KR101977963B1 - 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하는 미세 유체의 제어 방법 - Google Patents

미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하는 미세 유체의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세 유체 제어 장치와 미세 유체 제어 방법을 제공한다. 원주 방향으로 이격 배치되는 복수개의 시약 챔버를 구비하는 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트와 대응하도록 배치되고, 분석대상 용액이 투입되는 대상 챔버를 구비하는 제2 플레이트, 및 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 중심으로 회전시키거나, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 따라 승강 또는 하강 시키는 제어부를 포함한다.

Description

미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하는 미세 유체의 제어 방법{Micro-fluid control device and method for controlling micro-fluid using the same}
본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 미세 유체 제어 장치 및 이를 이용하는 미세 유체의 제어 방법에 관한 것이다.
핵산(DNA, RNA) 및 항원-항체를 이용한 기술은 생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 광범위하게 활용되고 있다. 이러한 바이오 샘플들의 분석을 위해서는 여러 단계를 거치는 고가의 자동화된 장비를 사용하지 못하면, 모든 과정을 수작업으로 진행해야 하는 극단적인 경우가 자주 발생한다. 자동화 장비가 고가인 이유는 분석 과정이 여러 단계를 거쳐야 되어 장비의 구성이 복잡해지 때문이다.
예를 들어, DNA 검출을 위해 특정 DNA 염기서열의 농도를 높이는 방법인 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction; PCR)에 의한 DNA 증폭기술에서는 여러가지 시약들을 검체와 혼합해야 하고, 3단계 온도 조절을 위한 가열-냉각 과정을 위해 복잡한 제어 알고리즘과 하드웨어가 필요하다. 또한 혈액에서 핵산을 분리하는 과정만 해도 혈액샘플과 여러 시약의 혼합, 화학반응, 3단계 세척 및 핵산분리 등의 다단계의 과정이 필요하다.
기존의 미세 유체 제어 칩에서는 용액의 펌핑, 부피 정량, 혼합 과정을 여러 복잡한 외부 제어기기와 칩 내부에 설치된 제어 밸브 및 펌프에 의해서 제어하였다. 이러한 제어 방법의 문제점은 각각의 밸브 및 펌프를 동작하기 위하여 개별적인 제어기가 필요하기 때문에 전체적인 시스템이 복잡해져서, 사용자가 신속하고 저비용으로 미세 유체를 제어하는데 한계가 있다.
따라서 구조적으로 단순하고 정확하게 필요한 용액들을 자동적으로 처리할 수 있는 진단용 유체 제어 칩의 개발이 요구된다.
본 발명은 단순하고 정확하게 미세 유체를 처리할 수 있는 미세 유체 제어 장치 및 미세 유체 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원주 방향으로 이격 배치되는 복수개의 시약 챔버를 구비하는 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트와 대응하도록 배치되고, 분석대상 용액이 투입되는 대상 챔버를 구비하는 제2 플레이트, 및 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 중심으로 회전시키거나, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 따라 승강 또는 하강 시키는 제어부를 구비하는 미세 유체 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 시약 챔버는 일 방향으로 제1 폭을 가지고, 상기 대상 챔버는 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가질 수 있다.
또한, 상기 시약 챔버의 제1 폭은 상기 대상 챔버의 제2 폭보다 클 수 있다.
또한, 상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버는 각각 반경 방향과 다른 방향은 폭을 가지고, 상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버 중 상부에 배치된 챔버의 폭이 하부에 배치된 챔버의 폭 보다 작을 수 있다.
또한, 상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버 중 하부에 배치된 챔버의 폭에 대한 상부에 배치된 챔버의 폭의 비는 0.5 내지 0.8 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 대상 챔버가 상기 시약 챔버와 정렬되도록 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 대상 챔버의 개방면이 상기 시약 챔버의 개방면에 복수 횟수로 접촉 및 분리되도록 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 복수 횟수로 상하 왕복 운동시킬 수 있다.
또한, 상기 복수개의 시약 챔버는 상기 제1 플레이트의 일면에 배치된 그루브 형상을 가지고, 상기 대상 챔버는 상기 제2 플레이트의 일면에 배치된 그루브 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 플레이트의 복수개의 시약 챔버에 시약을 주입하고, 제2 플레이트의 대상 챔버에 분석 대상 액체를 주입하는 단계와, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트를 조립하는 단계와, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전하여, 상기 복수개의 시약 챔버 중 어느 하나의 챔버와 상기 대상 챔버를 정렬하는 단계, 및 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하여 상기 어느 하나의 시약 챔버에 분석 대상 액체를 혼합하는 단계를 포함하는 미세 유체의 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전하여, 상기 복수개의 시약 챔버 중 다른 하나의 챔버와 상기 대상 챔버를 정렬하는 단계, 및 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하여 상기 다른 하나의 시약 챔버에 분석 대상 액체를 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 시약 챔버는 폭 방향으로 제1 폭을 가지고, 상기 대상 챔버는 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면은, 일측면에 배치되는 시약 챔버를 구비하는 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트와 대응하도록 배치되고, 상기 시약 챔버의 시료에 접촉하는 회수부를 가지는 제2 플레이트, 및 상기 회수 돌기에 전자기력을 생성하여, 상기 시약 챔버의 마그네틱 입자를 상기 회수부에 흡착시키는 마그넷부를 포함하는, 미세 유체 제어 장치를 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면 미세 유체 제어 장치와 미세 유체 제어 방법은 단순한 구조로 미세 유체를 여러 반응 챔버로 순차적으로 이송하고 각각의 챔버에서 정확한 양 만큼 혼합을 할 수 있다. 구체적으로 미세 유체 제어 장치는 복잡한 밸브 구조 없이 상부 플레이트와 하부 플레이트의 회전 운동에 의해서 미세유체를 이송하고 및 상하왕복 운동에 의해서 분석 대상 유체와 시약을 혼합 할 수 있다.
또한, 미세 유체 제어 장치와 미세 유체 제어 방법은 분석 대상 유체와 시약을 혼합시에 발생하는 챔버 내의 부피 변화를 최소화하여, 매우 높은 균일성과 정밀도로 미세 유체를 혼합할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 미세 유체 제어 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1의 제1 플레이트를 도시한 평면도이고, 도 2b는 도 1의 제2 플레이트를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 1의 제1 플레이트와 제2 플레이트의 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 미세 유체 제어장치를 구동하여 유체를 혼합하는 과정을 나타내는 사진이다.
도 5는 도 1의 미세 유체 제어 장치의 혼합 과정에서 부피 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 미세 유체 제어 장치의 구동 회수에 따른 혼합 과정을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법을 도시하는 순서도이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예의 미세 유체 제어 장치를 이용하여 마그네틱 입자를 분리하는 방법을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
한편, 층, 막, 영역, 판 등의 각종 구성요소가 다른 구성요소 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 “바로 상에” 있는 경우뿐 아니라 그 사이에 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 미세 유체 제어 장치(100)를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2a는 도 1의 제1 플레이트(110)를 도시한 평면도이고, 도 2b는 도 1의 제2 플레이트(120)를 도시한 평면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 미세 유체 제어 장치(100)는 제1 플레이트(110), 제2 플레이트(120) 및 제어부(130)를 구비할 수 있다. 미세 유체 장치(100)는 복잡한 제어장치 없이 단순한 구조하게 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 회전 및 반복 접촉에 의해서 미세 유체를 제어할 수 있다. 미세 유체 제어 장치(100)는 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 회전 및 접촉에 의해서 집약적으로 유체를 제어할 수 있다.
제1 플레이트(110)는 중앙에 회전축(A)을 중심으로 회전 가능하며, 회전축(A)에 대해서 상하 방향으로 선형 왕복 운동할 수 있다. 제1 플레이트(110)는 복수개의 시약이 주입되는 복수개의 시약 챔버를 구비할 수 있다. 시약 챔버의 개수는 특정 개수에 한정되지 않으며, 미세 유체 제어 장치(100)의 공정의 종류에 따라 단수 또는 복수개로 형성될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 제1 시약 챔버(111), 제2 시약 챔버(112) 및 제3 시약 챔버(113)를 구비한 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
제1 내지 제3 시약 챔버(111, 112, 113)는 제1 플레이트(110)의 일면에 홈 형태로 형성될 수 있다. 제1 내지 제3 시약 챔버(111, 112, 113)는 제1 플레이트(110)의 일면에서 소정의 깊이를 가지는 그루브 일 수 있다.
도 2a를 참조하면, 제1 내지 제3 시약 챔버(111, 112, 113)는 각각 반경방향으로 소정의 길이(L)와, 폭 방향으로 속정의 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 시약 챔버(111)는 D1의 폭을 가지고, 제2 시약 챔버(112)는 D2의 폭을 가지며, 제3 시약 챔버(113)는 D3의 폭을 가질 수 있다. D1, D2, D3의 크기는 주입되는 시약에 따라 동일하거나, 다른 크기를 가질 수 있다. 또한 다른 예로써 제1 내지 제3 시약 챔버는 원형 챔버로 형성될 수 있다.
제2 플레이트(120)는 제1 플레이트(110)와 마주보도록 배치될 수 있다. 제2 플레이트(120)는 제1 플레이트(110)의 회전축과 같은 회전축(A)을 가지며, 회전축(A)의 중심으로 회전 가능하다. 또한, 제2 플레이트(120)는 회전축(A)에 대해서 상하 왕복 운동할 수 있다.
제2 플레이트(120)는 분석 대상 용액이 투입되는 대상 챔버(125)를 구비할 수 있다. 대상 챔버(125)는 제2 플레이트(120)의 일면에 홈 형태로 형성될 수 있다. 대상 챔버(125)의 개수는 특정개수에 한정되지 않으며, 미세 유체 제어 장치(100)의 공정의 종류에 따라 단수 또는 복수개의 개수로 형성될 수 있다.
예를 들어, 대상 챔버(125)가 단수개이면, 대상 챔버(125)를 순차적으로 회전하여 시약 챔버들과 접촉할 수 있다. 대상 챔버(125)가 복수개인 경우에는 동시에 복수개의 분석 대상 용액을 분석할 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해서 하나의 대상 챔버(125)를 구비한 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
도 2b를 참조하면, 대상 챔버(125)는 반경 방향으로 소정의 길이(l)를 가지고, 폭 방향으로 소정의 폭(d)을 가질 수 있다. 대상 챔버(125)의 폭(d)의 크기는 제1 내지 제3 시약 챔버(111, 112, 113)의 폭의 크기보다 작게 형성될 수 있다.
대상 챔버(125)의 개방면의 면적은 제1 내지 제3 시약 챔버(111, 112, 113)의 개방면의 면적보다 작게 형성될 수 있다. 대상 챔버(125)의 개방면적이 시약 챔버의 개방 면적보다 작게 형성되면, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 반복 접촉시에 발생하는 대상 챔버(125)나 시약 챔버에 주입된 용액의 부피 변화를 최소화 할 수 있다.
도 1에서는 제1 플레이트(110)가 제2 플레이트(120)의 아래에 배치된 경우를 설명하였으나, 본 발명의 미세 유체 제어 장치(100)는 이에 한정되지 않으며, 제1 플레이트(110)가 제2 플레이트(120)의 위에 배치된 실시예를 포함할 수 있다. 제1 플레이트가 제2 플레이트의 상부에 배치되면, 제1 플레이트의 시약 챔버들의 폭이 제2 플레이트의 대상 챔버의 폭보다 작을 수 있다.
즉, 미세 유체 제어 장치(100)의 상부에 배치된 챔버의 폭은 하부에 배치된 챔버의 폭보다 작게 형성된다. 미세 유체 제어 장치(100)는 상부에 배치된 플레이트가 상하 왕복 이동하여 분석대상 용액과 시약이 혼합되더라도 부피 변화가 없거나 최소화 할 수 있다.
분석 대상 용액은 생체 유체인 혈액, 침, 변, 소변 등이 대상 챔버(125)에 투여될 수 있다. 시약 챔버들에는 생체 유체를 진단하기 위한 다양한 시약들이 투여될 수 있다. 예를 들어, 세포 용해(cell lysis), 용출(elution), 정제(purification), 세척(washing), 검출을 위한 시약들이 주입될 수 있다. 또한, 시약은 하이드로 겔 형태로 내장되어 사용자가 신속하고 편리하게 분석할 수 있다.
제어부(130)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 회전축(A)을 중심으로 회전시키거나, 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 회전축(A)을 따라 승하강 시킬 수 있다.
제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 구동부(미도시)에 연결되고, 제어부(130)는 상기 구동부에 구동 명령을 전달하여, 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 회전 또는 승하강 운동 시킬 수 있다.
제어부(130)는 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)가 접촉되어 있을 때, 제1 플레이트(110)를 하강시키거나 제2 플레이트(120)를 승강시켜서, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)를 분리할 수 있다.
제어부(130)는 제1 플레이트(110)나 제2 플레이트(120)를 회전하여 대상 챔버(125)는 이웃하는 다른 제2 시약 챔버(112)에 정렬할 수 있다. 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)가 연속적으로 승하강하여 대상 챔버(125)와 제2 시약 챔버(112)가 접촉 및 분리 될 수 있다. 그리하여, 대상 챔버(125)의 분석 대상 용액은 제2 시약 챔버(112)의 시약에 혼합될 수 있다.
제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 회전축(A)에는 최적화된 스프링 계수를 가지는 스프링(미도시)을 배치하여 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 분리되는 힘을 조절 할 수 있다. 또한, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 기계식 회전형 타이머(미도시)가 설치되어, 제어부(130)는 정확한 회전각으로 제1 플레이트(110)나 제2 플레이트(120)를 회전 시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)의 단면을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 4는 도 1의 미세 유체 제어 장치(100)를 구동하여 유체를 혼합하는 과정을 나타내는 사진이다. 도 5는 도 1의 미세 유체 제어 장치(100)의 혼합 과정에서 부피 변화를 나타내는 그래프이다
도 3 참조하면, 상부에 배치되는 플레이트의 챔버 폭(DT)은 하부에 배치되는 플레이트의 챔버 폭(DB)보다 크게 형성될 수 있다. 도 3은 제1 플레이트(110)가 하부에 배치되고, 제2 플레이트(120)가 상부에 배치된 예를 설명하나, 이에 한정되지 않으며, 제1 플레이트(110)가 상부에 배치되고, 제2 플레이트(120)가 하부에 배치된 경우 적용할 수 있다.
제1 플레이트(110)의 제2 시약 챔버(112)는 제2 플레이트(120)의 대상 챔버(125)보다 크게 형성될 수 있다. 제2 시약 챔버(112)의 개방면(110A)이 대상 챔버(125)의 개방면(120A) 보다 크게 형성될 수 있다. 제2 시약 챔버(112)의 폭(DB)이 대상 챔버(125)의 폭(DT) 보다 크게 형성될 수 있다.
제1 플레이트(110)는 제2 플레이트(120)에 대해서 상하 방향으로 왕복 운동을 하게 되고, 대상 챔버(125)의 분석 대상 용액이 제2 시약 챔버(112)의 시약에 혼합된다.
대상 챔버(125)의 개방면(120A)이 제2 시약 챔버(112)의 개방면(120A)에 접촉하면 도4 의 (a)와 같은 액체 다리(Liquid bridge)가 생성된다. 상기 액체 다리에 의해서 대상 챔버(125)와 제2 시약 챔버(112)에 저장되는 분석 대상 용액 및 시약의 부피가 변화하게 된다. 대상 챔버(125)와 제2 시약 챔버(112)에 저장되는 용액의 부피가 변화하면, 미세 유체를 정밀하게 제어하고 균일하게 혼합하는데 한계가 있다.
상부에 놓여있는 대상 챔버(125)의 폭(DT)이 제2 시약 챔버(112)의 폭(DB)과 일정한 비율이 될 때 대상 챔버(125)에 주입된 분석 대상 용액이 제2 시약 챔버(112)로 정밀하고, 균일하게 혼합될 수 있다. 또한, 제2 시약 챔버(112)와 대상 챔버(125)가 복수 횟수로 접촉 및 분리하더라도, 제2 시약 챔버(112)와 대상 챔버(125)에 저장된 액체의 부피는 일정하게 유지 될 수 있다.
일정한 부피가 유지되는 이유를 대략적으로 설명하면 다음과 같다: 제2 시약 챔버(112)와 대상 챔버(125)가 접촉하는 과정에서 생성된 액체다리(Liquid bridge)가 두 챔버가 분리될 때 끊어지게 된다. 이 과정에서 중력에 의해 아래 방향으로 유체가 쏠리는 현상이 발생하는데, 이를 방지하기 위하여, 대상 챔버(125)의 폭을 상대적으로 작게 하면 표면장력에 의한 접착력이 대상 챔버(125) 쪽에서 상대적으로 커져 대상 챔버(125)에 유체가 좀 더 남게 된다. 반대로는 제2 시약 챔버(112)의 폭을 줄이면 제2 시약 챔버(112)쪽으로 유체가 더 남게 된다.
도 4를 참조하면, (a)는 상부의 대상 챔버와 하부의 시약 챔버가 접촉하여 액체 다리가 형성되는 것을 보여주고, (b)는 접촉 이후에 상부의 대상 챔버와 하부의 시약 챔버의 부피 변화가 없는 것을 보여주고, (c)는 접촉 이후에 하부의 시약 챔버의 부피가 증가하는 것으로 보여주며, (d)는 접촉 이후에 상부의 대상 챔버의 부피가 증가하는 것을 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치(100)는 하부에 놓여진 제1 플레이트(110)의 시약 챔버들의 폭이 위에 놓여진 제2 플레이트(120)의 대상 챔버의 폭보다 크게 형성되어, 도 4의 (b)에서 보여주는 것과 같이 분석 대상 용액과 시약이 혼합되더라도 부피 변화가 없다.
도 5를 참조하면, 상부의 대상 챔버(125)의 제1 폭(DT)과 하부의 시약 챔버의 제2 폭(DB)의 비율에 따른 각각의 챔버의 부피 변화를 확인할 수 있다.
제1 폭(DT)이 제2 폭(DB)과 같거나 큰 경우(DT/DB 가 1 이상)에는 대상 챔버(125)와 시약 챔버가 접촉 후에 부피 변화가 크다. 따라서, 미세 유체를 정밀하게 제어하는데 한계가 있다.
제1 폭(DT)이 제2 폭(DB)보다 작은 경우(DT/DB 가 1 미만)에는 대상 챔버(125)와 시약 챔버가 접촉 후에 부피 변화가 상대적으로 적어진다. 특히, DT/DB 가 0.6이면 대상 챔버(125)와 시약 챔버가 접촉 하더라도, 부피 변화는 없어져서 , 반복적인 상하판 접촉에서도 부피가 변하지 않아서 미세 유체양을 일정하게 유지 할 수 있다. DT/DB 가 0.5보다 크고 0.8보다 작은 경우에는 대상 챔버(125)와 시약 챔버가 접촉 하면 부피변화가 상대적으로 크게 발생하고, 여러 번 접촉을 하게 되면 혼합과정에서 부피 변화가 너무커져서 작동이 불가능하게 된다.
도 6a 및 도 6b는 도 1의 미세 유체 제어 장치(100)의 접촉 회수에 따른 혼합과정을 나타내는 사진이다.
도 6a를 참조하면, 상부 챔버에는 분석 대상 용액이 주입되고, 하부 챔버에는 시약이 주입된다. 상부 챔버는 하부 챔버보다 작은 부피를 가지고, 상부 챔버의 개방면의 폭은 하부 챔버의 개방면의 폭보다 작게 형성된다. 상부 챔버를 상하 방향으로 복수 횟수로 상하 왕복 운동하면 도 6a와 같이 분석 대상 용액이 시약에 혼합된다. 상부 챔버가 하부 챔버에 20회 정도까지 접촉하면, 상부 챔버의 분석 대상 용액은 하부 챔버의 시약 전체에 균일하게 혼합될 수 있다.
도 6b를 참조하면, 상부 챔버에는 시약이 주입되고, 하부 챔버에는 분석 대상 용액이 주입된다. 상부 챔버는 하부 챔버보다 작은 부피를 가지고, 상부 챔버의 개방면의 폭은 하부 챔버의 개방면의 폭보다 작게 형성된다. 상부 챔버를 상하 방향으로 복수 횟수로 왕복 운동하면 도 6b와 같이 분석 대상 용액이 시약에 혼합된다. 상부 챔버가 하부 챔버에 20회 정도까지 접촉하면, 하부 챔버의 분석 대상 용액은 상부 챔버의 시약 전체에 균일하게 혼합될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세 유체 제어 방법을 도시하는 순서도이다.
도 7을 참조하면, 미세 유체 제어 장치(100)를 이용하여 미세 유체는 다음과 같은 방법으로 유동을 제어할 수 있다.
제1 플레이트(110)의 시약 챔버들에 시약을 주입하고, 제2 플레이트(120)의 대상 챔버(125)에 분석 대상 액체를 주입한다(S10). 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 분리된 상태에서 각각 시약과 분석대상 액체를 주입할 수 있다. 이하에서는 하나의 실시예로써 유전자 증폭 및 검출을 위하여 미세 유체 제어 장치(100)가 적용되는 경우를 설명하기로 한다. 대상 챔버(125)에는 핵산 용액이 주입되고, 시약 챔버들에는 핵산 증폭 시약, 핵산 검지 시약 등이 주입 될 수 있다.
제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)를 조립한다(S20). 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 동일한 회전축(A)을 가질 수 있다. 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 구동부(미도시) 및 제어부(130)와 연결될 수 있다.
제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 회전하여, 제1 시약 챔버(111)에 대상 챔버(125)를 정렬할 수 있다(S30). 제1 시약 챔버(111)에는 핵산 증폭 시약이 저장되어 있으며, 핵산 용액이 핵산 증폭 시약에 혼합되기 위해서, 대상 챔버(125)가 제1 시약 챔버(111)에 정렬될 수 있다.
제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하여, 제1 시약 챔버(111)에 분석 대상 액체를 혼합할 수 있다(S40). 제어부(130)가 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하도록 신호를 개시하면, 대상 챔버(125)의 핵산 용액은 제1 시약 챔버(111)의 핵산 증폭 시약에 혼합된다. 이후, 열을 가하여 핵산을 증폭시킬 수 있다.
이후, 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 회전하여, 제2 시약 챔버(112)와 대상 챔버(125)를 정렬할 수 있다(S50). 제2 시약 챔버(112)에 저장된 시약과 혼합을 위해서 대상 챔버(125)가 핵산 검지 시약이 저장된 제2 시약 챔버(112)에 정렬될 수 있다.
제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동 하여 제2 시약 챔버(112)에 분석 대상 액체를 혼합할 수 있다(S60). 제어부(130)가 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120) 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하도록 신호를 다시 개시하면, 대상 챔버(125)의 증폭된 핵산 용액은 제2 시약 챔버(112)의 핵산 검지 시약에 혼합된다. 이후, 빛을 감지하여 핵산을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치(100)와 미세 유체 제어 방법은 단순한 구조로 미세 유체의 혼합을 제어할 수 있다. 미세 유체 제어 장치(100)는 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120)의 회전 및 상하왕복 운동에 의해서 분석 대상 유체를 시약에 혼합 할 수 있다.
미세 유체 제어 장치(100)와 미세 유체 제어 방법은 분석 대상 유체와 시약을 혼합시에 발생하는 챔버 내의 부피 변화를 최소화하여, 매우 높은 균일성과 정밀도로 미세 유체를 혼합할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 다른 실시예의 미세 유체 제어 장치(200)를 이용하여 마그네틱 입자를 분리하는 방법을 도시하는 도면이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 미세 유체 제어 장치(200)는 제1 플레이트(210), 제2 플레이트(220), 마그넷부(230), 제어부(미도시)를 구비할 수 있다.
제1 플레이트(210)는 적어도 하나이상의 시약 챔버(215)를 구비할 수 있다. 시약 챔버(215)에는 마그네틱 입자(D)가 분산된 시약 또는 시료가 배치될 수 있다.
제2 플레이트(220)는 제1 플레이트(210)와 대응하도록 배치되며, 시약 챔버(215)의 시료와 접촉하는 회수부(225)를 구비할 수 있다.
회수부(225)는 마그넷부(230)와 연결되어 전자기력의 영향을 받는 부분으로, 특정 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 8a와 같이 회수부(225)는 제2 플레이트(220)에서 돌출된 돌기 형태를 가질 수 있다.
다른 예로, 회수부는 챔버 내부에 돌출되거나 그루브 형태로 형성될 수 있다. 상기 챔버에 다른 시약이 저장되고, 전자기력이 회수부에 생성되면 제1 플레이트와 제2 플레이트는 마그네틱 입자를 회수 하면서 용액을 혼합할 수 있다.
마그넷부(230)는 회수부(225)에 전자기력을 생성할 수 있다. 마그넷부(230)는 제어부(미도시)와 연결되어 회수부(225)가 시약 챔버(215)와 접촉시에만 전자기력이 형성될 수 있다.
마그네틱 입자(D)를 회수하는 방법은 다음과 같다. 도 8a와 같이, 시약 챔버에는 마그네틱 입자(D)가 분산된 용액(L)이 저장되어 있다. 도 8b와 같이, 제어부에서 제2 플레이트(220)를 얼라인하고, 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 중 적어도 하나를 상하 운동시켜서 회수부(225)와 용액(L)이 접촉할 수 있다. 이때, 마그넷부(230)가 구동되면, 회수부(225)에 전자기력이 인가되어 마그네틱 입자(D)가 회수부(225)에 흡착될 수 있다. 도 8c와 같이 제어부가 반대방향으로 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 중 적어도 하나를 상하 운동시켜서 회수부(225)를 시약 챔버(215)에서 분리되면, 시약 챔버(215)에는 용액(L)만 남고, 회수부(225)에는 마그네틱 입자(D)가 회수된다.
이후, 제어부(미도시)는 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220) 중 적어도 하나를 회전 및 상하 운동하여 다른 시약 챔버(미도시)로 이동시키고, 전자기력을 해제하여 다른 용액에 마그네틱 입자(D)를 저장할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 유체 제어 장치(200)와 미세 유체 제어 방법은 단순한 구조로 미세 유체의 혼합 및 분리를 제어할 수 있다. 회수부(225)에 생성되는 전자기력을 이용하여 미세 유체 제어 장치(200)는 용액에 분산된 마그네틱 입자(D)를 쉽고 정확하게 분리할 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라, 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100, 200: 미세 유체 제어 장치
110, 210: 제1 플레이트
120, 220: 제2 플레이트
130: 제어부
230: 마그넷부

Claims (12)

  1. 원주 방향으로 이격 배치되는 복수개의 시약 챔버를 구비하는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트와 대응하도록 배치되고, 분석대상 용액이 투입되는 대상 챔버를 구비하는 제2 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전축을 중심으로 회전시켜서, 상기 복수개의 시약 챔버 중 어느 하나의 챔버와 상기 대상 챔버를 정렬시킨 후에, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 따라 승강 및 하강시켜서 시약과 분석 대상 용액을 혼합시키는 제어부;를 포함하며,
    상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버는 각각 폭을 가지고,
    상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버 중 상부에 배치된 챔버의 폭이 하부에 배치된 챔버의 폭보다 작은, 미세 유체 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 시약 챔버는 일 방향으로 제1 폭을 가지고, 상기 대상 챔버는 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가지는, 미세 유체 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 시약 챔버의 제1 폭은 상기 대상 챔버의 제2 폭보다 큰, 미세 유체 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 시약 챔버와 상기 대상 챔버 중 하부에 배치된 챔버의 폭에 대한 상부에 배치된 챔버의 폭의 비는 0.5 내지 0.8 중 어느 하나인, 미세 유체 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 대상 챔버가 상기 시약 챔버와 정렬되도록 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전시키는, 미세 유체 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 대상 챔버의 개방면이 상기 시약 챔버의 개방면에 복수 횟수로 접촉 및 분리되도록 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 복수 횟수로 상하 왕복운동시키는, 미세 유체 제어 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 복수개의 시약 챔버는 상기 제1 플레이트의 일면에 배치된 그루브 형상을 가지고,
    상기 대상 챔버는 상기 제2 플레이트의 일면에 배치된 그루브 형상을 가지는, 미세 유체 제어 장치.
  9. 제1 플레이트의 복수개의 시약 챔버에 시약을 주입하고, 제2 플레이트의 대상 챔버에 분석 대상 액체를 주입하는 단계;
    상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트를 조립하는 단계;
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전하여, 상기 복수개의 시약 챔버 중 어느 하나의 챔버와 상기 대상 챔버를 정렬하는 단계; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하여 상기 어느 하나의 시약 챔버에 분석 대상 액체를 혼합하는 단계;를 포함하는, 미세 유체의 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전하여, 상기 복수개의 시약 챔버 중 다른 하나의 챔버와 상기 대상 챔버를 정렬하는 단계; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상하 왕복 운동하여 상기 다른 하나의 시약 챔버에 분석 대상 액체를 혼합하는 단계;를 더 포함하는, 미세 유체의 제어 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 시약 챔버는 폭 방향으로 제1 폭을 가지고, 상기 대상 챔버는 상기 제1 폭과 다른 제2 폭을 가지는, 미세 유체의 제어 방법.
  12. 일측면에 배치되는 시약 챔버를 구비하는 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트와 대응하도록 배치되고, 상기 시약 챔버의 시료에 접촉하도록 돌출된 회수부를 가지는 제2 플레이트;
    상기 회수부에 전자기력을 생성하여, 상기 시약 챔버의 마그네틱 입자를 상기 회수부에 흡착시키는 마그넷부; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 회전축을 중심으로 회전시켜서, 상기 시약 챔버와 상기 회수부를 정렬시킨 후에, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 적어도 하나를 상기 회전축을 따라 승강 및 하강시키며,
    하강시에 상기 마그네틱 입자가 상기 회수부에 흡착되며, 상승시에 흡착된 상기 마그네틱 입자를 외부로 배출되는, 미세 유체 제어 장치.
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