KR20180115695A - 미세유체 혼합 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

두 개의 벨로우즈 펌프들을 포함하는 미세유체 혼합 장치, 동일한 것을 포함하는 미세유체 카트리지 및 동일한 것을 사용하기 위한 방법이 제공된다. 상기 개시된 장치는 미세유체 스케일에서 샘플들의 효과적인 혼합을 가능하게 한다. 특히, 상기 미세유체 혼합 장치는: 제 1 벨로우즈 펌프(105); 제 2 벨로우즈 펌프(115); 상기 제 1 벨로우즈 펌프(105)를 샘플 유입구 및 시약 저장소와 유체 상호연결하는 제 1 마이크로 채널로서, 상기 펌프와 상기 유입구 사이에 개재된 밸브(V10) 및 상기 펌프와 상기 저장소 사이에 개재된 밸브(V1)를 포함하는 상기 제 1 마이크로 채널; 상기 제 1 벨로우즈 펌프(105)를 상기 제 2 벨로우즈 펌프(115)와 유체 상호연결하는 제 2 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브(V11)를 포함하는 상기 제 2 마이크로 채널; 상기 제 1 벨로우즈 펌프(105)를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 3 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브(V11)를 포함하는 상기 제 3 마이크로 채널; 상기 제 1 벨로우즈 펌프 및 상기 제 2 벨로우즈 펌프에 공압식으로 연결된 제 1 및 제 2 공압 부재를 포함하며, 상기 제 2 벨로우즈 펌프(115)의 볼륨은 상기 제 1 벨로우즈 펌프(105)의 볼륨보다 크다.

Description

미세유체 혼합 장치 및 방법

본 발명은 일반적으로 샘플의 준비, 처리 및/또는 분석을 위해 유동화된 생물학적 샘플 및 시약을 혼합하기 위한 미세유체 장치들에 관한 것이다.

임상, 생물학 또는 환경 테스트와 관련성이 있는 생물학적 분석물(analyte)은 복합 유체 혼합물에서 저농도로 빈번하게 발견된다. 분석물 결정 분석(analyte detection assays)의 민감도 및/또는 특이성을 한정할 수 있는 배경 억제 또는 간섭 매트릭스 성분으로부터 벗어난 특정 분석물을 캡처, 농축 및 풍족하게 하는 것이 중요하다. 특정 분석물은 핵산, 예를 들어 항원 또는 항체, 원핵 또는 진핵 세포 및 바이러스와 같은 단백질, 및 약물과 대사산물(metabolites)과 같은 작은 분자들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 통상적인 샘플 준비 방법은 원심 분리, 고체 상 캡처(solid phase capture), 선택적 침전(selective precipitation), 여과 및 추출을 포함한다. 이러한 방법은 일반적으로 후속하는 분석 단계들과의 효율적인 자동화 및 통합에 적합하지 않으며, 특히 현장 진단 테스트(point of care testing)의 개발과 양립하는 방식이 아니다.

미세유체 장치는 최근 몇 년에 걸쳐 분석 테스트를 수행하는 데 대중적이 되었다. 전자 장치들을 소형화하는 반도체 산업에 의해 개발된 툴을 사용함으로써, 저렴한 비용으로 대량 생산될 수 있는 복잡한 유체 시스템을 제작할 수 있게 되었다. 정보 수집 및 처리를 위한 다양한 분석 기술을 수행하기 위한 시스템들이 개발되었다.

미세유체적으로 분석들을 수행하는 능력은 처리량, 시약 소비, 및 자동화의 실질적인 이점들을 제공하다. 미세유체 시스템의 또 다른 이점은 분석 및/또는 합성을 위한 반응물의 처리를 수행하기 위해 단일 "랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)" 장치에서 복수의 상이한 동작들을 통합할 수 있는 능력이다. 미세유체 장치는 다중 층 라미네이트 구조로 구성될 수 있으며, 각각의 층은 유체가 유동하는 마이크로스케일 공극 또는 채널을 형성하기 위해 라미네이트 재료로 제조된 채널들 및 구조들을 갖는다. 마이크로 스케일 또는 미세유체 채널은 전형적으로 유체 통로로서 정의되며, 500 ㎛ 미만, 대체로는 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 인 적어도 하나의 내부 단면 치수를 갖는다.

미국 특허 번호 5,716,852는 그 전체가 참고로 본 명세서에 포함되며, 미세 유동 장치의 예를 기술한다. 상기 '852 특허는 인디케이터 스트림 및 샘플 스트림을 제공하는 적어도 두 개의 입력 채널들을 갖는 층류의 채널(laminar flow channel)을 사용하여 샘플 스트림 내의 분석물 입자들의 존재를 검출하기 위한 미세유체 시스템을 교시하며, 상기 층류 채널은 상기 스트림의 층류를 가능하게 하도록 충분히 작은 깊이를 갖고 검출 영역을 형성하기 위해 상기 인디케이터 스트림 내로 분석물 입자들의 확산을 가능하도록 충분한 길이를 가지며, 단일 혼합된 스트림을 형성하도록 상기 채널 밖으로의 유출부를 갖는다. T-센서로 알려진 이러한 장치는 확산에 의한 것과는 다른 혼합 없이 한 채널 내에서 바로 옆으로 상이한 유체 층들의 이동을 가능하게 한다. 완전 혈액(whole blood)과 같은 샘플 스트림, 인디케이터 용액과 같은 수용기 스트림(receptor stream), 및 공지된 분석물 표준일 수 있는 기준 스트림이 T-센서 내의 공통 미세유체 채널에 도입되고, 상기 스트림들은 이들이 상기 채널을 빠져나갈 때까지 서로 바로 옆으로 흐른다. 이온과 같은 더 작은 입자들이나 또는 작은 단백질은 유체 경계들에 걸쳐 빠르게 확산되지만, 보다 큰 입자들은 더욱 느리게 확산한다. 혈구와 같은 큰 입자들은 두 개의 유동 스트림들이 접촉하는 시간 내에서 의미있는 확산을 보이지 않는다.

미세유체 채널들의 층류 체제 특성에서 혼합은 확산(diffusion)으로 한정된다는 일반적인 합의가 있다. 확산 자유 경로 길이들이 장치 치수들과 대략적으로 동일하게 되는, 수반되는 치수들로 인하여, 확산 혼합은 용질에 대해 매우 효과적일 수 있다. 이러한 상황은 리본 유동(ribbon flow), T-센서, 및 다른 유용한 미세유체 현상을 가능하게 한다. 그러나 세포, 박테리아, 바이러스 입자와 같은 큰 분석물에 대해 및 거대분자 복합체와 선형 중합체에 대해, 확산 혼합은 느리고, 이러한 종들의 캡처 또는 고갈 과정은 장기간의 인큐베이션을 필요로 한다. 따라서, 혼합에 대한 확산 제한은 샘플과 시약 또는 비드(beads)의 벌크 혼합 또는 조합이 요구되는 미세유체 장치에서의 문제점을 나타낸다. 이러한 문제는 완전히 해결되지 않았으며, 혼합 기술을 개선하기 위한 방법, 디바이스 및 장치가 활발히 연구되고 있다.

요약하면, 본 발명은 상이한 물리적 및 화학적 특성의 시약으로 유동화된 생물학적 샘플들을 조작 및 혼합하는 것을 수반하는 미세유체 디바이스, 장치, 및 방법에 관한 것이다. 특히, 개시된 미세유체 혼합기는 후속하는 분석을 위한 샘플들을 준비하기 위해 유체 샘플들 및 시약들의 유동 및 혼합을 조작하기 위해 다양한 구성으로 배열된 복수의 미세유체 채널, 비아(via), 밸브, 펌프 및 다른 요소를 이용한다.

본원에 개시된 바람직한 실시예는 미세유체 혼합 장치(microfluidic mixing device)이며, 상기 미세유체 혼합 장치는 제 1 탄성 중합체 막에 의해 관상 면(coronal plane)에서 양분된 챔버를 갖는 제 1 벨로우즈(bellows) 펌프, 제 2 탄성 중합체 막에 의해 관상 면에서 양분된 챔버를 갖는 제 2 벨로우즈 펌프, 상기 제 1 벨로우즈 펌프를 샘플 유입구 및 시약 저장소와 유체 상호연결하는 제 1 마이크로 채널로서, 상기 펌프와 상기 유입구 사이에 개재된 밸브 및 상기 펌프와 상기 저장소 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 1 마이크로 채널, 상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 2 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 2 마이크로 채널, 상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 3 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 3 마이크로 채널, 상기 제 1 벨로우즈 펌프 및 상기 제 2 벨로우즈 펌프에 공압식으로(pneumatically) 연결된 제 1 및 제 2 공압 부재를 포함하며, 상기 제 2 벨로우즈 펌프의 볼륨은 상기 제 1 벨로우즈 펌프의 볼륨보다 크다. 특정의 실시예들에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로 채널들은 상기 제 1 벨로우즈 펌프와 유체 통신하는 웹(web)을 형성하도록 교차한다. 또 다른 실시예들에서, 마이크로 웹(microweb)의 채널들 각각은 액체 비아(liquid via)와 유체 연통한다. 또 다른 실시예에서, 상기 마이크로 웹의 채널들 각각은 액체 비아와 유체 연통한다. 또 다른 실시예에서, 상기 마이크로 웹은 층류 및 난류 유체 유동을 모두 가능하게 하도록 구성된다. 다른 실시예에서, 상기 제 2 및 제 3 미세유체 채널들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 연통하는 수직 연장부들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 상기 연장부들 각각은 하나보다 많은 비아들과 유체 연통한다. 또 다른 실시예에서, 상기 연장부들 각각은 세 개의 비아들과 유체 연통한다. 다른 실시예에서, 상기 비아들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프의 실질적으로 전체 표면 영역에 걸쳐 분산된 유체 유동을 가능하게 하도록 구성된다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 본원에 기재된 임의의 혼합 장치들을 포함하는 미세유체 카트리지를 제공한다.

또 다른 양태에서, 본 발명은 본원에 기재된 임의의 카트리지를 사용하여 테스트 샘플의 연속적인 분액들(serial aliquots)을 처리하는 방법을 제공한다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 미세유체 혼합기의 다른 실시예들의 스케치들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 미세유체 카트리지의 한 실시예의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 미세유체 혼합기의 한 실시예의 단면도의 상세도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 미세유체 혼합기의 한 실시예의 상세 단면도이다.

본 발명을 더욱 잘 설명하는 데 도움을 주기 위한 것으로서, 다음과 같은 정의들이 제공된다. 본 명세서에 제공된 임의의 정의가 사전적인 의미, 당 기술에서 통상적으로 이해되는 의미, 또는 특허 또는 문헌 인용을 참조하여 통합된 의미와 일치하지 않는 경우, 여기에서 제시된 정의가 우선할 것이다.

미세유체 카트리지(Microfluidic Cartridge): 유체 구조 및 미세유체 치수들을 갖는 내부 채널들을 갖는 "장치", "카드" 또는 "칩". 이러한 유체 구조들은 예를 들어, 챔버, 밸브, 벤트(vent), 비아(via), 펌프, 유입구, 니플(nipple), 및 검출 수단을 포함할 수 있다. 일반적으로, 미세유체 채널은 약 500 ㎛ 미만, 전형적으로는 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛ 인 적어도 하나의 내부 단면 치수를 갖는 유체 통로이다. 따라서, 본원에 정의된 바와 같이, 미세유체 채널들은 500 ㎛ 미만인 적어도 하나의 내부 단면 치수를 갖는 유체 통로이다. 상기 미세유체 유동 체제(regime)는 포아세유(Poiseuille) 또는 "층류(laminar)" 유동을 특징으로하다.

벨로우즈 펌프(Bellows Pump)는: 유체적으로 연결되지 않는 제 1 및 제 2 하프-챔버(half-chamber)를 형성하도록 탄성 중합체의 다이어프램에 의해 관상 섹션(coronal section)으로 양분된 캐버티, 종종 원통형의 형상으로서 형성된 장치다. 상기 다이어프램은 제 1 하프-챔버에 연결된 공압 펄스 발생기(pneumatic pulse generator)에 의해 제어된다. 상기 다이어프램 위에 포지티브 압력은 이를 팽창시켜 제 2 하프-챔버의 내용물을 변위시키며, 네가티브 게이지 압력(흡입(suction))은 이를 수축시켜(retract) 상기 제 2 하프-챔버를 확장시키고 유체를 끌어들인다. 하프-챔버에 의해, 상기 다이어프램의 유효 영역은 포지티브 압력 하의 볼륨 변위 및 흡입 압력 하의 볼륨 변위 중 더 작은 것으로 이해되어야하며, 따라서 제 1 및 제 2 하프 챔버들이 다이어프램의 위 및 아래 볼륨에 있어서 대략 대칭이 되거나 동일할 때 최적이 된다. 상기 제 2 하프-챔버는 유체 인-포트 및 아웃-포트(fluid in-port and out-port)에 연결된다. 상기 유체 인-포트 및 아웃-포트는 개별 포트들이거나 또는 단일 포트일 수 있지만, 두 경우 모두 밸브 제어 하에 있다. 전술한 바와 같이, 공압 펄스 발생기는 일반적으로 마이크로 채널에 의해 제 1 하프 챔버에 공압식으로(pneumatically) 연결되며, 이 역시 밸브로 조절된다. 완전한 장치에서, 공압식 작동은 프로그램 가능하다. 따라서, 펄스 발생기에 의해 사용되는 프로그래밍 가능한 공압식 압력 로직은 신호에 따라 상기 다이어프램을 작동시키고 신호에 따라 밸브들을 개방하고 폐쇄하는 두 가지 기능들을 갖는다. 상기 펄스 발생기가 오프-카트리지, 니플 또는 유입구일 때, 공압식 매니폴드 및 솔레노이드 밸브들이 제공된다.

사용시, 네가티브 압력이 상기 다이어프램에 적용될 때(또는 수동적으로, 유체가 제 2 벨로우즈 펌프에 의해 안으로 푸시될 때), 유체는 유입 밸브를 통해 벨로우즈 펌프의 제 2 하프-챔버로 들어간다. 그런 다음, 포지티브 압력이 상기 다이어프램에 적용될 때, 상기 챔버의 유체 내용물이 유출 밸브를 통해 상기 유출 밸브를 통해 밖으로 변위된다. 유사하게, 포지티브 및 네가티브 압력 신호들은 밸브의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 일련의 포지티브 및 네가티브 압력 펄스들을 다이어프램에 공급함으로써, 유체가 벨로우즈 펌프 챔버 안팎으로 이동될 수 있다. 이러한 유체 이동은 동기화된 밸브 로직의 적용, 따라서 펌핑 작용에 의해 방향성이 있게 된다.

본 명세서에 개시된 바와 같이, 유입 밸브 및 유출 밸브가 폐쇄된 후 두 개의 벨로우즈 챔버들 사이에 왕복 유동을 강제하기 위해 제 1 다이어프램이 압력-작동하고 제 2 다이어프램이 수동적으로 구성될 때, 샘플 준비 및/또는 분석을 위한 생물학적 샘플들 및 시약들의 현탁액을 혼합할 수 있다. 왕복 유동(reciprocating flow)은 또한 교호하는 또는 반전된 공압 펄스들로 양쪽 다이어프램들을 동기적으로 작동시킴으로써 얻어질 수도 있다. 유사하게, 혼합 기능을 수행하기 위해 다수의 벨로우즈 펌프가 직렬로 유체 연결될 수 있다.

테스트 샘플: 대표적인 생물학적 샘플에는 예를 들어: 혈액, 혈청, 혈장, 버피 코트(buffy coat), 타액, 상처 삼출물(wound exudates), 고름, 폐 및 기타 호흡기 흡인물, 비강 흡인물 및 세척물(nasal aspirates and washes), 부비동 배액관(sinus drainage), 기관지 세척액(bronchial lavage fluids), 객담(sputum), 내측 및 내이 흡인물(medial and inner ear aspirates), 낭포 흡인물(cyst aspirates), 대뇌 척수액(cerebral spinal fluid), 대변(stool), 설사 액(diarrhoeal fluid), 소변(urine), 눈물, 유방 분비물(mammary secretions), 난소 내용물(ovarian contents), 복수액(ascites fluid), 점액(mucous), 위액(gastric fluid), 위장 내용물(gastrointestinal contents), 요도 분비물(urethral discharge), 활액(synovial fluid), 복막액(peritoneal fluid), 태변(meconium), 질 분비액 또는 분비물(vaginal fluid or discharge), 양수(amniotic fluid), 정액(semen), 음경 배출물(penile discharge) 등을 포함하며, 테스트될 수 있다. 모든 종류의 조직 표본의 균질물, 용해물 및 소화물인 것으로,예를 들어 목구멍, 편도선, 치은(gingival), 비강(nasal passages), 질, 요도, 직장, 결장 및 눈의 점막 채취 면봉(mucosal swabs)과 같이, 점막 분비물(mucosal secretions) 및 상피(epithelia)를 나타내는 채취 면봉 또는 세척(swabs or lavages)으로부터의 분석이 허용될 수 있다. 포유류 세포는 수용 가능한 샘플이다. 생리학적 유체 외에도, 물, 산업 배출물, 식품, 우유, 공기 여과액(air filtrates) 등도 또한 테스트 시료가 된다. 이들에는 식품, 환경 및 산업 샘플들을 포함된다. 일부 실시예들에서, 테스트 샘플은 장치에 직접 위치되며; 다른 실시예들에서, 사전-분석 프로세싱이 고려된다. 예를 들어, 일반적으로 고체 샘플의 유동화는 오프-카트리지에서 쉽게 달성될 수 있는 프로세스다.

시약(Reagent): 효소를 포함한 반응에 사용되는 임의의 화학적 또는 생화학 적 제제(agent)를 광범위하게 지칭하다. 시약은 그 자체가 모니터 될 수 있는 단일 제제(예를 들어, 가열됨에 따라 모니터되는 물질) 또는 둘 이상의 제제의 혼합물을 포함할 수 있다. 시약은 살아있을 수 있거나(예를 들면, 세포) 또는 살아있지 않는 것이 될 수 있다. 핵산 증폭 반응을 위한 예시적인 시약에는, 완충제(buffer), 금속 이온(예를 들면, 마그네슘염), 킬레이터(chelator), 폴리메라아제(polymerase), 프라이머(primer), 템플레이트(template), 뉴클레오타이드 삼인산(nucleotide triphosphate), 라벨(label), 염료(dye), 뉴클레아제 억제제(nuclease inhibitor) 등이 포함되지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 효소 반응을 위한 시약은 예를 들어 기질(substrates), 크로모겐(chromogens), 보조 인자(cofactors), 커플링 효소, 완충제, 금속 이온, 억제제 및 활성제를 포함한다. 모든 시약들이 반응물, 태그(tags) 또는 리간드(ligands)인 것은 아니며, 시약은 타겟 분석물이 아니다.

비아(Via): 하나의 기판 층으로부터 다른 기판 층으로 위 또는 아래로 유체 경로를 제공하는 미세유체 채널에서의 한 단계로서, 층들로 만들어진 라미네이트 소자의 특징.

공기 포트: 외부 서보메카니즘의 프로그램가능한 제어 하에서 공압식 매니폴드의 암(arm)을 나타냄. 상기 공압식 매니폴드에는 포지티브 또는 네가티브의 게이지 압력이 가해질 수 있다. +/- 5 ~ 10 psig의 동작 압력이 만족스러운 것으로 밝혀졌다. 공기 및 기타 가스들이 사용될 수 있다.

"통상적인"은 본 발명이 관련된 선행 기술에서 공지된 것, 특히 미세유체 혼합 장치와 관련된 것을 지칭하는 용어이다.

"약", "주위", "일반적으로" 및 "대략"은 부정확성의 표현을 확장하고 "많거나 적게", 거의 또는 가까이 되는 상태를 기술하며, 이 경우 어느 정도의 변동이 명백하거나 중요하지 않거나 또는 더 적거나 등가의 유틸리티 또는 기능이 될 것이며, 또한 기준, 규칙 또는 제한에 대해 명백한 예외의 존재를 나타낸다.

이전에 언급된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 다수의 미세유체 채널들, 유입구들, 밸브들, 막들, 펌프들, 액체 장벽들 및 유체 샘플의 유동을 조작하기 위한 다양한 구성들로 배열된 다른 요소들을 이용하는 미세유체 혼합 디바이스, 장치 및 방법에 관한 것으로, 분석을 위해 그러한 샘플을 준비하여 상기 유체 샘플을 분석한다. 이하의 설명에서, 본 장치들 및 방법들의 일정한 특정 실시예들이 설명되지만, 당업자는 후술되는 다양한 실시예들 및 요소들이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 결합되거나 수정될 수 있음을 이해할 것이다.

도 1a는 본 발명의 미세유체 분석 장치 또는 카트리지의 샘플 프로세싱을 위한 미세유체 혼합 서브회로(100A)의 개략도를 도시한다. 샘플, 예를 들면 대변, 소변, 전혈 또는 혈장은 유체, 고체 또는 이 둘의 혼합물 일 수 있다. 한 실시예에서, 유체 샘플은 샘플 유입구 또는 액체 샘플 포트로 피펫팅되거나(pipetted) 또는 끌어들인다(drawn). 다른 실시예에서, 샘플이 먼저 유동화된(fluidized) 다음, 액체 샘플 포트로 도입된다. 또 다른 실시예에서, 관심있는 물질을 갖는 채취 면봉이 장치 내의 챔버 내로 삽입되고; 상기 채취 면봉의 목 부분이 끊어지고 상기 장치가 밀봉된다. 필요한 경우 전처리가 예상된다. 예를 들어, 식물성, 점액성 및 원하지 않는 미립자 물질들을 제거하기 위해, 유동화된 샘플이 예를 들어 폴리프로필렌 섬유로 만들어진 깊이 필터를 통해 선택적으로 프리-필터링되고, 용해 완충제(lysis buffer)와 혼합되어, 연관된 부스러기 및 오염 물질들로부터 타겟 핵산 내용물을 릴리스(release)한다. 선택적으로, 상기 프리필터는 혈액의 세포 성분 및 혈장 성분을 분리하기 위해 사용될 수 있다.

샘플을 상기 장치에 도입한 후, 본 발명의 통합된 장치들에서, 나머지 분석 단계들이 자동화 또는 반자동화로 이루어진다.

용해 완충제 파우치 내의 용해 완충제는 예를 들어, 세포의 용해를 달성하고 핵산과 부착 분자 사이의 연계를 감소시키기 위해 세정제와 결합하여 카오트로프(chaotrope)를 함유하고, 세척 전에 핵산 저하를 감소하기 위해 EDTA와 같은 뉴클레아제 억제제 및 킬레이터(chelator)를 함유한다.

구아니디늄 티오시안산염(guanidinium thiocyanate)(GSCN), 예를 들어 4.5M GSCN을 약산성 완충제와 함께 사르코신(sarcosine) 및 트리톤(Triton) X-100과 같은 세정제와 함께 결합하여 PCR에 적합한 대변으로부터의 핵산을 성공적으로 추출한다는 것을 밝혀냈다. 이러한 용해 완충제는 또한 전혈로부터 헤모글로빈을 제거하고 그람 음성 박테리아(Gram negative bacteria)를 용해시키기에 충분하다.

그러나, 마이크로 스케일에서의 샘플과 용해 완충제의 혼합에는 독창성이 요구된다. 마이크로 스케일 유체 분석 장치에 대한 생화학의 적응은 새로운 엔지니어링을 필요로 한다. 우리들의 경험상, 예를 들어 본 발명의 미세유체 장치에서의 바람직한 혼합 메카니즘은 층류와 난류(laminar and turbulent flow) 사이에서 유체 역학을 교번시키는 것이다. 층류 영역에서의 운동은 평행 입자 궤도에 의해 특징지어지며, 과도적인 "퍼프(puffs)"에서의 난류 운동은 반경 방향으로 강한 혼합을 보여준다. 통상적인 미세유체 구조에서의 유동은 일반적으로 층류이며 경계층들과 경계면을 따라 확산에 의한 혼합을 허용한다. 그러나, 이러한 현상은 벌크 혼합, 예를 들어 다른 점성들의 용액들이 요구되는 미세유체 장치들에서 문제를 드러낸다.

본 발명의 실시예들은 유동 제한 채널들의 회로에 의해 분리되고 연결되는 한 쌍의 벨로우즈 펌프들을 포함하는 라미네이트 또는 성형된(molded) 혼합 장치들을 제공함으로써 마이크로 스케일에서 상이한 점성들의 혼합 용액의 문제를 해결한다. 이러한 시스템에서, 상기 채널들을 통해 이동하는 용액은 층류의 포커스된 유동을 경험한다. 상기 채널들로부터 벨로우즈 펌프들의 챔버들로 빠져나갈 때, 상기 용액은 유체 "제트(jets)"를 형성하고 상기 챔버의 벌크 유체에서 와류(vortices)로서 분산된다. 이러한 와류 또는 "난류 퍼프"는 난류로의 전환 특성이 된다. 난류 혼합은 상이한 점성들의 용액들이 상호 작용할 수 있는 표면적을 증가시켜 두 용액들의 혼합을 촉진하고 가속시킨다. 상기 채널들에 비해 상기 챔버들의 표면적을 증가시키는 것은 또한 더 빠르게 움직이는 더 적은 점성의 용액을 더 느리게 움직이는 더 많은 점성의 용액을 접촉시킬 수 있는 플랫폼을 제공한다. 상기 장치에서, 2 개의 벨로우즈 펌프 챔버들 사이에서 2 개의 용액들의 왕복 유동을 허용하도록 공압식 액츄에이터가 제공된다. 탄성 중합체 막들은 정방향 및 역방향 분리를 보장하다.

도 1a의 미세유체 혼합 서브 회로의 동작은 유체 이동 및 혼합을 달성하기 위해 체크 밸브 및 벨로우즈 펌프의 공압 작동에 기초한 일련의 단계들을 수반한다. 제 1 단계에서, 샘플은 샘플 유입구로 도입되고, 밸브(V2)는 예를 들어 상기 밸브의 다이어프램에 흡입 압력을 가함으로써 개방되고, 벨로우즈(B1)는 그 다이어프램 막이 또한 리프트(lift)됨에 따라 상기 샘플을 상기 벨로우즈 내로 끌어들인다.

제 2 단계에서, 밸브(V2)가 폐쇄되고, 밸브(V10)가 개방되며, 벨로우즈 펌프(B1)가 상기 샘플를 벨로우즈 펌프(B2)로 펌핑하고 밸브(V10)는 폐쇄된다. 선택적인 제 3 단계에서, 샘플은 다시 상기 샘플 유입구로 도입되고 밸브(V2)가 개방되고 벨로우즈 펌프(B1)는 상기 샘플을 상기 벨로우즈로 끌어들인다. 선택적인 제 4 단계에서, 밸브(V2)가 폐쇄되고 밸브(V10)가 개방되고 벨로우즈 펌프(B1)가 상기 샘플을 벨로우즈 펌프(B2)로 끌어들이고 밸브(V10)는 폐쇄된다.

제 5 단계에서, 밸브(V1)가 개방되고, 밸브(V11)가 개방되고, 용해 완충제가 벨로우즈(B1)를 통과한 후 벨로우즈 펌프(B2)에 도입된다.

제 6 단계에서, 밸브(V1)가 폐쇄되고, 밸브(V10)가 폐쇄되고, 벨로우즈 펌프(B2)는 용해 완충제 및 샘플을 채널들 및 밸브(V11)를 통해 벨로우즈 펌프(B1)로 푸시(push)하고; 밸브(V11)가 폐쇄되고, 밸브(V10)가 개방되고, 벨로우즈 펌프(B1)는 혼합물을 채널들 및 밸브(V10)를 통해 벨로우즈 펌프(B2)로 푸시한다. 제 6 단계는 복수 회 반복되어 상기 채널들 및 벨로우즈 펌프들에 의해 형성된 회로를 통해 샘플들이 유동함에 따라 상기 두 개의 샘플들을 효과적으로 혼합한다. 상기 채널들에 있어서 유체 유동은 층류지만; 벨로우즈 챔버들로 들어갈 때 유체 유동은 난류가 된다. 마이크로 채널들에서의 층류 및 벨로우즈 챔버들에서의 난류의 이러한 반복 사이클링은 상이한 점성들의 용액들, 예를 들어 구아니디늄과 같은 카오트로프(chaotropes)에 기초한 용해 완충제 및 생물학적 샘플을 혼합하는 데 있어 놀라울 정도로 효과적이다.

본 발명의 미세유체 혼합 서브 회로들의 하나의 유익한 특징은, 전술한 바와 같이 샘플의 연속적인 분액들(serial aliquots)을 혼합 장치에 도입할 수 있게 하는 것이다. 이러한 기능은, 벨로우즈 펌프(B2)가 벨로우즈 펌프(B1)보다 크기가 큼에 따라 더욱 큰 볼륨을 수용하도록 상기 두 개의 펌프들을 설계함으로써 달성된다. 동작 중에 펌프들 중 한쪽을 선택적으로 바이패스할 뿐만 아니라 단일 샘플의 연속적인 분액들을 처리하는 이러한 혼합 장치의 능력은 시스템의 사용자에게 유익한 유연성을 제공하며, 예를 들어 필요에 따라 특정 분석을 원하는 대로 할 수 있게 한다.

도 1b는 본 발명의 대안적인 실시예의 개략도이다. 여기서, 샘플 프로세싱을 위한 미세유체 혼합 서브 회로(100B)가 도 1a에서와 같이 구성되지만, 예외로서 용해 완충제 저장소가 벨로우즈 펌프들(B1 및 B2) 모두와 직접 유체 연통한다. 채널, 펌프, 샘플 유입구 및 완충제 저장소의 여러 가지 대안적인 구성들이 상이한 점성들의 용액들의 교호하는 층류 및 난류의 혼합을 달성할 수 있고 따라서 본 발명에 의해 고려될 수 있음을 이해해야한다.

도 1c는 본 발명의 대안적인 실시예의 개략도이다. 여기서, 샘플 프로세싱을 위한 미세유체 혼합 서브 회로(100C)가 도 1a에서와 같이 구성된다. 이러한 도면은 벨로우즈 펌프들(105 및 115)의 내부 유체 작동을 보여준다. 이러한 실시예에서, 더 작은 벨로우즈 펌프(105)가 마이크로 채널 웹을 형성하도록 교차하는 세 개의 마이크로 채널들과 유체 연결되어있다. 각각의 채널은 유체 유입구 및/또는 유출구로서 기능하고 유체를 채널들 및 벨로우즈 펌프로 유입하고/또는 그로부터 유출할 수 있게 하는 비아(via)(131)와 유체 연결되어있다. 세 개의 비아들이 추가적으로 마이크로 채널 웹(120)을 통해 서로 유체 접촉한다. 마이크로 채널 웹(120)은 유리하게는, 채널들 내의 층류 및 웹 내의 세 개의 채널들이 합류하는 곳에서 유체 스트림들이 충돌할 때의 난류 모두에 의해 유체들의 혼합을 가능하게 한다. 또한, 난류 혼합은 유체들이 비아들(131)을 빠져 나와 펌프의 챔버로 들어갈 때 계속된다. 다른 적절한 마이크로 채널 웹 구성들이 본 발명에 의해 고려되는 것으로 이해되어야한다. 예를 들어, 벨로우즈 펌프(105)는 마이크로 채널 웹에 의해 모두 상호연결되는 2 개 내지 대략 10 개의 비아들로 구성될 수 있다.

큰 벨로우즈 펌프(115)로 돌아가면, 본 실시예에서, 펌프에 연결된 채널들 각각은 수직 방향으로 연장되어 다수의 비아들이 펌프의 챔버로 들어가는 액체의 유동을 확산시킬 수 있다. 도 1c에 도시된 예시적인 구성에서, 밸브(V10)를 펌프(115)에 연결하는 채널은 세 개의 비아들(133)에서 종결하도록 수직 방향으로 확장된다. 마찬가지로, 밸브(V11)를 펌프와 연결하는 채널은 수직 방향으로 확장되어 세 개의 비아들(135)에서 종결된다(도시의 단순화를 위해, 단지 하나의 비아가 도면에 표시되어있다). 다른 예시적인 수의 비아들이 본 발명에 의해 고려되고, 예를 들어 각각의 마이크로 채널이 벨로우즈 펌프(115)의 챔버에서 대략 세 개 내지 대략 열 개의 비아들을 도입하도록 확장될 수 있음을 이해해야한다. 본 발명자들은 큰 벨로우즈 펌프의 챔버 내로 다수의 비아들을 도입하는 것이 챔버의 더 큰 표면적에 걸쳐 점성 용액들의 유동을 용이하게 하는 이점, 즉 챔버를 "스트림(stream)"보다는 "파동(wave)"으로 채우는 이점을 갖는다는 것을 발견했다. 이러한 것은 더 낮은 점성의 용액들과의 혼합, 예를 들어 카오트로픽 용해 완충제와 액체 샘플의 혼합을 유리하게 향상시키는 것으로 밝혀졌다.

도 2에서, 미세유체 장치 또는 카트리지(200)가 3 차원 CAD 렌더링으로서 투시도로 제시된다. 상기 장치의 횡단면은 다중 층들의 적층에 의해 제조된 카트리지를 나타낸다. 이러한 실시예는 얇은 플라스틱 코어(ACA) 상에 양면 접착제의 라미네이트로 구성된 중간 층에 의해 함께 적층된 두 개의 고체 성형된 플라스틱 층들을 필요로 한다. 상기 중간 층은 상기 장치의 밸브들 및 펌프들을 형성하는 탄성 중합체 막 또는 다이어프램을 제공하다. 카트리지의 혼합 장치는 두 개의 벨로우즈 펌프들: 즉 더 큰 벨로우즈 펌프(205) 및 더 작은 벨로우즈 펌프(215)를 포함한다. 상기 두 개의 벨로우즈 펌프들은 도 1a-c를 참조하여 기술된 바와 같이, 마이크로 채널들 및 밸브들의 네트워크에 의해 유체 연결된다. 상기 크고 작은 벨로우즈 펌프들에 의해 형성된 공동들은 중간 라미네이트 층에 제공된 탄성 중합체 다이어프램에 의해 관상 면(coronal plane)에서 각각 양분된다. 전술한 바와 같이, 제 2 펌프가 제 1 펌프보다 실질적으로 큰 이중 벨로우즈 펌프 혼합 장치를 제공하는 것의 한 가지 이점은 샘플 유입구(225)를 통해 혼합 서브 회로에 샘플의 연속적인 분액들을 도입할 수 있다는 것이다.

본 발명의 미세유체 혼합기의 벨로우즈 펌프들의 특징은 도 2에 단면으로 도시된 펌프 구성의 확대도인 도 3에 더 상세히 도시되어있다. 여기서, 혼합 장치(300)는 2 개의 벨로우즈 펌프들: 더 큰("제 2") 벨로우즈 펌프(305) 및 더 작은("제 1") 벨로우 펌프(315)를 포함한다. 두 개의 펌프들의 상대 치수는, 상기 더 큰 벨로우즈 펌프가 더 작은 벨로우즈 펌프보다 큰 체적을 보유하고 혼합할 수 있는 한, 관심있는 특정 분석에 적합한 어떠한 값도 될 수 있다. 일반적으로, 2 개의 펌프들에 의해 형성된 공동들의 높이는 카트리지의 호스트 기기로의 용이한 삽입을 촉진하기 위해 실질적으로 유사할 것이다. 그러나, 일부 실시예들에서, 2 개의 펌프들에 의해 형성된 공동들의 높이는 상이할 수 있다. 일반적으로, 더 큰 벨로우즈 펌프의 직경은 더 작은 벨로우즈 펌프의 직경보다 크게 될 것이다. 일부 실시예들에서, 더 큰 벨로우즈 펌프의 직경 대 더 작은 벨로우즈 펌프의 직경의 비율은 대략 1보다 크고 대략 2까지가 될 것이다. 다른 실시예들에서, 더 큰 벨로우즈 펌프의 직경 대 더 작은 벨로우즈 펌프의 직경의 비는 2보다 클 것이다. 하나의 예시적인 실시예에서, 각 펌프의 높이는 약 3.15 mm이며, 더 큰 벨로우즈 펌프의 직경은 대략 22.5 mm이고, 더 작은 벨로우즈 펌프의 직경은 대략 15.5 mm이다. 각각의 펌프의 동작은 비아들(330A 및 330B)(도시의 간략함을 위해 각각의 펌프에 단지 하나의 비아 만이 표시됨)에서 종결되는 상부 성형체로 제조된 공기 채널들의 공압식 제어 하에서, 각각의 벨로우즈 펌프의 상기 상위 챔버들과 공압식 연결 상태에 있다. 일반적으로, 각각의 펌프는 동일한 수의 공기 비아들(air vias)이 있다. 일부 실시예에서, 각각의 펌프는 세 개의 비아 각각에 의해 공압식으로 제어된다.

상기 두 개의 벨로우즈 펌프들은 도 1a-c를 참조하여 기술된 바와 같이, 마이크로 채널들의 네트워크에 의해 유체 연결된다. 각각의 마이크로 채널은 액체 비아들(350A 및 350B)(도시의 간략함을 위해 각각의 펌프에 단지 하나의 비아 만이 표시됨)에 의해 벨로우즈 펌프들의 하부 챔버에 유체 연결된다. 도 3c를 참조하여 논의된 바와 같이, 더 큰 벨로우즈 펌프(305)와 유체 연통하는 각각의 마이크로 채널은 단일 비아보다 많은 비아에서 종결된다. 예시적인 실시예에서, 상기 더 큰 펌프는, 유체가 여섯 개의 액체 비아들을 통해 더 큰 펌프로 진입 및/또는 빠져나오도록 세 개의 비아들 각각에서 종결하는 두 개의 채널들과 유체 연통한다. 다른 예시적인 실시예에서, 더 작은 벨로우즈 펌프는, 유체가 세 개의 비아들을 통해 더 작은 펌프로 진입하고 및/또는 빠져나오도록 단일 액체 비아에서 각각 종결되는 세 개의 마이크로 채널들에 유체 연결된다. 더 큰 펌프 및 더 작은 펌프에 들어가는 임의의 다른 수의 비아들이 본 발명의 실시에 적합할 수 있으며, 관심있는 특정 응용에 의해 결정될 것이라는 것을 이해해야한다. 큰 벨로우즈 펌프 및 작은 벨로우즈 펌프에 의해 형성된 공동들은 중간 라미네이트 층에 제공된, 탄성 중합체 다이어프램들(360A 및 360B)에 의해 관상 면에서 각각 양분된다.

도 4a는 상기 장치의 계층화된 구조를 예시할 수 있도록 투명 피쳐를 갖는 3 차원 CAD 도면으로서도 3을 참조하여 설명된 혼합 장치의 실시예(400)를 도시한다. 더 작은 벨로우즈 펌프(415) 및 더 큰 벨로우즈 펌프(405) 모두는 단일 공기 채널(420A 및 420B) 각각의 공압식 제어하에 있다. 각각의 공기 채널은 각 펌프의 상부 챔버와의 공압식 연결에서 세 개의 비아들(430A 및 430B)(도시의 간략함을 위해 각각의 펌프에 단지 하나의 비아 만이 표시됨)에서 종결된다. 더 작은 벨로우즈 펌프(415)의 하부 챔버는 세 개의 액체 비아들(450B)과 유체 연통하고, 더 큰 벨로우즈 펌프(405)의 하부 챔버는 여섯 개의 액체 비아들(450A)과 액체 연통한다(도시의 간략함을 위해 각각의 펌프에 단지 하나의 비아 만이 표시됨).

도 4b는 혼합 장치(400)의 단면도를 도시하며, 더 큰 벨로우즈 펌프(405) 및 더 작은 벨로우즈 펌프(415)에 의해 형성된 내부 챔버들의 바닥면을 묘사한다. 도 4a를 참조하여 논의된 바와 같이, 더 큰 펌프(405)는 여섯 개의 액체 비아들(450A)과 유체 연결되고, 더 작은 펌프(415)는 세 개의 비아들(450B)과 유체 연결된다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 비아들(450B)의 수 및 구성은 더 큰 펌프의 더 큰 바닥 표면적에 걸쳐 점성 용액들의 유동을 유익하게 용이하게 하는 것, 즉 "스트림(stream)"보다는 "파동(wave)"으로 챔버를 채우는 것으로, 예를 들어 더 낮은 점성의 용액들과 결과적으로 향상된 혼합을 유익하게 용이하게 하는 것으로 밝혀졌다.

도 4c는 혼합 장치(400)의 단면도를 도시하며, 도 4b에 도시된 섹션 아래의 층에 형성된 미세유체 채널들을 도시한다. 이러한 도면은 더 작은 벨로우즈 펌프와 유체 연결되는 두 개의 마이크로 채널들에 의해 형성된 마이크로 채널 웹(425)을 도시한다. 마이크로 채널 웹(425)은 상기 더 작은 벨로우즈 펌프의 세 개의 유체 비아들(450B)(도시의 간략함을 위해 단지 하나의 비아 만이 표시됨)과 유체 연통 상태에 있다. 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 마이크로 채널 웹(425)은 유익하게, 채널들 내의 층류와 이어서 유체 스트림이 상기 더 작은 벨로우즈 펌프의 웹 내의 세 개의 채널들이 합류하는 곳에서 충돌할 때의 난류 혼합에 의해 유체의 혼합을 가능하게 한다. 이러한 층류 및 난류의 변화는 상이한 물리-화학적 성질을 갖는 용액들, 예를 들어 상이한 점성들을 갖는 용액들의 혼합 속도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 상기 더 큰 벨로우즈 펌프와 유체 연통하는 두 개의 마이크로 채널들 각각은 연장부(435, 437)를 형성하도록 수직 방향으로 연장되고, 차례로 각각 세 개의 비아들과 유체 연통하여, 상기 더 큰 벨로우즈 펌프는 "파동"으로 펌프의 챔버로의 유체 유동을 가능하게 하도록 여섯 개의 유체 비어들을 갖는다.

본 발명의 실시예들은 다음에 기술하는 내용을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다:

실시예 1. 미세유체 혼합 장치는:

제 1 탄성 중합체 막에 의해 관상 면(coronal plane)에서 양분된 챔버를 갖는 제 1 벨로우즈(bellows) 펌프;

제 2 탄성 중합체 막에 의해 관상 면에서 양분된 챔버를 갖는 제 2 벨로우즈 펌프;

상기 제 1 벨로우즈 펌프를 샘플 유입구 및 시약 저장소와 유체 상호연결하는 제 1 마이크로 채널로서, 상기 펌프와 상기 유입구 사이에 개재된 밸브 및 상기 펌프와 상기 저장소 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 1 마이크로 채널;

상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 2 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 2 마이크로 채널;

상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 3 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 3 마이크로 채널; 및

상기 제 1 벨로우즈 펌프 및 상기 제 2 벨로우즈 펌프에 공압식으로(pneumatically) 연결된 제 1 및 제 2 공압 부재(pneumatic member)를 포함하며,

상기 제 2 벨로우즈 펌프의 볼륨은 상기 제 1 벨로우즈 펌프의 볼륨보다 크다.

실시예 2: 실시예 1의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로 채널들은 상기 제 1 벨로우즈 펌프와 유체 통신하는 웹(web)을 형성하도록 교차한다.

실시예 3: 실시예 2의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 웹의 채널들 각각은 액체 비아(liquid via)와 유체 연통한다.

실시예 4: 실시예 2의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 웹은 층류 및 난류 유체 유동(laminar and turbulent fluid flow)을 모두 가능하게 하도록 구성된다.

실시예 5: 실시예 1의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 제 2 및 제 3 미세유체 채널들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 연통하는 수직 연장부들을 포함한다.

실시예 6: 실시예 5의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 연장부들 각각은 하나보다 많은 비아들과 유체 연통한다.

실시예 7: 실시예 6의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 연장부들 각각은 세 개의 비아들과 유체 연통한다.

실시예 8: 실시예 6의 미세유체 혼합 장치에서, 상기 비아들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프의 실질적으로 전체 표면 영역에 걸쳐 분산된 유체 유동을 가능하게 하도록 구성된다.

실시예 9: 미세유체 카트리지가 실시예들 1 내지 8 중 한 실시예의 혼합 장치를 포함한다.

실시예 10: 실시예 9의 카트리지를 사용하여 테스트 샘플의 연속적인 분액(serial aliquots)을 처리하는 방법으로서:

상기 테스트 샘플의 제 1 분액을 샘플 유입구로 도입하는 단계;

상기 제 1 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프 내로 끌어들이는 단계;

상기 제 1 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프로부터 상기 제 2 벨로우즈 펌프로 끌어들이는 단계;

상기 테스트 샘플의 제 2 분액을 상기 샘플 유입구로 도입하는 단계;

상기 제 2 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프 내로 끌어들이는 단계; 및

상기 제 2 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프로부터 상기 제 2 벨로우즈 펌프로 끌어들이는 단계를 포함한다.

전술한 다양한 실시예들은 추가적인 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다. 2016년 2월 19일 출원된 미국 가출원 62/297,497 는 그 전체가 본 명세서에 참고로 인용되어있다. 전술한 상세한 설명에 비추어 본 실시예에 대한 이러한 및 다른 변경들이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구 범위에서, 사용된 용어들은 상기 청구 범위를 상세한 설명 및 청구 범위에 개시된 특정 실시예들로 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 그러한 청구 범위가 권리를 갖게 되는 등가의 전체의 범위에 따라 모든 가능한 실시예들을 포함하는 것으로 해석되어야한다. 따라서, 청구 범위는 그 개시에 의해 제한되지 않는다.

Claims (10)

1. 미세유체 혼합 장치에 있어서:
   제 1 탄성 중합체 막에 의해 관상 면(coronal plane)에서 양분된 챔버를 갖는 제 1 벨로우즈(bellows) 펌프;
   제 2 탄성 중합체 막에 의해 관상 면에서 양분된 챔버를 갖는 제 2 벨로우즈 펌프;
   상기 제 1 벨로우즈 펌프를 샘플 유입구 및 시약 저장소와 유체 상호연결하는 제 1 마이크로 채널로서, 상기 펌프와 상기 유입구 사이에 개재된 밸브 및 상기 펌프와 상기 저장소 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 1 마이크로 채널;
   상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 2 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 2 마이크로 채널;
   상기 제 1 벨로우즈 펌프를 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 상호연결하는 제 3 마이크로 채널로서, 상기 제 1 펌프와 상기 제 2 펌프 사이에 개재된 밸브를 포함하는 상기 제 3 마이크로 채널; 및
   상기 제 1 벨로우즈 펌프 및 상기 제 2 벨로우즈 펌프에 공압식으로(pneumatically) 연결된 제 1 및 제 2 공압 부재(pneumatic member)를 포함하며,
   상기 제 2 벨로우즈 펌프의 볼륨은 상기 제 1 벨로우즈 펌프의 볼륨보다 큰, 미세유체 혼합 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1, 제 2 및 제 3 마이크로 채널들은 상기 제 1 벨로우즈 펌프와 유체 통신하는 웹(web)을 형성하도록 교차하는, 미세유체 혼합 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 웹의 채널들 각각은 액체 비아(liquid via)와 유체 연통하는, 미세유체 혼합 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 웹은 층류 및 난류 유체 유동(laminar and turbulent fluid flow)을 모두 가능하게 하도록 구성되는, 미세유체 혼합 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 및 제 3 미세유체 채널들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프와 유체 연통하는 수직 연장부들을 포함하는, 미세유체 혼합 장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 연장부들 각각은 하나보다 많은 비아들과 유체 연통하는, 미세유체 혼합 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 연장부들 각각은 세 개의 비아들과 유체 연통하는, 미세유체 혼합 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 비아들은 상기 제 2 벨로우즈 펌프의 실질적으로 전체 표면 영역에 걸쳐 분산된 유체 유동을 가능하게 하도록 구성되는, 미세유체 혼합 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항의 혼합 장치를 포함하는 미세유체 카트리지.
10. 제 9 항의 카트리지를 사용하여 테스트 샘플의 연속적인 분액(serial aliquots)을 처리하는 방법으로서:
    상기 테스트 샘플의 제 1 분액을 상기 샘플 유입구로 도입하는 단계;
    상기 제 1 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프 내로 끌어들이는 단계;
    상기 제 1 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프로부터 상기 제 2 벨로우즈 펌프로 끌어들이는 단계;
    상기 테스트 샘플의 제 2 분액을 상기 샘플 유입구로 도입하는 단계;
    상기 제 2 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프 내로 끌어들이는 단계; 및
    상기 제 2 분액을 상기 제 1 벨로우즈 펌프로부터 상기 제 2 벨로우즈 펌프로 끌어들이는 단계를 포함하는, 테스트 샘플의 연속적인 분액들을 처리하는 방법.
    

Images