KR20230054407A - 성분분석용 h-형 필터장치 - Google Patents

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한나 케년
마렌 버츠
비올라 데닝거
사이먼 몰링
토마스 뮐러
로런스 영
사이먼 챈들러
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Abstract

하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치가 제공된다. 장치는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함한다. 각각의 미세유체 장치는: 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널로 도입하기 위한 샘플 유입구 포트를 갖는 샘플 채널, 세장형 분배 채널 내로 제2 유속으로 보조 유체 흐름을 도입하기 위한 보조 유입구 포트를 갖는 보조 채널을 포함한다. 분배 채널은 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다. 각각의 미세유체 장치는 후속부에 제공되고 분배 채널과 유체 연통하는 2개 이상의 모세관 채널을 추가로 포함하며, 각각의 모세관 채널의 후속부에 제공되는 적어도 하나의 배출구 포트를 포함한다. 샘플 유입구 포트 및/또는 배출구 포트는 채널과 해당 포트 사이에 확장부를 추가로 포함하며, 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다. 장치는 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원을 추가로 포함하고; 및 미세유체 장치 상의 각각의 모세관 채널 및/또는 배출구 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함한다.

Description

성분분석용 H-형 필터장치
본 발명은 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 순차적으로 또는 동시에 측정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 칩 상의 미세유체 회로(microfluidic circuit) 개시의 개선에 관한 것이며, 특히 샘플 측정의 정확성(accuracy) 및/또는 정밀도(precision)를 개선하기 위해 미세유체 회로의 모세관 충전을 최적화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
미세 유체 장치는 유체 샘플의 조작, 처리 또는 분석에 사용된다. 분석장치에서, 일반적으로 시각 장치 또는 흡수/형광 현미경(absorption/fluorescence microscopes)을 사용하여 광학적으로 측정되며 유체가 흐르거나 정지해 있는 동안 수행된다. 잘 알려진 미세유체 분석기술은 H-필터 배열을 사용하는 확산 사이징(diffusional sizing)이다.
확산 사이징(diffusional sizing)측정법은 유체가 흐르는 동안 연속적으로 수행된다. 미세유체 확산 사이징(Microfluidic Diffusional Sizing, MDS)은 입자가 미세유체 층류 내에서 확산되는 정도를 기준으로 입자의 크기를 측정하는 데 사용되는 방법이다. 분자 확산성의 마이크로 규모 측정은 단백질의 크기를 정의하고 표지, 무표지 검출 방법의 이점을 함께 가져오는 매우 감도높은 접근 방식인 것으로 나타났다.
미세 유체 장치의 검출 영역은 일반적으로 유체 채널의 확장으로 구성된다. 이것은 주어진 영역에서 광학 검출에 사용할 수 있는 유체의 양을 증가시켜 장치의 감도를 증가시키기 위한 것이다. 일반적인 미세유체 장치는 프라이밍(priming) 또는 기포 형성 중에 공기 혼입이 발생하기 쉬운 것으로 알려져 있으며, 이는 부정확한(inaccurate and/or imprecise) 측정으로 이어진다.
미세유체 장치는 휴대성이 뛰어나고, 비용 효율적이며, 개인 맞춤형 의약품과 같은 잠재적인 응용분야인 감지 플랫폼에 쉽게 통합될 수 있다. 다량의 샘플을 처리하는 능력은 분석기기 사용자에게 있어 공통적인 요구 사항이다. 이 처리량 요구 사항에 대한 해결책은 별도의 미세 유체 회로에서 여러 샘플을 병렬로 처리하는 것이다. 모든 회로에서 광학적 검출을 수행하려면, 모든 회로를 거의 동시에 관찰해야 하므로 복잡하고 비용이 많이 드는 광학 장치가 필요하다.
따라서, 제조자의 생산 및 개발 비용을 낮추는데 도움이 되는 장치 및 방법을 제공할 필요가 있다. 특히, 측정을 수행하는데 필요한 장치의 복잡성을 감소시키는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 칩 재료때문에 발생하는 백그라운드 신호(background signal)의 양을 최소화하고 광학 검출 영역에 사용할 수 있는 검출 양을 최대화함으로써 광학적 정확도와 감도를 높이는 적절한 기하학적 채널 구조를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서 작업자가 샘플의 광학적 검출을 수행할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공해야 할 필요가 있다.
추가로 또는 대안적으로, 백그라운드 신호가 샘플 측정을 방해할 수 있으며 부정확한(inaccurate and/or imprecise) 측정을 초래할 수 있으므로 사용자는 종종 측정 중에 백그라운드 신호를 고려하여야 한다. 예를 들어, 미세 유체 장치 내의 백그라운드 잡음의 비율 대비 높은 신호의 비율은 샘플 측정을 왜곡할 수 있고 샘플의 부정확한 검출 또는 분석을 초래할 수 있다.
현재 절차에서 샘플 유체와 샘플이 없는(blank)유체는 H-필터로 구성된 미세 유체 장치에 채워질 수 있다. 미세 유체 장치 내부에는 샘플과 샘플이 없는 유체를 접촉시키는 접합부가 존재한다. 예를 들어 보조 유체가 샘플 유체 보다 먼저 접합부에 도달하면 에어 트랩(air trap)이 형성되어 미세 유체 칩에 결함이 생길 수 있다.
따라서, 시료 측정 시 미세 유체 장치 내 샘플 검출의 정확성, 정밀성 및 민감도를 향상시키기 위해 백그라운드 신호를 고려하여 적절한 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 따라서 작업자가 유체를 미세 유체 장치에 로드하고 샘플 측정에서 백그라운드 신호를 빼거나 제거할 수 있는 해결책을 제공해야 한다.
또한, 미세유체 회로의 채널 내에 형성되는 기포의 위험을 피하거나 감소시키는 유체로 미세유체 회로 또는 장치를 채우는 적합한 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명이 발생한 것은 그 배경에 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하기 위한 유체 장치가 제공된다. 장치는 하나 이상의 미세유체 장치를 포함한다. 각각의 장치는: 하나 이상의 구성성분을 포함하는 샘플의 유체흐름을 세장형 분배 채널에 제1유속으로 도입하기 위한 샘플 유입구 포트를 갖는 샘플 채널, 제2유속인 보조유체흐름으로 세장형 분배 채널에 도입하기 위한 보조 유입구 포트를 갖는 보조 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치이다. 분배 채널은 샘플 유체에서 보조 유체로 흐를 때 구성성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다. 각각의 미세유체 장치는 분배채널의 후속부에 제공되고 분배 채널과 유체 연통하는 2개 이상의 모세관 채널을 추가로 포함하며, 각각의 모세관 채널의 후속부에 제공되는 적어도 하나의 배출구 포트를 포함한다. 샘플 유입구 포트 및/또는 배출구 포트는 채널과 해당 포트 사이에 확장부를 추가로 포함하며, 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다. 장치는 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원을 더 포함하고; 미세유체 장치 상의 각각의 모세관 채널 및/또는 배출구 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함한다.
장치는 복수의 미세유체 장치를 포함하는 실시예에서 각 미세유체 장치의 일부 특징을 결합할 수 있다. 예를 들어, 각 장치의 보조 채널은 장치 전체에 공급되는 하나의 보조 채널에서 비롯될 수 있다. 또한, 미세유체 장치의 모세관 채널은 해당 장치의 하나의 배출구 포트에서 결합될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 배출구 포트는 동일한 장치 내의 다수의 장비 사이에서 공통적일 수 있다. 이것은 검출기가 포트가 아닌 모세관 채널 및/또는 검출 챔버(chamber)에서 검출하는 실시예에만 적용 가능하다. 단일 진공원을 장치에 연결할 수 있으며 이는 모든 장치에 단일 배출구 포트가 제공되는 경우 더 쉽게 달성할 수 있다.
확장부는 기포 없이 샘플과 보조 유체가 함께 흘러가도록 설계되었다.
일부 실시예에서, 장치는 샘플 유입구 포트 및/또는 각각의 배출구 포트의 적어도 둘레 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 유입구 포트는 보조 채널과 상응하는 유입구 포트 사이에 확장부를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 보조 유입구 포트는 보조 유입구 포트의 적어도 둘레 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치가 제공되며, 상기 장치는 복수의 미세유체 장치를 포함하고, 각각의 장치는: 하나 이상의 구성성분을 포함하는 샘플의 유체흐름을 세장형 분배 채널에 제1유속으로 도입하기 위한 샘플 유입구 포트를 갖는 샘플 채널, 제2유속인 보조유체흐름으로 세장형 분배 채널에 도입하기 위한 보조 유입구 포트를 갖는 보조 채널, 상기 분배 채널은 샘플 유체에서 보조 유체로 흐를 때 구성성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된; 분배 채널 후속부에 제공되며 유체 연통하는 2개 이상의 모세관 채널; 각 모세관 채널의 끝부분에 제공된 배출구 포트; 채널을 통해 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원; 및 미세유체 장치 상의 각각의 모세관 채널 및/또는 배출구 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은: 하나 이상의 구성성분을 포함하는 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널에 제1유속으로 도입하는 단계, 제2유속으로 분배 채널의 보조 유체 흐름에 도입하는 단계, 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 성분(들)의 수평적 분포를 제공하는 단계, 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 유체흐름방향의 분배 채널의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계, 정상 상태 분포에 도달한 후 미리 정해진 시간에 유체의 흐름을 중지하는 단계; 그리고 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 다른 기술이 적용될 수 있지만 주로 확산 사이징(diffusive sizing)을 이용하여 유체에서 샘플을 분석하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 샘플은 혈액, 혈장, 혈청, 뇌척수액, 소변, 타액, 가래 또는 임의의 수분을 함유한 것이 될 수 있다.
이 방법은 나중에 분석을 수행할 수 있도록 하나 이상의 H-필터와 유체의 흐름을 중지할 수 있는 유체 제어 시스템을 포함하는 장치에서 수행된다. 이는 작업자가 샘플의 광학적 검출을 수행할 수 있는 비용 효율적인 방법을 제공하기 때문에 유리하다. 또한, 본 발명의 장치 및 방법은 제조업체의 생산 및 개발 비용을 낮추는 데에도 도움이 될 수 있다. 이 방법은 또한 측정이 순차적으로 수행되기 때문에 측정을 수행하는 데 필요한 장치의 복잡성을 줄인다.
일부 실시예에서, 장치는 단백질, 펩티드(peptide), 엑소좀(exosome), 항체 또는 이의 항체 단편과 같은 생체분자, DNA, DNA조각, RNA, 또는 mRNA와 같은 뉴클레오티드(nucleotide), 단백질 링커(linker), 다당류 와 같은 단백질 결합 분자; 항체, 폴리펩티드, 폴리뉴클레오티드의 구성성분을 특성화하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 항체는 동종항체(allo-antibody), 자가항체 또는 외부 항원에 대해 생성된 항체이다. 여기서 "동종 항체"는 장기 이식 분야에서 HLA와 같은 외래 분자를 인식하는 항체를 지칭하는 데 사용된다.
일부 실시예에서, 생체분자는 다중 생체분자 혼합물이다. 일부 실시예에서, 생체분자는 항체, 단일 도메인 항체 또는 압타머(aptamer)와 같은 친화성 시약일 수 있다. 일부 실시예에서, 다중 생체분자 혼합물은 항체 및 항원을 포함한다. 일부 실시예에서, 다중 생체분자 혼합물 내의 하나 또는 적어도 2개 이상의 생체분자가 표지될 수 있다. 일부 실시예에서, 항체 또는 다른 친화성 시약은 다른 관심 생체분자를 검출하기 위해 표지될 수 있다. 라벨은 형광 라벨 또는 잠재적 라벨일 수 있습니다. 어떤 경우에는, 예를 들어 관심 있는 항체가 샘플에서 다른 항체와 혼합되는 경우 항원에 표지하는 것이 바람직하다.
본 명세서의 맥락에서 "유체의 흐름을 정지시키는 것"이라는 용어는 분배 채널 및 모세관 채널을 포함하여 모든 채널을 통한 유량이 실질적으로 0임을 의미한다. 이는 기본적으로 장치의 모든 채널을 통한 대부분의 유체 흐름이 없음을 의미한다. 하나의 실시예에서 이것은 유입구 포트와 배출구 포트 사이에 외부에서 가해진 압력 차이를 제거함으로써 영향을 받는다. 검출되는 곳에 따라 시간당 1-100nl의 매우 낮은 수준의 움직임이 여전히 발생할 수 있으며 검출량에 비하면 무시할 수 있는 양이다. 구성성분의 수평적 분포는 분배 채널에서 계속될 수 있다. 예를 들어, 확산은 계속될 수 있지만 정상 상태의 유체 흐름이 분배 채널의 끝에서 분할되었기 때문에 각 후속부의 모세관 채널 농도는 일정하게 유지된다. 유체 흐름이 "중지"되려면 대부분의 흐름이 확산으로 인해 수평방향에서 발생하는 변화보다 한 자릿수 작아야 한다.
모세관 채널은 분배 채널의 끝을 훨씬 넘어서는 위치에서 샘플 분석을 수행할 수 있도록 분배 채널의 후속부에 제공됩니다. 모세관 채널 내의 시료 분석은 검출 단계가 성분의 수평적 분포 또는 흐름 정지 시 분배 채널에서 계속될 수 있는 분리 단계에 의해 방해받지 않기 때문에 유리하다. 이 방법을 수행하는 데 표지가 필요하지 않으므로 구성 요소의 생물물리학적 특성을 원래 상태로 측정할 수 있다.
예를 들어, 구성성분의 확산성은 모세관 채널 내에서 분석될 수 있다. 분배 채널의 끝을 훨씬 넘어서는 모세관 채널 내의 구성 요소의 확산 특성을 분석함으로써 사용자는 확산 과정이 검출에 영향을 미치지 않으며 측정이 더 정확하다는 것을 알 수 있다.
다음과 같은 5가지 가능한 검출 방법이 있다: 분배 채널과 검출 영역 사이에 염색이 필요할 수 있는 성분의 사후 분리 표지법; 하나 이상의 성분의 고유 형광을 검출하는 방법; 하나 이상의 성분의 흡수 검출법, 하나 이상의 성분의 산란량 감지법, 및 분리 전에 샘플을 염료로 미리 표지하는 방법.
하나 이상의 성분의 고유(또는 내부) 형광이 검출되는 경우, 방법은 천연 단백질의 트립토판(Tryptophan)과 같은 방향족 잔기의 형광을 검출하는 것을 포함할 수 있다. 검출되는 것은 천연 단백질의 형광이므로 이 접근법에서는 표지가 필요하지 않다.
추가로 또는 대안적으로, 샘플을 분리하기 전에 샘플을 염료로 사전 표지 할 수 있다. 사전 표지의 장점은 일반적으로 고유 형광 또는 흡수 측정에 비해 더 감도 높은 검출이 가능하다는 것이다. 또한 사전 표지는 용액 내에서 분석을 수행할 수 있으므로 이러한 방법 중 하나에 적용할 수 있다. 변성 겔 또는 표면에서 분석하는 것보다 용액 내에서 측정을 수행하는 것이 생물학적 조건을 더 잘 나타낸다.
모세관 채널 내에서의 검출은 급수원(reservoir)과 같은 분배 채널의 끝에서 더 떨어진 곳에서 수행될 수 있어 더 큰 검출량이 수집될 수 있도록 하여 검출하고자 하는 구성 성분의 감도를 향상시킬 수 있다.
이 방법은 적어도 하나의 구성 요소에 대해 여러 번 분석을 개시-중지 할 수 있다. 저속도의 실험을 수행할 수 있는 장점이 있다. 특히, 응집 연구 또는 느린 상호 작용, 조립 또는 분리 과정 조사와 같은 장기간에 걸친 단백질의 크기를 모니터링할 수 있다.
유체의 흐름을 멈추는 것은 분석이 시작된 이후 미리 정해진 시간에 발생할 수 있으며 정지는 10초 내지 5시간 사이의 지속될 수 있다. 일부 실시예에서, 유체 흐름은 10, 30초 또는 1, 2, 4, 5, 7 또는 10분 동안 정지될 수 있다. 작은(0.5nm) 분자의 채널 또는 챔버 검출을 수행하는 경우 유체의 흐름 정지는 10초 정도로 짧을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 더 큰 분자(30nm)의 더 많은 양을 수집하기 위한 검출 챔버(포트 검출)가 잘 작동하는 경우 미리 정해진 시간에 유체의 흐름 중지는 5분 까지 할 수 있다(느린유속에서). 추가로 또는 대안적으로 미리 정해진 시간에 유체의 흐름 정지는 응집 반응과 같은 느린 과정을 따르는 경우 5시간까지 할 수 있다.
본 발명에 개시된 바와 같이, "포트"라는 용어는 달리 명시되지 않는 한 외부에서 미세유체 장치에 접근할 수 있는 위치를 의미한다. 즉, 포트는 칩과 주변 환경 간의 접점을 제공한다.
보편적으로 포트 검출은 기포 존재가 검출에 미치는 영향을 포함하여 여러 가지 이유로 적합하지 않다; 포트 내 농도 기울기의 존재와 샘플 이전에 흐르는 원하지 않는 물질의 존재. 그러나 포트의 기하학적 구조를 신중하게 선택하면 이러한 문제 중 일부를 극복할 수 있고 포트 검출을 바람직한 검출 방식으로 만들 수 있다. 포트 검출을 사용하면 포트에 상당한 양의 유체가 존재하고 장치 자체의 재료에서 나오는 백그라운드에 대한 샘플 신호의 비율이 증가, 즉, 광학 장치가 장치를 형성하는 플라스틱과 더 적게 만나기 때문에 장치 내의 다른 기하학적 구조보다 포트에 대한 백그라운드 검출이 적다는 이점이 있다.
장치가 모세관 작용에 의해 채워지고 유체 흐름이 엄격하게 제어되어 흐름을 중지하고 시작할 수 있기 때문에 샘플 앞에 오는 원치 않는 물질의 양을 알 수 있고 일정하다. 결과적으로 비교적 간단한 방식으로 수정할 수 있는 검출 판독값의 체계적인 오류를 제공한다. 또한, 샘플 앞에 오는 원하지 않는 물질의 양은 nl와 같이 매우 작을 수 있으며 검출 판독값에 눈에 띄게 영향을 미치지 않을 수 있다.
모세관 충전을 용이하게 하는 데 필요한 채널 크기는 모세관 충전이 필요하지 않거나 예상되지 않는 유사한 형상에 비해 장치 부피가 매우 작다. 이렇게 하면 원하지 않는 물질의 양이 최소화되어 이 물질이 검출된 신호가 더 작아지게 된다.
중지가 시작되는 미리 정해진 시간의 선택은 원하는 분석의 상태에 따라 다르다. 분석 시작 후 상대적으로 짧은 시간 내에 중지가 시작되면 중지 시점에 분석이 계속 진행된다. 반대로 분석이 시작된 후 일정 시간이 지나고 중지가 시작되면 수평적 확산이 발생하고 평형 상태인 정상 상태 조건에 도달했을 수 있다.
정상 상태 분포는 확산 또는 전기 영동에 의해 발생할 수 있다. 유체 흐름 전체에서 구성성분의 분포는 일정한 속도로 발생하는데, 즉, 정상 상태 분포가 달성되면 주어진 계면(플럭스, flux)을 가로지르는 원자(또는 몰)의 수는 시간에 따라 일정하다. 이를 정상 상태 분포 라고 한다.
본 명세서에서 본 발명에 개시된 바와 같이, "플럭스"라는 용어는 달리 정의되지 않는 한 단위 면적당 속성의 유량을 지칭한다. 일부 실시예에서, 정상 상태 분포는 일정한 플럭스를 갖는다.
검출기는 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성요소의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 직접 측정할 수 있거나 분포에 대한 프록시(proxy) 측정이 필요할 수 있으며 프록시 측정에서 구성 성분 또는 각 구성 성분의 생물 물리학적 속성을 추론한다.
일부 실시예에서, 동시 측정은 미세유체 칩 상의 모세관 채널을 가로질러 구성요소(들)의 생물물리학적 특성을 동시에 측정하기 위해 적어도 2세트의 검출기를 제공하는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 순차적 측정은 모세관 채널에서 구성요소의 생물물리학적 특성을 측정하기 위해 검출기를 제공한 다음 다른 모세관 채널에서 구성요소(들)의 생물물리학적 특성을 측정하기 위해 동일한 검출기를 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 샘플 유체 흐름 및 보조 유체 흐름을 분배 채널을 통해 흐르는 단계는 분배 채널을 가로지르는 압력 기울기의 확립에 의해 유도된다. 압력원(진공 또는 정압)은 샘플 및 보조 유체가 미세 유체 칩으로 균일한/일정한 압력 구동으로 흐르는 것을 유도하기 위해 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 압력원은 펌프일 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 유속과 제2 유속은 실질적으로 동일할 수 있다. 샘플의 일정한 유속을 제공하고 보조 유체가 분배 채널을 통해 흐르게 하기 위해서 샘플 채널의 제1 유속과 보조 채널의 제2 유속은 같을 수 있다. 또한, 샘플 및 보조 채널을 통한 제1 및 제2 유속은 다를 수도 있다.
일부 실시예에서, 각각의 모세관 채널의 일부는 구부러지거나(tortuous) 구불구불한(serpentine) 구성으로 배열될 수 있다. 단단하게 압축된 모세관 채널은 잡음대비 감도와 신호를 증가시킨다. 일부 실시예에서, 구불구불하거나 구부러진 구성은 검출기로 구성성분을 검출하기 위해 측정이 취해질 수 있는 유하 면적을 증가시킨다. 이는 단일 검출 지점으로 검출할 모세관 채널의 부피를 증가시켜 관심 성분을 검출하기 위한 감도를 향상시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 모세관 채널의 구부러진 구성은 채널 내의 기포를 줄이거나 제거하는 데 도움이 될 수도 있다.
일부 실시예에서, 각각의 샘플 및/또는 보조 채널의 일부는 구부러지거나 구불구불한 구성으로 배열된다.
일부 실시예에서, 모세관 채널의 구부러진 부분의 각각의 구획 또는 영역 사이의 간격이 최소화될 수 있다. 일부 실시예에서, 모세관 채널의 구부러진 부분의 구획 또는 영역 사이의 간격은 일정하거나 모세관 채널의 전체 구부러진 영역을 따라 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 구부러진 부분은 구불구불한 구성을 포함한다. 일부 실시예에서, 구부러진 영역은 나선형 구성을 포함한다.
일부 실시예에서, 유체의 흐름을 정지시키는 단계는 해제 가능한 밸브를 사용함으로써 달성될 수 있다. 흐름 장치 전체의 압력을 평형화하기 위해 압력 해제 밸브가 제공될 수 있다. 예를 들어, 샘플 채널, 보조 채널, 분배 채널 및/또는 후속부의 모세관 채널을 평형화하기 위해 압력 해제 밸브가 제공될 수 있다.
채널을 통한 유체의 흐름을 제어하기 위해 채널의 "온칩(On-chip)" 저항이 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 분배 채널의 후속부에 제공된 저항은 분배 채널의 선행부에 제공된 저항보다 클 수 있다. 분배 채널의 선행부에 비해 분배 채널의 후속부에 더 큰 저항을 제공하면 샘플 유착 효과를 줄이거나 피할 수 있다.
일부 실시예에서, 분배 채널의 선행부에 제공된 저항은 분배 채널의 후속부에 제공된 저항보다 클 수 있다. 선행부의 저항은 분배 채널 내 흐름 균형을 결정하는 데 지배적인 요인이 될 수 있다. 따라서 후속부의 저항이 최소화될 수 있다. 온칩 저항에 필요한 작은 형상은 제조하기 어렵기 때문에 온칩 저항을 최소화하는 것이 중요하다.
일부 실시예에서, 샘플 채널, 보조 채널, 분배 채널 또는 둘 이상의 후속부 모세관 채널의 저항은 다음 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다: 채널의 단면적, 채널의 종횡비, 채널의 길이 및/또는 채널의 표면 거칠기.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 유체 연통하고 2개 이상의 모세관 채널로부터 후속부에 있는 2개 이상의 포트를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 모세관 채널은 유체 연통하고 모세관 채널의 후속부에 있는 포트를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 유체 연통하고 2개 이상의 모세관 채널로부터 후속부에 있는 2개 이상의 검출 챔버를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성요소의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하는 방법은 미세유체 칩 상의 각각의 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 구성성분의 검출은 샘플 추출 또는 추가 구성 요소 추가를 위해 외부에서 접근 가능한 포트에서 수행될 수 있다.
검출하고자 하는 구성성분의 양은 모세관 채널에 비해 포트에서 더 많을 수 있다. 따라서 포트에 있는 구성성분의 측정이 더 높은 검출 감도를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하는 방법은 미세유체 칩 상의 각각의 검출 챔버에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성요소의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 유체의 흐름을 정지시키는 단계 동안 인큐베이팅 단계(incubating step)를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 추가 구성성분을 포트에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가 성분은 관심 성분의 신호 증폭 목적을 위해 포트 내에 첨가될 수 있는 염료일 수 있다. 염료는 형광, 효소 또는 DNA 표지 물질일 수 있다. 또한 염료는 강력한 산란체 일 수 있다. 포트의 구성 성분에 추가된 염료는 관심 있는 구성성분에 결합할 수 있으며 증폭을 위해 인큐베이션 또는 열 순환 단계가 필요하다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 하나 이상의 구성요소의 확산성, 전기영동, 확산영동 또는 열영동 이동도를 측정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 구성성분(들)의 수평적 분포는 확산에 의해 발생한다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 층류 체계 하에서 작동한다. 층류에서는 유체 흐름의 혼합이 거의 또는 전혀 없다. 용액의 구성성분은 확산에 의해 이동할 수 있지만 대부분 유체는 혼합되지 않는다. 수평적 확산을 통해 유체역학적 반경을 측정하고 구성성분의 다른 생물물리학적 특성을 추론할 수 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 샘플 유체 흐름에서 구성성분 중 적어도 하나의 확산 계수를 결정하는 것을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상술한 바와 같이 칩 상에서 미세유체 분석을 수행하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다: 보조 포트에 보조 유체를 제공하는 단계; 회로가 모세관 작용을 통해 채워지도록 하는 단계; 적어도 하나의 모세관 채널에서 백그라운드 신호를 검출하는 단계; 분석할 샘플 유체를 분배 채널에 도입하는 단계; 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 요소(들)의 수평적 분포를 제공하는 단계, 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 분배 채널 후속부의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계, 적어도 하나의 모세관 채널에서 분석할 샘플과 관련된 샘플 신호를 검출하는 단계; 및 백그라운드 신호를 빼서 검출된 샘플 신호를 보정하는 단계를 포함한다.
또한, 방법은 다음의 단계를 포함할 수 있다: 적어도 하나의 모세관 채널에서 백그라운드 신호를 검출하는 단계; 샘플 포트에 샘플을 제공하는 단계; 회로가 모세관 작용을 통해 채워지도록 하는 단계; 분석할 샘플 유체 흐름을 분배 채널에 도입하는 단계; 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 성분(들)의 수평적 분포를 제공하는 단계, 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 분배 채널 후속부의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계, 적어도 하나의 모세관 채널에서 분석될 샘플에 관한 샘플 신호를 검출하는 단계; 및 백그라운드 신호를 빼서 검출된 샘플 신호를 보정하는 단계를 포함한다.
단일 유입구를 통해 유체를 회로에 도입함으로써, 유체는 장치 전체의 모든 채널에서 공기를 밀어내며 흐른다. 이렇게 하면 장치에 기포가 갇히지 않는다. 기포가 미세 유체 채널을 막을 수 있기 때문에 매우 중요하다. 두 개의 개별 유입구를 통해 유체를 동시에 도입하면 시료, 장치 유체 채널 및 유체가 의도한 대로 모이는 것을 방지하는 분배 채널 사이의 접합부에 기포가 갇힐 위험이 있다.
미세 유체 회로 전체에 장치 또는 보조 유체를 도입함으로써 배출구에서 백그라운드 신호를 감지할 수 있으므로, 백그라운드 신호를 제거하여 샘플 신호를 수정하면 데이터의 품질을 향상시킬 수 있다. 따라서 보조 유체로 회로를 프라이밍(priming)하는 것이 좋다. 프라이밍 유체는 보조 유체로 확산된 샘플의 양을 기록하는 모세관 채널, 검출 챔버 또는 배출구 포트에서 추가 신호를 유발할 수 있기 때문에 확산이 거의 없는 경우에는 샘플 유체가 아닌 보조 유체로 회로를 프라이밍하는 것이 더 바람직하다.
적어도 하나의 모세관 채널에서 백그라운드 신호를 고려하여 첫 번째 모세관 채널에서 측정된 샘플 유착력을 다른 모세관 채널에서 측정된 샘플 유착력의 합과 비교할 수 있다.
이 방법은 과도한 양의 장치 유체가 회로를 통해 플러시(flush)되는 최신 장치와 비교해 볼때 사용되는 유체의 양이 적다. 이 방법에서 샘플 도입 전에 사용된 장치 유체의 부피는 미세 유체 회로의 부피와 같다. 이 볼륨은 120nl 영역에 있을 수 있다. 이는 장치 유체가 비싸거나 공급이 제한된 상황에서 유용하다.
일부 실시예에서, 과잉의 장치 유체로 플러싱하는 방법을 사용하며, 장치 유체는 일반적으로 물 또는 완충액과 같은 수용액이다. 일 실시예에서 시스템 유체는 인산완충식염수(phosphate-buffered saline, PBS)이다. 또 다른 실시예에서 보조 유체는 Tween20과 같은 계면활성제가 첨가된 인산염 완충 식염수(PBST)이다. 그러나 더 적은 양의 장치 유체를 사용할 수 있는 경우, 샘플 유체와 점도가 일치하는 장치 유체를 제공하는 것과 같이 샘플 유체에 대해 맞춤화되는 방법을 수행하는 것이 달성 가능할 수 있다. 대안적으로 또는 추가로 이것은 동일한 실험이 복수의 다른 장치 유체로 반복되는 환경에서 유리하다. 예를 들어, pH 값이 다른 복수의 장치 유체로 실험을 반복하는 경우와 같다.
일부 실시예에서, 보조 유체의 점도는 샘플 유체와 일치할 수 있으며 그 반대도 가능하다. 예를 들어, 보조 유체의 점도는 샘플 유체 점도의 20%, 10% 또는 5% 이내일 수 있다. 특히, 장치 유체는 인간 혈청 또는 혈장일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 장치 유체는 인간 혈청 또는 혈장의 점탄성 및 광학 특성뿐만 아니라 그들의 이온 농도 및 pH를 모방하는 완충 용액일 수 있다.
일부 실시예에서, 샘플 유체의 점도 및 백그라운드 신호는 실험 전후에 각 포트의 액체 충전 정도 및 총 형광량을 기록함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 후방 반사광의 z-스캔과 포트와 같은 감지 영역의 내용물에 대한 형광 측정을 사용한다. 충전 정도의 차이는 각 포트를 나가거나 들어가는 부피 및 기하학적 칩 저항성과 함께 점도를 계산할 수 있다. 점도 및 백그라운드 신호를 함께 결정하고 모든 실험의 백그라운드를 보정하는 데 사용할 수 있다. 이 보정은 점도 및 백그라운드 신호가 다른 회로에 대해 구현될 수도 있다. 여기서 점도 및 백그라운드 신호는 하나의 회로에서 결정되고 보정은 하나 이상의 다른 회로에서 영향을 받는다.
일부 실시예에서, 부압은 이전 채널의 측정, 분석 및/또는 검출이 완료될 때까지 하나의 채널에서 구성요소의 "확산"이 완료되도록 채널에 동시에 또는 엇갈린 방식으로 적용될 수 있다. 따라서, 이것은 이후의 미세유체 장치/회로가 판독까지 더 짧은 시간 내에 최종 상태가 되기 때문에 유리하다. 따라서 이는 채널 내 액체 증발 위험을 줄이거나 낮춘다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 또 다른 측면에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다: 하나 이상의 구성성분를 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널로 도입하기 위한 샘플 채널을 포함하는 장치, 세장형 분배 채널에 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위한 보조 채널, 분배 채널은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성되며; 도달한 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널로 이동하도록 분배 채널과 유체 연통하고 후속부에 제공되는 2개 이상의 모세관 채널, 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원; 및 장치의 각 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함한다.
장치는 유체 장치일 수 있다. 일부 실시예에서, 장치는 미세유체 칩일 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 또 다른 측면에서, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다: 하나 이상의 구성성분를 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널로 도입하기 위한 샘플 채널을 포함하는 장치, 세장형 분배 채널에 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위한 보조 채널, 분배 채널은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성되며; 도달한 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널로 이동하도록 분배 채널과 유체 연통하고 후속부에 제공되는 2개 이상의 모세관 채널, 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원; 및 미세유체 칩 상의 각 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함한다.
일부 실시예에서, 선행부 및/또는 후속부의 저항은 채널의 크기 및 구성에 따라 미세유체 칩에만 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 분배 채널 후속부의 저항 값은 선행부의 값보다 크다. 이는 모세관 채널의 구부러진 구성이 검출 영역 역할을 할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 또한 작은 선행부의 저항으로 인해 보조 및 샘플 포트를 통한 빠른 프라이밍이 가능하다. 또한, 작은 선행부의 저항은 회로의 선행부 부분에서 샘플 유착의 위험을 줄인다. 샘플 유착 위험이 낮아서 좋은 이유는 채널 표면에 유착된 샘플이 검출 영역으로 흐르지 않아 측정된 신호가 예상보다 낮을 수 있기 때문이다. 저항 값은 모양 구성 및/또는 채널의 폭, 높이 및 길이에 의해 영향 받을 수 있다.
예를 들어 채널, 즉 샘플, 보조 및/또는 모세관 채널의 너비는 15내지100μm이거나 20, 30, 35 또는 40μm일 수 있다. 채널의 높이는 15 내지100μm이거나 20, 25, 30, 35 또는 40μm일 수 있다. 채널의 길이는 10 내지 200mm이거나 15, 20, 25, 30 또는 35mm일 수 있다. 선행부 저항 값은 10 내지 1000 mbar/(μl/min)이거나 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 200, 210, 220, 230 또는 240 mbar/(μl/min)일 수 있다. 후속부 저항 값은 20 내지 2000mbar/(μl/min)이거나 125, 150, 175, 200, 225, 250, 275, 300, 325, 350, 375, 400, 425, 450, 475, 500, 525, 550, 575, 600, 625, 650 또는 670 mbar/(μl/min)일 수 있다.
미세유체 장치의 채널에 의해 제공되는 총 저항은 채널을 통과하는 유체의 유속을 결정하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 장치의 저항은 주어진 압력을 적용하는데 있어 분배 채널을 통한 유체의 충분한 유속을 가능하게 하도록 조정될 수 있다. 충분한 유량이란 확산 채널에서의 확산량이 정확히 측정 가능한 확산 계수에 이르는 유량을 의미할 수 있다. 예를 들어, 가할 수 있는 진공 압력은 0내지 1 bar 사이의 값일 수 있다. 추가로 또는 대안적으로 0내지 10 bar 사이의 정압이 유입구에 가해질 수 있다. 장치 내에 "온칩" 저항을 제공하는 것이 채널 안팎으로 유체 흐름을 제어하는 데 도움이 될 수 있다.
추가 실시예에서, 분배 채널의 후속부에 있는 모세관 채널의 폭은 20μm일 수 있고, 샘플 및/또는 보조 채널의 너비는 분배 채널 선행부에서 25μm일 수 있으며 채널의 높이는 40μm일 수 있다. 샘플 및/또는 보조 채널의 길이는 분배 채널의 선행부에서 12mm일 수 있다. 분배 채널의 후속부에 있는 모세관 채널의 길이는 28mm일 수 있다. 선행부 저항은 60mbar/(μl/min)일 수 있고 후속부 저항은 300mbar/(μl/min)일 수 있다.
여러 미세유체 장치 사이의 서로 다른 저항은 각 미세유체 장치 사이의 채널을 통한 유속 분포의 차이로 이어질 수 있으며, 얼마나 많은 보조 및 샘플 유체가 미세유체 칩을 통해 당겨지고 얼마나 많은 유체가 확산 채널을 통해 흐를 수 있는지를 포함한다. 복수의 미세유체 장치에 걸쳐 보다 균일한 저항을 제공하기 위해, 유속의 변화에 대해 채널 네트워크를 통해 측정된 값을 보정하기 위해 각 미세유체 칩에 대해 미리 측정되거나 일괄 특성화된 저항 값으로 수행할 수 있다.
일부 실시예에서, 동일한 압력에서 상이한 범위의 확산 계수가 측정될 수 있도록 확산 채널의 상이한 기하학 및/또는 상이한 저항 값을 갖는 상이한 미세유체 칩이 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출기는 칩 내의 다양한 검출 위치에 초점을 맞추기위해 이동하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출기는 관심 구성성분의 형광물질을 측정하도록 구성될 수 있는 광학 검출기일 수 있다.
일부 실시예에서, 확산 채널은 샘플 채널, 보조 채널 및 모세관 채널과 함께 H-필터를 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 모세관 채널의 일부는 구부러진 또는 구불구불한 구성으로 배열될 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 장치는 포트를 더 포함할 수 있다. 포트는 유입구 포트 또는 배출구 포트일 수 있다. 포트는 샘플 또는 보조 유체 유입구에 제공될 수 있다. 각 포트는 미세 유체 장치의 특징부이다. 각 포트에는 시료 유체의 메니스커스(meniscus)가 포트 부피의 상한을 제공하도록 개방형 구조일 수 있다. 이것은 기포를 가둘 수 있는 닫힌 포트에 비해 이점이 있다. 유입구 및 배출구 포트는 상응하는 기하학적 구조일 수 있다. 포트는 동일한 형상을 가질 수 있다. 포트에는 배출구 포트를 가로질러 존재하는 기울기를 분산시키는 데 도움이 될 수 있는 환형 링이 있을 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 모세관 채널은 포트를 더 포함한다. 측정을 위해 더 많은 양을 제공할 수 있고 이는 고감도로 더 정확한 판독을 제공할 수 있기 때문에 포트에서 성분의 농도, 양 또는 확산도를 측정하는 것이 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 장치는 검출 챔버를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 미세유체 장치는 검출 챔버를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 모세관 채널은 검출 챔버를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 검출 챔버는 포트일 수 있다. 예를 들어, 유입구 포트, 배출구 포트 또는 유입구 포트와 배출구 포트 모두에서 검출할 수 있다. 유입구 및 배출구 포트의 형상이 유사하거나 동일한 경우 유입구 및 배출구에서 포트의 기여도가 실질적으로 동일하므로 데이터에서 제거할 수 있으므로 검출에 도움이 될 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 개시된 미세유체 칩은 복수의 검출 영역을 가질 수 있다. 검출 영역은 검출 포트와 같은 검출 챔버일 수 있고/있거나 모세관 채널의 구부러지거나 구불구불한 부분과 같은 채널의 구부러지거나 구불구불한 부분일 수 있다.
일부 실시예에서, 장치, 즉 미세유체 장치는 배경광 및 형광을 감소시키기 위해 검은색과 같은 어두운 색상일 수 있다.
추가로 또는 대안적으로, 미세유체 장치와 같은 장치는 유착 방지 코팅으로 코팅되어 시료 유착을 줄이거나 방지하여 우수한 감도를 제공할 수 있다. 1nM의 감도는 1백만molecules/mm^2까지 달성될 수 있다. 코팅은 다음 중 하나 이상일 수 있지만 이에 제한되지는 않는다: 에톡시화된 폴리소르베이트(ethoxylated polysorbate) 또는 폴리프로필렌 옥사이드(polypropylene oxide), 폴리에틸렌 옥사이드(polyethylene oxide), 폴리프로필렌 옥사이드(polypropylene oxide)의 비이온성 계면활성제.
일부 실시 예에서 장치는 포트 내 및/또는 채널의 구불구불한 부분 내에서 검출 위치, 즉 X, Y 및/또는 Z 위치를 찾기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 기준점과 같은 활성 위치 찾기 가이드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 위치 찾기 가이드는 하나 이상의 포트 자체 또는 유체 회로 자체의 임의의 다른 특징부일 수 있다.
일부 실시예에서, 활성 위치 찾기 가이드는 배출구 포트 내에 검출 위치를 찾도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 배출구 포트 내의 검출 위치를 찾기 위한 위치 찾기 가이드는 배출구 포트일 수 있다. 배출구 포트 중 하나에서 활성 위치 찾기 가이드를 사용하면 활성 찾기 가이드가 배출구 포트의 정확한 검출 위치를 더 정확하게 찾을 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 그러나 각 배출구 포트의 위치를 찾는 데 시간이 많이 걸리는 방법이 될 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 미세유체 장치 상의 특정 위치를 결정하기 위해 하나 이상의 포트가 이용될 수도 있다.
일부 실시예에서, 분배 채널의 선행부에 검출기가 제공될 수 있고, 검출기는 샘플 채널의 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된다. 그런 다음 동일한 검출기가 분배 채널의 후속부로 이동하여 모세관 채널의 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정할 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 장치는 제2 검출기를 더 포함할 수 있고, 제2 검출기는 구성요소 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다. 분배 채널의 선행부에 제1 검출기가, 분배 채널의 후속부에 제2 검출기가 제공될 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 장치는 분배 채널의 선행부에 제공되는 제2 검출기를 더 포함할 수 있고, 제2 검출기는 샘플 채널 내의 구성요소 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된다.
분배 채널에서 선행부에 제2 검출기를 제공함으로써 정확한 측정을 위해 백그라운드 신호를 고려할 수 있다. 장치의 백그라운드 신호는 보조 채널 내에서 측정되며 모세관 채널의 샘플 신호 측정에서 뺄 수 있다. 모세관 채널에서 감지된 샘플 신호는 백그라운드 신호를 빼서 보정할 수 있다.
일부 실시예에서, 유동 장치에는 공초점 검출기가 제공될 수 있다. 미세유체 장치 내의 검출 영역은 각 치수에서 수백 마이크로미터를 포함하는 공초점 검출 지점에 적합한 크기일 수 있다. 포트에서 공초점 검출기를 사용하면 흐름 내의 생체 분자 검출이 액체 충전 높이에 의존적이지 않지만 상당한 양을 여전히 검출할 수 있다. 공초점 검출기는 채널(들)의 구부러진 부분 내 및/또는 포트 내에서 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출 및 측정하도록 구성될 수 있다. 공초점 지점의 각 넓이가 수백 나노미터를 포함할 수도 있다. 이는 위치 의존도가 훨씬 낮아지고 배경광을 더 줄이는 데 유리할 수 있다. 더 큰 공초점 지점은 검출 감도를 향상시킬 수 있는 더 많은 형광 분자를 측정하는 데 유리하다.
하나 이상의 검출기가 검출 장치의 일부가 될 수 있다. 검출 장치는 샘플 흐름 내에서 관심 있는 생체 분자를 검출하기 위해 유동 장치에 배치될 수 있다. 검출기는 (선택적으로 동시에) 형광 판독을 위해 다중 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 두 가지 색상, 적색과 녹색 647 및 488nm 방출은 670, 680, 690, 700nm(또는: 660nm 또는 670nm 이상에서 롱패스필터된(long-pass filtered)) 주변 또는 510, 520, 530, 540nm(또는: 500 nm 또는 510 nm 또는 520 nm 이상에서 롱패스필터된) 주변에 집중된다.
백그라운드 신호원에는 다음이 포함될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다; 보조 유체, 칩 재료 및 더 넓은 광학 기계 장치의 형광, 흡수, 반사 및 산란. 또한 다른 장치 유체가 다르면 백그라운드 신호의 정도가 다를 수 있다. 예를 들어, 물에 있는 단백질은 백그라운드 신호가 낮지만 적절하지 않을 수 있다. 대신, 예를 들어 점도 차이가 판독값에 영향을 미치지 않도록 보조 유체와 샘플 유체의 인덱스를 일치시키는 것이 바람직할 수 있다. 결과적으로, 혈청이 높은 값의 백그라운드를 가지고 있다는 사실에도 불구하고 때때로 장치 유체라고 불리는 보조 유체로 혈청을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또는 샘플 유체와 일부 물리적 특성을 공유하는 보조 유체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로, 보조 유체는 샘플 유체와 실질적으로 동일한 굴절률, 이온 농도, pH 및/또는 점도를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 백그라운드 신호 및 샘플 유착을 고려함으로써 H-필터로부터 정확한 측정을 수행하기 위한 방법이 제공될 수 있다. 이 방법에는 다음 단계가 포함될 수 있다: 장치의 백그라운드 신호가 샘플 채널에서 측정되는 단계, 각 모세관 채널의 측정값에서 백그라운드 신호를 빼서 보정된 분포 비율 측정값을 도출하는 단계. 샘플 채널에서 측정된 샘플 신호가 측정되고 농도 측정을 위한 보정 메커니즘으로서 각 모세관 채널의 신호 및/또는 백그라운드 신호의 합과 비교하고 샘플의 유착 정도를 결정한다.
일부 실시예에서, 검출기는 모세관 채널의 구부러진 부분의 가장자리로부터 적어도 하나의 채널 폭만큼 떨어진 영역에서 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 결정하도록 구성된다.
모세관 채널의 구부러진 부분의 가장자리로부터 적어도 하나의 채널 폭만큼 떨어진 거리에 검출기를 위치시키면 장치 내에서 칩을 매우 정밀하게 위치시킬 필요가 없다.
일부 실시예에서, 모세관의 구부러진 부분은 실질적으로 동일한 길이의 선행부와 후속부를 포함할 수 있고, 여기서 검출기는 선행부의 구성성분 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하도록 구성될 수 있다.
검출기는 유체 채널의 구부러진 부분의 선행부에 위치할 수 있다. 즉, 단백질 유착의 영향을 받지 않은 샘플의 검출을 최대화하기 위해 구부러진 영역의 끝부분보다 구부러진 영역의 개시부에 더 가깝다. 따라서 측정을 위해 유입구 채널에 더 가깝게 더 많은 유체양을 초래할 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 유동 장치의 특성중 하나는 사용자 인터페이스(user interface)를 더 포함할 수 있다는 것이다. 사용자 인터페이스는 미세 유체 장치와 같은 장치를 감지하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 사용자 인터페이스는 디스플레이 패널을 가질 수 있다.
사용 시, 복수의 미세유체 칩을 포함하는 칩 플레이트(chip plate)가 어떤 미세유체 칩이 사용되었는지 감지하는 사용자 인터페이스에 삽입될 수 있다. 그런 다음 디스플레이 패널은 이 정보를 사용자에게 표시한다.
일부 실시예에서, NFC 태그(tag)와 같은 태그는 채널이 사용된 사용자 인터페이스를 정의하고 보여주기 위해 사용될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, NFC 태그 또는 다른 태그는 본 명세서에 개시된 바와 같이 저항 보정에 사용하기 위한 교정 데이터(calibration data)를 저장하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 병렬 미세유체회로를 포함하는 칩이 제공되며, 각 회로는 다음을 포함한다: 장치 유체가 회로에 도입될 수 있는 장치 유체 유입구 포트로 시작하는 장치 유체 유입구 채널; 샘플 유체가 회로에 도입될 수 있는 샘플 유체 유입구 포트로 시작하는 샘플 유체 유입구 채널; 여기서 샘플 유입구 포트는 샘플 유입구 채널과 대응하는 유입구 포트 사이의 확장부를 포함하고 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분 및 포트에 인접한 곡선 부분을 포함하며; 장치 유체 채널 및 샘플 유체 채널 모두와 유체 연통하는 분배 채널; 출구 포트에서 끝나며 분배 채널과 유체 연통하는 2개의 배출구 채널; 각각의 채널은 최대 폭 또는 높이가 50㎛ 보다 크지 않고; 각각의 배출구 포트에서 진공원에 대한 연결성을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 확장부의 곡선 부분은 0.05 mm와 0.4mm 사이의 반경을 갖는다. 일부 실시예에서, 확장부의 곡선 부분은 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3 또는 0.35mm 이상의 반경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 확장부의 곡선 부분은 0.4, 0.35, 0.3, 0.25, 0.2, 0.15 또는 0.1mm 미만의 반경을 갖는다.
일부 실시예에서, 확장부의 곡선 부분은 0.2mm의 반경을 갖는다.
일부 실시예에서 샘플 포트는 샘플 유입구 포트 주변의 적어도 둘레 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 유입구 포트는 유입구 포트 주변의 적어도 둘레 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 배출구 포트는 배출구 포트 주변의 적어도 둘레 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함한다.
일부 실시예에서, 각각의 유입구 포트는 각각의 유입구 채널과 대응되는 유입구 포트 사이에 확장부를 포함하고, 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 각각의 배출구 포트는 각각의 배출구 채널과 대응하는 배출구 포트 사이에 확장부를 포함하고, 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다.
칩은 모세관 힘이 우세하기 때문에 모세관 충전이 가능하도록 채널을 선택하는 미세 유체 기법에 따라 특정될 수 있다. 채널이 이 방법에서 작동하도록 채널의 최대 치수가 선택된다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 목적 중 하나는 장치의 효율을 증가시키기 위해 회로의 신속한 충전을 보장하는 것이다. 예를 들어, 회로는 5분 미만, 바람직하게는 5분에서 90초 사이에 모세관을 완전히 채울 수 있어야 한다.
확장부는 두 메니스커스 사이에 기포가 갇히는 것을 방지하기 위해 장치 또는 보조 유체에 샘플 유체(도입 시)를 위한 더 평평하고 부드러운 메니스커스를 제공하도록 유리하게 설계될 수 있다. 끝이 뾰족한 직선 모세관은 메니스커스 사이에 기포를 가두는 경향이 더 높다.
또한 확장부에는 채널에서 포트 쪽으로 확장되는 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 도달할 때 점점 가늘어지는 형태의 부분 끝에서 더 확장되는 곡선 또는 반경형식(radiused section)의 부분이 있다. 반경형식의 부분은 반경이 0.05mm에서 0.4mm 사이인 원의 반경을 따르도록 형성된다. 이렇게 하면 유체가 채널과 포트 사이에 나타나는 단면적이 큰 단계에 도달할 때 멈추기 때문에 포트가 모세관력으로 채워질 수 있다. 확장부의 반경형식의 부분이 없으면, 확장부의 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트 사이에 계단식 이동이 있게 된다.
이로 인해 기포가 형성될 수 있는 지점에서 메니스커스가 고정될 수 있다. 선호되는 작업 방식은 전체 칩을 장치 유체로 채운 다음 샘플을 도입하는 것이기 때문에 샘플 유입구에서 특히 중요하다. 확장부의 반경 형식부분이 없는 경우, 샘플 유체 채널의 시작 부분에서 확장부 부근의 장치 유체와 샘플 유체 사이에 기포가 형성될 수 있다. 이러한 기포는 샘플 유입구 채널을 차단하기에 충분하여 샘플 유체가 분배 채널로 유입되는 것을 방지할 수 있다. 채널이 기포에 의해 완전히 차단되지 않고 샘플 유체가 분배 채널로 성공적으로 유입되더라도 기포는 분배 채널 후속부의 검출을 방해한다.
확장부의 반경형식 부분에서 포트로의 흐름의 효율성은 포트 주변의 적어도 일부 주위로 확장되는 유량 가이드를 제공함으로써 향상되며, 포트와 채널 사이의 유체 흐름을 개선하여 포트 주변의 유체에 대한 초기 흐름 경로를 제공하는 역할을 한다. 포트에 원형 단면이 있는 경우 유량 가이드는 환형일 수 있다. 환형의 치수는 채널 치수와 밀접하게 일치하도록 선택할 수 있다. 유량 가이드는 포트의 주변 전체에 제공되는 것이 아니라 대신에 채널 입구 지점에 인접한 포트 영역에만 제공될 수 있다.
유량 가이드는 또한 배출구 포트에서 유체의 균일성에 기여한다. 유량 가이드는 포트가 채우기 시작하는 우선적인 유체 경로를 제공한다. 유량 가이드가 채워지면 포트의 나머지 부분이 채워지고 포트 전체에 눈에 띄는 농도 기울기가 없게 된다. 이는 포트에서 신호를 검출해야 할 때 중요하다.
장치 유체 채널, 샘플 유체 채널, 분배 채널 및 2개의 배출구 채널은 고전적인 H-필터 구성을 취할 수 있다.
분배 채널에서 샘플 유체는 장치 유체와 접촉하고 확산에 의해 분배가 발생한다.
배출구에서 끌어 당기지 않고 회로를 통해 유체를 밀어 넣기 위해 유입구에서 연결되는 경우 배출구 채널에서 압력 관리 연결을 제공하여 존재할 수 있는 오염 위험을 줄인다.
일부 실시예에서, 각 채널에는 샘플 유착을 방지하고 회로의 효율적인 충전을 가능하게 하도록 구성된 코팅이 제공될 수 있다.
코팅의 선택은 샘플이 단백질 유착에 의해 분해되지 않고 원하는 빠른 충전을 가능하게 하는 데 있어 중요하다.
일부 실시예에서 채널은 최대 치수가 40μm이다.
일부 실시예에서, 채널은 최대 치수에 대해 수직으로 최대 25μm까지의 범위를 갖는다.
치수는 합당한 시간, 즉 1분 이내에 전체 칩의 모세관 충전이 가능하도록 엄격하게 조절된다. 예를 들어, 25μm x 40μm 채널 구성은 1분 이내에 채울 수 있지만 25μm 치수를 30μm로 늘리면 채우는 데 너무 오래 걸린다.
또한 치수가 변경되면 회로의 부피도 크게 변경되어 더 큰 채널의 충전 시간이 훨씬 더 길어진다. 채널이 작을수록 유체 역학적 저항이 높아져 작동 중 확산 채널의 유체 유량이 감소할 수 있다.
채널의 크기를 줄이면 채널 벽의 표면적은 감소하지만 표면적 대비 부피 비율이 증가하므로 표면 유착 발생 위험이 증가한다.
작은 단면적을 가진 채널의 제공은 효율적인 모세관 충진에 기여할 뿐 아니라, 포트 검출이 실행 가능한 옵션이 된다. 이는 샘플을 도입하기 전에 전체 칩이 장치 유체로 채워질 수 있지만 장치 유체의 부피는 배출구 포트에서 의미 있는 측정을 배제하지 않을 정도로 여전히 충분히 낮기 때문이다.
일부 실시예에서, 코팅은 친수성일 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 소수성일 수 있다.
일부 실시예에서 보조 유체 또는 샘플 유체는 유체와 채널 표면 사이의 접촉각을 감소시키는 계면활성제 또는 에탄올과 같은 용매 또는 첨가제를 포함할 수 있다. 낮은 접촉각은 모세관 프라이밍을 돕는 데 유리하다.
일부 실시예에서, 칩은 8개의 미세유체 회로를 포함할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해, 당업자는 임의의 수의 미세유체 회로가 하나의 칩에 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 칩은 8개 이상의 미세 유체 회로를 포함할 수 있다. 또한, 칩은 8개 미만의 미세유체 회로를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 각각의 배출구 포트는 개방 포트일 수 있다. 열린 포트의 제공은 프라이밍 동안 유체의 흐름을 정지시킨다. 또한 개방 포트 내에 압력이 축적되지 않는다. 유속은 이전에 확장부에 의해 느려졌지만, 특히 샘플과 보조 채널 사이 및/또는 보조 채널과 모세관 채널 사이의 프라이밍 과정 동안 개방 포트의 제공으로 유체 흐름이 완전히 중단될 수 있다.
일부 실시예에서 확장부는 적어도 하나의 시약을 포함하도록 구성될 수 있다. 시약은 확장부에 인접한 포트를 통해 제공될 수 있다.
이것은 칩이 시약을 포함하는 확장부에 도달할 때까지 장치 유체로 채워지기 때문에 칩의 완전한 자동 충전을 가능하게 한다. 그런 다음 시약은 장치 유체와 접촉하고 확장부가 장치 유체와 시약의 혼합물로 완전히 채워지면 모세관 작용 흐름이 확장부의 시약을 통합하는 칩을 채운다.
본 발명의 맥락에서 달리 명시되지 않는 한 "시약"이라는 용어는 샘플 유체를 의미할 수도 있다.
일부 실시예에서, 배출구 포트 중 적어도 하나의 확장부는 샘플과 보조 유체 흐름이 확장부의 가장자리에서 서로 접촉할 때 샘플과 보조 유체 흐름의 혼합물을 형성하도록 구성될 수 있다. 확장부의 가장자리에서 샘플과 보조 유체 사이의 접촉은 유체 사이에 공기가 없도록 하므로 채널 내에서 기포가 생성되지 않는다.
일부 실시예에서, 시스템 유체 채널에는 친수성 코팅이 제공될 수 있다. 표면 코팅이 친수성이면 표면이 장치 유체에 의해 적셔지므로 장치 유체가 장치 유체 채널에 로드되는 동안 기포가 혼입되지 않는다.
일부 실시예에서, 분배 채널의 선행부에 제공된 채널에는 친수성 코팅이 제공될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 분배 채널의 후속부에 제공된 채널에는 소수성 코팅이 제공될 수 있다.
일부 실시 예에서 샘플 유체 채널에는 친수성 코팅이 제공될 수 있다. 친수성 표면 코팅은 샘플 유체가 샘플 유체 채널에 로드되는 동안 기포가 혼입되지 않도록 표면이 샘플 유체에 의해 젖게 된다.
일부 실시예에서, 미세유체 장치의 각 채널에는 포트가 제공될 수 있으며 포트의 표면은 거칠어질 수 있다.
일부 실시예에서, 장치 유체 채널에는 장치 유체가 장치 유체 채널 내로 로드될 수 있고 포트의 표면이 거칠어진 포트가 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 유체 채널에는 샘플 유체가 제공될 수 있고 장치 유체가 유체 사이에 기포 형성 없이 모세관 작용을 통해 샘플 유체와 만날 수 있는 포트가 제공될 수 있으며 포트의 표면은 거칠어질 수 있다.
포트 표면을 거칠게 하면 장치 유체가 포트로 균일하게 이동한다.
일부 실시예에서, 진공원은 주사기 펌프(syringe pump) 또는 피스톤 펌프(piston pump), 로터리 펌프(rotary pump), 다이어프램 펌프(diaphragm pump) 또는 연동 펌프(peristaltic pump)와 같은 펌프이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 이전 특징에 따라 칩 상의 미세유체 회로를 개시하는 방법이 제공된다. 방법은 다음 단계를 포함한다 : 장치 유체로 장치 유체 채널을 통해 전체 미세 유체 회로를 모세관으로 채우는 단계; 채널 또는 포트 중 적어도 하나에서 백그라운드 신호 검출하는 단계; 샘플 유체 채널을 통해 분석 대상 샘플을 포함하는 유체를 유입시키는 단계; 미세 유체 회로를 통해 유체를 끌어당기기 위해 진공을 배출구에 연결하는 단계; 적어도 하나의 배출구 채널에서 분석될 샘플과 관련된 샘플 신호를 검출하는 단계; 및 백그라운드 신호를 제거함으로써 검출된 샘플 신호를 보정하는 단계를 포함한다.
단일 유입구를 통해 유체를 회로로 주입시킴으로써 유체는 장치 전체로 흐르며 모든 채널에서 공기를 밀어낸다. 이렇게 하면 장치에 기포가 갇히지 않는다. 기포가 미세 유체 채널을 막을 수 있기 때문에 이것은 매우 중요하다. 2개의 개별 유입구를 통해 유체를 동시에 도입하면 샘플과 장치 유체 채널 및 유체가 의도한 대로 모이는 것을 방지하는 분배 채널 사이의 접합부에 기포가 갇힐 위험이 있다.
미세유체 회로 전체에 장치 유체를 주입함으로써 배출구에서 백그라운드 신호를 검출할 수 있으므로 샘플 신호를 보정하여 백그라운드 신호를 제거하여 얻은 데이터의 품질을 향상시킬 수 있다.
이 방법은 과도한 양의 장치 유체가 회로를 통해 플러시되는 최신 장치와 비교해볼때 사용되는 유체의 양이 적다. 이 방법에서 샘플 도입 전에 사용된 장치 유체의 부피는 미세 유체 회로의 부피와 같다. 이 부피는 10에서 250nl, 예를 들어 120nl의 영역에 있을 수 있다. 이는 장치 유체가 비싸거나 공급이 제한된 상황에서 유용하다.
현재 실무에서 과량의 장치 유체로 세척하는 방법의 장치 유체는 일반적으로 물이다. 그러나 더 적은 양의 장치 유체를 사용할 수 있다면 샘플 유체와 점도가 일치하는 장치 유체를 사용하는 것과 같이 주어진 샘플 유체에 대해 맞춤화되는 방법을 수행하는 것이 가능하다. 대안적으로 또는 추가로 이것은 동일한 테스트가 복수의 다른 장치 유체로 반복되는 환경에서 유리하다. 예를 들어, pH 값이 다른 복수의 장치 유체로 실험을 반복하는 것과 같다.
일부 실시예에서, 전체 칩은 백그라운드 측정이 취해질 수 있도록 주요 실험 전에 완충 용액 또는 물과 같은 보조 유체로 채워질 것이다. 샘플 측정에서 백그라운드 값을 뺄 수 있으므로 샘플 검출의 정확도를 향상시키는 데 도움이 될 수 있다.
또한, 본 명세서에 개시된 바와 같은 칩은 칩 전체에 걸쳐 백그라운드 측정을 가능하게 하고 기포 트랩(bubble trap)의 위험을 방지한다. 따라서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명은 미세유체 회로의 성능 신뢰성을 개선하고 샘플 측정의 정확도를 개선하는 데 도움이 되는 미세유체 회로의 기포 없는 충전을 가능하게 한다.
본 발명은 이제 단지 예로서 그리고 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치를 도시한다;
도 2는 도 1에 따른 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치의 대안적인 실시예를 제공한다;
도 3은 도 1에 따른 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 H-필터 구성을 갖는 유동 장치를 도시한다;
도 5a는 모세관 채널과 같은 유체 채널의 실시예를 도시한다;
도 5b는 도 5a에 따른 유체 채널의 실시예를 도시한다;
도 5c는 모세관 채널과 같은 유체 채널의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 6은 본 발명에 따른 미세유체 회로를 나타낸다;
도 7은 도 6에 따른 미세유체 회로의 대안적인 실시예를 도시한다;
도 8은 본 발명에 따른 확장부 및 유량 가이드를 갖는 포트를 도시한다;
도 9a 내지 9e는 본 발명에 따른 사용자 인터페이스를 도시한다;
도 10a내지 10b는 미세유체 칩의 보정기준점을 나타낸다;
도 11a는 포트의 기하 구조 및 모래시계형 여기 형상(excitation profile)의 실시예를 도시한다;
도 11b는 형광 광도 윤곽선 도표을 보여준다;
도 12는 가장 큰 형광 출력 기여도를 보여주는 도표를 제공하며;
도 13은 형광 신호 및 칩 포트에 대한 초점/Z 위치 범위에 걸쳐 획득된 역반사된 여기 신호(excitation signal)를 제공한다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명은 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 구성성분은 생체 분자 일 수 있다. 구성성분의 실시예는 단백질, 펩티드(peptide), 엑소좀(exosome), 항체 또는 이의 항체 단편, DNA 또는 DNA 조각, RNA, siRNA 또는 mRNA와 같은 뉴클레오티드(nucleotide) 또는 다당류일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에 정의된 바와 같이 그리고 달리 명시되지 않는 한, "생물물리학적 특성"이라는 용어는 형광 분광법(fluorescence spectroscopy) 또는 마이크로 확산 사이징(MDS)과 같은 생물물리학적 기술을 사용하여 측정 또는 검출될 수 있는 구성성분의 물리적 및/또는 화학적 특성을 지칭한다. 측정될 수 있는 생물물리학적 특성의 실시예는 수력 반경(hydrodynamic radius), 확산도, 분자량, 전하, 등전점, 결합 친화도, 결합력(avidity), 농도, 질량 플럭스(flux), 농도 플럭스 및/또는 구성성분의 확산 속도일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 1을 참조하면, 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 유동 장치8이 제공된다. 유동 장치8은 장치10을 포함한다. 도1에 도시된 바와 같이, 샘플을 장치10에 로드하기 위한 샘플 유입구 포트11이 제공된다. 장치10은 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널16으로 도입하기 위한 샘플 채널12을 포함한다.
보조 채널14에 보조 유체를 로드하기 위한 보조 유입구 포트13이 제공된다. 예를 들어 보조 유체는 완충 용액이거나 물일 수 있다. 보조 채널14는 세장형 분배 채널16 내로 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위해 제공된다. 또한, 상류 추가 저항 채널15가 샘플 채널12 및/또는 보조 채널14에 제공되어 유속을 제어하는 것을 도울 수 있다. 보조 입구 포트13은 또한 보조 유체의 초기 판독을 위해 사용될 수 있다.
보조 유입구 포트13 및 샘플 유입구 포트11는 개방형, 즉 덮개가 없는 형상을 갖는다.
이렇게 하면 거품이 갇힐 수 있는 위치가 줄어든다. 또한, 분배 채널16, 샘플12 및 보조 채널14에는 모두 코팅이 제공된다. 코팅 자체는 소수성이지만 채널이 형성되는 처리되지 않은 재료보다는 친수성이다. 채널에 코팅할 때, 유입구 포트11, 13은 코팅이 없을 때보다 채널이 더 친수성을 가지는 층으로 코팅된다. 코팅은 장치10의 모세관 충전을 돕기 위해 선택된다. 포트에 코팅을 제공하는 것은 채널에 대한 코팅 절차의 산물에 불과하지만, 코팅을 전체적으로 제공하는 것은 유체가 포트를 통과하여 채널로 들어갈 때 코팅된 표면과 코팅되지 않은 표면 사이의 경계면이 생기는 것을 방지한다.
분배 채널16은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 샘플 채널12 및 보조 채널14의 일부는 구부러지거나(tortuous) 구불구불한(serpentine) 구성20으로 배열된다. 샘플 채널12와 보조 채널14의 구불구불한 구성은 샘플 및/또는 보조 채널12, 14 내의 기포를 줄이거나 제거하는 데 도움이 될 수 있다.
2개 이상의 모세관 채널18이 하류에 제공되고 분배 채널16과 유체 연통되어 도달된 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널18로 이동한다. 각각의 모세관 채널18의 일부는 구부러지거나(tortuous) 구불구불한(serpentine) 구성20으로 배열된다. 단단하게 압축된 모세관 채널은 감도를 높이고 신호 대비 잡음비를 줄인다. 일부 경우에, 구부러지거나 구불구불한 구성20은 검출기로 구성요소를 검출하기 위해 측정 가능한 유하 면적을 증가시킨다. 이는 단일 검출 지점으로 검출할 모세관 채널의 부피를 증가시켜 관심 성분을 검출하기 위한 감도를 향상시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 모세관 채널18의 구부러진 구성20은 또한 채널 내의 기포를 감소시키거나 제거하는 것을 도울 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 분배 채널16 내의 유체는 적어도 2개의 모세관 채널18로 분할된다. 각각의 모세관 채널18은 확산 및/또는 비확산 유체 흐름을 포함할 수 있다. 각각의 모세관 채널18은 검출 영역 또는 구불구불한 구성20으로 배열된 영역을 더 포함할 수 있으며, 여기서 확산 및/또는 비확산 샘플 유체 흐름은 검출기를 사용하여 검출될 수 있다.
또한, 각각의 모세관 채널18에 추가 저항 채널22가 제공된다. 추가 저항 채널22는 칩 상에 저항을 제공하도록 구성된다. 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하기 위해 채널의 "온칩(On-chip)" 저항이 제공될 수 있다. 선행부 저항은 유통 채널 내 흐름 균형을 결정하는 데 지배적인 요인이 될 수 있다. 따라서 후속부 저항이 최소화될 수 있다. 온칩 저항에 필요한 작은 형상의 제조가 어렵기 때문에 온칩 저항의 최소화가 중요하다.
각각의 모세관 채널18은 또한 샘플 유체 흐름의 검출이 수행될 수 있는 배출구 포트26을 포함하거나, 예비 검출이 유입구 포트11, 13에서 발생하는 상황에서 추가적으로 수행될 수 있다. 배출구 포트26 내에서 구성성분의 검출은 배출구 포트26에서 이용 가능한 더 많은 양의 구성성분이 있다는 사실로 인해 감도가 증가하므로 유리할 수 있다. 어떤 경우에는 백그라운드 신호가 배출구 포트26에서 감지될 수 있다. 백그라운드 신호를 사용하면 샘플 신호를 보정하여 얻은 데이터의 품질을 향상시킬 수 있으므로 유용할 수 있다.
배출구 포트26은 개방되고 코팅되지 않은 물질보다 더 친수성이 높게 코팅된다. 코팅 물질은 본질적으로 소수성일 수 있지만, 채널 및 포트를 형성하는 물질은 더 높은 소수성을 가지므로 채널을 코팅하면 친수성이 높아진다. 배출구 포트26은 개방된 기하학적 구조를 가지며 모세관 충전을 중단되도록 그 비율이 선택된다. 포트26의 기하학적 구조는 또한 포트26으로부터의 증발이 장치8의 사용에 상당한 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다.
배출구 포트26은 모세관 채널이 배출구 포트26에 접근함에 따라 점진적으로 확장되는 나팔 모양의 입구를 갖는다. 배출구 포트26은 환형 링을 포함하고 유체는 우선적으로 나팔 모양의 입구를 통해 환형 링 주위로 흐른다. 이론에 제한되지 않고, 이 구성은 배출구 포트26 내의 농도 기울기를 감소시키거나 심지어 근절시키는 것으로 나타난다. 이것은 배출구 포트26의 검출 판독값이 기울기를 가로지르는 단순한 순간의 값(snapshot)이 아니라 포트26의 전체 내용물의 진정한 대표 값이라는 것을 의미한다.
환형 링은 배출구 포트26로 공급되는 미세유체 채널의 높이와 동일한 40㎛의 높이를 갖는다. 이렇게 하면 거품이 모이는 위치를 제공할 수 있는 단계가 없다. 유체는 채널을 따라 흐르고 나팔 모양의 개구부를 통해 확산된 다음 고리 모양의 링 주위로 흘러 갇혀 있을 수 있는 공기를 강제로 배출한다. 그런 다음 유체는 기포가 형성되지 않도록 전체적으로 공기를 고르게 내보내면서 배출구 포트26으로 흐르기 시작한다.
포트는 드릴로 제조하거나 성형할 수 있다. 이들의 기능은 제조 방법론과 무관하게 사용 가능해야한다.
도 1을 참조하면, 전환 가능한 압력원(첨부 도면에는 도시되지 않음)이 제공될 수 있으며 유체 채널12, 14, 16, 18을 통해 유체의 흐름을 제어하도록 구성된다. 압력원은 주사기 펌프(syringe pump) 또는 압력 펌프(pressure pump)와 같은 펌프일 수 있다. 압력 펌프는 샘플 유체 채널12 및/또는 보조 유체 채널14에 연결되어 채널을 따라 유체를 이동시키기 위한 정압 압력원을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 주사기 펌프는 유체 채널을 따라 유체 흐름을 이동시키기 위해 모세관 채널18에 제공된 배출구 포트26에 연결될 수 있다.
검출기(첨부 도면에는 도시되지 않음)가 장치 설정과 함께 제공될 수 있다. 검출기는 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널18에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 검출기는 미세유체 칩 상의 각각의 배출구 포트26에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다.
분배 채널16의 선행부에 제2 검출기(첨부 도면에는 도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 제2 검출기는 샘플 채널12 내의 구성성분 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다.
분배 채널에서 선행부에 제2검출기를 제공함으로써, 정확한 측정을 제공하기 위해 백그라운드 신호를 고려할 수 있다. 장치의 백그라운드 신호는 보조 채널 내에서 측정되며 백그라운드 신호는 모세관 채널의 샘플 신호 측정에서 뺄 수 있다. 모세관 채널에서 감지된 샘플 신호는 백그라운드 신호를 빼서 보정할 수 있다.
미세유체 장치의 형상은 분배 채널의 길이와 폭 및 전체 칩 저항이 1 내지 20nm 사이의 수력 반경을 가진 단백질과 같은 일반적인 생체 분자의 크기 범위에 적합한 특정한 구성일 수 있다. 장치 내의 압력 차이가 -50내지 -1000mbar 사이를 달성할 수 있는 진공 펌프를 사용할 수 있다. 분배 채널 폭은 분배 채널에서 보낸 시간이 t의 제곱근(Dt)와 동일해야 하는데, 여기서 t=L/v, L은 분배 채널의 길이이고 v는 주어진 칩 저항R의 평균 유체 속도이고 압력차이 dp 및 D는 일반적인 단백질 확산계수를 나타낸다.
단지 실시예로서, 분배 채널의 폭은 5-100㎛ 사이일 수 있거나, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 또는 48㎛보다 클 수 있다. 일부 실시예에서 분배 채널의 폭은 50, 48, 46, 44, 42, 40, 38, 36, 34 또는 32 μm 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 분배 채널의 폭은 40μm이다. 분배 채널의 길이는 1~100mm이거나 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45mm를 초과할 수 있다. 일부 실시예에서 분배 채널의 길이는 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15 또는 10 mm 보다 작을 수 있다. 예를 들어 분배 채널의 길이는 23mm이다. 미세유체 장치의 전체 저항은 20-2000 mbar/μl/min 사이이거나 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 또는 450 mbar/μl/min을 초과할 수 있다. 일부 실시예에서 미세유체 장치의 전체 저항이 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200 또는 150 mbar/μl/min 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 미세 유체 장치의 총 저항은 250mbar/μl/min이다.
미세유체 장치는 배경광과 형광을 줄이기 위해 검은색과 같은 어두운 색상으로 제공될 수 있다. 플라스틱일 수 있는 미세유체 장치는 사출 성형 기술로 제조할 수 있다. 미세유체 장치는 예를 들어 카본 블랙(Carbon black)과 같은 착색제 및/또는 첨가제를 사용하여 검은색으로 만들 수 있다.
본 발명에 개시된 바와 같은 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 방법은 도 1에 도시된 바와 같은 흐름 장치에서 수행될 수 있다. 상기 방법은 0.01 내지 10 μl/min 범위의 제1 유속으로 하나 이상의 성분을 포함하는 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널로 도입하는 단계; 보조 유체 흐름을 분배 채널에 제2 유속으로 도입하는 단계, 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 성분(들)이 수평적으로 분포하는 단계; 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 분배 채널 후속부의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계; 정상 상태 분포에 도달한 후 미리 정해진 시간에 유체의 흐름을 중지하는 단계; 및 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
샘플 및 보조 유체 흐름은 온칩 저항을 포함할 수 있는 H-필터의 양쪽에 로드된다. 압력 원(진공 또는 정압)을 제공하여 샘플 및 보조 유체의 압력 구동 흐름을 칩으로 유도할 수 있다. 샘플 및 모세관 채널의 저항은 샘플 흐름을 제어하는 데 도움이 된다. 분배 채널과 후속부의 모세관 채널 모두에서 확산 평형에 도달하면 흐름을 중지시키고 광학적 검출을 수행할 수 있다.
정지 수단을 사용하여 유체의 흐름을 정지시킬 수 있다. 정지 수단은 평형 상태를 유지하면서 유체의 흐름을 정지시키기 위해 제공될 수 있다. 단지 실시예로서, 유체 흐름을 멈추기 위해 해제 가능한 밸브가 장치에 제공될 수 있다. 칩 전체의 압력을 평형화하기 위해 압력 해제 밸브가 제공된다. 예를 들어, 샘플 채널, 보조 채널, 분배 채널 및/또는 후속부 모세관 채널을 평형화하기 위해 압력 해제 밸브가 제공될 수 있다. 구성 성분의 정상 상태 분포에 도달할 수 있도록 사용자는 유체 흐름을 중지하기 전에 하나 이상의 구성성분의 정상 상태 분포에 도달할 수 있도록 미리 정해진 시간을 설정할 수 있다.
샘플 흐름의 검출은 모세관 채널과 같은 분배 채널의 끝을 훨씬 넘어선 위치에서 수행될 수 있다. 검출기는 광학 검출기일 수 있다. 검출기는 고해상도 카메라 또는 광전자 증배관(photomultiplier tube) 일 수 있다.
추가 작동 모드는 시간 경과(time-course) 실험을 수행하기 위해 여러 개시-중지 분석을 수행할 수 있다. 추가 작동 모드는 흐름이 중지되고 후속 분석 전에 인큐베이션 단계와 같은 처리 단계를 수행하는 것일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따라 설정된 장치8의 실시예가 제공된다. 장치8은 미세유체 장치와 같은 장치10를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 샘플을 장치10에 로드하기 위한 샘플 포트11가 제공된다. 장치10은 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널16으로 도입하기 위한 샘플 채널12를 포함한다.
보조 채널14에 보조 유체 흐름을 로드하기 위한 보조 유입구 포트13가 제공된다. 보조 채널14는 제2 유속으로 보조 유체 흐름을 세장형 분배 채널16 내로 도입하도록 구성된다. 분배 채널16은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다.
2개 이상의 모세관 채널18이 후속부에 제공되고 분배 채널16과 유체 연통하여 도달된 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널18로 이동한다. 각각의 모세관 채널18의 일부는 구부러진 또는 구불구불한 구성20으로 배열될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 선행부 검출 챔버(chamber)30, 32가 분배 채널16의 선행부에 제공된다. 선행부의 검출 챔버(들)는 샘플과 보조유체가 만나기 전 샘플 및 보조유체의 초기 판독 값을 제공하는데 사용될 수 있다. 이는 일반 물과 같은 보조 유체에 대한 판독 값을 알아야 하므로 검출 장치를 보정하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 선행부 샘플 검출 챔버30은 샘플 채널12에 제공되고, 선행부 보조 검출 챔버32는 보조 채널14 상에 제공된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 분배 채널16의 후속부에 모세관 채널18과 유체 연통하는 하나 이상의 검출 챔버34가 제공될 수 있다. 각각의 후속부 검출 챔버34에서 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 검출하기 위해 검출기가 제공될 수 있다. 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성은 미세유체 칩 상의 각각의 후속부 검출 챔버34에서 순차적으로 또는 동시에 측정될 수 있다.
또한, 각각의 모세관 채널18에 추가 저항 채널22가 제공된다. 추가 저항 채널22는 칩 상에 저항을 제공하도록 구성된다.
모세관 채널18은 또한 샘플 유체 흐름의 검출이 수행될 수 있는 배출구 포트26을 포함한다. 검출기를 사용하는 배출구 포트26 내의 성분의 검출 및 분석은 배출구 포트26에서 이용 가능한 성분의 양이 많아 감도가 증가하므로 유리할 수 있다. 배출구 포트26 내에서 수집된 유체는 추가 분석을 위해 수집되거나 사용자에 의해 폐기될 수 있다.
도 3을 참조하면, 여기에 개시된 바와 같은 본 발명에 따른 장치10의 대안적인 실시예가 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 샘플을 장치10에 로드하기 위한 샘플 포트11이 제공된다. 장치10은 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널16으로 도입하기 위한 샘플 채널12를 포함한다. 보조 유체 흐름을 보조 채널14로 로드하기 위해 보조 유입구 포트13이 제공된다. 보조 채널14는 제2 유속으로 세장형 분배 채널16 내로 보조 유체 흐름을 도입하도록 구성된다. 분배 채널16은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다.
2개 이상의 모세관 채널18이 후속부에 제공되고 도달된 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널18로 이동하도록 분배 채널16과 유체 연통한다. 각각의 모세관 채널18의 일부는 구부러지거나 구불구불한 구성20으로 배열된다. 배출구 포트26는 모세관 채널18과 유체 연통하는 후속부에 제공된다. 검출기를 사용하는 성분의 검출 및 분석은 배출구 포트26 내에서 수행될 수 있다.
도 4에 따르면, 장치10에 샘플을 로드하기 위한 샘플 포트11이 제공된다. 또한, 하나 이상의 구성성분을 포함하는 샘플 유체 흐름을 제1 유속으로 세장형 분배 채널16으로 도입하기 위한 샘플 채널12를 포함하는 장치10이 제공된다. 보조 유체 흐름을 로드하기 위해 보조 유입구 포트13이 제공된다. 세장형 분배 채널16 내로 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위해 보조 채널14가 제공된다. 샘플 및 보조 유체 흐름은 각각 진공 또는 정압을 사용하여 샘플 채널12 및 보조 채널14에 로드된다.
분배 채널16은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다. 샘플 채널12의 일부와 보조 채널14의 일부는 구불구불하거나 구부러진 구성20으로 배열된다.
2개 이상의 모세관 채널18이 후속부에 제공되고 분배 채널16과 유체 연통하여 도달된 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널18로 이동한다. 각각의 모세관 채널18의 일부는 구부러지거나 구불구불한 구성20으로 배열된다. 배출구 포트26이 후속부에 제공되고 모세관 채널18과 유체 연통한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 성분의 검출은 모세관 채널18에서, 보다 구체적으로는 모세관 채널18의 구부러진 영역20 내에서 수행될 수 있다.
도 4에 나와 있는 장치를 사용하여 사용자는 백그라운드 신호를 고려하여 구성성분을 정확하게 측정할 수 있다. 백그라운드 신호의 원인에는 보조 유체, 칩 재료 및 광학 기계 장치의 형광, 흡수, 반사 및 산란을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 도 4에 도시된 장치10의 백그라운드 신호는 검출기를 사용하여 보조 채널14에서 측정될 수 있다. 특히, 백그라운드 측정은 보조 채널14의 구부러진 영역20에서 취해질 수 있다. 그 후 이 백그라운드 신호는 보정된 측정값을 도출하기 위해 후속부 모세관 채널18에서 취한 측정에서 감산될 수 있다.
백그라운드 신호 및 샘플 유착을 설명하려면 다음 단계가 필요하다. 장치의 백그라운드 신호는 샘플 채널12, 특히 샘플 채널12의 구부러진 영역20에서 측정된다. 그런 다음 이 백그라운드 신호를 후속부 모세관 채널18에서 측정한 값에서 빼서 분포 비율의 백그라운드 보정 측정을 도출할 수 있다. 샘플 유착 확인을 위해 샘플 채널12의 구부러진 영역20에서의 신호가 측정되고 모세관 채널18의 구부러진 영역20의 후속부에서 취해진 측정치의 합과 비교된다. 백그라운드 신호를 고려하여 사용자는 샘플의 농도 측정값을 보정할 수 있다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, 유체 채널의 검출 영역44의 실시예가 제공된다. 유체 채널은 샘플 채널, 보조 채널 및/또는 모세관 채널일 수 있다. 광학 검출 영역일 수 있는 검출 영역44는 미세유체 채널의 밀접하게 놓인 구획(segment)48에 의해 생성될 수 있다. 검출 영역은 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 구부러진 구성44의 형태일 수 있다. 도 5a에 표시된 형상은 유체 채널 내 기포 혼입 위험을 크게 줄일 수 있다. 이 형상은 유체 내의 구성 성분 측정 정확도를 크게 향상시킨다. 구부러진 구성을 포함하는 채널의 일부는 칩에서 유체 저항 네트워크(flow resistance network)의 일부를 형성할 수 있다.
하나 이상의 구성성분을 포함하는 유체 흐름이 검출 영역44에 진입함에 따라, 유체 흐름은 칩 상에 제공된 압력 해제 밸브에 의해 검출 영역44 내에서 정지될 수 있다. 유체 채널의 구부러진 영역44 내의 하나 이상의 구성성분을 검출하기 위해 검출기(첨부 도면에는 도시되지 않음)가 제공될 수 있으며, 도 5a및 도 5b에 도시된 바와 같이 구부러진 영역44의 검출 영역46이 선택될 수 있다. 바람직하게는 검출기는 광학검출기이다.
유체 채널의 구부러진 부분44의 각각의 구획 또는 영역48 사이의 간격은 서로 근접할 수 있다. 일부 실시예에서, 채널의 구부러진 부분44의 구획 또는 영역48 사이의 간격은 일정할 수 있거나 채널의 전체 구부러진 영역44를 따라 달라질 수 있다. 일부 실시예에서, 구부러진 부분은 구불구불한 구성을 포함한다.
구부러진 부분44의 각 구획 48 사이의 간격은 10 내지 50μm 또는 10 내지 30μm 떨어져 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 각 구획 48 사이의 간격은 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45μm 이상 떨어져 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 각 구획 사이의 간격은 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20 또는 15μm 보다 작을 수 있다. 선택적으로 각 구획 사이의 간격은 30μm이다.
구획 또는 영역48 사이의 간격이 가까울수록 칩 재료에 의해 야기되는 백그라운드 신호의 양을 최소화하고 주어진 광학 검출 영역46에 대해 이용 가능한 검출 양을 최대화함으로써 광학 정확도 및 감도를 증가시킬 수 있다. 광학 장치에 대해 상대적으로 고도로 정밀한 칩의 위치 지정 필요성을 피하기 위해, 광학 조명 또는 검출은 도 5a의 검출 영역46에 의해 표시된 바와 같이 검출 영역 내부에 잘 유지된다.
도 5b를 참조하면, 모세관 채널과 같은 유체 채널의 검출 영역44의 대안적인 실시예의 도시가 제공되며, 도 5B는 검출 영역44의 유입구 말단부50에 더 가깝게 검출 영역46을 이동시키는 것이 가능함을 도시한다. 샘플 부착은 채널을 따라 발생할 수 있으므로 검출 영역44의 유입구 말단부50에서보다 검출 영역44의 배출구 말단부51에서 더 많은 샘플 유착이 있을 것이다. 따라서, 검출 영역44의 유입구 말단부50 근처에 검출 영역46을 제공하면 단백질 유착에 의해 영향을 받지 않은 샘플의 검출을 최대화할 수 있다.
또한, 모세관 채널, 샘플 채널 또는 보조 채널일 수 있는 유체 채널의 일부는 도 5c에 도시된 바와 같이 나선형 구성52를 포함할 수 있다. 나선형 구성52의 각 구획48 사이의 간격은 10 내지 50㎛ 떨어져 있을 수 있거나, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 또는 45㎛ 이상 떨어져 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 나선형 구성52의 각 구획48 사이의 간격은 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20 또는 15㎛ 보다 작을 수 있다.
선택적으로, 나선형 구성52의 각 구획48 사이의 간격은 30㎛이다. 광학 정확도 및 감도를 증가시키기 위해 구부러진 영역의 임의의 형상 또는 구성이 제공될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
여기에 개시된 본 발명은 복수의 미세유체 회로를 포함하는 미세유체 칩을 제공한다. 본 발명은 또한 미세유체 칩을 모세관으로 채우는 방법에 관한 것이다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 그리고 달리 명시되지 않는 한, 구성성분은 생체분자로 지칭될 수 있다. 구성성분의 실시예는 단백질, 펩티드(peptide), 엑소좀(exosome), 항체 또는 항체 단편, DNA 또는 DNA 조각, RNA, siRNA 또는 mRNA와 같은 뉴클레오티드(nucleotide), 또는 다당류일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
본 명세서에 정의된 바와 같이 그리고 달리 명시되지 않는 한, "생물물리학적 특성"이라는 용어는 형광 분광법(fluorescence spectroscopy) 또는 마이크로 확산 사이징(MDS)과 같은 생물물리학적 기술을 사용하여 측정 또는 검출될 수 있는 구성 성분의 물리적 및/또는 화학적 특성을 지칭한다. 측정될 수 있는 생물물리학적 특성의 실시예는 수력 반경(hydrodynamic radius), 확산도, 분자량, 전하, 등전점, 결합 친화도, 결합력(avidity), 농도, 질량 플럭스(flux), 농도 플럭스 및/또는 구성성분의 확산 속도일 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
도 6을 참조하면, 칩8이 제공된다. 칩8은 복수의 병렬 미세유체 회로10을 포함한다. 미세유체 회로 또는 미세유체 장치10은 샘플 유체 흐름 및/또는 보조 유체 흐름과 같은 하나 이상의 유체 흐름으로 모세관을 채울 수 있다. 각각의 미세유체 회로 또는 장치10은 장치 유체가 회로10 내로 도입될 수 있는 장치 유체 유입구 포트13으로 시작하는 장치 유체 유입구 또는 보조 유입구 채널을 포함한다. 각각의 미세유체 회로 또는 장치10은 또한 샘플 유체가 회로 또는 장치10으로 도입될 수 있는 샘플 유체 유입구 포트11로 시작하는 샘플 유체 유입구 채널12를 포함할 수 있다.
각각의 유입구 포트11, 13은 유입구 포트11, 13의 둘레의 적어도 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함한다. 회로10은 각각의 유입구 채널12, 14와 대응하는 유입구 포트11, 13 사이에 확장부80을 더 포함할 수 있고, 확장부80은 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다.
도 6에 도시된 바와 같은 확장부80은 각 채널과 습윤 액체를 위한 포트-채널 접합부에서 돌출된 액체-공기 경계면의 형성을 도울 수 있는 해당 포트 사이에 제공될 수 있다. 확장부에는 채널에서 포트 쪽으로 확장되는 한쪽이 점점 가늘어지는 형태가 있다. 이렇게 하면 유체가 채널과 포트 사이에 나타나는 직경의 큰 단계에 도달할 때 멈추므로 모세관력으로 포트를 채울 수 있다. 이 효과는 포트 주변의 유체에 대한 초기 흐름 경로를 제공함으로써 유체를 포트로 끌어들이는 역할을 하는 환형의 "유량 가이드(flow guide)"에 의해 추가로 지원된다. 포트에 원형 단면이 있는 경우 유량 가이드는 환형일 수 있다. 환형의 치수는 채널 치수와 밀접하게 일치하도록 선택할 수 있다. 유량 가이드는 포트의 전체 둘레에 구비되는 것이 아니라, 채널 진입점에 인접한 포트의 영역에만 구비되는 것일 수 있다.
분배 채널16이 제공되며 이는 장치 유체 또는 보조 채널14 및 샘플 유체 채널12 모두와 유체 연통한다. 분배 채널16은 또한 배출구 포트26에서 끝나는 2개의 모세관 또는 배출구 채널18과 유체 연통한다. 샘플 유입구 채널12, 분배 채널16 및 모세관 또는 배출구 채널18과 함께 장치 또는 보조 유체 유입구 채널14는 H-필터 구성을 형성할 수 있다.
각각의 채널12, 14, 16, 18은 100㎛ 또는 90, 80, 70, 60 또는 50㎛ 보다 크지 않은 최대 폭 또는 높이를 가질 수 있다. 어떤 경우에는 각 채널의 최대 너비 또는 높이가 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45 또는 50μm 보다 크지 않을 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 바와 같은 미세유체 회로는 각각의 배출구 포트26에서 진공원에 대한 연결성을 추가로 포함한다.
도 6을 참조하면, 샘플 유체 흐름 및/또는 보조 유체 흐름과 같은 하나 이상의 유체 흐름으로 미세유체 회로 또는 장치가 모세관으로 채워진 칩 또는 유동 장치8이 제공된다. 유동 장치8은 장치10을 포함한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 샘플을 장치10에 로드하기 위한 샘플 유입구 포트11이 제공된다. 장치10은 하나 이상의 구성성분을 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널16으로 도입하기 위한 샘플 채널12를 포함한다.
보조 유체를 장치 유체 유입구 채널14에 로드하기 위해 장치 유체 유입구 채널14에 유입구 포트13이 제공된다. 장치 유체 또는 보조 유체는 예를 들어 완충 용액이거나 물일 수 있다. 보조 채널14는 세장형 분배 채널16 내로 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위해 제공된다. 또한, 샘플 채널12 및/또는 보조 채널14에 선행부 추가 저항 채널이 제공되어 유체 흐름의 유속을 제어할 수 있다. 보조 유입구 포트13은 또한 보조 유체의 초기 판독을 위해 사용될 수 있다.
보조 또는 장치 유입구 포트13 및 샘플 유입구 포트11은 개방된, 즉 덮개가 없는 형상을 갖는다. 이렇게 하면 거품이 혼입될 수 있는 위치가 줄어든다. 또한, 분배 채널16, 샘플12 및 보조 채널14에는 모두 코팅이 제공된다. 코팅 자체는 소수성이지만 채널이 형성된 미처리 재료보다는 더 친수성이다. 채널에 코팅할 때, 유입구 포트11, 13 또한 코팅이 없을 때보다 더 친수성으로 만드는 코팅의 단량체 층으로 코팅된다. 코팅은 장치10의 모세관 충전을 돕기 위해 선택된다. 포트에 코팅을 제공하는 것은 채널에 대한 코팅 절차의 산물에 불과하지만, 코팅을 전체적으로 제공하는 것은 유체가 포트를 통과하여 채널로 들어갈 때 코팅된 표면과 코팅되지 않은 표면 사이의 경계면이 생기는 것을 방지한다.
분배 채널16은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성된다.
샘플 유체 유입구 채널12 및 장치 유체 유입구 채널14의 일부는 구불구불한 또는 구부러진 구성20으로 배열될 수 있다. 샘플 채널12와 보조 채널14의 구부러진 구성은 샘플 및/또는 보조 채널12, 14 내의 기포를 줄이거나 제거하는 데 도움이 될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 2개 이상의 모세관 채널18이 후속부에 제공되고 분배 채널16과 유체 연통하여 도달된 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널18로 이동하도록 한다. 각각의 모세관 채널18의 일부는 구불구불하거나 구부러진 구성20으로 배열된다. 단단하게 압축된 모세관 채널은 감도를 높이고 신호 대비 잡음비를 줄인다. 일부 실시예에서, 구불구불하거나 구부러진 구성20은 검출기로 구성성분을 검출하기 위해 측정이 취해질 수 있는 유하 면적을 증가시킨다. 이는 단일 검출 지점으로 검출할 모세관 채널의 부피를 증가시켜 관심 성분을 검출하기 위한 감도를 향상시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 모세관 채널18의 구부러진 구성20은 채널 내의 기포를 감소시키거나 제거하는 것을 도울 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 분배 채널16 내의 유체는 적어도 2개의 모세관 채널18로 분할된다. 각각의 모세관 채널18은 확산 및/또는 비확산 유체를 포함할 수 있다. 각각의 모세관 채널18은 구불구불한 구성20으로 배열된 영역 또는 검출 영역을 더 포함할 수 있으며, 여기서 확산 및/또는 비확산 샘플 유체 흐름은 검출기를 사용하여 검출될 수 있다.
또한, 각각의 모세관 채널18에 추가적인 저항 채널이 제공될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로 각 샘플 유체 채널 및/또는 각 장치 유체 또는 보조 유입구 채널에 추가 저항 채널이 제공될 수 있다. 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하기 위해 채널의 "온칩(On-chip)" 저항이 제공될 수 있다. 선행부 저항은 분배 채널 내 흐름 균형을 결정하는 데 지배적인 요인이 될 수 있다. 따라서 후속부 저항이 최소화될 수 있다. 온칩 저항에 필요한 작은 형상의 제조가 어렵기 때문에 온칩 저항을 최소화하는 것이 중요하다. 대안적으로 또는 추가적으로 후속부 저항이 선행부 저항을 초과할 수 있다.
각각의 모세관 채널18은 또한 샘플 유체 흐름의 검출이 수행될 수 있는 배출구 포트26을 포함하거나, 예비 검출이 유입구 포트11, 13에서 발생하는 상황에서 추가적으로 수행될 수 있다. 배출구 포트26 내에서 구성성분의 검출은 이용 가능한 더 많은 양의 구성성분이 있기 때문에 배출구 포트26에서 감도가 증가하므로 유리할 수 있다. 일부 경우에는 배출구 포트26에서 백그라운드 신호가 감지될 수 있다. 백그라운드 신호를 사용하면 샘플 신호를 보정하여 얻은 데이터의 품질을 향상시킬 수 있으므로 유용할 수 있다.
적어도 하나의 배출구 포트26이 후속부에 제공되고 모세관 채널18과 유체 연통한다. 검출기를 사용하는 성분의 검출 및 분석은 배출구 포트26 내에서 수행될 수 있다.
배출구 포트26은 개방되어 있고 코팅되지 않은 물질보다 더 친수성이 되도록 코팅된다. 코팅 재료는 본질적으로 소수성일 수 있지만 채널과 포트를 형성하는 재료는 더 소수성이므로 채널 코팅 효과는 친수성을 증가시킨다. 배출구 포트26은 개방된 기하학적 구조를 가지며 모세관 충전 중지를 위해 그 비율이 선택된다. 포트26의 형상은 또한 포트26으로부터의 증발이 칩8의 사용에 상당한 영향을 미치지 않도록 선택될 수 있다.
배출구 포트26은 모세관 채널18이 배출구 포트26에 접근함에 따라 점진적으로 확장되는 나팔 형상 부분인 확장부80을 갖는다. 확장은 두 부분에서 발생한다: 첫 번째 부분은 채널에서 나오는 한쪽 끝이 점점 가늘어지는 직선 형태이고 두 번째 부분은 채널이 포트에 도달함에 따라 단면이 더 증가하는 곡선 부분이다. 곡면부는 반지름이 0.05mm와0.4mm사이 값일 수 있지만 반지름이 0.2mm인 원호의 형태로 형성된다. 배출구 포트26은 환형 링을 포함하고 유체는 우선적으로 나팔 형상 부분을 통해 환형 링 주위로 흐른다. 이론에 제한되지 않고, 나팔 형상 모양의 입구와 환형 링의 곡선 부분의 조합은 배출구 포트26 내의 농도 기울기를 감소시키거나 심지어 없애는 것으로 나타난다. 이것은 배출구 포트26의 검출 판독값이 기울기를 가로지르는 단순한 순간의 값(snapshot)이 아니라 포트26의 전체 내용물의 진정한 대표 값이라는 것을 의미한다.
환형 링은 40㎛의 높이를 가지며, 이는 배출구 포트26으로 공급되는 미세유체 채널의 높이와 동일하다. 이렇게 하면 거품이 모이는 위치를 제공할 수 있는 단계가 없다. 유체는 채널을 따라 흐르고 나팔 모양의 개구부를 통해 확산된 다음 고리 모양의 링 주위로 흘러 갇혀 있을 수 있는 공기를 강제로 배출한다. 그런 다음 유체는 기포가 형성되지 않도록 전체적으로 공기를 고르게 내보내면서 배출구 포트26으로 흐르기 시작한다.
포트는 드릴로 제조하거나 성형할 수 있다. 이들의 기능은 제조 방법론과 무관하게 사용 가능해야한다.
또한, 포트는 친수성일 수 있다. 포트의 친수성 변형으로 포트에 도입된 수성 시약은 습윤 액체의 돌출된 경계면과 원활하게 합쳐지게 된다. 이는 칩 작동에 기포가 발생하지 않도록 한다. 로딩 포트 바닥면의 거칠기는 로드된 시약을 포트에 균일하게 퍼뜨리거나 흡수하도록 개선/설계될 수 있다.
도 6을 참조하면, 전환 가능한 압력원(첨부 도면에는 도시되지 않음)이 제공될 수 있으며 유체 채널12, 14, 16, 18을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된다. 압력원은 주사기 펌프 또는 압력 펌프와 같은 펌프일 수 있다. 압력 펌프는 샘플 유체 채널12 및/또는 보조 유체 채널14에 연결되어 채널을 따라 유체 흐름을 이동시키기 위한 정압원을 제공할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 주사기 펌프는 유체 채널을 따라 유체 흐름을 이동시키기 위해 모세관 채널18에 제공된 배출구 포트26에 연결될 수 있다.
검출기(첨부 도면에는 도시되지 않음)가 장치 설정과 함께 제공될 수 있다. 검출기는 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널18에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 검출기는 미세유체 칩 상의 각각의 배출구 포트26에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다.
분배 채널16의 선행부에 제2 검출기(첨부 도면에는 도시되지 않음)가 제공될 수 있다. 제2 검출기는 샘플 채널12 내의 구성성분 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성될 수 있다.
분배 채널에서 선행부에 제2 검출기를 제공함으로써 정확한 측정을 제공하기 위해 백그라운드 신호를 고려할 수 있다. 장치의 백그라운드 신호는 보조 채널 내에서 측정되며 백그라운드 신호는 모세관 채널의 샘플 신호 측정값에서 뺄 수 있다. 모세관 채널에서 감지된 샘플 신호는 백그라운드 신호를 빼서 보정할 수 있다.
도 6에 도시된 장치10의 백그라운드 신호는 검출기를 사용하여 보조 채널14에서 측정될 수 있다. 그 후 이 백그라운드 신호는 백그라운드 보정된 측정을 도출하기 위해 후속부 모세관 채널18에서 취한 측정에서 감산될 수 있다.
단백질 유착과 같은 백그라운드 신호 및 샘플 유착을 설명하려면 다음 단계가 필요하다. 장치의 백그라운드 신호는 샘플 채널12, 특히 샘플 채널12의 구부러진 영역20에서 측정된다. 그런 다음 이 백그라운드 신호를 후속부 모세관 채널18에서 측정한 값에서 빼서 분포 비율의 백그라운드 보정 측정을 도출할 수 있다. 샘플 유착 확인을 위해 샘플 채널12의 구부러진 영역20에서의 신호가 측정되고 모세관 채널18의 구부러진 영역20의 후속부에서 취해진 측정치의 합과 비교된다. 백그라운드 신호를 고려하여 사용자는 샘플의 농도 측정값을 보정할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 유체 흐름으로 모세관이 채워질 수 있는 미세유체 회로 또는 미세유체 장치10의 대안적인 실시예가 제공된다. 각각의 미세유체 회로 또는 장치10은 장치 유체가 회로10 내로 도입될 수 있는 장치 유체 유입구 포트13으로 시작하는 장치 유체 유입구 또는 보조 유입구 채널을 포함한다. 각각의 미세유체 회로 또는 장치10은 또한 샘플 유체가 회로 또는 장치10으로 도입될 수 있는 샘플 유체 유입구 포트11로 시작하는 샘플 유체 유입구 채널12를 포함할 수 있다.
각각의 유입구 포트11, 13은 유입구 포트11, 13 둘레의 적어도 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함한다. 회로10은 각각의 유입구 채널12, 14와 대응하는 유입구 포트11, 13 사이에 확장부80을 더 포함할 수 있고, 확장부80은 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함한다.
분배 채널16이 제공되고 장치 유체 또는 보조 채널14 및 샘플 유체 채널12 모두와 유체 연통한다. 분배 채널16은 또한 배출구 포트26에서 끝나는 2개의 모세관 또는 배출구 채널18과 유체 연통한다. 모세관 또는 배출구 채널18과 함께 분배 채널16을 갖는 샘플 유입구 채널12 및 장치 또는 보조 유체 유입구 채널14는 H-필터 구성을 형성한다.
미세유체 회로 내의 유체 채널12, 14, 18의 일부는 하나 이상의 유체 흐름으로 하나 이상의 채널의 모세관 충전을 지연시키는 데 사용될 수 있는 지연 영역(delay region)90을 포함한다. 예를 들어, 샘플 유입구 채널12, 장치 유입구 채널14 및/또는 모세관 채널18은 지연 영역90을 포함할 수 있다. 지연 영역90은 모세관 충전을 미세유체 회로의 바람직한 채널로 안내하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 시약 도입 시에도 오염 없는 기준 측정(reference measurements)이 가능하다. 모세관 채널18 내의 지연 영역90은 또한 시약이 미세유체 회로의 자동 충전 완료 전에 도입될 때 시약의 격리 영역으로 사용될 수도 있다. 계속되는 모세관 충전은 다양한 채널로부터 시약을 계속 끌어당기지만 지연 또는 격리 영역90은 여전히 시약이 미세유체 회로의 기준 측정 위치로 통과하는 것을 방지한다.
도 8을 참조하면, 포트26 둘레의 적어도 일부 주위로 연장되는 유량 가이드82를 포함하는 포트26이 도시되어 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 포트는 유입구 포트일 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 포트26은 채널(이 경우에는 도 8에 도시된 바와 같은 모세관 채널18임)과 대응하는 포트26 사이에 확장부80을 추가로 포함한다. 확장부80는 채널18에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분86 및 포트26에 인접한 곡선 부분84를 포함한다.
도 9a내지 9e를 참조하면, 칩 플레이트(chip plate)94 상에 존재하는 복수의 미세유체 칩96 각각에서 유체 내의 하나 이상의 구성성분의 하나 이상의 생물물리학적 특성의 측정값을 전달하도록 구성된 사용자 인터페이스(user interface)98을 포함하는 기구92의 예가 제공된다.
복수의 미세유체 칩96을 포함하는 칩 플레이트94는 칩 플레이트94에서 어떤 미세유체 칩96이 사용되었는지 감지하는 기구92에 삽입되도록 구성된다. 사용자 인터페이스, 특히 기구92에 위치한 디스플레이 패널98은 이 정보를 사용자에게 표시할 수 있다. 디스플레이는 각각의 미세유체 칩96에 대한 정보를 제공한다. 정보는 각각의 미세유체 칩96이 사용되었는지 여부 및 그것이 다음 실험에 이용 가능한지 여부에 대한 이진법적 표시일 수 있다. 몇몇 경우에, 디스플레이는 또한 실험 동안 사용 중인 플레이트94의 이미지를 보여줄 수 있다.
기구92는 또한 칩 플레이트94 상에 위치된 바코드와 같은 고유 인증 표시를 검출하고 판독하도록 구성된 판독기 모듈(module)(첨부 도면에는 도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 예를 들어 고유한 숫자 세트, 배치 코드(batch codes), QR 코드 또는 각 칩 플레이트94에 고유한 문자와 숫자의 조합과 같은 다른 형태의 고유 인증 코드를 칩 플레이트에 사용할 수 있다. 또는 인증 표시는 NFC 또는 RFID 태그(tag)에 저장될 수 있다. 칩 플레이트94가 유통기한을 경과한 경우, 기구92는 도 9e에 도시된 바와 같이 이 정보를 사용자에게 표시할 수 있다.
실시예
하기 실시예는 본 명세서에 개시된 바와 같은 본 발명의 하나 이상의 측면 및 실시예에 적용가능하다.
활성 위치 찾기
도 10a 및 10b를 참조하면, 장치는 장치 또는 미세유체 칩 상에 제공된 하나 이상의 기준점100을 포함할 수 있다. 기준점100은 검출 위치, 즉 하나 이상의 포트 및/또는 하나 이상의 채널의 구부러진 부분의 위치와 같은 장치 내의 특정 특징부의 X, Y 및/또는 Z 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 도 10A에 도시된 바와 같은 기준점100의 카메라 영상 및 기준점 찾기 알고리즘의 결과물이 도 10 B에 도시되어 있다. 내부 101 및 외부 103 링의 직경은 각각 0.96 및 1.04mm이다.
기준점 찾기 알고리즘의 실행은 다음과 같을 수 있다: 칩의 기준점은 광학적으로 카메라로 촬영된 다음 영상 처리 알고리즘을 사용하여 캡처된 영상 내에서 기점의 위치를 식별한다(이하 기준점 위치 감지 알고리즘이라고 함). 또 다른 알고리즘은 선명도 측정법(이하 초점 찾기 알고리즘이라고 함)을 사용하여 초점을 수치로 나타낸다. 십자가 또는 원 모양은 위치 결정 알고리즘(positioning algorithm)에 사용될 수 있다.
초점 찾기 알고리즘은 기준점의 캡처된 영상에 엣지 그래디언트 프로세스(edge gradient process)를 적용하여 픽셀 변화의 크기를 보여준다. 이미지의 초점이 맞지 않으면 픽셀 간 차이는 초점이 맞는 이미지보다 적다. 엣지 그래디언트 프로세스 결과의 픽셀 합계는 상대적인 초점에 대한 강력한 지표를 제공한다.
기준점 위치 감지 알고리즘은 또한 기준점의 입력 영상에 엣지 그래디언트를 적용한다. 기준점의 원 모양의 두 엣지는 영상에서 기준점을 식별하는 데 사용된다. 그런 다음 예상 직경을 가진 적절한 템플릿 원이 영상과 합성된다. 합성의 결과 기준점의 중심에서 피크 값을 갖게 된다. 결과 피크 값의 신뢰도는 피크 주변 픽셀의 히스토그램(histogram)을 분석하고 전체 이미지의 픽셀 히스토그램과 비교함으로써 계산할 수 있다; 신뢰도가 높은 결과는 감지된 피크 주변에 대부분의 높은 값 픽셀이 있는 반면 신뢰도가 낮은 결과는 높은 값 픽셀이 더 넓게 공간적으로 확산되고 있다.
기준점 감지 알고리즘은 예상 중심 위치에서 ±400μm의 오프셋(offset)범위에서 10μm의 측면 중심 위치까지 기준점을 확실하게 감지할 수 있다.
위치 결정 정확도는 기본적으로 알고리즘이 아닌 영상 장치의 광학 해상도에 의해 제한되며 렌즈의 분해능을 높이면 증가할 수 있다.
기준점 대신 배출구 포트 또는 채널의 특정 부분과 같은 칩상의 다른 기능을 갖는 위치를 찾을 수 있다. 검출 챔버 또는 검출 채널과 같은 채널의 특정 부분 또는 하나 이상의
배출구 포트의 위치를 자동으로 찾는 것은 이것이 칩 상의 검출 특징부의 위치와 광학 검출기를 최적으로 정렬하기 때문에 유리할 수 있다.
검출 위치 미세 조정
일부 실시예에서, 품질 검사를 위해 검출 영역의 명시야(bright-field) 또는 형광 영상를 촬영할 수 있다. 이는 사용자 또는 장치가 명시야 이미지를 활용하여 광학 검출기의 위치를 조정할 수 있음을 의미한다. 광학 검출기는 형광 검출기일 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기는 광전자 증배관(Photomultiplier Tube, PMT) 검출기일 수 있다. PMT 검출기는 매우 민감하기 때문에 좋을 수 있다. 예를 들어 스크래치, 먼지 및 침전물과 같은 이물질을 피하기 위해 검출 위치 미세 조정 할 수 있다. 이러한 이물질을 피하면 신호를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 명시야 또는 형광 영상를 촬영하기 위해 카메라를 사용할 수 있다. 카메라를 사용하면 영역을 스캔할 필요 없이 영상을 제공하므로 유리할 수 있다.
품질 검사는 기포, 섬유(fibres) 또는 큰 스크래치와 같은 극단적인 이물질이 발견된 측정 데이터를 폐기하는 데에도 사용할 수 있다.
공초점 검출기
일부 경우에 미세유체 장치 상의 검출 포트 또는 검출 챔버와 같은 검출 영역은 직경이 100 nm - 1 mm인 (공초점) 검출 지점에 대해 충분히 큰 직경을 가질 수 있다. 포트에서 공초점 검출기를 사용한다는 것은 검출이 포트의 액체 충전 높이에 의존하지 않는다는 것을 의미하지만 여전히 큰 많은 양의 검출이 가능하다.
일부 실시예에서, 샘플 유체의 형광 신호는 미세유체 장치의 배출구 또는 검출 챔버에서 측정될 수 있다. 미세유체 장치의 배출구 포트에는 검출 챔버 또는 채널에 비해 더 많은 양의 샘플이 있을 수 있다.
형광 액체의 증가된 두께를 예를 들어1.2mm 를 150μm와 같이 조정함으로써 형광 신호가 8배 더 강해질 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 달리 명시되지 않은 한, "공초점"은 검출기에서 측정된 총 형광 출력에 기여하는 샘플의 영역을 제어하기 위해 최적화된 렌즈와 조리개 조합을 사용하는 것을 의미한다. 이러한 값을 적절하게 설정하면 액체 표면 근처에서의 기여도가 줄어들어 액체 부피의 불확실성과 그에 따른 액체 높이의 불확실성이 예상 크기 비율에 무시할 수 있는 영향을 미치게 된다. 이 형광 검출 체적의 측면 및 축 범위를 결정하는 두 가지 매개변수는 개구수(numerical aperture, NA)에 따라 달라지는 대물 렌즈에 의해 수집된 형광 원뿔의 반각과 초점면에서 검출 조리개 영상의 반경이다. 검출된 형광 신호의 출처는 대물 렌즈의 초점면에서 검출 조리개의 영상 주위에 집중된다. 조리개와 대물 렌즈 개구수는 포트에서 위치 가중 표본추출을 생성하는 것으로 생각할 수 있다. 대부분의 출구 포트는 여기 광선(excitation rays)이 도달하지 못하거나 총 검출 전력에 대한 기여도가 낮기 때문에 표본추출되지 않는다. 아마도 가장 중요한 것은 전력 기여도가 여기에 설명된 광학 매개변수를 가진 초점면에서 1mm 미만에서 1%(0.01) 미만으로 떨어진다는 것이다.
도 11a를 참조하면, 예상되는 포트의 형상 및 모래시계 모양의 여기 형상(excitation profile)의 개략도가 도시되어 있다. 도 11A에 도시된 바와 같이, S는 기판102의 상부 표면이다; Z - 0은 여기 형상의 웨이스트(waist) 위치고; d는 액체 샘플의 깊이를 나타낸다. 도 11B에 도시된 바와 같이, 형광광도 윤곽선 도표 결과는 검출 부피가 어떻게 제한되는지를 보여준다. 이 경우, 빔 웨이스트는 기판102 위쪽에 위치하여 기판으로부터의 백그라운드 신호를 감소시킨다. (waist가 waste로 잘못 표기된거 아닌지 확인 필요함)검토 수정 또한 물-공기 경계면104를 피해 가능한 많은 수의 형광 분자를 포착하기 위해 가능한 큰 검출 부피를 갖는 것이 바람직하다.
일부 실시예에서, 기판102는 광학적으로 투명한 재료로 만들어질 수 있다. 기판102는 또한 탄성 재료로 만들어질 수 있다. 기판102는 다음 재료 중 하나 이상으로 만들어질 수 있다: 고분자물질(polymer), 열가소성 플라스틱(thermoplastic), 불소수지(fluoroplastic), 유리, 용융 실리카(fused silica), 고리형 올레핀 공중합체(cyclic olefin copolymer, COC), 고리형 올레핀 중합체(cyclic olefin polymer, COP), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 및/또는 폴리카보네이트(polycarbonate).
단지 실시예로서, 포트의 직경은 100㎛ 내지 25mm일 수 있거나, 100μm, 200μm, 300μm, 400μm, 500μm, 600μm, 700μm, 800μm, 900μm, 1mm, 5mm, 10mm, 15mm 또는 20mm 이상일 수 있다. 일부 경우에는 포트의 직경이 25 mm, 20 mm, 15 mm, 10 mm, 5 mm, 1 mm, 900 μm, 800 μm, 700 μm, 600 μm, 500 μm, 400 μm, 300 μm 또는 200 μm보다 작을 수 있다. 일반적으로 포트의 직경은 0.8mm, 1.2mm 또는 2mm일 수 있다.
포트의 높이는 200 μm에서 5 mm 사이이거나 300μm, 400μm, 500μm, 600μm, 700μm, 800μm, 900μm, 1mm, 2mm, 3mm 또는 4mm 이상일 수 있다. 일부 경우에 따라 포트의 높이는 5mm, 4mm, 3mm, 2mm, 1mm, 900μm, 800μm, 700μm, 600μm, 500μm, 400μm 또는 300μm 보다 작을 수 있다. 일반적으로 포트의 높이는 0.8mm내지 2mm 사이일 수 있다.
공초점 지점의 Z 깊이(광도가 1/e2로 떨어지는 거리)는 200nm에서 2mm 사이일 수 있다. 바람직하게는 Z-깊이는 포트의 높이와 비슷하지만 작다. 포트 높이의 최대 0.8배 또는 포트 높이의 0.5배 또는 포트 높이의 0.3배 또는 포트 높이의 0.1배와 같다. 바람직하게는, Z-깊이는 400㎛이다.
점도 맞춤(Viscosity matching)
보조 유체의 점도는 샘플 유체의 점도와 일치할 수 있다. 예를 들어 보조 유체의 점도는 샘플 유체 점도의 20%, 10%, 5% 또는 1% 이내로 선택될 수 있다. 샘플과 보조 유체의 점도를 맞추면 샘플 채널과 보조 채널의 기하학적 부분의 저항이 동일한 경우 샘플과 보조 유체의 유속이 균형을 이룰 수 있다.
점도가 1.2내지 2cP 사이값을 갖는 보조 유체로 인간 혈청 샘플을 모방하는 것이 가능하다. 일부 경우에서 유체의 점도는 1.6cP가 될 수 있다. 일부 경우에는 인간 혈청을 모방하기 위해 PBS 또는 물(바람직하게는 PBS)에 14%의 글리세롤을 제공할 수 있다. 샘플을 희석할 때, 샘플 유체와 보조 유체의 점도가 대략 20%, 10%, 5% 또는 1% 이내로 변하지 않도록 용액에서 샘플 유체와 보조 유체를 희석하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 인간 혈청 샘플 유체는 PBS 또는 물(바람직하게는 PBS)에 5 내지 10%의 인간 혈청 알부민 (human serum albumin, HAS)이 들어간 용액으로 희석될 수 있거나, 보조 유체(예: 14% 글리세롤(glycerol))는 14% 글리세롤이 들어있는 PBS 또는 물로 희석할 수 있다. 글리세롤은 충분히 불활성이고 쉽게 사용할 수 있기 때문에 점도가 일치된 유체를 만들기 위해 글리세롤을 사용하는 것이 유리하다.
시료와 보조 유체의 점도를 일치시키고 점도를 실질적으로 변하지 않게 유지하는 다른 유체에 시료와 보조 유체를 희석하면 희석 후에도 시료와 보조 유체의 점도가 동일하다는 이점이 있다. 따라서 (1) 상대 유속은 PBS와 같은 저점도 유체로 작동할 때와 비교하여 변하지 않으며 (2) 샘플은 거의 균일한 점도 영역에서 확산된다.
점도 보정
샘플 유체(형광 탐촉자(probe) 없음)의 점도 및 형광 백그라운드 신호와 같은 백그라운드 신호는 실험 전후에 각 포트의 충전 수준 및 총 형광을 기록하여 측정할 수 있다. 예를 들어, 역반사 여기 광(excitation light)의 z-스캔과 포트와 같은 검출 영역의 내용물의 형광 측정을 포함한다. 충전 레벨의 차이는 각 포트를 떠나거나 들어가는 부피를 제공하고 기하학적 칩 저항과 함께 각 칩 채널의 점도를 계산할 수 있다. 점도 및 백그라운드 신호를 함께 사용하여 형광 탐촉자를 포함한 실험의 백그라운드를 보정할 수 있다. 미세 유체 칩의 모든 채널이 정확히 동일한 형상을 가지지 않는 한 점도 보정을 수행하는 것은 쉽지 않다. 즉, 다른 채널에서 측정된 샘플 형광 값에서 한 채널에서 측정된 기본 백그라운드 형광 값을 빼는 것은 불가능하다.
샘플 유체의 점도는 보조 포트가 무시할 수 있는 영향을 미치는 두 개의 유입구 포트의 평균 형광 값을 배출구 포트의 평균 형광 값과 비교하여 결정할 수도 있다. 시료 유체의 점도가 보조 유체보다 낮으면 후속부의 형광 값이 선행부보다 높으며 반대의 경우도 마찬가지다. 측정된 점도는 백그라운드 보정을 위해 형광 값과 함께 사용할 수도 있다.
두 경우 모두 측정된 값은 측정된 또는 예측된 점도 값에 대해 보정될 수 있다.
작동 시간(Run time) 조정
총 작동 시간은 아래 표 1에 표시된 대로 측정되거나 예측된 점도에 따라 조정될 수 있다.
표1-각각 다른 수력 반경 Rh에 대해 측정되거나 예측된 점도에 따라 조정된 총 작동 시간
압력 (mbar) 최소 Rh (nm) 최대 Rh (nm) 점도(물, H2O) 흡입 시간(분) 점도 (최대) 흡입 시간(분)
400 1.0 4.7 1.002 1.7 1.8 3.0
200 2.0 9.3 1.002 3.3 1.8 6.0
133 3.0 14.0 1.002 5.0 1.8 9.0
108 3.7 17.2 1.002 6.2 1.8 11.1
94 4.3 20.0 1.002 7.1 1.8 12.7
최소-최대 실행 시간은 10초에서 10시간 사이다.
일반적인 작동 시간은 1-15분이다.
Z-스캔(Z-scans)
형광 신호의 최대량을 검출하기 위해 검출 포트 내에서 최적의 위치를 찾기 위해 Z-스캔을 수행할 수 있다. 이 경우 미세유체 장치의 아래쪽을 형성하는 필름이 제공될 수 있다. 그런 다음 칩의 아래쪽을 형성하는 필름의 위치를 찾기 위해 역반사된 여기 광(excitation light)을 기록하는 동안 광학 검출기로 Z-스캔을 수행할 수 있다.
알려진 필름의 Z 위치가 없으면 큰 스캔 범위를 선택할 수 있다. 예를 들어 기준점 위치 측정을 통해 필름의 Z 위치를 대략적으로 알 수 있는 경우 작은 스캔 범위를 선택할 수 있다. 기준 Z-위치가 알려지지 않은 한 실시예에서, Z-스캔 범위는 1내지1.5mm 또는 1내지5mm이다. 대략적인 초점 위치가 기준점 초점 찾기 알고리즘에서 이미 결정된 경우 필름 위치를 찾으려면 일반적인 스캔 범위는 200 에서400μm이다. 액체-공기 경계면을 측정해야 하는 경우 필연적으로 1내지1.5mm의 더 긴 스캔 범위가 필요할 수 있다(Z-스캔 도표, 아래 참조).
필름 위에서 최적의 검출 위치를 찾으려면, 형광 샘플을 측정할 때 공초점 광학 장치의 초점 위치 지정은 위치된 칩 필름 위치, 즉 기준 위치인 Z=0일 때 상대적으로 이루어지고, 이는 이는 포트를 통해 스캔함으로써 역반사 여기 광(Back Reflected Excitation, BRE)을 측정하여 식별할 수 있다. 초점 위치는 Z=0 위치의 위 또는 아래일 수 있다(Z_초점(Z_focus)=+/-dz).
도 12를 참조하면, 도표는 가장 큰 형광 전력 기여도가 필름-액체 경계면에서 0.200mm임을 보여준다. 따라서 포트에서 형광 신호를 최대화하기 위해 Z_초점의 위치는 0.2mm여야 하며 광학 시스템과 공초점 지점의 대상 크기에 따라 달라진다.
일부 경우에 검출 포트의 액체 부피에 불가피한 변화가 있을 수 있다. 따라서, 0.2mm인 최적 값으로부터 작은 조정 또는 오프셋, 즉 초점을 필름의 표면에 더 가깝게 이동시키는 것이 액체 높이 가변성의 영향을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 더 작은 오프셋을 사용하면 형광 신호의 결과 분산이 감소한다는 장점이 있다. 그러나 결과적으로 검출량도 줄어들 수 있다. 이 절충안이 유리할 수 있는 상황이 있을 수 있다: 특히 농축 및/또는 밝은 샘플의 경우 여러 포트/회로에서 분산 이 감소되면 검출량 감소가 문제가 되지 않을 수 있다. 최적보다 높은 오프셋을 사용해도 이점이 없는 것으로 나타난다. 따라서 z 위치 지정 범위는 -0.2 내지0.2mm이다. 일부 경우에 z 위치 지정 범위는 -1mm에서 +5mm 사이일 수 있다.
수위(Liquid levels)
도 13은, 형광 액체로 채워진 칩 포트에 대한 초점/Z 위치 범위에 걸쳐 획득된 형광 신호 및 후방 반사된 여기 신호(back reflected excitation signal)를 보여주는 도표이다. 도13의 도표을 분석하여 포트의 수위를 결정할 수 있다.
강도가 가장 높은 BRE 피크는 공기-필름 경계면으로부터의 반사이며 칩에 대해 초점을 정확하게 위치시키는 데 사용된다. 두 번째, 더 낮은 강도의 BRE 피크는 액체-공기 경계면으로부터의 반사이다. 형광 신호는 이 두 BRE 피크 사이의 위치에서 최대를 나타낸다.
이 두 피크 사이의 거리는 액체/재료의 굴절률을 곱하여 액체 깊이/충전 높이/두께로 직접 변환할 수 있는 광학 경로 길이(optical path length, OPL)다. 샘플 굴절률의 범위는 1.33(물)에서 1.37(인간 혈청)이다.
충전 높이 결정의 정확도는 BRE 신호의 신호 대비 잡음비(따라서 두 개의 피크 위치를 찾는 기능)에 따라 달라지며 여기 방사 조도(excitation irradiance) 및 측정 기간과 액체의 굴절률 추정치에 의해 제한된다.
충전 높이를 결정하면 유체역학적 저항을 결정할 수 있고 채널의 점성 또는 기하학적 특성을 결정할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로 충전 높이를 결정하면 누출, 막힘 및/또는 액체 건조 확인과 같은 품질 확인도 할 수 있다.
사전 측정 또는 일괄 특성화된 저항 값
여러 미세 유체 장치 사이의 다른 저항은 보조 및 샘플 유체가 마이크로 유체 칩을 통해 얼마나 많이 당겨지는지, 확산 채널 이후에 얼마나 많은 유체가 흐를 수 있는지를 포함하여 각 마이크로 유체 장치 사이의 채널을 통한 유량 분포의 차이를 초래할 수 있다. 복수의 미세유체 장치에 균일한 저항을 제공하기 위해, 채널 네트워크를 통한 유속의 변화에 대해 측정된 크기를 보정하기 위해 각 미세유체 칩에 대해 미리 측정되거나 일괄 특성화된 저항 값을 적용할 수 있다. 이 정보는 NFC 태그 또는 레이저 마킹(laser marking)(예: QR 코드)과 같은 표시 형식으로 저장될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 각각의 개별 회로의 저항 값은 실험 전, 중 또는 후에 측정될 수 있고 기록된 값은 측정된 크기를 보정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 저항 값은 NFC 태그 또는 레이저 마킹과 같은 표시 형식으로 저장할 수 있다.
기기 지원 프라이밍(priming)
본 명세서에 개시된 기기는 모세관 작용을 통해 채널을 통해 이동하는 액체-공기 경계면의 고정 및/또는 정지를 극복하기 위해 작은 압력 펄스를 칩에 제공할 수 있다. 따라서 더 높은 프라이밍 성공률을 달성할 수 있다.
보조 유체를 보조 포트에 피펫팅(pipetting)한 후 샘플 포트에서의 단계가 유량 가이드 형상의 결과로 모세관 흐름을 정지시킬 때까지 모세관이 채워진다. 이것은 샘플 유체가 홈(well)의 바닥과 접촉하여 포트 바닥 주변의 공기 고리를 가두기 때문에 샘플 유체와 보조 유체가 접촉하여 공기가 없는 결합을 형성하는 것을 방지할 수 있다. 배출구 포트에서 진공 상태로 작동하기 전에, 정압(50-1000mbar) 펄스(0.05-5s)가 유체 경로에 문제가 있는 기포 없이 샘플 보조 포트에서 두 액체 경계면을 연결하는 배출구 포트에 적용된다. 따라서 기포가 없는 경계면의 연결을 위해 미세 유체 공학에서 정지 단계 후에 역압 펄스가 유체와 합류해야 할 것이다.
조항
조항1.
다음을 포함하는 칩: 각각의 회로는 다음을 포함하는 복수의 병렬 미세유체 회로이며: 장치 유체가 회로 내로 도입될 수 있는 장치 유체 유입구 포트로 시작하는 장치 유체 유입구 채널; 샘플 유체가 회로에 도입될 수 있는 샘플 유체 유입구 포트로 시작하는 샘플 유체 유입구 채널; 각각의 유입구 포트는 유입구 포트 둘레의 적어도 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함하고; 각각의 유입구 채널과 상응하는 유입구 포트 사이의 확장부를 추가로 포함하고, 여기서 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분 및 포트에 인접한 곡선 부분을 포함하고; 장치 유체 채널 및 샘플 유체 채널 모두와 유체 연통하는 분배 채널; 배출구 포트에서 끝나는 2개의 배출구 채널, 여기서 배출구 채널은 분배 채널과 유체 연통하며; 각각의 채널은 최대 폭 또는 높이가 50㎛ 보다 크지 않고; 그리고 각각의 배출구 포트에서 진공원에 대한 연결성을 추가로 포함하는 것을 특징으로하는 칩.
조항2.
제1항에 있어서, 상기 확장부의 곡선 부분이 0.05mm와 0.4mm 사이의 반경을 갖는 칩.
조항3.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확장부의 곡선 부분이 0.2mm의 반경을 갖는 칩.
조항4.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 배출구 포트는 배출구 포트 둘레의 적어도 일부 주위로 연장되는 유량 가이드를 포함하는 칩.
조항5.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각각의 채널에 샘플 유착을 방지하고 회로의 효율적인 충전을 가능하게 하도록 구성된 코팅이 제공된 칩.
조항6.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 채널이 40㎛의 최대 치수를 갖는 칩.
조항7.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 채널이 최대 치수에 대해 수직으로 25㎛의 범위를 갖는 칩.
조항8.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 친수성인 칩.
조항9.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 소수성인 칩.
조항10.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 8개의 미세유체 회로로 구성된 칩.
조항11.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배출구 포트가 개방 포트인 칩.
조항12.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 확장부가 적어도 하나의 시약을 포함하도록 구성된 칩.
조항13.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 장치 유체 채널에 친수성 코팅이 제공된 칩.
조항14.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플 유체 채널에 친수성 코팅이 제공된 칩.
조항15.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 장치 유체 채널에 장치 유체가 장치 유체 채널 내로 로드될 수 있고 표면이 거칠어질 수 있는 포트가 제공된 칩.
조항16.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 진공원이 펌프인 칩.
조항17.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 장치 유체로 장치 유체 채널을 통해 전체 미세유체 회로를 모세관 충전하는 단계; 채널 또는 포트 중 적어도 하나에서 백그라운드 신호를 검출하는 단계; 상기 샘플 유체 채널을 통해 분석 대상 샘플을 포함하는 유체를 유입시키는 단계; 미세 유체 회로를 통해 유체를 끌어당기기 위해 진공을 배출구에 연결하는 단계; 적어도 하나의 배출구 채널에서 분석될 샘플과 관련된 샘플 신호를 검출하는 단계; 및 백그라운드 신호를 제거함으로써 검출된 샘플 신호를 보정하는 단계를 포함하는 미세유체 회로 개시를 칩 상에서 수행하는 방법.
추가 조항
조항1.
하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 방법으로서, 상기 방법은 : 하나 이상의 구성 성분을 포함하는 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널에 제1 유속으로 도입하는 단계, 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 분배 채널에 도입하는 단계, 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 성분(들)을 수평적으로 분포하게 하는 단계, 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 분배 채널 후속부의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계, 정상 상태 분포에 도달한 후 미리 정해진 시간에 유체의 흐름을 중지하는 단계; 및 미세유체 칩 상의 각각의 모세관 채널에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 단계를 포함한다.
조항2.
제1항에 있어서, 분배 채널로 샘플 유체 흐름 및 보조 유체 흐름을 통하게 하는 단계가 분배 채널을 가로지르는 압력 기울기의 설정에 의해 유도되는 방법.
조항3.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 제1유속과 제2유속이 실질적으로 동일한 방법.
조항4.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 모세관 채널의 일부가 구불구불한 구성으로 배열되는 방법.
조항5.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체의 흐름을 정지시키는 단계는 해제 가능한 밸브를 사용하여 달성되는 방법.
조항6.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 분배 채널의 선행부에 제공된 저항이 분배 채널의 후속부에 제공된 저항보다 큰 방법.
조항7.
제1항 내지 제5항에 있어서, 분배 채널의 후속부에 제공되는 저항이 분배 채널의 선행부에 제공되는 저항보다 큰 방법.
조항8.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플 채널, 보조 채널, 분배 채널 또는 둘 이상의 후속부 모세관 채널의 저항이 다음 중 하나 이상에 의해 결정되는 방법: 채널의 단면적, 채널의 종횡비, 채널의 길이 또는 채널의 표면 거칠기.
조항9.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 연통하고 2개 이상의 모세관 채널로부터 후속부에 있는 2개 이상의 포트를 추가로 포함하는 방법.
조항10.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 유체 연통하고 2개 이상의 모세관 채널로부터 후속부에 있는 2개 이상의 검출 챔버를 추가로 포함하는 방법.
조항11.
제8항에 있어서, 미세유동 칩 상의 각 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항12.
제9항에 있어서, 미세유체 칩 상의 각 검출 챔버에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항13.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 유체의 흐름을 정지시키는 단계 중에 인큐베이팅(incubating)하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항14.
제12항에 있어서, 하나 이상의 포트에 추가 성분을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항15.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 구성성분의 확산도, 전기영동, 확산 영동 또는 열영동 이동도를 측정하는 단계를 포함하는 방법.
조항16.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 성분(들)의 수평적 분포가 확산에 의해 발생하는 방법.
조항17.
제13항 내지 제14항에 있어서, 샘플 유체 흐름에서 적어도 하나의 성분의 확산 계수를 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
조항18.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 모세관 채널에서 백그라운드 신호를 검출하는 단계; 분석할 샘플 유체 흐름을 분배 채널에 도입하는 단계; 분배 채널에서 정상 상태 분포에 도달할 때까지 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 구성 성분(들)을 수평적으로 분포하게 하는 단계, 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부를 분배 채널 후속부의 2개 이상의 모세관 채널로 분리하는 단계, 모세관 채널 중 적어도 하나에서 분석 대상 시료와 관련된 샘플 신호를 검출하는 단계; 및 백그라운드 신호를 빼서 감지된 샘플 신호를 보정하는 단계를 포함하는 미세유체 분석을 칩 상에서 수행하는 방법.
조항19.
하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 장치로서, 하나 이상의 성분을 포함하는 샘플 유체 흐름을 제1유속으로 세장형 분배 채널로 도입하기 위한 샘플 채널, 세장형 분배 채널에 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위한 보조 채널, 상기 분배 채널은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성되며; 도달한 정상 상태 유체 흐름의 적어도 일부가 각각의 모세관 채널로 이동하도록 분배 채널과 유체 연통하고 후속부에 제공되는 2개 이상의 모세관 채널, 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원; 및 미세유체 칩 상의 모세관 채널 각각에서 순차적으로 또는 동시에 각 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 장치.
조항20.
제19항에 있어서, 샘플 채널, 보조 채널 및 모세관 채널과 함께 확산 채널이 H-필터를 형성하는 유동 장치.
조항21.
제19항 내지 제20항에 있어서, 각 모세관 채널의 일부가 구불구불하거나 구부러진 구성으로 배열되는 유동 장치.
조항22.
제19항 내지 제21항에 있어서, 포트를 더 포함하는 유동 장치.
조항23.
제19항 내지 제22항에 있어서, 검출 챔버를 더 포함하는 유동 장치.
조항24.
제19항 내지 제23항에 있어서, 분배 채널의 선행부에 제공되는 샘플 채널 내의 구성성분 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 제2 검출기를 추가로 포함하는 유동 장치.
본 발명의 다양한 추가적인 특징 및 실시예는 본 개시내용을 고려하면 당업자에게 명백해질 것이다.
여기에서 사용된 "및/또는"은 다른 하나가 있거나 없는 두 가지 특정 기능 또는 구성 성분 각각에 대한 특정 공개로 간주된다. 예를 들어, "A 및/또는 B"는 각각이 본 명세서에서 개별적으로 제시되는 것처럼, 각각의 (i) A, (ii) B 및 (iii) A 및 B의 특정 개시로 간주된다.
문맥상 달리 지시하지 않는 한, 위에 설명된 특징의 설명 및 정의는 본 발명의 임의의 특정한 특징 또는 실시예에 제한되지 않으며 설명된 모든 특징 및 실시예에 동일하게 적용된다.
본 발명이 일부 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자라면, 개시된 실시예에 제한되지 않으며 대안적인 실시예가 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 구성될 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 하나 이상의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 측정하기 위한 장치로서, 하나 이상의 미세유체 장치를 포함하며, 각각의 미세유체 장치는
    하나 이상의 구성성분를 포함하는 제1 유속의 샘플 유체 흐름을 세장형 분배 채널로 도입하기 위한 샘플 유입구 포트를 갖는 샘플 채널,
    세장형 분배 채널에 보조 유체 흐름을 제2 유속으로 도입하기 위한 보조 유입구 포트를 갖는 보조 채널,
    분배 채널은 정상 상태 분포에 도달한 후 샘플 유체 흐름에서 보조 유체 흐름으로 성분의 수평적 분포를 가능하게 하도록 구성되며;
    분배 채널과 유체 연통하고 후속부에 제공되는 2개 이상의 모세관 채널,
    각각의 모세관 채널의 후속부에 제공된 적어도 하나의 배출구 포트;
    상기 샘플 유입구 포트 및/또는 출구 포트는 채널과 해당 포트 사이에 확장부를 추가로 포함하며, 상기 확장부는 채널에 인접한 점점 가늘어지는 형태의 부분과 포트에 인접한 곡선 부분을 포함하며;
    채널을 통해 유체의 흐름을 제어하도록 구성된 전환 가능한 압력원; 및
    미세유체 장치 상의 각각의 모세관 채널 및/또는 출구 포트에서 순차적으로 또는 동시에 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 검출기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동장치.
  2. 제1항에 있어서, 모세관 채널은 일부가 구불구불하거나 구부러진 구성으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플 및/또는 보조 채널은 일부가 구불구불하거나 구부러진 구성으로 배열되는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 분배 채널의 상류에 제공되는 제2 검출기를 추가로 포함하고, 제2 검출기는 샘플 채널 내의 특정 구성성분 또는 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 채널은 최대 폭 또는 높이가 100㎛ 보다 크지 아니한 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 확장부의 곡선 부분은 반경이 0.05내지 0.4mm 사이의 값을 갖는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플 유입구 포트 및/또는 각각의 배출구 포트의 적어도 둘레 일부로 연장되는 유량 가이드를 추가로 포함하는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 유입구 포트는 보조 채널과 대응하는 유입구 포트 사이에 확장부를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 보조 유입구 포트는 보조 유입구 포트 주변의 적어도 일부 둘레로 연장되는 유량 가이드를 포함하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 미세유체장치는 포트 내 및/또는 채널의 구불구불한 부분 내에서 감지 위치를 찾도록 구성된 활성 위치 찾기 가이드가 추가로 포함된 장치.
  11. 제10항에 있어서, 활성 위치 찾기 가이드는 배출구 포트 내에서 감지 위치를 찾도록 구성된 것으로 하는 장치.
  12. 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 활성 위치 찾기 가이드가 보정기준점인 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 채널은 샘플이 유착되는 것을 방지하고 회로의 효율적인 충전을 가능하게 하도록 구성된 코팅이 제공되는 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 채널은 최대 치수가 40㎛인 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 채널은 최대 치수에 대해 수직으로 최대 25㎛의 범위를 갖는 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 친수성인 장치.
  17. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 코팅이 소수성인 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배출구 포트는 개방 포트인 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 포트의 표면은 조면화 될 수 있는 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 검출기는 공초점 검출기이고, 공초점 검출기는 포트 및/또는 구부러진 부분 내에서 각각의 구성성분의 적어도 하나의 생물물리학적 특성을 검출하고 측정하도록 구성된 장치.
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