KR20200070372A - 미세유체 장치 - Google Patents

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Abstract

검액을 분석하기 위한 미세유체 장치는 감지 챔버(237)에 제공된, 나노포어가 제공된 멤브레인과 같은, 센서(235); 감지 챔버 입구 채널(261) 및 감지 챔버 출구 채널(262)로서, 그 각각은 감지 챔버 내외로 액체를 각각 통과시키기 위해 감지 챔버에 미세유체 장치에 샘플 입력 포트를 형성하는 저장소(233)를 연결하고, 저장소는 감지 챔버 입구 채널(261)과 유체 연통하는, 감지 챔버 입구 채널(261) 및 감지 챔버 출구 채널(262); 액체 포집 채널(232); 감지 챔버 출구 채널(262)의 단부와 액체 포집 채널(232) 사이의 배리어(231); 샘플 입력 포트를 커버하는 제1 밀봉부(251); 및 감지 챔버 출구 채널(262)의 단부를 커버하는 제2 밀봉부(252)를 포함하여, 액체가 감지 챔버(237)로부터 배리어(231) 위로 액체 포집 채널(232) 내로 유동하는 것을 방지하고; 미세유체 장치는 샘플 입력 포트에서의 제1 밀봉부(251)로부터 제2 밀봉부(252)까지 액체로 채워져서, 센서(235)는 액체로 커버되며 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않고; 제1 및 제2 밀봉부(251, 252)는 액체가 저장소와 감지 챔버 출구의 단부 사이에서 배리어 위로 유동하도록 제거 가능하다.

Description

미세유체 장치
본 발명은 미세유체 장치, 특히 습윤 조건에서 감지를 위한 센서를 포함하는 장치에 관한 것이다.
다양한 미세유체 장치 및 센서는 알려져 있다. WO99/13101호 및 WO88/08534호에 의해 개시된 바와 같은 센서는 건조 상태로 제공되며, 장치에 적용된 액체 테스트 샘플은 모세관 흐름에 의해 장치 내의 센서 구역으로 운반된다. 이온 선택적 멤브레인을 포함하는 이온 선택적 센서와 같은 다른 유형의 센서가 알려져 있다.
다른 예는 양친매성 분자의 층을 생성하기 위한 장치를 개시하고 있는 WO 2009/077734호에 의해 제공되며, 이제 도 1을 참조하여 간략하게 논의된다.
도 1은 양친매성 분자의 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 장치(1)를 도시하고 있다. 장치(1)는 비전도성 재료의 추가 층(4)을 지지하는 비전도성 재료의 기판(3)을 포함하는 층상 구조를 갖는 본체(2)를 포함한다. 리세스(5)는 추가 층(4)에 형성되는 데, 특히 추가 층(4)을 통해 기판(3)으로 연장되는 구멍으로서 형성된다. 장치(1)는 본체(2) 위로 연장되는 커버(6)를 더 포함한다. 커버(6)는 중공형이며, 커버(6)를 통과하는 개구에 의해 각각 형성된 입구(8) 및 출구(9)를 제외하고는 폐쇄되는 챔버(7)를 형성한다. 챔버(7)의 최하벽은 추가 층(4)에 의해 형성된다.
사용 시, 수용액(10)은 챔버(7) 내로 유입되고, 양친매성 분자의 층(11)은 챔버(7) 내의 수용액의 잔여량으로부터 리세스(5) 내의 수용액(10)을 분리하는 리세스(5)에 걸쳐 형성된다. 폐쇄된 챔버(7)를 사용하면 챔버(7) 내외로 수용액(10)을 매우 용이하게 유동시킨다. 이는 챔버(7)가 가득 찰 때까지 도 1에 도시된 바와 같이 입구(8)를 통해 수용액(10)을 유동시킴으로써 간단히 이루어진다. 이러한 공정 동안, 챔버(7) 내의 가스(통상적으로, 공기)는 수용액(10)에 의해 변위되고 출구(9)를 통해 배출된다.
장치는 양친매성 분자의 층(11)에 걸쳐 전기 신호의 측정을 가능하게 하는 전극 어레인지먼트를 포함하여, 장치가 센서로서 기능할 수 있다. 기판(3)은 기판(3)의 상면 상에 증착되고 추가 층(4) 아래에서 리세스(5)로 연장되는 제1 전도성 층(20)을 갖는다. 리세스(5) 아래의 제1 전도성 층(20)의 일부는 리세스(5)의 최하면을 또한 형성하는 전극(21)을 구성한다. 제1 전도성 층(20)은 추가 층(4)의 외부로 연장되고, 이에 따라 제1 전도성 층(20)의 일부가 노출되어 접점(22)을 구성한다.
추가 층(4)은 그 상에 증착되며 커버(6) 아래에서 챔버(7) 내로 연장되는 제2 전도성 층(23)을 가지며, 챔버(7) 내의 제2 전도성 층(23)의 일부는 전극(24)을 구성한다. 제2 전도성 층(23)은 커버(6)의 외부로 연장되고, 이에 따라 제2 전도성 층(23)의 일부가 노출되어 접점(25)을 구성한다. 전극(21 및 24)은 리세스(5) 및 챔버(7) 내의 수용액과 전기적으로 접촉한다. 이는 전기 회로를 접점(22 및 25)에 연결함으로써 양친매성 분자의 층(11)에 걸쳐 전기 신호의 측정을 가능하게 한다.
실제로, 도 1의 장치는 이러한 많은 리세스(5)의 어레이를 가질 수 있다. 각 리세스에는 양친매성 분자의 층(11)이 제공된다. 또한, 각 층에는 나노포어가 제공되어 다른 분자가 층을 통과할 수 있다(이는 측정된 전기 신호에 영향을 미침). 예를 들어, 멤브레인당 하나의 나노포어가 제공된다. 이의 발생 정도는 멤브레인에 적용된 매체에서 나노포어의 농도에 따라 부분적으로 결정된다.
센서에 양친매성 멤브레인 및 나노포어를 제공하기 위한 수단을 포함하는 분석 장치가 WO2012/042226호에 개시되어 있다. 양친매성 멤브레인 및 나노포어를 제공하는 단계는, 장치의 사용 전에, 통상적으로 최종 사용자에 의해 수행된다. 그러나, 이는 소비자 측에서 추가 단계가 요구되고 또한 밸브 및 공급 저장소를 포함하는 복잡한 유체 어레인지먼트를 구비한 장치의 제공을 필요로 하는 점에서 단점을 제공한다. 또한, 사용자가 사용을 위해 이러한 센서를 설정하면 오류가 쉽게 발생할 수 있다. 시스템이 올바르게 설정되어 있더라도, 시스템이 건조하게 되면 센서를 잠재적으로 손상시킬 위험이 있다. 또한, 샘플 챔버 내의 과도한 유량은 센서를 손상시킬 위험이 있다. 이러한 위험은 더 소형의 장치의 경우에 증가하여, 샘플 입력 포트가 센서에 매우 근접하게 된다(이에 따라, 장치를 통한 유량을 감소시키기 위한 시스템 손실에 대한 기회가 줄어든다).
그러므로, 양친매성 멤브레인 및 나노포어가 미리 삽입되고 습윤 조건 하에서 유지되는 '사용 준비' 상태로 사용자에게 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 보다 일반적으로, 센서가 습윤 조건에서 제공되는, 예를 들어 분석물의 검출 전에 습윤 조건에서 사용자에게 또는 그에 의해 제공되는, 장치를 제공하는 것이 또한 바람직하다.
'사용 준비' 상태로 제공되는 통상적인 나노포어 장치는 양친매성 멤브레인의 어레이를 포함하고, 각 멤브레인은 나노포어를 포함하며 액체를 함유하는 웰에 걸쳐 제공된다. 이러한 장치 및 제조 방법은 WO2014/064443호에 개시되어 있다. 분석될 검액은 양친매성 멤브레인의 상면에 적용된다. 그러나, '사용 준비' 상태로 장치를 제공하는 경우, 센서가 건조하지 않도록, 즉 액체가 양친매성 막을 통과함으로써 웰에서 손실되지 않도록, 주의가 필요한 점에서 추가적인 고려 사항이 있는 데, 이는 성능 손실 또는 센서 손상을 유발할 수 있기 때문이다. 센서의 건조 문제를 해결하기 위한 하나의 해결책은 양친매성 멤브레인의 표면 위에서 완충액을 장치에 제공하여 멤브레인의 표면을 통한 임의의 증발이 최소화되고 멤브레인의 양측에 제공된 액체가 임의의 삼투 효과를 감소시키도록 동일한 이온 강도를 가질 수 있게 하는 것이다. 사용 시, 완충액은 양친매성 멤브레인의 표면으로부터 제거될 수 있고 분석될 검액은 표면과 접촉하도록 유입된다. 장치가 완충액을 함유하면, 완충액을 제거하는 방법 및 검액을 유입하는 방법에 대한 고려가 문제가 된다. 완충액의 존재로 인해, 즉 센서가 '습윤 상태'로 제공되기 때문에, 건식 모세관 채널에 의해 제공되는 모세관력은 검액을 센서로 흡입시키는 데 이용될 수 없다. 완충액을 변위시키고 검액을 유입시키기 위해 펌프가 사용될 수 있지만, 이는 복잡성과 비용이 추가된 장치를 초래한다.
하나 이상의 이온 선택적 멤브레인을 포함하는 이온 선택적 전극 장치는 통상적으로 공지된 이온 농도를 갖는 용액과 함께 사용하기 전에 교정된다. 이온 선택적 멤브레인은 교정물 용액이 유입되어 모세관 작용에 의해 이온 선택적 전극 위로 유동될 수 있는 유체 입구 포트를 연결하는 모세관 유로에 제공될 수 있다. 그 후, 교정물 용액은 변위될 수 있고, 측정을 수행하기 위해 분석물 용액은 전극 위로 유동된다. 이온 측정을 위한 대형의 벤치 탑 장치에서, 연동 펌프는 예를 들어 액체를 변위시키기 위해 이용될 수 있다. 그러나, 간단한 일회용 장치의 경우, 덜 복잡한 해결책이 더 바람직하다.
다른 장치에서, 전기 화학적 분석을 하기 위해 모세관 작용에 의해 제1 검액이 흡입되는 모세관 채널에 한 쌍의 전극이 제공될 수 있다. 제1 검액의 측정 후에, 제2 검액을 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 모세관력이 더 오래 이용 가능하므로 제2 검액의 유입 전에 제1 검액을 제거하기 위해 추가적인 힘 개입이 필요하다.
본원에 참조로서 원용된 PCT/GB2017/052910호는 도 1 및 2와 유사한 양친매성 분자의 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 장치(100)를 개시하고 있으며, 이는 도 10에 도시되어 있다. 그러나, 도 1 및 2와 대조적으로, 도 10의 장치(100)는 탈착형 구성요소로 이루어진다. 이와 같이, 장치(100)를 구성하는 구성요소는 키트로서 제공될 수 있다.
제1 구성요소(110)는 장치(100)의 베이스를 이루고, 제2 구성요소(120)는 베이스 구성요소(110)에 대해 삽입 및 제거될 수 있다. 베이스 구성요소(110) 자체는 다수의 구성요소(111, 112)로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 구성요소(110, 120)는, 삽입될 때, 제1 및 제2 전기 커넥터의 어레이(아래에서 더 논의됨) 사이의 연결부를 이룬다. 이에 의해, 다수의 제2 구성요소는 단일의 베이스 구성요소(110)와 함께 사용될 수 있다. 제2 구성요소의 몸체는 통상적으로 탄성도를 갖는 플라스틱 재료로 이루어진다. 플라스틱 재료는 예를 들어 폴리카보네이트일 수 있다.
도 10의 장치에서, 일회용 플로우 셀은 제2 구성요소(120)로서 제공된다. 플로우 셀은 WO 2014/064443호에서 논의된 것과 동일할 수 있으며, 이는 그 전체가 참조로서 원용된다. 도 4의 어레인지먼트에서, 일회용 플로우 셀(120)을 제공하는 능력은 분석 장치(100)의 보다 고가의 구성요소가 제1 구성요소(110)에 통합될 수 있음을 의미하여, 서로 다른 플로우 셀(120)로 다수의 실험을 비교적 저렴하게 수행할 수 있다. 이와 같이, 플로우 셀(120)은 도 1 및 2에 관해서 설명된 리세스 및 구멍(5)에 대응하는 특징부를 포함할 수 있다. 한편, 예를 들어, 도 2에 도시된 회로 소자(61) 및 트랙(62)은 베이스 섹션(110)에 제공될 수 있다.
전술한 바를 고려할 때, 일회용 또는 재사용이 가능하면서 사용 준비가 된 방식으로 공급될 수 있는 미세유체 장치를 사용하기 쉽게 제공하는 것은 여전히 어려운 과제이다.
본 발명은 전술한 문제점을 적어도 부분적으로 줄이거나 극복하는 것을 목표로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 검액을 분석하기 위한 미세유체 장치가 제공되고, 본 미세유체 장치는 브리지형 배리어; 감지 챔버에 제공된 센서를 수용하고 분석될 검액을 수용하기 위해 브리지형 배리어로부터 상류에 위치되는 상류부로서, 상류부는 입구 채널 및 출구 채널을 포함하고 입구 채널과 출구 채널 사이에서 액체로 채워질 수 있는, 상류부; 상류부의 출구 채널로부터 액체를 수용하기 위해 브리지형 배리어로부터 하류에 위치되는 하류부; 및 상류부를 둘러싸도록 구성되는 탈착형 밀봉부 중 하나 이상을 포함하고, 밀봉부는, 액체가 상류부에 제공될 때, 밀봉부의 제거 전에 액체의 유동을 억제하고 밀봉부의 제거 후에 액체가 상류부로부터 하류부로 배리어를 통과하게 하도록 구성된다. 이와 같이, 장치는 밀봉부의 제거에 의해 활성화되기 전에 상류부에 액체를 보유할 수 있다. 액체는 배리어를 지나 유동하거나 또는 입구 채널로부터 역류하는 액체를 방지하는 밀봉부에 의해 상류부에 보유된다. 활성화 후, 액체는 배리어를 통과하여 하류부로 유동할 수 있다.
선택적으로, 배리어에 인접하게 브리지가 제공되고, 밀봉부의 제거 후 브리지는 액체가 배리어를 통해 또는 그 위로 상류부로부터 하류부로 유동하는 것을 용이하게 한다.
선택적으로, 밀봉부는 액체가 입구부로부터 출구부로 유동하는 것을 억제하도록 추가로 구성된다.
선택적으로, 배리어와 대향하는 브리지의 표면은 물과 90° 이하, 선택적으로 75° 이하의 습윤 접촉각을 갖는다. 선택적으로, 배리어와 대향하는 브리지의 표면은 물과 20° 이상의 습윤 접촉각을 갖지만, 접촉각은 0°만큼 낮을 수 있다. 이와 같이, 표면은 감지 챔버의 바람직하지 않은 배수를 야기하지 않고 입구에서 공기 유입의 유동을 촉진하기 위해 적절하게 친수성일 수 있다.
선택적으로, 배리어와 대향하는 브리지의 표면에는 화학적으로 친수성인 층 또는 처리부, 선택적으로 브리지의 미처리된 표면보다 더 친수성인 층 또는 플라즈마 처리부가 제공된다. 표면에는 하나 이상의 이러한 층, 예를 들어 용매로부터 증발되는 화학 물질과 같은 추가적인 화학적 처리부뿐만 아니라 여분의 재료 층이 제공될 수 있다. 표면은 또한 또는 독립적으로 표면의 표면적을 증가시키기 위한 물리적 텍스처, 선택적으로 표면에 제공된 필러, 핀 및/또는 홈을 포함할 수 있다.
선택적으로, 상류부는 입구 채널과 출구 채널 사이에서 액체로 채워질 수 있다.
다른 양태에 따르면, 미세유체 장치가 제공되고, 본 장치는 감지 챔버에 제공되는 센서; 감지 챔버 입구 채널 및 감지 챔버 출구 채널로서, 그 각각은 감지 챔버 내외로 액체를 각각 통과시키기 위해 감지 챔버에 미세유체 장치에 샘플 입력 포트를 형성하는 저장소를 연결하고, 저장소는 감지 챔버 입구 채널과 유체 연통하는, 감지 챔버 입구 채널 및 감지 챔버 출구 채널; 액체 포집 채널; 감지 챔버 출구 채널의 단부와 액체 포집 채널 사이의 배리어; 샘플 입력 포트를 커버하는 제1 밀봉부; 및 감지 챔버 출구 채널의 단부를 커버하는 제2 밀봉부 중 하나 이상을 포함하여, 액체가 감지 챔버로부터 배리어 위로 액체 포집 채널 내로 유동하는 것을 방지하고; 미세유체 장치는 샘플 입력 포트에서의 제1 밀봉부로부터 감지 챔버 출구 채널의 단부에서의 제2 밀봉부까지 액체로 채워져서, 센서는 액체로 커버되며 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않고; 제1 및 제2 밀봉부는 저장소와 감지 챔버 출구 채널의 단부 사이의 액체가 유동하여 일부 액체가 배리어 위로 유동하도록 제거 가능하다. 이러한 장치는 밀봉부가 제거되기 전에 센서를 보호하는 ('비활성') 상태로 센서를 신뢰 가능하게 유지하지만, 사용자가 밀봉부를 제거하여 '활성' 상태로 활성화하는 것은 간단하여 장치는 감지 목적으로 사용될 수 있다.
출구 채널은 감지 챔버에 연결된 제1 단부 및 제2 밀봉부에 의해 커버될 수 있는 제2 단부를 가질 수 있다. 배리어는 감지 챔버 출구 채널의 제2 단부와 액체 포집 채널 사이에 있을 수 있다.
선택적으로, 배리어와 대향하는 배리어 커버의 표면은 물과 90° 이하, 선택적으로 75° 이하의 습윤 접촉각을 갖는다. 선택적으로, 배리어와 대향하는 배리어 커버의 표면은 물과 20° 이상의 습윤 접촉각을 갖지만, 접촉각은 0°만큼 낮을 수 있다. 이와 같이, 표면은 감지 챔버의 바람직하지 않은 배수를 야기하지 않고 입구에서 공기 유입의 유동을 촉진하기 위해 적절하게 친수성일 수 있다.
제1 밀봉부는 저장소를 커버할 수 있다.
선택적으로, 장치는 제1 및 제2 밀봉부의 제거로 인해 센서가 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않도록 구성된다. 이는 장치에 걸친 모세관력의 균형을 유지함으로써 달성될 수 있다.
선택적으로, 제1 및 제2 밀봉부는 함께 제거될 수 있도록 연결된다. 선택적으로, 장치는 제1 및 제2 밀봉부를 제거하기 위해 당겨질 수 있는, 제1 및 제2 밀봉부에 부착된 밀봉부 핸들을 더 포함한다. 이를 통해, 장치는 하나의 간단한 단일 동작으로 활성화될 수 있다.
선택적으로, 장치는 감지 챔버 출구를 액체 포집 채널에 연결하기 위해 배리어 위에 브리징 채널을 형성하는 배리어 커버를 더 포함한다. 배리어 커버는 감지 챔버 출구를 액체 포집 채널에 연결하기 위한 위치를 향해 바이어싱될 수 있다. 제2 밀봉부는 감지 챔버 출구 채널의 단부와 브리징 채널 사이에서 배리어 커버 아래에 위치될 수 있다. 밀봉부의 제거를 돕기 위해 릴리스 라이너가 제2 밀봉부에 연결될 수 있다. 핸들은 릴리스 라이너의 일부를 형성할 수 있다. 릴리스 라이너는 제2 밀봉부와 배리어 커버 사이에 위치될 수 있다. 따라서, 배리어 커버는 활성 상태에서 장치를 통한 유체 경로를 완료하는 데 도움이 된다. 배리어와 배리어 커버 사이에 밀봉부 및/또는 릴리스 라이너의 제공은 장치를 활성화시키기 위해 사용자에 의해 쉽게 반전될 수 있는 방식으로 장치를 비활성화하는 편리하고 사용하기 쉬운 방법을 제공한다.
선택적으로, 배리어 커버는 브리징 채널 내로의 유동을 촉진하기 위해 브리징 채널로부터 감지 챔버 출구 채널을 향해 연장되는 디퍼를 더 포함한다. 브리징 채널은 배리어 옆의 다운코머에 (브리징 채널이 배리어 위에 배치되는 방향으로) 연결되는 굴곡부를 포함하고, 굴곡부는 적어도 일측에 만곡된 프로파일을 포함한다. 액체 포집 채널은 배리어 옆의 다운코머와 액체 포집 채널의 주요부 사이에 굴곡부를 포함할 수 있고, 굴곡부는 적어도 일측에 만곡된 프로파일을 포함한다. 이러한 특징은 장치의 활성화 및/또는 최초 사용 동안 메니스커스 피닝에 의해 장치를 통한 유동이 방해받지 않도록 도움을 준다.
선택적으로, 제2 밀봉부는 미세유체 장치의 표면에 표면보다 다소 친수성인 접착제에 의해 부착된다.
선택적으로, 배리어 커버는 감지 챔버 출구 채널의 단부와 브리징 채널 간의 접촉을 가압하도록 바이어싱된다. 배리어 커버는 감지 챔버 출구 채널의 단부와 브리징 채널 사이를 밀봉하기 위한 개스킷을 가질 수 있다. 이러한 특징은 활성 상태에서 양호한 밀봉이 제공되게 한다.
다른 양태에 따르면, 전술한 청구범위 중 어느 하나에 따른 미세유체 장치를 제조하는 방법이 제공되고, 본 방법은 제1 및 제2 밀봉부를 제거하는 단계를 포함하여, 저장소와 감지 챔버 출구의 단부 사이의 액체가 유동해서 일부 액체가 배리어 위로 유동하여 장치를 활성화시킨다.
본 발명은 예시적인 도면을 참조하여 아래에 설명된다:
도 1은 양친매성 분자의 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 종래 기술의 장치를 도시하고 있고;
도 2는 미세유체 장치의 일 예를 도시하고 있고;
도 3은 전기 회로의 예시적인 디자인을 도시하고 있고;
도 4a는 도 2에 대응하는 장치의 개략도를 도시하고 있고;
도 4b는 도 4a의 장치를 통한 유로에 따른 개략적인 단면을 도시하고 있고;
도 5a는 예를 들어 도 2 또는 도 4의 장치의 감지 챔버 및 주변 연결부의 개략적인 단면도이고;
도 5b는 장치 내의 유체가 폐기물 포집 채널로 배출되도록 활성화된 장치가 기울어진 시나리오를 도시하고 있고;
도 5c는 입구와 출구 사이의 높이 차이를 도시하고 있고;
도 5d-5f는 감지 챔버에 대한 시나리오를 도시하고 있고;
도 6은 대안적인 구성의 미세유체 장치의 개략적인 평면도이고;
도 7 및 8은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하고 있고;
도 9는 피펫을 샘플 입력 포트로 안내하기 위한 가이드 채널의 예시적인 디자인을 도시하고 있고;
도 10은 다중 부분 미세유체 장치를 도시하고 있고;
도 11은 대안적인 다중 부분 미세유체 장치를 도시하고 있고;
도 12는 도 11의 다중 부분 미세유체 장치의 플로우 셀 구성요소를 위에서 본 사시도를 도시하고 있고;
도 13은 도 11의 다중 부분 미세유체 장치의 플로우 셀 구성요소를 아래에서 본 사시도를 도시하고 있고;
도 14는 도 11의 다중 부분 미세유체 장치의 플로우 셀 구성요소의 개략적인 단면도를 도시하고 있고;
도 15는 도 11의 다중 부분 미세유체 장치의 플로우 셀 구성요소의 배리어 커버 요소의 개략적인 단면도를 도시하고 있고;
도 16은 플로우 셀 구성요소의 대안적인 배리어 커버 요소의 개략적인 단면도를 도시하고 있고;
도 17은 밀봉부가 도 17a에서 제거되고 도 17b에서 교체된 플로우 셀 구성요소를 위에서 본 사시도를 도시하고 있고;
도 18은 샘플을 샘플 포트에 추가한 모습의 개략적인 단면도이다.
본 개시물은 "습식 센서"(즉, 습윤 환경에서 기능하는 센서)를 사용하여, 센서가 필요할 때까지 습윤으로 유지되는 상태에서, 미세유체 장치가 생성되고 저장될 수 있게 한다. 이는 센서가 습윤으로 유지되지만 장치를 사용할 수 없는 "비활성" 상태, 및 장치를 사용할 수 있는 "활성" 상태를 갖는 장치를 제공함으로써 효과적으로 달성된다. 다시 말해서, "비활성" 상태는, 후술할 바와 같이, 샘플 입력 포트와 액체 포집 채널 사이의 유로가 완전하지 않은 상태일 수 있다. 이에 반해, "활성" 상태는 샘플 입력 포트와 액체 포집 채널 사이의 유로가 완전한 상태일 수 있다. 나노포어 센서(아래의 보다 상세 사항 참조)를 고려할 때 센서를 습윤으로 유지하는 특별한 이점은 웰 액체가 멤브레인을 통해 누출되지 않도록 하는 것이다. 멤브레인은 매우 얇으며 센서는 수분 손실에 매우 민감하다. 수분 손실은 예를 들어 웰 액체와 멤브레인 사이에 저항성 에어 갭을 생성하여 웰과 샘플에 제공된 전극 사이의 전기 회로를 차단할 수 있다. 수분 손실은 또한 웰 액체의 이온 강도를 증대시키는 역할을 할 수도 있어, 나노포어에 걸친 전위차에 영향을 미칠 수 있다. 전위차는 측정된 신호에 영향을 미치므로, 임의의 변경은 측정 값에 영향을 미칠 수 있다.
어떤 경우에도, 본 발명의 장치는 필요할 때까지 "비활성" 상태로 장기간 유지될 수 있다. 그 기간 동안, 예를 들어, 장치가 비표준 방향(즉, 장치가 정상적인 기능을 수행하는 데 사용되지 않는 방향)으로 있는 경우에도, "비활성" 상태가 강력하고 센서를 습윤 조건에서 유지시킬 수 있으므로, 장치는 운반될 수 있다(예를 들어, 공급자로부터 최종 사용자에게 운송될 수 있음). 이는 비활성 상태가 센서를 포함하는 장치의 내부 용적을 주변으로부터 밀봉하기 때문에 가능하다. 그 내부 용적(아래에서 '포화 용적'으로 지칭됨)은 액체로 채워진다. 에어 갭 및/또는 기포의 부재는, 장치가 이리저리 움직여도, 가스/공기 인터페이스가 센서와 교차할 가능성(센서의 기능을 손상시킬 수 있음)으로부터 센서가 격리됨을 의미한다. 또한, 활성 상태에서도, 장치가 활성화된 후에 사용되지 않더라도, 장치는 센서를 장기간 습윤 조건에서 유지시킬 수 있다.
도 2는 미세유체 장치(30)의 일 예의 평면 단면도를 도시한 것으로, 샘플 입력 포트(33)를 포함하는 미세유체 장치의 일부의 측단면도를 도시하고 있다. 미세유체 장치(30)는 센서를 수용하기 위해 감지 챔버(37)를 포함한다.
감지 챔버(37)에는 도 2에 도시되지 않은 센서가 제공된다. 센서는 액체 샘플을 분석하기 위한 구성요소 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 센서는 액체 샘플에 존재하는 단일 분자(예를 들어, 이온, 글루코오스와 같은 생물학적 및/또는 화학적 분석물)를 검출하기 위한 구성요소 또는 장치일 수 있다. 프로테인, 펩티드, 핵산(예를 들어, RNA 및 DNA), 및/또는 화학 분자와 같은 생물학적 및/또는 화학적 분석물을 검출하기 위한 상이한 유형의 센서가 당업계에 공지되어 있으며 감지 챔버에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 멤브레인의 일측으로부터 멤브레인의 다른 측으로 이온 유동이 가능하도록 구성된 멤브레인을 포함한다. 예를 들어, 멤브레인은 나노포어, 예를 들어 프로테인 나노포어 또는 고체 나노포어를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는, 그 내용이 본원에 참조로서 원용되는 WO 2009/077734호에 기술된, 위의 도 1을 참조하여 논의된 유형일 수 있다. 센서는 사용 중인 전기 회로에 연결된다. 센서는 전극 표면 위에 또는 기저 전극과 접촉하게 제공된 이온성 용액 위에 직접적으로 제공되는 이온 선택적 멤브레인일 수 있다.
센서는 전극 쌍을 포함할 수 있다. 분석물을 검출하기 위하여 전극 중 하나 이상은 기능화될 수 있다. 전극 중 하나 이상은 NafionTM과 같은 선택적 투과성 멤브레인으로 코팅될 수 있다.
이러한 전기 회로(26)의 예시적인 디자인은 도 3에 도시되어 있다. 전기 회로(26)의 1차 기능은 공통 전극 제1 몸체와 전극 어레이의 전극 사이에서 발생된 전기 신호(예를 들어, 전류 신호)를 측정하는 것이다. 이는 단순히 측정된 신호의 출력물일 수 있지만, 원칙적으로 신호의 추가 분석을 수반할 수도 있다. 전기 회로(26)는 통상적으로 매우 낮은 전류를 검출 및 분석하기에 충분히 민감할 필요가 있다. 일례로, 개방 멤브레인 프로테인 나노포어는 통상적으로 1M 염 용액으로 100pA 내지 200pA의 전류를 통과할 수 있다. 선택된 이온 농도는 가변될 수 있으며, 예를 들어 10mM과 2M 사이일 수 있다. 일반적으로 말하면, 이온 농도가 높을수록 전위 또는 화학적 구배 하에서 전류 흐름은 높아진다. 멤브레인에 걸쳐 적용되는 전위차의 크기는 멤브레인에 걸친 전류 흐름에도 영향을 미칠 것이고, 통상적으로 50mV와 2V 사이, 보다 통상적으로는 100mV와 1V 사이의 값으로 선택될 수 있다.
이러한 구현에서, 전극(24)은 어레이 전극으로서 사용되고 전극(21)은 공통 전극으로서 사용된다. 따라서, 전기 회로(26)는, 그 자체가 가상 접지 전위에 있으며 전기 회로(26)에 전류 신호를 공급하는 전극(21)에 대한 바이어스 전압 전위를, 전극(24)에 제공한다.
전기 회로(26)는 전극(24)에 연결되며 2개의 전극(21 및 24)에 걸쳐 효과적으로 나타나는 바이어스 전압을 인가하도록 마련된 바이어스 회로(40)를 갖는다.
전기 회로(26)는 또한 2개의 전극(21 및 24)에 걸쳐 나타나는 전류 신호를 증폭시키기 위해 전극(21)에 연결된 증폭기 회로(41)를 갖는다. 통상적으로, 증폭기 회로(41)는 2개의 증폭기 스테이지(42 및 43)로 구성된다.
전극(21)에 연결된 입력 증폭기 스테이지(42)는 전류 신호를 전압 신호로 변환한다.
입력 증폭기 스테이지(42)는, 높은 임피던스 피드백 저항기를 갖는 인버팅 증폭기로서 구성된 전위계 연산 증폭기와 같은, 예를 들어 500MΩ의 트랜스임피던스 증폭기를 포함하여, 통상적으로 수십에서 수백 정도의 pA 크기를 갖는 전류 신호를 증폭시키는 데 필요한 이득을 제공할 수 있다.
대안적으로, 입력 증폭기 스테이지(42)는 교환형 적분기 증폭기를 포함할 수 있다. 이는 피드백 요소가 커패시터이며 사실상 노이즈가 없으므로 매우 작은 신호에 대해 바람직하다. 또한, 교환형 적분기 증폭기는 더 넓은 대역폭 기능을 갖는다. 그러나, 출력 포화가 일어나기 전에 적분기를 재설정할 필요성으로 인해, 적분기는 데드 타임을 갖는다. 이러한 데드 타임은 약 마이크로 초로 감소될 수 있어, 필요한 샘플링 속도가 훨씬 높으면 큰 영향을 미치지 않는다. 필요한 대역폭이 작으면 트랜스임피던스 증폭기는 더 간단하다. 일반적으로, 교환형 적분기 증폭기의 출력은 각 샘플링 주기의 끝에 샘플링된 후 리셋 펄스가 뒤따른다. 추가적 기술은 통합 개시를 샘플링하여 시스템의 작은 오류를 제거하는 데 사용될 수 있다.
제2 증폭기 스테이지(43)는 제1 증폭기 스테이지(42)에 의해 출력된 전압 신호를 증폭 및 필터링한다. 제2 증폭기 스테이지(43)는 충분한 이득을 제공하여 신호를 데이터 취득 유닛(44)에서 처리를 위한 충분한 수준으로 높인다. 예를 들어, 제1 증폭기 스테이지(42)에서의 500MΩ 피드백 저항과 더불어, 제2 증폭기 스테이지(43)로의 입력 전압은, 100pA 정도의 통상적인 전류 신호를 고려할 때, 50mV 정도일 것이고, 이 경우 제2 증폭기 스테이지(43)는 50mV 신호 범위를 2.5V로 높이기 위해 50의 이득을 제공해야 한다.
전기 회로(26)는 적절한 프로그램을 실행하는 마이크로프로세서일 수 있거나 전용 하드웨어를 포함할 수 있는 데이터 취득 유닛(44)을 포함한다. 이 경우, 바이어스 회로(40)는, 전용 장치 또는 데이터 취득 유닛(44)의 일부일 수 있으며 소프트웨어로부터 데이터 취득 유닛(44)에 로딩된 코드에 의존하는 전압 출력물을 제공하는, 디지털-아날로그 변환기(46)로부터 신호를 공급받는 인버팅 증폭기에 의해 간단하게 형성된다. 유사하게, 증폭기 회로(41)로부터의 신호는 아날로그-디지털 변환기(47)를 통해 데이터 취득 카드(40)에 공급된다.
전기 회로(26)의 다양한 구성요소는 개별 구성요소에 의해 형성될 수 있거나, 또는 임의의 구성요소는 공통 반도체 칩에 통합될 수 있다. 전기 회로(26)의 구성요소는 인쇄 회로 기판 상에 마련된 구성요소에 의해 형성될 수 있다. 전극의 어레이로부터의 다수 신호를 처리하기 위해, 전기 회로(26)는 각 리세스(5)로부터 신호를 병렬적으로 획득할 수 있도록 각 전극(21)에 대해 증폭기 회로(41) 및 A/D 변환기(47)를 복제함으로써 본질적으로 변형된다. 입력 증폭기 스테이지(42)가 교환형 적분기를 포함하는 경우, 샘플 앤 홀드 신호를 처리하고 적분기 신호를 재설정하기 위해 디지털 제어 시스템이 필요하다. 디지털 제어 시스템은 필드 프로그래머블 게이트 어레이 장치(FPGA)에 가장 편리하게 구성된다. 또한, FPGA는 표준 통신 프로토콜, 즉 USB 및 이더넷과 인터페이스하는 데 필요한 프로세서와 유사한 기능 및 로직을 포함할 수 있다. 전극(21)이 접지 상태에서 유지되는 점으로 인해, 전극의 어레이에 공통적으로 전극을 제공하는 것이 실용적이다.
이러한 시스템에서, 폴리뉴클레오티드 또는 핵산과 같은 중합체, 프로테인과 같은 폴리펩티드, 다당류, 또는 임의의 다른 중합체(천연 또는 합성)는 적절한 크기의 나노포어를 통과할 수 있다. 폴리뉴클레오티드 또는 핵산의 경우, 중합체 단위는 뉴클레오티드일 수 있다. 이와 같이, 분자는 나노포어를 통과하면서, 나노포어에 걸친 전기적 특성이 모니터링되고, 나노포어를 통과하는 특정 중합체 단위의 특성인 신호가 얻어진다. 따라서, 신호는 중합체 분자에서 중합체 단위의 서열을 식별하거나 서열 특성을 결정하는 데 사용될 수 있다. 다양한 상이한 유형의 측정이 이루어질 수 있다. 이는 제한 없이 전기 측정 및 광학 측정을 포함한다. 형광 측정과 관련된 적합한 광학 방법은 J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 1652-1653에 개시되어 있다. 가능한 전기 측정은 전류 측정, 임피던스 측정, 터널링 측정(Ivanov AP등, Nano Lett. 2011 Jan 12; 11(1):279-85) 및 FET 측정(국제 출원 WO 2005/124888)을 포함한다. 광학 측정은 전기 측정(Soni GV등, Rev Sci Instrum. 2010 Jan; 81(1):014301)과 조합될 수 있다. 측정은 포어를 통해 흐르는 이온 전류의 측정과 같은 트랜스멤브레인 전류 측정일 수 있다.
중합체는 폴리뉴클레오티드(또는 핵산), 프로테인과 같은 폴리펩티드, 다당류, 또는 임의의 다른 중합체일 수 있다. 중합체는 천연 또는 합성일 수 있다. 중합체 단위는 뉴클레오티드일 수 있다. 뉴클레오티드는 상이한 핵염기를 포함하는 상이한 유형일 수 있다.
나노포어는, 예를 들어 MspA, 리세닌, 알파-헤모리신, CsgG, 또는 이의 변이체나 돌연변이로부터 선택된, 트랜스멤브레인 프로테인 포어일 수 있다.
폴리뉴클레오티드는 데옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펩티드 핵산(PNA)과 같은 당업계에 알려진 cDNA나 합성 핵산, 글리세롤 핵산(GNA), 트레오즈 핵산(TNA), 잠금 핵산(LNA), 또는 뉴클레오티드 측쇄를 갖는 다른 합성 중합체일 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 단일 가닥형 또는 이중 가닥형일 수 있거나, 또는 단일 가닥 및 이중 가닥 영역 양자를 포함할 수 있다. 통상적으로, cDNA, RNA, GNA, TNA, 또는 LNA는 단일 가닥형이다.
일부 실시예에서, 본원에 기술된 장치 및/또는 방법은 임의의 뉴클레오티드를 식별하는 데 사용될 수 있다. 뉴클레오티드는 자연적으로 발생하거나 인공적일 수 있다. 뉴클레오티드는 통상적으로 핵염기(본원에서 "염기"로 축약될 수 있음), 당, 및 적어도 하나의 인산기를 함유한다. 핵염기는 통상적으로 헤테로사이클릭이다. 적합한 핵염기는 퓨린 및 피리미딘을 포함하고, 보다 구체적으로 아데닌, 구아닌, 티민, 우라실, 및 시토신을 포함한다. 당은 통상적으로 5탄당이다. 적합한 당은 리보스 및 데옥시리보스를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 뉴클레오티드는 통상적으로 리보뉴클레오티드 또는 데옥시리보뉴클레오티드이다. 뉴클레오티드는 통상적으로 모노포스페이트, 디포스페이트, 또는 트리포스페이트를 함유한다.
뉴클레오티드는 손상형 또는 후생 유전적 염기를 포함할 수 있다. 뉴클레오티드는 특유의 신호를 갖는 마커로서 작용하도록 표지되거나 변형될 수 있다. 이러한 기술은 폴리뉴클레오티드에서 염기, 예를 들어, 염기성 단위 또는 스페이서의 부재를 식별하는 데 사용될 수 있다. 변형되거나 손상된 DNA(또는 유사한 시스템)의 측정을 고려할 때, 특히 상보적 데이터를 고려하는 방법이 사용된다. 제공된 추가 정보를 통해 더 많은 수의 기저 상태 사이를 구별할 수 있다.
중합체는 또한 폴리뉴클레오티드 이외의 중합체의 일 유형일 수 있으며, 이의 일부 비제한적인 예는 다음과 같다.
중합체는 폴리펩티드일 수 있고, 이 경우에 중합체 단위는 자연적으로 발생하거나 또는 합성인 아미노산일 수 있다.
중합체는 다당류일 수 있으며, 이 경우에 중합체 단위는 단당류일 수 있다.
센서를 습윤 상태로 유지하기 위해 장치에 제공된 조건화 액체는 장치와 양립 가능한 임의의 액체(예를 들어, 센서의 성능에 악영향을 미치지 않는 액체)일 수 있다. 일례로, 센서가 프로테인 나노포어를 포함하는 경우, 조건화 액체가 프로테인을 변성시키거나 비활성화시키는 작용제를 함유하지 않아야 된다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 조건화 액체는 완충액, 예를 들어 이온성 액체 또는 이온성 용액을 포함할 수 있다. 조건화 액체는 용액의 pH를 유지하기 위해 완충화제를 함유할 수 있다.
센서는 '습윤 조건'에서 유지될 필요가 있는, 즉 액체로 커버되는 센서이다. 센서는, 예를 들어 이온 선택적 멤브레인 또는 양친매성 멤브레인과 같은, 멤브레인을 포함할 수 있다. 양친매성일 수 있는 멤브레인은 나노포어와 같은 이온 채널을 포함할 수 있다.
양친매성일 수 있는 멤브레인은 지질 이중층 또는 합성 층일 수 있다. 합성 층은 이블록 또는 삼블록 공중합체일 수 있다.
멤브레인은 음이온 및 양이온의 검출을 위해 이온 선택적 채널과 같은 이온 채널을 포함할 수 있다. 이온 채널은, 밸리노마이신, 그라미시딘, 및 14개의 크라운 4 유도체와 같은, 공지된 이오노포어로부터 선택될 수 있다.
도 2로 돌아가면, 감지 챔버는 액체를 감지 챔버(37) 내외로 각각 통과시키기 위해 액체 입구(38) 및 액체 출구(39)를 갖는다. 도 2의 도면에서, 장치(30)를 통한 단면에서, 입구(38)가 샘플 입력 포트(33)와 유체 연통하는 것으로 도시되어 있다. 샘플 입력 포트(33)는, 예를 들어 검사 및 감지를 위해, 샘플을 미세유체 장치(30)로 유입시키기 위해, 예를 들어 전달하기 위해 구성된다. 장치(30)가 비활성 상태에 있을 때에 샘플 입력 포트(33)를 밀봉 또는 폐쇄하도록 플러그와 같은 밀봉부(33A)가 제공되어, 샘플 입력 포트(33)를 통한 임의의 유체의 유입 또는 유출을 피할 수 있다. 이와 같이, 밀봉부(33A)는 비활성 상태에서 샘플 입력 포트(33) 내에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 밀봉부(33A)는 제거 가능하고 교체 가능하다. 샘플 입력 포트는 도 2에 도시된 바와 같이 감지 챔버에 가깝게 위치되는 것이 바람직할 수 있으며, 포트는 감지 챔버에 직접 제공된다. 이는 유로의 용적을 감소시킴으로써 장치에 적용되어야 하는 샘플 액체의 용적을 감소시킨다.
감지 챔버(37)의 출구(39)로부터의 하류에 액체 포집 채널(32)이 있다. 액체 포집 채널은 폐기물 포집 저장소일 수 있고, 감지 챔버(37)로부터 배출되는 유체를 수용하기 위한 것이다. 포집 채널(32)의 최하류단에, 예를 들어 단부에, 포집 채널(32)이 감지 챔버로부터 액체를 수용해서 액체로 채워짐에 따라 가스를 배출하기 위해 브리더 포트(58)가 있다.
도 2에 도시된 예에서, 감지 챔버(37)의 상류에 선택적인 액체 공급 포트(34)가 있다. 이러한 포트는, 장치(30)가 활성 상태에 있으면, 액체, 예를 들어 완충제를 장치에 공급할 기회를 제공한다. 또한, 원하는 경우 더 큰 용적의 샘플을 전달하기 위해, 새로운 샘플이 전달되기 전에 감지 챔버(37)로부터 이전 샘플을 대량으로 플러싱/관류하기 위해 사용될 수 있다.
상세히 후술할 바와 같이, 장치는 샘플 입력 포트에서 샘플을 수용하도록 구성되며, 이는 그 후에, 외력 또는 외부 압력의 도움 없이, 예를 들어 후술될 바와 같은 모세관 압력에 의해 그 자체의 감지 챔버 내로 흡입된다. 이는 사용자가 인가된 양압 하에서 검액을 장치 내로 유입시킬 필요성을 제거한다.
도 2에서, 장치(30)는 비활성 상태에 있다. 이는 액체 포집 채널(32)과 감지 챔버(37) 사이의 유체 유동을 허용하지 않는 상태인 폐쇄 상태로 구성되는 밸브(31)의 제공뿐만 아니라, 샘플 입력 포트(33)를 밀봉 또는 폐쇄하는 샘플 입력 포트(33) 상의 밀봉부(33A)의 제공에 의해 달성된다. 비활성 상태에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 감지 챔버(37)를 통한 유동은 불가능하다. 폐쇄 상태에서의 밸브(31)는 감지 챔버(37)의 액체 출구(39)와 액체 포집 채널(32) 사이의 유로 중단부로서 작용하는 구조이어서, 상류 액체(예를 들어, 감지 챔버(37)로부터의 액체)가 액체 포집 채널(32)로 유입되는 것을 방지한다. 유사하게, 폐쇄 상태에서의 밸브(31)는 공급 포트(34)와 감지 챔버(37) 사이의 유로 중단부로서 작용하는 구조이어서, 상류 액체(예를 들어, 공급 포트를 통해 유입되는 액체)가 감지 챔버(37)로 유입되는 것을 방지한다. 이와 같이, 감지 챔버(37)는, (대기로 개방될 수 있는) 액체 포집 채널(32)의 형태로, 공급 포트(34) 및 폐기물 포집 저장소로부터 격리된다. 더 나아가, 샘플 입력 포트(33)를 밀봉하는 플러그(33A)의 제공에 의해 감지 챔버(37)는 완전히 격리된다. 플러그(33A)는 또한 추가적인 목적을 제공할 수 있다: 플러그가 제거되는 경우, 입구(38)에 '흡입부'를 생성하여 플러그(33A)가 제거됨에 따라 포트(33)가 습윤되는(이에 따라, 샘플 유체를 수용할 준비가 됨) 것을 보장할 수 있다. 이와 같이, 플러그(33A)는 프라이밍 작용을 제공한다. 프라이밍 작용은 액체 포집 채널(예를 들어, 간접적으로 유체를 감지 챔버(37)로 변위시켜, 결국 입구(38) 및 포트(33)로 변위됨) 또는 별도의 프라이밍 저장소(아래의 예 참조)로부터 유체를 흡입시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 밸브(31)는 이중 기능을 제공한다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브(31)는 활성화 시스템을 작동시키는 상태로 구성될 수 있다. 활성화 시스템은 액체 출구(39)와 액체 포집 채널(32) 사이의 유로(및 또한 공급 포트(34)와 감지 챔버(37) 사이의 유로)를 완료할 수 있다. 또한, 아래에서 보다 상세히 논의될 바와 같이, 이러한 활성화는 센서 챔버(37)에서 액체를 배출하지 않고 발생한다. 즉, 센서(37)는 활성화 후에 가스 또는 가스 / 액체 인터페이스에 노출되지 않은 상태로 유지된다. 도 2의 예에서, 이는 밸브 시트(31A) 내에서 밸브(31)를 (도시된 방향으로부터) 90°만큼 회전시킴으로써 달성된다. 이는 액체 출구(39)와 액체 포집 채널(32) 사이뿐만 아니라 완충액 입력 포트(34)와 감지 챔버(37) 사이의 밸브 완료 유로 중단부(36)의 채널(31B)로 이어진다. 그 활성 상태에서, 액체가 완충제 공급 포트(34)(여기서, '퍼지 포트'로도 지칭됨)로부터 감지 챔버(37)를 통해 액체 포집 채널(32)로 유동할 수 있다. 그러나, 이러한 유동은 도 5a-f와 관련하여 더 상세히 후술될 바와 같이 자유롭게 발생하지 않는다.
그 결과, 감지 챔버(37)는, 밸브(31)가 도 2에 도시된 위치로 바뀌기 전에, 완충제와 같은 조건화 액체로 미리 채워질 수 있다. 조건화 액체의 유형은 본 발명에 따라 특별히 제한되지 않지만, 센서(35)의 특성에 따라 적합해야 한다. 플러그(33A)가 삽입되었고 기포가 없도록 센서 챔버(37)가 적절하게 채워진 것으로 가정하면, 잠재적으로 센서에 손상을 줄 수 있는 가스/액체 인터페이스와 센서가 접촉할 기회는 없다. 이와 같이, 장치(30)는 센서 자체를 손상시킬 염려 없이 견고하게 취급될 수 있다.
도 4a는 도 2에 대응하는 장치(30)의 개략도를 도시하고 있다. 도 4에서, 유체 채널은 간단히 선으로 도시되어 있다. 또한, 밸브(31)는 감지 챔버(37)의 상류 및 하류에 2개의 개별 밸브(31)로서 도시되어 있다. 이는 명확성을 위한 것이지만, 일부 실시예에서는 도시된 바와 같이 2개의 개별 밸브(31)를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
도 4b는 도 4a의 장치를 통한 유로에 따른 개략적인 단면을 도시하고 있다. 이는, 유로가 도 4b에 도시된 방식으로 선형이 아닐 수 있다는 점에서, '실제' 단면이 아닐 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 개략도는 장치(30)에서 액체에 이용 가능한 유로를 이해하는 데 유용하다. 특히, 상류 완충제 공급/퍼지 포트(34)는 상류 밸브(31)에 의해 감지 챔버로부터 분리된 것으로 볼 수 있다. 또한, 하류 브리더 포트(58)는 하류 밸브(31)에 의해 감지 챔버(37)로부터 분리된 것으로 볼 수 있다. 이와 같이, 감지 챔버(37)는 유체로 채워지고 상류 및 하류 포트(34, 58)로부터 격리될 수 있음은 확실히 명백해진다. 또한, 샘플 입력 포트(33) 위에 밀봉부를 제공함으로써, 감지 챔버는 완전히 격리될 수 있다.
또한, 도 4a 및 4b에 제시된 특징부의 규모를 고려하는 것이 유익하다.
퍼지 포트(34) 및 샘플 입력 포트(33)는 장치(30)로 전달될 유체를 수용하도록 구성되므로 유사한 디자인일 수 있다. 일부 실시예에서, 포트(33 및/또는 34)는 액체를 포트로 유입시키기 위해 액체 전달 장치, 예를 들어 피펫 팁의 사용을 수용하도록 설계될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 두 포트는 약 0.4 내지 0.7 mm의 직경을 가지는 데, 이에 의해 포트 내로 유체를 위킹시킬 수 있으면서 장치(30)가 액체를 자유롭게 배출할 수 있는 가능성을 제한한다(보다 상세히 후술됨). 이에 반해, 하류 브리더 포트(58)의 크기는 액체 전달 장치(예를 들어, 피펫)를 수용하거나 액체를 전달하기 위해 일상적인 용도로 의도되지 않기 때문에 덜 중요하다.
센서의 크기는 다양하며 센서에 제공된 감지 요소, 예를 들어 나노포어 또는 이온 선택적 전극의 유형 및 수에 따라 좌우된다. 센서(35)의 크기는 약 8 x 15 mm일 수 있다. 전술한 바와 같이, 나노포어를 갖는 멤브레인을 포함하는 미세한 표면 기학학 구조를 갖는 감지 채널의 어레이일 수 있다.
장치(30)의 '포화 용적'은, 플러그(33a)가 존재할 때, 즉 간단한 입력 포트(33)를 밀봉하기 위해, 액체가 채워지고 주변으로부터 밀봉되고 격리될 수 있는 밸브(31)(하나의 밸브는 액체 출구(39)와 액체 포집 채널(32) 사이의 유동을 제어하고 다른 밸브는 완충액 입력 포트(34)와 감지 챔버(37) 사이의 유동을 제어함) 사이를 연결하는 용적, 예를 들어 유로 용적이고, 밸브(31)는 폐쇄 상태로 구성된다. 일 실시예에서, 포화 용적은 약 200 μl일 수 있으며, 이는 본원에 설명된 장치에서 유로의 디자인에 따라 달라질 수 있다. 그러나, (예를 들어, 필요한 샘플의 크기를 줄이기 위해) 더 작은 용적이 바람직하고, 바람직하게는 포화 용적은 20 μl 이하이다. 다른 구성에서, 퍼지 포트(34)(및 감지 챔버(37)에 유로의 연결)의 제공은 필요하지 않을 수 있으며, 이 경우 포화 용적은 밀봉된 샘플 입력 포트(33)로부터 감지 챔버(37)로 그리고 액체 출구(39)를 지나 유로 중단부(36)로 연장될 것이다.
이에 반해, 액체 포집 채널(32)은, 여러 번의 검사 및 플러싱 사이클에 걸쳐 포화 용적으로부터 배출된 액체를 포집할 수 있는 포화 용적보다, 훨씬 더 큰 용적, 예를 들어 3배 이상, 예를 들어 4배 이상, 5배 이상, 10배 이상, 또는 15배 이상인 체적을 갖는 것이 바람직하다. 일 실시예에서, 액체 포집 채널(32)은 2000 μl의 용적을 가질 수 있다. 액체 포집 채널의 유압 반경은 통상적으로 4 mm 이하이다.
밸브(31)의 크기는 특별히 중요하지 않다(후술될 바와 같이, 대안적인 유동 채널 중단부가 제공될 수 있음). 이들은 플러그(33a)와 관련하여 포화 용적을 격리시키는 기능을 제공한다.
또한, 활성 상태에서도, 장치는 감지 챔버(37)가 건조되는 것에 저항적이다. 이는, 일 실시예에 따른 감지 챔버(37) 및 예를 들어 도 2 또는 도 4의 장치(30)의 주변 연결부의 개략적인 단면도인 도 5a를 참조하여, 아래에서 논의된다.
도 5a에서, 센서(35)는 감지 챔버(37)에 제공된다. 감지 챔버 액체 입구(38)는 설명의 간략화를 위해 감지 챔버(37)의 상류에 연결된다(즉, 액체 입구(38)는 도 2 및 4에서 위에서 감지 챔버(37)로 진입하는 것으로 도시되어 있지만, 도 5a에서의 위치 변경은 아래의 분석 결과에 영향을 미치지 않음). 도 5a는 액체 입구가 감지 챔버(37)에 도달하기 전 액체 입구의 직경에서의 추가 제한부(38a)를 도시하고 있다. 이는 예를 들어 샘플 포집/제공을 용이하게 하기 위해 입력부(33)가 넓어지기 때문일 수 있다. 감지 챔버(37)의 하류에 액체 포집 채널(32)로의 액체 출구(39)가 있다.
도면에, 여러 매개변수 및 치수가 표시되어 있다. 높이(미터 단위로 측정)는 기호 h로 표시된다. 곡률 반경(미터 단위로 측정)은 기호 R로 표시된다. 관형부의 반경(미터 단위로 측정)은 기호 r로 표시된다. 표면 장력(N/m 단위로 측정)은 기호 γ로 표시된다. 액체 밀도(kg/m3 단위로 측정)는 기호 ρ로 표시된다. 유량(m3/s 단위로 측정)은 기호 Q로 표시된다. 장치(30) 벽과 액체/가스 메니스커스의 접촉각(도 단위로 측정)은 기호 θ로 표시된다. 첨자 "i"는 입구에서의 조건을 나타내기 위해 사용되고, 첨자 "c"는 수축부에서의 조건을 나타내기 위해 사용되고, 첨자 "o"는 출구에서의 조건을 나타내기 위해 사용된다.
도시된 시스템에서 유체의 거동은 유량을 제한하기 위해 모세관 및/또는 라플라스 기포 압력 및 푸아죄유 압력 강하에 의해 제어된다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 메니스커스에서의 모세관 압력은 다음 식을 사용하여 계산될 수 있다:
식 1
Figure pct00001
R 1 및 R 2 는 수직 방향으로의 곡률 반경이다. 모세관과 같은 튜브의 경우에, 곡률 반경 R 1 은 곡률 반경 R 2 와 동일하며, 곡률 반경은 다음 식으로 튜브의 반경과 관련된다:
식 2
Figure pct00002
또한, R 1 이 R 2 와 동일하지 않은 직사각형 채널에서, 곡률 반경은 다음 식에 의해 주어진다:
식 3
Figure pct00003
a는 예를 들어 직사각형 섹션의 폭이고, b는 직사각형 섹션의 높이이다.
비압축성 뉴턴 유체의 경우, 직경보다 실질적으로 긴 일정한 원형 단면의 파이프에서 가속되지 않은 층류를 가정하면, 압력 손실은 다음의 하겐-푸아죄유 식으로부터 계산될 수 있다:
식 4
Figure pct00004
μ는 액체의 점도(N.s/m2 단위로 측정)이고, l은 유동이 발생하는 튜브의 길이(미터 단위)이고, r은 튜브의 반경(미터 단위)이다.
마지막으로, 정압은 다음 식에 따라 계산된다:
식 5
Figure pct00005
g는 중력(9.81 m/s2)으로 인한 가속도 이고, h는 유체 칼럼의 높이이다.
도 5b는 장치(30) 내의 유체가 액체 포집 채널(32)로 배출되도록 활성화된 장치(30)가 기울어진 시나리오를 도시하고 있다. 유체가 입구(38)(즉, 샘플 입력 포트(33))로의 개구에 잔류하는지를 고려할 때, 입구(P ci )에서의 모세관 압력은, 자유 배수를 피하기 위해 출구와 동일한 높이가 아닌 입구에 의해 초래되는 수압 차이(도 5b에서 δh로 표시되는 높이 차이 및 하기의 식)뿐만아니라, 출구에서의 모세관 압력과 같거나 커야 한다는 것을 이해할 수 있다. 이는 다음 식에 나와 있다:
Figure pct00006
이러한 식으로부터, 식 1과 2의 조합으로, 자유 배수가 발생하기 전 최대 높이 차이 δh를 추정할 수 있다(입구 및 출구에서 동일한 접촉각 θ를 가정함):
Figure pct00007
관련 변수의 통상적인 값(예를 들어, r i =0.4 mm, r o =3.0 mm, θ=82°, ρ=1000 kg/m3, γ=0.072 N/m)을 대체하면, 약 4 mm의 높이 차이는 입구가 디웨팅(de-wet) 전에 달성될 수 있음을 나타낸다.
이를 더 고려하고, 도 5c에 도시된 바와 같이, 높이 차이가 이러한 임계 값을 초과하면, 입력 포트(33)에서의 메니스커스는 감지 챔버의 입구로 후퇴할 것이다. 메니스커스가 그 입구로부터 분리되기 전의 한계(즉, 가스를 감지 챔버(37) 내로 허용함)에서, 메니스커스는 입구의 반경과 같은 최대 곡률 반경을 가질 것이다(임의의 수축부(38a)는 무시함). 이 경우, 접촉각 θ는 0이 될 것이고, 이에 따라 비배수 시나리오는 다음에 의해 설명된다:
Figure pct00008
한계에서:
Figure pct00009
다시, 전술한 통상적인 값을 사용하면, 이는 감지 챔버의 입구와 하류 메니스커스와 폐기물 출구 사이의 허용 가능한 높이 차이가 36 mm 정도일 수 있음을 나타낸다. 그 결과, 입구 포트(33) 자체가 습윤 상태에서 유지되지 않더라도, 감지 챔버(37)는 비정상적인 양의 기울어짐을 나타낼 수 있는 상당히 큰 높이 차이로 인해 정상적인 사용에서 디웨팅될 가능성이 낮을 것이다.
또한, 감지 챔버가 입구로부터의 낙수에 의해 디웨팅될 가능성은 낮을 것이다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 이전에 고려된 시나리오에 대한 다른 극단적인 경우는 액체가 입구로부터 낙하하기 시작 전의 한계이다. 다시, 이 경우, 메니스커스의 곡률 반경(이번은 다른 방향으로임)은 입구 모세관 자체의 곡률 반경과 동일하다. 이 경우, δh가 입구 메니스커스와 출구 메니스커스 사이의 높이의 차이이고, 출구가 입구로부터의 유동을 촉진하기 위해 상승된다고 가정하면, 비낙수 시나리오는 다음에 의해 설명된다:
Figure pct00010
한계에서:
Figure pct00011
또 다시, 통상적인 값으로 대체하면 최대 허용 가능 δh는 37 mm 정도임을 나타낸다. 또 다시, 이는 사용 시에 정상적인 처리를 위한 용인할 만한 범위 내에 충분히 있게 된다.
그러므로, 위의 분석으로부터, 장치(30)가 비활성 상태에서 활성 상태로 전환되면, 액체 센서(35)는 정상적인 조건에서 습윤 상태로 유지될 것임을 알 수 있다. 또한, 입력 포트(33)가 디웨팅되더라도, 이는 가스/액체 인터페이스에 센서가 노출되는 것을 야기하지 않을 것인 데, 왜냐하면 인터페이스가 감지 챔버(37)의 입구에서 피닝될 가능성이 있기 때문이다.
이러한 안정성이 샘플을 감지 챔버(37)로 전달하는 능력에 영향을 미치는 방법을 고려할 수도 있다. 도 5e에서, '퍼들'로부터 입력 포트(33)로 유체를 위킹하는 첫 번째 극단적인 경우가 고려된다. 이 경우, 유체를 흡입하도록 작용하는 모세관 압력은 입구(길이 l을 가짐)에서의 층류 손실에 의해 균형이 유지된다.
Figure pct00012
통상적인 값(μ = 8.9x10-4 N.s/m2 및 l = 3 mm를 포함)을 적용하면, 25 μl/s의 유량이 도출될 수 있다. 이는, 예를 들어 총 용적이 약 200 μl인 미세유체 장치에서와 같이, 샘플 용적이 낮을 때에 충분하게 된다.
다른 극단적인 경우, 도 5f에 도시된 바와 같이, 샘플은 액적(예를 들어, 손가락으로부터의 피 방울 또는 피펫으로부터의 액적)으로서 입력 포트(33)에 공급될 수 있다. 이 경우, 구동력은 액적에 대한 라플라스 기포 압력이다:
Figure pct00013
1mm 액적의 경우, 압력은 약 144 Pa(통상적인 값 사용)이다. 퍼들 위킹 시나리오와 비교해 볼 때, 2D 근사치는 이것이 약 20배 더 크다는 것을 나타내며, 이에 따라 동일한 점성 항력에 대해 약 500 μl/s의 유량이 예상될 수 있다.
그 결과, 장치(30)는, 예를 들어 액체 포집 채널(32)뿐만 아니라 입구(38) 및 출구(39)의 치수는, 감지 챔버(37)에서 습윤 상태를 견고하게 유지할 뿐만 아니라, 감지 챔버(37) 내로 유체를 흡입하기 위해 용이하게 작동하도록 구성될 수 있음을 알 수 있다. 샘플이 공급되면, 장치(30)는 디웨팅/드레인 드라이되지 않을 새로운 평형 상태로 복귀된다. 즉, 장치(30)는 감지 챔버(37)의 자유 배수를 피하도록 구성된다. 특히, 샘플 입력 포트(33), 감지 챔버 입구(38), 및 액체 포집 채널(32)은 이러한 배수를 피하도록 구성되어, 활성화 시스템이 감지 챔버(37)의 하류에 유로를 완료하도록 작동될 때, 장치(30)가 기울어진 동안에도 센서(35)는 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않은 상태로 유지된다. 달리 말하면, 따라서, 감지 챔버 입구(33) 및 액체 포집 채널(32)은, 유로가 완료될 때에 감지 챔버(37)의 자유 배수를 피하기 위해, 모세관 압력 및 유동 저항의 균형을 유지하도록 구성된다.
감지 챔버 입구와 액체 포집 채널이 모세관 압력과 유동 저항의 균형을 유지하도록 구성되는 방법을 고려하면, 장치가 실제로 작동하는 방법을 고려하는 데 도움이 된다. '활성 상태'로 장치의 프라이밍은 액체 출구와 액체 포집 채널(32) 사이의 유로를 완료함으로써 달성된다. 하류 포집 채널 및 샘플 입력 포트에서의 모세관 압력은 균형을 유지하여, 장치의 활성화 후에 가스는 샘플 입구 포트로 흡입되지 않고 샘플 입력 포트는 검액에 습윤 표면을 제공한다. 액체 포집 채널에서의 모세관 압력이 샘플 입력 포트에서보다 높을 경우, 완충액이 포집 채널로 흡입된 상태에서 활성화 후 장치에서 배수될 수 있다.
장치의 활성화 후 및 검액의 첨가 전에, 장치는 평형 상태에 있는 것으로 간주될 수 있는 데, 즉 입력 포트에서의 압력은 하류 포집 채널에서의 압력과 동일하다. 이러한 평형 상태에서, 액체는 감지 챔버에 잔류하고 가스는 입력 포트로 흡입되지 않아서 입력 포트는 장치 내로 유입될 검액에 습윤 표면을 제공한다. 힘의 균형이 감지 챔버가 액체로 채워진 상태로 유지되고 액체가 입구, 출구 및 액체 포집 채널에서 (적어도 부분적으로) 잔류하도록 이루어지게 장치가 구성된다. (액체를 시스템에 추가 또는 제거하지 않고) 액체의 위치를 이동시킴으로써 평형이 방해되면, 해당 평형 상태로 복귀하도록 촉진한다. 액체가 이동되면, 새로운 가스/액체 인터페이스를 생성할 것이다. 따라서, 이러한 힘의 균형과 평형의 회복은 그러한 인터페이스에서의 모세관력에 의해 효과적으로 제어될 것이다.
이상적으로, 힘의 균형은, 활성화 또는 액체의 용적의 추가 후, 액체가 샘플 입력 포트를 채우고 습윤 표면을 제공하도록 이루어진다. 그러나, 샘플 입력 포트에 습윤 표면을 제공하기 위하여 활성화/관류 후에 일부 조정이 필요할 수 있다. 어떤 경우에도, 입구 포트는, 포트에 검액을 첨가한 후, 입력 포트에서의 모세관 압력이 하류 포집 채널에서의 모세관 압력보다 낮도록 구성된다. 이는 검액을 장치 내로 흡입시키기 위한 구동력을 제공하여, 액체는 감지 챔버로부터 액체 포집 채널로 변위된다. 이는 샘플 입력 포트와 액체 포집 채널에서의 압력이 한 번 더 평형 상태에 도달할 때까지 계속된다. 이러한 구동력은 식 1로 나타낸 바와 같이 입력 포트에 적용된 액체의 용적의 형상 변화에 의해 제공될 수 있고, 도 5f에 도시된 바와 같이 특정 곡률 반경을 갖는 포트에 적용된 유체의 용적은 포트 내로 '붕괴'되어, 유효 곡률 속도를 감소시키고 라플라스 압력을 공급한다(예를 들어, 해당 용적이 장치에 도입됨에 따라 시간의 감소가 이루질 것인, 검액의 용적의 압력의 헤드로 인해, 전체 구동 압력의 다른 구성요소가 있을 수도 있음). 액체 입구 직경은 액체 포집 채널의 직경보다 작은 것이 유리하여, 유체가 입력 포트에 그리고 센서 위에 위치되고 액체가 가스에 의해 분리된 불연속 상과 반대로 연속 상으로 장치 내에 존재한다.
완충액을 감지 챔버로부터 더 변위시키기 위하여 샘플의 추가 용적이 장치에 후속적으로 적용될 수 있다. 이는 완충액이 센서 챔버에서 센서로부터 제거되고 검액으로 교체되도록 여러 번 반복될 수 있다. 센서로부터 완충액을 완전히 변위시키는 데 필요한 횟수는 장치의 내부 용적, 적용되는 테스트 샘플의 용적, 및 달성될 수 있는 구동력의 정도에 의해 결정될 것이다.
따라서, 본 특정 실시예에서, 검액은 장치 내로 흡입되고, 사용자가 추가적인 양압을 가할 필요없이, 예를 들어 피펫을 사용하여 완충액을 변위시킬 수 있다. 이는 장치에 검액의 적용을 단순화시키는 이점이 있다. 놀랍고도 유리하게, 본 발명은 '습윤 상태'로 제공될 수 있는 장치를 제공하고, 액체는 장치에 다른 액체를 단순히 적용함으로써 장치로부터 변위될 수 있다.
또한, 위의 분석은 선형 구성만을 고려한다. 도 6은 대안적인 구성의 미세유체 장치(30)의 일 예의 개략적인 평면도이다. 이러한 구성에서, 챔버(37)로부터 출구(39)의 하류에 있는 폐기물 포집 채널(32)은 비틀림 또는 구불구불한 경로로 제공되어 샘플 입력 포트(38)로부터 정의된 최대 반경 내에서 채널(32)을 유지시킨다. 이러한 구성을 통해, 하류 메니스커스의 최대 거리를 최대 반경 내에서 유지하면서 폐기물 포집 채널(32)의 길이(이에 따른 용적)가 길게 된다. 그 최대 허용 반경은 입력 포트(38)와 하류 메니스커스 사이의 허용 가능한 높이 차이에 의해 좌우되어, 센서 챔버(37) 배수를 야기하지 않는다. 달리 말하면, 순수한 선형 어레인지먼트는 메니스커스가 일정량의 사용 후 최대 허용 높이 차이에 도달하게 할 수 있지만, 구불구불한 어레인지먼트에서 메니스커스는 입력 포트(33)에 더 가깝게 다시 전환되어 임계 조건에 도달하지 않는다. 즉, 구불구불한 어레인지먼트는 하류 메니스커스를 입력 포트에 더 가깝게 유지시키기 때문에, (채널의 치수가 변하지 않고 채널의 경로만 가정할 때 하류 채널 내의 어느 정도의 액체에 대해) 동일한 높이 차이를 얻기 위해서는 더 큰 경사각이 필요하다.
또한, 샘플 입력 포트(33)가 디웨팅되더라도, 장치(30)는 시스템을 활성 상태에서 다시 프라이밍하도록 작동 가능할 수 있다. 도 2 및 4의 예에서, 추가 액체는 샘플 입력 포트(33)를 통해 직접 입구(38)에 공급될 수 있다. 대안적으로, 재습윤은 출구(39) 및 감지챔버(37)로부터 입구(38) 및 샘플 입력 포트(33)로 액체를 다시 흡입시킴으로써 촉진될 수 있다. 다른 대안은 완충제 공급 포트(34)를 통해 추가 유체를 제공하는 것이다.
그러나, 다른 실시예에서, 도 2의 실시예의 밸브(31)의 하류부는 생략될 수 있고 다른 형태의 유로 중단부로 교체될 수 있다. 예를 들어, 하류 폐기물 채널(32)은 표면 처리부(예를 들어, 어느 정도 소수성)에 의해 포화 용적으로부터 격리될 수 있으며, 이는 프라이밍 또는 플러싱 작용에 의해 개시된 강제적인 흐름에 의해 중단부가 제거될 때까지 상류 액체에 대한 배리어를 효과적으로 형성할 수 있다. 이러한 표면 처리부는 효과적으로 소수성 밸브일 수 있다. 실제로, 중단부(36)는 활성화 시스템에 의해 제거되거나 극복될 수 있는 임의의 유동 장애물일 수 있다.
도 7 및 8은 본원에 설명된 장치의 예시적인 실시예이다.
도 7은 샘플을 입력 포트(33)에 제공하기 위해 피펫(90)이 사용되는 장치(30)를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 포트(33)는 감지 챔버(37)에서 센서 위 중앙에 제공된다. 이러한 예 및 도 8의 예에서, 도 2에 도시된 유형의 밸브(31)(즉, 샘플 챔버(37)에 대해 상류 및 하류 채널 모두를 개폐하는 단일 밸브)가 제공된다.
도 8에서, 장치(30)의 주요 이미지는 샘플 입력 포트 상에 플러그 또는 밀봉부(33A)의 존재를 보여주고 있다. 확대된 이미지는 플러그(33A)가 제거되어 아래의 샘플 입력 포트(33)가 노출된 것을 보여주고 있다. 이러한 예에서, 샘플 입력 포트(33)는 센서(35)를 포함하는 챔버(37)의 최상류단에 제공된다. 이는, 상류 퍼지 포트(58)가 폐쇄된 활성화된 상태에서 샘플 챔버 하류에 이미 완충액을 변위시키도록(즉, 폐쇄된 퍼지 포트(58)로 인해, 상류 변위는 없음) 포트(33)를 통해 샘플을 강제함으로써 샘플 챔버(37)가 신속하게 채워질 수 있기 때문에, 유리하다.
(즉, 도 8에 예시된 바와 같이) 본 발명의 미세유체 장치(30)의 일부 작동 시나리오가 이제 논의된다.
제1 구성에서, 밸브(31)는 샘플 포트(33)와 같이 개방된다(즉, 플러그(33A)는 존재하지 않음). 퍼지 포트/완충제 공급 포트(34)는 폐쇄된다. 이러한 구성에서, 피펫은 브리더 포트(38)에서 사용되어 샘플 셀을 포함한 모든 액체를 방출시킬 수 있다. 대안적으로, 액체가 이러한 포트에 공급되면, 폐기물 저장소(32)를 통해 센서 챔버(37) 내로 그리고 샘플 포트(33)의 밖으로 유체를 변위시킬 것이다.
다른 구성에서, 밸브(31) 및 샘플 입력 포트(33)는 개방되고 브리더 포트(58)는 밀봉된다. 이러한 시나리오에서, 피펫은 유체를 퍼지 포트(34) 내로 제공할 수 있으며, 이는 유체를 셀을 통해 샘플 챔버(37) 내로(즉, 포화 용적을 통해) 그리고 저장소(32) 내로 하류로 강제할 것이다. 이는 또한 샘플 입력 포트(33)가 디웨팅되어 있으면 습윤되게 할 것이다. 대안적으로, 피펫이 액체를 배출하는 데 사용되면, 센서 챔버 및 장치의 상류부에서 배수될 수 있다.
다른 구성에서, 밸브(31), 퍼지 포트(34), 및 브리더 포트(58)는 모두 개방된다. 이러한 구성에서, 샘플을 센서 챔버로 제공하기 위해 피펫은 샘플 입력 포트(33)에 공급될 수 있다. 대안적으로, 피펫이 샘플 입력 포트(33)로부터 액체를 배출하기 위해 적용되면, 센서 챔버(37)에서 배수될 수 있다. 이것이 천천히 이루어지면, 폐기물 저장소(32)로부터 액체를 다시 흡입할 수도 있다.
다른 시나리오에서, 밸브(31) 및 퍼지 포트(34)는 개방되지만, 브리더 포트(58)는 폐쇄된다. 이러한 시나리오에서, 필요하다면, 샘플 입력 포트(33)를 통해 유체를 적용하여 퍼지 포트(34)로부터 유체를 강제로 방출할 수 있다. 대안적으로, 샘플 입력 포트(33)로부터 액체를 추출하면 퍼지 포트를 통해 셀로 공기를 흡입할 것이다.
다른 구성에서, 밸브(31) 및 브리더 포트(58)는 개방되지만, 퍼지 포트(34)는 폐쇄된다. 이러한 시나리오에서, 샘플 입력 포트(33)에 공급된 유체는 퍼지 포트로부터 유체가 유출되지 않고 보다 신속하게 셀 내로 밀려질 수 있다. 대안적으로, 이러한 시나리오에서 샘플 입력 포트(33)로부터 유체를 추출하면 신속하게 수행되는 경우에 셀 및 하류 폐기물에서 배수될 것이다.
추가적인 두 구성에서, 밸브(31)는 폐쇄된다. 일부 구성에서, 폐쇄 밸브(31)는 상류 퍼지 포트(34)를 하류 폐기물 저장소(32)에 연결하고 동시에 감지 챔버를 격리시킬 수 있다(즉, 도 2의 어레인지먼트에서, 상류 퍼지 포트(34)는 하류 폐기물(32)에 이처럼 연결되지 않지만, 밸브 채널(31B)의 길이를 증가시키면 이러한 연결을 초래할 수 있음). 이러한 연결이 이루어지는 경우, 브리더 포트(58)로부터 폐기물을 채우거나(즉, 이에 따라 임의의 액체가 퍼지 포트(34)로부터 유출됨) 또는 퍼지 포트(34)로부터 폐기물을 채울 수 있다(즉, 이에 따라 임의의 액체가 브리더 포트(58)로부터 유출됨). 또한, 퍼지 포트(34) 또는 브리더 포트(58) 중 어느 하나(다른 포트는 개방된 것으로 가정함)로부터 액체를 방출함으로써 폐기물이 비워질 수 있다.
도 9는 장치(90)의 일부의 샘플 입력 포트(92)로부터 연장되는 가이드 채널(91)의 예시적인 디자인을 도시하고 있다. 가이드 채널은 포트로부터 외측으로 테이퍼지고 채널에 적용된 피펫 팁(100)을 샘플 입력 포트로 안내하는 역할을 한다. 가이드 채널은 또한 샘플 입력 포트를 향해 하향 경사져 피펫 팁이 포트로 이동하는 데 도움이 된다. 피펫 팁이 샘플 입력 포트로 안내되면, 사용자는 액체 샘플을 피펫 팁으로부터 포트에 적용할 수 있다. 칼라(93)는 채널의 영역을 구분하고 샘플 입력 포트에 직접 적용된 피펫 팁을 위한 지지체로서 작용하는 역할을 한다. 예를 들어 직경이 1mm 이하일 수 있는 포트의 치수로 인해, 사용자가 피펫 팁을 샘플 입력 포트 자체에 직접 위치시키기가 어려울 수 있다. 외측으로 테이퍼지는 채널 영역은, 필요한 경우, 사용자가 피펫 팁을 위치시켜 샘플 입력 포트로 안내하기 위해 더 큰 목표 영역을 제공한다.
도 11은 도 10과 유사한 장치를 도시하고 있다. 장치(200)는 장치(200)의 베이스를 이루는 제1 구성요소(210)를 가지며, 제2 구성요소(220)는 베이스 구성요소(210)에 대해 삽입 및 제거될 수 있다. 베이스 구성요소(210) 자체는 다수의 구성요소(211, 212)로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 구성요소(210, 220)는 각각 제1 및 제2 구성요소(210, 220)가 연결될 때 서로에 대한 연결부를 이루는 각각 전기 커넥터의 어레이를 갖는다. 이에 의해, 다수의 제2 구성요소는 단일의 베이스 구성요소(210)와 함께 사용될 수 있다. 제2 구성요소(220)의 몸체는 통상적으로 탄성도를 갖는 플라스틱 재료로 이루어진다. 플라스틱 재료는 예를 들어 폴리카보네이트일 수 있다.
도 11의 제2 구성요소(220)는 미세유체 장치, 즉 플로우 셀이다. 플로우 셀(220)은 도 12 및 13에 사시도로 도시되어 있다. 도 12는 위에서 본 모습을 도시하고 있고, 도 13은 아래에서 본 모습을 도시하고 있다. 도 13에서, 커넥터의 어레이(미도시)는 센서(235)의 하부를 형성한다. 도 11의 베이스(210)는 플로우 셀(220) 상의 어레이에 연결하기 위한 대응하는 전기 커넥터의 어레이를 가질 수 있다.
도 14는 플로우 셀(220)을 통한 개략적인 단면을 도시하고 있다. 센서(235)는 감지 챔버(237)에 제공된다. 액체(예를 들어, 검사될 완충액 또는 샘플)는 입구 채널(261)을 통해 감지 챔버에 공급될 수 있다. 유사하게, 액체는 출구 채널(262)을 통해 감지 챔버에서 방출될 수 있다. 입구 채널(261) 및 출구 채널(262)은 개별 채널이어서, 입구 채널(261)로부터 출구 채널(262)로 감지 챔버(237)를 통해 유체의 연속적인 유동을 가능하게 한다.
플로우 셀(220)은 장치를 통한 유로가 양호한 액체 보유 특성을 갖는 재료로 이루어지도록 구성될 수 있다. 즉, 재료는 실질적으로 액체 불투과성이고 비다공성일 수 있다. 이는 특히 활성화 전에 습윤 용적을 포함하는 상류부, 즉 입구 채널(261), 챔버(237), 및 출구 채널(262)을 포함하는 부분에 적용된다. 후술될 브리징 채널과 같은 하류부는 활성화 후까지 유체에 노출되지 않기 때문에 그러한 높은 액체 보유 특성을 필요로 하지 않는다. 어떠한 경우에도, 적합한 배리어 재료의 예로는 선명도가 높은 강성인 사이클릭 올레핀 공중합체(COC) 또는 사이클릭 올레핀 중합체(COP)를 포함한다. 다른 적합한 재료로는 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP) 기반 재료를 포함하지만, 투명하기보다는 부드럽고 반투명하다. 그러나, 플로우 셀(220)은 하부 배리어 재료(선택적으로, 장치 패키징의 일부로서 2차 배리어와 결합됨)로 이루어진 추가 코팅부, 공압출부, 적층부, 또는 부분을 포함할 수도 있다. 즉, 유로의 표면은 양호한 액체 보유 특성을 갖는 재료로 이루어질 수 있고, 주변 재료는 상이할 수 있다.
입구 채널(261)은 샘플 입력 포트로서 플로우 셀(220)에 작용하는 저장소(233)와 연통한다. 다시 말해서, 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, (제1 밀봉부(251)가 제거 될 때, 하기 참조) 저장소(233)는 플로우 셀(220)의 주변으로 개방된다. 이를 통해, 사용자는 플로우 셀(220)의 활성 상태에서 검사될 샘플을 저장소(233)에 배치할 수 있다. 큰(예를 들어, 직경 5 mm) 포트(233)를 제공함으로써, 사용자는 가스를 플로우 셀(220) 내로 유입시키지 않고 샘플을 입력 포트(233)에 용이하게 제공한다.
즉, 포트(233)의 기하학적 구조는 비활성화된 상태 동안(밀봉부(251, 252)가 제거되기 전에, 하기 참조) 저장소를 제공하도록 이루어진다. 또한, 활성화된 상태 동안 플로우 셀로 흡입 될 수 있는 것보다 더 빠르게 샘플이 추가되면 또는 추가될 때 순간적으로 저장소를 제공할 수 있다.
일단 활성화되면, 유체 경로의 샘플 입구단에서의 액체/공기 인터페이스는 입구 채널(261)과 포트/저장소(233) 사이의 코너에서 정지하도록 바이어싱된다. 유체 경로의 타단에서의 액체/공기 인터페이스는 그 위치가 유체의 용적에 의해 정의되면서 폐기물 채널(232)을 따라 자유롭게 안착된다. 모세관 작용으로 인해, 이는 증발이 발생하는 액체/공기 인터페이스에 관계없이 셀 유체가 증발하는 경우에도 그대로 유지되고 - 유체 용적이 감소함에 따라 폐기물 단부가 수축되면서 샘플 입구단에서의 인터페이스는 정적 상태에서 유지된다.
플로우 셀(220)에 샘플을 추가하기 위해, 사용자는 샘플 입구단에서(즉, 입구 채널(261)과 포트/저장소(233) 간의 전이에서) 액체/공기 인터페이스와 샘플을 오로지 접촉시켜야 한다. 이는 직접적으로 이루어질 수 있거나, 또는 포트(233)를 위한 저장소 형성 영역에 샘플을 추가해서 샘플이 인터페이스를 향해 (예를 들어, 중력 흐름 하에서) 이동하여 인터페이스와 접촉함으로써 이루어질 수 있다. 샘플 입구 포트(233)는 액적 직경보다 큰 입구 직경을 가지며 유리하게 접시 형상일 수 있다. 따라서, 액적이 장치에 추가되어, 중력에 의해 접시의 바닥으로 이동할 수 있고 샘플 입구 포트와의 인터페이스에서 입구 채널(261)의 상부에서의 유체와 접촉할 수 있다. 샘플 입구 포트(233)의 테이퍼진 측면에 의해, 액적은 입구 채널에 집중되고 공극 형성을 방지함으로써 플로우 셀 내로 가스의 유입을 최소화시킨다. 샘플 입구 포트(233)는 접시 형상과 다른 형상, 예를 들어 얕은 원추형일 수도 있다.
샘플의 추가는 샘플 유체(291), 플로우 셀 몰딩(292), 센서(293), 및 셀 유체(294)를 도시하고 있는 도 18에 추가로 예시되어 있다. 밀봉 표면(295)은 샘플 액적 반경(297)보다 큰 반경을 갖는 샘플 포트 개구/저장소(296)를 갖는다. 이는 샘플 유체(291)가 개구를 메우고 유체 인터페이스 사이의 공기 공극을 막는 대신에 셀 유체 공기 인터페이스(298)와 접촉하게 한다. 셀 유체 공기 인터페이스(298)는 제조 시 몰드 도구의 셧아웃 표면에 의해 형성된 날카로운 원형 에지(299)에서의 피닝으로 인해 모세관 작용에 의해 전이점(298)에서 정지하도록 바이어싱된다. 셀 유체 공기 인터페이스(298)가 에지(299)로부터 강제적으로 멀어지면, 에지(299)를 향한 표면(284 및 285)의 테이퍼는 셀 유체 공기 인터페이스(298)를 에지(299)로 다시 복귀시키기 위한 작용을 하는 모세관력을 증가시킨다. 셀 유체 공기 인터페이스(298)가 에지(299)로부터 강제적으로 멀어지는 극단적인 경우, 에지(286)에서의 피닝은 공기가 센서(293)를 향해 더 흡입되는 것에 저항하도록 라플라스 기포 압력을 추가한다.
저장소(233)는 플로우 셀(220)의 상면에 있기 때문에, 감지 챔버(235) 위에 있다. 그러나, 이는 직접적인 면에서(즉, 저장소가 감지 챔버 바로 위에 있을 필요가 없음) 또는 절대적인 면에서(즉, 저장소가 감지 챔버보다 더 높은 위치일 필요가 없음) 필요하지 않는 데, 왜냐하면 액체는 후술될 바와 같이 모세관 흐름에 의해 장치를 통해 흡입되기 때문이다. 저장소(233)는 감지 챔버(237)와 동일한 높이 또는 그 아래에 위치될 수 있다.
플로우 셀(220)에는 또한 폐액 포집 채널(232)이 제공된다. 사용 시, 출구 채널(262)을 통해 센서 챔버(237)에서 유출되는 액체는 포집 채널(232)에 의해 수용된다.
그러나, 유동 배리어(231)가 출구 채널(262)과 포집 채널(232) 바로 사이에 있다. 유동 배리어(231)는 출구 채널(262)을 포집 채널(232)로부터 분할하는 벽이다. 다시 말해서, 배리어(231)가 없는 경우, 출구 채널(262)로 끝나는 배리어(231) 상류의 유로 및 포집 채널(232)로 시작하는 배리어(231) 하류의 유로는 서로 직접 연결될 수 있다. 배리어(231)(이에 따른 출구 채널(262)의 단부)는 도시된 구성에서 감지 챔버(237)의 높이 위로 상승한다. 그러나, 이는 후술될 바와 같이 액체가 모세관 흐름에 의해 장치를 통해 흡입되기 때문에 필요하지 않다.
활성 또는 활성화된 상태에서, 액체는 배리어(231)를 통과하여 폐기물 포집 채널(232)로 통과할 수 있다. 그러나, 도 14에 도시된 바와 같이, 플로우 셀은 비활성 상태에 있다. 이러한 상태에서, 제1 밀봉부(251)는 샘플 입력 포트(233)를 커버하고, 제2 밀봉부(252)는 감지 챔버 출구 채널(262)의 단부를 커버한다. 예시된 실시예에서, 제1 및 제2 밀봉부(251, 252) 양자는 동일한 전체 밀봉 요소(250)의 일부로서 제공된다. 도시된 바와 같이, 전체 밀봉 요소(250)는 또한 비활성 상태에서 폐기물 포집 채널(232)의 입구를 커버할 수 있다. 밀봉 요소(250)는 표면보다 다소 친수성인 접착제에 의해 플로우 셀(220)의 표면에 부착될 수 있다. 특히, 이러한 접착제는 제1 및 제2 밀봉부(251, 252)가 제거될 때 뒤에 남겨져서, 표면에 유리한 습윤 특성을 부여할 수 있다(예를 들어, 저장소(233)로부터의 액체의 유동을 방해하거나 브리징 채널(241) 내로의 액체의 유동을 촉진함, 이는 후술될 것임).
출구 채널(262)의 단부 및 폐기물 포집 채널(232)의 입구는 활성 상태에서 배리어 커버(240)를 통해 배리어(231) 위에 연결될 수 있다. 배리어 커버(240)는 출구 채널(262)과 포집 채널(232)을 연결하기 위한 브리징 채널(241)을 포함할 수 있으며, 이는 더 상세하게 후술된다.
밀봉 요소(250)는 릴리스 라이너 섹션(253)을 더 포함할 수 있다. 릴리스 라이너(253)는 제2 밀봉부(252)에 부착된다. 릴리스 라이너(253)는 제2 밀봉부(252)를 지나 연장될 수 있고(도시된 바와 같이, 배리어 커버(240) 아래로 더 연장됨), 또한 핸들부(254)를 포함하도록 밀봉부로 되돌아갈 수 있다.
이러한 어레인지먼트에서, 핸들(254)을 당기는 것은 밀봉부(251 및 252) 양자를 제거하는 간단한 방법을 제공한다. 즉, 핸들(254)을 당김으로써, 밀봉부(252)가 또한 동일한 방향으로 다시 밀려짐에 따라 릴리스 라이너(253)는 배리어 커버(240) 아래에서부터 뒤로 당겨진다. 이러한 방식으로, 제2 밀봉부(252)의 하측에 잔류하는 임의의 접착제는 벗겨지고 노출됨에 따라 배리어(240)와 접촉하지 않지만, 동시에 제2 밀봉부(252)를 갖는 배리어 커버(240) 아래에서부터 뒤로 당겨짐에 따라 릴리스 라이너(253)에 의해 대신에 커버된다. 핸들(254)이 더 당겨짐에 따라, 제1 밀봉부(251)도 샘플 입력 포트(233)로부터 제거된다.
배리어 커버(240)는 튀어나와서, 플로우 셀(220)의 본체를 향해 가압되는 것이 바람직하다. 도 12에 도시된 바와 같이, 배리어 커버(240)는 볼트 또는 스크류(245)와 같은 고정 수단에 의해 제자리에 바이어싱될 수 있다. 다른 어레인지먼트에서, 배리어 커버(240)는 유체 채널을 형성하는 몸체와 단일 피스로서 형성될 수 있다. 어느 어레인지먼트에서든, 제2 밀봉부(252)가 제거된 후 커버(240)가 밀봉부(252) 아래의 노출 표면에 대해 조정되고 견딜 수 있도록 커버(240)는 가요성일 수 있다.
그 결과, 밀봉 요소(250)가 제거될 때, 배리어 커버(240)의 브리징 채널(241)은 출구 채널(262)과 폐기물 포집 채널(232) 사이에 연결 채널을 형성하도록 제자리에 가압된다. 브리징 채널(241)은, 출구 채널(262)과 폐기물 포집 채널(232) 사이에 양호한 밀봉부를 보장하기 위해, 도 15에 도시된 바와 같이 개스킷(244)에 의해 둘러싸일 수 있다. 그러나, 브리징 채널(241)의 둘레 주위에 유체의 피닝을 통해, 개스킷없이 밀봉부가 생성될 수도 있다. 대안적으로, 배리어 커버(240)는 스프링 재료(예를 들어, 금속 또는 적절한 플라스틱 재료)로 이루어진 본체를 가질 수 있지만, 브리징 채널(241)은 엘라스토머 재료와 같은 밀봉부를 용이하게 만드는 다른 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 재료는 예를 들어 Kraiburg TPE GmbH & Co (Waldkraiburg, Germany)로부터의 써모라스트 K TF2 ATL과 같은 열가소성 엘라스토머(TPE), 실리콘, 열가소성 가황물(TPV), 또는 열가소성 폴리우레탄(TPU)일 수 있다. 이는 개스킷을 브리징 채널(241)에 효과적으로 통합시킨다.
그러므로, 일단 밀봉 요소(250)가 제거되면, 플로우 셀(220)을 통한 연속적인 유로는 포트(233)로부터 입구 채널(261)을 통해 센서 챔버(237)로, 그 후 출구 채널(262)로 그리고 브리징 채널(241)을 통해 폐기물 포집 채널(232) 내로 형성된다. 배리어(231)의 양측의 상류부와 하류부 사이에서 이러한 유로의 완료는 플로우 셀(220)을 "활성 상태"로 만든다. 즉, 활성 상태는 액체가 입력 포트(233)로부터 센서 챔버를 통해 폐기물 포집 채널(232) 내로 통과할 수 있는 상태이다. 브리징 채널(241)은 액체가 포집 채널(232)로부터 출구 채널(262)로 통과하도록 모세관 치수를 갖는다.
밀봉 요소(250)가 제거되기 전에(이에 따라 제1 및 제2 밀봉부(251, 252)가 여전히 제자리에 있음), 플로우 셀(220)은 "비활성 상태"에 있다. 그 상태에서, 제1 밀봉부(251)로부터 폐쇄형 입력 포트(233), 입구 채널(261), 감지 챔버(232), 및 출구 채널(262)을 통해 제2 밀봉부(252)의 표면에 형성된 밀봉된 유체 용적 또는 "포화 용적"이 존재한다. 다시 말해서, 배리어(231) 상류의 유로는 둘러싸여진다. 비활성 상태에서, 플로우 셀은 샘플 입력 포트(233)에서의 제1 밀봉부(251)로부터 감지 챔버 출구 채널(262)의 단부에서의 제2 밀봉부(252)까지 액체로 채워진다. 완충액과 같은 액체로 채워진 그러한 용적을 가짐으로써, 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 센서(235)가 노출되는 것이 방지된다. 이는 결국, 예를 들어 나노포어가 제공된 임의의 멤브레인과 같은, 센서(235)의 섬세한 구성요소를 보호한다.
플로우 셀(220)이 제1 밀봉부(251)로부터 제2 밀봉부(252)까지 액체로 채워지는 비활성 상태를 제공하는 이점은 플로우 셀이 사용을 위해 준비된 후 센서 어레이를 방해하지 않고 용이하게 운반될 수 있다는 점이다. 특히, 내부 용적으로부터 임의의 가스, 이에 따른 임의의 가스/액체 인터페이스를 배제함으로써, 플로우 셀(220)이 운송 동안 주위로 이동되고 방향이 잠재적으로 변하는 동안에 기포가 센서(235) 표면을 방해할 가능성은 없다.
이에 반해, 밀봉 요소(250)를 제거함으로써 플로우 셀을 "활성" 상태로 구성하면, 샘플은 포트(233)에 첨가될 수 있고 액체는 감지 챔버(237)를 통해 폐기물 포집부(232) 내로 유동할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 감지 챔버(237)에 대한 입력 포트(233) 및 배리어(231)의 어레인지먼트는 활성 상태에서도 액체가 감지 챔버(237)로부터 자유롭게 배출되지 않을 것임을 의미한다. 이는 입력 및 출력 채널(261, 262)의 치수가 모세관력이 유체의 이동을 좌우한다는 것을 의미하기 때문이다.
그렇지만, 밀봉 요소(250)의 초기 제거는 일부 액체가 원래의 포화 용적으로부터, 즉 출구 채널(262)로부터, 브리징 채널 내로 그리고 잠재적으로 폐기물 채널(232) 내로 유동할 수 있게 한다. 다시 말해서, 밀봉 요소(250)의 제거는 장치를 통해 일부 액체를 흡입하는 '프라이밍' 효과를 가질 수 있다. 그러나, 이러한 프라이밍은, 모세관력의 균형으로 인해, 감지 챔버(23)에서 배수되는 결과로 유체의 자유 유동을 초래하지 않을 것이다.
사용 시, 액체는 모세관 작용에 의해 저장소(233)로부터 입구 채널(261)로 흡입된다. 플로우 셀(220)을 통해, 특히 출구 채널(262)로부터 브리징 채널(241) 내로, 유체의 흡입을 돕기 위해, 배리어 커버(240)에는, 예를 들어 프로파일이 원형일 수 있지만 다른 형상도 가능한 돌출부인, 디퍼(242 및 243)가 제공될 수 있다. 제1 디퍼(242)는 배리어 커버(240)로부터 브리징 채널(241)을 통해 출구 채널(262) 내로 연장된다. 제2 디퍼(243)는 배리어 커버(240)로부터 브리징 채널(241)을 통해 폐기물 포집 채널(232) 내로 연장된다. 일부 실시예에서, 출구 채널(262) 내로의 디퍼(242)만이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 폐기물 포집 채널(232) 내로의 디퍼(243)만이 제공될 수 있다. 다른 실시예에서, 도시된 바와 같이, 디퍼(242 및 243) 모두가 제공될 수 있다.
디퍼(242 및 243)는 셀(220)을 통한 액체의 유동 동안에 모세관 작용에 대항할 수 있는 임의의 메니스커스 "피닝"을 극복하는 데 도움이 된다. 다시 말해서, 액체가 출구 채널(262)의 단부에 접근함에 따라, 디퍼는 메니스커스가 출구 채널(262)의 단부에 도달하기 전에 액체 내로 침투한다. 이는 액체를 브리징 채널(241) 내로 계속해서 흡입하는 모세관 작용을 돕는다. 유사하게, 디퍼(243)의 제공은 액체가 액체 포집 채널(232)의 입구에서 메니스커스 피닝을 거치지 않고 유체를 포집 채널(232) 내로 유입하는 것을 돕는다.
브리징 채널(241)로부터 폐기물 포집 채널(232) 로의 유동은 또한 브리징 채널(241)의 단부에 라운드형 코너를 제공함으로써 도움을 받을 수 있어서, 날카로운 에지의 수 및 이에 따른 피닝에 대한 가능성을 감소시킨다. 이러한 라운드형 코너(263)는 도 14에 도시되어 있고, 다운코머(264)(채널 내로 액체의 진행을 도울 수도 있음)의 입구에서의 라운드형 에지도 볼 수 있다. 유사하게, 라운드형 코너(265)는 폐기물 포집 채널(232)의 다운코머(264)(즉, 배리어(231) 옆의 채널(232)의 입구부)와 폐기물 포집 채널(232)의 메인 채널(266) 사이에 제공될 수 있다. 이는 도 15에 예시되어 있다. 라운드형 코너(265)는 채널의 다른 측면에서 날카로운 에지/코너의 반대편에 제공된다. 코너(265)는 라운드형이만, 유동 방향에 수직한 방향으로 채널의 단면은 직사각형일 수 있다. 이러한 조합을 통해, 유체가 흐름에 저항하여 굴곡부 주위에서 진행될 수 있으면서 유체가 날카로운 에지에 피닝될 수 있다. 이는, 하나의 접점이 피닝된 상태에서, 유체가 채널을 따라 진행됨에 따라 유체는 노출된 유체 표면을 "연신"하지 않고(즉, 표면에서 작업을 수행할 필요없이) 곡면과의 고유의 접촉각을 형성할 수 있기 때문이다.
도 16은 하나의 디퍼(242)만이 있는, 도 15의 대안적인 어레인지먼트를 도시하고 있다. 채널이 상부 및 하부 성형 피스 - 플로우 셀 조립체 몰딩 상부(271) 및 플로우 셀 조립체 몰딩 하부(272)로부터 형성되는 방법에 대한 추가 상세가 또한 도시되어 있다. 도면은 밀봉 요소(미도시)가 밀봉 표면(274)으로부터 제거된 후의 구성을 도시하고 있다(주의, 밀봉 표면(274)은 도면에서 좌측에서 우측으로 연속적으로 진행되어 있지만, 포트를 통과하는 특정 섹션에서 명백히 중단되어 있음). 밀봉부(275)는 배리어 커버(240)와 플로우 셀 상부 몰딩(271) 사이에서 이루어져, 셀 출구 채널(262)과 폐기물 입구 채널(232) 사이의 브리징 채널(241)을 둘러싼다. 브리징 채널의 표면(279)은 모세관 작용을 돕기 위해 친수성일 수 있다. 디퍼(242)는, 밀봉 표면(274)을 가로질러 에지(281)에 피닝된 셀 유체 공기 인터페이스와 접촉하는, 배리어 커버(240)의 돌출부에 의해 형성된다. 플로우 셀 조립체 몰딩 하부(272)의 돌출부(282)는 플로우 셀 조립체 몰딩 상부(271)의 포트 내로 연장되지만, 밀봉 표면(274)을 가로지르지 않아서, 밀봉 요소가 밀봉 표면(274)에 대해 편평하게 안착된다. 그러나, 반경(283)은 피닝을 방지하여 셀 유체가 표면(274)을 따라 진행하고 돌출부(282)와 접촉할 수 있다. 유체가 돌출부(282)에서 플로우 셀 조립체 몰딩 하부와 접촉되면, 모세관 작용은 유체를, 플로우 셀 조립체 몰딩 상부 에지(285)에서의 피닝이 채널을 따라 전방으로 유체의 진행에 저항하도록 반경(265)을 갖는, 연속 표면 아래로 흡입한다.
배리어(231) 주위의 유동을 추가로 돕기 위해, 브리징 채널(241) 및/또는 브리징 채널(241)과 대향하는 배리어의 표면에는 적합한 표면 습윤 특성이 제공될 수 있다. 이는 폐기물 채널에 피닝되는 장치를 통한 액체의 유동을 피하기 위해 폐기물 채널에 적용될 수도 있다. 모세관 작용을 촉진하기 위해, 유로 내의 접촉각은 90° 미만인 것이 바람직하다. 그러므로, 논의되는 표면은 물과 90° 이하의 습윤 접촉각을 가질 수 있다. 선택적으로, 표면은, 예를 들어 물과 75° 이하의 습윤 접촉각을 갖는 순수한 물에 비해, 샘플 습윤 특성의 변화를 설명하기 위해 그보다 더 친수성일 수 있다.
그러나, 일부 어레인지먼트에서, 그 결과에 따른 모세관 효과가 입력 포트에서 유체 보유를 극복하고 장치를 통해 액체를 흡입하고 공기 유입을 허용하여 잠재적으로 센서를 노출시키기 위해, 이러한 표면이 지나치게 친수성이 아닌 것이 바람직할 수 있다. 도 5c의 어레인지먼트 및 위에서 논의된 압력의 균형을 고려하면, 최소 기포 반경을 야기하기 위해 입구에서 0의 접촉각이 발생하는 것을 고려할 수 있으며, 이로부터 공기 유입은 폐기물 채널이 입력 포트보다 더 작은 유효 반경을 가질 경우에만(유체 표면이 동일한 높이에 있는 것으로 가정함) 일어날 것을 알 수 있다. 실제로, 폐기물 채널은 입구 포트 크기의 적어도 두배인 유효 반경을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 장치가 항상 편평한 것은 아니므로, 친수성 또는 낮은 접촉각 폐기물 표면의 효과는 장치를 기울이는 결과로 용인될 수 있는 압력의 헤드를 감소시키는 것이다. 그 결과, 접촉각은 선택적으로 물과 10° 이상, 더 선택적으로 20°C 이상이다.
표면 특성은 물리적 또는 화학적 처리에 의해 제어될 수 있다. 이는 생산 시 쉽게 접근 가능하므로 브리징 채널(241)에 특히 적용되지만, 전술한 바와 같이 브리징 채널(241) 및 폐기물 채널과 대향하는 배리어의 표면과 같은 다른 구성요소에도 적용될 수 있다.
물리적 처리 측면에서, 브리징 채널(241)은 소수성의 국소 영역을 극복하기 위해 친수성 표면의 영역을 증가시킴으로써 모세관 효과를 증가시키도록 설계될 수 있다. 즉, 표면적은 편평한/언텍스처드 표면에 비해 증가될 수 있다. 이는, 예를 들어 배리어(231)와 대향하는 표면 상에, 텍스처링에 의해 달성되어, 미세한 거칠기 및/또는 거시적 특징부를 제공할 수 있다. 이러한 거시적 특징부는 예를 들어 필러, 핀 또는, 채널/홈으로서 제공될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 이러한 표면 상에 비주기적이고 비결정적인 패턴이 생성될 수 있다. 이러한 미세한 특징부는 스파크 피니시를 갖는 몰딩 도구로 브리징 채널의 표면을 형성하고 및/또는 표면을 에칭함으로써 제공될 수 있다. 이러한 특징부는 예를 들어 약 0.2 mm 깊이일 수 있다. 이러한 특징부는 브리징 채널(241)을 위한 몰드의 일부로서 제조될 수 있다.
다른 형태의 물리적 처리는 브리징 채널(241)에 물리적으로 다공성 요소를 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 요소는 액체를 브리징 채널(241) 내로 그 후 브리징 채널(241)을 통해 위킹하는 것을 도울 수 있다. 이러한 요소는 브리징 채널(241)을 채울 수 있다. 이러한 요소는, 예를 들어 셀룰로오스로 형성되거나 또는 직물이나 섬유로 제조되는, 스폰지일 수 있다. 일부 실시예에서, 다공성 요소는, 액체가 브리징 채널을 통해 도움을 받으면 그 목적에 기여했을 것이기 때문에, (밀봉부가 제거된 후) 장치를 통해 흐르는 액체에 용해될 수 있다.
화학적 처리의 측면에서, 브리징 채널(241)은 채널의 친수성을 증가시키기 위해 적합한 화학 물질로 코팅될 수 있다. 이러한 화학 물질은, Jonnin(Gørløse, Denmark)로부터의 P100 및 S100과 같은 친수성 성분 층을 뒤에 남기기 위해 증발하는 담체 용매에 통상적으로 적용되는, 상업적인 친수성 코팅일 수 있다. 친수성 성분 층을 뒤에 남기기 위해 증발하는, 염 용액과 같은, 다른 용액이 사용될 수도 있다.
다른 형태의 화학적 처리는 밀봉부와 배리어(231)의 상면 사이에 고체 또는 겔 층과 같은 다른 재료의 층을 제공함으로써 달성될 수 있으며, 추가 층은 231의 기저 재료보다 더 친수성인 재료이다. 추가 층은 기저 재료 기판에 결합 또는 융합될 수 있거나, 또는 오버 몰딩될 수 있다. 이러한 접근법의 장점은 서로 다른 재료가 상이한 이익을 제공할 수 있다는 점으로, 예를 들어 메인 기판은 장치 내에서 필요한 유체 격납을 보장하기 위해 양호한 수증기 배리어 특성을 갖는 재료일 수 있고, 추가 층은 배리어(231) 위로 유동을 촉진하기 위해 (양호한 증기 배리어 특성을 갖는 재료는 종종 친수성이기보다는 상대적으로 소수성이므로) 기판보다 더 친수성인 재료로 제조될 수 있다. 이러한 접근법의 예로는 추가 층으로서 약 63°의 물과의 접촉각을 나타내는 성형 나일론 6(폴리카프로락탐), 또는 약 73°의 물과의 접촉각을 나타내는 얇은 PET 시트(폴리에틸렌 테레프탈레이트)를 사용하는 것을 포함한다. 적합한 친수성 특성을 나타내는 다른 재료는 약 51°의 접촉각을 갖는 폴리비닐 알코올(PVOH), 약 61°의 접촉각을 갖는 폴리비닐 아세테이트(PVA), 약 63°의 접촉각을 갖는 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)/폴리에틸렌 글리콜(PEG), 약 68°의 접촉각을 갖는 나일론 6,6, 약 70°의 접촉각을 갖는 나일론 7,7, 약 71°의 접촉각을 갖는 폴리설폰(PSU), 약 71°의 접촉각을 갖는 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 또는 약 72°의 접촉각을 갖는 나일론 12를 포함한다.
플로우 셀(220)에 걸친 모세관력의 균형은 유체가 약간의 추가적인 구동력 없이 감지 챔버로부터 브리징 채널(241) 및 폐기물 포집부(232) 내로 자유롭게 흐르지 않는 것을 의미한다. 그 구동력은 입구 포트(233)에 추가 유체를 제공하는 것일 수 있다. 밀봉부(251)가 제거될 때에 입구 포트 저장소(233)에 유체가 존재할 수도 있다. 어느 경우이든, 이러한 유동은 전술한 바와 같이 모세관력의 균형으로 인해 입구 채널(261)과 포트/저장소(233) 사이의 전이에서 상류 액체/공기 인터페이스가 정지할 때까지만 발생한다. 이와 같이, 플로우 셀(220)을 활성화시키면 센서(235)를 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출시키지 않는다. 다시 말해서, 플로우 셀(220)을 활성화시키면 액체가 플로우 셀(220)을 통해 배출되지 않아서 센서 챔버(237)가 비워지고 센서(235)를 공기에 노출시킨다. 또한, 예를 들어 플로우 셀(220)의 과도한 기울어짐 또는 가속 동안에, 챔버(237)와 입구 채널(261) 사이의 에지에서 유체 피닝에 의해 셀(220) 내로의 공기 유입에 대한 추가 보호가 제공된다. 일단 이러한 과도 현상이 종결되면, 인터페이스는 모세관 작용을 통해 이러한 에지로부터 입구 채널(261)과 포트/저장소(233) 사이의 전이로 다시 이동할 것이다.
샘플 추가 후, 밀봉부는 샘플 포트 및 폐기물 포트를 통해 교체되어 증발을 줄일 수 있다. 이는 도 17에 도시되어 있다. 도 17a는 샘플 포트(233)를 노출시키기 위해 밀봉 요소(250)가 제거된 셀(220)을 도시하고 있다. 또한, 유체 폐기물 포트(267) 및 공기 폐기물 포트(268)를 도시하고 있다. 이러한 포트를 통해 유체는 플로우 셀(220)로부터 완전히 배출되고 제거될 수 있다. 포트(267)는 폐기물 채널(232)에서 유체를 제거하기 위한 액세스 포인트로서 역할을 한다. 유체가 센서(235)와 연통하고 있음에도 불구하고 유체가 제거됨에 따라, 공기는 상류 센서 챔버(237) 및 샘플 포트(233)로부터의 유체 대신에 포트(268)를 통해 하류로부터 추출된 유체를 우선적으로 교체한다. 도 17b는 샘플이 포트(233)에 공급된 후, 증발을 줄이고 오염으로부터 포트(233)를 보호하기 위해 밀봉 요소(250)가 교체될 수 있는 방법을 도시하고 있다. 밀봉 요소(250)는 유사하게 포트(267, 268)로부터의 증발을 줄이는 데 도움이 되고 오염을 방지하는 데도 도움이 되는 폐기물 포트 커버(269)를 가질 수도 있다. 밀봉부는 포트 검사를 돕기 위해 샘플 포트 및/또는 폐기물 포트의 영역에 운송 창을 가질 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예로 제한되지 않으며 본원에 기술된 개념을 벗어나지 않고 다양한 수정 및 개선이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 상호 배타적인 경우를 제외하고, 임의의 특징은 개별적으로 또는 임의의 다른 특징과 조합하여 사용될 수 있으며, 본 개시물은 본원에 기술된 하나 이상의 특징의 모든 조합 및 하위 조합으로 확장되고 이를 포함한다.

Claims (27)

  1. 검액을 분석하기 위한 미세유체 장치로서,
    브리지형 배리어;
    감지 챔버에 제공된 센서를 수용하고 분석될 검액을 수용하기 위해 상기 브리지형 배리어로부터 상류에 위치되는 상류부로서, 상기 상류부는 입구 채널 및 출구 채널을 포함하고 상기 입구 채널과 상기 출구 채널 사이에서 액체로 채워질 수 있는, 상류부;
    상기 상류부의 출구 채널로부터 액체를 수용하기 위해 상기 브리지형 배리어로부터 하류에 위치되는 하류부; 및
    상기 상류부를 둘러싸도록 구성되는 탈착형 밀봉부를 포함하되, 상기 밀봉부는, 액체가 상기 상류부에 제공될 때,
    - 상기 밀봉부의 제거 전에 상기 액체의 유동을 억제하고,
    - 상기 밀봉부의 제거 후, 액체가 상기 상류부로부터 상기 하류부로 상기 배리어를 통과하게 하도록 구성되는, 검액을 분석하기 위한 미세유체 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배리어에 인접하게 브리지가 제공되고, 상기 밀봉부의 제거 후 상기 브리지는 액체가 상기 배리어를 통해 또는 그 위로 상기 상류부로부터 상기 하류부로 유동하는 것을 용이하게 하는, 미세유체 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 밀봉부는 액체가 상기 입구부로부터 상기 출구부로 유동하는 것을 억제하도록 추가로 구성되는, 미세유체 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 브리지의 표면은 물과 90° 이하, 선택적으로 75° 이하의 습윤 접촉각을 갖는, 미세유체 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 브리지의 표면은 물과 20° 이상의 습윤 접촉각을 갖는, 미세유체 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 브리지의 표면에는 화학적으로 친수성인 층 또는 처리부, 선택적으로 상기 브리지의 미처리된 표면보다 더 친수성인 층 또는 플라즈마 처리부가 제공되는, 미세유체 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 브리지의 표면은 상기 표면의 표면적을 증가시키기 위한 물리적 텍스처, 선택적으로 상기 표면에 제공된 필러, 핀, 및/또는 홈을 포함하는, 미세유체 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상류부는 상기 입구 채널과 상기 출구 채널 사이에서 액체로 채워지는, 미세유체 장치.
  9. 검액을 분석하기 위한 미세유체 장치로서,
    감지 챔버에 제공되는 센서;
    감지 챔버 입구 채널 및 감지 챔버 출구 채널로서, 그 각각은 상기 감지 챔버 내외로 액체를 각각 통과시키기 위해 상기 감지 챔버에,
    상기 미세유체 장치에 샘플 입력 포트를 형성하는 저장소를 연결하고, 상기 저장소는 상기 감지 챔버 입구 채널과 유체 연통하는, 감지 챔버 입구 채널 및 감지 챔버 출구 채널;
    액체 포집 채널;
    상기 감지 챔버 출구 채널의 단부와 상기 액체 포집 채널 사이의 배리어;
    상기 샘플 입력 포트를 커버하는 제1 밀봉부; 및
    상기 감지 챔버 출구 채널의 단부를 커버하여, 액체가 상기 감지 챔버로부터 상기 배리어 위로 상기 액체 포집 채널 내로 유동하는 것을 방지하는 제2 밀봉부를 포함하고,
    상기 미세유체 장치는 상기 샘플 입력 포트에서의 상기 제1 밀봉부로부터 상기 감지 챔버 출구 채널의 단부에서의 제2 밀봉부까지 액체로 채워져서, 상기 센서가 액체로 커버되며 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않고;
    상기 제1 및 제2 밀봉부는 상기 저장소와 상기 감지 챔버 출구 채널의 단부 사이의 상기 액체가 유동하도록 제거 가능하여 일부 액체는 상기 배리어 위로 유동하는, 검액을 분석하기 위한 미세유체 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감지 챔버 출구 채널을 상기 액체 포집 채널에 연결하기 위해 상기 배리어 위에 브리징 채널을 형성하는 배리어 커버를 더 포함하는, 미세유체 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 배리어 커버의 표면은 물과 90° 이하, 선택적으로 75° 이하의 습윤 접촉각을 갖는, 미세유체 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 배리어와 대향하는 상기 배리어 커버의 표면은 물과 20° 이상의 습윤 접촉각을 갖는, 미세유체 장치.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 커버는 상기 감지 챔버 출구 채널을 상기 액체 포집 채널에 연결하기 위한 위치를 향해 바이어싱되는, 미세유체 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 상기 감지 챔버 출구 채널의 단부와 상기 브리징 채널 사이에서 상기 배리어 커버 아래에 위치되는, 미세유체 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 밀봉부의 제거를 돕기 위해 상기 제2 밀봉부에 연결되는 릴리스 라이너를 더 포함하는, 미세유체 장치.
  16. 제15항에 있어서, 제4항으로부터 의존할 때, 상기 핸들은 상기 릴리스 라이너의 일부를 형성하는, 미세유체 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 릴리스 라이너의 적어도 일부는 상기 제2 밀봉부와 상기 배리어 커버 사이에 위치되는, 미세유체 장치.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 커버는 상기 브리징 채널 내로의 유동을 촉진하기 위해 상기 브리징 채널로부터 상기 감지 챔버 출구 채널을 향해 연장되는 디퍼를 더 포함하는, 미세유체 장치.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브리징 채널은 상기 배리어 옆의 다운코머에 연결되는 굴곡부를 포함하고, 상기 굴곡부는 적어도 일측에 만곡된 프로파일을 포함하는, 미세유체 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 상기 제1 및 제2 밀봉부의 제거로 인해 상기 센서가 가스 또는 가스/액체 인터페이스에 노출되지 않도록 구성되는, 미세유체 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉부는 함께 제거될 수 있도록 연결되는, 미세유체 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2 밀봉부를 제거하기 위해 당겨질 수 있는, 상기 제1 및 제2 밀봉부에 부착된 밀봉부 핸들을 더 포함하는, 미세유체 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 포집 채널은 상기 배리어 옆의 다운코머와 상기 액체 포집 채널의 주요부 사이에 굴곡부를 포함하고, 상기 굴곡부는 적어도 일측에 만곡된 프로파일을 포함하는, 미세유체 장치.
  24. 제15항 또는 그의 종속 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 밀봉부는 상기 미세유체 장치의 표면에 상기 표면보다 다소 친수성인 접착제에 의해 부착되는, 미세유체 장치.
  25. 제10항 또는 그의 종속 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 커버는 상기 감지 챔버 출구 채널의 단부와 상기 브리징 채널 간의 접촉을 가압하도록 바이어싱되는, 미세유체 장치.
  26. 제10항 또는 그의 종속 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어 커버는 상기 감지 챔버 출구 채널의 단부와 상기 브리징 채널 사이를 밀봉하기 위한 개스킷을 갖는, 미세유체 장치.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 따른 미세유체 장치를 제조하는 방법으로서, 상기 제1 및 제2 밀봉부를 제거하는 단계를 포함하여, 상기 저장소와 상기 감지 챔버 출구의 단부 사이의 액체가 유동해서 일부 액체가 상기 배리어 위로 유동하여 상기 장치를 활성화시키는, 미세유체 장치를 제조하는 방법.
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