KR20240032042A - 미세유체 장치에서 미세액적의 촬상 또는 이와 관련된 개선 - Google Patents
미세유체 장치에서 미세액적의 촬상 또는 이와 관련된 개선 Download PDFInfo
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Abstract
다음을 포함하는 장치: 다음을 포함하는 미세유체 장치(microfluidic device): 복수의 미세액적(microdroplet)을 포함하도록 구성된 미세유체 공간(microfluidic space), 미세유체 장치를 조명하기 위한 제1 광원, 미세유체 공간의 전반에 인가되는 전기장을 생성하기 위해 미세유체 장치에 전압을 공급하는 전압원, 및 미세유체 공간에 적용된 전기장을 변조하는 파형 신호를 생성하기 위해 제공되는 제1 변조기(first modulator) -제1 변조기는 전기장이 미세유체 공간의 전반에 인가되는 활성 상태 및 전기장이 미세유체 공간의 전반에 인가되지 않는 비활성 상태 간 상호 전환하도록 제공됨 -; 및 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위한 광학 촬상 장치(optical imaging device), 여기서 제1 변조기는, 활성 상태 동안, 전기장의 존재 하에 복수의 미세액적을 유지하기 위해 적어도 일부의 광이 미세유체 장치의 전반에 제공되도록 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 제공되고, 여기서 제1 변조기는, 비활성 상태 동안, 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지가 생성되도록 광학 촬상 장치를 제어하도록 더 구성됨.
Description
미세유체 장치에서 미세액적의 촬상 또는 이와 관련된 개선에 관한 것이며, 특히, 광전자 미세유체 장치에서 미세액적을 촬상하는 동안 미세액적의 제어를 유지하는 장치에 관한 것이다.
액적 기반 미세유체 시스템(droplet-based microfluidic system)은 적은 양의 시약(reagent)을 병렬적으로 사용하여 다량의 반응을 빠르게 수행하는 것을 목표로 한다. 미세유체 장치(microfluidic device) 내의 액적(droplet)은, 액체와 기판 사이 전기장을 가하면 액체가 자연 상태보다 표면에서 더 많이 젖게 되는 효과로서 잘 알려진 유전체 상의 전기습윤(EWOD: Electrowetting-On-Dielectric) 효과를 사용한 기술, 등의 다양한 기술을 사용하여 제어될 수 있다.
광학 기반 액적 조작 기술(optical-based droplet manipulation technology)은 광을 패턴화하고 재구성함으로써, 미세유체 장치에서 복잡한 제어 회로의 이용 없이, 미세액적에 대한 동적 제어를 가능하게 한다. 유전체 상의 광학 매개 전기습윤(oEWOD: Optically mediated Electrowetting-On-Dielectric) 장치는 미세액적이 컨테이닝벽(containing wall, 예: 미세유체 공간을 사이에 둔 한 쌍의 평행한 판)에 의해 정의된 미세유체 공간(microfluidic space)을 통해 이동하도록 한다. 적어도 하나의 컨테이닝벽은 이하에서 가상의 전기습윤 전극부(virtual electrowetting electrodes location)라고 언급되는 것을 포함하는데, 이는 내부에 매립된 반도체 층(layer)의 특정 영역을 선택적으로 조명함으로써 생성된다. 별도의 광원으로부터 발생하고 광학 어셈블리(optical assembly)에 의해 제어되는 광을 사용하여 층을 선택적으로 조명함으로써, 미세액적이 이동할 수 있는 가상의 전기습윤 전극부들의 가상 경로가 일시적으로 생성될 수 있다. 따라서 전도성 셀(conductive cell)은 사용되지 않고, 영구 액적 수용부(permanent droplet-receiving location)는 균일 유전체 표면(homogeneous dielectric surface)이 선호됨에 따라 폐기되며, 액적 수용부(droplet-receiving location)는 예를 들어 픽셀화된 광원(pixelated light source)을 사용하여 광전도성 층(photoconductive layer) 상의 점들을 선택적이고 다양하게 조명함으로써 균일 유전체 표면 위에 일시적으로 생성된다. 이를 통해, 유도 모세관 타입의 힘에 의해 표면의 미세액적을 움직일 수 있는 고도로 국소화된 전기습윤장(electrowetting field)이 유전체 층의 어느 곳에서나 설정될 수 있으며; 선택적으로 이는 미세액적이 분산된 운반 매질(carrier medium)의 임의의 방향성을 갖는 미세유체 흐름과 연계하여(예: 유화(emulsification)에 의해) 설정될 수 있다. 다시 말해, 운반 매질은 미세액적을 포함한다.
oEWOD와 같은 광학 기반 액적 조작 기술은 유연하고 고처리량의 액적 조작 플랫폼(droplet manipulation platform)을 제공할 잠재력이 있다. 하지만 미세유체 공간 내의 미세액적에 대한 촬상 및 측정을 수행하기 위한 적절한 탐지 기술을 통합해야한다는 과제가 있다. 형광 측정과 같은 광 기반 측정은 생물학적 분석을 수행하는 데 중요한 도구가 된다. 그러나 미세액적을 촬상하고 측정하는 데 필요한 광은 미세액적을 유지하거나 조작하는 데 사용되는 광에 압도당하여 미세액적 제어의 손실을 초래할 수 있다. 제어되지 않거나 고정되지 않은 미세액적은 미세유체 플랫폼 내에서 이동하는 경향이 있으며, 이와 같은 경향은 고품질의 이미지나 측정 결과를 얻는 것을 더욱 복잡하게 만들 수 있다.
따라서 미세유체 장치 내에서 광학 기반 액적 조작 기술을 사용하여 미세액적을 정밀하게 제어하고, 미세액적 제어의 손실을 초래하지 않으면서 촬상 및/또는 광학적 측정을 수행할 수 있는 발명이 필요하다.
이러한 배경 속에서 본 개시에 따른 발명이 제안된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 다음을 포함하는 장치가 제공된다: 다음을 포함하는 미세유체 장치(microfluidic device): 복수의 미세액적(microdroplet)을 수용하도록 구성된 미세유체 공간(microfluidic space), 상기 미세유체 장치를 조명하기 위한 제1 광원, 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 전기장을 생성하기 위해 상기 미세유체 장치에 전압을 공급하는 전압원, 및 상기 미세유체 공간에 적용된 전기장을 변조하는 파형 신호를 생성하기 위해 제공되는 제1 변조기(first modulator) - 상기 제1 변조기는 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 활성 상태; 및 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되지 않는 비활성 상태 간 상호 전환하도록 제공됨 - - 상기 제1 변조기는, 상기 활성 상태 동안, 전기장의 존재 하에 상기 복수의 미세액적을 유지하기 위해 적어도 일부의 광이 상기 미세유체 장치의 전반에 제공되도록 상기 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 제공됨 -; 및 상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위한 광학 촬상 장치(optical imaging device), 여기서 상기 제1 변조기는, 상기 비활성 상태 동안, 상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지가 생성되도록 상기 광학 촬상 장치를 제어하도록 더 구성된다.
전기장을 변조하기 위한 파형을 제공하는 제1 변조기는, 시스템의 전환 주파수(switching frequency)에서의 변조를 제공한다. 즉, 제1 변조기는 활성 상태와 비활성 상태 간의 전환과 관련하여 시스템의 광전자적 요구사항(optoelectronic requirement)을 충족하는 전계 변조(modulation of the field)를 제공한다. 일부 실시예에서, 이는 50 Hz 일 수 있다. 이는 예를 들어 1 kHZ 일 수 있는 전기장의 교류(A/C) 주파수와 꽤 구별된다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 다음을 포함하는 장치가 제공된다: 다음을 포함하는 미세유체 장치(microfluidic device): 복수의 미세액적(microdroplet)을 포함하도록 구성된 미세유체 공간(microfluidic space), 상기 미세유체 장치를 조명하기 위한 제1 광원, 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 전기장을 생성하기 위해 상기 미세유체 장치에 전압을 공급하는 전압원, 및 상기 미세유체 공간에 적용된 전기장을 변조하는 파형 신호를 생성하기 위해 제공되는 제1 변조기(first modulator) - 상기 제1 변조기는 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 활성 상태; 및 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되지 않는 비활성 상태 간 상호 전환하도록 제공됨 -; 및 상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위한 광학 촬상 장치(optical imaging device), 여기서 상기 제1 변조기는, 상기 활성 상태 동안, 전기장의 존재 하에 상기 복수의 미세액적을 유지하기 위해 적어도 일부의 광이 상기 미세유체 장치의 전반에 제공되도록 상기 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 구성되고, 상기 제1 변조기는, 상기 비활성 상태 동안, 상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지가 생성되도록 상기 광학 촬상 장치를 제어하도록 더 구성된다.
본 발명에 따른 장치는 광전자 미세유체 장치(opto-electronic microfluidic device)와 같은 미세유체 장치일 수 있다. 본 발명의 장치는 사용자가 미세유체 공간에 전기장을 적용하여 미세액적의 적어도 일부를 제 위치에 유지할 수 있도록 한다. 전기장의 적용은 미세유체 공간 내의 미세액적의 배열을 유지할 수 있기 때문에 이점이 있다. 전기장은 교류장일 수 있다.
게다가, 활성 상태 동안, 미세액적 또는 미세액적의 적어도 일부는, 예를 들어 oEWOD를 통해, 미세액적에 액적 조작을 수행하기에 적합한 광을 제공하는 광원을 제공함으로써 미세유체 공간 내에서 조작 및/또는 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 광원을 유지하는 것은 미세액적을 조작하는 데 사용될 수 있으며, 예를 들어 oEWOD를 사용하여 미세액적을 병합하거나 분할하는 데 사용할 수 있다.
두 개의 광원이 제공되는 실시예에서, 액적 조작과 유지 조명을 제공하는 제1 광원을 항상 켠 상태로서 액적 제어는 유지될 수 있다. 비활성 상태 동안에는 이 광원에 대해 액적 유지 요구사항이 없으므로 계속 켜져 있을 수 있다. 이 경우, 샘플에서 광이 재수집될 때, 제1 광원으로부터 발생한 광은 촬상 전에 필터링되거나 기록된 이미지로부터 계산적으로 제거될 수 있다. 이와 달리, 비활성 상태 동안, 제1 광원을 끌 수 있는데, 이 경우 필터링 요구사항이 제거되는 경우도 있지만 다른 접근 방식에서는 요구사항이 남는다. 이는 두 개의 광원 시스템에서 촬상 광원에 대한 요구사항과 대조된다. 촬상 광원의 경우, 광원을 전기장과 반대 위상으로서 켜고 꺼야 하는 요구사항이 있다. 의심의 여지를 없애기 위해, 필터링은 셔터, 컬러 필터 또는 편광 중 하나 이상을 통해 달성될 수 있다.
광원으로부터 발생한 광은 oEWOD를 위한 미세액적 조작에 적합한 '유지 조명'을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서는 광원으로부터 발생한 광이 촬상에 사용될 수 있는 촬상 조명을 제공할 수 있으며, 예를 들어 형광 측정과 같은 것에 사용될 수 있다.
본 발명에서 개시에 따라 사용되는 '유지 조명'이라는 용어는, 활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부를 유지, 조작 및/또는 제어하기 위해 전기장과 결합하여 사용되는 조명을 포함한다고 이해되어야 한다. 따라서, oEWOD 작업을 위해서는 조명을 위한 광과 전기장이 필요하다. 미세액적 조작은 분류, 병합, 분할 및/또는 예를 들어 배열로 정렬하는 것과 같은 작업을 포함할 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
본 개시에 따른 미세액적의 일부는 하나 이상의 미세액적을 포함할 수 있다. 제1 변조기는 또한, 활성 상태 동안, 미세유체 공간 전반에 광의 적어도 일부가 제공되도록 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 구성된다. 제1 광원을 직접 제어하는 것은 제1 변조기가 광원을 켜고 끄는 상태 사이에서 전환하도록 구성되는 것을 포함할 수 잇다. 제1 광원을 간접적으로 제어하는 것은 필터의 사용을 포함할 수 있는데, 이는 차례로 제어기 또는 제1 변조기 및/또는 제2 변조기에 의해 제어될 수 있다. 공간 필터(spatial filter)를 포함할 수 있는 필터는, 활성 상태 동안, 미세유체 공간 전반에 미세액적을 유지하거나 조작하기에 적합한 광의 일부가 제공되도록 제1 광원에 작용할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터는 컬러 필터(colour filter)일 수 있다. 컬러 필터는 본 발명에 따른 장치의 작동 중에 다른 색상 간을 전환할 수 있다. 컬러 필터는 하나의 광원과 함께 배치될 수도 있고, 컬러 필터가 교환될 수 있는 두 개의 광원과 함께 배치될 수도 있다. 일반적으로 컬러 필터는 변조기에 의해 변조되지 않는다. 두 개의 광원이 사용되는 실시예에서, 촬상 경로에 컬러 필터링이 사용된다면, oEWOD 광원은 촬상 광원에 영향을 주지 않고 전체적으로 활성 상태를 유지할 수 있다.
일부 실시예에서, 필터는 DMD와 같은 공간 필터일 수 있다. 공간 필터는 제1 또는 제2 변조기에 의해 변조된다. 단일 광원이 사용될 때, 공간 필터는 여러 진동 모드를 가지며 다양한 주파수에서 진동할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 변조기는 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위해 광학 촬상 장치를 제어하도록 더 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 변조기는 제1 광원을 직접 또는 간적적으로 제어하여 비활성 상태에서 미세액적 또는 미세액적의 적어도 일부에 대한 촬상을 위한 촬상 조명을 제공하도록 더 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제1 변조기가 비활성 상태에서 형광에 적합한 광을 미세액적의 적어도 일부에 제공하도록 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 이미지는 형광 이미지(fluorescence image), 형광 공명 에너지 전달 이미지(fluorescence resonance energy transfer image), 브라이트필드 이미지(brightfield image) 또는 화학 발광 이미지(chemiluminescence image)일 수 있다. 그러나 일부 실시예에서 이미지는 0.25 초, 0.5 초 또는 1 초의 시간 간격으로 통합될 수 있다. 따라서, 제1 변조기가 50 Hz에서 교류장에 전환 변조를 적용하는 경우, 1 초 시간의 통합은 50개의 변조 주기에서 수집된 광을 포함된다. 이 통합 접근 방식은 리드 노이즈(read noise)의 영향을 최소화하고 더 큰 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise)을 달성할 수 있게 한다. 이는 형광과 같은 많은 촬상 기법에 중요하다.
일부 실시예에서, 제어기, 제1 변조기 및/또는 제2 변조기는 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 적용되는 광이 촬상에 적합하도록 필터를 제어하도록 더 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는 필터가 제1 광원으로부터 발생하는 광의 적어도 일부를 필터링하여 활성 및 비활성 상태 동안 미세유체 공간이 다른 파장의 광으로 조명되도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 필터는 컬러 필터일 수 있다.
필터는 활성 및 비활성 상태에서 유지 조명과 촬상 조명 전부에 단일 광원을 사용할 수 있게 함으로써, 사용자가 운영하기에 간단하고 효율적이며, 비용 절감의 효과를 제공한다는 이점이 있다. 미세액적을 유지하고 미세액적의 적어도 일부를 촬상하는 데 단일 광원이 사용되는 경우, 이 단일 광원은 공간적으로 변조된다.
일부 실시예에서, 특히 단일 광원 구성에서는, 제1 광원이 활성 및 비활성 상태에서 지속적으로 켜진다. 필터는 제1 광원에 작용하여 유지 패턴과 촬상 조명 패턴 사이를 전환할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 변조기는 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하여 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 광이 제공되지 않도록 더 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는, 제어기가 필터를 제어하여 비활성 상태에서 미세액적에 광이 제공되지 않도록 할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 변조기는 비활성 상태에서 제1 광원이 '꺼짐' 상태가 되도록 제어할 수 있다. 이는, 예를 들어, 광학 촬상 장치가 화학 발광 이미지를 생성하도록 구성된 경우 유리할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1 광원은 이중 파장 광원일 수 있으며, 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위해 광학 촬상 장치를 제어하는 것은 미세액적을 유지하는 데 적합한 파장에서 촬상에 적합한 다른 특정 파장으로 전환하는 것을 포함할 수 있다. 조작 및 촬상 조명에 대해 다른 파장 사이를 전환함으로써, 미세액적의 적어도 일부 내용물의 탐지 및/또는 분석을 용이하게 할 수 있는 스펙트럼 상의 구별을 할 수 있다.
일반적으로 알려져 있듯이 전기장이 변조되지 않고 유지 및 촬상 조명이 동시에 존재하는 경우, 비활성 상태에서 촬상 조명의 강도는 미세액적을 유지하고/또는 조작하는 데 구성된 조명에 방해되지 않을 정도로 충분히 낮게 유지될 수 있다. 그러나 촬상 조명의 약한 강도로 인해, 긴 이미지 취득 시간이 필요할 수 있으며, 이는 전체 과정의 효율성을 제한할 수 있다. 추가적으로, 전기장에 의해 유지되지 않는 비활성 상태에서 미세액적은 이동한다. 따라서 긴 취득 기간은 미세유체 공간 내에서 미세액적의 제어를 유지하는 데 해로울 수 있다.
전기장을 활성 및 비활성 상태 사이에서 변조하고 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어함으로써, 본 발명에 따른 장치는 전기장과 촬상 조명이 동시에 미세유체 공간에 적용되는 것을 피할 수 있다. 이는 미세액적의 적어도 일부의 이미지를 취득하는 데 사용되는 광이 미세액적의 적어도 일부를 유지하는 데 사용되는 광을 압도하고 원치 않는 광전자 효과, 예를 들어 oEWOD를 일으키는 것을 방지한다. 따라서, 이는 본 발명에 따른 장치를 사용할 때 활용할 수 있는 촬상 조명의 파장 범위나 강도에 제한이 없다는 것을 의미한다. 이는 광전자 장치에서 미세액적을 촬상하는 다른 기술과 대조적이며, 이러한 기술은 특정 파장을 배제하고 미세액적을 유지하기 위한 조명을 압도하지 않도록 강도를 제한한다. 변조기는 미세유체 공간 전반에 적용되는 전기장을 변조하기 위한 파형 신호를 생성하기 위해 제공될 수 있다. 변조기는 각 미세액적 또는 미세액적의 적어도 일부를 제어할 수 있도록 미세유체 공간 전반에 전기장이 적용되도록 하는 활성 상태와, 미세유체 공간 전반에 전기장이 적용되지 않도록 하는 비활성 상태 중 하나에 있을 수 있다. 비활성 상태에서는 미세액적이 잠깐 동안 전기장에 의해 유지되지 않는다. 제1 변조기는 특정 시간 간격마다 활성 및 비활성 상태 사이를 전환할 수 있다. 제1 변조기의 비활성 상태 동안, 미세유체 공간 내 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지가 촬영될 수 있다.
변조기, 필터, 조명원의 응답시간 및 변조기의 활성 및 비활성 상태 간 전환이 즉각적이지 않음을 고려하면, 활성 및 비활성 상태 사이에 전기장이 존재하고 미세액적에 촬상 조명이 적용되지 않는 기간이 있을 수 있다. 전환 시간을 고려하여 신중한 동기화를 통해, 이러한 전환 시간 기간의 영향을 최소화하거나 제거할 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 활성 및 비활성 상태 간의 변조가 비활성 상태 동안 미세액적의 적어도 일부가 이동을 겪었더라도 최적의 유지 위치로 회복될 수 있게 한다는 것이다. 예를 들어, 비활성 상태에서는 미세유체 공간에 전기장이 적용되지 않고 미세액적이 유지되지 않으므로, 미세액적은 확산, 브라운 운동(Brownian motion), 또는 운반 유체의 흐름에 의해 이동할 수 있다.
활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명이 적용될 때, 미세액적은 조명의 불균일성으로 인해 발생하는 조명 구배를 따라 이동할 수 있다. 촬상 조명의 이러한 구배는 미세액적에 광전기습윤(optoelectrowetting) 힘을 활성화시켜 미세액적의 유지 위치로부터의 이동을 가속화할 수 있다.
비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명이 적용되지 않는 경우, 예를 들어 화학 발광 이미지를 취득할 때, 미세액적은 최적의 유지 위치에서 수동적으로 이동할 수 있다. 변조기가 미세유체 장치를 활성 상태로 전환하고 미세유체 공간이 유지 조명으로 조명될 때, 미세액적은 이동하기 전의 위치로 돌아갈 수 있다. 단, 변조가 미세액적이 유지 조명의 제어를 벗어나지 않을 만큼 충분한 시간 내에 이루어져야 한다.
일부 실시예에서는, 제어기가 제공될 수 있으며, 이는 예를 들어 실험 중 전압을 모니터링하거나, 본 발명의 장치의 다른 구조들(예를 들어 필터)을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 제어기는 컴퓨터, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러일 수 있다.
일부 실시예에서, 변조기는 전기장이 미세유체 공간에 적용되지 않고, 광원에 의해 미세액적이 조명되지 않는 추가 상태로 전환할 수 있다. 일부 실시예에서는 비활성 상태에서 광원에 필터를 적용하는 것만으로는 광학 촬상 장치가 미세액적의 적어도 일부를 이미징하는 데 충분하지 않을 수 있다. 일부 실시예에서는 광학 촬상 장치로 이미지를 얻기 위해 광원을 '꺼짐' 상태로 전환해야 할 수 있다. 이는 예를 들어 화학 발광 이미지를 촬상하는 동안 특히 유리할 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 변조기는 활성, 비활성 및 추가 상태 사이를 동적으로, 그리고 주어진 순서대로 전환할 수 있다. 예를 들어, 제1 변조기는 직접적으로나 간접적으로 제1 광원을 제어하여, 활성 상태에서 미세액적의 oEWOD 제어에 사용될 수 있으며, 비활성 상태에서 미세액적의 형광 이미지를 촬상하는 데 사용된 후 다시 활성 상태에서 미세액적의 oEWOD 제어로 돌아가고, 이어서 추가 상태에서 미세액적의 화학 발광 이미지를 촬상하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 제1 변조기는 함수 발생기이거나 디지털 스위치 또는 아날로그 스위치일 수 있다.
일부 실시예에서, 전압원은 교류원일 수 있다. 일부 실시예에서는 전압원이 미세유체 공간 전반에 전기장을 생성하기에 적합한 임의의 전압원일 수도 있다.
일부 실시예에서, 전압원은 활성 상태에서 미세유체 공간 전반에 전기장을 생성하기 위해 1 내지 200 V 사이의 전압을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서 전압원은 활성 상태에서 1, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180 또는 190 V 이상의 전압을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서는 전압원이 활성 상태에서 200, 190, 180, 170, 160, 150, 140, 130, 120, 110, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 40, 30, 20 또는 10 V 미만의 전압을 공급할 수 있다. 일부 실시예에서는 전압원이 5 내지 20 V 사이의 전압을 공급할 수 있다.
일부 실시예에서는 비활성 상태에서 미세유체 공간에 공급되는 전압이 1 V 미만일 수 있다. 바람직한 실시예에서는 비활성 상태에서 미세유체 공간에 공급되는 전압이 0 V이다.
일부 실시예에서는 변조기에 의해 생성된 파형 신호가 구형파일 수 있다. 일부 실시예에서는 변하는 전압을 가진 어떤 파형 신호라도 변조기에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예에서는 구형파나 탑-햇파(top-hat wave)와 같이 빠른 전환을 가진 파형이 유리하다. 이는 활성 및 비활성 상태 간의 중복을 방지하기 때문이다. 중복은 촬상 조명이 미세액적의 적어도 일부를 유지하기 위한 광 조명을 압도할 수 있으며, 이는 미세액적 제어의 손실을 초래할 수 있다.
일부 실시예에서, 미세유체 장치는 활성 상태, 비활성 상태 및/또는 추가 상태에 동일한 길이의 시간 동안 있을 수 있다.
일부 실시예에서는 미세유체 장치가 시간의 90 % 동안 활성 상태에 있을 수 있으며, 나머지 10 %의 시간 동안 비활성 상태나 추가 상태에 있을 수 있다.
일부 실시예에서는 미세유체 장치가 시간의 10 % 동안 활성 상태에 있을 수 있으며, 나머지 90 %의 시간 동안 비활성 상태나 추가 상태에 있을 수 있다.
활성 및 비활성 또는 추가 상태 간에 소요되는 시간은 미세액적의 유지와 촬상 사이의 균형을 달성하기 위해 분할될 수 있으며, 이를 통해 미세액적이 충분히 제어될 수 있다. 활성 및 비활성 또는 추가 상태 간의 듀티 사이클은 미세액적의 적어도 일부가 이동을 겪었더라도 이들이 최적의 유지 위치로 회복될 수 있게 한다. 듀티 사이클은 미세액적이 최적의 유지 위치에서 이동하는 속도에 따라 달라진다. 빠른 속도로 이동하는 미세액적은 미세액적 제어를 회복하기 위해 더 긴 활성 상태를 요구할 수 있으며, 느리게 이동하는 미세액적은 더 짧은 활성 상태를 가진 듀티 사이클로 충분히 제어될 수 있다.
미세액적의 이동 속도는 조작 광원의 강도, 비활성 상태에서의 장치의 지속 시간, 미세액적의 크기, 모양, 압축 및 미세액적이 분산된 운반 매질의 점도를 포함한 여러 요인(다만 이들에 한정되지 않는다.)에 의존한다. 일부 실시예에서는 예를 들어 미세유체 공간에 마찰 코팅을 하거나, 미세액적을 냉각하거나, 압축하거나, 더 점도가 높은 운반 매질(carrier phase)을 사용함으로써 미세액적이 최적 위치에서 이동하는 속도를 늦출 수 있다.
일부 실시예에서는, 비활성 또는 추가 상태에서 화학 발광 이미지를 취득하는 경우, 비활성 또는 추가 상태가 긴 듀티 사이클(예를 들어 10:90 또는 1:99 듀티 사이클)이 바람직할 수 있다. 화학 발광 이미지를 취득하는 동안, 이상적으로는 미세유체 공간에 전기장이 없고 촬상 조명도 적용되지 않는다. 비활성 상태 또는 추가 상태를 길게 유지하여 화학 발광 신호가 미세액적의 적어도 일부에서 검출될 수 있는 시간을 최대화하는 것이 유리할 수 있다. 그러나 비활성 상태나 추가 상태 동안 미세액적이 유지되지 않기 때문에, 이들은 최적의 유지 위치로부터 수동적으로 이동할 것이며, 따라서 활성 및 비활성 또는 추가 상태를 변조함으로써 미세액적에 대한 제어를 유지할 수 있다.
일부 실시예에서는 파형 신호가 0.5 내지 5000 Hz의 주파수 범위를 가질 수 있다. 일부 실시예에서 파형 신호는 0.5, 10, 50, 100, 250, 500, 750, 1000, 1250, 1500, 1750, 2000, 2250, 2500, 2750, 3000, 3250, 3500, 3750, 4000, 4250, 4500 또는 4750 Hz 이상의 주파수를 가질 수 있다. 일부 실시예에서 파형 신호는 5000, 4750, 4500, 4250, 4000, 3750, 3500, 3250, 3000, 2750, 2500, 2250, 2000, 1750, 1500, 1250, 1000, 750, 500, 250, 100, 50 또는 10 Hz 미만의 주파수를 가질 수 있다. 바람직한 범위는 4 Hz 내지 50 Hz 사이다.
일부 실시예에서 파형 신호 변조 주파수는 미세액적이 최적의 유지 위치로부터 이동하는 속도에 따라 선택될 수 있다.
일부 실시예에서 더 높은 변조 주파수는 미세액적 제어의 감소를 초래할 수 있다. 일부 실시예에서 더 높은 변조 주파수는 미세액적을 유지하고/또는 조작하기 위해 구성된 조명원에 의한 미세액적의 적어도 일부의 조명이 미세액적 제어를 유지하기에 충분한 시간 동안 이루어지지 않을 수 있다.
일부 실시예에서 특정 변조 주파수는 미세액적 제어의 향상을 가져올 수 있다. 예를 들어, 변조 주파수가 1 kHz의 교류원 주파수와 일치하는 실시예에서는 2.5kHz 변조 주파수에서의 유지 강도가 1 kHz 변조 주파수에서보다 더 클 수 있다.
최소 변조 주파수는 미세액적이 이동하는 속도에 따라 달라진다. 장치는 비활성 상태나 추가 상태에서 보내는 시간이, 미세액적이 활성 상태에서 최적의 유지 위치로 되돌릴 수 있는 위치를 벗어나는 데 걸리는 시간보다 적어야 한다.
일부 실시예에서, 미세유체 공간은 복수의 미세액적을 포함하도록 구성될 수 있다. 이 장치는 단일 미세액적 레벨에서 미세액적을 유지하고/또는 조작하고 촬상하기에 적합하다. 또한, 이 장치는 다수의 미세액적을 유지하고/또는 조작하고 그 중 일부를 촬상하기에도 적합하다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 미세액적은 생물학적 개체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 장치가 생물학적 분석의 일부로서 미세액적의 적어도 일부를 촬상하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 장치가 생물학적 분석의 일부로서 형광 측정을 수행하는 데 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 생물학적 개체는 세포, 바이러스, 단백질 샘플, 항체 샘플, 기능화된 마이크로비드 또는 효소일 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 미세액적은 형광 개체를 포함할 수 있다. 형광 개체는 형광 염료 또는 형광 비드일 수 있다. 형광 개체는 미세액적에 존재하는 세포와 같은 생물학적 개체에 부착될 수 있다. 세포와 같은 생물학적 개체는 형광 염료로 염색될 수 있다.
일부 실시예에서는 단일 광원이 활성 상태와 비활성 상태 동안 미세액적의 적어도 일부를 조명하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 장치가 제2 광원을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 제1 광원이 활성 상태에서 미세액적 유지 조명을 제공하고, 제2 광원이 비활성 상태에서 촬상 조명을 제공할 수 있다. 두 개의 광원이 있는 장치는 손실을 줄일 수 있어 유리하다. 단일 광원은 공간 광 변조기(spatial light modulator)를 통과하는 것이 요구될 수 있으며, 이는 손실을 발생시킬 수 있다. 이는 단일 광원이 공간 광 변조기를 사용하여 필터링되어야 할 수 있기 때문에, 추가적인 원치 않는 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 여러 광원을 사용하는 것이 더 효율적이다.
일부 실시예에서는 비활성 상태에서의 촬상이 조명원 없이 이루어질 수 있으며, 미세액적 내에 포함된 샘플이 방출하는 빛을 검출할 수 있다. 이러한 실시예는 화학 발광, 인광성 또는 생물 발광을 하는 샘플을 촬상하는 데 특히 적합하다.
일부 실시예에서는 장치가 제1 및/또는 제2 광원으로부터 발생하는 광의 적어도 일부를 필터링하는 필터를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서는 제어기가 제공되며, 이는 필터를 제어하여 비활성 상태에서 미세유체 공간의 전반에 적용되는 촬상 조명을 제1 및/또는 제2 광원에서 허용하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서는 장치가 제2 광원에서 발생하는 광을 변조하기 위한 제2 파형 신호를 생성하도록 구성된 제2 변조기를 더 포함할 수 있다. 제2 변조기는 제2 광원으로부터 발생하는 광을 제1 변조기 및 변조된 전기장과 위상이 일치하지 않도록 변조할 수 있으며, 이를 통해 전기장과 촬상 조명이 미세유체 공간에 동시에 적용되지 않도록 할 수 있다.
일부 실시예에서는 비활성 상태 동안 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하기 위해 구성된 제2 광원을 제어하는 제2 변조기가 제공된다. 일부 실시예에서는 제1 및/또는 제2 변조기가 추가로 제2 광원을 제어하여 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서는 제1 및/또는 제2 변조기가 추가로 제2 광원을 제어하여 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 형광에 적합한 광을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서 두 개의 광원을 사용하는 경우, 제1 광원은 활성 및 비활성 상태 모두에서 미세액적의 적어도 일부를 지속적으로 조명할 수 있다. 제2 광원은 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하도록 구성되며, 제2 변조기에 의해 변조되어 촬상 조명이 비활성 상태에서만 적용된다. 예를 들어, 제2 변조기는 광원을 변조하고 광원을 켜고 끄는 상태 사이에서 전환할 수 있다. 제어기는 제1 및 제2 변조기를 서로 위상이 맞지 않게 변조하거나 모니터링하여 제2 광원과 전기장이 동시에 활성화되지 않도록 하고, 촬상 조명이 미세액적 조작을 방해하고 미세액적 제어의 손실을 초래하는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예에서, 두 개의 광원을 사용하는 경우, 제어기 또는 제1 및/또는 제2 변조기는 적어도 미세액적의 일부가 촬상 및 유지를 위해 다른 파장으로 조명되도록 필터를 제어할 수 있으며, 두 조명은 스펙트럼상 구별된다. 일부 실시예에서, 필터는 비활성 상태에서 유지 조명 광원이 미세액적을 조명하지 않도록 하고 촬상 조명 광과 간섭하지 않도록 적용될 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 미세액적의 적어도 일부를 조작하기 위해 조명을 제공하는 제1 광원, 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하는 제2 광원, 미세유체 공간의 전반에 적용되는 전기장을 변조하기 위한 제1 파형 신호를 생성하는 제1 변조기, 제2 광원을 사용하여 미세액적의 적어도 일부의 조명을 변조하기 위한 제2 파형 신호를 생성하는 제2 변조기를 더 포함할 수 있다. 여기서 제1 변조기는 전기장이 미세유체 공간 전반에 적용되어 미세액적의 적어도 일부를 유지하는 활성 상태와 전기장이 미세유체 공간 전반에 적용되지 않는 비활성 상태 사이를 전환하도록 구성된다. 제1 또는 제2 변조기는 제2 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하여 비활성 상태에서 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하도록 구성된다.
일부 실시예에서 제2 변조기는 함수 발생기(function generator)를 통한 직접적인 전기 변조, 디지털 스위치(digital switch) 또는 아날로그 스위치(analog switch), 초퍼(chopper), 전기 광학 변조기(electro-optic modulator), 음향 광학 변조기(acousto-optic modulator) 또는 셔터(shutter)를 포함할 수 있지만 이에 국한되지 않는다. 일부 실시예에서는 제2 변조기가 다이렉트 LED 또는 레이저 변조로 구현될 수 있다. 일부 실시예에서는 제2 변조기가 디지털 마이크로미러 장치(DMD: Digital Micromirror Device) 또는 액정 공간 광 변조기(SLM: Spatial Light Modulator)와 같은 공간 광 변조기(spatial light modulator)일 수 있다. 일부 실시예에서는 제2 조명원이 레이저인 경우 음향 광학 변조기 또는 전기 광학 변조기 사용이 바람직할 수 있다. 음향 광학 변조기는 고정된 주파수 범위에서 작동할 수 있으며, 고정된 파장의 광을 변조하는 데 사용될 수 있다. 전기 광학 변조기도 고정된 주파수 범위에서 작동할 수 있으며, 각 파장의 광에 대해 조정될 수 있다.
일부 실시예에서는 제2 변조기로 초퍼를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 초퍼는 모든 파장의 광을 변조하는 데 적합하다. 초퍼는 예를 들어 100 Hz 내지 1000 Hz 범위의 중간 주파수 변조에 적합할 수 있다.
일부 실시예에서는 다이렉트 LED 또는 레이저 변조가 바람직할 수 있다. 다이렉트 LED 또는 레이저 변조는 MHz 주파수 범위까지 변조에 적합할 수 있다.
일부 실시예에서는 제2 변조기로 셔터를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 셔터는 미세유체 공간의 전반에 적용되는 전기장과 미세액적의 촬상 조명 사이에 중복이 없도록 하는 데 유리한 잘 정의된 구형파를 달성하는 데 적합하다. 셔터는 모든 파장의 광에 사용될 수 있다. 셔터는 다른 변조기보다 낮은 최대 주파수 범위를 가질 수 있다.
일부 실시예에서 제1 및/또는 제2 광원은 LED, 레이저 또는 램프일 수 있다.
일부 실시예에서 사용되는 레이저 광은 공간적, 시간적으로 일관된 특성을 가질 수 있다. 레이저 광은 높은 일관성과 낮은 발산을 가지므로, 집속된 광선을 형성할 수 있다. 집속된 광선은 미세유체 공간에 위치한 미세액적을 조명하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 비일관성 광원으로는 달성할 수 없는 높은 신호 대 잡음비를 얻기 위해 레이저 광을 사용할 수 있다. 이는 예를 들어 래스터 스캐닝(raster-scanning)을 사용하는 촬상에서 유리할 수 있다.
일부 실시예에서는 LED나 램프를 광원으로 사용하는 것이 유리할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 백색 LED는 높은 출력을 제공하고 형광 측정을 위해 좁은 파장대를 선택적으로 적용할 수 있기 때문에 광원으로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 컬러 LED를 광원으로 사용할 수 있다. 일부 실시예에서 크세논 램프(xenon lamp)와 같은 램프는 광학 측정을 위해 좁은 대역 조명을 달성하기 위해 필터링될 수 있다. LED는 램프보다 필터링하기 쉬울 수 있다.
일부 실시예에서, 미세유체 장치는 제1 변조기가 활성 및 비활성 상태 사이를 전환하기 전에 활성 상태에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 미세유체 장치는 적어도 미세액적의 일부 이미지 촬영이 필요하기 전에 미세액적 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다. 따라서 미세유체 장치는 제1 변조기가 미세유체 공간에 적용되는 전기장의 변조를 시작하기 전에, 일정하거나 교류 전기장이 공급된 활성 상태에 있을 수 있다.
일부 실시예에서 미세유체 장치는 유전체 상의 광전기습윤(oEWOD: opto-electrowetting on dielectric) 장치, 광학 핀셋(optical tweezer) 장치, 광전자 핀셋(OET: opto-electronic tweezer) 장치 또는 유전영동(DEP: dielectrophoresis) 장치일 수 있다.
일부 실시예에서 제공되는 장치는 전기습윤을 사용하여 미세액적을 조작하는 장치로, 제1 복합벽(first composite wall)을 포함하는데 이는 제1 기판(first substrate), 기판 상에 배치되는 제1 도체층(first conductor layer), 그리고 광활성층(photoactive layer) 상에 배치되는 20 nm 미만 두께의 제1 연속 유전체층(first continuous dielectric layer)을 포함한다. 제2 복합벽(second composite wall)은 제2 기판(second substrate)과 기판 위의 제2 도체층(second conductor layer)을 포함한다.
일부 실시예에서 제2 복합벽은 선택적으로 제2 도체층 상에 배치되는 20 nm 미만 두께의 제2 연속 유전체층(second continuous dielectric layer)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서 제1 복합벽은 제1 도체층 상에 배치되는 광활성층을 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서 미세유체 장치는 oEWOD 장치일 수 있으며, oEWOD 구조는 다음과 같다: 다음을 포함하는 제1 복합벽: 제1 기판, 기판 상에 배치되는 70 nm 내지 250 nm 두께의 제1 도체층, 도체층 상에 배치되는 400 내지 850 nm 파장 범위의 전자기 복사에 활성화되는 광활성층, 300 내지 1500 nm 두께의 광활성층, 그리고 광활성층 상에 배치되는 1 nm 내지 20 nm 또는 30 nm 내지 160 nm 범위의 제1 유전체층; 및 다음을 포함하는 제2 복합벽: 제2 기판, 제2 기판과 기판 상에 배치되는 70 nm 내지 250 nm 두께의 제2 도체층, 선택적으로 포함되는 제2 도체층 위의 1 nm 내지 20 nm 또는 30 nm 내지 160 nm 범위의 제2 유전체층을 포함하고, 여기서 복합벽의 노출된 표면은 미세유체 공간을 정의하기 위해 20 내지 180 μm 떨어져 있으며, 미세유체 공간은 미세액적을 포함하도록 적응되고, 교류원은 제1 및 제2 복합벽의 전반에 전압을 제공하며 제1 및 제2 도체층을 연결하고, 제1 및 제2 전자기 방사선은 광활성층의 밴드갭보다 높은 에너지를 가지며 광활성층에 부딪혀 제1 유전체층 표면에 가상 전기습윤 위치를 유도하도록 적응되고, 전자기 복사의 충돌 지점을 조작하여 가상 전기습윤 위치의 배치를 변화시키고, 미세액적이 이동할 수 있는 적어도 하나의 전기습윤 경로를 생성하는 수단이 포함된다. 이 구조의 제1 및 제2 벽은 투명하며, 미세유체 공간이 두 벽 사이에 샌드위치처럼 끼워져 있다.
일부 실시예에서 제1 및/또는 제2 기판은 투명할 수 있다. 제1 및/또는 제2 도체층은 투명할 수 있다.
교류원은 제1 및 제2 복합벽에 의해 둘러싸인 미세유체 공간의 전반에 0 V 내지 100 V 사이의 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서 제공되는 전압은 0 V 내지 50 V 사이, 또는 0 V 내지 10 V 사이일 수 있다. 일부 실시예에서는 AC 전원이 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80 또는 90 V 이상의 전압을 제공하도록 구성되거나 90, 80, 70, 60, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10 또는 5 V 미만일 수 있다.
적합하게, 제1 및 제2 기판은 유리, 실리콘, 금속 또는 엔지니어링 플라스틱과 같은 기계적으로 강한 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서 기판은 일정한 유연성을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서는 제1 및 제2 기판의 두께가 100 내지 1500 μm 범위, 예를 들어 500 μm 또는 1100 μm일 수 있다. 일부 실시예에서 제1 기판은 실리콘, 융합 실리카, 유리 중 하나로 구성된다. 일부 실시예에서 제2 기판은 융합 실리카 또는 유리 중 하나로 구성된다.
제1 및 제2 도체층은 제1 및 제2 기판의 한 면에 위치하며 일반적으로 70 내지 250 nm, 바람직하게는 70 내지 150 nm 두께 범위를 가진다. 이들 층 중 적어도 하나는 인듐 주석 산화물(ITO), 은과 같은 매우 얇은 도체 금속 필름 또는 PEDOT와 같은 전도성 폴리머로 만들어진 투명한 도체 재료로 만들어진다. 이들 층은 연속된 시트 또는 와이어와 같은 일련의 개별 구조로 형성될 수 있다. 또는 도체층은 도체 재료의 메쉬(mesh)로 구성되며 전자기 복사가 메쉬의 공간 사이를 통해 지시될 수 있다.
광활성층은 제2 전자기 방사선의 자극에 반응하여 국소적인 전하 영역을 생성할 수 있는 반도체 재료로 적합하게 구성된다. 예로는 300 내지 1500 nm 두께 범위의 수소화된 비정질 실리콘 층이 있다. 일부 실시예에서 광활성층은 가시광선을 사용하여 활성화된다. 제1 벽의 경우 광활성층과 제2 벽의 경우 선택적으로 도체층 상호는 30 내지 160 nm 두께 범위의 유전체층으로 코팅된다. 이 유전체층의 유전 특성은 바람직하게는 >10^7 V/m의 높은 유전 강도와 >3의 유전 상수를 포함한다. 일부 실시예에서 유전체층은 알루미나, 실리카, 하프니아 또는 얇은 비전도성 폴리머 필름에서 선택될 수 있다.
이 구조의 또 다른 실시예에서는 적어도 제1 유전체층, 바람직하게는 두 층 모두, 다양한 가상 전기습윤 전극부에서 바람직한 미세액적/운반 유체/표면 접촉각을 설정하는 데 도움이 되는 항오염층으로 코팅된다. 추가적으로, 이는 미세액적의 내용물이 표면에 달라붙는 것을 방지하고 칩을 통해 미세액적이 이동함에 따라 줄어드는 것을 방지한다. 제2 벽이 제2 유전체층을 포함하지 않는 경우, 제2 항오염층은 제2 도체층에 직접 적용될 수 있다.
최적의 성능을 위해, 항오염층은 미세액적/운반 유체/표면 접촉각을, 공기-액체-표면 3점 인터페이스로 측정했을 때 25 °C 인 경우, 50 °에서 180 ° 범위에 있도록 돕는 것이 바람직하다. 일부 실시예에서 이(들) 층의 두께는 10 nm 미만이며 일반적으로 단분자 층이다. 다른 실시예에서는 이 층들은 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate)나, 하이드로필릭 그룹(hydrophilic group, 예: 알콕시실릴(alkoxysilyl))으로 치환된 유도체와 같은 아크릴레이트 에스테르(acrylate ester)의 고분자로 구성된다. 항오염층 중 하나 또는 둘 다는 최적 성능을 위해 소수성이다. 일부 실시예에서는 항오염 코팅과 유전체층 사이에 화학적으로 호환되는 브리지를 제공하기 위해 20 nm 미만 두께의 실리카 중간층이 삽입될 수 있다.
제1 및 제2 유전체층은, 그러므로 제1 및 제2 벽은, 적어도 10 μm, 바람직하게는 20 내지 180 μm 범위의 너비를 가진 미세유체 공간을 정의하며, 미세액적이 포함된다. 바람직하게는 포함되기 전에 미세액적 자체는 미세유체 공간의 너비보다 10 % 이상, 적합하게는 20 % 이상 큰 고유 직경을 가진다. 이로 인해 칩에 들어가면서 미세액적은 압축을 겪게 되며, 예를 들어 더 나은 미세액적 병합 능력을 통해 향상된 전기습윤 성능을 달성한다. 일부 실시예에서 제1 및 제2 유전체층은 소수성 코팅인 플루오로실레인(fluorosilane)과 같은 것으로 코팅될 수 있다.
일부 실시예에서 미세유체 공간에는 제1 및 제2 벽을 미리 정해진 양만큼 떨어져 있게 하는 하나 이상의 스페이서(spacer)가 포함된다. 스페이서의 옵션에는 비드(bead)나 기둥(pillar), 중간 저항층(intermediate resist layer)에서 광 패터닝으로 생성된 융기(ridge) 등이 있다. 또는 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물과 같은 증착된 재료를 사용하여 스페이서를 생성할 수 있다. 또는 필름 층, 예를 들어 접착 코팅이 있는 또는 없는 유연한 플라스틱 필름을 사용하여 스페이서층을 형성할 수 있다. 다양한 스페이서 형태는 좁은 채널, 테이퍼 채널 또는 기둥 라인으로 정의된 부분적으로 닫힌 채널을 형성하는 데 사용될 수 있다. 신중한 설계를 통해, 이러한 스페이서는 미세액적의 변형을 돕고, 이어서 미세액적 분리를 수행하며, 변형된 미세액적에 대한 작업을 수행하는 데 도움이 될 수 있다. 마찬가지로 이 스페이서는 칩의 구역을 물리적으로 분리하여 액적의 집단 간 교차 오염을 방지하고, 유압 하에서 칩을 로딩할 때 액적의 올바른 방향 흐름을 촉진하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서 스페이서는 블레이드 형태 구조(blade shaped structure), 웨지 구조(wedge structure), 기둥(pillar), 친수성 패치(hydrophilic patch), 좁은 채널(narrow channel) 또는 표면 요철(surface dimple)일 수 있으며 이에 국한되지 않는다.
제1 및 제2 벽은 도체층에 부착된 교류원을 사용하여 편향되어 그 사이에 전위차를 제공하며, 적합하게는 1 내지 50 볼트 범위의 전압 차이를 제공한다. 이러한 oEWOD 구조는 일반적으로 400 내지 850 nm 범위, 예를 들어 550, 620 및 660 nm의 파장을 가진 제2 전자기 방사선과 연계하여 사용된다. 이 방사선의 에너지는 광활성층의 밴드갭을 초과한다. 적합하게, 광활성층은 사용된 복사의 입사 강도가 0.01 내지 0.2 Wcm^-2 범위일 때 가상 전기습윤 전극부에서 활성화된다.
전자기 방사선원이 픽셀화되어 있는 경우, LED나 다른 램프에서 발생하는 빛으로 조명된 디지털 마이크로미러 장치(DMD)와 같은 반사 스크린을 통해 직접 또는 간접적으로 공급된는 것이 바람직하다. 이를 통해 가상 전기습윤 전극부의 매우 복잡한 패턴을 제1 유전체층에서 신속하게 생성하고 제거할 수 있으며, 이를 통해 미세액적을 밀접하게 제어된 전기습윤 힘을 사용하여 사실상 임의의 가상 경로를 따라 정밀하게 조종할 수 있다. 이러한 전기습윤 경로는 제1 유전체층의 가상 전기습윤 전극부 연속체로 구성되어 있다고 볼 수 있다.
일부 실시예에서는 제1 변조기 및/또는 제2 변조기의 픽셀화 형태에 의해 전자기 복사원의 충돌 지점 형태가 결정된다. 광활성층에 대한 전자기 복사원의 충돌 지점은 기존의 원형이나 고리형을 포함하여 편리한 어떤 형태도 될 수 있다. 일부 실시예에서 이러한 충돌 지점의 형태는 해당 픽셀화의 형태에 의해 결정되며, 다른 실시예에서는 미세액적이 미세유체 공간에 들어간 후의 미세액적 형태와 전적으로 또는 부분적으로 일치한다. 한 실시예에서는 충돌 지점과 따라서 전기습윤 전극부가 초승달 모양이며 미세액적의 의도된 이동 방향으로 정렬될 수 있다. 적합하게 전기습윤 전극부 자체는 제1 벽에 부착하는 미세액적 표면보다 작으며 접촉선과 표면 유전체 사이에 형성되는 최대 전계 강도 구배를 제공한다.
제1 및 제2 유전체층은 단일 유전체 재료로 구성되거나 둘 이상의 유전체 재료의 복합체로 구성될 수 있다. 유전체층은 Al2O3 및 SiO2를 이용하여 제작될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
제1 및 제2 유전체층 사이에는 구조물이 제공될 수 있다. 제1 및 제2 유전체층 사이의 구조물은 에폭시, 폴리머, 실리콘 또는 유리로 구성되거나 이들의 혼합물 또는 복합체로 구성되며, 직선, 각진, 곡선 또는 마이크로 구조화된 벽/면을 가질 수 있다. 제1 및 제2 유전체층 사이의 구조물은 상단 및 하단 복합벽에 연결되어 밀폐된 미세유체 장치를 생성하고 장치 내의 채널 및 영역을 정의할 수 있다. 구조물은 두 복합벽 사이의 공간을 차지할 수 있다. 또는 추가로, 도체 및 유전체가 벽이 이미 있는 형태의 기판에 증착될 수 있다.
본 발명의 일부 방법 및 장치 측면은 전기습윤 장치 이외의 광학적으로 활성화된 장치에 적용될 수 있는데, 이는 유전영동 또는 광학 핀셋을 통해 미세입자를 조작하는 장치와 같다. 이러한 장치에서는 기능적으로 동일한 광학 기기를 사용하여 가상 광학 유전영동 구배를 생성함으로써 세포 또는 입자를 조작하고 검사한다. 여기서 정의하는 미세입자는 생물학적 세포, 폴리스티렌 및 라텍스와 같은 재료들을 포함한다. 유전영동 및 광학 핀셋 메커니즘은 기술 분야에서 잘 알려져 있으며 숙련된 사람에 의해 쉽게 구현될 수 있다.
일부 실시예에서는 광학 촬상 장치가 미세액적의 적어도 일부로부터 광학 신호를 검출하는 검출기를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서 검출기는 미세액적으로부터 형광 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 형광 측정은 생물학적 분석을 수행하는 데 중요한 도구이다. 일부 실시예에서는 검출기가 미세액적으로부터 화학 발광 신호를 검출하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서는 검출기가 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 캡쳐하는 카메라를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에서 검출기는 비활성 상태 또는 추가 상태 동안 이미지를 획득할 수 있는 카메라를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서는 장치가 미세액적을 이동시키면서 이동 중인 미세액적에 대한 이미지를 기록하는 데도 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 본 명세서에서 개시된 장치, 장비 또는 방법에 의해 스크리닝된 종(species)이 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 본 명세서에서 개시된 장치, 장비 또는 방법에 의해 선택된 종(species)이 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 본 명세서에서 개시된 장치, 장비 또는 방법에 의해 분리된 종(species)이 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 본 명세서에서 개시된 장치, 장비 또는 방법에 의해 만들어진 종(species)이 제공된다.
이러한 종(species)은 화학적, 생화학적 또는 생물학적 성질을 가질 수 있다.
예를 들어, 본 발명은 여기서 공개된 스크리닝, 선택 및/또는 분리 방법에 의해 식별된 개체에 대한 작용제/길항제를 제공할 수 있다. 본 발명은 치료에 사용하기 위해 여기서 공개된 스크리닝, 선택 및/또는 분리 방법에 의해 식별된 개체에 대한 작용제/길항제를 제공할 수 있다. 이러한 개체는 화학적, 생화학적 또는 생물학적 성질을 가질 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 여기서 공개된 장치, 장비, 방법 또는 종(species)의 사용이 제공된다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 여기서 공개된 장치, 장비, 방법 또는 종(species)의 치료에의 사용이 제공된다.
본 발명은 제품을 제조할 때 본원에 개시된 장치, 장치, 방법 또는 종(species)의 사용을 제공할 수 있다. 제조된 제품은 본질적으로 화학적, 생화학적 또는 생물학적일 수 있다.
사용은 펩티드 합성일 수 있다. 사용은 합성 생물학일 수 있다. 사용은 세포주 공학 또는 개발일 수 있다. 사용은 세포 치료일 수 있다. 사용은 약물 발견일 수 있다. 사용은 항체 발견일 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 여기서 공개된 장치, 장비, 방법 또는 종(species)의 분석에 사용이 제공된다.
분석은 물리적, 화학적 또는 생물학적일 수 있다.
사용은 세포 하부 구조 촬상일 수 있다. 사용은 고함량 촬상일 수 있다.
사용은 진단일 수 있다.
사용은 생물학적 분석일 수 있다. 생물학적 분석은 높은 처리량의 스크리닝일 수 있다. 생물학적 분석은 ELISA일 수 있다.
사용은 세포 분비일 수 있다.
사용은 QC 안전성 프로파일링일 수 있다.
이제 본 발명을 예시적으로만, 그리고 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하고 구체적으로 설명한다:
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 미세유체 공간에 적용된 공간 필터를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 oEWOD의 두 가지 구성을 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 미세유체 공간에 적용된 공간 필터를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 oEWOD의 두 가지 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명은 광전자 액적 조작 기술을 사용하여 하나 이상의 미세액적(14)을 제어하면서 이미지를 취득하고/또는 하나 이상의 미세액적에 대한 광학 측정을 수행하는 장치에 대하여 개시한다.
도 1을 참조하면, 미세유체 장치(10)는 적어도 하나의 미세액적(14)을 포함하도록 구성된 미세유체 공간(12)과 미세유체 공간(12)을 조명하기 위한 광원(16)을 포함한다. 미세유체 장치(10)는 광전기습윤에 의한 유전체(oEWOD) 장치, 광학 핀셋 장치, 광전자 핀셋(OET) 장치 또는 유전영동(DEP) 장치일 수 있다.
미세액적(14)은 세포나 효소와 같은 생물학적 개체 및/또는 형광 염료나 형광 비드와 같은 형광 개체를 포함할 수 있다.
광원(16)은 할로겐 램프, 레이저, LED 또는 기타 적합한 광원일 수 있다. 광원(16)은 단색 LED이거나 바람직하게는 백색 LED일 수 있다.
전압원은 미세유체 장치(10)에 전압을 공급하여 미세유체 공간(12)의 전반에 전기장을 생성한다. 도 1의 그래픽 표현(13)에서 볼 수 있듯이, 전압은 시간 전반 동안 미세유체 공간 전반에 적용된다. 변조기(22)는 미세유체 공간(12)에 적용된 전기장을 변조하기 위한 파형 신호(28)를 생성하도록 구성되어 있으며, 전기장이 미세유체 공간(12)의 전반에 적용되는 활성 상태와 전기장이 미세유체 공간(12)의 전반에 적용되지 않는 비활성 상태가 있다. 활성 상태 동안, 미세유체 공간(12)의 전반에 생성된 전기장과 광원(16)에 의한 미세유체 공간의 조명은 광전자 힘, 예를 들어 oEWOD 힘을 생성한다. 이 광전자 힘은 미세액적(14)이 제자리에 유지되고/유지되거나 예를 들어 병합, 분할, 정렬 및/또는 어레이로 배열되게 조작되도록 미세액적(14)을 제어하는 데 사용될 수 있다.
변조기(22)는 함수 발생기일 수 있으며, 디지털 스위치 또는 아날로그 스위치일 수 있다. 변조기(22)에 의해 생성된 파형 신호(28)는 구형파 또는 탑-햇파일 수 있다. 파형 신호(28)는 0.5 Hz 내지 5000 Hz의 주파수 범위를 가질 수 있다. 전압원은 교류원일 수 있다. 전압원은 활성 상태 동안 미세유체 공간(12)의 전반에 전기장을 생성하기 위해 1 V 내지 200 V의 전압을 공급할 수 있다. 비활성 상태에서 미세유체 공간(12)에 공급되는 전압은 1 V 미만이며, 바람직하게는 0 V이다.
본 장치는 컴퓨터, 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러일 수 있는 제어기(20)도 포함한다. 제어기(20)는 공간 필터와 같은 필터(32)를 제어하도록 구성될 수 있다. 필터(32)는 광원(16)으로부터 발생하는 광의 적어도 일부를 필터링한다. 필터(32)는 색상 필터 또는 공간 필터일 수 있다. 제어기(20)는 제1 변조기(22), 제2 변조기(23), 필터(32) 및/또는 광학 촬상 장치(18)를 제어하여 비활성 상태에서 미세액적(14)의 이미지를 취득하도록 구성될 수 있다. 필터(32)는 미세액적(14)을 유지하기 위해 사용되는 광을 필터링하는 데 사용될 수 있도록 제어될 수 있으며, 비활성 상태에서 미세액적(14)에 적합한 촬상 조명이 적용된다. 이는 또한 제어기(20)가 비활성 상태에서 미세액적(14)에 촬상 조명이 적용되지 않도록 필터(32)를 제어하고, 예를 들어 화학 발광을 통해 미세액적(14)의 이미지를 취득하는 것을 포함할 수 있다.
또한 제1 변조기(22)는 전기장이 미세유체 공간(12)에 적용되지 않고 광원(16)이 꺼진 상태인 추가 상태로 전환될 수 있도록 구성될 수 있다. 이는 예를 들어 화학 발광 촬상을 수행할 때 유리할 수 있다. 도 1에서는 또한 제2 변조기(23)가 제공될 수 있음을 보여준다. 제2 변조기는 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명이 제공되도록 제2 광원(24)을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 광학 촬상 장치(18)는 추가 필터(25), 하나 이상의 거울 세트(27), 예를 들어 목표 렌즈(29)와 같은 하나 이상의 렌즈(29)를 포함할 수 있어, 제2 광원(24)으로부터 발생하는 광을 관심 있는 미세액적에 초점을 맞출 수 있다. 광학 촬상 장치(18)는 또한 카메라(31)와 같은 검출기(31)를 포함하여 미세액적의 이미지, 예를 들어 형광 이미지나 화학 발광 이미지를 얻는다.
광학 촬상 장치(18)는 하나의 미세액적(14)을 포함할 수 있는 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성한다. 미세액적의 일부는 복수의 미세액적을 포함할 수 있다. 광학 촬상 장치(18)는 검출기(31)를 포함할 수 있다. 검출기(31)는 미세액적(14)에서 나오는 광학 신호, 예를 들어 형광 신호나 화학 발광 신호를 검출하도록 구성될 수 있다. 광학 촬상 장치(18)는 또한 미세액적(14)의 이미지를 취득할 수 있는 카메라를 포함할 수 있다. 이미지는 그 후 프로세서에 의해 처리될 수 있다.
본 장치는 활성 및 비활성 상태 동안 적어도 미세액적(14)의 일부를 조명하는 데 사용될 수 있는 단일 광원(16)을 포함할 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 장치는 또한 제2 광원(24)을 포함할 수 있다. 장치가 두 개의 광원을 포함하는 경우, 제1 광원(16)은 활성 상태에서 미세액적을 유지하기 위한 조명을 제공할 수 있으며, 제2 광원(24)은 비활성 상태에서 촬상 조명을 제공할 수 있다. 제2 광원(24)은 램프, 레이저, LED 또는 기타 적합한 광원일 수 있다. 제2 광원(24)은 단색 LED이거나 바람직하게는 백색 LED일 수 있다. 제2 광원(24)은 비활성 상태에서 미세액적(14)의 촬상에 사용되며 형광 조명, 형광 공명 에너지 전송 조명, 브라이트필드 조명 또는 미세액적(14) 촬상에 적합한 기타 조명일 수 있다.
장치에 제2 광원(24)이 포함되는 경우, 제2 변조기(26)는 제2 광원(24)을 변조하는 데 사용된다. 제2 변조기(26)는 제2 광원(24)으로부터 발생하는 광을 변조하기 위한 제2 파형 신호(30)를 생성하도록 구성될 수 있다. 제2 변조기(26)는 제2 광원(24)을 제1 변조기(22) 및 전기장 변조와 위상이 맞지 않게 변조하도록 구성될 수 있다. 이로 인해 전기장과 미세액적(14)의 촬상 조명이 동시에 활성화되지 않으며, 촬상 조명이 미세액적(14) 유지에 사용되는 조명을 방해하지 않는다. 제2 변조기(26)는 함수 발생기, 디지털 스위치 또는 아날로그 스위치, 초퍼, 전기 광학 변조기, 음향 광학 변조기 또는 셔터를 통한 직접적인 전기 변조일 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 제2 변조기(26)는 다이렉트 LED 또는 레이저 변조기일 수 있다. 제2 변조기(26)는 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 또는 액정 공간 광 변조기(SLM)와 같은 공간 광 변조기일 수 있다.
도 1에서 보여지는 그래픽 표현은 전기장(40)이 형광(41)과 위상이 맞지 않게 변조되는 것을 보여준다. 이는 전기장과 미세액적(14)의 촬상 조명이 동시에 활성화되지 않으며, 촬상 조명이 미세액적(14) 유지에 사용되는 조명을 방해하지 않는다는 것을 의미한다. 도 2a 및 2b를 참조하면, 공간 변조의 예가 보여진다. 일부 경우에는 단일 광원이 미세액적의 적어도 일부를 유지하고 촬상하는 데 사용될 수 있다. 이 예에서, 도 2a 및 2b에 나타난 바와 같이, 공간 필터는 적용된 전압과 동기화되어 활성 및 비활성 상태를 생성하기 위해 조명 패턴을 만드는 데 사용된다. 활성 상태는 전압이 적용되고 유지 광 패턴이 적용되며, 그 예는 도 2a에서 나타난다. 비활성 상태는 적용된 전압이 비활성화되고 조명 패턴이 전체 조명으로 전환되며, 도 2b에서 보여지듯이 검출기와 동기화되었을 때 전체 시야를 조명할 수 있다. 이는 그 후 미세액적의 이미지를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 3a를 참조하면, 특히 유전체 상의 광전기습윤(oEWOD) 장치(100)인 미세유체 장치가 제공된다. 도 3a에 나타난 oEWOD 장치는 다음을 포함한다: 유리로 만들어질 수 있는 제1 기판(104)으로 구성된 제1 복합벽(102), 기판(104) 위의 제1 투명 도체층(106), 제1 투명 도체층(106)은 70nm 내지 250nm 범위의 두께를 가짐; 400 내지 850 nm 파장 범위의 전자기 복사에 의해 활성화되는 도체층(106) 상에 배치되는 광활성층(108), 여기서 광활성층(108)은 300 내지 1500 nm 범위의 두께를 가지며 광활성층(108) 상에 배치되는 제1 유전체층(110). 제1 유전체층(110)은 20 nm 미만의 두께를 가진다. 이 두께의 하한은 적어도 부분적으로 연속적인 매우 얇은 층을 제공하는 방법론에 의해 지정될 것이다. 하지만 이론적으로는 0.1 nm 내지 20 nm 사이의 두께를 가질 수 있다. 제1 도체는 투명할 수 있다.
장치(100)는 또한 유리로 만들어질 수 있는 제2 기판(114)과 기판(114) 상의 제2 도체층(116)을 포함하는 제2 복합벽(112)을 포함한다. 제2 도체는 투명할 수 있다. 제2 도체층(116)은 70 nm 내지 250 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 제2 도체층(116) 상에는 제2 유전체층(118)이 있을 수 있으며, 제2 유전체층(118)은 1 nm 내지 20 nm 사이 또는 25 nm 내지 160 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 복합벽(102, 112)의 노출된 표면은 미세유체 공간(121)을 정의하기 위해 20 μm 내지 180 μm 사이에 배치된다. 이 공간은 미세액적(122)을 포함하도록 적응된다.
광활성층(108)은 비정질 실리콘으로 만들어질 수 있다. 제1 및 제2 도체는 ITO로 만들어질 수 있다.
중간 결합층(124)은 제1 유전체층(110) 위에 제공되며, 제2 유전체층(118) 위에도 제공될 수 있다. 중간층의 두께는 0.1 nm 내지 5nm 사이일 수 있다. 중간층의 두께는 0.1, 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4 또는 4.5 nm 이상 또는 5nm, 4.5, 4, 3.5, 3, 2.5, 2, 1.5, 1, 0.75, 0.5 또는 0.25 nm 미만일 수 있다. 중간층은 예를 들어 실리콘 산화물로서 제1 및/또는 제2 유전체층 위에 제공된다. 중간층의 장점은 항오염 또는 비오염층에 대한 결합층으로 사용될 수 있다는 것이며, 이는 소수성일 수 있다. 일부 실시예에서는, 도면에서 나타나지 않은, 중간 결합층이 생략될 수 있다. 이러한 실시예에서는 소수성층이 직접 유전체층에 적용된다.
중간 결합층(124) 위에는 소수성층(126)이 제공된다. 소수성층의 예로는 플루오로실란 또는 플루오로실록산이 있다. 중간 결합층(124)은 선택 사항이며, 채널벽(120)은 SU8로 만들어질 수 있거나 유리 구조의 일부일 수 있다. 중간층(124)은 유전체층(110, 118)과 소수성층(126) 사이에 제공된다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 입사광(130)은 미세액적(122)의 일부분에 빛을 제공하여 미세액적(122)을 미세유체 공간(121) 내에서 정지된 위치에 유지하는 라이트 스프라이트 패턴(131)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 유기 매질(134)은 미세액적(122)에, 장치의 구멍(136)을 통해, 주요 영양소 및 구성 요소를 보충하여 미세액적(122) 내용물, 예를 들어 하나 이상의 세포를 살아있고 건강하게 유지하는 데 제공될 수 있다. 일부 경우에는 유기 매질(134)이 세포 성장, 생존력 및/또는 생산성에 필요한 주요 영양소, 매체 및 구성 요소를 제공할 수 있다.
제1 및 제2 기판(104, 114)은 예를 들어 유리, 금속 또는 공학 플라스틱과 같은 기계적으로 강한 재료로 만들어진다. 일부 실시예에서는 기판이 일정 수준의 유연성을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서는 제1 및 제2 기판이 최소한 100 μm의 두께를 가진다. 일부 실시예에서 제1 및 제2 기판의 두께는 2500 μm 이상일 수 있으며, 예를 들어 3000, 3500 또는 4000 μm일 수 있다. 일부 실시예에서는 제1 및 제2 기판이 100에서 2500μm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서는 제1 및 제2 기판이 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2100, 2200, 2300 또는 2400 μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서는 제1 기판이 약 1100 μm의 두께를 가지며 제2 기판이 약 700 μm의 두께를 가진다. 또 다른 실시예에서는 제1 및 제2 기판이 800 마이크론의 두께를 가진다. 일부 실시예에서는 제1 기판이 실리콘, 융합된 실리카 또는 유리 중 하나로 구성되며, 일부 실시예에서는 제2 기판이 융합된 실리카 및/또는 유리로 구성된다. 유리는 소다 라임 유리 또는 플로트 유리를 포함할 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
제1 및 제2 도체층(106, 116)은 제1 및 제2 기판(104, 114)의 한 면에 위치하며, 일반적으로 70 내지 250 nm 범위의 두께를 가지며, 바람직하게는 70 내지 150 nm의 두께를 가진다. 이 층 중 적어도 하나는 인듐 주석 산화물(ITO), 은과 같은 매우 얇은 금속 도체 필름 또는 PEDOT와 같은 전도성 폴리머와 같은 투명 전도성 재료로 만들어진다. 이 층들은 연속적인 시트나 와이어와 같은 일련의 이산 구조로 형성될 수 있다. 대안적으로, 도체층은 전도성 재료의 메쉬(mesh)일 수 있으며, 전자기 복사는 메쉬의 간격 사이로 지향된다.
광활성층(108)은 전자기 복사원에 의한 자극에 반응하여 국소적인 전하 영역을 생성할 수 있는 반도체 재료로 형성된다. 예로는 수소화된 비정질 실리콘 층이 있으며, 이는 300 nm 내지 1500 nm 범위의 두께를 가진다. 일부 실시예에서는 광활성층이 가시광선을 사용하여 활성화된다. 이 광활성층은 가시광선을 사용하여 활성화된다. 이 층의 유전체 특성은 바람직하게는 10^7 V/m 이상의 높은 유전 강도와 3 이상의 유전 상수를 포함한다. 일부 실시예에서는 유전체층이 알루미나, 실리카, 하프니아 또는 얇은 비전도성 폴리머 필름 중에서 선택된다.
대안적으로, 적어도 제1 유전체층, 바람직하게는 두 층 모두 항오염층으로 코팅될 수 있어, 다양한 가상 광전기습윤 전극부에서 미세액적/운반 유체/표면 접촉각을 설정하는 데 도움을 준다. 항오염층은 또한 미세액적의 내용물이 표면에 달라붙어 칩을 통과하면서 줄어드는 것을 방지하기 위한 목적도 있다.
최적의 성능을 위해, 항오염층은 25 °C에서 공기-액체-표면 3점 인터페이스로 측정되었을 때 50 ° 내지 180 ° 범위의 미세액적/운반 유체/표면 접촉각을 설정하는 데 도움을 준다. 일부 실시예에서는 이 층들이 10 nm 미만의 두께를 가지며 일반적으로 단분자층이다. 대안적으로, 이 층들은 메틸 메타크릴레이트나 그 유도체로 치환된 수소친화성 그룹(예: 알콕시실릴)을 가진 아크릴레이트 에스테르의 고분자로 구성될 수 있다. 하나 또는 두 항오염층 모두 최적의 성능을 위해 소수성이다. 일부 실시예에서는 20 nm 미만의 두께를 가진 실리카의 중간층이 항오염 코팅과 유전체층 사이에 끼워져 화학적으로 호환 가능한 다리를 제공할 수 있다.
제1 및 제2 유전체층, 그리고 따라서 제1 및 제2 벽은 최소한 10 μm, 바람직하게는 20 내지 180 μm 범위의 폭을 가지는 미세유체 공간을 정의한다. 이 공간에는 미세액적이 포함된다. 바람직하게는 포함되기 전에, 미세액적 자체는 미세액적 공간의 폭보다 10 % 더 크거나 20 % 더 큰 고유 직경을 가진다. 따라서 칩에 들어가면서 미세액적은 압축을 겪게 되어 구형 미세액적의 변형이 발생하며, 이는 예를 들어 더 나은 미세액적 병합 능력을 통해 향상된 광전기습윤 성능을 이끌어낸다. 일부 경우에는 제1 및 제2 유전체층이 플루오로실란과 같은 소수성 코팅으로 코팅될 수 있다.
일부 실시예에서, 미세유체 공간은 제1 및 제2 벽을 일정량만큼 떨어져 있게 유지하는 하나 이상의 스페이서를 포함한다. 스페이서 옵션에는 비드나 기둥, 광 패터닝에 의해 생성된 중간 저항층에서 만들어진 능선 등이 있다. 대안적으로, 실리콘 산화물이나 실리콘 나이트라이드와 같은 증착 재료가 스페이서 생성에 사용될 수 있다. 대안적으로, 접착 코팅이 있는 또는 없는 유연한 플라스틱 필름과 같은 필름 층이 스페이서층 형성에 사용될 수 있다. 다양한 스페이서 기하학적 형태는 좁은 채널, 점차적인 채널 또는 기둥의 라인으로 정의된 부분적으로 닫힌 채널 형성에 사용될 수 있다. 신중한 설계를 통해 이러한 스페이서들을 사용하여 미세액적의 변형을 돕고, 그 후 미세액적 분할을 수행하고 변형된 미세액적에 대한 조작을 효과적으로 수행할 수 있다. 마찬가지로 이러한 스페이서들은 칩 내에서 미세액적의 집단 간 교차 오염을 방지하고, 유압 하에 칩을 로드할 때 미세액적이 올바른 방향으로 흐르도록 하는 데 사용될 수 있다.
제1 및 제2 벽은 도체층에 연결된 A/C 전압원을 사용하여 두 층 간에 전압 차이를 제공함으로써 편향된다. 이는 적당히 0 내지 50 볼트 범위로 설정된다. 이러한 광전기습윤(oEWOD) 구조들은 일반적으로 400 내지 850 nm 범위의 파장을 가진 제2 전자기 복사원과 연관되어 사용된다. 예를 들어, 550 nm, 620 nm 및 660 nm와 같은 파장과 광활성층의 밴드갭을 초과하는 에너지를 가진다. 적당하게는, 광활성층은 사용된 복사의 입사 강도가 0.005 내지 0.1 Wcm-2 범위인 가상 광전기습윤 전극부에서 활성화된다. 전자기 복사원은 0.005에서 0.1Wcm-2 수준이거나, 또는 0.005, 0.0075, 0.01, 0.025, 0.05 또는 0.075 Wcm-2 이상일 수 있다. 일부 실시예에서는 전자기 복사원은 0.1, 0.075, 0.05, 0.025, 0.01, 0.0075, 0.005 또는 0.0025 Wcm-2 미만일 수 있다.
전자기 복사원이 픽셀화되어 있을 경우, 그것들은 LED 또는 다른 램프에서 나오는 빛으로 조명되는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)와 같은 반사 화면을 통해 직접 또는 간접적으로 공급될 수 있다. 이를 통해 제1 유전체층에서 복잡한 가상 광전기습윤 전극부의 패턴들이 빠르게 생성되고 파괴될 수 있으며, 이는 미세액적들이 근접하게 제어되는 광전기습윤 힘을 사용하여 사실상 어떤 가상 경로를 따라 정밀하게 조종될 수 있도록 한다. 이러한 광전기습윤 경로들은 제1 유전체층의 가상 광전기습윤 전극부들의 연속체로 구성되어 있다고 볼 수 있다.
제1 및 제2 유전체층은 단일 유전체 재료로 구성될 수 있거나, 두 개 이상의 유전체 재료의 복합체일 수 있다. 유전체층은 Al2O3 및 SiO2를 이용하여 만들어질 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
제1 유전체층과 제2 유전체층 사이에는 구조가 제공될 수 있다. 제1 유전체층과 제2 유전체층 사이의 구조는 에폭시, 폴리머, 실리콘 또는 유리, 또는 이들의 혼합물이나 복합체로 구성될 수 있으며, 선형, 각형, 곡형 또는 미세 구조의 벽/면으로 구성될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 제1 유전체층과 제2 유전체층 사이의 구조는 밀봉된 미세유체 장치를 생성하고 장치 내의 채널 및 영역을 정의하기 위해 상부 및 하부 복합벽에 연결될 수 있다. 이 구조는 두 복합벽 사이의 간격을 차지할 수 있다. 또는, 도체와 유전체가 이미 벽을 가지고 있는 형상의 기판 상에 증착될 수도 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, oEWOD 장치(100)는 대안적인 oEWOD 구성을 제공한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, oEWOD 장치는 유리로 제조될 수 있는 제1 기판(104), 기판(104) 상에 배치된 제1 도체층(106), 제1 도체층(106)은 70 내지 250 nm 범위의 두께를 갖음, 도체층(106) 상에서 400 내지 850 nm 파장 범위의 전자기 방사선에 의해 활성화되는 광활성층(108), 광활성층(108)은 300 내지 1500 nm 범위의 두께를 갖음, 및 광활성층(108) 상에 배치되는 제1 유전체층(110)으로 구성된 제1 복합벽(102)을 구성한다. 제1 유전체층(110)은 두께가 20 nm 미만인 연속적 층으로 형성된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 또한 유리로 제조될 수 있는 제2 기판(114) 및 기판(114) 상에 배치되는 제2 도체층(116)을 포함하는 제2 복합벽(112)을 포함한다. 제2 도체는 투명할 수 있다. 제2 도체층(116)은 70 내지 250 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 제2 유전체층(118)은 제2 도체층(116) 상에 존재할 수 있으며, 여기서 제2 유전체층(118)은 20 nm 미만의 두께를 갖는다. 제1 유전체층과 마찬가지로, 제2 유전체층은 연속적이어야 하며, 두께의 실제 하한은 제조 및 제약 조건에 의해 결정되지만, 1 nm 내지 20 nm 사이일 수 있다. 제1 유전체층(110) 및 제2 유전체층(118)의 노출된 표면읜 미세액적(122)을 포함하도록 조정된 미체유체 공간(121)을 정의하기 위해 20 내지 180 μm 간격으로 배치된다.
도 1b는 스페이서층이 별도의 물질로부터 형성되지 않고, 제1 (활성) 기판(104) 내의 구조의 일부로서 형성되는 oEWOD 장치(100)의 대안적 실시예를 도시한다. 제1 도체층(106), 광활성층(108), 제1 유전체층(110), 중간 결합층(124) 및 소수성층(126)으로 형성된 oEWOD 장치의 서브 층은 스페이서 구조의 벽을 부분적으로 또는 완전히 덮을 수 있다. 다른 실시예는 장치(100)의 대안적 구성으로서, 스페이서층은 제2 (수동) 기판(114)의 구조화에 의해 형성된다.
일부 경우에, 스페이서는 도 1a에 도시된 바와 같이, 제1 및/또는 제2 기판(104, 114) 모두를 구조화하거나, 또는 제1 및/또는 제2 기판(104, 114)의 구조와 채널벽(120)과 같은 중간 물질의 조합을 사용하여 형성될 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 입사광(130)은 미세액적(122)을 미세유체 공간(121) 내의 고정된 위치로 유지하기 위해 입사광(130)이 광활성층(108)의 일부를 조명하는 라이트 스프라이트 패턴(131)을 제공하는 데 사용될 수 있다. 유기 매질(134)은 장치 내의 구멍(136)을 통해 미세액적(122)에 제공되어, 하나 이상의 세포와 같은 미세액적(122) 내의 내용물을 살아 있고 건강하게 유지하기 위한 주요 영양소 및 성분을 보충할 수 있다. 일부 경우, 유기 매질(134)은 세포 성장, 생존력 및/또는 생산성을 위한 주요 영양소, 배지, 매질 및 내용물을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 추가 양상 및 실시예는 본 개시의 관점에서 당업자에게 명백할 것이다.
본 개시에서 사용되는 "및/또는"은 두 가지 특정 기능 또는 구성 요소 각각을 다른 기능 또는 구성 요소와 함께 또는 제외하고 구체적으로 공개하는 것으로 간주된다. 예를 들어, "A 및/또는 B"는 마치 여기에 각각이 개별적으로 명시된 것처럼 (i)A, (ii)B, (iii)A 와 B 각각에 대한 구체적은 공개로 간주되어야 한다.
문맥상 달리 명시되지 않는 한, 상기에 기재된 특징의 설명 및 정의는 본 발명의 특정 측면 또는 실시예에 한정되지 않으며, 기술된 모든 측면 및 실시예에 동일하게 적용된다.
당업자는 본 발명이 여러 실시예를 참조하여 예시적으로 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 대체 실시예를 구성할 수 있다는 점을 잘 이해할 수 있을 것이다.
10: 미세유체 장치
14: 미세액적
16: 제1 광원 18: 광학 촬상 장치
20: 제어기 22: 제1 변조기
23, 26: 제2 변조기 24: 제2 광원
25: 추가 필터 27: 하나 이상의 거울 세트
28: 파형 신호 29: 렌즈
30: 제2 파형 신호 31: 검출기
32: 필터
100: oEWOD 장치
102, 112: 제1, 제2 복합벽 104, 114: 제1, 제2 기판
106, 116: 제1, 제2 도체층 108: 광할성층
110, 118: 제1, 제2 유전체층 121: 미세유체 공간
120: 채널벽 122: 미세액적
124: 중간 결합층 126: 소수성층
130: 입사광 131: 라이트 스프라이트 패턴
134: 유기 매질 136: 구멍
16: 제1 광원 18: 광학 촬상 장치
20: 제어기 22: 제1 변조기
23, 26: 제2 변조기 24: 제2 광원
25: 추가 필터 27: 하나 이상의 거울 세트
28: 파형 신호 29: 렌즈
30: 제2 파형 신호 31: 검출기
32: 필터
100: oEWOD 장치
102, 112: 제1, 제2 복합벽 104, 114: 제1, 제2 기판
106, 116: 제1, 제2 도체층 108: 광할성층
110, 118: 제1, 제2 유전체층 121: 미세유체 공간
120: 채널벽 122: 미세액적
124: 중간 결합층 126: 소수성층
130: 입사광 131: 라이트 스프라이트 패턴
134: 유기 매질 136: 구멍
Claims (22)
- 장치로서,
복수의 미세액적(microdroplet)을 포함하도록 구성된 미세유체 공간(microfluidic space);
상기 미세유체 장치를 조명하기 위한 제1 광원;
상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 전기장을 생성하기 위해 상기 미세유체 장치에 전압을 공급하는 전압원; 및
상기 미세유체 공간에 적용된 전기장을 변조하는 파형 신호를 생성하기 위해 제공되는 제1 변조기(first modulator) - 상기 제1 변조기는 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되는 활성 상태 및 전기장이 상기 미세유체 공간의 전반에 인가되지 않는 비활성 상태 간 상호 전환하도록 제공됨 - - 상기 제1 변조기는, 상기 활성 상태 동안, 전기장의 존재 하에 상기 복수의 미세액적을 유지하기 위해 적어도 일부의 광이 상기 미세유체 장치의 전반에 제공되도록 상기 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 제공됨 -
를 포함하는 미세유체 장치(microfluidic device); 및
상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지를 생성하기 위한 광학 촬상 장치(optical imaging device)를 포함하되,
상기 제1 변조기는, 상기 비활성 상태 동안, 상기 미세액적의 적어도 일부에 대한 이미지가 생성되도록 상기 광학 촬상 장치를 제어하도록 더 구성되는, 장치.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 변조기는, 상기 비활성 상태 동안, 상기 제1 광원이 상기 미세액적의 적어도 일부를 촬상하기 위한 촬상 조명(imaging illumination)을 제공하도록 상기 제1 광원을 직접 또는 간접적으로 제어하도록 더 구성되는, 장치.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 이미지는, 형광 이미지, 형광 공명 에너지 전달 이미지 또는 화학 발광 이미지인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 변조기에 의해 생성된 파형 신호는 구형파(square wave)인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 장치는, 동일한 시간 길이 동안 상기 활성 상태, 상기 비활성 상태 및/또는 추가적인 상태에 있는, 장치.
- 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 장치는, 90 % 의 기간 동안 상기 활성 상태에 있고, 10 % 의 기간 동안 상기 비활성 상태 또는 추가적인 상태에 있는, 장치.
- 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 장치는, 10 % 의 기간 동안 상기 활성 상태에 있고, 90 % 의 기간 동안 상기 비활성 상태 또는 추가적인 상태에 있는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파형 신호는 0.5 내지 5000 Hz 의 주파수 범위를 갖는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 미세액적은 생물학적 개체(biological entity)를 포함하는, 장치.
- 제9 항에 있어서,
상기 생물학적 개체는 세포, 바이러스 또는 단백질인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 미세액적은 형광체(fluorescent entity)를 포함하는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조기는 함수 발생기, 디지털 스위치 또는 아날로그 스위치인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
제2 광원을 더 포함하는, 장치.
- 제13 항에 있어서,
상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원으로부터의 광의 적어도 일부를 필터링하기 위한 필터를 더 포함하는, 장치.
- 제14 항에 있어서,
제어기가 제공되고, 상기 제어기는 상기 필터가 상기 비활성 상태 동안 제1 및/또는 상기 제2 광원으로부터 제공되는 촬상 조명을 미세유체 공간의 전반에 적용하도록 상기 필터를 제어하도록 구성되는, 장치.
- 제13 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 광원으로부터 제공되는 광을 변조하기 위한 제2 파형 신호를 생성하도록 구성되는 제2 변조기(second modulator)를 더 포함하는, 장치.
- 제13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 또는 제2 변조기는, 상기 비활성 상태 동안, 상기 제2 광원이 상기 미세액적의 적어도 일부에 촬상 조명을 적용하게 구성되도록 상기 제2 광원을 제어하도록 구성되는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 변조기가 상기 활성 상태와 상기 비활성 상태 간 상호 전환하기 이전에, 상기 미세유체 장치는 상기 활성 상태에 있는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세유체 장치는, 유전체 상의 광전기습윤(oEWOD: opto-Electrowetting On Dielectric) 장치, 광학 핀셋(optical tweezer) 장치, 광전자핀셋(OET: opto-electronic tweezer) 장치 또는 전기영동(DEP: Dielectrophoresis) 장치인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 촬상 장치는, 상기 미세액적의 적어도 일부로부터 광학 신호를 검출하도록 구성되는 검출기(detector)를 더 포함하도록 구성되는, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 광원 및/또는 상기 제2 광원은 LED, 레이저 또는 램프인, 장치.
- 선행하는 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하는 방법.
Applications Claiming Priority (3)
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Publications (1)
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|---|---|
| KR20240032042A true KR20240032042A (ko) | 2024-03-08 |
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| WO2005100541A2 (en) * | 2004-04-12 | 2005-10-27 | The Regents Of The University Of California | Optoelectronic tweezers for microparticle and cell manipulation |
| WO2009046125A2 (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-09 | The Regents Of The University Of California | Floating electrode optoelectronic tweezers (feoet) for manipulatiing oil-immersed droplets |
| US9403172B2 (en) * | 2012-11-08 | 2016-08-02 | Berkeley Lights, Inc. | Circuit based optoelectronic tweezers |
| CA3045334C (en) * | 2016-12-01 | 2023-11-21 | Berkeley Lights, Inc. | Apparatuses, systems and methods for imaging micro-objects |
| GB201909514D0 (en) * | 2018-11-20 | 2019-08-14 | Lightcast Discovery Ltd | Device and method for microdroplet detection of cells |
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2021
- 2021-07-09 GB GBGB2109967.6A patent/GB202109967D0/en not_active Ceased
-
2022
- 2022-07-08 CN CN202280048462.3A patent/CN117615852A/zh active Pending
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- 2022-07-08 AU AU2022307959A patent/AU2022307959A1/en active Pending
- 2022-07-08 EP EP22743878.5A patent/EP4366875A1/en active Pending
- 2022-07-08 KR KR1020247002322A patent/KR20240032042A/ko unknown
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| Publication number | Publication date |
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