 저항 영역(104), 및 저항 영역, 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러싸는 증발 장벽(108)을 포함할 수 있다. 저항 영역(104)은 제1다공성 매체(110), 및 유체 입구(102)로부터 제1다공성 매체를 통하여 흡수 영역(106)으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(112)를 포함할 수 있다. 흡수 영역(106)은 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체(116)의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계(114)를 포함할 수 있다. 저항 영역 및 흡수 영역은 유체 입구가 유체와 접촉된 경우에 유체 입구로부터 저항 영역을 통하여 흡수 영역으로 전진하는 모세관 유도 유체 전방부를 확립하도록 구성될 수 있다.
저항 영역 및 흡수 영역의 치수 및 특성은 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 원하는 유체 유량 프로파일을 생성하도록 구성된 수동형 펌프를 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 소정 실시 형태에서, 저항 영역은 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항이 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 더 크도록 크기-설정될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 적어도 5배(예컨대, 적어도 10배, 적어도 15배, 적어도 20배, 적어도 25배, 또는 적어도 50배) 더 클 수 있다. 소정의 경우에, 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 5배 내지 1000배(예컨대, 5배 내지 500배, 5배 내지 100배, 5배 내지 50배, 5배 내지 25배, 5배 내지 20배, 또는 10배 내지 20배) 더 클 수 있다.
이들 실시 형태에서, 저항 영역의 치수 및 특성은 펌프가 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 펌프에 의해 제공되는 유량을 선택하도록 변형될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 저항 영역은 모세관 유도 유체가 저항 영역으로부터 제2다공성 매체를 통하여 전진함에 따라 1 nL/min 내지 100 ㎕/min(예컨대, 100 nL/min 내지 100 ㎕/min, 1 ㎕/min 내지 100 ㎕/min, 또는 1 ㎕/min 내지 10 ㎕/min)의 유체 유량을 제공하도록 구성된다. 소정 실시 형태에서, 저항 영역은 미리-결정된 체적의 유체를 5초 내지 7일(예컨대, 0.1분 내지 90분) 내에 흡수 영역으로 전달하는 데 유효한 유체 유량을 제공하도록 구성될 수 있다.
소정 실시 형태에서, 저항 영역은 임의의 적합한 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 저항 영역은 원형, 정사각형, 또는 직사각형 단면을 가질 수 있다. 저항 영역의 단면적(예컨대, 직사각형 단면의 경우에 폭과 높이에 의해 정의됨)은 원하는 대로 가변될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저항 영역은 단면적이 적어도 0.005 ㎟(예컨대, 적어도 0.01 ㎟, 적어도 0.05 ㎟, 적어도 0.1 ㎟, 적어도 0.5 ㎟, 적어도 1.0 ㎟, 적어도 1.5 ㎟, 적어도 2.0 ㎟, 적어도 2.5 ㎟, 적어도 3.0 ㎟, 적어도 3.5 ㎟, 적어도 4.0 ㎟, 적어도 4.5 ㎟, 적어도 5.0 ㎟, 적어도 5.5 ㎟, 적어도 6.0 ㎟, 적어도 6.5 ㎟, 적어도 7.0 ㎟, 적어도 7.5 ㎟, 적어도 8.0 ㎟, 적어도 8.5 ㎟, 적어도 9.0 ㎟, 또는 적어도 9.5 ㎟)일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저항 영역은 단면적이 10.0 ㎟ 이하(예컨대, 9.5 ㎟ 이하, 9.0 ㎟ 이하, 8.5 ㎟ 이하, 8.0 ㎟ 이하, 7.5 ㎟ 이하, 7.0 ㎟ 이하, 6.5 ㎟ 이하, 6.0 ㎟ 이하, 5.5 ㎟ 이하, 5.0 ㎟ 이하, 4.5 ㎟ 이하, 4.0 ㎟ 이하, 3.5 ㎟ 이하, 3.0 ㎟ 이하, 2.5 ㎟ 이하, 2.0 ㎟ 이하, 1.5 ㎟ 이하, 1.0 ㎟ 이하, 0.5 ㎟ 이하, 0.1 ㎟ 이하, 0.05 ㎟ 이하, 또는 0.01 ㎟ 이하)일 수 있다. 저항 영역은 전술된 최소 값들 중 임의의 값 내지 전술된 최대 값들 중 임의의 값의 범위의 단면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 저항 영역은 단면적이 0.005 ㎟ 내지 10.0 ㎟(예컨대, 0.1 ㎟ 내지 10.0 ㎟, 또는 1.0 ㎟ 내지 10.0 ㎟)일 수 있다.
저항 영역은 가변 거리(저항 영역의 길이를 정의함)에 대해, 예를 들어, 유체 입구와 흡수 영역 사이에서, 신장될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저항 영역은 길이가 적어도 0.1 cm(예컨대, 적어도 0.2 cm, 적어도 0.3 cm, 적어도 0.4 cm, 적어도 0.5 cm, 적어도 0.6 cm, 적어도 0.7 cm, 적어도 0.8 cm, 적어도 0.9 cm, 적어도 1 cm, 적어도 2 cm, 적어도 2.5 cm, 적어도 3 cm, 적어도 4 cm, 적어도 5 cm, 적어도 10 cm, 적어도 15 cm, 적어도 20 cm, 또는 그 이상)일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 저항 영역은 길이가 25 cm 이하(예컨대, 20 cm 이하, 15 cm 이하, 10 cm 이하, 5 cm 이하, 4 cm 이하, 3 cm 이하, 2.5 cm 이하, 2 cm 이하, 1 cm 이하, 0.9 cm 이하, 0.8 cm 이하, 0.7 cm 이하, 0.6 cm 이하, 0.5 cm 이하, 0.4 cm 이하, 0.3 cm 이하, 또는 0.2 cm 이하)일 수 있다. 저항 영역은 전술된 최소 치수들 중 임의의 치수 내지 최대 치수들 중 임의의 치수의 범위의 길이를 가질 수 있다. 예를 들어, 저항 영역은 길이가 0.1 cm 내지 25 cm(예컨대, 0.1 cm 내지 10 cm, 또는 0.5 cm 내지 5 cm)일 수 있다. 펌프의 저항 영역이 직선일 필요는 없다. 이는, 예를 들어, 사문형(serpentine)일 수 있다.
유사하게, 흡수 영역의 치수 및 특성은 저항 영역에 의해 결정된 유량으로 펌핑되는 미리-결정된 체적의 유체를 선택하도록 변형될 수 있다. 흡수 영역은 임의의 적합한 형상으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 흡수 영역은 원형, 팬(fan) 형상, 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형 풋프린트를 가질 수 있다. 이는 또한 직사각형이 아닌 단면을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤된 1 ㎕ 내지 10 mL(예컨대, 10 ㎕ 내지 10 mL)의 유체를 흡수하도록 크기-설정될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 흡수 영역은 저항 영역에 탈착 가능하게 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 흡수 영역은 (예컨대, 일단 유체로 충전되면) 제거될 수 있고, (예컨대, 펌프가 다른 체적의 유체를 침윤시키게 하는) 새로운 흡수 영역으로 교체될 수 있다. 원하는 경우, 예를 들어, 이후의 분석을 위한 다수의 분획의 유체를 수집하기 위하여, 탈착 가능한 흡수 영역들이 사용될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 흡수 영역(들)은 측정 시약(예컨대, 저항 영역으로부터 침윤된 유체에서 관심 대상의 분석물의 검출을 용이하게 하는 시약)을 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 흡수 영역(들)은 측정 시약을 포함하지 않는다.
본 명세서에서 설명되는 펌프의 영역들을 이루는 다공성 매체는 임의의 적합한 다공성 재료로 형성될 수 있다. 적합한 다공성 재료는, 펌프에 의해 이송되는 유체의 아이덴티티(예컨대, 수성 유체 또는 유기 유체) 및 펌프에 의해 유도되는 원하는 유체 유량 프로파일을 포함하는, 다수의 인자들을 고려하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 다공성 재료는 펌프에 의해 이송되는 유체 중에서 실질적으로 불용성이어야 한다. 세공(pore) 크기 및 특징(예컨대 소수성, 부착에 대한 저항)이 개별 응용예에 대해 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 다공성 재료는 미리-제조 및 절단되어 원하는 형상을 획득할 수 있거나, 이는 유체 비전도성 경계를 생성하는 왁스 또는 잉크로 인쇄될 수 있거나, 이는 몰드 내로 도입되어 제자리에서 중합될 수 있다.
다공성 재료는 상호연결 세공들에 의해 침투된 매트릭스(즉, 골격 부분)로서 구상될 수 있다. 대체적으로, 다공성 재료들은 본 명세서에서 설명되는 수동형 펌프에서 그들의 성능에 대하여 3가지 주요 특징들, 즉 유효 공극률, 모세관 압력, 및 투과율에 의해 특성화될 수 있다. 이들은 주어진 다공성 재료에 대해 본질적이거나 또는 침윤 유체와 그러한 재료의 관계에 대해 본질적이다. 한 세트의 주요 특징들이 주어진 응용예에 유용할 수 있다. 이어서, 주어진 다공성 재료 - 한 세트의 주요 특징들을 가짐 - 는 원하는 기능을 위해 형상화될 수 있다.
유효 공극률: 여기서 유효 공극률(φ)은 유체가 충전될 수 있는 체적의 퍼센트로 정의된다. 이러한 값은 주어진 다공성 재료를 포화시키는 데 필요한 유체의 체적을 측정함으로써 결정될 수 있다. 다공성 재료의 원래의 총 공간적 체적에 대한 추가된 유체의 체적의 비가 유효 공극률이다. 이상적인 재료에서, 이는 총 공간적 체적에 대한 다공성 재료의 공극 체적의 비와 동일하고, 사용되는 유체와는 무관하다.
모세관 압력: 유체가 다공성 재료를 통하여 침윤함에 따라 습윤 전방부에서 생성되는 모세관 압력(Pc)은 다공성 재료의 평균 세공 크기(rm), 계면 장력(γ), 및 침윤 유체의 습윤 각(θ)의 함수이다. 전자는 유체와 무관하고, 2개의 후자들은 유체에 좌우된다. 주어진 반경의 모세관의 경우, 모세관 압력은 식 4로 설명되었다.
[식 4]
투과율: 투과율은 유체의 유동을 허용할 수 있는 다공성 재료의 능력의 척도이다. 이는 재료의 공극률과 관련되지만, 이는 또한 세공들의 형상 및 연결성에 의존된다. 주어진 다공성 재료에 대해 본질적인 투과율이 존재하고, 재료의 구조에 따라서, 유동 방향에 기초하여 투과율의 이방성이 존재할 수 있다.
매트릭스, 평균 세공 크기, 및 다공성 재료 내의 세공들의 밀도는 주어진 유체에 대한 원하는 모세관 압력, 공극률, 및 투과율을 달성하기 위하여 가변될 수 있다. 예로서, 셀룰로오스 종이는 전형적으로 (특정 셀룰로오스 종이에 따라) 공극률이 약 60%이고 평균 세공 크기가 2 ㎛ 내지 30 ㎛이다. 셀룰로오스 종이는 10-12 m2 내지 10-16 m2의 투과율 및 (종이 내로 침윤하는 물의 경우) 1 ㎪ 내지 100 ㎪의 모세관 압력을 달성할 수 있다.
매우 다양한 다공성 재료들이 원칙적으로 적합하다. 적합한 다공성 재료는 당업계에 공지되어 있고, 예를 들어, 다공성 중합체 필름, 유리 섬유, 소결 유리, 유리 비드, 에어로겔, 크세로겔, 개방 셀 발포체, 및 다양한 셀룰로오스성 기재(예컨대, 종이, 셀룰로오스 유도체, 직조 셀룰로오스 재료, 부직 셀룰로오스 재료, 및 이들의 조합)를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 다공성 재료는 가요성일 수 있다. 소정 응용예의 경우, 다공성 재료는 절첩될 수 있거나, 주름-생성될 수 있거나, 또는 달리 3차원 구조를 펌프에 부여하도록 기계적으로 형상화될 수 있는 것이 바람직하다.
일부 실시 형태에서, 펌프는 수용액의 유동을 구동하도록 구성될 수 있고, 다공성 재료는 다공성 친수성 재료를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 다공성 재료는 셀룰로오스성 기재(예컨대, 종이, 셀룰로오스(예컨대, 면 섬유), 셀룰로오스 유도체, 예컨대, 니트로셀룰로오스 또는 셀룰로오스 아세테이트, 직조 셀룰로오스 재료, 부직 셀룰로오스 재료, 또는 이들의 조합)를 포함할 수 있다.
소정 실시 형태에서, 펌프는 종이 기반 펌프일 수 있다(즉, 다공성 재료는 종이를 포함할 수 있다). 종이는 저가이고, 널리 입수가능하고, 용이하게 패턴화되고, 얇고, 가볍고, 최소의 환경 영향으로 처분될 수 있다. 추가로, 다양한 등급의 종이들이 사용 가능하여, 특정 종이 기반 디바이스의 제조에 요구되는 중량(즉, 평량(grammage)), 두께 및/또는 강성 및 특징(즉, 공극률, 소수성, 및/또는 투과율)을 갖는 종이 기재의 선택을 허용한다. 적합한 종이에는 크로마토그래피 종이, 카드 스톡, 필터 용지, 모조 양피지, 인쇄 용지, 포장 용지, 장부 용지, 지폐 용지, 증권 용지, 압지, 제도 용지, 어지, 화장 용지, 종이 타월, 파라핀지, 및 사진 용지가 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
일부 실시 형태에서, 본 명세서에서 설명되는 펌프의 다공성 영역들(예컨대, 제1다공성 매체 및 제2다공성 매체)은 단일 조각의 기재 재료 내에 형성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 본 명세서에서 설명되는 펌프의 다공성 영역들(예컨대, 제1다공성 매체 및 제2다공성 매체)은 서로 유체 접촉 상태에 있는 별개 조각의 기재 재료들(예컨대, 서로 인접한 별개 조각의 기재 재료들)을 포함한다. 이러한 실시 형태들에서, 별개 조각의 기재 재료들은 동일한 두께 또는 상이한 두께를 갖는다. 일례에서, 제2다공성 매체를 형성하는 기재 재료의 조각은 제1다공성 재료를 형성하는 기재 재료의 조각보다 더 두꺼울 수 있다(즉, 흡수 영역을 형성하는 다공성 매체는 저항 영역을 형성하는 다공성 매체보다 더 두꺼울 수 있다). 일부 경우에, 제2다공성 매체를 형성하는 기재 재료의 조각 및 제1다공성 재료를 형성하는 기재 재료의 조각은 동일 평면에 있지 않다. 소정의 경우에, 흡수 영역은 비평면이다. 예를 들어, 원하는 경우에, 흡수 영역은 흡수 영역의 풋프린트(그리고, 신장에 의해, 펌프의 전체 풋프린트)를 감소시키기 위하여 3차원 형상으로 절첩 또는 절곡될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 펌프 내의 유체 비전도성 경계는, 예를 들어, 펌프에 의해 이송되는 유체의 아이덴티티 및 펌프를 제조하는 방법에 따라 가변될 수 있다. 예로서, 수용액의 유동을 구동하도록 구성된 펌프의 경우에, 유체 비전도성 경계는, 다공성 재료의 일부를 소수성으로 만들고 그에 의해 다공성 재료를 통한 수용액의 이송을 억제하기 위하여 다공성 재료 상에/내에 패턴화된(예컨대, 다공성 재료 내에 함침되고/되거나 다공성 재료 상에 코팅된) 소수성 재료를 포함할 수 있다. 적합한 소수성 재료의 예에는, 예를 들어, 경화성 중합체, 천연 왁스, 합성 왁스, 중합된 포토레지스트, 알킬 케텐 이량체, 알케닐 석신산 무수물, 로진, 실리콘, 플루오르화 시약, 플루오로중합체, 폴리올레핀 에멀전, 수지 및 지방산, 또는 이들의 조합이 포함된다.
예로서, 유체 비전도성 경계는 다공성 재료(예컨대, 종이)의 층 상에 소수성 재료(예컨대, 왁스)를 패턴화함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 잉크젯 프린터가 다공성 재료 상에 왁스 재료를 패턴화하는 데 사용될 수 있다. 많은 유형의 왁스 기반 고체 잉크가 구매가능하고 그러한 방법에서 유용한데, 이는 그 잉크가 유체 비전도성 경계의 위치의 시각적 표시를 제공하기 때문이다. 그러나, 유체 비전도성 경계를 형성하는 데 사용되는 왁스 재료는 잉크가 작용성인 것을 요구하지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 사용될 수 있는 왁스 재료의 예에는 폴리에틸렌 왁스, 탄화수소 아미드 왁스 또는 에스테르 왁스가 포함된다. 일단 왁스가 패턴화되면, 다공성 재료는 (예컨대, 120℃의 온도에서 왁스 면을 위로 하여 핫 플레이트 상에 재료를 배치함으로써) 가열될 수 있고 실온으로 냉각될 수 있다. 이는 다공성 재료 내에 유체 비전도성 경계를 형성하기 위하여 왁스 재료가 다공성 재료의 두께를 실질적으로 침투하는 것을 허용한다.
다른 예에서, 유체 비전도성 경계는 공기 갭 - 이를 통하여 유체가 유동할 수 없음 - 을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 유체 비전도성 경계는 다공성 재료에 인접한 유체 불투과성 재료(예컨대, 중합체 멤브레인)를 포함할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 다공성 재료는 유체 비전도성 경계를 형성하도록 (예컨대, 공유 반응(covalent reaction)에 의해) 선택적으로 개질될 수 있다. 예로서, 수용액의 유동을 구동하도록 구성된 펌프의 경우에, 다공성 재료의 영역들(예컨대, 종이 내의 영역들)은 소수성 실란과 같은 소수성 제제로 다공성 재료(예컨대, 종이)를 공유적으로 개질시킴으로써 소수성으로 만들어질 수 있다(즉, 소수성으로 개질될 수 있다).
선택적으로, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함할 수 있다. 유체가 수동형 펌프의 입구 영역에 실제로 도달하는 시점 이후의 시간에 원하는 유량을 시작하거나 또는 계속되는 유동을 일시적으로 지연시키기 위하여 유동 지연 요소가 사용될 수 있다. 이러한 레벨의 제어는, 예를 들어, 샘플 로딩 또는 시약 인큐베이션에 추가 시간이 필요하다면, 바람직할 수 있다. 유동 지연 요소의 예에는 유체 입구, 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질, 및 펌프의 요소들을 통과하는 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인이 포함된다.
일부 실시 형태에서, 펌프는 유체 입구, 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 다양한 양의 용질이 펌프의 유체 입구 및/또는 저항 영역 내에서 건조되어 유체 이송을 지연시킬 수 있다. 유체 입구 및/또는 저항 영역 내로의 유체의 침윤 시, 건조된 용질은 용해되어, 용질 농도에 따라서 종이의 그러한 영역 내에서 용액의 점도를 증가시킬 것이다. 다공성 재료의 주어진 세그먼트의 저항이 다공성 재료를 통하여 유동하는 액체의 점도에 비례하기 때문에, 용해된 용질은 저항의 유의한 증가 및 수동형 펌프 내의 체적 유량의 감소를 생성할 수 있다.
저항 영역이 전형적으로 펌프를 통과하는 유량의 제어기이기 때문에, 일단 저항 영역 내의 유체가 농축된 용질을 더 이상 함유하지 않으면 유량이 증가하고 펌프가 '켜진다(turn on)'. 용해된 용질이 수동형 펌프의 흡수 영역에 도달하는 경우, 습윤 전방부의 단면적은 증가하여, 점성 플러그(viscous plug)의 길이를 감소시킨다. 이는 유체 유동에 대한 전체 저항을 감소시켜, 용질이 없는 유체에 대한 저항 영역의 저항에 의해 확립된 한계를 향하여 유량을 증가시킨다.
여러 적합한 용질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 펌프 내로 유동하는 유체의 아이덴티티를 포함하는 다양한 설계 고려사항들에 기초하여, 적절한 용질이 선택될 수 있다. 용질이 침윤 유체 내에 용해될 임의의 고체일 수 있는 한편, 저장 조건 하에서 건조 형태로 안정적인 용질이 바람직하다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 용질은 유기 소분자(예컨대, 수크로스와 같은 당) 또는 중합체(예컨대, 폴리비닐 알코올)일 수 있다. 다양한 양의 용질이 침전될 수 있는데, 침전되는 용질의 양은 펌프를 통과하는 유체 유동에 미치는 영향의 크기에 영향을 준다. 용질은, 예를 들어, 용질의 용액을 유체 입구, 저항 영역, 또는 이들의 조합에 적용하고, 용매가 증발하게 하고, 건조된 용질을 뒤에 남김으로써, 유체 입구, 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 침전될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 펌프는 펌프의 요소들을 통과하는 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프는 펌프 내의 유체 유동 경로를 가로질러 배치되는 용해성 중합체 멤브레인(예컨대, 폴리비닐 알코올 멤브레인)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 펌프는, 유체 입구를 덮고 유체 입구와 저항 영역 사이에, 또는 이들의 조합으로 배치되어 펌프의 요소들을 통과하는 유체 유동에 대한 임시 장벽을 형성하는 용해성 중합체 멤브레인을 포함할 수 있다.
펌프는 저항 영역, 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러싸는 증발 장벽(예컨대, 불투과성 중합체 멤브레인)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 경우에, 증발 장벽은 저항 영역을 둘러쌀 수 있다. 일부 경우에, 증발 장벽은 흡수 영역을 둘러쌀 수 있다. 소정 실시 형태에서, 증발 장벽은 저항 영역 및 흡수 영역 둘 모두를 둘러쌀 수 있다. 증발 장벽이 흡수 영역을 둘러싸는 경우에, 펌프는 (예컨대, 흡수 영역이 유체로 충전됨에 따라 압력 균등화를 허용하도록) 흡수 영역에 작동식으로 결합된 기공을 추가로 포함할 수 있다.
원하는 경우, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 미세유체 디바이스 내의 유체의 제어를 제공하기 위하여 더 큰 미세유체 디바이스 내에 일체로 형성될 수 있다. 다른 경우에, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 구조가 모듈형일 수 있고, 외부 미세유체 디바이스에 용이하게 부착되도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 '플러그 앤드 플레이' 방식으로 사용되어 종래의 다양한 미세유체 디바이스들에서 유체 유동을 제어할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 유체 입구는 미세유체 채널과 유체 연결되도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 유체 입구는 미세유체 디바이스(예컨대, 외부 미세유체 디바이스)와 펌프의 부착을 용이하게 하는 기하학적 구성 및 구조를 가질 수 있다. 예로서, 유체 입구는 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 전도성 영역을 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은, 예를 들어, 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 형성하는 다공성 매체를 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은 또한 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 제공하는 개방형 공기 충전 채널 및/또는 전도성 재료(예컨대, 유리섬유 또는 유리솜)를 포함할 수 있다.
하이브리드 펌프
일부 실시 형태에서, 수동형 미세유체 펌프는 제2(또는 그 이상의) 흡수 영역을 추가로 포함할 수 있다. 그러한 펌프는 본 명세서에서 "하이브리드 펌프"로 지칭된다. 그러한 펌프는 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 더 복합적인 유체 유량 프로파일을 유도하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 및 제2흡수 영역을 추가로 포함할 수 있다. 제2흡수 영역은 제1흡수 영역에 병렬로 또는 직렬로 유체 연결될 수 있다.
직렬로 유체 연결되는 제2저항 영역(204) 및 제2흡수 영역(206)을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프(200)가 도 2에 도시되어 있다. 이러한 실시 형태들에서, 제2저항 영역(204)은 제3다공성 매체(210), 및 제1흡수 영역(106)으로부터 제3다공성 매체를 통하여 제2흡수 영역(206)으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(212)를 포함할 수 있고, 제2흡수 영역(206)은 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체(216)의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계(214)를 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 제1흡수 영역으로부터 제2저항 영역으로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
병렬로 유체 연결되는 제2저항 영역(304) 및 제2흡수 영역(306)을 포함하는 예시적인 하이브리드 펌프(300)가 도 3에 도시되어 있다. 이러한 실시 형태들에서, 제2저항 영역(304)은 제3다공성 매체(310), 및 유체 입구(102)로부터 제3다공성 매체를 통하여 제2흡수 영역(306)으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(312)를 포함할 수 있고, 제2흡수 영역(306)은 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체(316)의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계(314)를 포함할 수 있다. 소정의 경우에, 펌프는 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 유체 입구로부터 제2저항 영역 내로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 하이브리드 펌프는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하이브리드 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 하이브리드 펌프는 또한 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 하이브리드 펌프는 병렬 및 직렬 둘 모두로 유체 연결되는 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 하이브리드 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들, 및 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들을 포함할 수 있다.
복합 펌프
본 명세서에서 설명되는 복수의 유체 연결된 펌프들 또는 하이브리드 펌프들을 포함하는 복합 펌프가 또한 본 명세서에서 제공된다. 그러한 펌프는 미세유체 디바이스에 유체 연결되는 경우에 더 복합적인 유체 유량 프로파일(프로그램가능 유량)을 유도하도록 설계될 수 있다. 복수의 펌프들은 병렬로, 직렬로, 또는 병렬 및 직렬 둘 모두로 유체 연결될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들 및 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함할 수 있다.
복수의 펌프들은 임의의 적합한 방식으로 유체 연결될 수 있다. 소정 실시 형태에서, 복수의 펌프들은 평행한 평면들에 적층된다. 선택적으로, 복합 펌프는 복합 펌프를 통과하는 (예컨대, 복수의 유체 연결된 펌프들 중 적어도 하나의 펌프 내로의) 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소(들)를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 형태에서, 펌프는 복합 펌프 내의 펌프의 유체 입구, 복합 펌프 내의 펌프의 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 복합 펌프 내의 복수의 펌프들 중 2개의 펌프들 사이에 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 추가로 포함할 수 있다.
미세유체 디바이스
본 명세서에서 설명되는 수동형 펌프들 중 하나 이상을 포함하는 미세유체 디바이스가 또한 제공된다. 예시적인 미세유체 디바이스는 유체 입구를 유체 출구에 유체 연결하는 미세유체 채널, 및 (예컨대, 유체 입구가 유체와 접촉되는 경우에 펌프가 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록) 미세유체 채널의 유체 출구에 유체 연결되는 본 명세서에서 설명되는 펌프(예컨대, 펌프, 하이브리드 펌프, 및/또는 복합 펌프)를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 펌프의 유체 입구는 미세유체 채널의 유체 출구와 직접 접촉 상태에 있을 수 있다.
소정 실시 형태에서, 펌프는 적어도 0.1분(예컨대, 적어도 0.5분, 적어도 1분, 적어도 5분, 적어도 10분, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 펌프는 적어도 10분(예컨대, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 가변하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 가변하는 유량은, 예를 들어, 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함할 수 있다.
사용 방법
본 명세서에서 설명되는 펌프(하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)를 사용하는 방법이 또한 제공된다. 본 명세서에서 설명되는 펌프는 부착된 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 유도하는 데(예컨대, 설정된 체적에 대한 제어된 유량을 달성하는 데, 그리고/또는 디바이스를 통과하는 다수의 미리-결정된 유량들을 달성하는 데) 사용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명되는 펌프를 미세유체 디바이스의 유체 출구에 유체 연결하는 단계; 및 미세유체 디바이스의 유체 입구를 유체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 유도하기 위한 방법이 또한 제공된다. 일부 실시 형태에서, 펌프는 미세유체 디바이스의 유체 출구에 직접 연결될 수 있다.
소정 실시 형태에서, 펌프는 적어도 0.1분(예컨대, 적어도 0.5분, 적어도 1분, 적어도 5분, 적어도 10분, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 펌프는 적어도 10분(예컨대, 적어도 30분, 적어도 60분, 또는 그 이상)의 기간 동안 가변하는 유량으로 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성될 수 있다. 가변하는 유량은, 예를 들어, 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함할 수 있다.
펌프(본 명세서에서 설명되는 하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)는 또한 공정 제어 응용예들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 미세유체 채널의 유체 저항을 결정하는 데, 미세유체 채널의 높이를 측정하는 데, 종이와 같은 다공성 재료의 특성(예컨대, 투과율)을 정량화하는 데, 그리고/또는 미지의 유체의 특성(예컨대, 점도)을 정량화하는 데 사용될 수 있다.
복합 펌프의 제조 방법
본 명세서에서 설명되는 펌프의 모듈형 본질을 고려하면, 개별 모듈형 펌프들은 미세유체 채널 내에 미리-결정된 유체 유량을 제공하는 복합 펌프를 형성하도록 용이하게 조립될 수 있다. 따라서, 미세유체 채널 내에 미리-결정된 유체 유량을 제공하도록 구성되는 수동형 복합 펌프를 조립하는 방법이 또한 제공된다. 이러한 방법은 유체와의 접촉 시 특정 유체 유량을 유체 입구로 유도하도록 형상화된 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 펌프(본 문맥에서는 "펌프 서브유닛"으로 지칭됨)를 유체 연결하여 수동형 복합 펌프를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 펌프 서브유닛은 저항 영역 및 흡수 영역을 포함할 수 있는데, 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 유체 입구로부터 제1다공성 매체를 통하여 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하고, 흡수 영역은 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함한다. 선택적으로, 각각의 펌프 서브유닛은 증발 장벽 내에 둘러싸일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 수동형 복합 펌프를 조립하는 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 방법은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 유체 연결하고 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 소정 실시 형태에서, 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 단계는 유체 입구를 형성하도록 펌프 서브유닛들을 적층하는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 유체 입구는, 적층체 내의 펌프 서브유닛들을 통하여 연장되고 각각의 펌프 서브유닛의 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 전도성 영역을 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은, 예를 들어, 유체 유동을 위한 경로를 형성하는 다공성 매체를 포함할 수 있다. 유체 전도성 영역은 또한 유체 유동을 위한 경로를 제공하는 개방형 공기 충전 채널 및/또는 전도성 재료(예컨대, 유리섬유 또는 유리솜)를 포함할 수 있다. 일부 실시 형태에서, 방법은 복합 펌프 내의 펌프 서브유닛들 사이에 유체 유동에 대한 장벽을 형성하기 위하여 적층체 내의 펌프 서브유닛들 사이에 (예컨대, 유체 입구를 횡단하는) 용해성 멤브레인을 위치시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
비제한적인 예시로서, 본 발명의 소정 실시 형태들의 실시예들이 아래에 주어진다.
실시예
재료 및 방법
앞서 논의된 바와 같이, 본 명세서에서 설명되는 수동형 펌프의 흡수 영역 및 저항 영역은 다공성 재료로 형성된다. 다공성 재료는 특정 응용예에 요구되는 유량 및 유체 유동의 체적을 제공하도록 형상화될 수 있다. 유체 입구는 동일한 다공성 재료로, 또는 다공성 및 비다공성 둘 모두인 다른 재료들로 구성될 수 있다. 이러한 재료들은 외부 유체 공급원(예컨대, 미세유체 디바이스)에 대한 펌프의 유체 연결을 용이하게 하도록 선택될 수 있다. 유체 입구는 원칙적으로, 미세유체 채널 또는 튜브를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 유체 공급원에 펌프를 연결하도록 구성될 수 있는데, 임의의 유체 공급원으로부터 또는 그를 통하여 유체 유량을 제어하기를 원한다. 복수의 흡수 영역을 포함하는 펌프(본 명세서에서 "하이브리드 펌프"라 지칭됨) 및 복합 펌프(복수의 유체 연결된 펌프들 및/또는 하이브리드 펌프들을 포함하는 다중 펌프 조립체)를 또한 제조하였다. 아래에서 입증되는 바와 같이, 하이브리드 펌프 및 복합 펌프는 설정된 시간 동안 단일 유량의 단순 연속 유동보다 더 복합적인 다양한 미리 프로그램된 유량들로 유체를 펌핑하는 데 사용될 수 있다.
원리 증명 실험의 경우, 크로마토그래피 종이(예컨대, 와트만(Whatman) #1 크로마토그래피 종이), 필터 용지, 및 시판되는 니트로셀룰로오스 멤브레인을 펌프 구성요소들의 제조를 위한 다공성 재료들로서 사용하였다. 아래의 실시예들이 종이를 참조하지만, (앞서 논의된 바와 같은) 다른 다공성 재료가 또한 본 명세서에서 설명되는 펌프를 제조하는 데 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. Universal Laser Systems로부터의 VLS3.60 레이저 커팅 플랫폼 상에서 레이저 커팅을 수행하였으나; 다공성 재료를 형상화하는 다른 방법들도 또한 적합하다. 편의를 위해, Scotch 열 적층기(thermal laminator)(2 롤러, 최대 폭 9")를 사용한 Scotch 열 적층 파우치(레터 크기 및 사진 크기)를 사용하여 다공성 재료의 적층을 수행하였다. 사용된 열 파우치에 대한 요건에 따라서 적층기 설정을 바꾸었다(3 밀(mil) 대 5 밀). 사용된 커팅 플로터(cutting plotter)는 Graphtec(모델 # CE6000-40)으로부터의 것이었다. 투명한 이축 배향 폴리스티렌 필름(125 ㎛)은 Goodfellow, Inc.로부터의 것이었다. 3M으로부터의 얇은 양면 접착제를 사용하였다. 단면 Scotch 테이프는 3M으로부터의 것이었다. 적층, 커팅 및 부착을 위한 다른 방법들이 또한 적용가능하다.
이들 실험에 사용되는 침윤 유체는 습윤 전방부에서 그리고/또는 유체의 후행 에지에서 시각적 콘트라스트에 도움이 되도록 청색 식용 색소(Acid Blue 9, Great Value Assorted Food Coloring)가 섞인 탈이온수였다. 임상 유체, 환경수 샘플(environmental water sample), 세포 배양 배지, 음료, 식품 균질액(food homogenate), 및 매우 다양한 용질 또는 입자를 함유하는 수성 또는 유기 용매를 포함하여 매우 다양한 침윤 유체들이 사용될 수 있다. 매우 다양한 적합한 종이, 다공성 재료, 코팅 재료, 기계류, 및 침윤 유체가 다른 실시 형태에서 사용을 위하여 조합될 수 있다.
다공성 재료의 세그먼트를 통과하는 모델링된 유동
완벽한 비유는 아니지만, 펌프를 통과하는 유체 유동은 회로와 유사한 방식으로 모델링될 수 있는데, 여기서 주어진 구성요소를 통과하는 체적 유량(Q)은 구성요소를 가로지르는 압력차(ΔP)를 유동에 대한 그의 저항(Rt)으로 나눈 값과 동일하다(식 1). 종이 및 많은 다른 다공성 재료들의 경우에, 다공성 재료의 세공을 통하여 침윤되는 유체의 표면 장력으로 인해 습윤 전방부에서 모세관 압력이 존재한다. 이러한 모세관 압력은 다공성 재료의 비습윤 영역을 향하여 유체를 끌어당기도록 유체에 작용한다(즉, 침윤). 습윤 전방부 뒤의 다공성 재료의 매트릭스와 유체 사이의 상호작용은 유동을 지연시킨다. 그러므로, 충분히 습윤된 세그먼트의 길이가 증가함에 따라, 저항이 또한 증가한다. 주어진 모세관 압력 및 증가하는 저항의 경우, 유량은 시간 경과에 따라 감소한다.
[식 1]
도 4a에 도시된 바와 같이, 전체 직사각형 세그먼트를 유체 유동 방향을 따라서 개별 단계들로 나누고 각 단계의 저항 및 용적을 근사시킴으로써 이러한 유동을 1D 모델로 모델링할 수 있다. 이러한 1차 모델은 다공성 재료가 습윤 전방부 뒤에서 완전히 포화되는 것으로 가정하고, 한 세트의 유체 및 다공성 재료에 대한 시간의 함수로서 습윤 전방부의 위치를 예측한다. 완전히 습윤된 직사각형 세그먼트들의 저항(Rp)은 식 2로 설명되는데, 여기서 L p , w p , 및 h p 는 직사각형 세그먼트의 길이, 폭, 및 높이이다. 값들 μ 및 K는 각각 유체의 점도 및 유동에 대한 투과율이다. 주어진 세그먼트의 용적(유효 공극 체적)(Vc)은 식 3으로 설명될 수 있고, φ는 종이 또는 다른 재료의 유효 공극률이다.
[식 2]
[식 3]
습윤 전방부까지의 종이의 총 저항은 습윤 종이의 각각의 세그먼트의 저항을 직렬로 더함으로써 근사될 수 있다. 더욱이, 아직 습윤되지 않은 제1세그먼트의 용적이 근사될 수 있다. 습윤 전방부의 주어진 위치에서의 체적 유량은, 식 1과 함께 설명되고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 유체 공급원과 습윤 전방부 사이의 계산된 압력차 및 저항을 사용함으로써 계산될 수 있다. 압력차(
P)는 모세관 압력(여기서는 주어진 종이 및 유체에 대해 상수로서 모델링됨) 및 임의의 추가 압력원(정수압, 다른 라플라스 압력, 등)을 포함한다. 계산된 체적 유량을 사용하여 다음 세그먼트의 용적을 충전하는 시간을 결정함으로써, 전방부가 주어진 위치에 효과적으로 있게 될 시간이 계산될 수 있다. 이어서, 체적 유량(Q), 총 저항(Rt), 및 압력은 각각, 도 4c에 도시된 바와 같이, 1D 습윤 전방부 위치의 함수들이다. 이러한 모델은 그가 도 4c에 도시된 바와 같은 종이의 주어진 직사각형 스트립에 대한 워시번(Washburn) 유동의 특성 곡선을 예측하는 것을 보여준다. 도 5는 직사각형 형상 및 비직사각형 형상을 통한 침윤이 1D 모델을 위한 습윤 전방부 위치의 함수로서의 습윤 전방부의 유효 폭으로 어떻게 표현될 수 있는지를 도시한다.
수동형 펌프의 제조 방법
도 6은 형상화되고 적층된 종이 펌프를 제조하기 위한 예시적인 프로토콜을 도시하고, 도 7은 도 6에 개략화된 프로토콜에 따라 조립된 예시적인 펌프를 도시한다. 먼저, 커팅 플로터를 사용하여 적층 파우치의 일 면 내로 구멍들(예컨대, 3 mm 내경(ID))이 커팅된다. 이들 구멍은 최종 조립을 위하여 입구 영역들에 대한 액세스를 제공하는 역할을 한다. 와트만 크로마토그래피 1 종이의 직사각형 시트들이 주어진 적층 파우치에 대해 크기-설정되고, 파우치 내에 배치되고, (예컨대, 5 밀 설정을 사용하여) 적층 기계를 거친다. 적층된 시트가 냉각되게 한 후, 레이저 커터가 사용되어 이들 적층된 시트로부터 설계된 형상을 커팅한다. 종이는 커팅되는 형상을 위하여 입구 영역의 의도된 위치와 입구 영역의 실제 중심이 매칭하도록 커터 내에 위치된다. 이어서, 종이의 어떠한 탄화(charring)도 최소화하는 설정을 사용하여 커팅이 수행된다. 이러한 스테이지에서, 이들 적층된 형상의 종이의 에지는 대기에 대해 개방되어 있다.
증발을 최소화하기 위하여 그리고 여전히 유체가 침윤될 때의 공기를 위한 탈출부를 제공하기 위하여, 조립체에 대한 소정의 변형이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 공기 갭이 종이의 경계 둘레에 유지될 수 있다. 공기 갭을 포함하는, 조립체 내의 종이는 증발 효과를 최소화하기 위하여 외부 분위기로부터 덮일 수 있는데, 이때 이러한 시일 내의 단지 작은 기공만이 압력 평형을 허용한다. 흡수 영역 및 저항 영역으로부터의 증발을 방지하는 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다. 통기에 대한 필요성이 유사하게 특정 디바이스 설계 및 응용예에 좌우될 수 있다.
도 8은 형상화되고 적층된 종이 펌프들을 제조하기 위한 다른 방법을 도시한다. 도 8에 개략화된 프로토콜은, 도 6에 도시된 프로토콜과 관련하여 전술된 6개의 단계들과는 대조적으로, 3개의 단계들을 수반한다. 단계 1에서 도시된 바와 같이, 레이저 커터가 사용되어 종이 또는 다른 다공성 매체의 시트로부터 펌프들의 어레이를 커팅한다. 어레이 내의 펌프들은 서로 결합되어, 펌프들이 함께 이동되고 서로에 대한 그들의 간격을 유지하는 것을 허용한다. 단계 2에서, 커팅된 종이는 적층 재료의 파우치 내로 (또는 2개의 시트들 사이에) 삽입되고, 적층 재료는 적층 기계를 통과하게 된다. 이어서, 단계 3에서, 입구 구멍 및 기공 구멍이 각각의 펌프를 통하여 커팅되고, 각각의 펌프를 분할하는 격자 라인들이 커팅된다.
단계 1 동안, 종이의 할로(halo)가 흡수 영역 및 저항 영역 둘레에 한정되고 그로부터 이격되어 유체 비전도성 경계를 형성하는 다공성 재료 둘레에 공기 갭을 제공한다. 기공 개구가 커팅되는 경우, 흡수 영역과 결합되는 할로의 일부가 제거되는데, 이는 할로가 펌프의 흡수 영역과 유체 연통 상태에 있는 것을 방지한다. 공기 갭은 기공 개구와 연통 상태에 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 다공성 매체 재료의 단일 시트로부터 커팅된 펌프들은 동일한 또는 상이한 면적들을 갖는 흡수 영역들 및 동일한 또는 상이한 면적들 및/또는 길이들을 갖는 저항 영역들을 가질 수 있다.
유량 측정 방법
유체(예컨대, 45 ㎕)를 입구 영역에 부가하고 시간의 함수로서 침윤을 추적함으로써 유동 연구를 수행하였다. 본 실시예에서 사용된 유체는 Acid Blue 9을 갖는 탈이온수였다. 침윤의 다양한 형상들로의 시간 경과 비디오(time-lapse video)를 iPhone으로 캡처하였고, 시간의 절대 측정치로서 역할을 하도록 비디오 내에 스톱워치를 포함시켰다. 개별 프레임들을 ImageJ(http://imagej.nih.gov/ij/)를 사용하여 분석하여, 상이한 시점들에 입구 영역의 중심으로부터 습윤 전방부까지의 픽셀들의 개수를 측정하였다. 관련된 형상의 길이를 알아냄으로써 픽셀들을 밀리미터로 변환하였다. 각각의 형상에 대해, 실제 위치를 시간에 대해 모델링된 위치와 비교하였다. 다른 방법에서는, 펌프를 미세유체 채널 및/또는 튜브에 부착하고 유체 상류의 후행 에지의 위치를 추적함으로써 주어진 펌프에 대해 유량 프로파일을 결정하였다.
유체 대신 다공성 매체 내에서의 염료의 사용(앞서 논의된 바와 같음) 및 유체와의 상호작용 시 신호를 전달하는 다공성 매체 내의 전극의 사용을 제한 없이 포함하는, 다양한, 예를 들어, 광학적 또는 전기화학적 접근법들을 사용하여 다공성 매체를 통한 유체의 침윤을 추적하는 것이 달성될 수 있다는 것은 당업자에 의해 용이하게 이해될 것이다.
예시적인 수동형 펌프
형상화된 다공성 재료의 조립체가 미세유체 디바이스를 위한 수동형 펌프로서 사용될 수 있다. 수동형 펌프는 그를 미세유체 디바이스에 연결하기 위한 튜브 또는 외부 전력을 필요로 하지 않는다. 원하는 경우, 수동형 펌프 조립체는 유체 제어를 제공하기 위하여 미세유체 디바이스 상에 제조될 수 있고/있거나 미세유체 디바이스 내에 통합될 수 있다. 대안적으로, 펌프는 별개의 미세유체 디바이스에 부착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 펌프는 (예컨대, 일회용 유닛으로서) 모듈 방식으로 구성될 수 있고, 이는 이어서 미세유체 디바이스에 유체 연결될 수 있다. 이러한 경우에, 예를 들어, 긴 기간(예컨대, 수 일)에 걸친 펌핑이 요구되거나 또는 순차적인 샘플들이 시간 경과에 따른 추가 분석을 위하여 수집되는 경우에, 사용된 펌프는 새로운 펌프로 교체될 수 있다. 펌프는 일회용, 생분해성, 및/또는 가연성이도록 제조될 수 있다. 더욱이, 펌프는 매우 작은 풋프린트를 차지하도록 설계될 수 있다.
설계에 따라서, 펌프는 nL/min 내지 ㎕/min 범위의 유량을 제공할 수 있고, 일정한 체적의 액체가 펌핑된 후에 유동을 중지하도록 프로그램될 수 있다. 이러한 프로그램가능 펌프는 저비용이고, 광범위한 종래의 미세유체 디바이스들과 함께 '플러그 앤드 플레이' 방식으로 사용될 수 있다. 일례로서, 도 9는 종래의 주사기 펌프를 사용하여 제공된 가변하는 유량으로 수행된 예시적인 현장 진료 형광 기반 검정을 위하여 수집된 실험 데이터를 나타낸다. 형광 세기는 미세채널의 바닥부에서의 도파로(waveguide) 상에 고정된 항체 미세어레이의 표적 결합 스폿들에 의해 발생되었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 증가된 유량은 결합 속도(형광 세기 대 시간의 기울기)를 증가시킨다. 추가로, 지속된 유동은 진단 검사장치의 민감도를 증가시킨다. 여기서 설명된 펌프들은 현장 진료 검사장치에서 미세유체 채널과 통합되어 주사기 펌프와 동일한 유형의 유동을 발생시킬 수 있고, 전력 요구, 추가 비용, 및 기술적 복잡성 없이 증가된 민감도를 생성할 수 있다.
실시예 1: 미세유체 디바이스를 위해 정상 유량을 생성하기 위한 단일 펌프
수동형 펌프는 미세유체 채널의 출구에 연결될 수 있다. 다공성 재료 내의 유체의 음(negative)의 모세관 압력은, 미세채널의 입구에 있는 저장조로부터 미세채널을 통하여 펌프 내로의 유체 유동을 구동하는 압력 차를 야기할 수 있다. 수동형 펌프는 종이와 같은 임의의 형상화된 다공성 재료로 형성될 수 있고, 최대 3개의 한정된 영역들, 즉 (a) 미세채널의 출구에 연결되는 유체 입구(예컨대, 입구 영역), (b) 저항 영역(예컨대, 저항 목부), 및 (c) 흡수 영역을 포함할 수 있다. 입구 영역(a)은 미세유체 채널의 출구에 대한 재현 가능한 연결을 제공하도록 설계된다. 주어진 다공성 재료의 경우, 저항 목부(b)의 크기가 유량을 제어한다. 목부의 저항은 목부의 길이를 증가시키고/시키거나 목부의 단면적을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 직사각형 단면을 갖는 목부의 경우, 이는 목부의 두께를 감소시키고/시키거나 목부의 폭을 감소시킴으로써 그렇게 될 수 있다. 흡수 영역(c)의 공극 체적은 흡수될 수 있는 체적을 제어한다. 펌프가 작용하는 시간은 흡수될 수 있는 체적 및 목부에 의해 한정되는 유량에 대응한다. 도 10에서, 원형 풋프린트가 흡수 영역을 위해 사용되고 있지만, 삼각형 또는 방사상 세그먼트(radial segment)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 형상들이 또한 가능하다. 전통적인 미세유체 채널에 부착되어 있는 예시적인 수동형 펌프가 도 10a에 도시되어 있고, 펌프에 대한 유사한 전기 회로가 도 10b에 도시되어 있다. 펌프 내로의 유체의 예상된 유동이 도 10c에 도시되어 있는데, 여기서는 입구 영역이 먼저 습윤되고, 이어서 유체가 저항 목부를 내려가서 최종적으로 흡수 영역 내로 들어간다.
전형적으로, 이러한 수동형 펌프의 유량은 1 nL/min 미만 내지 100 ㎕/min 초과이도록 프로그램될 수 있다. 이러한 기본적인 펌프 설계를 사용하여 최저 유량을 달성하기 위하여, 목부의 저항은 높은 레벨로 증가될 수 있다. 이러한 목부의 저항이 미세채널의 예상된 저항보다 더 높은 한, 특정 펌프 설계가 상이한 기하학적 구성의 다양한 미세채널들에서 동일한 유량을 발생시킬 것이다. 이는 사실상, 그것을 기지의 유체에 대해 '플러그 앤드 플레이' 펌프가 되도록 한다. 이들 경우에, 펌프는 이상적인 전류원과 유사하다.
기본적인 펌프 설계를 사용하여 최대 유량을 달성하기 위하여, 목부의 저항은 최소화될 수 있다. 미세유체 채널과 흡수 영역 사이의 최소 저항 영역에 의해, 수동형 펌프의 체적 유량은 미세채널의 저항에 좌우될 수 있다.
목부 저항이 체적 유량에 미치는 영향은 도 11에서 알 수 있다. 실험적으로, 적층된 와트만 #1 크로마토그래피 종이를 사용하여 상이한 목부 저항들을 갖는 4개의 수동형 펌프들(P1, P2, P3, P4)을 제조하였다. 이러한 펌프들의 각각에 대해 체적 유량 프로파일(각각 4.5 ㎕/min, 2.3 ㎕/min, 1 ㎕/min, 및 0.5 ㎕/min)을 측정하였다. 이들 펌프의 각각은 흡수 영역들이 모두 동일한 크기이기 때문에 유사한 용적을 갖는다. 각각의 펌프가 동일한 체적(유량 프로파일 아래의 동일한 면적)을 유지하기 때문에, 이들은 가변하는 시간 동안 펌핑하였다(여기서, 시간은 목부 저항과 함께 증가함). 목부의 저항이 흡수 영역의 저항보다 훨씬 더 크기 때문에, 체적 유량은 일단 유체 전방부가 흡수 영역에 도달하면 사실상 일정하게 유지되었다.
흡수 영역의 면적의 변화가 체적 유량에 미치는 영향은 도 12에서 알 수 있다. 이들 펌프의 각각은 저항 목부들이 모두 동일한 치수이기 때문에 유사한 저항의 목부를 갖는다. 목부의 저항은 여전히 흡수 영역의 저항보다 훨씬 더 크다. 그러므로, 일단 유체 전방부가 흡수 영역에 도달하면, 체적 유량은 사실상 일정하게 유지된다. 도 12는 유량이 각각의 펌프에 대해 사실상 동일하지만, 흡수 영역의 증가하는 면적의 경우에 각각의 펌프가 흡수하는 체적(유량 프로파일 아래의 면적) 및 그가 펌핑하는 상응하는 시간이 증가한다는 것을 보여준다. 실험적으로, 적층된 와트만 #1 크로마토그래피 종이를 사용하여 도 12에 도시된 것들과 유사한 수동형 펌프들을 제조하였고, 각각의 펌프는 동일한 저항기 크기를 가졌다.
도 13a 및 도 13b는 현장 진료 진단 검사장치에 수동형 펌프가 어떻게 포함될 수 있는지를 보여주는 개략도를 도시한다. 도 13a는 도 13b에 도시된 최종 진단 검사장치의 분해도를 도시한다. 아래에서 위로, 포획 시약이 상부에 스폿팅(spotting)될 수 있는 평면 도파로, 미세유체 채널로서 역할을 하는 개구를 갖는 양면 접착제의 층, 입구 구멍 및 출구 구멍을 갖는 미세유체 채널의 상부로서 역할을 하는 필름, 필름 상의 미세채널의 입구 구멍 및 출구 구멍을 입구 저장조(좌측) 및 수동형 펌프(우측)와 각각 연결하는 구멍들을 갖는 양면 접착제가 존재한다.
도 13b의 조립체는 샘플이 입구 저장조 내에 로딩되게 할 수 있고, 수동형 펌프는 펌프의 설계에 의해 한정되는 체적 및 유량에 대해 미세유체 채널을 통과하고 고정된 포획 시약을 가로지르는 그러한 샘플의 유동을 유도할 것이다. 이러한 유도된 유동은 포획 시약에 걸쳐 표적 고갈 층을 최소화하고 진단 검사장치의 민감도를 최대화하도록 프로그램될 수 있다. 유사한 조립체가 다른 응용예를 위하여 사용될 수 있다.
실시예 2: 수동형 펌프를 위한 프로그램가능 시간 지연부
본 실시예는 수동형 펌프 조립체에 의해 생성되는 유량 프로파일에 시간 지연을 어떻게 도입시키는지를 실험적으로 입증한다. 그러한 유동 지연부는 유체가 수동형 펌프의 입구 영역에 실제로 도달하는 시점 이후의 시간에 원하는 유량을 시작하거나 또는 계속되는 유동을 일시적으로 지연시키기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 레벨의 제어는, 예를 들어, 샘플 로딩 또는 시약 인큐베이션에 추가 시간이 필요하다면, 바람직할 수 있다. 다양한 양의 수크로스 또는 폴리비닐 알코올(또는 기능적으로 등가인 재료)이 펌프의 유체 입구 및/또는 저항 영역 내에서 건조되어 유체 이송을 지연시킬 수 있다. 유체 입구 및/또는 저항 영역 내로의 물과 같은 유체의 침윤 시, 건조된 용질은 용해되어, 용질 농도에 따라서 종이의 그러한 영역 내에서 용액의 점도를 증가시킬 것이다(표 1). 특히 물 이외의 유체를 사용하는 경우에, 상이한 용질들이 선택될 수 있고; 펌프의 저항 영역 내에서 건조되는 수크로스의 사용이 본 실시예에서 설명된다.
[표 1]
습윤 종이의 주어진 세그먼트의 저항이 액체의 점도에 비례하기 때문에(식 2), 용해된 수크로스는 저항의 유의한 증가 및 수동형 펌프 내의 체적 유량의 감소를 생성할 수 있다.
목부가 유량의 제어기이도록 설계되기 때문에, 일단 목부 내의 유체가 농축된 수크로스를 더 이상 함유하지 않으면 유량이 증가하고 펌프가 '켜진다'. 용해된 수크로스가 수동형 펌프의 흡수 영역에 도달하는 경우, 습윤 전방부의 단면적은 증가하여, 점성 플러그의 길이를 감소시킨다. 이는 유체 유동에 대한 전체 저항을 감소시켜(식 2), 수크로스가 없는 유체에 대한 목부의 저항에 의해 확립된 한계를 향하여 유량을 증가시킨다.
실시예 3: 감소하는 단차들로 유량을 변경하는 하이브리드 펌프 조립체
일부 응용예의 경우, 주어진 시간 동안 주어진 유량으로 펌핑하고 이어서 주어진 제2시간 동안 그 유량을 다른 유량으로 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. (증가하거나 또는 감소하는) 다수의 순차적인 유량들이 일부 응용예의 경우에 또한 바람직하다. 복수의 저항 영역들 및 흡수 영역들을 포함하는 하이브리드 펌프가 사용되어 그러한 유량들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 다수의 흡수 영역들이 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결될 수 있다. 본 실시예에서, 전방부가 펌프 입구 영역과 제1흡수 영역의 원위 단부 사이에 있는 동안 펌프가 생성할 유량은 섹션들(C, D, E, F)을 갖지 않는 펌프와 동일한 것으로 보일 것이다.
일단 유체 전방부가 제2저항 영역(C)에 도달하면, 유량은 제1흡수 영역(B)에 대한 제2저항 영역으로부터의 증가하는 저항으로 인해 감소될 것이다. 일단 유체가 제2흡수 영역(D)에 도달하면, 유량은 다시 일정하게 될 것이다. 이러한 유동 거동은 직렬로 유체 연결되는 추가의 저항 영역/흡수 영역에 대해서 계속해서 일어날 것이다.
하이브리드 펌프 조립체는 또한 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 다수의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 도 15a 및 도 15b는 시간 경과에 따른 유량의 단차형 감소를 생성하는 그러한 하이브리드 펌프의 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 동일한 평면 내의 2개의 저항 영역들이 단일 유체 입구(입구 영역)로부터 연장된다. 각각의 저항 영역은 흡수 영역에 유체 연결된다. 유체가 펌프 내로 유동하여 흡수 영역들에 도달함에 따라, 유체 공급원으로부터 펌프 내로의 시간 의존적 유량은 사실상 흡수 영역들(R1, R2)의 각각에서의 시간 의존적 유량들의 합이다. 도 15b에 도시된 유량 대 시간은 도 15a에 도시된 펌프에 대한 것이다. 시간(A)에, 유체는 다공성 재료의 흡수 영역들(R1, R2) 둘 모두 내로 침윤된다. 시간(B)에, 흡수 영역 1(R1)은 포화되어 펌핑을 중지하지만, 다른 흡수 영역(R2)은 유체를 계속 펌핑한다. 그러한 펌프는 유체 입구에 유체 연결되는 미세채널 내에서 단차형으로 감소하는 체적 유량을 생성할 것이다.
실시예 4: 증가하는 단차들을 갖는 유량을 확립하는 하이브리드 펌프
하이브리드 펌프는 또한 일정 기간 동안 하나의 유량으로 펌핑하고 이어서 일정 기간 동안 더 높은 유량으로 펌핑하도록 설계될 수 있다. 그러한 유량을 생성할 수 있는 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 다수의 흡수 영역들을 포함할 수 있다. 도 16a 내지 도 16c는 시간 경과에 따른 유량의 단차형 증가를 생성하는 그러한 하이브리드 펌프의 실시예를 도시한다. 펌프는 단일 유체 입구(입구 영역)로부터 연장된 2개의 저항 영역들 - 각각이 흡수 영역에 유체 연결됨 - 을 포함한다. 2개의 저항 영역들이 유체 유동에 대한 상이한 저항들을 본래부터 나타내도록 크기-설정되고 하부 저항 영역에 시간 지연부(예컨대, 저항 목부 내에 배치된 용해성 용질 또는 저항 영역과 유체 입구 사이에 배치된, 폴리비닐 알코올 멤브레인과 같은, 용해성 중합체 멤브레인)가 도입된 경우, 하이브리드 펌프는 먼저 (유체 유동에 대해 더 큰 저항을 갖는 저항 영역을 통하여) 더 낮은 유량으로 펌핑할 것이다. 이어서, 지연부를 생성하는 용해성 용질이 용해되고 점성 플러그가 제2저항 영역으로부터 나와서 흡수 영역 내로 들어간 후에, 유체는 더 높은 유량으로 펌핑될 것이다.
실시예 5: 완전히 프로그램가능 유동을 확립하는 복합 펌프
다공성 재료의 연속 시트 상에 다수의 펌핑 영역들을 설계한 하이브리드 펌프에 의해 프로그램가능 유량을 형성하는 대신, 다수의 적층된 동일 평면의 저항 영역들 및 흡수 영역들(본 명세서에서는 펌프 서브유닛들로 지칭됨)이 적층되어 단일 복합 펌프를 형성할 수 있다. 각각의 동일 평면 층 내의 개별 펌프 서브유닛들은 도 17 및 도 18a 내지 도 18c에 도시된 바와 같은 적층된 서브유닛들의 높이에 걸쳐 있는 단일 유체 입구에 의해 유체 연결될 수 있다.
더 복합적인 유량 프로파일을 생성하기 위하여, 미세유체 채널의 원위 단부에 이러한 서브유닛 펌프들을 적층할 수 있다. 이는, 펌프 서브유닛들 사이의 공간에 대한 물리적 한계로 인해 또는 전체 펌프를 특정 미세유체 디바이스 내로 통합할 필요성 때문에 동일한 평면 내의 펌프들의 집합을 사용하여 다르게는 불가능할 수 있는 방식으로 서브유닛 펌프들을 부착하는 데 사용될 수 있다. 시간 지연부를 생성하는 용질이, 유동 공정에서 나중에 작동하기 위한 적절한 서브유닛 펌프들의 저항 영역 내로 통합될 수 있다. 시간 지연부는 또한, 적층체 내의 2개의 서브유닛 펌프들 사이에 (예컨대, 적층된 펌프 조립체의 동일 평면의 층들 사이의 유체 입구 내에) 용해성 재료의 층(예컨대, 폴리비닐 알코올 멤브레인)을 삽입함으로써 생성될 수 있다. 이러한 접근법에서, 유체 경로 내의 용해성 재료의 층 이후에 있는 구성요소들 내로의 유체의 도입은 지연될 것이다.
각각의 서브유닛 펌프에 대한 체적 유량 대 시간은 미세유체 채널 내에 변화하는 체적 유량을 제공하기 위하여 이러한 설정에서 추가된다. 도 18a 및 도 18b는 적층된 서브유닛 펌프들의 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 서브유닛 펌프들(B, C, D)은 상이한 시간에 시작하도록 목부 내에 시간 지연부를 갖는다. 유량 대 시간이 부가되어 있기 때문에, 이어서 이러한 적층체는 도 18c에 도시된 프로파일을 생성할 수 있다.
최소 공간 내에서 최대 체적 유량을 달성하기 위하여 펌프 조립체들이 또한 적층될 수 있다. 도 19는 유동에 대한 승법적 효과(N배)를 갖도록 예시적인 종이 펌프가 미세유체 채널의 단부에 어떻게 (N개의 서브유닛 펌프들로) 적층될 수 있는지를 도시한다. 도 20은 단일 미세유체 펌프 및 복합 펌프를 형성하도록 적층된 2개의 수동형 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다. 도 21은 각각이 2개의 적층된 펌프 서브유닛들(P1+P3 적층체 및 P2+P4 적층체)을 포함하는 2개의 상이한 복합 펌프들에 대한 시간의 함수로서의 체적 유량을 비교하는 플롯이다. P1, P2, P3, 및 P4 각각은 유체 유동에 상이한 저항을 제공하는 저항 영역을 포함한다. 다양한 방식으로 이들을 조합함으로써, 복합적인 프로그램가능 유체 유량 프로파일들이 생성될 수 있다.
추가로, 도 22a 및 도 22b에 도시된 바와 같이, 단일 미세유체 채널에 대해 펌프들이 충전 및 교체될 수 있다. 본 실시예에서, 흡수 영역은 용이하게 교체될 수 있어서, 일정한 유동을 유지하기 위하여 저항 영역을 미세유체 채널과 연결된 상태로 남길 수 있다. 수집된 유체가 관심 대상이면, 충전된 펌프들은 미리-결정된 시간 간격으로 수집된 샘플들의 이후의 분석을 위하여 사용될 수도 있다.
실시예 6: 소정 영역들에서 상이한 높이들을 갖는 펌프
가변하는 두께의 영역들을 포함하도록 펌프가 제조될 수 있다. 다공성 재료의 저항이 유동 방향에 직교하는 면적에 반비례하기 때문에, 다공성 재료의 소정 영역들의 높이를 증가시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 펌프의 흡수 영역의 높이가 저항 영역의 높이보다 더 높아서 습윤 전방부가 흡수 영역에 있는 경우에 펌프를 더욱 더 일정하게 하는 것이 특히 유용할 수 있다. 도 23은 크로마토그래피 종이를 다공성 재료로서 사용하는 실시예를 도시하지만, 이는 임의의 평면 다공성 재료에 대해서도 사용될 수 있다. 여기서, 흡수 패드 풋프린트의 복제본들이 서로 나란히 타일링된(tiled) 설계가 종이의 시트 내로 커팅된다. 타일링된 풋프린트들 사이에는, 다공성 재료를 레이저 커터로 천공하여 더 용이한 절첩을 허용하였다. 주름을 따라서 절첩한 후에는, 흡수 패드의 추가의 타일링된 풋프린트들이 존재하지 않는 경우에 그랬을 수 있을 것 같이 풋프린트는 동일하지만, 흡수 패드는 펌프의 다른 영역보다 더 두껍다. 이러한 특정 실시예에서, 흡수 패드의 타일링된 풋프린트들의 면들 사이에 장벽이 존재하지 않는다.
실시예 7: 주어진 펌프의 풋프린트를 감소시키는 절첩가능 펌프
펌프의 흡수 영역의 3차원 형상은 펌프의 이송 특성을 변경시키지 않고서 주어진 펌프의 풋프린트를 감소시키기 위하여 변형될 수 있다. 이러한 경우에, 다공성 재료는 크로마토그래피 종이이고, 다공성 재료의 양 면들 상에 유체-불투과성 층이 존재한다. 이러한 것이 유용할 수 있는 한 가지 상황은 흡수 영역이 펌프의 다른 부분들 및/또는 펌프를 끼워맞추려고 하는 용기보다 상당히 더 큰 경우이다. 이와 같은 경우 및 다른 경우들에 있어서, 흡수 영역은 그 자신 상으로 절첩되어 그의 풋프린트를 감소시킬 수 있다(도 24). 유체가 침투하는 것을 허용하지 않는 표면에 의해, 침윤 유체는 그가 절첩되지 않았던 것처럼 유동 경로를 따라가고 동일한 유량 프로파일로 펌핑된다.
실시예 8: 용해성 멤브레인을 사용한 프로그램가능 지연부
용해성 멤브레인을 사용하여 시간 지연부가 또한 도입될 수 있다. 이러한 경우에, 용해성 멤브레인은 펌프 또는 복합 펌프 내의 다공성 또는 비다공성 재료의 인접한 부분들 사이에 (예컨대, 복합 펌프 내의 2개의 펌프들의 유체 입구 패드들 사이에) 위치될 수 있다. 용해성 멤브레인이 온전하게 유지되는 동안, 이는 펌프 또는 복합 펌프의 이러한 인접한 부분들 사이의 (예컨대, 복합 펌프 내의 2개의 유체 연결된 펌프들의 유체 입구 패드들 사이의) 유체 유동에 대한 장벽으로서 역할을 할 수 있다. 그러나, 일단 멤브레인이 파열되면, 유체는 펌프 또는 복합 펌프의 인접한 부분들 사이에서 유동할 수 있다.
수성 유체와 함께 사용하기에 적합한 용해성 멤브레인은 폴리비닐 알코올(PVA)로 형성될 수 있다. PVA는 필름/시트로 캐스팅(casting)될 수 있는 수용성 중합체이다. 디스크가 이러한 필름으로부터 제조될 수 있고 적층된 펌프들의 입구 영역들 사이에 삽입될 수 있다. PVA가 용해성인 용매(예컨대, 물)에 노출되는 경우, 필름은 용해되기 시작할 것이다. 일단 필름이 파열되면, 유체는 적층된 펌프들의 건조 영역들로 전진할 수 있다. 이는 소정 펌프들(지연부의 하류에 있는 펌프들)이 켜지기 전에 효과적으로 시간 지연부를 제공한다. 이러한 지연 시간은 필름의 두께를 조절하는 것과 같은 수단을 통하여 제어될 수 있다.
도 25는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함하는 예시적인 복합 펌프를 포함한다. 유체가 초기에 펌프 내로 (제1펌프 서브유닛의 유체 입구 내로) 침윤되는 경우, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1으로 결정된다. 일단 멤브레인이 파열되면, 유체는 펌프들 둘 모두 내로 침윤될 수 있고, 부착된 미세채널을 통과하는 유체 유량은 Q1+Q2로 결정된다.
도 26은 복합 펌프가, 예를 들어, 미세유체 채널 또는 현장 진료 진단 검사장치에 어떻게 유체 연결될 수 있는지를 도시하는데, 여기서 복합 펌프는 복합 펌프의 2개의 유체 연결된 펌프 서브유닛들의 유체 입구 사이에 배치된 용해성 멤브레인을 포함한다. 패널 A는 최종 조립체의 분해도를 도시한다. 패널 B는 시간의 함수로서의 부착된 미세유체 디바이스를 통한 유체 유량을 나타내는 플롯이다.
도 27은 펌프(P4)의 입구 영역과 펌프-유사 디바이스(P9)의 입구 영역 사이에 삽입된 용해성 PVA 멤브레인(D1)을 포함하는 복합 펌프의 실험 유량 프로파일을 도시한다. P9는 그가 입구 영역 및 흡수 영역을 갖지만 저항 영역을 갖지 않기 때문에 펌프-유사형이다. 멤브레인이 파열되기 전에, P4는 유체를 약 1 ㎕/min으로 구동한다. 일단 멤브레인이 파열되면, P9은 유체 연결되고 또한 유체를 구동한다. 이때, 체적 유량은 상당히 증가한다. 복합체는 P9이 포화되어 유체 구동을 중지할 때까지 이러한 증가된 유량으로 펌핑을 계속한다. 이때, P4는 다시 유체의 단독 구동기가 되고, 체적 유량은 약 1 ㎕/min 유량으로 복귀된다.
실시예 9: 다양한 다공성 재료를 사용하여 제조된 펌프
펌프는 다양한 특성들(예컨대, 모세관 압력, 공극률, 및 투과율)을 갖는 다공성 재료로 제조될 수 있다. 이들 특성은 유량 프로파일에 영향을 미친다. 예를 들어, 펌프의 풋프린트가 고정된 크기일 필요가 있었으면, 이들 특성은 주어진 유체/미세채널에 대해 원하는 유량 프로파일을 달성하도록 선택될 수 있었다. 다른 예에서, 막힘을 피하기 위하여 유체 내에 있을 것으로 예상되는 입자보다 더 큰 평균 세공 크기를 갖도록 재료가 선택될 수 있다.
도 28은 동일한 형상을 갖지만 상이한 본질적 특성들을 갖는 다공성 재료들로 제조된 펌프들의 유량 프로파일들을 도시한다. 본 실시예에서, 이들은 상이한 평균 세공 크기들 및 두께들을 갖는 상이한 유형의 종이들이다. 다양한 와트만 종이들을 사용하였다(F4: 필터 용지 #4, F597: 필터 용지 #597, Chr1: 크로마토그래피 종이 #1, F1: 필터 용지 #1, F6: 필터 용지 #6, F5: 필터 용지 #5). 이들 종이의 매트릭스는 동일한 재료(셀룰로오스)로 제조된다. 그러나, 종이들은 상이한 평균 세공 크기들, 공극율들, 및 두께들을 갖는다. 결과적으로, 이들은 상이한 투과율들을 갖고 고유한 모세관 압력들을 발생시킨다. 이러한 다공성 재료를 도 7에 도시된 것과 유사한 단면을 갖는 펌프 내로 포함시켰다. 동일한 펌프 풋프린트의 경우, 상이한 유형의 종이들(그들의 고유한 특성들을 가짐)은 고유한 유량 프로파일들을 생성한다.
공정 및 품질 제어 시에 수동형 펌프 조립체를 사용
펌프(본 명세서에서 설명되는 하이브리드 펌프 및 복합 펌프를 포함함)는 또한 공정 제어 응용예들에 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 펌프는 미세유체 채널의 유체 저항을 결정하는 데, 미세유체 채널의 높이를 측정하는 데, 종이와 같은 다공성 재료의 특성(예컨대, 투과율)을 정량화하는 데, 그리고/또는 미지의 유체의 특성(예컨대, 점도)을 정량화하는 데 사용될 수 있다.
실시예 10: 미지의 유체의 점성을 정량화하는 미세유체 디바이스들의 설정
본 명세서에서 설명되는 수동형 펌프는 미지의 유체의 점도를 결정하기 위하여 단순한 미세유체 디바이스와 함께 사용될 수 있다. 미세유체 디바이스는 유체 입구를 유체 출구에 유체 연결하는 미세유체 채널을 포함할 수 있다. 미세유체 채널은 미리 로딩된 유체를 포함할 수 있다. 미리 로딩된 유체의 침윤에 대해 잘 특성화된 펌프의 유체 입구는 미세유체 디바이스의 유체 출구에 유체 연결될 수 있다. 미지의 유체가 미세유체 디바이스의 유체 입구에 부가될 수 있고, 디바이스는 미리 로딩된 유체를 수동형 펌프와 접촉시키도록 작동될 수 있다.
수동형 펌프는 미세유체 채널 내로의 유체 유동을 유도할 것이다. 펌프가 유체를 유동시키게 하는 속도는 유체 유동에 대한 총 저항(이는 펌프의 저항과, 미리 로딩된 유체의 플러그의 저항과, 유체의 미지의 플러그의 저항의 합임)에 반비례할 것이다. 유량이 미지의 유체의 점도에 민감하게 하도록, 총 저항은 미지의 유체가 유동하고 있는 영역에 의해 좌우되어야 한다. 이는 펌프, 미리 로딩된 유체, 및 미세유체 채널의 적절한 설계에 의해 행해질 수 있다. 저항은 미지의 유체의 점도에 정비례할 것이다. 따라서, 미지의 유체의 점성을 정량화하기 위하여 펌핑 속도 및/또는 펌핑 시간이 측정되어 캘리브레이션 곡선과 비교될 수 있다.
실시예 11: 미세유체 디바이스의 저항계
미세유체 디바이스는 대체적으로 바람직한 유체 동력학을 생성하기 위한 시도에서 한 세트의 치수들을 갖도록 제조된다. 그러나, 유체 동력학이 계산 모델에 의해 예측될 수 있지만, 미세유체 디바이스를 특성화하여 디바이스가 원래의 특정된 치수로 제조되었는지 여부를 결정하는 것은 대체적으로 어렵다. 미세채널의 유체 저항을 측정하는 것이 그의 물리적 치수를 결정하기 위한 한 가지 방식이다.
수동형 펌프는 비용 효과적인 품질 제어를 위해 미세유체 채널의 저항을 측정하는 데 사용될 수 있다. 주어진 펌프의 경우에, 펌프가 충전되는 데 걸리는 시간은 미세유체 디바이스의 저항에 좌우된다. 미세유체 채널의 저항은 도 29에 개략적으로 도시된 설정을 사용하여 측정될 수 있다.
다양한 범위의 정량을 갖는 한 세트의 수동형 펌프들로 미세유체 채널을 검사할 수 있다. 주어진 펌프의 정량 하한은 그러한 다공성 재료의 유효 저항/투과율에 좌우된다. 펌프의 저항이 미세채널보다 상당히 더 크면, 펌프는 저항을 정량화할 수 없을 것이다 - 이는 펌프의 저항이 우세할 것이기 때문이다. 만일 채널의 저항이 습윤 조립체의 저항보다 상당히 더 크면, 채널의 저항은 체적 유량의 주요 제어기가 될 것이다. 따라서, 수동형 펌프가 충전되는 데 걸리는 시간은 미세채널의 저항에 직접 좌우된다(도 29의 삽도).
도 30은 전통적인 기법에 의해 제조될 수 있는 미세채널들의 길이들의 예시적인 범위 및 각각의 미세채널의 저항의 상응하는 양을 도시한다. 채널들의 폭(50 ㎛ 또는 250 ㎛) 및 높이(50 ㎛ 또는 100 ㎛)에 따라서, 도 30에 도시된 미세채널들의 저항은 6 × 1011 Nsm-5 내지 4 × 1015 Nsm-5의 범위일 수 있다. 미세채널의 저항이 채널의 길이, 폭, 및 높이의 함수이고, 길이 및 대략적인 폭이 표준 현미경 검사법을 사용하여 결정될 수 있기 때문에, 종이 펌프로부터의 계산된 저항은 채널의 평균 높이를 정량화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 31은 주어진 수동형 펌프 조립체 및 캘리브레이션 피팅에 대한 데이터를 도시한다. 이어서, 캘리브레이션 곡선은 충전하는 시간을 측정함으로써 주어진 미세채널의 저항을 검사하는 데 사용될 수 있다.
실시예
12: 주어진 다공성 재료의 특성을 정량화하는 미세유체
디바이스들의
세트
종이와 같은 다공성 재료 내의 유체의 유동은 주어진 재료 및 유체의 3D 형상 및 3가지 특징적 특성, 즉 유효 공극률(Por), 모세관 압력(Pc), 및 투과율(K)을 알아냄으로써 1차 모델로 설명될 수 있다. 모세관 압력과 투과율의 곱은 단일 세그먼트를 통과하는 유체 유동을 추적함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 유동을 완전히 설명하기 위해서는 개별 특성들이 필수적이다.
기지의 저항을 갖는 한 세트의 미세유체 채널들이 신속하고 간단한 측정으로 다공성 재료의 특성을 정량화하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 고유한 세트의 침윤 데이터를 생성하기 위하여 미세유체 채널의 기지의 저항을 사용함으로써 종이 또는 다른 다공성 재료에 대한 2개의 미지값들(Pc 및 K)에 대한 해(solution)를 제공할 수 있다. 기지의 저항을 갖는 미세유체 채널은 저장조와 종이 사이에 배치되어, 유체 회로에 기지의 저항을 직렬로 추가할 수 있다. 이어서, 이러한 고유한 세트의 침윤 데이터는 그러한 주어진 유체의 종이 내로의 침윤을 가장 잘 설명하는 Pc 및 K 값들을 식별하기 위하여 최소 자승 접근법(least squares approach)을 사용하여 피팅될 수 있다. 도 32는 상이한 (낮은, 중간, 높은) 저항들의 미세채널들에 부착된 주어진 수동형 펌프에 대한 가상 침윤 데이터 및 한 세트의 저항기들을 위한 종이의 투과율 및 모세관 압력의 최상의 피팅을 도시한다.
미세유체 저항을 결정하기 위한 이러한 방법은 또한 종이 기반 미세유체 디바이스용으로 사용되도록 의도된 것들과 같은 종이 기재의 공정 제어에서 사용될 수 있다. 종이의 저항보다 훨씬 더 낮은 저항으로부터 종이보다 훨씬 더 높은 저항까지 걸쳐 있는 다양한 저항들을 갖는 한 세트의 미세유체 채널들이 종이의 상이한 배치(batch)들을 검사하기 위하여 사용될 수 있다. 이어서, 수집된 침윤 데이터는 모델에서 사용되어, 주어진 유체 및 종이에 대한 Pc 및 K를 예측하고 종이의 기능적 용량을 모니터링할 수 있다.
후속하는 청구범위의 디바이스, 시스템, 및 방법은 청구범위의 몇몇 태양의 예시로서 의도된 본 명세서에서 설명되는 특정 디바이스, 시스템, 및 방법에 의해 범주가 제한되지 않는다. 기능적으로 등가인 임의의 디바이스, 시스템, 및 방법이 청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다. 본 명세서에서 도시되고 설명되는 것들에 더하여 디바이스, 시스템, 및 방법의 다양한 변형예는 후속하는 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 추가로, 본 명세서에 개시된 단지 소정의 대표적인 디바이스들, 시스템들, 및 방법 단계들이 구체적으로 설명되고 있지만, 디바이스들, 시스템들, 및 방법 단계들의 다른 조합도 또한, 구체적으로 언급되어 있지 않더라도, 후속하는 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다. 따라서, 단계들, 요소들, 구성요소들, 또는 구성들의 조합이 본 명세서에서 명시적으로 언급될 수 있지만, 명시적으로 서술되어 있지 않더라도, 단계들, 요소들, 구성요소들, 및 구성들의 다른 조합이 포함된다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 개시된 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 인용된 공보 및 이들이 인용된 자료는 참고로 구체적으로 포함된다.
Claims (72)
- 수동형(passive) 미세유체 펌프로서,
(a) 유체 입구;
(b) 저항 영역;
(c) 흡수 영역; 및
(d) 상기 저항 영역, 상기 흡수 영역, 또는 이들의 조합을 둘러싸는 증발 장벽(evaporation barrier)을 포함하고;
상기 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 상기 유체 입구로부터 상기 제1다공성 매체를 통하여 상기 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계(fluidly non-conducting boundary)를 포함하고;
상기 흡수 영역은 상기 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하는, 펌프. - 제1항에 있어서, 상기 제1다공성 매체 및 상기 제2다공성 매체는 다공성 친수성 재료를 포함하는, 펌프.
- 제2항에 있어서, 상기 다공성 친수성 재료는 셀룰로오스성 기재(substrate)를 포함하는, 펌프.
- 제3항에 있어서, 상기 셀룰로오스성 기재는 종이, 셀룰로오스 유도체, 직조 셀룰로오스 재료, 부직 셀룰로오스 재료, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 펌프.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 영역 및 상기 흡수 영역은 상기 유체 입구가 유체와 접촉되는 경우에 상기 유체 입구로부터 상기 흡수 영역으로 전진하는 모세관 유도 유체 전방부(capillary-driven fluid front)를 확립하도록 구성되는, 펌프.
- 제5항에 있어서, 상기 저항 영역은 모세관 유도 유체가 상기 저항 영역으로부터 상기 제2다공성 매체를 통하여 전진함에 따라 1 nL/min 내지 100 ㎕/min의 유체 유량을 제공하도록 구성되는, 펌프.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 상기 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 큰, 펌프.
- 제7항에 있어서, 상기 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 상기 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 적어도 5배 더 큰, 펌프.
- 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 저항 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항은 상기 흡수 영역을 통과하는 유체 유동에 대한 저항보다 적어도 10배 더 큰, 펌프.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 입구는 미세유체 채널과 유체 연결되도록 구성되는, 펌프.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 입구는 상기 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 전도성 영역을 포함하는, 펌프.
- 제11항에 있어서, 상기 유체 전도성 영역은 상기 제1저항 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 형성하는 다공성 매체를 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체의 미리-결정된 체적은 1 ㎕ 내지 10 mL인, 펌프.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항 영역은 상기 미리-결정된 체적의 유체를 10초 내지 7일 내에 상기 흡수 영역으로 전달하는 데 유효한 유체 유량을 제공하도록 구성되는, 펌프.
- 제14항에 있어서, 상기 저항 영역은 상기 미리-결정된 체적의 유체를 0.1분 내지 90분 내에 상기 흡수 영역으로 전달하는 데 유효한 유체 유량을 제공하도록 구성되는, 펌프.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함하는, 펌프.
- 제16항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 유체 입구, 상기 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 포함하는, 펌프.
- 제16항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발 장벽은 상기 저항 영역을 둘러싸는, 펌프.
- 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증발 장벽은 상기 흡수 영역을 둘러싸는, 펌프.
- 제20항에 있어서, 상기 흡수 영역에 작동식으로 결합되는 기공을 추가로 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1다공성 매체 및 상기 제2다공성 매체는 서로 유체 접촉하는 2개의 별개 조각의 기재 재료를 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1다공성 매체 및 상기 제2다공성 매체는 상이한 두께를 갖는, 펌프.
- 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2다공성 매체는 상기 제1다공성 재료보다 더 두꺼운, 펌프.
- 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2다공성 매체 및 상기 제1다공성 재료는 동일 평면에 있지 않은, 펌프.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 영역은 비평면인, 펌프.
- 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡수 영역은 상기 저항 영역에 탈착 가능하게 연결되는, 펌프.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프는 제2저항 영역 및 제2흡수 영역을 추가로 포함하는, 펌프.
- 제28항에 있어서, 상기 제2흡수 영역은 상기 제1흡수 영역에 병렬로 유체 연결되는, 펌프.
- 제29항에 있어서, 상기 제2저항 영역은 제3다공성 매체, 및 상기 유체 입구로부터 상기 제3다공성 매체를 통하여 상기 제2흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하고;
상기 제2흡수 영역은 상기 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하는, 펌프. - 제30항에 있어서, 상기 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함하는, 펌프.
- 제31항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 포함하는, 펌프.
- 제31항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 유체 입구로부터 상기 제2저항 영역 내로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함하는, 펌프.
- 제28항에 있어서, 상기 제2흡수 영역은 상기 제1흡수 영역과 직렬로 유체 연결되는, 펌프.
- 제34항에 있어서, 상기 제2저항 영역은 제3다공성 매체, 및 상기 제1흡수 영역으로부터 상기 제3다공성 매체를 통하여 상기 제2흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하고;
상기 제2흡수 영역은 상기 제2저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제4다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하는, 펌프. - 제35항에 있어서, 상기 펌프를 통과하는 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함하는, 펌프.
- 제36항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 제2저항 영역 내에 배치된 용해성 용질을 포함하는, 펌프.
- 제36항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 제1흡수 영역으로부터 상기 제2저항 영역으로의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프는 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 3개 이상의 흡수 영역들을 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프는 저항 영역들을 통하여 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들, 및 저항 영역들을 통하여 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 흡수 영역들을 포함하는, 펌프.
- 제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 의해 정의되는 복수의 유체 연결된 펌프들을 포함하는 복합 펌프.
- 제42항에 있어서, 상기 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함하는, 펌프.
- 제42항 또는 제43항에 있어서, 상기 복수의 펌프들은 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함하는, 펌프.
- 제42항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 펌프들은 직렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들 및 병렬로 유체 연결되는 2개 이상의 펌프들을 포함하는, 펌프.
- 제42항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 펌프들은 평행한 평면들에 적층되는, 펌프.
- 제42항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 유체 연결된 펌프들 중 적어도 하나의 펌프 내로의 유체 유동에 영향을 미치는 유동 지연 요소를 추가로 포함하는, 펌프.
- 제47항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 펌프의 유체 입구, 상기 펌프의 저항 영역, 또는 이들의 조합 내에 배치되는 용해성 용질을 포함하는, 펌프.
- 제47항에 있어서, 상기 유동 지연 요소는 상기 복수의 펌프들 중 2개의 펌프들 사이의 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 포함하는, 펌프.
- 유체 입구를 유체 출구에 유체 연결하는 미세유체 채널, 및 상기 미세유체 채널의 유체 출구에 유체 연결되는 제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 의해 정의되는 펌프를 포함하는 미세유체 디바이스.
- 제50항에 있어서, 상기 펌프의 유체 입구는 상기 미세유체 채널의 유체 출구와 직접 접촉 상태에 있는, 디바이스.
- 제50항 또는 제51항에 있어서, 상기 펌프는, 상기 유체 입구가 유체와 접촉되는 경우에 상기 펌프가 상기 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록 상기 미세유체 채널의 유체 출구에 유체 연결되는, 디바이스.
- 제52항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 10분의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 상기 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록 구성되는, 디바이스.
- 제53항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 30분의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 상기 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록 구성되는, 디바이스.
- 제52항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 10분의 기간 동안 가변하는 유량으로 상기 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록 구성되는, 디바이스.
- 제55항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 30분의 기간 동안 가변하는 유량으로 상기 미세유체 채널을 통하여 유체 유동을 유도하도록 구성되는, 디바이스.
- 제55항 또는 제56항에 있어서, 상기 가변하는 유량은 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함하는, 디바이스.
- 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 유도하기 위한 방법으로서,
제1항 내지 제49항 중 어느 한 항에 의해 정의되는 펌프를 상기 미세유체 디바이스의 유체 출구에 유체 연결하는 단계; 및
상기 미세유체 디바이스의 유체 입구를 유체와 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법. - 제58항에 있어서, 상기 펌프의 유체 입구는 상기 미세유체 디바이스의 유체 출구와 직접 접촉 상태에 있는, 방법.
- 제58항 또는 제59항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 5분의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 상기 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성되는, 방법.
- 제60항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 30분의 기간 동안 실질적으로 연속하는 유량으로 상기 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성되는, 방법.
- 제58항 또는 제59항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 10분의 기간 동안 가변하는 유량으로 상기 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성되는, 방법.
- 제62항에 있어서, 상기 펌프는 적어도 30분의 기간 동안 가변하는 유량으로 상기 미세유체 디바이스를 통하여 유체 유동을 구동하도록 구성되는, 방법.
- 제62항 또는 제63항에 있어서, 상기 가변하는 유량은 단차형으로 증가하는 유량 또는 단차형으로 감소하는 유량을 포함하는, 방법.
- 미세유체 채널 내에 미리-결정된 유체 유량을 제공하도록 구성된 수동형 펌프를 조립하는 방법으로서,
유체와의 접촉 시 특정 유체 유량을 유체 입구로 유도하도록 형상화된 하나 이상의 펌프 서브유닛을 유체 연결하여 상기 수동형 펌프를 형성하는 단계를 포함하고;
각각의 펌프 서브유닛은 저항 영역 및 흡수 영역을 포함하는데, 상기 저항 영역은 제1다공성 매체, 및 상기 유체 입구로부터 상기 제1다공성 매체를 통하여 상기 흡수 영역으로의 유체 유동을 위한 경로를 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하고, 상기 흡수 영역은 상기 저항 영역으로부터 침윤되는 유체의 미리-결정된 체적을 흡수하도록 크기-설정된 제2다공성 매체의 체적을 한정하는 유체 비전도성 경계를 포함하는, 방법. - 제65항에 있어서, 각각의 펌프 서브유닛은 증발 장벽 내에 둘러싸이는, 방법.
- 제65항 또는 제66항에 있어서, 상기 수동형 펌프는 2개 이상의 유체 연결된 펌프 서브유닛들을 포함하는, 방법.
- 제67항에 있어서, 상기 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 것은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 유체 연결하는 것을 포함하는, 방법.
- 제67항 또는 제68항에 있어서, 상기 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 것은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 것을 포함하는, 방법.
- 제65항 내지 제69항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 것은 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 직렬로 그리고 2개 이상의 펌프 서브유닛들을 병렬로 유체 연결하는 것을 포함하는, 방법.
- 제65항 내지 제70항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펌프 서브유닛들을 유체 연결하는 것은 이들이 공통 유체 입구를 공유하도록 상기 펌프 서브유닛들을 적층하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제71항에 있어서, 상기 적층체 내의 펌프 서브유닛들 사이에 유체 유동에 대한 장벽을 형성하는 용해성 멤브레인을 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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