KR20240047384A - 마이크로 액적 제조를 위한 제어장치 및 마이크로 액적의 제조방법 - Google Patents

마이크로 액적 제조를 위한 제어장치 및 마이크로 액적의 제조방법 Download PDF

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KR20240047384A
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Abstract

본 발명은 마이크로 액적 제조를 위한 제어장치를 개시하였으며, 상기 제어장치는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하고, 상기 마이크로 액적 제조유닛은 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1) 및 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)를 포함하며, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)와 고정 연결되고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)를 정확하게 위치결정시키도록 구성되며, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)는 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성된다. 본 발명의 상기 제어장치를 이용하면, 액체 샘플의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수를 조절하는 것만으로 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적의 제조를 구현할 수 있다.

Description

마이크로 액적 제조를 위한 제어장치 및 마이크로 액적의 제조방법
본 발명은 마이크로 액적 제조 기술 분야에 관한 것으로서, 구체적으로, 마이크로 액적 제조를 위한 제어장치 및 상기 제어장치를 사용한 마이크로 액적의 제조방법에 관한 것이다.
마이크로 액적은 각 분야에서 널리 응용되며, 마이크로 액적을 기반으로 하는 미세유체(Microfluidics) 기술은 디지털 PCR, 단세포 배양, 단세포 게놈/전사체 시퀀싱, 단세포 기능 분류, 고처리량 반응 스크리닝, 단백질 결정화 등의 분야에서 빠르게 발전 및 응용되고 있다.
마이크로 액적의 생성은 서로 섞이지 않는 2상을 이용하여 유화된 마이크로 액적을 생성하며, 마이크로 액적상은 분산상이라고 칭하고, 마이크로 액적을 감싸는 상을 연속상이라 칭한다. 마이크로 액적이 생성된 후에는 분열, 융합, 혼합, 희석, 수집 및 분류 등의 작업을 수행할 수 있다. 따라서 마이크로 액적의 형상, 크기 및 단분산성에 대한 제어가 매우 중요하다.
종래 기술에서, 마이크로 액적 생성기술은 주로 3가지로 구분된다. 첫 번째는 미세유체 칩을 이용하여 마이크로 액적으로 생성하는 것으로, 그 원리는 분산상과 연속상이 마이크로 채널에서 교차 시의 계면 불안정성을 기반으로 한다. 발명자는 이러한 미세유체 칩 상에서 마이크로 액적을 생성하는 것은 특정 유속, 유수(oil-water) 계면장력 및 채널 구성과 채널 표면 개질 등의 조건을 만족시켜야 하며, 마이크로 액적의 부피 조절 범위 역시 이상의 요인에 의해 제약을 받는다는 것을 발견하였다. 또한, 마이크로 액적이 미세유체 칩 채널 내에 생성된 후, 이를 저장용기로 이송하기 위한 특정한 단계 및 장치가 필요하며, 단일한 마이크로 액적 조건을 커스터마이징 하기가 어렵고, 마이크로 액적의 위치결정, 추출 및 분석 등 작업이 비교적 불편하다.
두 번째는 압전세라믹, 열충격 팽창, 고압 전기분사 등과 같은 특수 분사 또는 마이크로 액적 여기 방식을 채택하는 특수 장치로 미량의 액체를 분사하여 마이크로 액적을 형성하는 것으로, 발명자는 이러한 방식은 마이크로 액적 부피의 정확한 제어가 비교적 어렵고, 그에 매칭되는 유체 제어 시스템이 비교적 복잡하다는 것을 발견하였다.
세 번째는 마이크로 채널을 통해 연속상에 미량의 액체를 주입 시, 마이크로 채널의 출구를 연속상의 기액 계면에서 상하로 진동시켜, 위상 계면의 표면장력의 절단 작용을 이용하여 크기가 균일한 마이크로 액적을 생성하는 것이다(마이크로 채널 기반 액적의 생성 방법, 두원빈(杜文斌) 등, 중국특허번호: ZL201410655191.5). 이러한 방법을 이용하면 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적을 제조할 수 있다. 발명자는 이러한 방법으로 생성된 마이크로 액적의 샘플은 도관을 통해 마이크로 채널과 연결된 마이크로 시료주입기 내부에 저장해야 하기 때문에, 여러 샘플의 마이크로 액적을 제조 시 마이크로 채널, 도관 및 마이크로 시료주입기를 교체하여야 하므로, 작업의 복잡도가 증가함과 동시에, 이러한 유체 제어 시스템은 미량 부피의 샘플에 대해 마이크로 액적을 제조하기 어렵다는 것을 발견하였다. 또한, 액적 생성 시, 마이크로 채널은 제2 액체의 액면에 정확하게 위치하여야 하며, 위치 결정에 존재하는 고유한 오차와 액적 생성 과정에서 액면에 발생하는 동적 변화는 마이크로 채널이 최적의 위치결정 높이를 이탈하거나 점차 이탈하게 만들어 안정적이고 지속적으로 균일한 액적을 생성할 수 없다.
본 발명의 주요 목적 중 하나는 상기 종래 기술의 적어도 하나의 결함을 극복하기 위한 마이크로 액적 제조용 제어장치를 제공하고자 하는데 있으며, 상기 제어장치는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하고, 상기 마이크로 액적 제조유닛은 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구 및 제1 동적 위치결정 어셈블리를 포함하며; 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 고정 연결되고, 제1 동적 위치결정 어셈블리의 정확한 동적 위치결정 조건 하에, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구가 시료주입용 니들을 구동하여 제2 액체 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 함으로써, 액면의 동적 변화와 액체 주입 오차가 마이크로 채널의 유상(oil phase)을 심하게 교란시킴으로 인한 액적의 2차 유화 및 파쇄를 방지하여, 액적 생성 시스템의 안정성과 일관성을 효과적으로 보장할 수 있다.
본 발명의 주요 목적 중 하나는 상기 종래 기술의 적어도 하나의 결함을 극복하기 위하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환 밸브(예컨대 전자식 2위치 3방향 밸브 또는 모터로 구동되는 회전 3방향 밸브 등), 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들에 운반 유체(carrier fluid)가 충진된 제어장치를 제공하고자 하는데 있으며, 공기 피스톤 원리의 마이크로피펫에 비해, 본 발명이 제공하는 제어장치는 정방향 변위(positive displacement) 원리를 이용하여 나노 리터 부피의 제1 액체 샘플을 정확하게 흡취 및 배출할 수 있으며, 이와 동시에, 상기 제어장치를 이용하여 흡취된 제1 액체 샘플의 부피는 시료주입용 니들 연결 캐비티의 부피보다 작기 때문에, 상이한 제1 액체 샘플의 마이크로 액적을 제조 시, 상기 마이크로 액적 제조방법에 따라 시료주입용 니들만 교체하면 되므로, 실험 작업의 복잡도가 감소한다.
본 발명의 주요 목적 중의 하나는 상기 종래 기술의 적어도 하나의 결함을 극복하기 위하여, 제2 액체가 담긴 제2 개구 용기가 설치된 제어장치를 제공하고자 하는데 있으며, 이를 이용하여 제조된 마이크로 액적을 침강시켜 제2 개구 용기 내의 평바닥 샘플 웰의 바닥부에 평평하게 펼쳐 놓을 수 있고, 나노 리터 부피의 마이크로 액적이 제2 액체에 의해 보호되므로, 마이크로 액적의 증발을 방지함과 동시에, 마이크로 액적의 제거 및 저장 단계, 및 후속 마이크로 액적 이미지 검출 분석 단계를 단순화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 주요 목적은 상기 종래 기술의 적어도 하나의 결함을 극복하기 위하여, 상기 제어장치를 이용하여 마이크로 액적을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 있으며, 이 방법은 제1 액체 샘플의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수를 조절하는 것만으로도 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적의 제조를 구현할 수 있다.
상기 목적을 구현하기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 기술 방안을 채택한다:
1. 마이크로 액적을 제조하기 위한 제조장치에 있어서, 상기 제어장치는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하며;
상기 마이크로 액적 제조유닛은 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구 및 제1 동적 위치결정 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 고정 연결되며;
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 위치결정하도록 구성되고;
상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 비대칭 왕복운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성되는, 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 하나의 운동 주기 내에 하나의 마이크로 액적을 생성하는, 제어장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 진동 어셈블리, 진동 마운팅시트, 시료주입용 니들 및 구동 컨트롤러를 포함하며,
상기 구동 컨트롤러는 상기 진동 어셈블리에 전기적으로 연결되어, 상기 진동 마운팅시트가 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 왕복 요동하도록 구동함으로써 상기 시료주입용 니들의 마이크로 액적 생성을 용이하게 하는, 제어장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 진동 마운팅시트가 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 왕복 요동을 수행하는 하나의 주기 내에, 상기 시료주입용 니들이 하나의 마이크로 액적을 생성하는, 제어장치.
5. 제3항에 있어서,
상기 진동 어셈블리는 하우징, 진동자 및 진동 출력로드를 포함하고;
상기 진동 어셈블리의 진동 출력로드는 상기 진동 마운팅시트에 동력을 제공하며;
상기 진동 마운팅시트에 연결 인터페이스, 튜브 조인트 및 시료주입용 니들 어댑터가 구비되고;
상기 연결 인터페이스의 일단은 튜브 조인트를 통해 급액 도관과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터를 통해 상기 시료주입용 니들과 연결되며;
상기 시료주입용 니들의 중심축선은 상기 진동 출력로드의 축선과 수직인, 제어장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 비대칭 왕복 운동은 상기 진동 마운팅시트가 상기 진동 출력로드의 중심 축선 방향을 따라 수행하는 비대칭 왕복 운동인, 제어장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 비대칭 왕복 운동은 상기 진동 마운팅시트가 상기 진동 출력로드의 중심 축선을 축심으로 하는 비대칭 요동인, 제어장치.
8. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 진동 어셈블리의 진동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이며;
바람직하게는, 상기 진동 어셈블리의 진동폭은 0.1-5㎜이고, 바람직하게는 0.5-2㎜인, 제어장치.
9. 제5항에 있어서, 상기 진동 마운팅시트의 요동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이며;
바람직하게는, 상기 시료주입용 니들의 액체 토출 개구와 진동 출력로드의 축선의 거리는 10-100㎜이고, 바람직하게는 30-80㎜이며; 상기 진동 마운팅시트의 요동각도 진폭은 0.05-10°이고, 바람직하게는 0.2-2°인, 제어장치.
10. 제5항에 있어서, 상기 진동 마운팅시트와 상기 진동 출력로드는 연축기(coupler)를 통해 연결되는, 제어장치.
11. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 진동 어셈블리는 위치 센서를 더 포함하며, 상기 구동 컨트롤러는 상기 위치 센서의 실시간 위치 피드백 신호를 수집함으로써 운동의 폐루프 제어를 구현하고;
바람직하게는, 상기 위치 센서는 광격자 센서, 정전용량 위치 센서, 저항 센서, 전류 센서 또는 차동 변압기 센서 중의 하나인, 제어장치.
12. 제5항에 있어서, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 상기 진동 어셈블리를 고정시키기 위한 지지 고정시트를 더 포함하며;
바람직하게는, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 상기 급액 도관을 파지하기 위한 펌프 튜브 클램핑시트를 더 포함하는, 제어장치.
13. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 연결 인터페이스는 복수 개로, 복수 개의 상기 연결 인터페이스가 상기 진동 마운팅시트 내부에 등간격으로 간격을 두고 설치되며;
바람직하게는, 상기 연결 인터페이스는 1-96개이고, 바람직하게는 2개, 4개, 8개 또는 12개인, 제어장치.
14. 제5항에 있어서, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 연결 가이드 구조체를 더 포함하며,
상기 진동 어셈블리의 진동 출력로드는 연결 가이드 구조체를 통해 상기 진동 마운팅시트와 연결되어 상기 진동 마운팅시트에 동력을 제공하는, 제어장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 연결 가이드 구조체는 스플라인축 및 스플라인 슬리브를 포함하는 볼 스플라인이고, 상기 스플라인축의 양단은 각각 상기 진동 출력로드 및 상기 진동 마운팅시트와 고정 연결되는, 제어장치.
16. 제14항에 있어서, 상기 연결 가이드 구조체는 제1 베어링과 제2 베어링을 포함하며, 상기 진동 마운팅시트의 일단은 상기 제1 베어링을 관통하여 상기 진동 출력로드와 연결되고, 상기 진동 마운팅시트의 타단은 상기 제2 베어링과 연결되며, 상기 제1 베어링은 축방향 정지변을 갖는 베어링인, 제어장치.
17. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 제어장치는
마이크로 액적이 생성된 후 상기 시료주입용 니들을 자동으로 언로딩하기 위한 시료주입용 니들 언로딩 기구를 더 포함하는, 제어장치.
18. 제5항에 있어서, 상기 시료주입용 니들은 양단이 개구된 코니칼 튜브형 구조로서, 일단의 개구는 상기 시료주입용 니들 어댑터와 긴밀히 삽입 결합되기 위한 액체 공급 개구이고, 타단의 개구는 마이크로 액적을 생성하기 위한 액체 토출 개구이며, 상기 액체 토출 개구의 내경은 20-300㎛이고, 외경은 150-160㎛이며;
바람직하게는, 상기 시료주입용 니들의 액체 저장 부피 범위는 5-500μL이고, 바람직하게는 20-60μL인, 제어장치.
19. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 진동 마운팅시트가 상기 비대칭 왕복 운동을 수행 시, 시료주입용 니들의 액체 토출부의 운동은 하나의 평형점과 평형점 양단의 2개의 반사점을 갖도록 구성되고, 운동 위치의 시간에 대한 곡선은 어느 하나의 반사점의 양측에서 비대칭이며;
바람직하게는, 시료주입용 니들의 액체 토출부에서 주기적으로 운동하는 비대칭 파형은 사인파, 톱니파, 사다리꼴파, 삼각파, 사각파 중의 적어도 하나의 비대칭 조합인, 제어장치.
20. 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 진동 어셈블리는 연속 또는 간헐적 운동을 발생시키는 기구로 구성되며, 상기 진동 어셈블리는 전자식 진동장치, 압전세라믹 진동장치, 편심휠 진동장치, 서보모터, 보이스 코일 모터 및 갈바노미터 모터 중의 하나로부터 선택되는, 제어장치.
21. 제1항에 있어서, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는
상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구의 승강을 제어하기 위한 위치결정 어셈블리 승강 변위기구를 포함하며;
바람직하게는, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 액면 검출 기구를 더 포함하는, 제어장치.
22. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는 유체 제어 유닛을 더 포함하고,
상기 유체 제어 유닛은 유체 구동장치 및 도관을 포함하며, 상기 도관의 일단은 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 도관의 타단은 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 연결되며;
바람직하게는, 상기 유체 구동장치는 시료주입용 니들이 흡액 및 배액하도록 유속을 설정하기 위한 것인, 제어장치.
23. 제22항에 있어서, 상기 제어장치는 제1 개구 용기 및 제2 개구 용기를 고정 및 이동시키기 위한 제2 동적 위치결정 어셈블리를 더 포함하며;
바람직하게는, 상기 구동 컨트롤러는 상기 유체 구동장치, 제1 동적 위치결정 어셈블리 및 제2 동적 위치결정 어셈블리에 동력을 제공하는, 제어장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 제1 개구 용기는 단일 액체저장탱크, 1차원 액제저장탱크 어레이 또는 2차원 액체저장탱크 어레이이며, 각각의 상기 액체 저장탱크의 부피는 10-1000μL이고, 바람직하게는 20-200μL이며;
바람직하게는, 상기 제1 개구 용기에 제1 액체가 담기고;
바람직하게는, 상기 제2 개구 용기는 생성된 마이크로 액적이 평평하게 펼쳐지기 위한 2차원 평바닥 샘플 웰 어레이이며; 바람직하게는, 상기 제2 개구 용기는 24, 32, 96 또는 384개의 부피가 동일한 평바닥 샘플 웰을 포함하고;
바람직하게는, 상기 제2 개구 용기에 제2 액체가 담기는, 제어장치.
25. 제22항에 있어서, 상기 유체 구동장치는 무맥동 구동펌프이고, 바람직하게는 시린지 펌프이며, 더욱 바람직하게는, 상기 유체 구동장치는 1개 또는 복수 개인, 제어장치.
26. 제22항에 있어서, 상기 도관은 급액 도관 및 흡액 도관을 포함하고, 상기 흡액 도관의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트를 통해 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 흡액 도관의 타단은 오일저장장치에 삽입되며; 상기 급액 도관의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트를 통해 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 급액 도관의 타단은 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 연결되는, 제어장치.
27. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는 시료주입용 니들홀더, 오일제거기구 및 폐기물 수용부를 포함하는 준비유닛을 더 포함하며, 상기 오일제거기구는 폐기물 수용부의 상부에 위치하고, 시료주입용 니들은 상기 폐기물 수용부의 상부에서 언로딩되는, 제어장치.
28. 제1항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 따른 제어장치를 사용한 마이크로 액적의 제조방법에 있어서,
유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계;
제1 액체가 충진된 시료주입용 니들을 제2 액체와 접촉시키고, 유체 구동장치의 구동 하에, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구가 시료주입용 니들 어댑터를 구동시켜 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동을 수행하도록 함으로써 마이크로 액적을 생성하는 단계를 포함하는, 마이크로 액적의 제조방법.
29. 제28항에 있어서, 유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계 전, 상기 방법은
a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 오일제거기구로 이동시키고, 상기 유체 구동장치로 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 유체 구동장치로 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출시키고, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 어댑터 하단 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결시키는 단계;
c) 시료주입용 니들을 오일제거기구로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
30. 제29항에 있어서, 유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충전하는 단계는
단계 c)에서 시료주입용 니들을 제1 액체가 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시킨 다음 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체출구가 제1 액체와 접촉하여 침지되도록 하고, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 시료주입용 니들로 제1 액체를 흡입하여 시료주입용 니들에 제1 액체를 충진 하는 단계를 포함하는, 방법.
31. 제30항에 있어서, 상기 시료주입용 니들 액체출구로부터 흡입된 제1 액체의 부피는 시료주입용 니들 연결 캐비티의 부피보다 작은, 방법.
32. 제28항에 있어서, 상기 방법은
제1 액체의 마이크로 액적 제조가 완료된 후, 시료주입용 니들을 언로딩한 다음, 시료주입용 니들을 다시 삽입 장착하여 다른 제1 액체의 마이크로 액적 제조를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
33. 제28항에 있어서, 상기 시료주입용 니들은 제2 액체의 액면 하에 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 요동을 수행하며, 유체 구동장치는 시료주입용 니들로부터 제1 액체를 배출하여 마이크로 액적을 생성하도록 유속을 설정하기 위한 것인, 방법.
34. 제28항에 있어서, 상기 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동을 수행하는 하나의 주기 내에 하나의 마이크로 액적만 생성되는, 방법.
35. 제28항에 있어서, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 구동하여, 시료주입용 니들을 제2 액체의 액면 아래에 정확하게 위치결정시키며, 시료주입용 니들이 비대칭 요동하는 과정에서, 액면에 삽입되는 평균 깊이는 액면 아래 0-2.0㎜ 범위, 바람직하게는 액면 아래 0-1.5㎜ 범위 내에서 동적으로 유지되는 것을 특징으로 하는, 방법.
상기 기술방안으로부터 알 수 있듯이, 본 발명이 제공하는 마이크로 액적 수평 진동 생성기구 및 마이크로 액적 생성 방법의 장점과 긍정적인 효과는 다음과 같다:
1. 공기 피스톤 원리 기반의 마이크로피펫에 비해, 본 발명이 제공하는 제어장치는 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들에 운반 액체가 충진되며, 정방향 변위(positive displacement) 원리를 이용하여 나노 리터 부피의 액체 샘플을 정확하게 흡취 및 배출할 수 있는 동시에, 상기 제어장치를 이용하여 흡취된 액체 샘플의 부피는 시료주입용 니들 연결 캐비티의 부피보다 작기 때문에, 상이한 샘플의 마이크로 액적을 제조 시, 상기 마이크로 액적 제조방법에 따라 시료주입용 니들을 교체하기만 하면 되므로, 실험 작업의 복잡도가 감소한다.
2. 본 발명이 제공하는 제어장치는 제2 액체가 담긴 제2 개구 용기가 설치된 제어장치로서, 이를 이용하여 제조된 마이크로 액적을 침강시켜 제2 개구 용기 내의 평바닥 샘플 웰의 바닥부에 평평하게 펼쳐 놓을 수 있고, 나노 리터 부피의 마이크로 액적이 유성 제2 액체에 의해 보호되므로, 마이크로 액적의 증발을 방지함과 동시에, 마이크로 액적의 제거 및 저장 단계, 및 후속 마이크로 액적 이미지 검출 분석 단계를 단순화할 수 있다.
3. 본 발명이 제공하는 제어장치는 상기 마이크로 액적 생성기구의 진동 어셈블리가 구동하는 진동 마운팅시트 상의 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 유상 액면 아래 두 점 사이 또는 유상 액면을 가로지르는 두 점 사이에서 가속도 변화를 갖는 주기적 왕복 운동을 수행하기 때문에, 시료주입용 니들 내의 수상 액체의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수 조절만으로 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적의 제조를 구현할 수 있다.
4. 본 발명이 제공하는 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구에 고정 연결되며, 제1 동적 위치결정 어셈블리의 정확한 동적 위치결정 조건 하에, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구가 시료주입용 니들을 구동하여 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 함으로써, 액면의 동적 변화, 액체 주입 오차, 시료주입용 니들 길이 오차, 시스템 조립 오차 등으로 인해 마이크로 채널이 제2 액체의 액면과 접촉하지 못하거나 삽입되는 액면의 깊이가 너무 깊어 유상 교란이 심해지며 야기되는 액적의 2차 전단 파쇄를 방지할 수 있어, 액적 생성 시스템의 안정성, 연속성 및 일관성을 효과적으로 보장한다.
5. 본 발명이 제공하는 제어장치는, 상기 마이크로 액적 생성기구에 토크 작용력과 반경방향 작용력에 저항하는 연결 가이드 구조체가 설치되어, 마이크로 액적이 어레이화하여 생성되는 것을 방지하고 시료주입용 니들의 자동 로딩 과정에서 복수의 시료주입용 니들 및 진동 마운팅시트의 관성력과 중력이 진동 출력로드에 인가하는 토크 작용력과 반경방향 작용력을 방지하여, 비대칭 왕복 운동의 정밀성 및 마이크로 액적 생성의 안정성과 균일성을 보장한다.
6. 본 발명이 제공하는 제어장치는, 상기 마이크로 액적 생성기구에 비대칭 진동방식을 채택하여, 하나의 주기 내에 유일한 최대 속도 위치 또는 최대 절단력 위치를 보장함으로써, 시료주입용 니들의 비대칭 가공 결함이 액적의 생성에 영향을 미치지 않으며, 따라서 강력한 소모재 가공 결함의 겸용성을 갖추어 액적 제조의 신뢰성 및 균일성을 보장한다.
7. 본 발명이 제공하는 제어장치는, 상기 구동 컨트롤러가 미리 설정된 비대칭 진동 제어 프로그램을 통해, 위치 센서의 실시간 위치 피드백 신호로 폐루프 피드백 제어를 구현하고, 진동 마운팅시트의 정밀한 비대칭 왕복 운동을 구현할 수 있어, 고정밀도의 균일한 나노리터 액적 생성을 구현한다.
8. 본 발명이 제공하는 마이크로 액적 제조방법을 이용할 경우, 상기 제어장치를 사용하여 액체 샘플의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수 조절만으로 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적의 안정적이고 연속적인 제조를 구현할 수 있다.
본 발명의 다양한 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 본 출원의 바람직한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명을 고려함으로써 더욱 명백해질 것이다. 도면은 단지 본 발명의 예시적인 도해일 뿐, 반드시 비율대로 제작되어야 하는 것은 아니다. 도면에서, 동일한 부호 표기는 시종 동일하거나 유사한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명이 제공하는 마이크로 액적을 제조하기 위한 제어장치의 구조 설명도이다.
도 2는 본 발명이 제공하는 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 입체 구조 설명도이며, 도 1 중의 부호 1의 확대도이다.
도 3은 본 발명이 제공하는 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 단면 구조 설명도이며, 도 1 중의 부호 1의 확대도이다.
도 4는 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 입체 구조 설명도이며, 도 1 중의 부호 1의 확대도이다.
도 5는 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 정면도로서, 도 1 중의 부호 1의 확대도이다.
도 6은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 단면 설명도로서, 도 1 중의 부호 1의 확대도이다.
도 7은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 구조 및 제어 논리도이다.
도 8은 본 발명이 제공하는 마이크로 액적 생성기구에 맞는 시료주입용 니들의 액체 토출부 구성으로서, (a)는 시료주입용 니들의 3D 입체도이고, (b)는 시료주입용 니들의 단면도이며, (c)는 시료주입용 니들의 액체 토출부가 평평하고, 벽 두께가 균일한 이상적인 구조이며, (d)는 시료주입용 니들의 액체 토출부가 평평하고 벽 두께가 불균일하여 시료주입용 니들에 좌우 비대칭이 나타나는 구조이고, (e)는 시료주입용 니들의 액체 토출부의 액체 토출 개구 외측에 플래시(flash, burr) 가공 결함이 있는 경우이고, (f)는 시료주입용 니들의 액체 토출부의 액체 토출 개구 내측에 플래시 가공 결함이 있는 경우이다.
도 9는 본 발명이 제공하는 일 구체적인 실시예의 마이크로 액적 생성기구에 채택된 사인파 및 톱니파 조합의 비대칭 진동 곡선이다. (a)는 진동 위치-시간 곡선이고, (b)는 진동 속도-시간 곡선이다.
도 10은 본 발명이 제공하는 일 구체적인 실시예의 마이크로 액적 생성기구에 채택된 비대칭 톱니파 조합의 비대칭 진동 곡선이다. (a)는 진동 위치-시간 곡선이고, (b)는 진동 속도-시간 곡선이다.
도 11은 본 발명이 제공하는 일 구체적인 실시예의 마이크로 액적 생성기구에 채택된 톱니파와 사각파 조합의 비대칭 진동 곡선이다. (a)는 진동 위치-시간 곡선이고, (b)는 진동 속도-시간 곡선이다.
도 12는 본 발명의 비교 실시예에 채택된 대칭 진동 위치-시간 곡선이다. (a)는 사인파이고, (b)는 사각파이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1에서, 마이크로 액적 생성기구가 마이크로 액적을 생성한 결과도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 2에서, 마이크로 액적 생성기구가 마이크로 액적을 생성한 결과도이다.
도 15는 본 발명의 비교예 1에서, 마이크로 액적 생성기구에 대칭 진동파를 채택하여 마이크로 액적을 생성한 결과도이다.
도 16은 본 발명의 비교예 2에서, 마이크로 액적 생성기구에 대칭 진동파를 채택하여 마이크로 액적을 생성한 결과도이다.
도 17은 본 발명이 제공하는 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도이다.
도 18은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 요동 위치 설명도이다.
도 19는 본 발명이 제공하는 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도이다.
도 20은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도이다.
도 21은 본 발명이 제공하는 마이크로 액적을 제조하기 위한 제어장치의 구조 설명도이다.
도 22는 실시예 3에서 생성된 액적의 설명도이다.
도 23은 실시예 4에서 생성된 액적의 설명도이다.
도 24는 실시예 5에서 생성된 액적의 설명도이다.
도 25는 실시예 6에서 생성된 액적의 설명도이다.
도 26은 실시예 7-18에서 제1 액체 샘플의 각기 다른 유속으로 생성된 액적을 용기 바닥부에 평평하게 펼쳐놓은 설명도이다.
도 27은 실시예 19-28에서 생성된 액적 부피와 이론 마이크로 액적 부피 관계의 설명도이다.
도 28은 실시예 29에서 각기 다른 인간 게놈 샘플 농도로 각기 다른 부피의 액적을 생성하는 설명도이다.
도 29는 실시예 29에서 PCR을 사용하여 증폭한 후 디지털 PCR 정량값과 핵산 샘플 농도 관계의 설명도이다.
본 발명의 특징과 장점을 구현하는 전형적인 실시예는 아래의 설명에서 상세히 기술될 것이다. 본 발명은 상이한 실시예에서 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 각종 변화를 가질 수 있으며, 설명 및 첨부도면은 본질적으로 발명을 제한하는 것이 아니라 설명하기 위한 용도임을 이해하여야 한다.
본 발명의 다른 예시적 실시양태는 아래에서 도면을 참조하여 설명할 것이며, 상기 첨부도면은 본 발명의 일부를 형성하고, 그 중 예시 방식으로 본 발명의 여러 측면을 구현할 수 있는 다른 예시적 구조, 시스템과 단계를 나타내었다. 부품, 구조, 예시적 장치, 시스템과 단계의 다른 특징 방안을 사용하고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 구조 및 기능적인 변경이 가능하다는 점을 이해하여야 한다. 또한, 비록 본 명세서에서 “상단부”, “하단부”, “사이”, “측” 등으로 본 발명의 다른 예시적 특징과 소자를 기술하였으나, 이러한 용어는 본문에서 도면에 예시한 방향에 따라 편의를 위해서만 사용된 것에 불과하다. 본 명세서 중의 어떠한 내용도 본 발명의 범위 내에 포함되기 위해 구조의 특정 3차원 방향이 필요하다고 이해되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명이 개시하는 마이크로 액적 제조를 위한 제어장치의 구조 설명도이고, 도 2-7은 도 1 중 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)의 확대도이다. 도 1에서 상기 제어장치는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하며, 여기서, 상기 마이크로 액적 제조유닛은 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)와 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)를 포함하고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 고정 연결되며;
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)를 위치결정시키도록 구성되고;
상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)는 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성되며;
상기 제어장치는 유체 제어유닛을 더 포함하고, 상기 유체 제어유닛은 유체 구동장치(500) 및 도관(도면 중 미도시)을 포함하며, 상기 도관의 일단은 상기 유체 구동장치(500)와 연결되고, 상기 도관의 타단은 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 연결되며;
상기 유체 구동장치(500)는 시료주입용 니들(400)이 흡액 및 배액하도록 유속을 설정하기 위한 것이다.
상기 도관은 급액 도관(501)과 흡액 도관(502)을 포함하며, 상기 흡액 도관(502)의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브(도면 중 미도시) 중의 하나의 밸브 포트를 통해 상기 유체 구동장치(500)와 연결되고, 상기 흡액 도관(502)의 타단은 오일 저장장치(예를 들어 오일저장병(504))에 삽입되며, 상기 급액 도관(501)의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브 포트를 통해 상기 유체 구동장치(500)에 연결되고, 상기 급액 도관(501)의 타단은 상기 마이크로 액적 생성기구(1)에 연결된다.
상기 오일저장병(504)에 운반 액체(505)가 담겨 있으며, 유체 구동장치(500)를 통해 흡액 도관(502), 급액 도관(501), 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들(400)에 운반 액체(505)가 충진된다.
상기 운반 액체는 예컨대 액체 알칸, 액체 에스테르 및 불화알칸 중의 하나 또는 하나 이상이다.
일 실시양태에서, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 하나의 운동 주기 내에 마이크로 액적을 하나만 생성한다.
일 실시양태에서, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구의 비대칭 왕복 운동 방식은 비대칭 왕복 진동 및 비대칭 왕복 요동을 포함할 수 있다. 진동 마운팅시트가 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 왕복 요동을 수행하는 하나의 주기 내에, 시료주입용 니들은 마이크로 액적을 하나만 생성한다.
도 2-도 7에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 액적 생성기구(1)는 진동 어셈블리(100), 연결 가이드 구조체(105), 진동 마운팅시트(300), 시료주입용 니들(400) 및 구동 컨트롤러(600)를 포함하며, 여기서,
상기 진동 어셈블리(100)는 하우징(101), 진동자(102)와 진동 출력로드(104)를 포함하고;
상기 진동 어셈블리(100)의 진동 출력로드(104)는 연결 가이드 구조체(105)를 통해 상기 진동 마운팅시트(300)와 연결되어, 상기 진동 마운팅시트(300)에 동력을 제공하며;
상기 진동 마운팅시트(300)에 연결 인터페이스(304), 튜브 조인트(302) 및 시료주입용 니들 어댑터(301)가 구비되고;
상기 연결 인터페이스(304)의 일단은 튜브 조인트(302)를 통해 상기 급액 도관(501)과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터(301)를 통해 상기 시료주입용 니들(400)과 연결되며;
상기 시료주입용 니들(400)의 중심축선은 상기 진동 출력로드(104)의 축선과 수직이고;
상기 구동 컨트롤러(600)는 상기 진동 어셈블리(100)에 전기적으로 연결되어, 상기 진동 마운팅시트(300)가 비대칭 운동 제어 프로그램(602)에 따라 비대칭 왕복 운동을 하도록 구동함으로써, 상기 시료주입용 니들의 마이크로 액적 생성을 용이하게 한다.
일 실시양태에서, 상기 구동 컨트롤러(600)는 진동 구동회로(601), 비대칭 진동 제어 프로그램(602), 위치 교정 모듈(603), 위치신호 수집 모듈(604) 및 전원 공급 제어 연결 케이블(605)을 포함한다. 구동 컨트롤러(600)는 상기 진동 어셈블리(100)에 전기적으로 연결되어, 진동 마운팅시트(300)가 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램(602)에 따라 비대칭 왕복 운동을 하도록 구동한다.
일 실시양태에서, 상기 비대칭 왕복 운동은 진동 마운팅시트(300)가 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선 방향을 따라 수행하는 비대칭 왕복 진동이다.
일 실시양태에서, 상기 연결 가이드 구조체(105)는 스플라인축(1052)과 스플라인 슬리브(1051)를 포함하는 볼 스플라인(105)이며, 상기 스플라인축(1052)의 양단은 각각 상기 진동 출력로드(104) 및 상기 진동 마운팅시트(300)와 고정 연결되고, 상기 스플라인축(1052)과 상기 진동 출력로드(104)의 연결은 연결부재(106)를 통해 완성된다. 일 실시양태에서, 상기 연결부재(106)는 나사이다.
일 실시양태에서, 상기 진동 어셈블리(100)는 상기 진동 마운팅시트(300)에 비대칭 왕복 운동의 동력을 제공하며, 연속 또는 간헐적인 진동을 발생시킬 수 있는 진동 어셈블리로서, 전자식 진동장치, 압전세라믹 진동장치, 편심휠 진동장치, 서보모터, 보이스 코일 모터, 갈바노미터 모터 중의 하나로부터 선택된다. 마이크로 액적을 제조 시, 구체적으로 사용되는 진동장치의 진동 주파수와 진동 폭은 실제 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 진동 어셈블리(100)의 진동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이며, 진동 폭은 0.1-5㎜, 바람직하게는 0.5-2㎜이다.
상기 연결 가이드 구조체(105)(볼 스플라인)는 진동 마운팅시트(300)의 운동을 구속하여, 진동 마운팅시트(300)가 볼 스플라인(105)의 중심축선 방향을 따라서만 왕복 운동을 할 수 있도록 하며, 구체적으로 본 발명의 마이크로 액적 생성기구에 실제 응용 시, 상기 진동 출력로드(104)는 진동 마운팅시트(300)와 시료주입용 니들(400)의 중량에 의해 발생되는 축방향에 수직인 반경방향 작용력 및 진동 마운팅시트(300) 양단의 불균형한 중량에 의해 발생되는 토크 작용력을 받을 때, 상기 진동 출력로드(104) 또는 볼 스플라인(105)의 중심축선 방향 이외의 진동이 발생하지 않아, 진동 마운팅시트(300)가 볼 스플라인(105)의 중심축선 방향에서만 왕복운동을 할 수 있도록 함으로써, 마이크로 액적 생성의 안정성과 균일성을 보장한다.
상기 연결 가이드 구조체(105)의 타단은 상기 진동 마운팅시트(300)와 연결되며, 구체적으로, 스플라인축(1052)의 일단은 상기 진동 마운팅시트(300)에 연결된다.
일 실시양태에서, 상기 진동 어셈블리(100)는 위치 센서(103)를 더 포함하며, 상기 구동 컨트롤러(600)는 위치신호 수집 모듈(604)을 통해 진동 어셈블리(100)의 위치 센서(103)의 실시간 위치 피드백 신호를 수집하며, 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램과 실시간 비교하여 위치 교정 모듈(603)로 피드백함으로써, 진동 구동회로(601)의 제어 파라미터를 조절하여 비대칭 왕복 운동의 폐루프 제어를 구현한다.
본 발명의 진동 어셈블리(100)는 주기적인 비대칭 왕복 운동을 하며, 하나의 평형점 EP(equilibrium point)와 평형점 양단의 2개의 반사점(reflecting-point)인 RP1과 RP2를 갖는다. 소위 비대칭 왕복 운동은 반사점 RP1으로부터 평형점 EP를 거쳐 반사점 RP2에 도달한 다음, 반사점 RP2로부터 평형점 EP를 거쳐 반사점 RP1로 되돌아가는 하나의 진동 주기로 정의된다. 도 17은 본 발명이 제공하는 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도로서, 여기서 EP는 RP1과 PR2의 중심에 위치하며, 즉 EP와 RP1 및 RP2의 거리는 같다. 도 18은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도로서, 여기서 EP는 RP1과 PR2의 중심에 위치하며, 즉 EP와 RP1 및 RP2의 거리는 같다. 도 19는 본 발명이 제공하는 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동 위치 설명도로서, 여기서 EP와 RP1 및 RP2의 거리는 같지 않다. 도 20은 본 발명이 제공하는 비대칭 요동을 하는 마이크로 액적 생성기구의 진동위치 설명도로서, 여기서 EP와 RP1 및 RP2의 거리는 같지 않다.
일 실시양태에서, 본 발명의 상기 비대칭 왕복 운동 진동 어셈블리는 EP가 RP1과 PR2의 중심에 위치하며, 평형점 EP의 위치를 0으로 하여 시간 가로축을 만들고, 진동 위치를 세로축으로 하여 곡선을 만들며, 시간에 대한 진동 위치의 파형 곡선은 임의의 반사점(RP1 또는 PR2)의 양측에서 비대칭이다(도 9, 도 10 및 도 11). 이러한 주기적인 비대칭 왕복 운동에 의해 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 운동의 두 반주기(half cycle) 내에서 하나의 시점 또는 하나의 시간 구간만 최대 운동 속도에 도달함으로써 액체 토출 개구가 받는 유상(oil phase) 작용의 전단력이 서로 달라지게 되며, 다시 말해 액체 토출 개구의 주기적 운동 과정에서, 하나의 주기 내에 액체 토출 개구는 하나의 최대 전단력 응력점만 갖는다. 일 실시양태에서, 본 발명의 상기 비대칭 왕복 운동 진동 어셈블리는 EP와 RP1 및 RP2의 거리가 다르며, 주기적인 비대칭 왕복 운동에 의해 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 운동의 두 반주기 내에서 하나의 시점 또는 하나의 시간 구간만 최대 운동 속도에 도달하며(도 19, 도 20), 즉 액체 토출 개구는 주기적인 운동 과정에서, 하나의 주기 동안 하나의 최대 전단력 응력 구간만 갖는다. 본 발명의 비대칭 왕복 운동과 비교하여, 액면 아래 좌우 대칭인 왕복 진동 역시 액적을 생성할 수 있으나, 진동 어셈블리가 하나의 전체 주기에 2개의 최대 응력점을 가지므로, 즉 진동 어셈블리가 두 반주기 내에 모두 액적을 생성할 가능성이 있어, 반주기마다 하나의 작은 액적을 생성하거나 전체 주기에 하나의 2배 부피의 큰 액적을 생성할 가능성이 있어, 액적의 크기에 부정확성이 크고, 사출 등 가공을 통한 마이크로 채널의 개구는 실질적으로 완전한 대칭을 이룰 수 없기 때문에(도 8d, 도 8e, 도 8f), 두 반주기에 생성되는 액적 크기에도 차이가 있다. 따라서, 본 발명은 비대칭 왕복 진동을 통해 전술한 대칭 왕복 진동으로 생성되는 액적이 불균일한 문제, 및 액체 토출 개구의 가공 대칭성, 정밀도, 및 하자에 대한 과도한 요구를 해결하여 고도로 제어 가능한 균일한 액적의 생성을 구현할 수 있다.
비대칭 왕복 운동은 다양한 형식을 취할 수 있으며, 일 실시양태에서, 상기 비대칭 왕복운동은 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따르는 비대칭 왕복 진동으로서, 즉 진동 어셈블리(100)는 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선 방향을 따라서만 왕복 진동을 할 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 비대칭 왕복 운동은 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선을 축심으로 하는 비대칭 요동이다. 도 2 및 도 3은 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 비대칭 왕복 진동을 하는 마이크로 액적 생성기구를 나타낸 설명도이다.
일 실시양태에서, 도 4-도 7에 도시된 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선을 축심으로 비대칭 요동하는 마이크로 액적 생성기구의 설명도와 같이, 상기 비대칭 왕복 운동은 진동 마운팅시트가 상기 진동 출력로드의 중심축선을 축심으로 하는 비대칭 요동이다.. 진동 어셈블리(100)는 하우징(101), 진동자(102), 위치 센서(103) 및 진동 출력로드(104)를 포함한다. 상기 진동 어셈블리(100)의 진동 출력로드(104)는 연결 가이드 구조체(105) 및 연결부재(106)를 통해 상기 진동 마운팅시트(300)와 연결되며, 상기 진동 마운팅시트(300)에 왕복 운동의 동력을 제공한다. 상기 시료주입용 니들(400)의 중심축선은 상기 진동 출력로드(104)의 축선과 수직이다.
연결 가이드 구조체(105)는 진동 마운팅시트(300)의 운동을 구속하여, 진동 출력로드(104)에 고정된 진동 마운팅시트(300)가 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선을 축심으로만 비대칭 요동할 수 있도록 한다. 상기 연결 가이드 구조체(105)는 제1 베어링(1053) 및 제2 베어링(1054)을 포함하며, 상기 진동 마운팅시트(300)의 일단은 상기 제1 베어링(1053)을 관통하여 상기 연결 가이드 구조체(105)에 연결되고, 상기 진동 마운팅시트(300)의 타단은 상기 제2 베어링(1054)과 연결되며, 여기서 상기 제1 베어링(1053)은 축방향 정지변을 갖는 베어링이다. 일 실시양태에서, 상기 연결부재(106)는 연축기(coupler)이다. 축방향 정지변을 갖는 제1 베어링(1053)은 진동 마운팅시트(300)가 진동 출력로드(104)의 축선방향에서 변위가 발생하지 않도록 하며, 제1 베어링(1053)과 제2 베어링(1054)의 결합 사용은 진동 어셈블리의 구조 안정성과 마이크로 액적 생성의 안정성 및 균일성을 보장한다.
여기서 상기 진동 어셈블리(100)는 상기 진동 마운팅시트(300)에 비대칭 왕복 운동의 동력을 제공하며, 연속 또는 간헐적 운동을 발생시킬 수 있는 기구로서, 전자식 진동장치, 압전세라믹 진동장치, 편심휠 진동장치, 서보모터, 보이스 코일 모터, 갈바노미터 모터 중의 하나로부터 선택된다. 마이크로 액적의 제조에 있어서, 구체적으로 사용되는 진동장치의 진동 주파수와 진동폭, 또는 요동폭과 요동은 실제 필요에 따라 선택할 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 진동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이다. 일 실시양태에서, 상기 진동장치의 진동폭은 0.1-5㎜, 바람직하게는 0.5-2㎜이다. 일 실시양태에서, 상기 요동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이다. 일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들의 액체 토출 개구와 진동 출력로드(104)의 축선의 거리는 10-100㎜, 바람직하게는 30-80㎜이고, 상기 진동 마운팅시트의 요동각도 폭은 0.05-10°, 바람직하게는 0.2-2°이다.
본 발명의 진동 마운팅시트(300)는 시료주입용 니들(400)의 고정장치이며, 진동 어셈블리(100)의 구동력을 시료주입용 니들(400)에 로딩된 액체에 전달함으로써, 마이크로 액적의 생성을 구현한다. 여기서, 상기 시료주입용 니들(400)의 중심축선은 상기 진동 출력로드(104)의 축선과 수직이다.
구체적으로, 상기 진동 마운팅시트(300)에 연결 인터페이스(304)가 구비되며, 상기 연결 인터페이스(304)의 일단은 튜브 조인트(302)를 통해 급액 도관(501)과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터(301)를 통해 상기 시료주입용 니들(400)에 연결된다.
연결 인터페이스(304)는 관통되는 홈이며, 급액 도관(501)과 시료주입용 니들(400)을 연결하는 역할을 한다. 실제 응용 시 상기 연결 인터페이스(304)는 필요에 따라 1개 또는 복수 개이며, 예를 들어 1-96개이다. 복수의 상기 연결 인터페이스(304)는 상기 진동 마운팅시트(300)의 내부에 등간격으로 간격을 두고 설치된다. 바람직하게는, 상기 연결 인터페이스(304)는 2개, 4개, 8개 또는 12개이다.
도 8a와 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 시료주입용 니들(400)은 양단이 개구된 코니컬 튜브 구조이며, 일단의 개구는 상기 시료주입용 니들 어댑터(301)와 긴밀히 삽입 연결되기 위한 액체 공급 개구(401)로서, 시료주입용 니들(400)과 상기 시료주입용 니들 어댑터(301)를 기밀 결합시킨다. 타단의 개구는 시료주입용 니들의 액체 토출부(402)로서, 마이크로 액적을 생성하기 위한 시료주입용 니들 액체 토출 개구(403)를 포함하며, 상기 시료주입용 니들 액체 토출 개구(403)의 내경은 20-300㎛이고, 외경은 150-600㎛이다. 시료주입용 니들 중간은 제1 액체(800)를 저장하기 위한 액체 저장 캐비티(404)이고, 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 저장 캐비티(404)의 부피 범위는 5-500μL, 바람직하는 20-60μL이다. 도 8c-f는 본 발명이 제공하는 마이크로 액적 생성을 위한 비대칭 왕복운동 기구에 적응되는 시료주입용 니들(400)의 액체 토출부(402) 구성이다. 여기서, 도 8c는 이상적인 상황에서 가공하여 얻은 버(burr)가 없고, 좌우가 대칭인 액체 토출부 구성이다. 본 발명의 마이크로 액적 생성기구의 비대칭 왕복 진동을 이용하면 좌우 비대칭(도 8d), 액체 토출 개구 외측의 버(도 8e), 액체 토출 개구 내측의 버(도 8f)와 같은 시료주입용 니들 액체토출부(402) 구성의 결함을 수용할 수 있다. 10 미크론 내지 100 미크론 크기의 가공 결함의 크기는 종래의 가공 공정 조건에서는 완전히 피할 수 없으며, 액적 제조의 균일성에 부정적인 영향을 미친다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구의 위치는 진동 중심위치 좌우에서 요동하고, 액체 토출 개구(403)의 위치는 시간 변화 곡선에 따라 사인파, 톱니파, 사다리꼴파, 삼각파, 사각파 중의 하나 또는 상기 다양한 파형의 중첩 조합과 같은 다양한 형태를 나타낼 수 있다. 일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구의 위치는 시간 변화 곡선을 따른 사인파와 톱니파의 조합이며(도 9a), 그 주기적 속도-시간 곡선은 도 9b에 도시된 바와 같다. 일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구의 위치는 도 10a에 도시된 바와 같이, 시간 변화 곡선을 따른 짧은 주기의 톱니파와 긴 주기의 톱니파의 조합이며, 그 주기적 속도-시간 곡선은 도 10b에 도시된 바와 같다. 일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구의 위치는 시간 변화 곡선을 따른 사각파와 톱니파의 조합이며(도 11a), 그 주기적 속도-시간 곡선은 도 11b에 도시된 바와 같다.
상기 파형의 특징은 상기 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구가 좌에서 우로의 반 스트로크(half stroke) 및 우에서 좌로의 반 스트로크의 속도 변화 곡선이 비대칭이고, 하나의 진동 사이클에 평균 속도보다 큰 최대 순간 속도 또는 최대 속도 구간이 존재한다는데 있다. 시료주입용 니들(400)의 액체 토출부는 상기 비대칭 왕복 운동의 작용 하에 하나의 왕복 진동 주기 동안 하나의 액적을 생성하며, 상기 액적의 생성은 왕복 진동 사이클 주기 내의 최대 순간 속도 또는 최대 속도 구간의 제어를 받기 때문에 매우 높은 안정성과 신뢰성을 갖는다.
일 실시양태에서, 본 발명의 진동 생성 기구는 상기 진동 어셈블리(100)를 고정하여 자동화된 시료주입용 니들의 로딩, 이동, 액적 제조 등 작업을 구현하기 위한 지지 고정시트(120)를 더 포함한다.
일 실시양태에서, 본 발명의 상기 진동 생성기구는 상기 급액 도관(501)을 파지하기 위한 펌프 튜브 클램핑시트(303)(도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7 참조)를 더 포함한다. 구체적으로, 사용 시 펌프 튜브 클램핑시트(303)는 급액 도관(501)을 수직으로 유지시킬 수 있어, 액체 공급의 안정성을 보장하며, 생성되는 마이크로 액적이 안정적이고 균일하다.
일 실시양태에서, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)를 포함하며, 상기 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)는 상기 마이크로 액적 생성기구(1)의 승강 및 정확한 위치결정을 제어하기 위한 것이다.
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)가 정확하게 시료주입용 니들의 개구를 제2 개구 용기(701) 내에 위치한 제2 액체의 액면(702) 아래의 고정 심도에 위치결정될 수 있도록 보조하기 위한 액면 검출 기구(202)를 더 포함하며, 액적의 지속적인 생성으로 인해 액면 높이에 변화가 발생 시 또는 제2 액체를 첨가 시의 부피 오차로 인한 액면 높이에 오차가 존재 시, 제어장치의 제어 하에 동적 높이 위치 조정을 수행하여 액적 생성의 장시간 안정성과 균일성을 보장한다.
상기 액면 검출 기구(202)는 예컨대 고화질 CCD 카메라, 반사형 광전센서, 또는 정전용량형 거리센서일 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 제어장치는 제2 동적 위치결정 어셈블리(900)를 더 포함하며, 상기 제2 동적 위치결정 어셈블리(900)는 제1 개구 용기와 제2 개구 용기를 고정 및 이동시키기 위한 정밀 2축 수평 이동 테이블이다.
일 실시양태에서, 상기 구동 컨트롤러(600)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)를 구동 제어하는 이외에, 상기 유체 구동장치(500), 제1 동적 위치결정 어셈블리(200) 및 제2 동적 위치결정 어셈블리(900)도 동시에 구동 제어하여 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)와 협동 작동한다.
일 실시양태에서, 상기 제1 개구 용기(801)(도 1, 도 21)에 제1 액체(800)가 담긴다.
상기 제1 액체는 예컨대 PCR(Polymerase Chain Reaction) 시약, RT-PCR(Reverse Transcription PCR) 시약, 미생물 현탁액 또는 세포 현탁액 등일 수 있다.
상기 제1 개구 용기는 단일 액체저장탱크, 1차원 액체저장탱크 어레이 또는 2차원 액체저장탱크 어레이이며, 바람직하게는 8열 PCR 튜브이고, 더욱 바람직하게는 표준 96 또는 384웰 효소표지판 또는 PCR 플레이트이며, 상기 액체저장탱크의 바닥부는 평바닥, 둥근 바닥 또는 원추형 바닥일 수 있고, 그 부피는 10-1000μL, 바람직하게는 20-200μL이다.
예를 들어 각각의 제1 개구 용기의 부피는 10μL, 20μL, 30μL, 40μL, 50μL, 60μL, 70μL, 80μL, 90μL, 100μL, 200μL, 300μL, 400μL, 500μL, 600μL, 700μL, 800μL, 900μL, 1000μL 등일 수 있다.
도 1 및 도 21에 도시된 바와 같이, 상기 제2 개구 용기(701) 내에 비중이 제1 액체보다 작은 제2 액체(700)가 미리 로드되어 있으며, 상기 제2 개구 용기는 생성된 마이크로 액적이 평평하게 펼쳐지기 위한 2차원 평바닥 샘플 웰 어레이이다. 바람직하게는, 상기 제2 개구 용기는 24, 32, 96 또는 384개의 부피가 동일한 평바닥 샘플 웰을 포함하고, 상기 평바닥 샘플 웰의 형상은 직사각형 또는 원형이다.
상기 제2 액체는 계면활성제를 함유한 액체 알칸 또는 액체 에스테르 중의 하나 또는 하나 이상이고, 상기 계면활성제는 트리톤(Triton) 계열의 계면활성제, 트윈(tween) 계열의 계면활성제, 노니뎃(Nonidet) 계열의 계면활성제, 플루로닉(Pluronic) 계열의 계면활성제, 스판(span) 계열의 계면활성제, Brij 계열의 계면활성제, IGEPAL 계열의 계면활성제 및 ABIL EM/WE 계열의 계면활성제 중의 하나 또는 하나 이상이다.
상기 트리톤 계열의 계면활성제는 예컨대 Triton X-100, Triton X-405, Triton X-114 등일 수 있다.
상기 트윈 계열의 계면활성제는 예컨대 트윈 40, 트윈 60, 트윈 65, 트윈 80, 트윈 85 등일 수 있다.
노니뎃 계열의 계면활성제는 예컨대 P40일 수 있다.
플루로닉 계열의 계면활성제는 예컨대 플루로닉 F-68일 수 있다.
스판 계열의 계면활성제는 예컨대 스판 20, 스판 40, 스판 60, 스판 80, 스판 85 등일 수 있다.
Brij 계열의 계면활성제는 예컨대 Brij30, Brij35, Brij58, Brij97 등일 수 있다.
IGEPAL 계열의 계면활성제는 예컨대 IGEPAL CO-630, IGEPAL CO-730, IGEPAL CO-520, IGEPAL CO-897 등일 수 있다.
ABIL EM/WE 계열의 계면활성제는 예컨대 ABIL EM 97, ABIL WE 09 등일 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들 어댑터는 일단이 개구된 코니컬 튜브형 구조이고, 상기 샘플링 어댑터는 상기 시료주입용 니들을 삽입 연결하기 위한 것이고;
바람직하게는, 상기 시료주입용 니들 어댑터는 위에서 아래로 급액 도관 연결부, 연결 캐비티 및 액체출구를 포함하며;
바람직하게는, 상기 연결 캐비티의 내경은 0.5-1.5㎜, 바람직하게는 1㎜이고;
상기 연결 캐비티의 외경은 2-4㎜, 바람직하게는 2-3㎜이며;
상기 연결 캐비티의 길이는 10-50㎜, 바람직하게는 15-25㎜이다.
일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들 어댑터의 수량은 1-96개이고, 바람직하게는 2개, 4개, 8개 또는 12개이다.
일 실시양태에서, 상기 유체 구동장치는 무맥동 구동펌프이고, 바람직하게는 시린지 펌프이다.
상기 유체 구동장치의 수량은 1개 또는 복수 개이다.
일 실시양태에서, 상기 급액 도관(501), 흡액 도관(502), 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터(301)에 기포 없이 운반 액체(505)가 충진된다.
일 실시양태에서, 상기 제어장치는 시료주입용 니들 홀더, 오일제거기구, 시료주입용 니들 언로딩 기구 및 폐기물 수용부를 포함하는 준비유닛(도면 중 미도시)을 더 포함하며, 상기 오일제거기구는 폐기물 수용부의 상부에 위치하고, 시료주입용 니들은 상기 폐기물 수용부 상부에서 언로딩된다.
시료주입용 니들 홀더, 오일제거기구, 시료주입용 니들 언로딩 기구 및 폐기물 수용부에 대하여, 본 발명은 어떠한 제한도 두지 않으며, 당업자는 필요에 따라 선택할 수 있다. 예를 들어 오일제거기구는 스폰지일 수 있다.
본 발명은 상기 제어장치를 사용하여 마이크로 액적을 제조하는 방법을 제공하며, 이하 단계를 포함할 수 있다:
상기 유체 구동장치를 사용하여 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들에 제1 액체가 채워지도록 구동하는 단계;
제1 액체가 충진된 시료주입용 니들 개구를 제2 액체의 액면 아래에 두고 제2 액체와 접촉을 유지하며, 유체 구동장치의 구동 하에, 마이크로 액적 생성기구가 시료주입용 니들 어댑터를 구동하여 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복운동을 수행하도록 함으로써 제1 액체 마이크로 액적을 생성하는 단계.
일 실시양태에서, 시료주입용 니들은 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 요동하며, 유체 구동장치는 시료주입용 니들로부터 제1 액체가 배출되어 마이크로 액적을 생성하도록 유속을 설정하기 위한 것이다.
일 실시양태에서, 시료주입용 니들은 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동을 하는 하나의 운동 주기 내에 마이크로 액적을 하나만 생성한다.
일 실시양태에서, 상기 유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하기 전, 상기 방법은 이하 단계 중의 하나 또는 하나 이상을 더 포함할 수 있다:
a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 오일제거기구로 이동시키고, 상기 유체 구동장치로 상기 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 유체 구동장치로 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출시키고, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 어댑터 하단 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결시키는 단계,
c) 시료주입용 니들을 오일제거기구로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계.
일 실시양태에서, 유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계는
단계 c)에서 시료주입용 니들을 제1 액체가 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시킨 다음 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체출구가 제1 액체와 접촉하여 침지되도록 하고, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 시료주입용 니들로 제1 액체를 흡입하여 시료주입용 니들에 제1 액체를 충진하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 방법은
a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 오일제거기구로 이동시키고, 상기 유체 구동장치로 상기 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 유체 구동장치로 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출시키고, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 어댑터 하단 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결시키는 단계;
c) 시료주입용 니들을 오일제거기구로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
d) 단계 c)에서 시료주입용 니들을 샘플이 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시킨 다음 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체출구가 제1 액체와 접촉하여 침지되도록 한 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고, 단계 a)를 반복하여 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 흡입하는 단계;
e) 단계 d)에서 시료주입용 니들을 제1 개구 용기로부터 제거하고, 제2 액체가 담긴 제2 개구 용기 상부로 이동시킨 다음 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체 출구가 제2 액체와 접촉하여 침지되도록 하는 단계;
f) 시료주입용 니들 내의 제1 액체가 유체 구동장치의 구동 하에 시료주입용 니들 액체출구로부터 배출됨과 동시에, 마이크로 액적 생성기구로 시료주입용 니들 어댑터를 구동하여 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 진동 또는 비대칭 요동하도록 함으로써, 배출된 제1 액체가 시료주입용 니들의 액체 출구를 이탈하여 마이크로 액적을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시양태에서, 상기 시료주입용 니들 액체출구로부터 흡입되는 샘플의 부피는 흡입되는 제1 액체가 급액 삽관을 오염시키는 것을 방지하도록 시료주입용 니들 연결 캐비티의 부피보다 작다.
일 실시양태에서, 상기 방법은 제1 액체의 마이크로 액적 제조가 완료된 후, 시료주입용 니들을 언로딩한 다음, 단계 b)-f)에 따라 다른 시료주입용 니들을 삽입하고, 다른 제1 액체의 마이크로 액적 제조를 수행하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 상기 장치의 사용을 통해 마이크로 액적을 제조하며, 마이크로 액적 생성기구의 진동 어셈블리가 구동하는 진동 마운팅시트 상의 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 유상 액면 아래 두 점 사이 또는 유상 액면을 가로지르는 두 점 사이에서 가속도 변화를 갖는 주기적 왕복 운동을 수행하기 때문에, 시료주입용 니들 내의 수상 액체의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수 조절만으로 크기가 균일하고, 부피 제어가 가능한 마이크로 액적의 제조를 구현할 수 있다.
실시예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제어장치는 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1) 및 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)를 포함하는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하며, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 고정 연결되고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)를 위치결정시키도록 구성된다.
상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)는 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성된다.
상기 제어장치는 유체 구동장치(500), 급액 도관(501), 흡액 도관(502) 및 전동 2위치 3방향 전환밸브를 포함하는 유체 제어유닛(도면 중 미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트는 상기 유체 구동장치(500)와 연결되고, 제2 밸브포트는 상기 급액 도관(501)의 일단과 연결되며, 제3 밸브포트는 상기 흡액 도관(502)의 일단과 연결되고, 상기 흡액 도관(502)의 타단은 오일저장병(504)과 연결되고, 상기 급액 도관(501)의 타단은 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 연결된다.
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)를 포함하며, 상기 마이크로 액적 생성기구(1)는 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)의 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)에 고정 연결된다.
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 제1 동적 위치결정 어셈블리가 시료주입용 니들의 개구를 제2 개구 용기(701) 내의 제2 액체 액면(702) 아래(도 21) 0.3㎜ 깊이에 정확하게 위치결정시키도록 보조하기 위한 액면 검출 기구(202)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어장치는 제1 개구 용기(801)와 제2 개구 용기(701)를 고정 및 이동시키기 위한 제2 동적 위치결정 어셈블리(900)를 더 포함한다.
상기 제1 개구(801)는 단일 액체저장탱크이고, 상기 제1 개구 용기(801)에 제1 액체가 담긴다.
상기 제2 개구 용기(701)는 생성된 마이크로 액적이 평평하게 펼쳐지기 위한 2차원 평바닥 샘플 웰 어레이이다.
상기 제어장치는 시료주입용 니들 홀더, 오일제거기구(스폰지), 시료주입용 니들 언로딩기구 및 폐기물 수용부를 포함하는 준비유닛(도면 중 미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 오일제거기구(스폰지)는 폐기물 수용부의 상부에 위치하고, 시료주입용 니들은 상기 폐기물 수용부 상부에서 언로딩된다.
여기서, 상기 마이크로 액적 생성기구는 도 7에 도시된 바와 같이, 진동 어셈블리(100), 연결 가이드 구조체(105), 진동 마운팅시트(300), 시료주입용 니들(400) 및 구동 컨트롤러(600)를 포함한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예 중의 마이크로 액적 생성기구는 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 비대칭 왕복 운동을 수행한다. 마이크로 액적 생성기구는 진동 어셈블리, 연결 가이드 구조체(105), 지지 고정시트(120), 진동 마운팅시트(300), 시료주입용 니들(400), 및 펌프 튜브 클램핑시트(303)를 포함한다. 진동 어셈블리(100)는 하우징(101), 진동자(102), 위치 센서(103), 진동 출력로드(104)를 포함한다. 상기 진동 출력로드(104)의 일단은 상기 하우징(101)에 연결되고, 타단은 연결부재(106)를 통해 상기 연결 가이드 구조체(105)의 일단에 연결되며, 상기 연결 가이드 구조체(105)의 타단은 상기 진동 마운팅시트(300)에 연결된다. 상기 시료주입용 니들(400)의 중심축선은 상기 진동 출력로드(104)의 축선과 수직이다. 지지 고정시트(120)는 상기 진동 어셈블리(100)를 고정시키기 위한 것이다.
여기서, 연결 가이드 구조체(105)는 스플라인축(1052)과 스플라인 슬리브(1051)를 포함하는 볼 스플라인(105)이며, 상기 스플라인축(1052)의 양단은 각각 상기 진동 출력로드(104) 및 상기 진동 마운팅시트(300)에 고정 연결된다. 스플라인축(1052)과 상기 진동 출력로드(104)의 연결은 연결부재(106)를 통해 완성된다. 연결부재(106)는 나사이다. 위치 센서(103)의 일부는 진동자와 연결되어, 진동자 또는 진동 출력로드를 따라 운동하고, 다른 일부는 스플라인 슬리브(1051)에 고정되어, 진동 과정 중의 변위를 정밀하게 검출할 수 있다.
상기 진동 어셈블리(100)는 진동 모터이며, 상기 진동자(102)의 진동 주파수는 100-200Hz이고, 진동 폭 범위는 0.1-5㎜이며, 실제 응용 시, 진폭 범위는 0.5-1.5㎜이다.
상기 진동 마운팅시트(300)에 연결 인터페이스(304)가 구비되며, 상기 연결 인터페이스(304)의 일단은 튜브 조인트(302)를 통해 급액 도관(501)과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터(301)를 통해 상기 시료주입용 니들(400)에 연결된다. 상기 연결 인터페이스(304)는 8개이며, 8개의 상기 연결 인터페이스(304)는 상기 진동 마운팅시트(300) 내부에 등간격으로 간격을 두고 설치된다. 펌프 튜브 클램핑시트(303)는 상기 급액 도관(501)을 파지하여 급액 도관(501)을 수직으로 유지하기 위한 것이다.
상기 구동 컨트롤러(600)는 진동 구동회로(601), 비대칭 진동 제어 프로그램(602), 위치 교정 모듈(603), 위치신호 수집 모듈(604) 및 전원 공급 제어 연결 케이블(605)을 포함한다. 구동 컨트롤러(600)는 상기 진동 어셈블리(100)에 전기적으로 연결되어, 진동 마운팅시트(300)가 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램(602)에 따라 비대칭 왕복 운동을 수행하도록 구동하며, 상기 구동 컨트롤러(600)는 위치신호 수집 모듈(604)을 통해 진동 어셈블리(100)의 위치 센서(103)의 실시간 위치 피드백 신호를 수집하고, 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램과 실시간으로 비교하여 위치 교정 모듈(603)로 피드백함으로써, 진동 구동회로(601)의 제어 파라미터를 조절하여, 비대칭 왕복 운동의 폐루프 제어를 구현한다.
구동 컨트롤러(600)는 또한 제1 동적 위치결정 어셈블리(200), 제2 동적 위치결정 어셈블리(900) 및 유체 구동장치(500)에도 전기적으로 연결되어, 각각 동력을 제공하며, 액적의 지속적인 생성으로 인해 액면 높이에 변화가 발생 시 또는 제2 액체를 첨가 시의 부피 오차로 인한 액면 높이에 오차가 존재 시, 구동 컨트롤러(600)는 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)가 동적 높이 위치 조정을 하도록 제어함으로써 액적 생성의 장시간 안정성과 균일성을 보장한다.
상기 제어장치를 사용하여 마이크로 액적을 제조하는 방법은 이하 단계를 포함할 수 있다:
a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 스폰지로 이동시키고, 상기 시린지 펌프로 상기 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 시린지 펌프로 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출시키고, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 스폰지로 시료주입용 니들 어댑터 하단의 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계로서, 상기 운반 액체는 샘플 액체와 서로 섞이지 않는 제2 액체이고, 상기 운반 액체는 탄화수소화합물, 규소 또는 탄화불소화합물을 주요 성분으로 하는 오일, 예를 들어 광물유, 테트라데칸, FC40 등이며;
b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결하는 단계로서, 여기서, 시료주입용 니들의 액체저장 부피는 60μL이고, 시료주입용 니들(400)을 제조하는 재료는 폴리프로필렌(PP, 순수 용액 접촉각은 88°)이며, 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구 내경은 120㎛이고, 외경은 400㎛이며;
c) 시료주입용 니들을 스폰지로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 스폰지로 시료주입용 니들의 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
d) 단계 c)에서 시료주입용 니들을 제1 액체가 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시키고 하향 운동시켜 시료주입용 니들의 액체 출구가 수용액(제1 액체)와 접촉하여 침지되도록 한 다음, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 시료주입용 니들 내부에 제1 액체 20μL을 흡입하는 단계;
e) 단계 d)에서 시료주입용 니들을 제1 개구 용기로부터 제거하고, 광물유(제2 액체)가 담긴 제2 개구 용기 상부로 이동시킨 다음, 제1 동적 어셈블리로 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구가 하향 운동하도록 구동시켜, 시료주입용 니들의 액체 출구가 광물유와 접촉하여 액면 이하 0.3㎜로 침지되도록 하는 단계;
f) 시료주입용 니들 내부의 제1 액체를 시린지 펌프의 구동 하에 시료주입용 니들의 액체 출구로부터 배출시키고, 구동 컨트롤러(600)를 이용하여 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래 또는 액면을 가로질러 비대칭으로 주기적인 왕복 운동을 수행하도록 구동 제어하며, 마이크로 액적 생성기구 중의 진동 모터로 시료주입용 니들 어댑터를 구동하여 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 비대칭 왕복 운동을 하도록 하는 단계로서, 운동의 위치-시간 파형은 도 9에 도시된 바와 같이 사인파와 톱니파의 조합이고, 진동 폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 100Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 100nL/s이고, 주사 부피는 20μL이다. 상기 파라미터 조건을 사용하여 1nL의 마이크로 액적을 제조하였으며, 마이크로 액적의 현미경 이미지는 도 13에 도시된 바와 같고, 액적 부피 크기의 CV는 1.8%이다.
실시예 2
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제어장치는 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1) 및 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)를 포함하는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하며, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 고정 연결되고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)를 위치결정시키도록 구성된다.
상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구(1)는 비대칭 왕복 운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성된다.
상기 제어장치는 유체 구동장치(500), 급액 도관(501), 흡액 도관(502) 및 전동 2위치 3방향 전환밸브를 포함하는 유체 제어유닛(도면 중 미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트는 상기 유체 구동장치(500)와 연결되고, 제2 밸브포트는 상기 급액 도관(501)의 일단과 연결되며, 제3 밸브포트는 상기 흡액 도관(502)의 일단과 연결되고, 상기 흡액 도관(502)의 타단은 오일저장병(504)과 연결되며, 상기 급액 도관(501)의 타단은 상기 마이크로 액적 생성기구(1)와 연결된다.
상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)를 포함하며, 상기 마이크로 액적 생성기구(1)는 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)의 위치결정 어셈블리 승강 변위기구(201)와 고정 연결된다.
도 21의 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리(200)는 제1 동적 위치결정 어셈블리가 시료주입용 니들의 개구를 제2 개구 용기(701) 내의 제2 액체 액면(702) 아래 0.3㎜ 깊이에 정확하게 위치결정시키도록 보조하기 위한 액면 검출 기구(202)를 더 포함하며, 상기 액면 검출 기구는 고화질 CCD 카메라이고, 시료주입용 니들이 액면에 삽입되는 과정을 실시간으로 이미지화하고, 이미지 분석을 통해 시료주입용 니들과 액면의 거리 및 삽입 상태를 판단한다. 상기 고화질 CCD 카메라는 제1 동적 위치결정 어셈블리를 보조하여 시료주입용 니들의 개구를 제2 개구 용기 내에 위치한 제2 액체의 액면 아래 고정 깊이에 정확하게 위치결정시키고, 액적의 지속적인 생성으로 인해 액면 높이에 변화가 발생 시 또는 제2 액체를 첨가 시의 부피 오차로 인한 액면 높이에 오차가 존재 시, 제1 동적 위치결정 어셈블리가 제어장치의 제어 하에 동적 높이 위치 조정을 수행하도록 보조함으로써 액적 생성의 장시간 안정성과 균일성을 보장한다.
상기 제어장치는 제1 개구 용기(801)와 제2 개구 용기(701)를 고정 및 이동시키기 위한 제2 동적 위치결정 어셈블리(900)를 더 포함한다.
상기 제1 개구(801)는 단일 액체저장탱크이고, 상기 제1 개구 용기(801)에 제1 액체(800)가 담긴다.
상기 제2 개구 용기(701)는 생성된 마이크로 액적이 평평하게 펼쳐지기 위한 2차원 평바닥 샘플 웰 어레이이다.
상기 제어장치는 시료주입용 니들 홀더, 오일제거기구(스폰지), 시료주입용 니들 언로딩기구 및 폐기물 수용부를 포함하는 준비유닛(도면 중 미도시)을 더 포함할 수 있으며, 상기 오일제거기구(스폰지)는 폐기물 수용부의 상부에 위치하고, 시료주입용 니들은 상기 폐기물 수용부 상부에서 언로딩을 수행한다.
여기서, 상기 마이크로 액적 생성기구는 도 7에 도시된 바와 같이, 진동 어셈블리(100), 연결 가이드 구조체(105), 진동 마운팅시트(300), 시료주입용 니들(400) 및 구동 컨트롤러(600)를 포함한다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 실시예 중의 마이크로 액적 생성기구는 진동 마운팅시트(300)가 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선을 축심으로 비대칭 요동을 하도록 구동한다. 마이크로 액적 생성기구는 진동 어셈블리(100), 연결 가이드 구조체(105), 지지 고정시트(120), 진동 마운팅시트(300), 시료주입용 니들(400), 지지 고정시트(120) 및 펌프 튜브 클램핑시트(303)를 포함한다. 진동 어셈블리(100)는 하우징(101), 진동자(102), 위치 센서(103), 진동 출력로드(104)를 포함한다. 상기 진동 출력로드(104)의 일단은 상기 하우징(101)에 연결되고, 타단은 연결 가이드 구조체(105)와 연결부재(106)를 통해 진동 마운팅시트(300)에 연결된다. 상기 시료주입용 니들(400)의 중심축선은 상기 진동 출력로드(104)의 축선과 수직이다.
상기 연결 가이드 구조체(105)는 제1 베어링(1053) 및 제2 베어링(1054)을 포함하며, 상기 진동 마운팅시트(300)의 일단은 상기 제1 베어링(1053)을 관통하여 상기 장착부재(103)에 연결되고, 상기 진동 마운팅시트(300)의 타단은 상기 제2 베어링(1054)과 연결되며, 여기서 상기 제1 베어링(1053)은 축방향 정지변을 갖는 베어링이다. 상기 연결부재(106)는 연축기이다.
상기 진동 어셈블리(101)는 갈바노미터 모터이며, 상기 진동자(102)의 진동 주파수는 100-500Hz이고, 진동 폭 범위는 0.1-5㎜이며, 실제 응용 시, 진동 주파수는 100-200Hz이고, 진폭 범위는 0.5-1.5㎜이다.
상기 진동 마운팅시트(300)에 연결 인터페이스(304)가 구비되며, 상기 연결 인터페이스(304)의 일단은 튜브 조인트(302)를 통해 급액 도관(501)과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터(301)를 통해 상기 시료주입용 니들(400)에 연결된다. 상기 연결 인터페이스(304)는 4개이며, 4개의 상기 연결 인터페이스(304)는 상기 진동 마운팅시트(300) 내부에 등간격으로 간격을 두고 설치된다. 펌프 튜브 클램핑시트(303)는 상기 급액 도관(501)을 파지하여 급액 도관(501)을 수직으로 유지하기 위한 것이다.
상기 구동 컨트롤러(600)는 진동 구동회로(601), 비대칭 진동 제어 프로그램(602), 위치 교정 모듈(603), 위치신호 수집 모듈(604) 및 전원 공급 제어 연결 케이블(605)을 포함한다. 구동 컨트롤러(600)는 상기 진동 어셈블리(100)에 전기적으로 연결되어, 진동 마운팅시트(300)가 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램(602)에 따라 비대칭 왕복 운동을 수행하도록 구동하며, 상기 구동 컨트롤러(600)는 위치신호 수집 모듈(604)을 통해 진동 어셈블리(100)의 위치 센서(103)의 실시간 위치 피드백 신호를 수집하고, 비대칭 왕복 운동 제어 프로그램과 실시간으로 비교하여 위치 교정 모듈(603)로 피드백함으로써, 진동 구동회로(601)의 제어 파라미터를 조절하여, 비대칭 왕복 운동의 폐루프 제어를 구현한다.
상기 구동 컨트롤러(600)는 또한 제1 동적 위치결정 어셈블리(200), 제2 동적 위치결정 어셈블리(900) 및 유체 구동장치(500)에도 전기적으로 연결되어, 각각 동력을 제공한다.
상기 제어장치를 사용하여 마이크로 액적을 제조하는 방법은 이하 단계를 포함할 수 있다:
a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 스폰지로 이동시키고, 상기 시린지 펌프로 상기 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 상기 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 시린지 펌프로 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 스폰지로 시료주입용 니들 어댑터 하단의 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계로서, 상기 운반 액체는 샘플 액체와 서로 섞이지 않는 제2 액체이고, 상기 운반 액체는 탄화수소화합물, 규소 또는 탄화불소화합물을 주요 성분으로 하는 오일, 예를 들어 광물유, 테트라데칸, FC40 등이며;
b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결하는 단계로서, 여기서, 시료주입용 니들의 액체저장 부피는 60μL이고, 시료주입용 니들(400)을 제조하는 재료는 폴리프로필렌(PP, 순수 용액 접촉각은 88°)이며, 시료주입용 니들(400)의 액체 토출 개구 내경은 120㎛이고, 외경은 400㎛이며;
c) 시료주입용 니들을 스폰지로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 스폰지로 시료주입용 니들의 개구로부터 배출되는 잔여 운반 액체를 제거하는 단계;
d) 단계 c)에서 시료주입용 니들을 제1 액체가 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시키고 하향 운동시켜 시료주입용 니들의 액체 출구가 수용액(제1 액체)와 접촉하여 침지되도록 한 다음, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하여, 시료주입용 니들 내부에 제1 액체 20μL을 흡입하는 단계;
e) 단계 d)에서 시료주입용 니들을 제1 개구 용기로부터 제거하고, 광물유(제2 액체)가 담긴 제2 개구 용기 상부로 이동시킨 다음, 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체 출구가 제2 액체와 접촉하여, 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면에 0.3㎜ 깊이로 침지되도록 하는 단계;
f) 시료주입용 니들 내부의 제1 액체를 시린지 펌프의 구동 하에 시료주입용 니들의 액체 출구로부터 배출시키고, 구동 컨트롤러(600)를 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래 또는 액면을 가로질러 비대칭으로 주기적인 왕복 운동을 수행하도록 하는 구동신호 발생기로 이용하고, 마이크로 액적 생성기구 중의 진동 모터로 시료주입용 니들 어댑터를 구동하여 시료주입용 니들의 액체 토출 개구가 비대칭 왕복 운동을 하도록 하는 단계로서, 운동의 위치-시간 파형은 도 11에 도시된 바와 같이 사각파와 톱니파의 조합이고, 진동 주파수는 100Hz이고, 진폭은 1.2㎜이며, 시린지 펌프의 유속은 100nL/s이고, 주사 부피는 20μL이다. 1nL의 마이크로 액적을 제조하였으며, 마이크로 액적의 현미경 이미지는 도 14에 도시된 바와 같고, 액적의 부피는 1nL이고, 부피의 CV값은 2.1%이다.
비교예 1
비교예 1과 실시예 1의 차이점은 마이크로 액적 생성기구가 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 대칭 왕복 진동을 하고, 진동 파형은 사인파(도 12a)이고, 진동 폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 100Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 100nL/s이며, 주사 부피는 20μL이라는데 있다. 마이크로 액적 생성기구의 구조 및 마이크로 액적의 제조방법을 포함하는 기타 조건은 실시예 1과 모두 동일하다. 제조된 마이크로 액적은 도 15에 도시된 바와 같으며, 액적 부피의 크기는 균일하지 않고, 부피의 CV값은 35%이다. 추가적인 현미경 고속 이미지로 관찰한 결과, 진동하는 두 반주기에 모두 액적의 절단이 있었고, 시료주입용 니들 가공의 버(burr) 등 결함으로 인하여, 일부 상황에서, 하나의 주기에 시료주입용 니들의 액체 토출 개구의 액적이 유상 전단력에 의해 절단되지 못하여, 1nL，1.5nL또는 2nL의 액적이 생성되기 쉽다는 것이 발견되었다.
비교예 2
비교예 2와 실시예 1의 차이점은 마이크로 액적 생성기구가 상기 진동 출력로드의 중심축선 방향을 따라 대칭 왕복 진동을 하고, 진동 파형은 사각파(도 12b)이고, 진폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 200Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 200nL/s이며, 주사 부피는 20μL이라는데 있다. 마이크로 액적 생성기구의 구조 및 마이크로 액적의 제조방법을 포함하는 기타 조건은 실시예 1과 모두 동일하다. 제조된 마이크로 액적은 도 16에 도시된 바와 같으며, 액적 크기의 CV값은 15%이다. 추가적인 현미경 고속 이미지로 관찰한 결과, 하나의 진동 주기 동안, 시료주입용 니들의 액체 토출 개구는 상반주기와 하반주기에 모두 하나의 액적이 생성되었으나, 시료주입용 니들 가공 시 축이 서로 다른 등 결함으로 인하여, 상반주기에 생성된 액적과 하반주기에 생성된 액적의 부피 크기가 일치하지 않아, 비교적 큰 부피 오차가 발생한 것이 발견되었다.
비교예 3
비교예 3과 실시예 1의 차이점은 마이크로 액적 생성기구에 연결 가이드 구조체(105)가 포함되지 않으며, 즉 연결부재(106)를 통해 출력로드(104)가 직접 진동 마운팅시트(300)와 연결된다는데 있다. 기타 구조는 실시예 1과 동일하다. 실시예 1과 동일한 마이크로 액적 제조방법을 이용하여 마이크로 액적을 제조하였다. 상기 진동 기구는 진동 소음이 크고, 공진이 뚜렷하며, 제조된 마이크로 액적 부피의 CV값은 7.5%이다. 마이크로 액적의 부피는 실시예 1과 비교하여, 균일성이 떨어지며, 비교적 큰 부피 오차가 발생하였다. 시료주입용 니들을 장착 시, 연결 가이드 구조체가 없기 때문에, 진동 어셈블리가 토크 작용력과 반경방향 작용력에 저항할 수 없으며, 34회 사용 후, 갈바노미터 진동 출력로드와 진동 모터의 연결 부위에 만곡이 발생하여 정상적으로 시료주입용 니들을 삽입 장착할 수 없었다.
비교예 4
비교예 4와 실시예 2의 차이점은 마이크로 액적 생성기구가 상기 진동 출력로드(104)의 중심축선을 축심으로 대칭 요동을 한다는데 있으며, 마이크로 액적 생성기구의 구조 및 마이크로 액적의 제조방법을 포함하는 기타 조건은 실시예 2와 모두 동일하다. 구체적인 대칭 왕복 운동의 파라미터는 진동 파형은 사각파(도 12b)이고, 진동 폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 100Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 100nL/s이며, 주사 부피는 20μL이다. 제조된 마이크로 액적은 균일성이 떨어지고, 마이크로 액적 부피의 CV값은 8.5%이며, 비교적 큰 부피 오차가 발생하였다.
비교예 5
비교예 5와 실시예 2의 차이점은 마이크로 액적 생성기구에 연결 가이드 구조체(105)가 포함되지 않으며, 즉 연결부재(106)를 통해 출력로드(104)가 직접 진동 마운팅시트(300)와 연결된다는데 있다. 기타 구조는 실시예 2와 동일하다. 실시예 2와 동일한 마이크로 액적 제조방법을 이용하여 마이크로 액적을 제조하였다. 제조된 마이크로 액적은 도 12a에 도시된 바와 같다. 구체적인 대칭 왕복 운동의 파라미터는 진동 파형은 사인파이고, 진동 폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 100Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 100nL/s이며, 주사 부피는 20μL이다. 제조된 마이크로 액적은 균일성이 떨어지고, 마이크로 액적 부피의 CV값은 7.4%이며, 비교적 큰 부피 오차가 발생하였다. 상기 진동 기구는 진동 소음이 크고, 공진이 뚜렷하며, 시료주입용 니들을 장착 시, 연결 가이드 구조체가 없기 때문에, 진동 어셈블리가 토크 작용력과 반경방향 작용력에 저항할 수 없으며, 25회 사용 후, 갈바노미터 진동 출력로드에 만곡이 발생하여 정상적으로 시료주입용 니들을 삽입 장착할 수 없었다.
비교예 6
비교예 6과 실시예 2의 차이점은 마이크로 액적 생성기구에 시료주입용 니들 어댑터(301)가 포함되지 않으며, 즉 급액 도관(501)이 진동 마운팅시트(300)를 관통하여 시료주입용 니들(401)에 직접 연결된다는데 있다. 기타 구조는 실시예 2와 동일하다. 실시예 2와 동일한 마이크로 액적 제조방법을 이용하여 마이크로 액적을 제조하였다. 제조된 마이크로 액적은 도 12a에 도시된 바와 같다. 구체적인 대칭 왕복 운동의 파라미터는 진동 파형은 사인파이고, 진동 폭은 1.2㎜이며, 진동 주파수는 100Hz이고, 마이크로 시료주입기의 유속은 100nL/s이며, 주사 부피는 20μL이다. 제조된 마이크로 액적은 균일성이 떨어지고, 마이크로 액적 부피의 CV값은 30%이며, 비교적 큰 부피 오차가 발생하였다. 시료주입용 니들을 장착 시, 시료주입용 니들 어댑터가 없기 때문에, 밀폐성이 좋지 않으며, 누출로 인해 액적 생성 부피가 부정확하기 쉽다.
여기서, 상기 각 실시예와 비교예의 진동 어셈블리 파라미터와 액적 생성 결과는 표 1과 같다.
표 1 각 실시예의 진동 어셈블리 파라미터 및 액적 생성 결과
실시예 운동
방식		 파형 연결가이드구조체유무 시료주입용 니들어댑터 유무 진폭
(㎜)		 주파수
(Hz)		 유속
(nL/s)		 액적부피
(nL)		 부피CV(%)
실시예1 진동 사인+톱니(도10) 유 유 1.2 100 100 1.01 1.8
실시예2 요동 사각파+톱니(도11) 유 유 1.2 100 100 0.99 2.1
비교예1 진동 사인(도12a) 유 유 1.2 100 100 1.86 35
비교예2 진동 사각파(도12b) 유 유 1.2 200 200 1.08 15
비교예3 진동 사인+톱니(도10) 무 유 1.2 100 100 1.03 7.5
비교예4 요동 사각파(도12b) 유 유 1.2 100 100 0.98 8.5
비교예5 요동 사인(도12a) 무 유 1.2 100 100 0.99 7.4
비교예6 요동 사인(도12a) 유 무 1.2 100 100 2.5 30
상기 실시예는 본 발명이 제안하는 비대칭 왕복 운동을 이용할 경우, 시료주입용 니들의 가공 결함 및 개구 부위의 사출 오차로 인한 비대칭이 가져오는 액적 크기의 불균일을 효과적으로 방지할 수 있음을 보여준다.
실시예 3-6
실시예 3-6과 실시예 1의 차이점은 제1 동적 위치결정 어셈블리가 시료주입용 니들을 위치결정시키는 깊이가 액면 아래의 0.5㎜, 1.0㎜, 1.5㎜ 및 2.5nm이라는데 있다. 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 이용하여 액적을 생성하고, 용기 바닥부에 평평하게 펼쳐 놓은 후, 현미경으로 이미지를 관찰한 결과는 아래와 같다.
실시예 3: 시료주입용 니들을 액면 아래 0.5㎜ 부위에 위치결정시켜 생성된 액적은 도 22에 도시된 바와 같다. 생성된 액적은 균일하며, 부피는 1nL이다.
실시예 4: 시료주입용 니들을 액면 아래 1.0㎜ 부위에 위치결정시켜 생성된 액적은 도 23에 도시된 바와 같다. 생성된 액적은 균일하며, 부피는 1nL이다.
실시예 5: 시료주입용 니들을 액면 아래 1.5㎜ 부위에 위치결정시켜 생성된 액적은 도 24에 도시된 바와 같다. 생성된 액적은 균일하며, 부피는 1nL이다.
실시예 6: 시료주입용 니들을 액면 아래 2.5㎜ 부위에 위치결정시켜 생성된 액적은 도 25에 도시된 바와 같다. 생성된 액적은 균일하지만, 액적이 유상 첨가의 교란으로 인해 부분적으로 파쇄되었다.
실험을 통해, 시료주입용 니들이 액면 아래 0.0-1.5㎜에 위치 시, 생성되는 액적이 균일하고, 부피가 정확하며, 액적 생성 과정에서, 액적이 질서 있게 침강하여 시료주입용 니들의 방해를 받지 않는다는 것을 발견하였다.
실시예 3-6의 실험 결과는 본 발명이 제안하는 마이크로 액적 제조 제어장치를 사용할 경우, 시료주입용 니들이 액면에 삽입되는 깊이를 효과적으로 제어하여 액적 크기의 균일성과 액적 생성 시스템의 안정성 및 신뢰성을 보장하기 위해서는 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구에 제1 동적 위치결정 어셈블리를 결합할 필요가 있음을 보여준다. 액적 생성장치의 실제 사용 과정에서, 종종 어레이형 시료주입용 니들을 사용하여 어레이 용기 내에 액적을 생성하는데, 복수의 시료주입용 니들의 가공 오차, 조립 오차, 용기 내 유상 부피의 오차로 인한 액면 오차는 모두 피할 수 없다. 또한, 액적이 생성되는 수량이 증가함에 따라, 제2 액체의 액면이 점차 상승하게 되며, 시료주입용 니들이 액면에 삽입되는 깊이가 허용되는 깊이 범위를 점차 벗어나게 된다. 동적 높이 조절 기능을 갖는 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 오차 및 액적 생성 과정의 액면 변화가 시스템의 안정성과 신뢰성에 영향을 미치지 않도록 보장할 수 있다.
실시예 7-18
실시예 7-18과 실시예 1의 차이점은 진동 주파수를 120Hz으로 고정하고, 각각 제1 액체 샘플 유속을 120nL/s, 240nL/s, 360nL/s, 480nL/s, 600nL/s, 720nL/s, 840nL/s, 960nL/s, 1080nL/s, 1200nL/s, 1320nL/s및1440nL/s으로 변경하여 설정하였다는데 있다. 상기 조건하에, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구로 액적을 생성하고, 생성된 액적이 용기 바닥부에 평평하게 펼쳐진 후, 현미경으로 이미지를 관찰한 결과는 도 26에 도시된 바와 같으며, 생성된 액적 부피가 각각 1nL, 2nL, 3nL, 4nL, 5nL, 6nL, 7nL, 8nL, 9nL, 10nL, 11nL 및12nL임을 알 수 있다. 액적 크기는 균일하고, 액적 부피는 유속을 진동 주파수로 나눈 값과 같다.
실시예 7-18은 제어 가능한 액적 생성 방면에서 본 발명이 제안한 마이크로 액적 제조 제어장치의 장점을 검증하였다.
실시예 19-28
실시예 19-28과 실시예 1의 차이점은 제1 액체 샘플의 유속과 시료주입용 니들의 진동 주파수가 표 2와 같다는데 있다. 마이크로 액적 제조 제어장치를 이용하여 비대칭 진동을 통해 생성된 액적의 이론 부피는 유속을 진동 주파수로 나눈 값이다. 실시예 19-28로 생성된 액적의 부피는 생성된 액적의 실제 부피 및 이론 부피는 모두 일치하였으며, 생성된 액적의 부피와 이론 액적의 부피값 사이의 선형 관계성과 이론 계산과 선형적으로 일치하여(R2＝0.9999, 도 27), 부피는 각각 200pL, 500pL, 1nL, 5nL, 10nL, 50nL, 100nL, 500nL, 1μL 및 2μL이다.
실시예 19-28은 또한, 본 발명을 채택할 경우 유속, 진폭, 주파수의 조절을 통해 치수를 조절할 수 있는 액적의 생성을 신속하게 구현할 수 있고, 생성 조건이 자유롭고 제어 가능하여 다섯 자릿수(200pL 내지 2μL)를 넘어 부피 조절이 가능한 마이크로 액적의 생성을 구현할 수 있어, 종래의 미세유체 칩 방법의 액적 생성 조절 가능 구간을 훨씬 초과할 뿐만 아니라, 상기 시료주입용 니들의 구조를 변경할 필요가 없다는 것을 보여준다. 종래의 미세유체 칩 방법의 액적 생성 기술과 비교하여, 본 발명이 제공하는 장치는 액적 크기를 직접 설정할 수 있고, 경험에 따라 액적의 부피를 관측하고 파라미터를 최적화하여 액적 크기를 결정할 필요가 없으며, 액적의 부피가 상기 시료주입용 니들의 내경 변화의 영향을 받지 않아 매우 양호한 일관성을 갖는다.
표 2 유속, 진폭, 주파수 조절을 통해 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 이용한 액적의 생성
실시예 진폭 제1 액체 유속 진동 주파수 액적의 이론 부피 실제 액적의 부피
19 0.77㎜ 24nL/s 120Hz 200pL 200pL
20 0.75㎜ 60nL/s 120Hz 500pL 500pL
21 0.55㎜ 120nL/s 120Hz 1nL 1nL
22 0.54㎜ 500nL/s 100Hz 5nL 5nL
23 0.47㎜ 1000nL/s 100Hz 10nL 10nL
24 0.75㎜ 1000nL/s 20Hz 50nL 50nL
25 1.14㎜ 500nL/s 5Hz 100nL 100nL
26 1.14㎜ 500nL/s 1Hz 500nL 500nL
27 1.14㎜ 500nL/s 0.5Hz 1μL 1μL
28 1.14㎜ 1000nL/s 0.5Hz 2μL 2μL
실시예 29
본 실시예는 본 발명이 제안하는 마이크로 액적 제조 제어장치를 사용하여 수행한 다중 부피의 디지털 PCR 검출 성능을 검출하였다. 미국 바이오래드(Bio-Rad)사의 QX200, 미국 써모피셔(Thermo Fisher)사의 QuantStudio3D, 프랑스 Stilla사의 Naica 등 시스템과 같은 종래의 디지털 PCR기기로 생성된 액적 또는 미세 반응의 부피는 고정된 것이고, 액적의 부피는 0.5-0.8nL 사이이다. 동적 선형 검출 범위는 통상적으로 105 자릿수이다. 동적 범위가 비교적 좁고, 감도와 정량적 한계 사이에서 평가를 수행하였다. 본 실시예는 마이크로 액적 제조 제어장치를 이용하여, 필요에 따라 다수의 소정 부피의 액적 어레이를 생성하고, 디지털 PCR의 정밀도와 동적 검출 범위를 추가적으로 제공하였다. 고전적인 디지털 PCR 푸아송 분포 모델에 따라 각기 다른 부피의 마이크로 액적의 정량적 상한을 추산하였다. 계산 결과, 액적 부피가 감소함에 따라, 액적의 정량적 검출 상한이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 주로 동일한 반응 체계에서 마이크로 액적이 작을수록 분할 가능한 단위수량이 많아, 동일한 농도에서 양성 액적 수량이 총 액적 수량에서 차지하는 비율이 다르기 때문이며, 따라서 검출 한계가 향상될 수 있다. 이후 이론 모델을 근거로, 상이한 부피의 마이크로 액적의 정량적 동적 범위를 이론적으로 계산하여 상이한 액적 부피 조건에서 디지털 PCR 선형 검출의 동적 범위를 예측하였다. 0.2nL, 0.5nL, 1nL, 2.5nL 및 5nL 부피의 액적의 95% 신뢰도 정량 구간은 도 29와 같이 다른 형식의 점선으로 표시하였다. 5종 액적 부피를 종합한 95% 신뢰도 정량 구간은 도 29의 실선 곡선으로 나타낸 바와 같다. 각기 다른 부피 방법을 통해, 이론적으로 동적 정량 범위를 105 자릿수로부터 106 자릿수까지 확장할 수 있음을 알 수 있다(표 3 참조).
표 3: 다중 부피 디지털 PCR의 정량적 상한, 검출 하한 및 검출 오차
액적 부피(nL) 정량적 상한[1]
(copies/μL)		 상한 오차(%) 검출 하한[2]
(copies/μL)		 하한 오차(%)
0.2 8.4×105 4.74 4×101 11.74
0.5 1.8×105 7.91 1.5×101 12.68
1 5.6×104 1.80 8×100 13.84
2.5 1.2×104 10.70 3.2×100 9.62
5 3.8×103 10.07 1.6×100 12.36
상기 다중 부피의 종합 8.4×105 3.65 1.6×100 7.17
표주: [1] 각 조건의 정량적 상한은 양성 액적의 분수가 0.95일 때 관찰되는 농도이고, [2] 각 조건의 검출 하한은 하나의 반응에 5개의 약성 액적이 있는 경우이다.실제 실험 단계는 다음과 같다:
구성된 디지털 PCR 반응 체계의 부피는 25μL이고, 12.5μL의 2×dPCR Super Mix(베이징 다웨이 미생물 유한회사), 6.9μL의 탈이온수, 0.6μL의 DNA 중합효소(베이징 다웨이 미생물 유한회사), 2.5μL의 10×PCR 프라이머 프로브, 및 2.5μL의 핵산 탬플릿으로 구성된다. 검출된 표적은 인간 게놈 DNA(gDNA)중의 EIF5B(진핵 번역 개시인자 5B) 유전자이다(표 4 참조).
표 4. 디지털 PCR에 의한 EIF5B 유전자 프라이머 및 프로브 서열 검출
프라이머/프로브 명칭 올리고뉴클레오타이드 서열
EIF5B-F 5’-ATGAGATGCCAAACTTCAGC-3’ (SEQ ID NO:1)
EIF5B-R 5’-GGCAACATTTCACACTACAG-3’ (SEQ ID NO:2)
EIF5B-P VIC-CTCTTCTCATGCAGTTGTCAGAAG-MGB (SEQ ID NO:3)
gDNA 샘플(TaqMan Control Genomic DNA，Applied Biosystems, 미국)을 TE 완충액에서 100,000, 10,000, 1,000, 100, 10 및 1 카피/μL의 농도까지 연속 희석시켰다. 순수를 블랭크 대조군으로 사용하였다. 실시예 1의 기타 실험 조건과 동일하며, 마이크로 액적 제조 제어장치를 이용하여 120Hz 주파수에서, 각각 24nL/s, 60nL/s, 120nL/s, 300nL/s 및 600nL/s 유속을 채택하여, 0.2nL, 0.5nL, 1nL, 2.5nL 및 5nL의 액적을 성공적으로 생성하였으며, 그 결과는 도 28에 도시된 바와 같이, 생성된 액적이 평바닥 웰플레이트(베이징 다웨이 미생물 유한회사)에 평면 단층 액적 어레이를 형성하였다. 평바닥 웰플레이트는 평판 PCR 증폭기(베이징 다웨이 미생물 유한회사)에서 이하 PCR 절차를 사용하여 증폭하였다: 95℃에서 5분, 94℃에서 20초 및 58℃에서 1분의 45사이클이며, 마지막으로 25℃로 유지하였다. 증폭 후, 평바닥 웰플레이트를 형광 판독기로 옮겨 액적의 형광 이미지를 수집하고, 디지털 PCR 분석 소프트웨어로 결과를 분석하여, 농도가 다르고 액적 부피가 다른 EIF5B 유전자 절대 정량 결과를 획득하였다.결과는 도 29와 같다. 도 29에서 볼 수 있듯이, 0.2nL, 0.5nL, 1nL, 2.5nL, 5nL 등 부피가 다른 마이크로 액적의 생성을 통해, 1-105 copies/μL의 인간 게놈 gDNA 탬플릿 농도 범위에서 검출 정량의 동적 범위를 고찰하였다. 각 부피의 액적의 정량 결과에 대해 선형 회귀를 수행하였으며, 0.2nL, 0.5nL, 1nL, 2.5nL 및 5nL의 마이크로 액적의 정량적 R값 결과는 각각 0.979，0.980，0.995，0.993，0.987이고, 모든 부피의 액적에 대해 결합 정량을 수행한 R값은 0.996이다.
상기 결과는 상이한 부피의 액적의 정량 결과를 종합적으로 통계냄으로써, 디지털 PCR의 정량 검출 동적 범위를 대폭 확장할 수 있고, 이에 따라 정량의 정확성을 높일 수 있음을 보여준다. 현재 주류인 형광 정량 PCR의 선형 범위는 5-7개 log10 농도 범위이고, 칩 방법 기반의 수입 디지털 PCR의 통상적인 선형 범위는 4-5개 log10 농도 범위로, 선형 동적 범위가 형광 정량 PCR보다 좁다. 본 발명이 제안하는 액적 생성을 위한 제어장치는 디지털 PCR의 소모재 비용을 크게 절감하여 자동화된 액적 어레이 제조를 구현하였을 뿐만 아니라, 다중 부피 기술을 통해 디지털 PCR의 선형 동적 범위를 더욱 확장시켜, 바이럴 로드(viral load)의 정량 검출, 희귀 돌연변이의 고감도 검출 등에 디지털 PCR의 응용을 보급하는데 중요한 의미가 있다.
이상으로 본 발명이 제안하는 마이크로 액적 생성을 위한 제어장치의 예시적인 실시방식을 상세히 기술 및/또는 도시하였다. 단 본 발명의 실시방식은 여기에 기술된 특정 실시방식으로 한정되지 않으며, 반대로 각 실시방식의 구성 부분 및/또는 단계는 여기에 기술된 다른 구성부분 및/또는 단계와 독립 및 별도로 사용될 수 있다. 일 실시방식의 각 구성부분 및/또는 각 단계는 다른 실시방식의 기타 구성부분 및/또는 단계와 결합하여 사용될 수도 있다. 여기에 기술 및/또는 도시된 요소/구성부분/등을 소개 시, “하나”, “일” 및 “상기” 등의 용어는 하나 또는 복수의 요소/구성부분/등이 있음을 나타내기 위한 것이다. “포함”, “포함하다” 및 “구비하다”는 용어는 개방형으로 포함된다는 의미를 나타내며, 열거한 요소/구성부분/등 이외에 다른 요소/구성부분/등이 더 있을 수 있음을 나타낸다. 또한, 청구항 및 명세서 중의 “제1” 및 “제2” 등의 용어는 단지 표기로서 사용될 뿐, 그 개체를 숫자로 제한하는 아니다.
1: 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구
100: 진동 어셈블리 101: 하우징
102: 진동자 103: 위치 센서
104: 진동 입력로드 105: 연결 가이드 구조체
106: 연결부재 120: 지지 고정시트
200: 제1 동적 위치결정 어셈블리 201: 위치결정 어셈블리 승강 변위기구
202: 액면 검출 기구 300: 진동 마운팅시트
301: 시료주입용 니들 어댑터 302: 튜브 조인트
303: 펌프 튜브 클램핑시트 304: 연결 인터페이스
400: 시료주입용 니들 401: 시료주입용 니들 액체 공급 개구
402: 시료주입용 니들 액체 토출부 403: 시료주입용 니들 액체 토출 개구
404: 시료주입용 니들 액체 저장 캐비티 500: 유체 구동장치
501: 급액 도관 502: 흡액 도관
503: 마이크로 시료주입기 504: 오일 저장병
505: 운반액체 600: 구동 컨트롤러
601: 진동 구동회로 602: 비대칭 진동 제어 프로그램
603: 위치 교정 모듈 604: 위치 신호 수집 모듈
605: 전원 공급 제어 연결 케이블 700: 제2 액체
701: 제2 개구 용기 702: 제2 액체 액면
703: 제1 액체 마이크로 액적 800: 제1 액체
801: 제1 개구 용기, 900: 제2 동적 위치결정 어셈블리
1051: 스플라인 슬리브 1052: 스플라인축
1053: 제1 베어링 1054: 제2 베어링
EP-진동 평형위치
RP1과 RP2: 평형 위치 양측에 위치하는 반사위치

Claims (35)

  1. 마이크로 액적 제조를 위한 제어장치에 있어서,
    상기 제어장치는 마이크로 액적 제조유닛을 포함하며;
    상기 마이크로 액적 제조유닛은 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구 및 제1 동적 위치결정 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 고정 연결되며; 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 위치결정하도록 구성되고; 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 비대칭 왕복운동 방식을 통해 마이크로 액적을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 하나의 운동 주기 내에 하나의 마이크로 액적을 생성하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 진동 어셈블리, 진동 마운팅시트, 시료주입용 니들 및 구동 컨트롤러를 포함하며,
    상기 구동 컨트롤러는 상기 진동 어셈블리에 전기적으로 연결되어, 상기 진동 마운팅시트가 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 왕복 요동하도록 구동함으로써 상기 시료주입용 니들의 마이크로 액적 생성을 용이하게 하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동 마운팅시트가 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 왕복 요동을 수행하는 하나의 주기 내에, 상기 시료주입용 니들이 하나의 마이크로 액적을 생성하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 진동 어셈블리는 하우징, 진동자 및 진동 출력로드를 포함하고; 상기 진동 어셈블리의 진동 출력로드는 상기 진동 마운팅시트에 동력을 제공하며; 상기 진동 마운팅시트에 연결 인터페이스, 튜브 조인트 및 시료주입용 니들 어댑터가 구비되고; 상기 연결 인터페이스의 일단은 튜브 조인트를 통해 급액 도관과 연결되고, 타단은 시료주입용 니들 어댑터를 통해 상기 시료주입용 니들과 연결되며; 상기 시료주입용 니들의 중심축선은 상기 진동 출력로드의 축선과 수직인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비대칭 왕복 운동은 상기 진동 마운팅시트가 상기 진동 출력로드의 중심 축선 방향을 따라 수행하는 비대칭 왕복 운동인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 비대칭 왕복 운동은 상기 진동 마운팅시트가 상기 진동 출력로드의 중심 축선을 축심으로 하는 비대칭 요동인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  8. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동 어셈블리의 진동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이며; 바람직하게는, 상기 진동 어셈블리의 진동폭은 0.1-5㎜이고, 바람직하게는 0.5-2㎜인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 진동 마운팅시트의 요동 주파수는 10-1000Hz이고, 바람직하게는 50-200Hz이며; 바람직하게는, 상기 시료주입용 니들의 액체 토출 개구와 진동 출력로드의 축선의 거리는 10-100㎜이고, 바람직하게는 30-80㎜이며; 상기 진동 마운팅시트의 요동각도 진폭은 0.05-10°이고, 바람직하게는 0.2-2°인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 진동 마운팅시트와 상기 진동 출력로드는 연축기를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  11. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동 어셈블리는 위치 센서를 더 포함하며, 상기 구동 컨트롤러는 상기 위치 센서의 실시간 위치 피드백 신호를 수집함으로써 운동의 폐루프 제어를 구현하고; 바람직하게는, 상기 위치 센서는 광격자 센서, 정전용량 위치 센서, 저항 센서, 전류 센서 또는 차동 변압기 센서 중의 하나인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 상기 진동 어셈블리를 고정시키기 위한 지지 고정시트를 더 포함하며;
    바람직하게는, 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 상기 급액 도관을 파지하기 위한 펌프 튜브 클램핑시트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  13. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 연결 인터페이스는 복수 개로, 복수 개의 상기 연결 인터페이스가 상기 진동 마운팅시트 내부에 등간격으로 간격을 두고 설치되며;
    바람직하게는, 상기 연결 인터페이스는 1-96개이고, 바람직하게는 2개, 4개, 8개 또는 12개인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구는 연결 가이드 구조체를 더 포함하며, 상기 진동 어셈블리의 진동 출력로드는 연결 가이드 구조체를 통해 상기 진동 마운팅시트와 연결되어 상기 진동 마운팅시트에 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 연결 가이드 구조체는 스플라인축 및 스플라인 슬리브를 포함하는 볼 스플라인이고, 상기 스플라인축의 양단은 각각 상기 진동 출력로드 및 상기 진동 마운팅시트와 고정 연결되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 연결 가이드 구조체는 제1 베어링과 제2 베어링을 포함하며, 상기 진동 마운팅시트의 일단은 상기 제1 베어링을 관통하여 상기 진동 출력로드와 연결되고, 상기 진동 마운팅시트의 타단은 상기 제2 베어링과 연결되며, 상기 제1 베어링은 축방향 정지변을 갖는 베어링인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  17. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제어장치는 마이크로 액적이 생성된 후 상기 시료주입용 니들을 자동으로 언로딩하기 위한 시료주입용 니들 언로딩 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  18. 제5항에 있어서,
    상기 시료주입용 니들은 양단이 개구된 코니칼 튜브형 구조로서, 일단의 개구는 상기 시료주입용 니들 어댑터와 긴밀히 삽입 결합되기 위한 액체 공급 개구이고, 타단의 개구는 마이크로 액적을 생성하기 위한 액체 토출 개구이며, 상기 액체 토출 개구의 내경은 20-300㎛이고, 외경은 150-160㎛이며; 바람직하게는, 상기 시료주입용 니들의 액체 저장 부피 범위는 5-500μL이고, 바람직하게는 20-60μL인것을 특징으로 하는, 제어장치.
  19. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동 마운팅시트가 상기 비대칭 왕복 운동을 수행 시, 시료주입용 니들의 액체 토출부의 운동은 하나의 평형점과 평형점 양단의 2개의 반사점을 갖도록 구성되고, 운동 위치의 시간에 대한 곡선은 어느 하나의 반사점의 양측에서 비대칭이며; 바람직하게는, 시료주입용 니들의 액체 토출부에서 주기적으로 운동하는 비대칭 파형은 사인파, 톱니파, 사다리꼴파, 삼각파, 사각파 중의 적어도 하나의 비대칭 조합인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  20. 제3항 또는 제5항에 있어서,
    상기 진동 어셈블리는 연속 또는 간헐적 운동을 발생시키는 기구로 구성되며, 상기 진동 어셈블리는 전자식 진동장치, 압전세라믹 진동장치, 편심휠 진동장치, 서보모터, 보이스 코일 모터 및 갈바노미터 모터 중의 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구의 승강을 제어하기 위한 위치결정 어셈블리 승강 변위기구를 포함하며; 바람직하게는, 상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 액면 검출 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 유체 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 유체 제어 유닛은 유체 구동장치 및 도관을 포함하며, 상기 도관의 일단은 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 도관의 타단은 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 연결되며; 바람직하게는, 상기 유체 구동장치는 시료주입용 니들이 흡액 및 배액하도록 유속을 설정하기 위한 것임을 특징으로 하는, 제어장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제어장치는 제1 개구 용기 및 제2 개구 용기를 고정 및 이동시키기 위한 제2 동적 위치결정 어셈블리를 더 포함하며; 바람직하게는, 상기 구동 컨트롤러는 상기 유체 구동장치, 제1 동적 위치결정 어셈블리 및 제2 동적 위치결정 어셈블리에 동력을 제공하는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 개구 용기는 단일 액체저장탱크, 1차원 액제저장탱크 어레이 또는 2차원 액체저장탱크 어레이이며, 각각의 상기 액체 저장탱크의 부피는 10-1000μL이고, 바람직하게는 20-200μL이며; 바람직하게는, 상기 제1 개구 용기에 제1 액체가 담기고; 바람직하게는, 상기 제2 개구 용기는 생성된 마이크로 액적이 평평하게 펼쳐지기 위한 2차원 평바닥 샘플 웰 어레이이며; 바람직하게는, 상기 제2 개구 용기는 24, 32, 96 또는 384개의 부피가 동일한 평바닥 샘플 웰을 포함하고; 바람직하게는, 상기 제2 개구 용기에 제2 액체가 담기는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 유체 구동장치는 무맥동 구동펌프이고, 바람직하게는 시린지 펌프이며, 더욱 바람직하게는, 상기 유체 구동장치는 1개 또는 복수 개인 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  26. 제22항에 있어서,
    상기 도관은 급액 도관 및 흡액 도관을 포함하고, 상기 흡액 도관의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트를 통해 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 흡액 도관의 타단은 오일저장장치에 삽입되며; 상기 급액 도관의 일단은 전동 2위치 3방향 전환밸브 중의 하나의 밸브포트를 통해 상기 유체 구동장치와 연결되고, 상기 급액 도관의 타단은 상기 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구와 연결되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 시료주입용 니들홀더, 오일제거기구 및 폐기물 수용부를 포함하는 준비유닛을 더 포함하며, 상기 오일제거기구는 폐기물 수용부의 상부에 위치하고, 시료주입용 니들은 상기 폐기물 수용부의 상부에서 언로딩되는 것을 특징으로 하는, 제어장치.
  28. 제1항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 따른 제어장치를 사용한 마이크로 액적의 제조방법에 있어서,
    유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계; 제1 액체가 충진된 시료주입용 니들을 제2 액체와 접촉시키고, 유체 구동장치의 구동 하에, 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구가 시료주입용 니들 어댑터를 구동시켜 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 운동을 수행하도록 함으로써 마이크로 액적을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 액적의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서,
    유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여, 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계 전, 상기 방법은 a) 상기 시료주입용 니들 어댑터를 오일제거기구로 이동시키고, 상기 유체 구동장치로 흡액 도관을 구동하여 운반 액체를 흡취한 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 상기 유체 구동장치가 시료주입용 니들 어댑터로부터 운반 액체를 배출시키고, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브 및 시료주입용 니들 어댑터 내에 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 어댑터 하단 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계; b) 운반 액체가 충진된 시료주입용 니들 어댑터를 시료주입용 니들에 삽입 연결하여, 시료주입용 니들과 시료주입용 니들 어댑터를 삽입 연결시키는 단계; c) 시료주입용 니들을 오일제거기구로 이동시킨 후, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하고 단계 a)를 반복하며, 흡액 도관, 급액 도관, 전동 2위치 3방향 전환밸브, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들 내에 기포가 없도록 운반 액체를 충진함과 동시에, 오일제거기구로 시료주입용 니들 개구로부터 배출된 잔여 운반 액체를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    유체 구동장치로 도관, 시료주입용 니들 어댑터 및 시료주입용 니들을 구동하여 시료주입용 니들 내에 제1 액체를 충진하는 단계는, 단계 c)에서 시료주입용 니들을 제1 액체가 담긴 제1 개구 용기의 액면 상부로 이동시킨 다음 하향 운동시켜, 시료주입용 니들의 액체출구가 제1 액체와 접촉하여 침지되도록 하고, 전동 2위치 3방향 전환밸브를 전환하여, 시료주입용 니들로 제1 액체를 흡입하여 시료주입용 니들에 제1 액체를 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 시료주입용 니들 액체출구로부터 흡입된 제1 액체의 부피는 시료주입용 니들 연결 캐비티의 부피보다 작은 것을 특징으로 하는, 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 방법은 제1 액체의 마이크로 액적 제조가 완료된 후, 시료주입용 니들을 언로딩한 다음, 시료주입용 니들을 다시 삽입 장착하여 다른 제1 액체의 마이크로 액적 제조를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  33. 제28항에 있어서,
    상기 시료주입용 니들은 제2 액체의 액면 아래에서 비대칭 왕복 진동 또는 비대칭 요동을 수행하며, 유체 구동장치는 시료주입용 니들로부터 제1 액체를 배출하여 마이크로 액적을 생성하도록 유속을 설정하기 위한 것인 것을 특징으로 하는, 방법.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 시료주입용 니들이 제2 액체의 액면 하에서 비대칭 왕복 운동을 수행하는 하나의 주기 내에 하나의 마이크로 액적만 생성되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  35. 제28항에 있어서,
    상기 제1 동적 위치결정 어셈블리는 비대칭 진동 마이크로 액적 생성기구를 구동하여, 시료주입용 니들을 제2 액체의 액면 아래에 정확하게 위치결정시키며, 시료주입용 니들이 비대칭 진동하는 과정에서, 액면에 삽입되는 평균 깊이는 액면 아래 0-2.0㎜ 범위, 바람직하게는 액면 아래 0-1.5㎜ 범위 내에서 동적으로 유지되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는, 방법.
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