WO2020040458A1 - 마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법 - Google Patents

마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법 Download PDF

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WO2020040458A1
WO2020040458A1 PCT/KR2019/009901 KR2019009901W WO2020040458A1 WO 2020040458 A1 WO2020040458 A1 WO 2020040458A1 KR 2019009901 W KR2019009901 W KR 2019009901W WO 2020040458 A1 WO2020040458 A1 WO 2020040458A1
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dam
micro device
solid phase
phase extraction
solvent
Prior art date
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PCT/KR2019/009901
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French (fr)
Inventor
최준원
김대헌
제갈선영
임예훈
윤여영
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D11/00—Solvent extraction
    • B01D11/02—Solvent extraction of solids

Definitions

  • the present invention relates to a method for performing solid phase extraction with a micro device, and more particularly, to a method for performing solid phase extraction with a micro device capable of performing solid phase extraction by adding a filler and a solvent.
  • Solid phase extraction is a method of adsorbing a target material using fillers having specific properties, such as beads, and then purifying and concentrating with a solvent and pretreatment.
  • a device for packing the filling is required and is implemented as a small micro device in order to increase the recovery rate and shorten the pretreatment time.
  • the micro device is used to detect a trace amount of the substance, and when the micro device is used, the amount of solvent used can be shortened, which has an environmentally friendly advantage.
  • the form of the conventional solid state extraction micro device 1 is as shown in Figs. 7A and 7B.
  • the dam 2 is formed inside the micro device 1 so that the beads 3 do not pass but only flow through the fluid.
  • the differential pressure is generated due to the reduction of the flow path due to the packing of beads to the rear end portion (210b) of the dam, the smaller the porosity (porosity), the greater the differential pressure.
  • dams are formed at left, right, and center sides. Therefore, a larger amount of fluid flows in the left and right directions with a relatively short filling distance of the beads, resulting in an uneven distribution in the flow of the fluid.
  • the present invention is a solid-phase extraction method using a micro device having a dam forming unit including a dam,
  • Rotation of the micro device provides a solid phase extraction method performed at an angular velocity defined by Equation 1 below:
  • ⁇ is the rotational angular velocity of the micro device
  • g is the acceleration of gravity
  • r is the radius of the micro device
  • ⁇ is an orientation of the micro device, and is in a range of 0 ⁇ ⁇ ⁇ 90.
  • the micro device may include an injection port through which a solvent and a filler are injected, and an outlet through which the solvent is discharged; And a dam forming portion positioned between the injection hole and the outlet, wherein the dam forming portion includes a dam that does not pass the filling and flows only the solvent to the outlet.
  • Each of the dams has a circular shape with a cross section perpendicular to a central axis in a direction in which the injection hole extends, with reference to the central axis, and the filler may be filled in a disk shape based on the central axis in the dam forming portion. have.
  • the rotational angular velocity of the micro device for solid phase extraction may be defined in Equation 1-1 below:
  • ⁇ is the rotational angular velocity of the micro device
  • g is the acceleration of gravity
  • ⁇ is an orientation of the micro device, and is in a range of 0 ⁇ ⁇ ⁇ 90.
  • the injection port, the outlet, the dam forming portion and the dam is a circular shape with a cross section perpendicular to the central axis in the direction in which the injection port extends, respectively, based on the central axis,
  • Each of the diameter of the injection hole and the diameter of the outlet may be smaller than the diameter of the dam forming portion.
  • the rear end of the dam which is a surface facing the injection hole of the dam may be a conical shape protruding toward the injection hole.
  • the dam is closer to the second end than the first end, among the first end connected to the injection port and the second end connected to the outlet, both ends of the dam forming portion.
  • the dam may be located at a predetermined distance from the second end.
  • the shape of the second end and the shape of the surface facing the second end of the dam may each have a shape protruding to the outlet.
  • the shape of the second end and the shape of the surface facing the second end of the dam may be conical.
  • the filler may be in the form of beads.
  • the micro device for solid phase extraction is rotated by a motor
  • the motor includes a drive unit providing rotational power, a rotation shaft connected to the drive unit, and a head connected to the rotation shaft,
  • the solid state extraction micro device By contacting an outer surface of the solid state extraction micro device with the head of the motor, the solid state extraction micro device may be rotated.
  • uniform solid phase extraction is performed by allowing a fluid having a uniform flow rate to flow without filling the solvent and solvent with respect to the central axis of the solid phase extraction micro device.
  • FIG. 1A-1C show a front view of one embodiment of a micro device for solid phase extraction used in the solid phase extraction method of the present invention.
  • FIG. 2 shows a top view of the micro device for solid phase extraction of FIG. 1A.
  • Fig. 3 shows a front view of another embodiment of a micro device for solid phase extraction used in the solid phase extraction method of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B show a front view and a main part of another embodiment of a micro device for solid phase extraction used in the solid phase extraction method of the present invention.
  • FIG. 5 shows the conditions in which the flow of the filler and the solvent flows without uniformity in the solid phase extraction method of the present invention.
  • Fig. 6 shows a case where a motor is provided to rotate the micro device for solid phase extraction in the solid phase extraction method of the present invention.
  • FIGS. 7A and 7B show a perspective view of a microdevice for solid phase extraction according to the prior art and show an experimental example of a flowchart of a solvent and beads.
  • FIG. 1A-1C show a front view of a micro device 10 used in the solid phase extraction method of the present invention.
  • the solid state extraction micro device 10 includes an inlet 100, a dam forming region 200, and an outlet 300.
  • the filler 400 eg, beads
  • the filler 400 and a solvent are injected through the injection hole 100, and the injected filler 400 and the solvent move into the dam formation part 200 connected to the injection hole 100.
  • Fill 400 is filled in the rear of the dam 210 in the dam forming unit 200 and the solvent passes through the side of the dam 210 and exits through the outlet 300 connected to the dam forming unit 200.
  • the dam forming unit 200 of the solid state extraction micro device 10 used in the present invention has a circular shape in which a cross section perpendicular to the central axis in the direction in which the injection hole 100 extends is referred to the central axis. That is, it has a cylindrical shape (or a disc having a predetermined length).
  • the dam forming unit 200 includes a dam 210 on the outlet 300 side. Of both ends of the cylindrical dam forming unit 200, the end of the side where the dam forming unit 200 is connected to the injection hole 100 is called the first end 220, and the dam forming unit 200 is connected to the outlet 300.
  • the dam 210 is the first so that the solvent can exit to the outlet (300)
  • the second end 230 is spaced apart from the predetermined distance.
  • the dam 210 may be manufactured in a net structure such as a perforated plate having a smaller size than the filling 400 or the filling 400 does not pass. In this case, the solvent may flow not only to the side of the dam 210 but also to the outlet 300 through the dam 210.
  • the second end 230 is directed toward the outlet 300 in order to minimize the resistance by the second end 230 when the solvent passing through the dam 210 in the dam forming part 200 moves toward the outlet 300. It may have a protruding shape, for example, may have a conical shape protruding toward the injection hole 100 as shown in FIG. 1A.
  • the dam 210 has a circular shape with a cross section perpendicular to the central axis in which the injection hole 100 extends, based on the central axis.
  • the front end 210a of the dam 210 (the dam 210 is directed toward the second end 230 of the dam forming unit 200) similarly to the second end 230 having a conical shape. That is, the surface facing the exit 300 of the dam 210 may also be conical.
  • the rear end portion (210b) of the dam 210; the surface of the dam 210 toward the first end 220 of the dam forming portion 200, that is, the dam The surface facing the injection hole 100 of 210) also has a conical shape. That is, the inclination angle ⁇ of the rear end 210b of the dam 210 is greater than 0 °.
  • ⁇ may be between 0 ° and 60 °.
  • the filler 400 is not injected into the fluid but is injected into the injection hole 100 alone.
  • the filling material 400 accumulates from the side close to the inlet 100, and there is a possibility that the filling hole 400 is blocked by the filling 400 (see FIG. 5). ).
  • the rear end 210b of the dam 210 also has a conical shape, so that the filler 400 does not accumulate near the injection hole 100 and the rear end of the dam 210.
  • the radially moving along the inclined surface of 210b see Fig. 1b, so that the filler 400 can be stacked.
  • the value of ⁇ is the repose angle of the powder (that is, the filling 400) (that is, when the rear end 210b of the dam 210 is a flat surface as shown in FIG. 5, the stacked filling 400 is a flat surface Angle of the rear end 210b of the dam 210). If the value of ⁇ is greater than the angle of repose of the powder, the filler 400 may move more smoothly along the inclined rear end 210b of the dam 210.
  • the angle of repose of the powder has various values for various environments in which the present invention is implemented.
  • FIG. 2 illustrates the shape of the fill 400 filled in the form of a disk in the rear end 210b of the dam 210 when viewed in the direction of the arrow * of FIG. 1A.
  • the shape in which the filler 400 is filled is indicated by the reference numeral 200a.
  • the side surface surrounding the portion where the dam 210 of the dam forming unit 200 is located is more protruded. It may further include a protrusion 240 to allow the solvent to move between the side of the 210 and the inner surface of the dam forming unit 200.
  • the diameter of the second end 230 of the dam forming unit 200 may be larger than the diameter of the first end 220 of the dam forming unit 200.
  • the solvent passes between the fills 400, passes over the protrusion 240 of the dam forming portion 200, and the second end 230 of the dam forming portion 200.
  • the space between the dam 210 may move to the exit 300.
  • the width of the solvent inlet 250 which is the inlet of the space in which the solvent flows between the side of the dam 210 and the inner surface of the dam forming unit 200, is smaller than the diameter of the fill 400.
  • the inlet 100 and the outlet 300 may be connected to the dam forming unit 200 as described above and may be integrally formed with the dam forming unit 200.
  • the inlet 100 and the outlet 300 may each have, for example, a long cylindrical shape.
  • the injection hole 100 and the outlet 300 may be located on the same line with respect to the central axis of the longitudinal direction of the dam forming unit 200, respectively.
  • Each diameter of the inlet 100 and the outlet 300 is smaller than the diameter of the dam forming unit 200.
  • the size of the solid state extraction micro device 10 may include, for example, the diameter of the solid state extraction micro device 10 (ie, the protrusion 240 of the dam formation unit 200). Diameter) may range from 25 mm to 32 mm, and the total length of the solid state extraction micro device 10 (ie, the total length including the inlet 100, the dam forming unit 200, and the outlet 300) is about 10.3. mm to 10.45 mm, and in one embodiment may be about 10 mm.
  • the diameter of the fill 400 may be 35 ⁇ m to 60 ⁇ m.
  • the diameter of the inlet 100 may be 0.5 mm to 10 mm, the length may be about 5 mm.
  • the diameter of the outlet 300 may be 0.5 mm to 10 mm and the length may be about 5 mm.
  • the length from the first end 220 of the dam formation portion 200 to the rear end 210b of the dam 210 is about 0.5 mm to 2 mm. Can be.
  • the length from the front end portion 210a of the dam 210 to the second end 230 may be 0.1 mm to 2 mm.
  • the width of the solvent inlet 250 of the protrusion 240 may be 30 ⁇ m to 35 ⁇ m to prevent the filler 400 from escaping.
  • the dimensions described in FIG. 1C are just one embodiment, and the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes are possible to suit various environments in which the present invention is implemented.
  • the dam forming unit 200 and the dam 210 are designed to be radially symmetrical from the central axis, as shown in FIG. 1A, so as to equalize the filling distance of the filling 400.
  • the filled region 200a has a disk shape as shown in FIG. 2, and the injection hole 100 and the outlet 300 are located at the central axis.
  • each of the dam forming unit 200 and the dam 210 has a circular shape having a cross section perpendicular to the central axis in the direction in which the injection hole 100 extends, based on the central axis, and the dam forming unit 200.
  • the filling 400 is to be filled in the form of a disk based on the central axis.
  • the filling material 400 is formed in the fluid flow direction with the same distribution from the central axis of the solid state extraction micro device 10, and thus, the solid state extraction micro device 10 Eliminate unnecessary volume and maximize the efficiency of solid phase extraction.
  • FIG. 3 is a front view of another embodiment of the solid state extraction micro device 10 'used in the solid state extraction method of the present invention, in which the dam forming unit 200 is partially modified in the solid state extraction micro device of FIG. Illustrated.
  • the rear end 210b of the dam 210 (the surface facing the first end 220' of the dam forming portion 200 ') has a conical shape.
  • the width of the solvent inlet 250 ′ which is the inlet of the space in which the solvent flows between the side of the dam 210 and the inner surface of the dam forming portion 200 ′, is smaller than the diameter of the fill 400. .
  • FIG. 4A shows a front view of another embodiment of the solid state extraction micro device 10 ′′ used in the solid state extraction method of the present invention when the dam 210 is partially modified in the solid state extraction micro device of FIG. 1A.
  • 4B shows only the dam 210 "portion of the solid state extraction micro device 10" of FIG. 4A.
  • the dam 210 " includes a first portion 215 " a including the front end 210 " a and a second portion including the rear end 210 " b “ 215 " b.
  • the maximum diameter D2 in the circular cross section perpendicular to the central axis of the second portion 215 " b i.e., the central axis in the extending direction of the injection hole 100
  • the diameter of the bottom surface of the conical shape of the second part 215 "b is the maximum diameter D1 in the circular cross section perpendicular to the central axis of the first part 215" a, for example, the first part 215. is smaller than the diameter of the bottom of the conical shape of " a.
  • the solvent and the filler 400 are injected into the injection hole 100 of the micro device 10, 10 ′, 10 ′′ for the solid phase extraction, the solvent and the filler are injected, the solvent flows, and the filler is filled.
  • a dam forming part including a dam designed to not pass through thereby adsorbing a material to be separated to the filler 400 in the dam forming part (S100); and separating the adsorbed object from the filler 400.
  • the method may include extracting the material (S200), and the solid-phase extraction method according to the present invention may include rotating the solid state extraction microdevices 10, 10 ′, and 10 ′′ about the central axis (S300). It further includes.
  • the step S300 of rotating the solid state extraction micro device 10, 10 ′, 10 ′′ based on a central axis may include adsorbing a material to be separated to the filler 400 (S100) and the filler 400. It may be made during at least one step of performing the extraction of the adsorbed separation target material (S200).
  • FIG. 5 the case where the solid state extraction microdevices 10, 10 ′ and 10 ′′ are positioned in an inclined state with respect to the gravity direction is illustrated, and is also illustrated among the solid state extraction micro devices 10, 10 ′ and 10 ′′.
  • 4A illustrates a case where the solid state extraction micro device 10 ′′ of FIG. 4A is inclined with respect to the gravity direction.
  • the central axis in the direction in which the inlets of the solid-state extraction microdevices 10, 10 ', 10 "extend (hereinafter referred to as the" central axis of the solid-phase extraction microdevice ") is a horizontal plane (i.e., gravity It can be installed in a state inclined by ⁇ from the axis of the plane perpendicular to the direction).
  • the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 are designed to secure manufacturing freedom, such as misalignment of the connection axis between the inlet 100 and the outlet 300, and design freedom, such as installation errors or solvent input from various directions.
  • the micro device 10, 10 ′, and 10 ′′ for solid phase extraction may be installed at an inclined angle ⁇ .
  • the angle at which the center axis of the solid-phase extraction microdevice is tilted by ⁇ from the axis of the horizontal plane (that is, the plane perpendicular to the gravity direction) is called orientation of the solid-state extraction microdevice, and ⁇ is 0 ⁇ ⁇ ⁇ 90.
  • the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 " (more precisely, the central axis of the solid state extraction micro device) are inclined from the axis of the horizontal plane (i.e., the plane perpendicular to the gravity direction)
  • the solvent or the filler 400 injected into the 100 may be located in a biased manner to the dam forming unit 200 by gravity, which may result in uneven extraction of the solid phase from the solvent.
  • the microdevices 10, 10 'and 10 "for solid phase extraction are implemented so that the flow of the solvent and the filler 400 is not biased and the fluid at a uniform flow rate flows to implement uniform solid phase extraction.
  • g gravity acceleration
  • r is the radius of the micro device
  • ⁇ is the orientation of the micro device, the angle at which the axis of rotation of the micro device is tilted from the direction of gravity.
  • the radius r of the micro device corresponds to the radius of the dam forming parts 200 and 200 ′.
  • the centrifugal force F c should be greater than the force F g received by the particles by gravity, and refer to Equation 2 below.
  • centrifugal force (F c ) refers to the following equations (3) to (5).
  • m is the distance from the central axis in the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 ".
  • the distance from the central axis to the filling material 400 filled in the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 "( ) Is close to the radius r value of the solid state extraction microdevices 10, 10 ', and 10 ".
  • the solid phase extraction micro device 10, 10 ′, 10 ′′ is rotated at step S200, and the solid phase extraction micro for uniform fill flow rate distribution.
  • the condition of the rotational angular velocity ⁇ of the devices 10, 10 ', 10 " can be derived from Equation 1.
  • g gravity acceleration
  • r is the radius of the microdevice
  • ⁇ is the orientation of the microdevice
  • the angular velocity ⁇ at which the microdevices 10, 10 ', 10 "for solid phase extraction are rotated is, for example, 1.5 times or more, or for example 1,0000 times or less, or for example
  • the angular velocity ( ⁇ ) at which the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 "are rotated may be a solvent or bead injection into the device 10, 10', 10". The larger the value within the range in which solid phase extraction can be performed, the better.
  • the distance from the central axis to the fill 400 filled in the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 " ) Is close to the radius r value of the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 ", but the radius of the dams 210, 210" of the solid state extraction microdevices 10, 10', 10 ". ( ) This is expressed as Equation 4-1 as follows.
  • Equation 5-1 the centrifugal force F c may be expressed by Equation 5-1 below.
  • Equation 2 Solid phase extraction for equally filling flow distribution in the step (S200) of rotating the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 ".
  • the condition of the rotational angular velocity ⁇ of the microdevices 10, 10 ′ and 10 ′′ may be derived from Equation 1 below.
  • the dam 210" is the front end 210 ". It may be divided into a first portion 215 "a including a) and a second portion 215" b including a rear end 210 "b. In some cases, May be the radius of the first portion 215 "a including the front end 210" a, or the radius of the second portion 215 "b including the rear end 210" b.
  • the angular velocity ⁇ at which the microdevices 10, 10 ', 10 "for solid phase extraction are rotated is, for example, 1.5 times or more, or for example 1,0000 times or less, or for example And the angular velocity ( ⁇ ) at which the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 "are rotated into the device 10, 10', 10". The larger the value within the range in which solid phase extraction can be performed, the better.
  • the step (S300) of rotating the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 ", the condition of the angular velocity ( ⁇ ) of the equation (1) may include the step of rotating.
  • the step S300 of rotating the solid state extraction microdevices 10, 10 ′ and 10 ′′ may be performed by using the solid state extraction micro devices 10, 10 ′ and 10 ′′ in Equation 1-1. Rotating under the condition of an angular velocity of ⁇ .
  • FIG. 5 a case where the solid state extraction micro device 10 ′′ of FIG. 4A is positioned in an inclined state among the solid state extraction micro devices 10, 10 ′ and 10 ′′ is illustrated, but the solid phase of the present invention is illustrated.
  • the extraction method is not limited to the case of the solid state extraction micro device 10 ′′ of FIG. 4A described above, and the same method is applied to the solid state extraction micro devices 10 and 10 ′.
  • the method is not limited to the case where the rear ends 210b and 210 ′′ b of the dam are conical as shown in FIGS. 1 to 4B, and the rear ends 210b and 210 ′′ b of the dam have a flat planar shape. The same may be applied to the case.
  • Fig. 6 shows a case in which the rotary motor 500 is exemplarily provided to rotate the micro device 10, 10 ', 10 " for solid phase extraction in the solid phase extraction method of the present invention.
  • the motor 500 includes a driving unit (not shown) for providing rotational power, and includes a rotating shaft 510 connected to the driving unit and a head 520 connected to the rotating shaft 510, and the rotating motor 500 includes a driving unit. Rotation of the head 520 rotates, and the external surface of the head 520 and the solid state extraction microdevices 10, 10 ', 10 " contact each other, whereby the solid state extraction microdevices 10, 10', 10 "
  • the rotary motor 500 may be an ultra-compact rotary motor, and the present invention is not limited to the illustrated case of Fig.
  • the rotary motor 500 is located near the inlet 100 or the outlet 300. It is also provided to rotate the microdevices 10, 10 ', 10 "for solid phase extraction, As long as the extraction microdevices 10, 10 ', 10 "can be rotated, various means or methods other than the rotation motor 500 can be modified and changed.
  • injection hole 200 dam forming unit
  • dam 220 first end

Landscapes

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  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Extraction Or Liquid Replacement (AREA)

Abstract

본 발명은 댐(dam)을 포함하는 댐 형성부를 구비한 마이크로 디바이스(Micro device)를 이용하는 고상 추출 방법으로서, (i) 상기 마이크로 디바이스에 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계; 및 (ii) 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 단계 (i) 및 (ii) 중 어느 하나의 단계에서 상기 마이크로 디바이스를 중심축 기준으로 회전시키고, 상기 마이크로 디바이스의 회전은 수학식 1로 정의되는 각속도로 수행되는 고상 추출 방법을 제공한다.

Description

마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법
본 출원은 2018년 8월 21일자로 출원된 한국특허출원 10-2018-0097181호 및 2019년 8월 6일자로 출원된 한국특허출원 10-2019-0095313호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 특허에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충진물과 용매를 투입하여 고상 추출법을 수행할 수 있도록 된 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 관한 것이다.
고상 추출법(solid phase extraction)이란 특정 성질을 가진 충진물, 예를 들면 비즈(beads) 등을 이용하여 목적 물질(target material)을 흡착시키고 용매를 이용하여 정제 및 농축하여 전처리하는 방법이다. 이때, 충진물을 패킹(packing)하는 디바이스가 필요하며 회수율을 높이고 전처리 시간을 단축하기 위하여 크기가 작은 마이크로 디바이스로 구현되고 있다. 또한, 마이크로 디바이스는 미량의 물질을 검출하는 데에 사용되고 있으며, 마이크로 디바이스를 사용하는 경우 용매 사용량을 단축할 수 있으므로, 친환경적인 장점을 가지고 있다.
종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스(1)의 형태는 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같다. 마이크로 디바이스(1)의 내부에 댐(dam)(2)이 형성 되어 있어 비즈(3)는 통과하지 못하고 유체만 흐르는 방식이다. 이때, 댐의 후단부(210b)에 비즈의 충진(packing)에 의하여 유로가 줄어드는 영향으로 차압이 발생하며, 공극의 정도(porosity)가 작을수록 차압이 크게 발생한다. 도 7a 및 7b의 종래의 마이크로 디바이스의 경우 좌, 우, 중앙 쪽에 댐이 형성되어 있다. 따라서, 상대적으로 비즈의 충진 거리가 짧은 좌, 우방향으로 보다 많은 양의 유체가 흐르게 되어 유체의 흐름에 불균일한 분포가 발생하게 된다.
종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 유체의 흐름에 불균일한 분포를 해결하고자, 균일한 유량의 유체가 흐르게 하여 균일한 추출을 구현할 수 있는 새로운 형태의 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법이 요구되며, 특히 이러한 새로운 형태의 고상 추출용 마이크로 디바이스에 충진물이 균등하게 충진되어 고상 추출을 수행하는 방법이 요구된다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 댐(dam)을 포함하는 댐 형성부를 구비한 마이크로 디바이스(Micro device)를 이용하는 고상 추출 방법으로서,
(i) 상기 마이크로 디바이스에 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계; 및
(ii) 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (i) 및 (ii) 중 어느 하나의 단계에서 상기 마이크로 디바이스를 중심축 기준으로 회전시키고,
상기 마이크로 디바이스의 회전은 하기의 수학식 1로 정의되는 각속도로 수행되는 고상 추출 방법을 제공한다:
[수학식 1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000001
상기 식에서,
ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
g는 중력가속도이고,
r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름이며,
φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0< φ<90의 범위이다.
상기 마이크로 디바이스는 용매와 충진물이 주입되는 주입구와 상기 용매가 배출되는 출구; 및 상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 충진물은 통과하지 못하고 상기 용매만 출구로 흐를 수 있도록 한 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고, 상기 댐 형성부와 상기 댐 각각은, 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에서, 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 회전 각속도는 하기의 수학식 1-1에 정의될 수 있다:
[수학식 1-1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000002
상기 식에서,
ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
g는 중력가속도이고,
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000003
은 상기 마이크로 디바이스에 포함된 댐의 반지름이며,
φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0< φ<90의 범위이다.
본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 주입구, 상기 출구, 상기 댐 형성부 및 상기 댐은 각각 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고, 상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 댐의 상기 주입구로 향하는 면인 댐의 후단부는 상기 주입구를 향하여 돌출된 원뿔 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 댐 형성부의 양단부인 상기 주입구에 연결된 제 1 단부 및 상기 출구에 연결된 제 2 단부 중에서, 상기 댐은 상기 제 1 단부보다 상기 제 2 단부에 더 가까이 위치하고, 상기 댐은 상기 제 2 단부로부터 소정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 각각 상기 출구로 돌출된 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 원뿔형일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 충진물은 비즈 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서,
상기 고상 추출용 마이크로 디바이스는 모터에 의하여 회전되고,
상기 모터는 회전 동력을 제공하는 구동부, 상기 구동부에 연결된 회전 샤프트, 및 상기 회전 샤프트에 연결된 헤드를 포함하고,
상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 외부면과 상기 모터의 헤드가 접촉함으로써 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스가 회전될 수 있다.
본 발명의 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 의하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축을 기준으로 충진물 및 용매의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하여 균일한 고상 추출을 구현할 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 일 실시예의 정면도를 도시한다.
도 2는 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 상면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 다른 실시예의 정면도를 도시한다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 또 다른 실시예의 정면도 및 그 요부를 도시한다.
도 5는 본 발명의 고상 추출 방법에 있어서 충진물 및 용매의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하는 조건을 도시한다.
도 6은 본 발명의 고상 추출 방법에 있어서 고상 추출용 마이크로 디바이스를 회전시키기 위하여 모터를 구비하는 경우를 도시한다.
도 7a 및 7b는 종래 기술에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스의 사시도를 도시하고 용매와 비즈의 흐름도의 실험예를 도시한다.
이하, 본 발명에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스 및 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 마이크로 디바이스(10)의 정면도를 도시한다. 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)는 주입구(100), 댐(dam) 형성 구역(200), 및 출구(300)를 포함한다. 주입구(100)를 통해 충진물(400)(예를 들면, 비즈)과 용매가 주입되고, 주입된 충진물(400)과 용매는 주입구(100)와 연결된 댐 형성부(200) 내로 이동한다. 댐 형성부(200) 내의 댐(210)의 후방에 충진물(400)이 충진되고 용매는 댐(210)의 측면으로 지나 댐 형성부(200)에 연결된 출구(300)를 통해 빠져나간다.
본 발명에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 댐 형성부(200)는 주입구(100)가 연장되는 방향인 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖는다. 즉, 원통형(또는, 소정의 길이를 갖는 원판)의 형상을 갖는다. 댐 형성부(200) 내에는 출구(300) 측에 댐(210)을 포함한다. 원통형의 댐 형성부(200)의 양단부 중 댐 형성부(200)가 주입구(100)와 연결된 측의 단부를 제 1 단부(220)라고 하고 댐 형성부(200)가 출구(300)에 연결된 측의 단부를 제 2 단부(230)라고 하면, 댐(210)은 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)에 가까이 위치하고, 용매가 출구(300)로 나갈 수 있도록 댐(210)은 제 2 단부(230)로부터 소정 거리 이격되어 위치한다. 한편, 본 발명은 상술한 것에 한정되지 않고, 예를 들어, 댐(210)을 충진물(400)보다 크기가 작은 구멍들을 갖는 타공판이나 충진물(400)이 통과하지 못하는 정도의 그물망 구조 등으로 제작할 수도 있으며, 이러한 경우에는, 용매는 댐(210)의 측면뿐만 아니라 댐(210)을 통과하여 출구(300)로 흘러나갈 수도 있다.
또한, 댐 형성부(200) 내에서 댐(210)을 지난 용매가 출구(300) 쪽으로 이동할 때 제 2 단부(230)에 의한 저항을 최소화하기 위하여 제 2 단부(230)는 출구(300)쪽으로 돌출된 형상일 수 있고, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같이 상기 주입구(100)를 향하여 돌출된 원뿔 형상일 수 있다.
댐(210)도 상술한 바와 같이 주입구(100)가 연장되는 방향인 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖는다. 도 1a에 도시된 바와 같이 원뿔 형상의 제 2 단부(230)와 마찬가지로 댐(210)의 전단부(210a; 댐(210)이 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)로 향하는 면, 즉, 댐(210)의 출구(300)로 향하는 면)도 원뿔 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 댐(210)의 후단부(210b; 댐(210)이 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로 향하는 면, 즉, 댐(210)의 주입구(100)로 향하는 면)도 원뿔 형상을 갖는다. 즉, 댐(210)의 후단부(210b)의 경사각(θ)이 0°보다 크다. 예를 들면, θ는 0°내지 60°일 수 있다.
우선, 댐(210)의 후단부(210b)가 평평한 면인 경우(즉, 도 1a에서 θ=0°인 경우)에는, 충진물(400)이 유체에 혼합되지 않고 주입구(100)로 단독으로 주입될 때, 댐(210)의 후단부(210b) 중에서도 주입구(100)에 가까운 쪽부터 충진물(400)이 쌓이다가, 충진물(400)로 주입구(100)가 막히는 현상이 발생할 가능성이 있다(도 5참조).
본 발명에 따르면, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 댐(210)의 후단부(210b)도 원뿔 형상을 갖도록 하여, 충진물(400)로 주입구(100) 부근으로 쌓이지 않고, 댐(210)의 후단부(210b)의 경사면을 따라 방사방향으로 이동하도록 하여(도 1b 참조), 충진물(400)이 적층될 수 있도록 하였다.
이 때, θ의 값은 분체(즉, 충진물(400))의 안식각(즉, 도 5에서와 같이 댐(210)의 후단부(210b)가 평평한 면인 경우에, 쌓여진 충진물(400)이 평평한 면인 댐(210)의 후단부(210b)와 이루는 각도)보다 클 수 있다. θ 값이 분체의 안식각보다 크면, 충진물(400)이 댐(210)의 경사진 후단부(210b)를 따라보다 원활히 이동할 수 있다. 분체의 안식각은 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞는 다양하게 값을 갖는다.
도 2는 도 1a의 화살표(*)의 방향으로 바라본 경우, 댐(210)의 후단부(210b)에 디스크 형태로 충진된 충진물(400)의 형상을 도시한다. 충진물(400)이 충진된 형상을 참조번호 200a로 표시하였다.
다시 도 1a를 참조하면, 댐 형성부(200)의 직경과 댐(210)의 직경이 같은 경우, 댐 형성부(200)의 댐(210)이 위치한 부분을 둘러싸는 측면은 보다 돌출되어 댐(210)의 측면과 댐 형성부(200)의 내부면 사이로 용매가 이동할 수 있도록 한 돌출부(240)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)의 직경은 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)의 직경보다 더 클 수 있다. 도 1a에 도시된 용매의 흐름을 표시한 선과 같이, 용매는 충진물(400) 사이를 지나고, 댐 형성부(200)의 돌출부(240)를 지나고, 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)와 댐(210) 사이의 공간을 지나서, 출구(300)로 이동할 수 있다.
댐(210)의 측면과 댐 형성부(200)의 내부면 사이의 용매가 유입되는 공간의 입구인, 용매 유입부(250)의 폭은 충진물(400)의 직경보다 작다.
주입구(100) 및 출구(300)는 상술한 바와 같이 댐 형성부(200)에 연결되어 있고 댐 형성부(200)와 일체로 형성되어 있을 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 예를 들어 긴 원통형의 형상일 수 있다. 또한, 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축을 기준으로 동일한 선상에 위치할 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)의 각각의 직경은 댐 형성부(200)의 직경보다 작다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 크기는, 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 직경(즉, 댐 형성부(200)의 돌출부(240)를 포함한 직경)은 25 mm 내지 32 mm일 수 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 총 길이(즉, 주입구(100), 댐 형성부(200), 출구(300)를 포함한 전체 길이)는 약 10.3 mm 내지 10.45 mm일 수 있고, 일 실시양태로서 약 10 mm일 수 있다. 충진물(400)의 직경은 35 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다. 주입구(100)의 직경은 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있고, 길이는 약 5 mm일 수 있다. 출구(300)의 직경은 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있고, 길이는 약 5 mm일 수 있다. 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로부터 댐(210)의 후단부(210b)까지의 길이(즉, 충진물(400)이 충진될 수 있는 구역의 길이)는 약 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다. 댐(210)의 전단부(210a)로부터 제 2 단부(230)까지의 길이는 0.1mm 내지 2 mm일 수 있다. 돌출부(240)의 용매 유입부(250)의 폭은 충진물(400)이 빠져나가지 못하도록 30 ㎛ 내지 35 ㎛일 수 있다. 도 1c에 기재된 치수는 일 실시예일뿐이고, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞추어 다양한 변형, 변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축으로부터 충진물(400)의 동일한 충진거리는 유사한 차압을 발생 시키기 때문에, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10) 내에서 용매의 균일한 유량분포를 가질 수 있도록 한다. 따라서, 충진물(400)이 충진되는 거리를 동일하게 하도록, 도 1a에 도시된 바와 같이 댐 형성부(200)와 댐(210)을 중심축으로부터 방사 대칭되는 형태로 설계하였고 그에 따라 충진물(400)이 충진되는 영역(200a)은 도 2에 도시된 바와 같이 디스크(disk) 형상이 되며, 주입구(100) 및 출구(300)는 상기의 중심축에 위치시켰다. 즉, 댐 형성부(200)와 댐(210) 각각은, 주입구(100)가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 가지며, 댐 형성부(200) 내에서 충진물(400)이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진되도록 하였다. 이와 같이, 단면이 원형으로 제작되었을 때, 충진물(400)이 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 중심축으로부터 동일한 분포로 유체 흐름 방향으로 형성되며, 그에 따라, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 불필요한 부피(volume)를 없애고 고상 추출의 효율을 극대화 할 수 있도록 한다.
한편 도 3은 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스 중 댐 형성부(200)를 일부 변형한 경우로서, 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10')의 다른 실시예의 정면도를 도시한다. 도 3의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10')에서도 도 1a와 같이 댐(210)의 후단부(210b; 댐 형성부(200')의 제 1 단부(220')로 향하는 면)가 원뿔 형상이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 댐 형성부(200')의 직경보다 댐(210)의 직경이 작은 경우에는 댐(210)의 측면으로 용매가 이동할 수 있으므로, 댐 형성부(200')는 돌출부를 가지지 않을 수도 있다. 이러한 경우에도, 댐(210)의 측면과 댐 형성부(200')의 내부면 사이의 용매가 유입되는 공간의 입구인, 용매 유입부(250')의 폭은 충진물(400)의 직경보다 작다.
도 4a는 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스 중 댐(210)을 일부 변형한 경우로서, 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")의 또 다른 실시예의 정면도를 도시한다. 도 4b는 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10") 중 댐(210") 부분만을 도시한 것이다. 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")에서도 도 1a와 같이 댐(210")의 후단부(210"b; 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로 향하는 면)에 원뿔 형상을 포함한다. 한편, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 댐(210")을 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)과 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)으로 구분한다. 이 때, 제 2 부분(215"b)의 중심축(즉, 주입구(100)의 연장방향인 중심축)에 수직한 원형 단면에서의 최대 직경(D2), 즉, 제 2 부분(215"b)의 원뿔 형상의 밑면의 지름은 제 1 부분(215"a)의 중심축에 수직한 원형 단면에서의 최대 직경(D1), 예를 들면, 제 1 부분(215"a)의 원뿔 형상의 밑면의 지름보다 작다. 따라서, 충진물(400)이 원뿔 형상의 후단부(210"b)의 경사면을 따라 방사방향으로 이동하여 댐(210")의 가장자리 쪽으로 쌓이는 경우, 댐(210")의 가장자리 쪽에 충진물(400)이 쌓일 수 있는 보다 충분한 공간을 확보하면서도 θ값을 보다 더 크게 할 수 있는 이점이 있다.
다음, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 고상 추출 방법 및 고상 추출 조건을 설명한다. 우선, 본 발명에 따른 고상 추출 방법은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구(100)로 용매와 충진물(400)을 주입하고 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성분 내에서 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100); 및 상기 충진물(400)로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계(S200)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법은, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)를 더 포함한다. 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)는, 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100) 및 상기 충진물(400)로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계(S200) 중 적어도 어느 하나의 단계 중에 이루어질 수도 있다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구(100)로 용매와 충진물(400)을 주입하여 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100)에서는, 주입되는 용매가 댐 형성부(200, 200')를 통과하고, 댐에(210, 210")에 의하여 충진되는 충진물(400)에 목적 물질(즉, 분리 대상 물질)이 흡착된다. 흡착된 물질의 추출을 수행하는 단계(S300)에서는 충진물(400)에 흡착된 물질을 용해할 수 있는 용매를 주입하는 과정을 수행한다.
도 5에서는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중력 방향에 대하여 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시하고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")중에서도 예시적으로 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")가 중력 방향에 대하여 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시한다.
보다 구체적으로는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구가 연장되는 방향의 중심축(이하, "고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축"이라 함)이 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터 φ 만큼 기울어진 상태로 설치될 수 있다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")는 주입구(100)와 출구(300)의 연결 축 어긋남과 같은 제작 공차와 설치 실수 또는 다양한 방향에서의 용매 투입과 같은 설계 자유도 확보를 위해 도 5와 같이 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 다양한 각도( φ)로 기울어져 설치될 수 있다. 이 때, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축"이 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터 φ 만큼 기울어진 각도를 고상 추출용 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이라 하며, φ는 0< φ<90의 범위이다.
한편, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")(보다 정확히는, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축)가 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터 기울어진 경우에, 주입구(100)로 주입되는 용매나 충진물(400)이 중력에 의하여 댐 형성부(200)에 편중되어 위치할 수 있다. 그에 따라, 용매로부터 고상 추출이 불균일하게 이루어질 우려가 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 용매와 충진물(400)의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하여 균일한 고상 추출을 구현할 수 있도록, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)를 수행한다. 이 때, 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 중심축은 회전축이 된다.
또한, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)에서, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 하기의 수학식 1을 따른다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000004
여기서, g는 중력가속도, r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름, φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation, 중력 방향으로부터 상기 마이크로 디바이스의 회전축이 기울어진 각도)이다. 상기 마이크로 디바이스의 반지름( r)은 댐형성부(200, 200')의 반지름에 해당한다.
도 5에서, 원심력(F c)은 중력에 의해 입자가 받는 힘(F g)에 비해 커야 하고, 하기의 수학식 2를 참조한다.
[수학식 2]
F c > F g
또한, 원심력(F c)은 하기의 수학식 3 내지 수학식 5를 참조한다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000005
여기서, m은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")내의 중심축으로부터 거리
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000006
에 있는 충진물(400)의 개별 입자 질량이다.
한편, 중심축으로부터 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 내에 충진된 충진물(400)까지의 거리(
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000007
)은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 반지름( r) 값에 근접한다. 이를 수학식 4로 표기하면 다음과 같다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000008
따라서, 원심력(F c)은 하기의 수학식 5로 표현된다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000009
한편, 중력에 의해 입자가 받는 힘(F g)은 하기의 수학식 6을 참조한다.
[수학식 6]
F g = m·g·cos(90° -φ)
수학식 5와 수학식 6을 각각 수학식 2에 대입하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S200)에서의, 균등 충진 유량 분배를 위한 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 회전 각속도( ω)의 조건을 수학식 1로 도출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000010
여기서, g는 중력가속도, r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름, φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도( ω)는 예를 들어,
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000011
의 1.5 배 이상, 또는 예를 들어
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000012
의 1,0000배 이하, 또는 예를 들어
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000013
의 1.5 배 내지 10,000배의 값일 수도 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도( ω)는 용매나 비즈 주입이 디바이스(10, 10', 10")내로 이루어져 고상 추출이 수행될 수 있는 범위 내에서 크면 클수록 좋다.
대안적으로, 중심축으로부터 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 내에 충진된 충진물(400)까지의 거리(
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000014
)은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 반지름( r) 값에 근접하지만, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 댐(210, 210")의 반지름(
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000015
)에 근접한다. 이를 수학식 4-1로 표기하면 다음과 같다.
[수학식 4-1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000016
따라서, 원심력(F c)은 하기의 수학식 5-1로 표현될 수도 있다.
[수학식 5-1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000017
수학식 5-1과 수학식 6을 각각 수학식 2에 대입하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S200)에서의, 균등 충진 유량 분배를 위한 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 회전 각속도( ω)의 조건을 수학식 1로 도출할 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000018
여기서, g는 중력가속도,
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000019
은 상기 댐(210, 210") 디바이스의 반지름, φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상술한 바와 같이, 댐(210")은 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)과 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)으로 나뉘어 질 수도 있다. 경우에 따라,
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000020
은 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)의 반지름일 수도 있고, 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)의 반지름일 수 있다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도( ω)는 예를 들어,
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000021
의 1.5배 이상, 또는 예를 들어
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000022
의 1,0000배 이하, 또는 예를 들어
Figure PCTKR2019009901-appb-img-000023
의 1.5 배 내지 10,000배의 값일 수 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도( ω)는 용매나 비즈 주입이 디바이스(10, 10', 10")내로 이루어져 고상 추출이 수행될 수 있는 범위 내에서 크면 클수록 좋다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S300)는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 수학식 1의 각속도( ω)의 조건으로 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 대안적으로는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S300)는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 수학식 1-1의 각속도( ω)의 조건으로 회전시키는 단계를 포함한다.
도 5에서는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 중 예시적으로 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")가 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시하지만, 본 발명의 고상 추출 수행 방법은 상술한 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")의 경우에 한정되지 않고 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10')에도 동일한 방법이 적용된다. 또한, 본 발명의 고상 추출 수행 방법은 도 1 내지 도 4b에 도시된 바와 같이 댐의 후단부(210b, 210"b)가 원뿔 형상인 경우에 한정되지 않고, 댐의 후단부(210b, 210"b)가 편평한 평면 형상을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 고상 추출 방법에 있어서 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시키기 위하여 예시적으로 회전 모터(500)를 구비하는 경우를 도시한다. 예시적으로, 회전 모터(500)는 회전 동력을 제공하는 구동부(미도시)를 포함하고, 구동부에 연결된 회전 샤프트(510)와 회전 샤프트(510)에 연결된 헤드(520)를 포함하고, 회전 모터(500)는 구동부의 회전으로 헤드(520)가 회전하고, 헤드(520)와 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 외부면이 접촉함으로써, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")을 회전시킬 수 있다. 회전 모터(500)는 초소형 회전모터일 수 있다. 본 발명은 도 6의 도시된 경우에 한정되지 않고, 회전 모터(500)가 주입구(100)나 출구(300) 근처에 구비되어 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시킬 수도 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시킬 수 있는 한, 회전 모터(500)외의 다양한 수단이나 방법을 적용하는 식으로 변형, 변경이 가능하다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
<부호의 설명>
S100: 고상 추출용 마이크로 디바이스의 주입구로 용매와 충진물을 주입하여, 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계
S200: 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계S300: 고상 추출용 마이크로 디바이스가 회전하는 단계
10: 고상 추출용 마이크로 디바이스
100: 주입구 200: 댐 형성부
10: 댐 220: 제 1 단부
30: 제 2 단부 240: 돌출부
50: 용매 유입부 300: 출구
00: 충진물

Claims (10)

  1. 댐(dam)을 포함하는 댐 형성부를 구비한 마이크로 디바이스(Micro device)를 이용하는 고상 추출 방법으로서,
    (i) 상기 마이크로 디바이스에 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계; 및
    (ii) 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (i) 및 (ii) 중 어느 하나의 단계에서 상기 마이크로 디바이스를 중심축 기준으로 회전시키고,
    상기 마이크로 디바이스의 회전은 하기의 수학식 1로 정의되는 각속도로 수행되는 고상 추출 방법:
    [수학식 1]
    Figure PCTKR2019009901-appb-img-000024
    상기 식에서,
    ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
    g는 중력가속도이고,
    r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름이며,
    φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0< φ<90의 범위이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 디바이스는
    용매와 충진물이 주입되는 주입구와 상기 용매가 배출되는 출구; 및
    상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 충진물은 통과하지 못하고 상기 용매만 출구로 흐를 수 있도록 한 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고,
    상기 댐 형성부와 상기 댐 각각은, 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진되는 것인 고상 추출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 회전 각속도는 하기의 수학식 1-1에 정의되는 것인 고상 추출 수행 방법:
    [수학식 1-1]
    Figure PCTKR2019009901-appb-img-000025
    상기 식에서,
    ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
    g는 중력가속도이고,
    Figure PCTKR2019009901-appb-img-000026
    은 상기 마이크로 디바이스에 포함된 댐의 반지름이며,
    φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0< φ<90의 범위이다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 디바이스의 주입구, 출구, 댐 형성부 및 댐은 각각 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고,
    상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작은, 고상 추출 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 댐의 상기 주입구로 향하는 면인 댐의 후단부는 상기 주입구를 향하여 돌출된 원뿔 형상인, 고상 추출 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 댐 형성부의 양단부인 상기 주입구에 연결된 제 1 단부 및 상기 출구에 연결된 제 2 단부 중에서, 상기 댐은 상기 제 1 단부보다 상기 제 2 단부에 더 가까이 위치하고, 상기 댐은 상기 제 2 단부로부터 소정 거리 이격되어 위치하는, 고상 추출 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 각각 상기 출구로 돌출된 형상인, 고상 추출 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 원뿔형인, 고상 추출 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진물은 비즈 형태인, 고상 추출 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 디바이스는 모터에 의하여 회전되고,
    상기 모터는 회전 동력을 제공하는 구동부, 상기 구동부에 연결된 회전 샤프트, 및 상기 회전 샤프트에 연결된 헤드를 포함하고,
    상기 마이크로 디바이스의 외부면과 상기 모터의 헤드가 접촉함으로써 상기 마이크로 디바이스가 회전되는, 고상 추출 방법.
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