KR20180054828A - 면역학적 측정 장치 - Google Patents

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츠토무 이와사키
료지 오누키
마사히로 쿠니노리
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도요세이칸 그룹 홀딩스 가부시키가이샤
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Abstract

검체를 이동하는 유로를 다공질체에 의해서 구성하지 않고, 또한 유로 길이는 과대하게 길고 복잡하지 않고, 유로 자체에 강한 모세관 힘을 부여하여 검체 및 표지 물질을 확실하게 이동 및 혼합시킬 수 있고, 표지 물질의 입자 지름을 크게 해도 유로에 막힘이 생길 우려가 없고, 표지 물질의 시인성 · 신호 강도를 확실하고 효과적으로 향상시킨다. 항원 항체 반응에 의한 면역학적 측정이 이루어지는 검체가 이동하는 유로를 갖춘 마이크로 유체 장치 (1)로 이루어지며, 유로의 상류부에 설치되고, 검체를 표지 시약 공급부 (4)와 표지 시약 공급부 (4)보다 하류에 설치되고, 검체의 항원 항체 반응을 측정하는 검출 유로 (8)를 구비하고, 표지 시약 공급부 (4)에는 항원 항체 반응에 의해 검체를 표지하는 항원 또는 항체가 고상화된 표지 물질을 갖는 표지 시약이 배치되어 있는 구성으로 되어 있다.

Description

면역학적 측정 장치
본 발명은 항원 항체 반응에 의한 면역학적 측정에 사용되는 면역학적 측정 장치(device, 디바이스)에 관한 것이며, 특히 면역학적 측정의 대상이 되는 검체가 이동하는 유로를 갖춘 마이크로 유체 장치에 의해 구성된 면역학적 측정 장치에 관한 것이다.
일반적으로 항원 항체 반응에 의한 면역학적 측정에 사용되는 면역학적 측정 장치가 알려져 있다. 이런 종류의 면역학적 측정 장치로는, 예를 들면 면역 크로마토그래피 장치라는 장치가 알려져 있다. 면역 크로마토그래피 장치란 항원 항체 반응을 이용한 면역학적 측정을 할 수 있는 장치이며, 주로 세균이나 바이러스 등의 병원체의 검출에 이용되는 것이다.
구체적으로는 면역 크로마토그래피 장치에서는 미리 검체에 포함된 애널라이트 (analyte, 항원 또는 항체)와 반응하는 항체 또는 항원이 표지 물질에 고상화(固相化)한 상태의 표지 시약을 함침시킨 유리 섬유 등의 부직포나 섬유로 이루어진 콘쥬게이트 패드에, 예를 들면 혈액이나 체액 등 애널라이트가 포함된 검체를 적하시킴으로써 검체 중에 항원 (또는 항체)가 포함되어 있으면, 그 항원이 미리 콘쥬게이트 패드에 함침된 표지 시약과 항원 항체 반응에 의해 복합체를 형성하여 표지되고, 그 복합체가 콘쥬게이트 패드와 접촉한 니트로 셀룰로오스 발포체로 이루어진 멤브레인을 이동하여, 상류의 검체 포착 부분에 선형상으로 배치된 포착 항체로 이루어진 포착 시약에 포착되어, 표지 물질이 눈으로 볼 수 있게 선 모양으로 발색하게 되어 있다.
이에 따라 표지 물질의 농도나 선의 위치 (종류)에 따라 검체의 유무나 농도, 종류 등을 검출 · 측정할 수 있는 것이다. 이러한 장치로는 인플루엔자 등의 감염이나 알레르기에 대한 진단 키트, 시판되는 임신 검사 키트 등으로 널리 사용되고 있다.
여기에서 이러한 독감 검사 키트 등에 사용되는 면역 크로마토그래피 장치는 취급이 용이하며 일회용으로 간단한 구성의 것이 바람직하고, 항원 항체 반응을 발생시키기 위해 검체 및 표지 시약을 혼합하면서 이동시키는 유로가 되는 매체로서, 예를 들면 니트로 셀룰로오스 발포체 등의 다공질체 (多孔質體)로 이루어지는 멤브레인이 사용되고, 다공질체의 모세관 현상에 따른 모세관 힘에 의해 외부로부터의 펌프력을 필요로 하지 않고 검체 및 표지 시약을 이동 · 진행시킬 수 있도록 되어 있다.
또한 검체의 유로로서 니트로 셀룰로오스 등의 발포체를 이용하는 면역 크로마토그래피 장치는 검체의 유로가 되는 발포체의 다공질 부분에 표지 물질이 막힘 가능성을 배제하기 위해 표지 물질을 다공질체의 구멍 (간격)보다 충분히 작은 입자지름으로 할 필요가 있었다. 예를 들면, 니트로 셀룰로오스 발포체의 평균 구멍 크기는 약 10μm 정도가 되고, 구멍지름에 불균형이 있는 발포체의 특성 등을 고려하면 표지 물질의 크기는 최대라도 400nm 이하, 바람직하게는 40nm 정도할 필요가 있었다. 따라서 면역 크로마토그래피 장치는 입자지름이 40nm 이하의 금 콜로이드 등이 표지 물질로 이용되고 있다.
그런데 이러한 입자 지름 40nm 이하의 금 콜로이드를 표지 물질로 사용한 경우 항원 항체 반응의 결과, 표지 시약이 항원 또는 항체로 이루어진 포착 시약에 포착되어도 표지 물질의 입자 지름이 작기 때문에 장치의 검체 포착 부분이 충분히 발색하지 않고, 시인성 (신호 강도)이 저하 (악화)하는 문제가 있었다. 특히, 바이러스 등의 애널라이트의 농도가 낮은 경우는 검체 포착 부분이 육안으로 확인 가능한 정도로 발색하지 않고, 검체에 항원이 포함되어 있어도 발색이 충분하지 않아 음성으로 판정되어서 예를 들면 인플루엔자의 초기 감염이 간과될 수 있었다. 따라서 면역 크로마토그래피 장치를 사용하는 경우에는 고농도의 애널라이트를 포함한 검체를 채취해야 할 필요가 있고, 피험자의 침습과 그에 따른 강한 통증을 수반하는 문제가 있었다.
그래서 이러한 면역 크로마토그래피 장치의 문제를 해결하기 위해, 예를 들면 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 개시되어 있는 것 같은 제안이 이루어지고 있다.
특허 문헌 1에서는 면역 크로마토그래피 장치의 표지 물질로서 평균 입자지름이 50 ~ 150nm라는 미소 입자지름의 금 콜로이드 입자를 사용하는 동시에, 금 콜로이드 입자의 표면에 백금을 담지시키는 것이 제안되어 있다. 이것은 금 콜로이드는 빨간색 발색성이 있어서 입자 표면에 백금을 담지시킴으로써, 백금막이 갖는 흑색의 콘트라스트에 의해서 일반 금 콜로이드에 비해 시인성 · 신호 강도를 높이고 검출 라인의 시인성을 향상할 수 있다는 것이다.
또한, 특허 문헌 2에서는 포인트 오브 케어 (POC)검사에 사용하는 검사용 키트에서 검체를 이동시키는 유로로, 니트로 셀룰로오스 발포체 등의 다공질체를 사용하지 않고, 포토 리소그래피에 의해 형성된 챔버 (시료 주입 챔버 · 반응 챔버 · 검출 챔버)를 검체의 유로로 구성하는 것이 제안되어 있다. 이것은 다공질체를 사용한 경우에 발생하는 구멍지름의 차이와 정확한 제조의 곤란성의 문제를 해결하려고 하는 것이다.
[특허 문헌 1] 일본특허 제3886000호 공보 [특허 문헌 2] 일본특허 특표 제2009 -501908호 공보
그러나, 인용 문헌 1 기재의 제안은 면역 크로마토그래피 장치의 표지 물질에 의한 시인성 · 신호 강도를 높이기 위해 금 콜로이드를 검은 색으로 발색하는 백금막으로 피막하는 것이지만, 표지 물질 자체의 크기 (입자지름)는 보통의 금 콜로이드와 거의 다르지 않았다. 따라서 시인성 · 신호 강도의 향상도 단순히 색상의 차이에 의한 것일 뿐, 거기에는 스스로 한계가 있어 근본적인 해결에는 이르지 못하고 있다.
즉, 인용 문헌 1의 제안에서 면역 크로마토그래피 장치에서의 표지 물질의 시인성 · 신호 강도를 확실하게 높이려고 하면 표지 물질인 금 콜로이드 입자 크기를 더욱 크게 할 수 밖에 없고, 그렇게 표지 물질의 입자 크기를 크게 하면 다공질체로 이루어 지는 멤브레인 내에서 막힘이 발생해 버려서, 검체의 이동 · 전개가 정지한다는 종전과 똑같은 문제가 발생하게 된다.
한편, 인용 문헌 2 기재의 제안은 면역학적 측정 장치로서 검체를 이동시키는 매체로 니트로 셀룰로오스 발포체 등의 다공질체를 사용한 면역 크로마토그래피 장치에 의하지 않고, 기판 상에 포토 리소그래피에 의해 형성된 챔버를 유로로 하는 마이크로 유체 장치를 사용함으로써 인용 문헌 1과 같은 다공질체에서의 막힘 문제를 회피할 수 있게도 보인다.
그러나, 인용 문헌 2에 개시되어 있는 챔버에 의한 유로는 모세관 현상을 얻고자 하면, 챔버의 유로 직경도 가능한 한 작게 할 필요가 있고 그 결과, 인용 문헌 1과 마찬가지로, 시인성 신호 강도를 높이기 위해 표지 물질의 입자 크기를 크게 하면 미소 · 미세 챔버내에서 막힘이나 검체의 전개 정지가 발생하는 문제가 있었다.
또한, 인용 문헌 2의 제안에서는 검체와 표지 물질을 혼합시키기 위해 유로를 구성하는 챔버 (시료 주입 챔버 · 반응 챔버 · 검출 챔버)를 매우 길게 확보할 필요가 있고, 또한 유로의 형상 (경로)도 지그재그 형상 · 빗살 형상 등의 복잡한 것으로 해야할 필요가 있어 유로가 매우 길고 복잡하게 된다는 문제도 가지고 있었다.
본 발명은 이상과 같은 종래 기술이 갖는 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 검체를 이동하는 유로를 다공질체에 의해서 구성하지 않고, 또한 유로 길이를 길고 복잡하지 않고, 유로 자체에 강한 모세관력과 혼합 성능을 부여하여 검체 및 표지 물질을 확실하게 이동 및 혼합 시킬 수 있고, 표지 물질의 입경(입자 지름)을 크게 해도 유로 막힘 등이 발생할 우려가 없고, 표지 물질의 시인성 · 신호 강도를 확실하고 효과적으로 향상시킬 수 있는 면역학적 측정 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 면역학적 측정 장치는 항원 항체 반응에 의한 면역학적 측정이 이루어지는 검체가 이동하는 유로를 갖춘 마이크로 유체 장치로 구성되며, 유로의 상류부(上流部)에 설치되어 검체를 표지하는 표지시약 공급부와; 표지 시약 공급부보다 하류(下流)에 설치되고 상기 검체의 항원 항체 반응을 측정하는 검출 유로;를 구비하고 표지 시약 공급부에는 항원 항체 반응에 의해 상기 검체를 표지하는 항원 또는 항체가 고상화된 표지 물질을 갖는 표지 시약이 배치되는 구성으로 되어 있다.
본 발명의 면역학적 측정 장치에 의하면, 검체를 이동하는 유로를 다공질체에 의해 구성하지 않고, 또한 유로 길이를 길고 복잡하지 않고, 유로 자체에 강한 모세관력 및 혼합 성능을 부여하여 검체 및 표지 물질을 확실하게 이동 및 혼합 시킬 수 있다.
따라서 표지 물질의 입자 지름을 크게 해도 유로 막힘 등이 발생할 우려가 없고, 표지 물질의 시인성 신호 강도를 확실하고 효과적으로 향상시킬 수 있게 된다.
이로써 특히 단순 인플루엔자용 진단 키트 등에 적합한 면역학적 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면역학적 측정 장치를 구성하는 마이크로 유체 장치를 나타내는 외관 사시도이다.
도 2는 도 1 에 도시한 마이크로 유체 장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1 에 도시한 마이크로 유체 장치의 기판의 개략 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 유체 장치의 검출 유로의 설명도이며,
(a)는 검출 유로의 평면도, (b)는 (a)에 나타내는 검출 유로의 A-A 선 단면도이다.
도 5 도 1에 도시한 마이크로 유체 장치의 모세관 펌프 유로의 한쪽에 대하여 그 요부를 확대하여 나타내는 개략 평면도이다.
도 6은 도 5에 도시한 모세관 펌프 유로에서의 핀 고정효과에 대하여 설명하는 설명도이다.
도 7은 도 5에 도시한 모세관 펌프 유로에서 모세관 힘에 의해 액체가 유동해 나가는 모습을 나타내는 설명도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모세관 펌프 유로의 예에서 액송(액을 보냄)방향을 임의로 유도하는 예를 나타내는 설명도이다.
도 9는 도 1에 도시한 마이크로 유체 장치의 믹서 유로의 일 례에 대해서 유로 단면의 도심(centroid)을 연속적으로 변화시킨 믹서 유로를 나타내는 설명도이며, (a)는 믹서 유로를 평면에서 본 확대도, (b)는 같은 믹서 유로의 기판 단면을 측면에서 본 확대도, (c)는 마이크로 유체 장치의 외관 사시도이며, (a), (b)에 나타내는 믹서 유로에 해당하는 부분을 점선으로 나타내고 있다.
도 10은 도 1 에 도시한 마이크로 유체 장치의 믹서 유로의 다른 일례를 나타내는 요부 확대 평면도이다.
도 11은 도 10에 도시한 믹서 유로의 B-B 선 단면도이다.
도 12는 도 10에 도시한 믹서 유로에 배치되는 홈부의 하류단부(下流端部)의 개략 사시도이다.
도 13은 도 10에 도시한 믹서 유로의 변형예를 나타낸 요부 확대 평면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 면역학적 측정 장치의 유로 내를 이동하는 표지 물질의 상태를 나타내는 설명도이고, (a)는 유로 내의 유체의 이동을 모식적으로 나타낸 평면도, (b) 및 (c)는 (a)에 나타낸 유로의 부분 확대이며, (b)는 본 발명에 따른 표지 물질의 경우, (c)를 기존의 표지 물질의 경우이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 면역학적 측정 장치를 구성하는 마이크로 유체 장치의 제조 공정을 모식으로 나타내는 설명도이고, (a)는 마이크로 유체 장치의 기판 및 커버체를 구성하는 2 개의 수지 재료의 접합면에 아르곤 플라즈마 조사를 실시하여 그 접합면을 평탄화 및 연화 공정을, (b)는 접합면을 평탄화 및 연화한 2 개의 수지 재료를 적층한 후, 2 개의 수지 재료를 가열 및 가압하여 접합하는 공정을 나타내고 있다.
이하, 본 발명에 따른 면역학적 측정 장치의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면역학적 측정 장치를 구성하는 마이크로 유체 장치 (1)를 나타내는 외관 사시도이며, 도 2는 그 분해 사시도이다.
동 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 면역 측정 장치는 마이크로 유체 장치 (1)로 구성되어 있다.
[마이크로 유체 장치]
도 1, 2에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)는 모세관 힘을 발생시키는 모세관 펌프 유로 (6)와, 모세관 펌프 유로에 접속 · 연통(連通)하는, 유체를 혼합하면서 이동시키는 믹서 유로 (7)와, 믹서 유로 (7)에 접속 · 연통하는, 검체의 항원 항체 반응을 측정하는 검출 유로 (8)로 이루어지는 유로를 갖추고, 유로에 대해서 외부에서 펌프 힘을 부여하는 가압 수단을 필요로 하지 않고, 유로 내의 모세관력에 따라 유체를 이동시킬 수 있는 자기 송액 형의 유로를 갖춘 패시브(passive, 수동)형의 마이크로 유체 장치를 구성하고 있다.
이러한 종류의 수동형 마이크로 유체 장치는 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고, 장치 자체의 구성을 소형화 · 간소화할 수 있는 것으로, 예를 들면 간단한 인플루엔자용 신속 진단 키트로서 구성된 마이크로 유체 장치이다.
구체적으로는, 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)를 향원 항체 반응을 사용한 인플루엔자 진단 장치로서 구성하고, 기판 (2)과 기판 (2)의 표면을 덮는 커버 체 (뚜껑 부재)(3)를 구비한 마이크로 유체 장치로 구성되어 있다.
본 실시예에서는, 이러한 유체 장치 위에 상술한 모세관 펌프 유로 (6), 믹서 유로 (7), 검출 유로 (8)로 이루어진 유로가 형성되는 동시에, 유로의 최상류부에는 검체가 적하되는 표지 시약 공급부가 되는 콘쥬게이트 패드 (4)가, 또한 유로의 최하류 부분에는 분석 후의 잔액을 흡수시키는 흡수 패드 (5)가 구비되어 있다.
그리고, 본 실시예에서는 유로의 상류부에 배치되는 표지 시약 공급부가 되는 콘쥬게이트 패드 (4)에 적하되는 검체에 포함된 애널라이트를 항원 항체 반응에 의해 표지하는 항원 또는 항체가 고상화된 표지 물질을 갖는 표지 시약이 함침되어 표지 물질이 소정 이상의 직경 (예를 들면 400nm 이상의 직경)를 갖는 구성으로 되어 있다.
본 실시예에서는 인플루엔자 진단 키트로 측정되는 검체에 포함된 애널라이트로서 인플루엔자 항원을 대상으로 하고 있으며, 콘쥬게이트 패드 (4)에는 인플루엔자 항원과 결합하는 표지 항체가 고상화된 표지 물질로 이루어진 표지 시약이 함침되도록 되어 있다.
그리고 표지 시약에 포함된 표지 물질로서 소정 이상의 직경을 갖는 큰 지름의 구슬을 갖추게 되었다.
본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)에서는 후술하는 바와 같이, 검체 및 표지 시약이 이동 · 액송되는 각 유로 (6, 7, 8)가 각 유로의 기능을 유지한 채로 표지 물질의 입자 직경을 크게 해도 유로에 막힘이 생기지 않는 충분한 유로 폭 및 유로 깊이를 갖춘 구성으로 되어 있으며, 큰 입자 지름의 표지 물질에 의해서 검체의 항원 항체 반응의 시인성 신호 강도를 크게 향상시킬 수 있어서 검체의 항원 항체 반응을 쉽고 확실하게 측정할 수 있는 것이다.
이하, 큰 지름의 표식 물질의 이동 · 액송을 가능하게 하는 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)의 각부의 구성에 대해서 설명한다.
[기판 및 커버 체(體)]
기판 (2)은 도 2와 같이 그 표면에 콘쥬게이트 패드 접촉부 (4a), 제 1 모세관 펌프 유로 (6a), 믹서 유로 (7), 감지 유로 (8), 제 2 모세관 펌프 (6b) 및 흡수 패드 접촉부 (5a)의 각 부가 형성되어 있다.
구체적으로는 유리 또는 플라스틱제의 기판 (2)에 예를 들면 폭 100μm 정도 깊이 50μm 정도의 미소한 유로 공간인 유로 (모세관 펌프 유로 (6), 믹서 유로 (7), 검출 유로 (8))가 전사나 깎음 등에 의해서 형성되고, 그 윗면에 뚜껑 부재가 되는 커버 체 (3)가 접합 되고 항원 항체 반응의 반응장이 되는 마이크로 유로가 형성된다. 또한 기판에 형성되는 유로 (6, 7, 8)의 유로의 크기 (폭 · 깊이)나 유로 길이, 유로 형상 등은 마이크로 유체 장치 (1)의 사용 용도나 유체의 종류 등에 따라 임의로 설정할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 후술하는 큰 지름의 표지 물질이 이동 액송이 가능해지도록 각 유로 (6, 7, 8)의 크기 (유로 폭 및 유로 깊이)가 표지 물질의 직경보다 크게 되도록 형성되도록 되어 있다.
도 3은 기판 (2)의 개략 평면도이다. 또한, 도면에 망(그물)점으로 나타내는 부위는 후술하는 모세관 펌프 유로 (6)를 구성하는 미세 액송 구조체 (도 5-8 참조)이다.
기판 (2)은 유로를 구성하는 미세 형상이 전사 형성 등에 의해서 성형할 수 있는 것으로, 예를 들면, 폴리 디메틸 실록산 등의 자외선 경화성, 열경화성 또는 2액 경화성 수지를 사용하여 캐스트 성형으로 성형할 수 있다. 또한, 폴리 메틸 메타 아크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 시클로올레핀 코폴리머, 시클로 올레핀 폴리머 등의 열가소성 수지를 사용하여 사출 성형, 나노 임프린트 등으로 성형할 수 있다.
또한 유리나 실리콘을 사용하여 에칭, 초정밀 기계 가공 등으로 성형할 수 있다.
커버 체 (3)는 수지 또는 유리로 할 수 있으며, 기판 (2)의 표면에 형성된 검출 유로 (8)를 투시할 수 있을 정도로 투명한 것이 바람직하다.
이 커버 체 (3)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 일 단측에 형성된 노치부 (4b), (5b)는 콘쥬게이트 패드 (4)와 흡수 패드 (5)의 각각을 유지하면서, 제 1 모세관 펌프 유로 (6a), 믹서 유로 (7), 검출 유로 (8)(테스트 유로 (8a) 및 컨트롤 유로 (8b)), 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)를 밀봉하도록 기판 (2)에 접합된다.
이 때, 커버 체 (3)에서 밀봉된 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)가 콘쥬게이트 패드 접촉부 (4a)측에 개방하도록 콘쥬게이트 패드 접촉부 (4a)는 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)바닥면과 같은 깊이이거나 또는 그보다 약간 깊어지도록 형성한다. 그러면 해당 개구를 통해서 콘쥬게이트 패드 (4)와 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)가 연결된다.
마찬가지로, 흡수 패드 접촉부 (5a)는 커버 체 (3)에서 밀봉된 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)가 흡수 패드 접촉부 (5a)측에 개방하도록 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)의 바닥면과 같은 깊이거나 또는 그보다 약간 깊어지도록 형성한다. 이로써 해당 개구를 통해서 흡수 패드 (5)와 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)와 접속된다.
또한, 수지제 기판 (2)과 커버 체 (3)의 접합 방법에 대하여 도 15을 참조하여 후술한다.
모세관 펌프 유로 (6)는 콘쥬게이트 패드 (4)에 연속되는 상류측의 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)와, 흡수 패드 (5)에 연속되는 하류 측의 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)의 두 개가 구비되어 있다. 이 제 1 모세관 펌프 유로 (6a) 및 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)는 분석 대상이 되는 검체 및 표지 시약을 포함하는 조제액을 액송하는 추진력으로서 모세관 현상을 이용하는 미세 액송 구조체로 구성되어 한다.
이에 따라 검체 및 표지 시약을 포함한 유체는 외부 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고, 모세관 펌프 유로 (6)의 추진력에 의해서만 유로 내를 이동 · 액송되어 인플루엔자용의 진단 키트 등에 적합한 패시브 형의 마이크로 유체 장치를 구성할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 모세관 펌프의 기능은 유지하면서 후술하는 지름이 큰 표지 물질이 이동 · 액송 가능하도록 모세관 펌프 유로 (6)의 유로 폭 및 유로 깊이가 표지 물질의 직경 (예를 들면 400nm 이상)보다 충분히 커지도록, 예를 들면 30μm 이상의 폭과 깊이로 형성된다.
본 실시예에 따른 모세관 펌프 유로 (6)에 대한 자세한 내용은 도 5-8을 참조하여 후술한다.
믹서 유로 (7)는 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)와 검출 유로 (8)와의 사이를 접속 · 연통시키는 유로이며 모세관 펌프 유로 (6)의 추진력에 의해서 액송되는 검체 및 표지 시약을 포함한 유체를 효율적으로 혼합시키기 위한 유로 공간을 구성한다.
이 믹서 유로 (7)내를 이동하는 동안, 유체는 효율적으로 신속하고 확실하게 혼합이 이루어 지고, 검출 유로 (8)에 이르기까지, 검체 및 표지 시약을 확실하게 결합 · 반응시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)는 유로내의 손실 헤드 · 압력 손실의 증가를, 믹서 유로를 부설하지 않고 스트레이트 유로를 부설한 경우와 동등한 양으로 억제하면서 유체를 이동시키는 것이 가능하며, 모세관 펌프 유로 (6)에 의한 추진력 이외의 외부 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고 유체를 혼합 시키면서 유로 내를 통과 · 이동시킬 수 있다.
이로 인해 인플루엔자용 진단 키트 등을 구성하는 패시브 형의 마이크로 유체 장치에 최적의 유로로 이용할 수 있다.
그리고 이 믹서 유로 (7)에 대해서도, 본 실시예에 따른 지름이 큰 표지 물질이 이동 · 액송이 가능하도록 믹서 유로 (7)의 유로 폭 및 유로 깊이가 표지 물질의 직경 (예를 들면 400nm 이상)보다 충분히 커지도록, 예를 들면 30 μm 이상의 폭과 깊이로 형성 되도록 되어 있다.
본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)에 대한 자세한 내용은 도9-13을 참조하여 후술한다.
검출 유로 (8)는 믹서 유로 (7) 하류 측의 유로 상에 형성된 유로 공간이며, 항원 항체 반응에 의해서 검체에 포함된 애널라이트의 농도를 시인 · 측정하는 검출부다.
본 실시예의 검출 유로 (8)는 항원 항체 반응에 의해서 표지 시약 항체와 결합한 인플루엔자 항원을 포착하는 포착 항체를 도포한 테스트 유로 (8a)와, 인플루엔자 항원이 결합하지 않은 표지 시약을 포착하는 포착 항체를 도포한 컨트롤 유로 (8b)가 형성되어 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)의 검출 유로 (8)의 테스트 유로 (8a)(또는 컨트롤 유로 8b)의 설명도이며, (a)는 유로의 평면도, (b)는 (a)의a-A 선 단면도이다.
같은 도에 도시된 바와 같이, 검출 유로 (8)의 테스트 유로 (8a)는 광폭의 얕은 바닥으로 형성되고, 그 저면에 포착 항체로 이루어진 포착 시약 (CA)이 도포되도록 되어 있고, 복합체 (표지 시약의 표지 항체와 결합한 인플루엔자 항원)(LA)가 항원 항체 반응에 의해서 포착되도록 되어 있다. 특별히 도시하지 않았지만, 컨트롤 유로 (8b)도 같은 구성으로 되어 있다.
그리고 도 4 (b)에 나타낸 바와 같이, 이 검출 유로 (8)에서 포착된 복합체 (LA)의 표지 물질이 눈으로 시인 · 확인되어 그 농도의 판정 · 검출 등이 실시된다.
이 검출 류 (8)에 대해서도 상술한 믹서 유로 (7)와 마찬가지로, 본 형태에 따른 대구경 (예를 들면 직경 400nm 이상)의 표지 물질이 이동 · 액송할 수 있도록 유로 폭 및 유로 깊이가 표지 물질의 직경보다 충분히 큰, 예를 들면 10 μm 이상의 폭 · 깊이로 형성된다.
이상과 같은 마이크로 유체 장치 (1)를 사용하여 피험자가 인플루엔자에 감염되었는지 여부를 진단하려면 먼저 피험자로부터 채취한 비강 액 등의 검체 (분석 대상)을 포함한 검체 조제액을 콘쥬게이트 패드 (4)에 적하시킨다.
이때 콘쥬게이트 패드 (4)의 상단에 접촉하도록, 도시하지 않은 샘플 패드를 배치하여 검체 조정액은 샘플 패드에 적하되고 샘플 패드를 통해서 콘쥬게이트 패드 (4)에 공급되어도 좋다. 샘플 패드는 예를 들면 유리 섬유제의 여과지이며, 검체 조정액에 포함된 불순물의 여과나 완충능이 높은 버퍼를 함침시킨 경우는 검체 조정액의 pH 조정을 목적으로 설치한다.
콘쥬게이트 패드 (4)에 적하된 검체 조제액은 콘쥬게이트 패드 (4)에 함침된 표지 시약과 함께 침출하여 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)에 침입한다. 그리고 검체 조제액은 모세관 현상을 추진력으로 제 1 모세관 펌프 유로 (6a)내를 진행하여 믹서 유로 (7)에 보내진다.
믹서 유로 (7)에 보내진 검체 조제액과 표지 시약은 믹서 유로 (7) 내에서 혼합 · 혼련되면서 일부가 반응하여 복합체를 형성하면서 모세관 펌프 유로 (6)의 추진력으로 이동 · 액송되어 그 하류 측의 유로 상에 형성된 검출 유로 (8)에 보내진다.
검출 유로 (8)에서는 믹서 유로 (7) 내에서 형성된 복합체가 포착되고 표지 물질로 나타나는 애널라이트의 농도가 눈으로 확인 · 측정된다.
검출 유로 (8)를 통과한 검체 조제액의 잔액은 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)에 도달하면 모세관 현상을 추진력으로 하여 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)내를 진행한다.
이 때, 검체 조제액의 유동 길이가 증가하면 이에 따라 유동 저항도 누적 증가하여 검체 조제액의 액송 속도가 저하되지만, 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)를 도 1 ~ 3에 나타낸 바와 같은 쥘부채 형상 (끝으로 갈수록 넓어지는 형상)으로 형성하고, 후술하는 미세 액송 구조체에서 미세 돌기 (60)사이에 형성되는 액송로 (61)수가 유동 방향에 따라 증가할 수 있도록 함으로써, 유동 저항에 의한 액송 속도의 저하를 억제할 수 있다.
이렇게 함으로써 외부 펌프 등을 사용하지 않고 검체 조제액을 일정한 유량으로 액송할 수 있어서 재현성 높은 분석 (진단)이 가능하게 된다.
검체 조제액의 잔액은 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)내를 진행한 후 흡수 패드 (5)에 흡수된다.
이상으로, 환자가 인플루엔자에 감염되어 있으면, 검체 조제액에는 인플루엔자 항원이 포함되어 있으며, 콘쥬게이트 패드 (4)에 검체 조제액을 적하하면 콘쥬게이트 패드 (4)에 함침된 표지 시약이 검체 조제액에 용출하고, 그 일부가 항원 항체 반응에 의해 인플루엔자 항원과 결합하여 믹서 유로 (7)의 하류의 유로 상에 형성된 검출 유로 (8)에 보내진다.
상술한 바와 같이, 검출 유로 (8)에는 포착 항체로 이루어진 포착 시약을 도포한 테스트 유로 (8a)와, 인플루엔자 항원이 결합하지 않은 표지 시약을 포착하는 포착 항체로 이루어진 포착 시약을 도포한 컨트롤 유로 (8b)가 형성되어 있다. 따라서 검체 조제액이 검출 유로 (8)를 통과한 후에 컨트롤 유로 (8b)에만 표지 물질 에 의한 발색이 시인되면 피험자는 인플루엔자에 감염되지 않았다고 진단할 수 있고, 테스트 유로 (8a)에도 표지 물질에 의한 발색이 시인되면 피험자는 인플루엔자에 감염되었다고 진단할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 검체 및 표지 시약을 이동 · 액송시키는 각 유로 (6, 7, 8)의 유로 폭 및 유로 깊이가 각 유로의 성능을 유지한 채 표지 물질의 직경 보다 충분히 커지도록 설정되어 있으며, 적하되는 검체에 포함된 인플루엔자 항원과 결합하는 표지 항체가 고상화되는 표지 물질로서 소정 이상의 직경을 갖는 표지 물질을 사용할 수 있게 되어 있다.
그 결과, 면역 크로마토그래피 장치에서 표지 물질로서 사용되는 금 콜로이드 등과 비교하여 충분히 큰 입자 지름의 표지 물질에 의해서 양호한 시인성 신호 강도를 얻을 수 있고, 인플루엔자 감염의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 표지 시약 공급부로 콘쥬게이트 패드 (4)를 이용한 예를 나타 냈으나, 이에 한정되는 것이 아니라, 검출 유로 (8)보다 상류의 유로, 예를 들면, 믹서 유로 (7) 또는 믹서 유로 (7)보다 상류의 유로의 벽면에 표지 시약을 도포, 건조시키고, 고정화하여, 해당 부분을 표지 시약 공급부로서 하여도 좋다.
이 경우, 장치의 상류에 설치된 검체 취입구에서 유입된 검체 조정액이 이 부분을 통과할 때 표지 시약이 용해하고 검체 조정액과 함께 하류로 흘러 간다.
[모세관 펌프 유로]
다음으로, 상기와 같은 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)에서, 액송의 추진력으로서 모세관 현상을 이용하여 분석 대상을 포함한 조제액을 액송하는 모세관 펌프 유로 (6)의 미세 액송 구조체에 대해서 설명한다.
도 5는 본 실시예에 따른 모세관 펌프 유로 (6)의 미세 액송 구조의 일례에 대하여 그 요부를 확대하여 나타내는 개략 평면도이다.
이 도면에 도시한 모세관 펌프 유로 (6)를 구성하는 미세 액송 구조체는 복수의 미세 돌기 (60)가 일렬로 늘어서고, 혹은 인접한 미세 돌기 (60)의 간극을 액송로(61)로 하는 단위 열이 주기적으로 나열되어 설치되고, 각각의 미세 돌기 (60)의 간격이 모세관 현상을 일으킬 간격 (예를 들면, 하나의 단위 열에서 인접한 미세 돌기 (60)사이의 간격이 1 ~ 1000 μ m, 인접한 단위 열 사이의 간격이 1 ~ 1000 ㎛)이 되도록 배열 되어 있다.
또한, 도 5 에 나타내는 예에서는 미세 돌기 (60)는 예를 들면, 세로 120μm 가로 30μm 높이 30μm 로 하고 하나의 단위 열에서 인접한 미세 돌기 (60)사이의 간격을 30㎛, 인접한 단위 열 사이 간격을 60μm 으로 하고 있다.
상술한 마이크로 유체 장치 (1)에서 미세 돌기 (60)의 높이는, 본 실시예에 따른 미세 액송 구조체로 이루어진 제 1 모세관 펌프 유로 (6a), 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)의 바닥의 깊이에 해당하고 미세 돌기 (60)의 선단 은 커버 체 (3)에 밀접한다.
이로써 미세 돌기 (60)의 주위의 공간이 커버 체 (3)에 의해서 밀봉되어 있다.
그러나, 미세 돌기 (60)와 커버 체 (3)와는 밀접되는 구성에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면, 미세 돌기 (60)의 끝과 커버 체 (3)사이에 틈새가 있고, 이 부분에서도 더욱 모세관 힘을 발생 시켜도 된다.
또한, 본 실시예에서는 하나의 단위 열에 형성된 액송로 (61)와 이에 인접하는 단위열에 형성된 액송로 (61)가 도시된 바와 같이 엇갈리게 위치하도록 같이 미세 돌기(60)를 균등하게 배열하고 있다. 이렇게 액송로(61)를 병렬 회로 형상으로 다수 배치함으로써 유동 저항의 증가는 억제 한 채 액송로 수에 비례 한 모세관 힘을 발생시키는 것이 가능해져, 액송로의 크기를 크게 설정해도, 검체액 및 표지 시약의 이동 · 송액에 필요한 모세관력을 발생시킬 수 있게 된다.
또한, 도 5에 나타내는 예에서는 액송로 (61)를 형성하여 인접한 미세 돌기 (60)에는 각각의 액송로 (61)의 출구 측에 핀 고정 효과를 발현하는 에지부 (62)를 형성하고 있다.
여기서 핀 고정 효과란 도 6에 나타낸 바와 같이, 접촉각 θ에서 평면을 진행 해온 액면이 가장자리부에 도달하면 (도 6 (a)참조), 해당 액면은 평면과 에지부의 바깥면과 이루는 각을 α라고 하였을때, 접촉각이 θ + (π-α)가 될 때까지 (도 6 (b)참조), 가장자리부를 넘을 수 없게 되는 현상을 말하며, 본 실시예에서는 이 때의 평면과 가장자리부의 바깥면과 이루는 각도 α를 핀 고정각이라 정의한다.
도 5에 나타내는 예에 있어서는, 액송로(61)의 출구 측에 형성된 가장자리부 (62)의 핀 고정각을 적절히 설정함으로써 하나의 단위 열에서 각각의 미세 돌기 (60)의 사이에 형성되는 액송로(61) 중 적어도 하나를 다른 액송로 (61b)보다 유동 저항을 상대적으로 감소시킨 낮은 유동 저항 액송로(61a)로 하고 있다.
즉, 낮은 유동 저항 액송로(61a)를 제외한 다른 액송로(61b)를 형성하여 인접한 미세 돌기 (60b), (60c)의 해당 액송로 (61b)의 출구측에 형성한 에지부 (62b)의 핀 고정각을, 낮은 유동 저항 액송로 (61a)를 형성하여 인접한 미세 돌기 (60a), (60b)의 해당 낮은 유동 저항 액송로 (61a)의 출구 측에 형성한 가장자리 (62a)의 핀고정각보다 작게함으로써 낮은 유동 저항 액송로(61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61a)의 유동 저항보다 상대적으로 저감시키고 있다.
또한, 도 5에 나타내는 예에서는 미세 돌기 (60a)를 직사각형으로 하고 양쪽 끝에 핀 고정각 90 °의 에지부 (62a)가 형성되도록 하였다. 또한, 미세 돌기 (60b)는 일단에 핀 고정각 90 °의 에지부 (62a)가 형성되고, 타단에 핀 고정각 45 °의 에지부 (62b)가 형성 되도록 하고, 미세 돌기 (60c)는 양쪽 끝에 핀 고정각 45 °의 에지부 (62b)가 형성 되도록 하였다. 에지부 (62a), (62b)의 앞 끝에는 핀 고정 효과의 발현을 방해해 버리지 않을 정도로 R을 붙여도 된다.
또한, 도 5에 나타내는 예에서는, 단위 열마다 액송로(61) 중 적어도 하나를 다른 액송로 (61b)보다 유동 저항을 상대적으로 감소시킨 낮은 유동 저항 액송로 (61a)로 하는 동시에, 낮은 유동 저항 액송로 (61a)가 소정의 액송 방향에 따라 배치 되도록 미세 돌기 (60a), (60b), (60c)를 배열하고 있다. 이렇게 함으로써 도 7 에 나타낸 바와 같이, 유동 저항이 낮은 낮은 유동 저항 액송로(61a)를 액체가 우선적으로 통과하고 (도 7 (a)~(c) 참조), 이를 계기로 하여 모세관 현상에 의해서 단위 열 사이에 액체가 퍼져 나가고 (도 7 (c)~(e)참조), 그 반복에 의해서 액체가 유동해 나가므로 (도 7 (e)~ (h) 참조), 액송방향에 편향이 발생하지 않고, 모세관 현상을 이용하여 액송시의 유동성을 재현성 양호하게 제어할 수 있다.
또한 전술한 마이크로 유체 장치 (1)는 제 1 모세관 펌프 유로 (6a) 및 제 2 모세관 펌프 유로 (6b)를 각각 이등변 삼각형 형상으로 형성하고, 그 정점에서 저변으로 내린 수직선을 따라 낮은 유동 저항 액송부 (61a)를 배치함으로써 미세 액송 구조체에 의한 모세관 현상을 이용한 액송의 추진력이 효율적으로 얻을 수 있도록 하고 있으나, 낮은 유동 저항 액송부 (61a)의 배치는 원하는 액송 방향에 따라 적절하게 설정할 수 있다.
예를 들면, 도 8(a)에 나타낸 바와 같이, 액송 방향을 커브(curve)시키고 싶은 경우나, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 액송 방향을 두 개 이상의 방향으로 분기시키고 싶은 경우에는 도면 중 점선 방향을 따라 낮은 유동 저항 액송부 (61a)를 배치함으로써 액송 방향을 원하는 방향으로 유도할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 모세관 펌프 유로 (6)에 의하면, 모세관 현상을 일으키는 간격으로 복수의 미세 돌기를 배열하여 이루어지는 미세 액송 구조체에 의해서 강력한 액송의 추진력을 얻는 동시에 그 추진력을 얻음에 있어서 그 액송 방향으로 편향이 발생하지 않고 액송 방향을 재현성있게 임의로 제어할 수 있다.
그리고 이와 같은 구성으로 이루어진 모세관 펌프 유로 (6)에 따르면 미세 액송 구조에 의하여 강력한 추진력을 얻을 수 있어서 상술한 특허 문헌 2에 개시되어 있는 것과 같은 모세관 작용을 얻기 위해 협소한 챔버를 복잡하고 긴 경로를 따라 형성할 필요가 없고, 유로 크기 (폭과 깊이)을 크게 설정할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 모세관 펌프 유로 (6)의 유로 폭 및 유로 깊이가, 표지 물질의 직경보다 충분히 커지도록, 예를 들면, 유로 폭 및 유로 깊이를 각각 30μm 이상의 길이 (크기)로 형성하도록 하고 있으며, 표지 물질로서 예를 들면 400nm 이상의 큰지름의 표지 물질을 채용해도 모세관 펌프 유로 (6)내에서 표지 물질의 막힘이나 액송의 정체 · 정지 등이 발생하지 않도록 할 수 있다.
이에 따라 표지 물질의 입자 지름을 크게 해도 모세관 펌프 유로 (6)에 막힘 등이 발생할 우려가 없으며 큰 지름의 표지 물질에 의해서 항원 항체 반응의 시인성 · 신호 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 모세관 펌프 유로 (6)의 유로 폭 및 유로 깊이는 모든 부분이 30μm 이상일 필요가 없고, 유로 폭 및 유로 깊이는 적어도 표지 물질의 직경보다 크면 좋다. 단, 모세관 펌프 유로 (6)의 유로 폭 및 유로 깊이가 모든 부분에서 30 μm 이상인 것이 보다 바람직하다.
[믹서 유로]
다음으로, 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)에서, 모세관 펌프 유로 (6)의 추진력에 의해서 액송되는 검체 및 표지 시약을 포함한 유체를 효율적으로 혼합시키기 위한 믹서 유로 (6)에 대해 설명한다.
인플루엔자 진단 키트 등의 면역학적 측정 장치는 검체에 포함된 인플루엔자 항원과 표지 시약 (표지 항체가 고상화된 표지 물질)를 검출 유로 (8)에 도달할 때까지 믹서 유로 (7)에서 확실하게 혼합 · 결합시켜 반응시켜 두는 것이 중요하다.
즉, 상술한 바와 같이 검출 유로 (8)에서는 표지 물질에 고상화된 항체와 결합한 인플루엔자 항원을 포착하고 인플루엔자 감염 여부를 시인 · 판정하도록 되어 있으며, 표지 시약과 결합 · 반응하지 않은 인플루엔자 항원은 진단에 기여하지 않는다.
따라서, 검출 유로 (8)에 도달할 때까지 믹서 유로 (7)에서 인플루엔자 항원과 표지 시약을 확실하게 결합 · 반응시킬 필요가 있다.
또한 유동 저항을 줄이고 자기 송액을 확실하게 하는 관점에서는 믹서 유로 (7)의 유로 길이도 가능한 짧게 하는 것이 바람직하다. 그러기 위해서는, 믹서 유로 (7)에서 두 개의 유체 (인플루엔자 항원 (검체)와 항체 (표지 시약))의 혼합 · 반응을 확실하고 효율적으로 수행하는 것이 중요하다.
따라서, 본 실시예에서는 상기와 같은 인플루엔자 진단 키트를 구성하는 마이크로 유체 장치 (1)에서 대상 유체 (검체 (인플루엔자 항원)와 표지 시약)을 혼합 · 결합시키는 믹서 유로 (7)로서 다음과 같은 구성으로 이루어진 유로를 갖추도록 하고 있다.
이하, 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)의 상세에 대해서 도 9 ~ 도 13을 참조하면서 설명한다.
[도심 변동 믹서 유로]
믹서 유로 (7)는 유체를 혼합시키면서 이동시키는 마이크로 유체 장치 (1)에 구비되는 유로 공간이며, 도 9에 나타낸 예에서는 이동 · 액송되는 복수의 유체를 확실하고 효율적으로 혼합시키기 위해 혼합 유로를 유로 축선 방향을 따라 유로 단면의 도심이 변화하고 또한 단면 형상의 변화에 따른 손실 헤드의 변동을 발생시키지 않는 주기적인 반복 구조를 갖는 구성으로 되어 있다.
도 9는 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)의 믹서 유로 (7)의 일례에 대해서 유로 단면의 도심을 연속적으로 변화시킨 믹서 유로를 나타내는 설명도이다. (a)는 믹서 유로 를 평면에서 본 확대도, (b)는 같은 믹서 유로의 기판 단면을 측면에서 본 확대도, (c)는 마이크로 유체 장치의 외관 사시도이며, (a), (b)에 나타내는 믹서 유로에 해당하는 부분을 점선으로 나타내고 있다.
우선, 도 9에 도시한 믹서 유로 (7)는 유로 단면의 도심의 위치가 유로 축선 방향을 따라 일정한 간격으로 주기적으로 반복하여 변화하도록 유로의 단면 형상을 구성하고 있다.
여기에서 "도심"이란 대상이 되는 평면 도형의 중심(中心, 가운데), 중심(重心, 무게중심)위치를 의미하며, 예를 들면 대상 도형이 사각형이면 대각선의 교차점이 도심이 된다.
본 실시예에서는 믹서 유로 (7)의 유로 단면을 구성하는 평면 도형을 대상으로 하여 그 도심이 유로의 축선 방향을 따라 변위(變位)하도록 형성한다.
유로 단면의 도심의 위치를 유로 축선 방향에 따라 변화시킴으로써, 유로 내를 흐르는 유체에는 유로 단면의 도심의 변화에 따라 유로 단면의 상하 방향이나 좌우 방향으로 향해서 속도가 발생 · 변화하게 된다.
이에 따라 유로 내의 유체는 속도 성분의 방향 · 크기에 따라 혼합 · 혼련되어 도심이 복수의 방향으로 반복하여 주기적으로 변화하여 유체도 반복 혼련 · 교반되어 짧은 유로 사이에서도 효율적으로 확실하게 복수의 유체를 혼합시킬 수 있게 된다.
그냥 단순히 유로 단면의 도심을 변화 시키도록 하는 것만으로는 유로 단면의 형상 변화에 따라 유로내의 손실 헤드가 변동 · 증가하게 되고, 유로 길이를 거치는 것만큼, 손실 헤드 · 압력 손실이 커진다. 손실 헤드가 증가하면 그만큼 유로 내의 압력 손실도 증가하여 유체를 원활하게 이동 · 통과시키는 것이 곤란하게 된다. 그 결과, 유로 내의 유체에 압력을 가하기 위한, 예를 들면 펌프 등의 가압 수단이 필요하게 된다.
그러나 그와 같은 펌프 등을 갖춘 구성으로는 마이크로 유체 장치 자체가 복잡 · 대형화하게 되고 또한 상술한 바와 같이 외부로부터의 가압력에 의하지 않고 모세관력 등에 의해서 유체를 이동시키는 모세관 펌프 유로 (6)를 갖춘 패시브 형의 마이크로 유체 장치 (1)에 대응하는 것은 곤란하다.
그래서 도 9에 도시한 믹서 유로 (7)에서는 유로 단면에서의 도심의 위치를 변화 시키도록 유로 단면의 형상을 변화시키면서 그에 따라 손실 헤드가 변동 · 증대하지 않도록 유로의 주기적인 반복 구조를 소정의 형상으로 설정 · 구성하도록 하고 있다.
이에 따라 유체를 효율적으로 혼합시키기 위해 유로 단면의 도심이 변화하도록 구성해도 유로 내의 손실 헤드는 변동하지 않도록 함으로서 유로내의 손실 헤드 · 압력 손실이 증가하는 일이 없도록 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고 유체를 혼합시키면서 유로 내를 원활하게 통과 · 이동시킬 수 있다.
구체적으로는, 도 9에 도시한 믹서 유로 (7)는 다음과 같은 모양이 되도록 형상 · 치수를 설정하도록 되어 있다.
[유로내의 손실 발생 (손실 헤드)]
비압축성 완전 유체의 정상 흐름 (정상류)이 있을 때, 한 개의 유선(流線)에 따라 다음의 베르누이 식 1이 성립한다.
[식 1]
Figure pct00001
위의 식 1은 한 개의 유선 (유로)에 따라 성립하고, 따라서 유로마다 상기 H의 값은 다르다.
그리고 유로 내에 마찰, 기타 손실이 발생하는 것은 상기 식 1을 사용하여 다음의 식 2와 같이 나타낼 수 있다. 식 2에서는 유로의 상류 측 단면 (단면 1)과 하류 측의 단면 (단면 2)을 취하여, 양 단면에 있어서의 값을 첨자 1, 2로 나타내고 있다. 또한, 하기 식 2에서, h는 두 단면 사이에서 생긴 손실이며, 일반적으로 (두 단면 사이의) 손실 헤드로 불린다.
[식 2]
Figure pct00002
그리고, 상기 식 2는 다음의 식 3과 같이 정리 일반화하여 나타낼 수 있다.
이 때, 손실 헤드 h는 유로의 하류에 갈수록 증가하게 된다.
[식 3]
Figure pct00003
여기서, 유로 내의 흐름에서 발생하는 손실 (손실 헤드 h)은 유로의 내경 d (m)의 곧은 원형 관내를 유체가 평균 유속 v (m / s)으로 흐르고 있다고 했을 경우에 유로의 길이 l (m)에 대한 손실 헤드 h (m)는 무차원 계수 λ를 이용하여 다음 식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[식 4]
Figure pct00004
상기 식 4에서 계수 λ, 중력 가속도 g는 유로의 어느 단면에서도 불변이다. 따라서, 유로 길이 l가 같으면 유로의 내경 d (m)와 유체의 평균 유속 v (m / s)가 손실 헤드 h의 변동 (증가) 요인이 된다.
이상에서, 본 실시예에서는 상기 식 4를 정리하여 다음 식 5, 6으로 하고 유로 축선 방향을 따라 유로 단면의 도심을 변화시키는 경우에 유로가 식 5, 6을 충족하도록 유로의 단면 형상을 설정하도록 하고 있다.
[식 5]
Figure pct00005
[식 6]
Figure pct00006
이러한 식 5, 6의 조건을 충족하도록 유로의 형상을 설정 · 형성함으로써 유로의 단면 형상이 유로 축선 방향을 따라 도심이 변화 · 변동하도록 형성해도 그러한 유로의 단면 형상 변화에 따른 손실 헤드의 증감이 일정한 범위 (± 10 %)내로 억제된다.
상기 식 5, 6의 조건을 충족하여 유로의 손실 헤드가 거의 변화하지 않는 상태는 등가 직경 de (= 4A / S (A : 대상 도형의 면적 S : 대상 도형의 둘레 길이))에 해당하는 직경의 직선 유로 (원형 관 유로)와 같이 손실 헤드를 발생시키지 않는 것이 된다.
즉, 상기 식 5, 6 조건을 충족하는 유로는 직선 유로와 등가, 즉 손실 헤드의 증가가 믹서 유로를 부설하지 않고 직선 유로를 부설한 경우와 동등량으로 억제하는 유로가 되고, 이 식 5, 6의 조건을 충족하는 한 유로 단면의 도심을 변동시킨 것으로 인하여 유로의 손실 헤드는 특별히 증가하지 않게 된다.
이에 따라 유체를 도심의 변동에 따라 혼합 · 혼련하면서 유체의 이동 · 통과가 직선 유로와 마찬가지로 원활하게 이루어질 수 있게 되어, 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고, 패시브 형의 마이크로 유체 장치 (1)에 대해서도 바람직한 대응 적용할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 상기 식 1 ~ 6에 나타낸 바와 같이, 유로의 손실 헤드에 따라 직선 유로와 등가인 유로로서 설정하도록 하고 있다.
단, 손실 헤드에 근거하지 않고 유로 내의 유동 저항을 직접 산출함으로써 유동 저항 자체에 따라 유동 저항의 변동이 없는 유로를 설정할 수도 있다.
즉, 믹서 유로 (7)의 유동 저항을 직접적으로 산출 · 설정함으로써, 상술한 손실 헤드에 근거한 경우와 마찬가지로 직선 유로와 등가의 유로를 형성할 수 있다
여기에서 직사각형 유로 내의 유동 저항은 다음과 같이 구할 수 있다.
[식 7]
Figure pct00007
[식 8]
Figure pct00008
[유로 형상]
다음으로, 상기 식 5, 6 (또는 식 7, 8)의 조건을 충족 시키도록 손실 헤드 (또는 유동 저항)가 소정 범위에 들어가도록 형성되는 믹서 유로 (7)의 구체적인 형상에 대해서 도 9를 참조하면서 설명한다.
도9에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)는 유로 단면의 도심이 연속적으로 변화하도록 구성할 수 있다.
먼저 믹서 유로 (7)는 도 9 (a)에 나타낸 바와 같이, 마이크로 유체 장치 (1)의 상면 측에서 평면시한 XY 평면에서 유로 폭이 소정 간격으로 연속적으로 증감 변동하도록 형성되어 있다.
구체적으로는, 믹서 유로 (7)는, 예를 들면 유로 길이 2.5mm 간격 (X = 0.0mm ~ 2.5mm)에서 XY 평면에서의 유로 폭이 15μm ~ 60㎛의 범위에서 연속적이고 주기적으로 변동하도록 형성되어 있다.
또한 믹서 유로 (7)는 도 9 (b)에 나타낸 바와 같이, 유로 축 방향에 따른 유로 단면을 측면에서 본 ZX 평면에 있어서 유로의 깊이가 소정 간격으로 연속적으로 증감 변동 하도록 형성되어 있다.
구체적으로는, 믹서 유로 (7)는, 예를 들면 유로 길이 2. 5mm 간격 (X = 0.0mm ~ 2.5mm)으로 ZX 평면에서의 유로 깊이가 사인 곡선에 따라 20μm ~ 120㎛의 범위에서 연속적이고 주기적으로 변동하도록 형성되어 있다.
이러한 구성으로 이루어진 믹서 유로 (7)는 유로 축 방향을 따라 도면 왼쪽에서 X = 0.0mm에서의 단면은 "폭 20μm × 깊이 60μm", X = 0.6mm에서는 "폭 60μm × 깊이 20μm ", X = 1.8mm에서는 "폭 15μm × 깊이 120μm ", X = 2.5mm에서는 "폭 20μm × 깊이 60μm " ···이 되도록 단면 형상이 XY 방향 · ZX 방향으로 각각 연속적으로 변화하도록 형성된다.
그리고 이러한 믹서 유로 (7)의 폭과 깊이의 값은 상술한 식 5, 6의 조건을 충족하도록, 즉 손실 헤드가 일정한 범위 (± 10 %)에 맞게 산출되어 설정되도록 되어 있다.
또한, 손실 헤드에 따른 상기 식 5, 6의 조건을 충족하는 믹서 유로 (7)의 상기와 같은 폭 · 깊이에 대해서는 공지의 시뮬레이터 등을 이용하여 산출 · 설정할 수 있다.
또한, 상기 식 5, 6 조건을 만족하는 믹서 유로 (7)에 있어서의 유로 크기 (폭 · 깊이)나 유로 길이, 유로 형상 등은 마이크로 유체 장치 (1)의 사용 용도와 유체의 종류 등에 따라 임의로 설정할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)는 XY 평면에서의 유로 폭과 ZX 평면에서의 유로 깊이가 각각 연속적이고 주기적으로 변화하도록 되어 있다.
이로써 혼합 유로의 유로 단면의 도심은 유로 축 방향에 따라 수직 방향 (도면 상하 방향)으로 연속적으로 변동하게 된다.
그리고 이렇게 도심이 변동함으로써 유로 내의 상하 좌우 방향으로 유체의 속도가 발생 · 변화하게 된다.
이와 같이, 본 실시예에서는 믹서 유로 (7)의 형상을 주기적인 반복 구조가 되도록 형성하고, 이에 따라 유로 축 방향을 따라 유로 단면의 도심을 변화 시킴과 동시에 유로의 단면 형상의 변화에 따라 유로의 손실 헤드의 변동을 발생시키지 않도록 유로 내의 주기적인 반복 구조를 설정할 수 있다.
이와 같은 유로 구조를 채용함으로써 유로 내를 흐르는 유체는 유로 단면의 도면의 변화에 따라 유로 내의 상하 좌우 방향으로 속도가 발생 · 변화하는 것, 이것에 의해 유로 내의 유체는 유로의 상하 좌우 방향으로 혼합 · 혼련 되는 것이다.
또한 그와 같이 유로 단면의 도심이 변화해도 유로내의 손실 헤드는 변동하지 않도록 유로의 형상을 설정하고 있기 때문에, 유로의 손실 헤드 · 압력 손실의 증가를 믹서 유로를 부설하지 않고 직선 유로를 부설한 경우와 동등량으로 억제 하는 것이 가능해지기 때문에, 펌프 등의 가압 수단을 필요로 하지 않고 유체를 혼합 시키면서 유로 내 통과 · 이동시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)에 의하면, 유로의 구성 자체에 의해서 유체의 혼합을 확실하고 효율적으로 할 수 있으며, 펌프 등의 가압 수단 등을 필요로 하지 않고, 또한 유로 구조를 복잡하게 하거나 유로 길이를 과대하게 하지 않고 유체를 혼합 시킬 수 있게 된다.
따라서, 예를 들면 간단한 인플루엔자용의 신속 진단 키트 등의 패시브 마이크로 유체 장치로서 적합한 믹서 유로 (7)를 실현할 수 있다.
그리고 이와 같이 단순하고 짧은 유로 구조에 의해서 유체를 효율적으로 혼합 · 혼련시킬 수 있는 믹서 유로 (7)는 유로의 크기에 관계없이 동일한 효과를 발생하기 때문에, 상술한 특허 문헌 2에 공개된 바와 같은 유체를 혼합 시키기 위해 협소한 챔버를 복잡하고 긴 경로를 따라 형성할 필요가 없고, 유로의 크기 (폭과 깊이)를 크게 설정할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 믹서 유로 (7)에 대해서 하류 측에 형성되는 검출 유로 (8)를 포함하여 상술한 모세관 펌프 유로 (6)와 마찬가지로 유로 폭 및 유로 깊이가, 표지 물질의 직경보다 충분히 커지도록, 예를 들면, 유로 폭 및 유로 깊이를 각각 30μm 이상의 길이 (크기)에 형성하도록 하고 있다.
이에 따라 표지 물질로서 예를 들면 400nm 이상의 큰 지름의 표지 물질을 사용해도 믹서 유로 (7) 및 검출 유로 (8)내에서 표지 물질의 막힘이나 액송의 정체 · 정지 등이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있고, 큰 지름의 표지 물질에 의해서 항원 항체 반응의 시인성 · 신호 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 믹서 유로 (7)에 대해서도 상술한 모세관 펌프 유로 (6)와 마찬가지로 유로 폭 및 유로 깊이가 모든 부분에서 30μm 이상일 필요는 없고, 대신 유로 폭과 유로 깊이는 적어도 표지 물질의 직경보다 크면 좋다. 단, 믹서 유로 (7)의 유로 폭 및 유로 깊이가 모든 부분에서 30 μm 이상인 것이 보다 바람직하다.
[복수 홈부를 갖춘 믹서 유로]
본 실시예의 믹서 유로 (7)로서는 이상과 같은 유로 단면의 도심을 변동시키는 믹서 유로 (7)의 대신 또는 이와 병용하여 도 10 ~ 13과 같은 믹서 유로 (7)를 채용할 수도 있다.
도 10은 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)에 구비되는 믹서 유로 (7)의 다른 일례를 나타내는 요부 확대 평면도이며, 믹서 유로 (7)의 요부를 확대하여 나타내고 있다. 또한, 같은 도에서는 유로 축선 (Ax)을 유로의 폭 방향 중앙을 지나는 일점 쇄선으로 표시하고, 유체의 이동 방향을 화살표로 나타내고 있다.
또한 도 11은 도 10에 나타내는 믹서 유로 의 B-B 선 단면도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 이 믹서 유로 (7)에서는 유로 바닥 (70)에, 유로 축선 방향에 대하여 경사지게 연장하는 복수의 홈부 (72)가 유로 축선 방향을 따라 배치 되는 구성을 채용하고 있다.
유로 바닥 (70)에 배치하는 홈부 (72)는 상류단 (73)과 하류단 (74)을 가지고 있으며, 유로 내를 이동하는 유체의 일부가 상류단 (73)에서 유입하도록 형성되어 있다.
홈부 (72)에 유입된 유체의 일부는 홈부 (72)의 위쪽을 이동하는 유체의 아래쪽으로 돌아들면서 그 흐름을 가로 질러서 홈부 (72) 내를 진행한다. 그리고 하류단 (74)에 도달하여 갈 곳을 잃은 유체는 상승류 (Plume)를 형성하면서 하류단 (74)에서 분출하고, 위쪽으로 이동하는 유체와 합류하여 서로 섞이는 것처럼 거동한다.
유로 내를 이동하는 유체에 이 같은 거동을 야기시키려면 유로 축선 방향에 대한 홈부 (72)의 경사 각도 (θ)를 10 ~ 80 °로 하는 것이 바람직하다. 경사각이 10 ° 미만인 경우 유로의 단위 길이 당 홈 수가 적어지기 때문에 혼합 효율이 저하하고, 또한, 경사 각도 (θ)가 80 ℃보다 큰 경우, 압력 손실이 커지기 때문이다.
따라서, 도 10에 도시한 믹서 유로 (7)에서는 일정한 또는 정해지지 않은 주기로 경사 방향이 역방향으로 바뀌도록 유로 축 방향을 따라 배치된 홈부 (72) 마다에 상기한 바와 같은 유체의 거동이 반복되도록 함으로써 유로 내를 이동하는 유체에 마이크로 상승류(Plume)를 발생시켜서 이로 인해 유체가 혼합되도록 하고 있다.
이와 같이하여 유로 내를 이동하는 유체가 혼합되도록 하는 데 있어서 도 10의 예에서는 홈부 (72)의 경사 방향이 교대로 반대 방향으로 바뀔 수 있도록 하고 있다. 이러한 양태로 함으로써 유로 내를 이동하는 유체에 교대로 마이크로 상승류가 생기게 되어, 유로 내를 이동하는 유체를 보다 효율적으로 혼합할 수 있다.
또한 이러한 양태로 홈부 (72)를 배치하는 경우에는 홈부 (72)의 배치 공간을 고려하여 상류 측의 홈부 (72)의 하류단 (74)과 해당 홈부 (72)의 하류 측에 인접하는 홈부 (72)의 상류단 (73)이 유로 축 방향으로 직교하는 동일 선상에 이간하여 위치하도록 홈부 (72)를 배치하는 것이 바람직하다.
또한, 도 10 의 예에서는 홈부 (72)가 유로 밑면 (70)의 폭 방향 중앙부를 걸쳐서 유로 측벽 (71)에 이르도록 연장 형성되어 있다.
이와 같은 양태로 함으로써, 마이크로 상승류가 생기는 범위를 유로 폭 방향으로 넓힐 수 있으며, 따라서 유로 폭 방향의 한쪽 측면을 이동하는 유체와 다른 측면을 이동하는 유체와의 혼합을 촉진하여 유로 내를 이동하는 유체를 보다 효율적으로 혼합할 수 있다.
또한 홈부 (72)의 하류단 (74)에서 상승류를 형성하면서 유체를 분출시키는 데 있어서 홈부 (72)의 하류단 (74)은 예각으로 형성하는 것이 바람직하다.
하류단 (74)을 예각으로 형성함으로써, 도 12 에 나타낸 바와 같이, 홈부 (72)내를 진행 해온 유체가 하류단 (74)의 선단에 집중하고, 하류단 (74)에 도달한 유체는 더 큰 상승 흐름을 형성하면서 분출하여 위쪽으로 이동하는 유체와 넓은 범위에 걸쳐 섞이게 되고, 유로 내를 이동하는 유체를 보다 효율적으로 혼합시킬 수 있다.
여기서, 도 12는 도 10에서 쇄선으로 둘러싸인 부분을 사시(斜視)하여 나타내는 홈부 (72)의 하류단 (74)의 개략 사시도이고, 도 12 중, 유체의 흐름을 화살표로 나타내고 있다.
이 도에서 알 수 있듯이, 하류단 (74)에 도달한 유체는 홈부 측벽 (71)을 따라 상승 흐름을 형성하면서 분출한다.
한편, 홈부 (72)의 상류단 (73)은 유로 내를 이동하는 유체가 홈부 (72)에 유입하기 쉽도록 유로 축 방향에 대해서 수직으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에서는 이상과 같은 복수의 홈부 (72)를 갖춘 믹서 유로 (7)의 변형 예로서, 도 13 에 나타낸 바와 같이, 상류 측의 홈부 (72)의 연장 방향에 따라 해당 홈부 (72)의 하류 측에 인접하는 홈부 (72)와 평행하게 하나 이상 (도시된 예에서는 둘)의 부(副)홈부 (72a)를 형성 하도록 해도 된다. 도 13 의 화살표는 도 10과 같이 유체의 이동 방향을 나타내고 있다.
이렇게 하면 도10에 나타낸 예에서 홈부(72)가 형성되어 있지 않은 데드스페이스로 되어 있는 부분에도 홈부 (72)와 같은 부홈부 (72a)를 그 길이를 적절히 조정하여 형성할 수 있다.
이로써 유로 밑면 (70)에 홈부 (72) 및 부홈부 (72a)를 공간 효율적으로 조밀하게 배치하고, 유로 내를 이동하는 유체에 의해 많은 마이크로 상승류를 생성시켜 유체가 더욱 효율적으로 혼합되도록 할 수 있다.
그리고 이상과 같은 복수의 홈부 (72)를 갖춘 믹서 유로 (7)에 따르면, 도 9에 나타낸 유로 단면의 도심을 변화시키는 믹서 유로 (7)와 마찬가지로, 간단하고 용이하게, 또한 짧은 유로 구조에 의해서 유체를 효율적으로 혼합 · 혼련시킬 수 있고, 또한 유로의 크기에 관계없이 효과를 발생 시키므로, 하류 위에 형성되는 검출 유로 (8)를 포함하여 유로 폭 및 유로 깊이가 표지 물질의 직경보다 충분히 커지도록, 예를 들면, 유로 폭 및 유로 깊이를 각각 30μm 이상의 길이 (크기)로 형성할 수 있다.
이에 따라, 예를 들면 400nm 이상의 큰 지름의 표지 물질을 사용하여 검체의 항원 항체 반응의 시인성 · 신호 강도를 향상시킬 수 있으며 확실한 인플루엔자 진단을 실시할 수 있게 된다.
또한, 복수의 홈부 (72)를 갖춘 믹서 유로 (7)에 대해서도, 도 9에 나타낸 믹서 유로 (7)와 마찬가지로 유로 폭 및 유로 깊이의 모든 부분이 30μm 이상일 필요는 없고, 유로 폭 및 유로 깊이는 적어도 표지 물질의 직경보다 크면 좋으나, 모든 부분에서 30 μm 이상인 것이 보다 바람직하다.
[표지 물질]
이상과 같이, 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)는 검체 및 표지 시약을 이동 · 액송시키는 각 유로 (6, 7, 8)의 유로 폭 및 유로 깊이를 기존의 면역 크로마토그래피 장치 등과 비교해서 매우 크게 설정할 수 있고, 결과적으로 유로 단면의 크기를 표지 물질의 직경보다 충분히 크게 (굵게)되도록 형성할 수 있다.
그리고, 본 실시예에서는 그와 같은 유로 특성을 이용하여 콘쥬게이트 패드 (4)에 적하되는 검체에 포함된 인플루엔자 항원과 결합하는 표지 항체가 고상화된 표지 물질로서 소정 이상 직경을 갖는 표지 물질을 사용할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 항원 항체 반응의 시인성 · 신호 강도를 고려하여 표지 물질로서 필요하고 또한 충분한 크기가 되도록, 표지 물질의 크기를 설정하도록 되어 있다.
구체적으로는, 표지 물질로서 직경 400nm 이상의 비즈를 사용할 수 있다.
이러한 지름이 큰 비즈를 사용하는 것으로, 마이크로 유체 장치 (1)의 검출 유로에서의 시인성 · 신호 강도를 충분히 높일 수 있으며, 또한 기판 (2)위에 형성되는 각 유로 (6, 7, 8)의 크기 (유로 폭 · 깊이)를 약 10 μm 정도로 형성하면 유로 내에서 표지 물질의 막힘이나 체류 등이 생기는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
기존의 면역 크로마토그래피 장치에서는 검체의 유로로서 니트로 셀룰로오스 등의 발포체나 섬유질을 사용하는 것으로부터 유로가 되는 발포체 등의 다공질 부분에의 표지 물질이 막히는 것을 방지하기 위해서 표지 물질을 충분히 작은 지름으로 할 필요가 있었다. 예를 들면, 니트로 셀룰로오스 발포체의 평균 구멍지름은 약 10μm 정도 되고, 발포체의 구멍지름의 편차를 고려하면 표지 물질의 크기는 최대라도 직경 400nm 이하로 하여야 하며, 일반적으로는 직경 40nm 정도의 금 콜로이드 등이 표지 물질로서 사용되고 있다. 따라서 입자지름 40nm 정도의 표지 물질에서는 입자 크기가 작기 때문에 디바이스의 검체 포착 부분이 충분히 발색하지 않고 시인성 · 신호 강도가 나쁘고, 특히 검체에 포함된 애널라이트의 농도가 낮은 경우에는 장치가 발색하지 않고 간과하거나 오판의 원인이 되고 있었다.
따라서, 본 실시예에서는 상술한 강력한 추진력과 유체 혼합 성능을 갖는 유로 구조를 채용함으로써, 표지 물질로서 기존의 면역 크로마토그래피 장치에서는 사용이 불가능했던 직경 400nm 이상의 큰 지름의 비즈를 사용하도록 하고 있다.
따라서 면역 크로마토 장치의 금 콜로이드 등의 표지 물질에 비해서 직경 대비 10 배, 면적 대비 100 배의 큰 지름의 표지 물질을 사용할 수 있으며, 양호한 시인성 신호 강도를 얻을 수 있으며 인플루엔자 감염의 판정 정밀도를 향상시킬 수 있게 된다.
여기서, 본 실시예에 따른 표지 물질을 구성하는 큰 지름의 비즈로서는, 예를 들면, 폴리스티렌, 실리카, 아크릴, 석영, 키토산, 덱스트란, 알부민, 아가로스, 폴리 유산 (PLA), 폴리에틸렌 이민, 산화 알루미늄, 붕산 유리, 소다 라임 유리, PLGA, 산화철, 팔라듐 등을 사용할 수 있다.
또한 이상과 같은 큰 직경 비즈는 좋은 가시성 신호 강도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 유체의 혼합 성능의 향상에도 기여한다는 효과도 있다.
도 14(a)에 나타낸 바와 같이, 마이크로 유체 장치 (1)의 각 유로 내에서는 비압축성 완전 유체의 정상 흐름 (정상류)이 있을 때, 유체에는 유로 축선 방향을 따라 진행 방향으로 불룩해지는 포물선 형상의 속도 성분이 생긴다.
이와 같이 정상류는 유로 중심의 속도가 가장 빠르고, 유로 중심에서 멀어질 수록 속도가 느려지므로 400nm 이상의 비즈와 같이 큰 직경의 비즈와 같이 유로 폭에 대해서 일정 이상의 크기를 갖는 입자체(粒體)의 경우, 도14 (b)와 같이 입자체의 부위에 따라 유체의 속도가 다르게 된다. 그 결과 입자체가 회전하여 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 양력이 발생한다.
이러한 회전 및 양력이 발생함으로써 유체 중의 입자체는 유체의 흐름 방향으로 진행하면서 유체의 흐름 방향과 교차하는 방향 (도면 상하 방향)으로 이동을 반복하게 되고, 결과적으로, 유체의 혼합이 발생 · 촉진된다.
이에 대해 일반 면역 크로마토그래피 장치에 사용되는 금 콜로이드와 같이 40 nm 정도 의 미세한 입자체의 경우에는, 도 14 (c)에 나타낸 바와 같이, 유로 폭에 대해서 매우 작기 때문에, 상기와 같은 유체의 속도 성분의 차이가 입자체에 작용하지 않고 입자체에는 회전력도 양력도 발생하지 않는다. 따라서 유체의 혼합에 기여하는 것도 일어날 수 없다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 큰 지름의 비즈를 채용함으로써 항원 항체 반응의 시인성 · 신호 강도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 유체의 혼합을 촉진할 수 있게 되어 면역학적 측정 장치에 사용되는 표지 물질로서 더욱 적합하다.
따라서 큰 지름의 비즈를 사용함으로써 상술한 본 실시예에 따른 믹서 유로 (7)의 혼합 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 되어 도심 변동이나 복수의 홈부 등을 갖추지 않은 일반 스트레이트 유로를 사용한 경우에도 표지 물질 자체에 의해서 유체를 혼합시킬 수 있게 된다.
[접합 방법]
다음으로, 이상과 같은 마이크로 유체 장치 (1)에서 기판 (2) 및 커버 체 (3)를 수지제의 재료에 의해서 구성하는 경우의 재료끼리의 접합 방법에 대하여 도 15를 참조하면서 설명한다.
수지 기판 (2) 및 커버 체 (3)는 다음과 같은 접합 방법을 사용하여 접합할 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 기판 (2) 및 커버 체 (3)를 구성하는 2 개의 수지 기판재를 접합하여 마이크로 유체 장치 (1)를 제조하는 경우, 2 개의 수지 재료 중 적어도 하나의 수지 재료의 접합면에 고 에너지 조사를 실시함으로써 해당 접합면을 평탄화 및 연화하는 공정과, 2 개의 수지 재료를 적층한 후, 그 2 개의 수지 재료를 가열 및/또는 가압하여 접합하는 공정으로 이루어지는 방법에 의해서 접합할 수 있다.
구체적으로는, 본 실시예에 따른 접합 방법에서는 먼저, 도 15(a)에 나타낸 바와 같이, 마이크로 유체 장치 (1)의 유로 (6, 7, 8)가 형성된 기판 (2)과, 기판 (2)에 적층되는 뚜껑 부재인 커버 체 (3)의 각각의 접합면이 되는 재료 표면에 고 에너지 조사를 실시한다.
수지 재료의 표면에 원자량이 큰 고 에너지 조사를 실시함으로써, 재료 표면을 개질할 수 있으며, 구체적으로는 재료 표면을 평탄화 및 연화할 수 있다.
평탄화 및 연화함으로써 재료 표면끼리의 접촉성 · 밀착성이 높아져서 보다 저온 접합 온도에 의해서도 양자를 반데르발스(Van der Wals)힘에 의해 견고하게 융착 · 접합시키는 것이 가능해진다.
여기서, 본 실시예에서는, 도 15(a)에 나타낸 바와 같이, 고 에너지 조사로서 수지 재료의 접합면에 아르곤 플라즈마를 조사하도록 하고 있다.
아르곤 플라즈마는 원자량이 크고 플라즈마화하기 쉬운 아르곤 가스를 원료 가스로 도입하여 방전을 함으로써, 아르곤의 활성종인 Ar 이온과Ar 라디칼이 플라즈마에 의해서 생성되는 것으로, 원자량이 크고 어택(attack) 힘이 강한 아르곤 활성종을 수지 재료의 표면에 충돌시킴으로써, 수지 재료의 분자 사이를 절단시킬 수 있는 것이다.
이에 따라 수지 재료의 표면을 개질할 수 있으며, 구체적으로는 재료 표면이 평탄화 되는 동시에, 재료 표면이 저분자량화, 즉 연화된다.
이와 같이 평탄화 및 연화 (저분자량화)된 표면을 접합면으로 함으로써 재료 표면끼리의 접촉성 · 밀착성이 높아져서 보다 저온의 접합 온도에 의해서도 양자를 견고하게 융착 · 접합시키는 것이 가능해진다.
따라서 도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 수지 재료 (기판 (2) · 커버 체 (3))는 유리 전이점 이하 또는 융점 이하의 온도에서도 접합이 가능하며, 예를 들면, 접합 온도 약 30 ℃ 정도의 저온에서도 두 기판을 접합할 수 있게 된다.
그리고 유리 전이점 이하 또는 융점 이하의 온도에서 접합이 이루어짐으로써, 기판 (2)에 형성된 유로 (6, 7, 8)의 형상이 변형 등이 하는 일 없이 신뢰성 높은 마이크로 유체 장치 (1)의 제조 방법으로서 적절하게 사용할 수 있다.
또한, 도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 접합 방법에 의하면 약 30 ℃의 접합 온도에서의 접합이 가능하므로 가열 및 가압은 적어도 어느 하나를 실시하면 되고 예를 들면 가열을 하지 않고 가압만으로 수지 기판재를 접합할 수도 있고, 혹은 가열 만을 하여 가압하지 않고 수지 재료를 접합할 수 있다.
그러나, 더 강고하고 확실하게 수지 재료끼리를 접합하기 위해서는 적절한 온도와 압력으로 가열 및 가압하는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시예에서 수지 재료의 접합면에 대해서 행해지는 고 에너지 조사로서는 상술한 아르곤 플라즈마가 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 아르곤 플라즈마 이외의 고 에너지 조사로서는 산소 플라즈마, 아르곤과 산소 등의 혼합 플라즈마, 진공 자외선 중 하나를 조사하는 경우라도 된다.
이들은 플라즈마화하기 쉽고, 어택 힘이 있는 에너지 조사이며, 상술한 아르곤 플라즈마 조사의 경우와 마찬가지로, 수지 재료의 표면 개질, 즉 재료 표면의 평탄화 및 연화 (저분자량화)에 바람직한 것이며, 아르곤 플라즈마를 대신하여 채용할 수 있다.
또한 이러한 고 에너지 조사는 접합하는 2 개의 수지 재료의 적어도 한쪽의 접합면에 대해서 실행하면 된다. 그러나, 더 강고한 접합 강도를 얻기 위해서는 접합하는 2 개의 수지 재료의 각 접합면에 대해서 고 에너지 조사를 하는 것이 바람직하다.
이러한 본 실시예의 접합 방법에 의하면, 접합하는 수지 재료의 접합면을 평탄화 · 연화하는 개질을 함으로써, 유리 전이점 또는 융점 이하의 접합 온도로, 보다 낮은 온도의 접합 온도에서 수지로 이루어진 접합면끼리를 열 융착 시킬 수 있다.
이러한 저온 접합에 의하여 수지제 기판 (2)에 형성되는 미세한 마이크로 유로가 고온 가열에 의해서 변형되는 일 없이 원하는 유로 공간을 갖춘 정밀한 마이크로 유체 장치 (1)를 제조할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)로 이루어진 면역학적 측정 장치에 의하면, 검체를 이동 · 액송하는 유로를 기존의 면역 크로마토그래피 장치와 같이 다공질체에 의해서 구성하지 않고, 또한 유로 길이를 과대하게 길고 복잡하게 하지 않고, 유로 자체에 강한 모세관 힘을 부여하고, 검체 및 표지 시약을 확실하게 이동 및 혼합 시킬 수 있다.
이로써 마이크로 유체 장치 (1)의 각 유로 (6, 7, 8)는 유로 폭 및 깊이를 충분한 크기로 설정하는 것이 가능해지고, 그 결과, 표지 물질의 입자 크기를 크게 해도 유로 막힘 이나 체류 등이 발생할 수 없게 된다.
따라서 충분히 큰 표지 물질의 시인성 · 신호 강도를 확실하고 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이로써 마이크로 유체 장치 (1)의 검출 유로 (8)에서의 판정이 확실하게 실시할 수 있게 되어, 바이러스 등의 검체에 포함된 애널라이트의 농도가 낮은 경우라도 기존의 면역 크로마토그래피 장치에서와 같은 오판정은 생기지 않고 인플루엔자 감염의 조기 발견 등이 가능해진다.
또한 낮은 농도의 애널라이트로도 확실한 판정 · 검출을 할 수 있으므로, 피험자의 침습이나 고통을 수반하는 검체 채취 방법을 취하지 않아도, 예를 들면 낮은 농도의 애널라이트밖에 포함하지 않은 콧물을 검체로서 사용이 가능하며, 저침습에서 사용하기 쉬운 면역학적 측정 장치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 장치 (1)는 특징적인 구조를 갖는 모세관 펌프 유로 (6) 및 믹서 유로 (7)(검출 유로 (8))를 구비함으로써 외부로부터의 펌프력을 필요로 하지 않고 유로내의 모세관 력에 의해서 유체를 이동시킬 수 있는 자체 송액형 장치로 되어 있다.
이에 따라, 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)는 펌프 등의 외부 장치를 필요로 하지 않고, 장치 자체의 구성을 가능한 한 소형화 · 간소화할 수 있다.
따라서, 본 실시예의 마이크로 유체 장치 (1)에 의하면, 간단한 구성이면서 신뢰성이 높고, 또한 피험자에게도 순한 인플루엔자의 진단 키트 등에 적합한 면역학적 측정 장치를 제공할 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 나타내어 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위에서 다양한 변경 실시가 가능함은 물론이다.
예를 들면, 상술한 모세관 펌프 유로 (6)의 미세 액송 구조체에 따른 실시예에서는 낮은 유동 저항 액송로 (61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61b)의 유동 저항보다 상대적으로 저감시키기 위해 액송로(61)를 형성하고 인접한 미세 돌기 (60)의 해당 액송로 (61)의 출구 측에 핀 고정 효과를 발현하는 에지부 (62)를 형성하고, 에지부 (62)의 핀 고정각을 적절하게 설정함으로써 낮은 유동 저항 액송로(61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61b)의 유동 저항보다 상대적으로 저감시키고 있지만, 이에 한정되지 않는다.
낮은 유동 저항 액송로 (61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61b)의 유동 저항보다 상대적으로 감소시키기 위해서는 예를 들면, 다음과 같이 해도 된다.
1) 다른 액송로 (61b)를 형성하고 인접한 미세 돌기 (60)에만 해당 액송로 (61b)의 출구 측에 핀 고정된 효과를 발현하는 에지부 (62)를 형성하고, 예를 들면, 낮은 유동 저항 액송로 (61a)를 형성하여 인접한 미세 돌기의 해당 액송로 (61a)의 출구 측의 형상은 핀 고정된 효과를 발현하지 않는 R 형상으로 하는 등 낮은 유동 저항 액송로 (61a)의 유동 저항을 다른 액송로(61b)의 유동 저항보다 상대적으로 저감시킨다.
2) 다른 액송로 (61b)를 형성하여 인접한 미세 돌기 (60)의 액송로 (61b)측의 부위에 소수(疎水) 처리를 실시하여 유동 저항을 높이는 것으로, 낮은 유동 저항 액송로(61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61b)의 유동 저항보다 상대적으로 감소시킨다.
3) 낮은 유동 저항 액송로(61a)의 단면적을 크게 함으로써 낮은 유동 저항 액송로 (61a)의 유동 저항을 다른 액송로 (61b)의 유동 저항보다 상대적으로 감소시킨다.
또한 모세관 펌프 유로 (6)의 미세 돌기 (60)의 형상은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 효과를 방해하지 않는 범위에서 적절히 설계할 수 있다.
또한 상술한 실시예에서는 마이크로 유체 장치 (1)의 검출 유로 (8)에 설치한 테스트 유로 (8a) 및 제어 유로 (8b)를 광폭의 얕은 바닥으로 형성하고, 그 바닥에 포착 항체를 도포한 예를 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 검출 유로 (8)에 형성한 테스트 유로 (8a)와 제어 유로 (8b)에도 모세관 펌프 유로 (6)에서와 같은 미세 액송 구조를 형성하고, 이들 유로 (8a), (8b)를 통과하는 검체 조제액의 액송 방향을 제어하도록 해도 된다. 이 때, 미세 돌기 (60)에도 포착 항체 (CA)를 도포해 둠으로써, 예를 들면, 테스트 유로 (8a)에 있어서는, 표지 시약과 결합한 인플루엔자 항원 (LA)을 보다 포착하기 쉬워지는 동시에, 표지 시약과 결합한 인플루엔자 항원 (LA)이 미세 돌기 (60)의 높이 방향을 따라서도 포착되기 때문에 표지 물질에 의한 발색이 보다 시인하기 쉬워진다.
또한 상술한 실시예에서는 복수의 홈부 (72)를 갖춘 믹서 유로 (7)로서, 선형상의 홈부 (72)가 유로 축선 방향으로 교차하여 연장하도록 형성되어 있지만, 홈부 (72) 형태는 이에 한정되는 것이 아니다.
예를 들면, 상류단 (73)에서 유입된 유체가 홈부 (72) 내를 진행하여 흐름단부 (74)에서 상승류를 형성하면서 분출하도록 되어 있으면, 홈부 (72)를 S자 모양 등으로 만곡시키는 등의 구성을 채용할 수 있다.
또한 상술한 실시예에서는 본 발명에 따른 마이크로 유체 장치로서 인플루엔자용 진단 키트를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 마이크로 유체 장치의 적용 대상은 특히 인플루엔자 진단 키트에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 실시예에서, 마이크로 유체 장치의 구성으로서 유로 내의 유체를 이동시키기 위한 펌프 등의 가압 수단을 구비하지 않은 패시브 형의 마이크로 유체 장치를 예로 들어 설명하였으나, 펌프 등의 가압 압력 수단을 구비한 액티브 형의 마이크로 유체 장치에 적용하는 것도 물론 가능하다.
즉, 본 발명은 미세한 마이크로 유로 공간에서 복수의 유체를 효율적으로 신속하고 확실하게 혼합 · 혼련시키면서 이동시킬 필요가 있는 마이크로 유체 장치이면 특별히 한정되는 것이 아니라, 장치 구성이나 형태, 사용 목적, 유체의 종류와 분량 등을 불문하고 널리 본 발명을 적용할 수 있다.
이 명세서에 기재된 문헌 및 본원의 파리 우선의 기초가 되는 일본 출원 명세서의 내용을 모두 여기에 원용한다.
1 마이크로 유체 장치
2 기판
3 커버 체 (뚜껑 부재)
4 콘쥬게이트 패드
5 흡수 패드
6 모세관 펌프 유로
6a 제1 모세관 펌프부
6b 제2 모세관 펌프부
7 믹서 유로 (액송 유로부)
8 검출부
8a 테스트 유로
8b 컨트롤 유로

Claims (7)

  1. 항원 항체 반응에 의한 면역학적 측정이 이루어지는 검체가 이동하는 유로를 갖춘 마이크로 유체 장치로 구성되며,
    유로의 상류부에 설치되고, 상기 검체를 표지하는 표지 시약 공급부와,
    표지 시약 공급부보다 하류에 설치되고, 상기 검체의 항원 항체 반응을 측정하는 검출 유로를 구비하고,
    상기 표지 시약 공급부에는 항원 항체 반응에 의해 상기 검체를 표지하는 항원 또는 항체가 고상화된 표지 물질을 갖는 표지 시약이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 면역학적 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유로가
    외부로부터의 펌프 힘을 필요로 하지 않고, 유로 내의 모세관 힘에 의해 상기 검체 및 표지 시약을 이동시키는 자기 송액형의 유로로 이루어진 면역학적 측정 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표지 물질이
    직경 100nm 이상의 큰 지름 착색 비즈로 이루어진 면역학적 측정 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표지 시약 공급부가
    표지 시약이 함침된 콘쥬게이트 패드로 이루어지고, 상기 검체가 샘플 패드를 통해서 또는 통하지 않고 상기 콘쥬게이트 패드에 적하되는 것을 특징으로 하는 면역학적 측정 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 유로의 상류 또는 하류 중 적어도 어느 한 쪽에,
    상기 검체 및 표지 시약을 이동시키는 모세관 힘을 발생시키는 모세관 펌프 유로를 구비하는 면역학적 측정 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 유로의 상류에
    상기 검체와 표지 시약을 혼합하는 믹서 유로를 구비한 면역학적 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유로의 유로 폭 및 유로 깊이가 상기 표지 물질의 직경보다 큰 면역학적 측정 장치.

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