KR20090006053A - A microfluidic method and structure with an elastomeric gas-permeable gasket - Google Patents

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KR20090006053A
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아르카디츠 엘리자로프
제임스 알. 히스
하트무쓰 콜브
담 마이클 반
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아르카디츠 엘리자로프
담 마이클 반
제임스 알. 히스
하트무쓰 콜브
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Abstract

A microfluidic structure and method, where the structure comprises a featureless gasket layer allowing for efficient and reproducible structure production and assembly. Layering methods allow for the use of a variety of device materials and easy assembly.

Description

엘라스토머 가스 투과성 가스켓을 가지는 미세유체 방법 및 구조{A MICROFLUIDIC METHOD AND STRUCTURE WITH AN ELASTOMERIC GAS-PERMEABLE GASKET}A microfluidic method and structure having an elastomeric gas permeable gasket {A MICROFLUIDIC METHOD AND STRUCTURE WITH AN ELASTOMERIC GAS-PERMEABLE GASKET}

관련출원들의 교차참조Cross Reference of Related Applications

본 출원은, 모두가 참조에 의해 여기에 완전히 통합된, 2006년 2월 3일에 출원된 "Rigid Microfluidic Device with an Elastomeric Gas-Permeable Gasket"의 미국 가출원 S/N 60/765,150과; 2006년 4월 13일에 출원된 "Rigid Microfluidic Device with an Elastomeric Gas-Permeable Gasket"의 미국 가출원 S/N 60/791,778의 우선권을 주장하며, PCT US/2006/034083의 우선권을 주장하고, 2006년 8월 30일에 출원된 "Method and Apparatus for the Mechanical Actuation of Valves in Fluidic Devices"의 미국 출원 11/514,396의 CIP(continuation in part) 출원이다.This application is directed to US Provisional Application S / N 60 / 765,150, filed on Feb. 3, 2006, entitled "Rigid Microfluidic Device with an Elastomeric Gas-Permeable Gasket," which is incorporated herein by reference in its entirety; Claims priority of US provisional application S / N 60 / 791,778 of "Rigid Microfluidic Device with an Elastomeric Gas-Permeable Gasket," filed April 13, 2006, claiming priority of PCT US / 2006/034083, 2006 Continuation in part (CIP) application of US application 11 / 514,396 filed on August 30, entitled "Method and Apparatus for the Mechanical Actuation of Valves in Fluidic Devices".

본 개시는 미세유체장치들(microfluidic devices)의 제조 및 조립에 관한 것이다. 특히, 엘라스토머 레이어(elastomeric layer)가 특징부들이 없는 가스 투과성 가스켓인 방법 및 장치가 개시된다.The present disclosure relates to the fabrication and assembly of microfluidic devices. In particular, a method and apparatus are disclosed wherein the elastomeric layer is a gas permeable gasket without features.

미세유체 밸브들의 기계적인 작동에 있어서의 최근의 발전들은, 경성 표면들에 대항하여 밸브막들을 폐쇄하는 것이 연성 표면들에 대항한 것보다 더 효율적일 수 있다는 것을 보여주었다. 엘라스토머 미세유체장치의 대부분의 구성요소들은 엘 라스토머 속성들(즉, 탄성, 가스 투과성, 투명성)을 필요로 하지 않는다. 어떤 구성요소들은 단지 화학적 불활성(inertness)을 요구하는 반면, 다른 구성요소들은 단지 투명성을 요구할 수 있다. 따라서, 미세유체장치에서 엘라스토머 레이어의 두께을 감소함으로써, 근접하는 경성 레이어에 대한 기계적 작동에 의한 밸브 폐쇄는 더욱 효율적이다. 또한, 결과적으로 그것은 더 높은 힘들, 더 높은 압력들을 견딜 수 있으며 누출되지 않는 미세유체장치를 가져온다. 경질 및 연성 재료들을 결합하는 장치들이 보고되어 왔지만(Lai, S. M et al. Chem. Commun, 2003, 218-219; Yamamoto, T. et al. Lab Chip, 2002, 2, 197-202), 그들은 재료 요구조건들의 견지에서 고안되지 않았으며, 방사합성(radiosynthesis)보다 덜 요구되는 응용들에서 이용되었다.Recent developments in the mechanical operation of microfluidic valves have shown that closing valve membranes against hard surfaces may be more efficient than against soft surfaces. Most components of an elastomeric microfluidic device do not require elastomeric properties (ie, elasticity, gas permeability, transparency). Some components may only require chemical inertness, while others may only require transparency. Thus, by reducing the thickness of the elastomer layer in the microfluidic device, valve closure by mechanical actuation on the adjacent rigid layer is more efficient. Also, as a result it can withstand higher forces, higher pressures and results in a microfluidic device that does not leak. Devices have been reported that combine hard and soft materials (Lai, S. M et al. Chem . Commun , 2003, 218-219; Yamamoto, T. et al. Lab) Chip , 2002, 2, 197-202), they were not designed in terms of material requirements, and were used in applications that required less than radiosynthesis.

현재, 미세유체공학에 필요한 속성들을 가지는 다수의 재료들이 있지만, 이 재료들의 경화 프로파일(curing profile)은, 그것이 조정하기에 충분하게 강성이 되자마자, 재료는 결합될 레이어들의 중합(polymerization)이 일어날 수 있는 점을 지나서 이미 경화되도록 이루어진다. 현재 방법들은 다수의 경화 단계들을 요구하며, 많은 재료들이 그러한 반복된 경화처리를 할 수 있는 것이 아니며, 제한된 수의 가능한 재료들이 사용되도록 한다. 미세유체 제조의 가장 잘 알려진 방법들은, 개별적인 레이어들을 성형하고(molding) 이후에 그들을 같이 조립하는 것에 의존한다(Psaltis, D. et al. Nature, 2006, 442, 381-386). 엘라스토머 재료들의 미세제조(microfabrication)는 처리의 중간 단계들 동안 부분적으로 경화된 중합체를 취급할 필요성에 의해 더욱 복잡해진다.Currently, there are a number of materials that have the properties required for microfluidics, but the curing profile of these materials, as soon as it is rigid enough to adjust, causes the polymerization of the layers to be joined. It can be made to cure already past the point where possible. Current methods require multiple curing steps, and many materials are not capable of such repeated curing, but allow a limited number of possible materials to be used. The best known methods of microfluidic production rely on molding individual layers and then assembling them together (Psaltis, D. et al. Nature , 2006, 442, 381-386). Microfabrication of elastomeric materials is further complicated by the need to handle partially cured polymers during intermediate stages of processing.

화학적 내성(chemical resistance)에 있어서 잘 알려진 PDMS(polydimethylsiloxane)를 능가하는 다수의 새로운 재료들이 개발중에 있다. PDMS을 대신해서 이 재료들을 이용하는 것은 응용들의 범위 내에서 미세유체공학의 유용성을 넓힌다는 것은 의심할 여지가 없다. 그러나, 새로운 재료들은 미경화된(under-cured) 중합체들에서 특징부들의 정교한 미세제조와 레이어-대-레이어 접착을 허용하는 새로운 취급 방법들의 개발을 요구한다. 이 두(2) 파라미터들만은 사소한 것이 아니며 미세유체공학에서 많은 새로운 응용들을 방해하고 있다.Many new materials are under development that outperform well known polydimethylsiloxane (PDMS) in chemical resistance. There is no doubt that using these materials in place of PDMS extends the usefulness of microfluidics within the scope of applications. However, new materials require the development of new handling methods that allow sophisticated microfabrication and layer-to-layer adhesion of features in under-cured polymers. These two (2) parameters alone are not trivial and hinder many new applications in microfluidics.

현재의 기술의 관점에서, 필요로 하는 것은, 팽팽한 씰을 가지며 내구성이 있으면서도 반응 화학품들의 범위 사이에 유용성을 가지고 재생가능하게 제조될 수 있는 미세유체장치를 제공하기 위한 레이어-대-레이어 접착의 작업뿐 아니라, 미경화된 중합체들에서의 특징부들의 복잡하고 정교한 미세제조를 회피하는 미세유체장치이다. In view of the state of the art, what is needed is a task of layer-to-layer adhesion to provide a microfluidic device that has a tight seal and is durable and can be made reproducibly useful among a range of reactive chemicals. In addition, it is a microfluidic device that avoids the complex and sophisticated microfabrication of features in uncured polymers.

본 발명의 제 1 측면에서, 유체구조가 개시되며, 상기 유체구조는, 제 1 레이어(30); 상기 제 1 레이어에 접촉하는 제 2 레이어(40)로서, 상기 제 2 레이어는 평평하고, 유연하고, 가스 투과성이며, 특징부가 없는, 제 2 레이어; 상기 제 2 레이어에 접촉하는 제 3 레이어(60); 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널(50); 상기 제 3 레이어를 통과하며 상기 제 2 레이어에서 멈추는 적어도 하나의 밸브 핀 홀(20); 적어도 하나의 핀(10); 을 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나의 핀은 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키도록 활성화될 수 있다.In a first aspect of the invention, a fluid structure is disclosed, the fluid structure comprising: a first layer (30); A second layer (40) in contact with said first layer, said second layer being flat, flexible, gas permeable, and without features; A third layer 60 in contact with the second layer; At least one fluid channel (50) located in the first layer; At least one valve pin hole 20 passing through the third layer and stopping at the second layer; At least one pin 10; Wherein the at least one pin can be activated to actuate the second layer to occlude the at least one fluid channel.

본 발명의 제 2 측면에서, 유체구조가 개시되며, 상기 유체구조는, 제 1 레이어(30); 상기 제 1 레이어에 접촉하는 제 2 레이어(40)로서, 상기 제 2 레이어는 평평하고, 유연하고, 가스 투과성이며, 특징부가 없는, 제 2 레이어; 상기 제 2 레이어에 접촉하는 제 3 레이어(60); 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널(50); 상기 제 3 레이어를 통과하며 상기 제 2 레이어에서 멈추는 적어도 하나의 밸브 핀 홀(20); 적어도 하나의 핀(10)으로서, 상기 적어도 하나의 핀은 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키도록 활성화되는 핀; 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들이 모놀리식 유체구조를 형성하도록 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 적어도 하나의 기계적 수단들;을 포함한다.In a second aspect of the invention, a fluid structure is disclosed, the fluid structure comprising: a first layer (30); A second layer (40) in contact with said first layer, said second layer being flat, flexible, gas permeable, and without features; A third layer 60 in contact with the second layer; At least one fluid channel (50) located in the first layer; At least one valve pin hole 20 passing through the third layer and stopping at the second layer; At least one fin (10), the at least one fin being activated to actuate the second layer to occlude the at least one fluid channel; And at least one mechanical means for assembling the first, second, and third layers such that the first, second, and third layers form a monolithic fluid structure.

본 발명의 제 3 측면에서는, 유체구조를 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 제 1 레이어(30)를 형성하는 단계; 상기 제 1 레이어와 접촉하는 제 2 레이어로서, 평평하고, 유연하며, 가스 투과성이며, 특징부가 없는 제 2 레이어(40)를 형성하는 단계; 상기 제 2 레이어와 접촉하는 제 3 레이어(60)를 형성하는 단계; 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널(50)을 형성하는 단계; 적어도 하나의 밸브 핀 홀(20)을 형성하는 단계; 적어도 하나의 핀(10)을 제공하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키기 위해 상기 적어도 하나의 핀을 작동시키는 수단을 제공하는 단계; 를 포함한다.In a third aspect of the invention, a method of manufacturing a fluid structure is disclosed, the method comprising forming a first layer (30); Forming a second layer (40) in contact with the first layer, the second layer (40) being flat, flexible, gas permeable and featureless; Forming a third layer (60) in contact with the second layer; Forming at least one fluid channel (50) located in the first layer; Forming at least one valve pin hole (20); Providing at least one pin 10; And providing means for actuating the at least one pin to actuate the second layer to occlude the at least one fluid channel. It includes.

본 발명의 제 4 측면에서는, 유체구조를 제조하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 제 1 레이어(30)를 형성하는 단계; 상기 제 1 레이어와 접촉하는 제 2 레이어로서, 평평하고, 유연하며, 가스 투과성이며, 특징부가 없는 제 2 레이어(40)를 형성하는 단계; 상기 제 2 레이어와 접촉하는 제 3 레이어(60)를 형성하는 단계; 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널(50)을 형성하는 단계; 적어도 하나의 밸브 핀 홀(20)을 형성하는 단계; 적어도 하나의 핀(10)을 제공하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키기 위해 상기 적어도 하나의 핀을 작동시키는 수단을 제공하고, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들이 모놀리식 유체구조를 형성하도록 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 적어도 하나의 기계적 수단들을 제공하는 단계;를 포함한다. In a fourth aspect of the invention, a method of fabricating a fluidic structure is disclosed, which method includes forming a first layer (30); Forming a second layer (40) in contact with the first layer, the second layer (40) being flat, flexible, gas permeable and featureless; Forming a third layer (60) in contact with the second layer; Forming at least one fluid channel (50) located in the first layer; Forming at least one valve pin hole (20); Providing at least one pin 10; And means for actuating the at least one pin to actuate the second layer to occlude the at least one fluid channel, wherein the first, second, and third layers form a monolithic fluid structure. Providing at least one mechanical means for assembling the first, second, and third layers to form.

본 개시의 하나의 이점은, 개선된 유체 제어뿐 아니라, 개시된 미세유체장치 및 그 방법이 제한된 유형의 재료들을 포함하는 선행기술의 미세유체장치들과 관련된 문제들을 제거하는 것이다.One advantage of the present disclosure is that, in addition to improved fluid control, the disclosed microfluidic devices and methods thereof eliminate the problems associated with prior art microfluidic devices that include limited types of materials.

미세유체 제조의 가장 잘 알려진 방법들은 개별적인 레이어들을 성형하고 이후 그들을 함께 조립하는 것에 의존한다. 여기 제안된 방법은 경화 단계들의 수를 하나로 줄인다. 모든 엘라스토머-관련 기능들은 특징부들이 없는 하나의 레이어 내로 제한된다. 특징부들(예를 들어, 유체채널, 벤트채널 등)은, 절차의 작은 수정들로 유리 및 실리콘을 포함하는 다양한 재료들로부터 형성될 수 있는 경성 레이어들 내에서 제조된다. 제 3 (상부) 경성 레이어가, 그것이 시약들과 접촉하지 않으므로, 화학적으로 저항력이 있어야 하는 것은 필수적인 것은 아니다. 따라서, 본 개시는 선행기술의 밸브를 지니는 미세유체공학에 부과된 금지 재료 제한을 제거한다. The best known methods of microfluidic manufacture rely on forming individual layers and then assembling them together. The method proposed here reduces the number of curing steps to one. All elastomer-related functions are limited to one layer without features. Features (eg, fluid channels, vent channels, etc.) are manufactured in rigid layers that can be formed from various materials including glass and silicon with minor modifications of the procedure. It is not essential that the third (top) hard layer be chemically resistant, as it is not in contact with the reagents. Thus, the present disclosure removes the prohibitive material limitation imposed on microfluidics with prior art valves.

도 1은, 본 개시에 따른 가스켓 칩의 수직 단면도를 도시한 도,1 shows a vertical cross-sectional view of a gasket chip according to the present disclosure;

도 2는, 입력(115) 및 출력(120)을 가지는 벤트 채널(110)를 더 포함하는 6개의 대응하는 유체 채널들(50)을 가지는, 대칭적인 방사 패턴으로 배열된 6-밸브 핀홀(20)을 가지는 유체구조의 개략적인 상면도를 도시한 도,FIG. 2 shows a six-valve pinhole 20 arranged in a symmetrical radiation pattern, with six corresponding fluid channels 50 further comprising a vent channel 110 having an input 115 and an output 120. A schematic top view of a fluid structure having

도 3의 A는, 선행기술에서의 "두꺼운" 핀 밸브를 도시한 도,3A shows a "thick" pin valve in the prior art,

도 3의 B는, 본 개시의 "얇은" 핀 밸브를 도시한 도,3B is a view of the "thin" pin valve of the present disclosure;

도 4는, 유체 채널이 제 2 (가스켓) 레이어(40)의 작동시에 핀을 충족하기 위한 밸브와 마주하는 상승된 특징부(250)를 포함하는 "갭" 밸브 디자인을 도시한 도,FIG. 4 shows a “gap” valve design in which the fluid channel includes raised features 250 facing the valve for meeting the pins upon operation of the second (gasket) layer 40;

도 5a는, 기계적 수단들, 예를 들어 나사들(270)을 이용하여 조립된 가스켓 칩의 단면도를 도시한 도,5a shows a cross-sectional view of a gasket chip assembled using mechanical means, for example screws 270, FIG.

도 5b는, 기계적 수단들, 예를 들어 클램프들(310)에 의해 조립된 가스켓 칩의 단면도를 도시한 도,5b shows a cross-sectional view of a gasket chip assembled by mechanical means, for example clamps 310, FIG.

도 6a는, 왁스 주형들에서 주조되고 엘라스토머와 같은 상태로 경화된 벤트 및 흐름 레이어들을 도시한 도,FIG. 6A shows vent and flow layers cast in wax molds and cured in an elastomeric state; FIG.

도 6b는, 홀 펀칭과 핀 삽입이 이어지는, 주형들로부터 제거된 연성 벤트(235) 및 흐름 레이어들(230)을 도시한 도,FIG. 6B shows the soft vent 235 and flow layers 230 removed from the molds, followed by hole punching and pin insertion, FIG.

도 6c는, 평평한 표면(215)에 주조되고 부분적으로 경화된 얇은 엘라스토머 가스켓 레이어을 도시한 도,FIG. 6C shows a thin elastomeric gasket layer cast and partially cured on flat surface 215, FIG.

도 6d는, 가스켓 레이어의 상부에 위치한 흐름 레이어를 도시한 도,6d shows a flow layer located on top of a gasket layer,

도 6e는, 과도한 얇은 레이어를 절삭한 후 성형된 레이어들로서, 2개의 레이어들은 주조 표면으로부터 벗겨지고 전화되는, 성형된 레이어들을 도시한 도,FIG. 6E shows the shaped layers after cutting the excess thin layer, wherein the two layers are peeled off and inverted from the casting surface, FIG.

도 6f는, 가스켓 레이어의 상부에 벤트 레이어을 부가한 후 조립이 완성을 위해 경화되는 것을 도시한 도,FIG. 6F shows that the assembly is cured to completion after adding a vent layer on top of the gasket layer.

도 7a 내지 도 7f는, 희생 "역(inverse)" 주형들을 이용하여 미세유체장치의 스텝형 제조를 도시한 도, 및7A-7F illustrate stepped fabrication of a microfluidic device using sacrificial “inverse” molds, and

도 8a 내지 도 8d는, 엘라스토머 "터브(tub)" 주형들을 이용하여 미세유체장치의 스텝형 제조를 도시한 도.8A-8D illustrate stepped fabrication of a microfluidic device using elastomeric “tub” molds.

얇은 엘라스토머 가스켓 레이어를 가지는 경질의 미세유체장치는 유체 채널들의 효율적인 기계적 작동을 허용한다. 또한, 얇은 엘라스토머 가스켓은 레이어들 간의 접착을 절대적으로 요구하지 않는다. 가스켓이 충분한 힘으로 2개의 경성 레이어들 사이에 클램프될 때, 칩은 40psi를 초과하는 유체 압력에서 그리고 100℃에 이르는 상승된 온도에서 누출 또는 원하지 않는 채널 연결을 허용하지 않는 모놀리식 장치(monolithic device)로서 작용한다.Hard microfluidic devices with thin elastomeric gasket layers allow for efficient mechanical operation of the fluid channels. In addition, thin elastomeric gaskets absolutely do not require adhesion between layers. When the gasket is clamped between two rigid layers with sufficient force, the chip is a monolithic device that does not allow leakage or unwanted channel connections at fluid pressures above 40 psi and at elevated temperatures up to 100 ° C. device).

용이하게 재생가능하며 내구성이 있는 밀봉된 장치를 초래하는 미세유체장치의 제조를 위한 새로운 방법이 여기에 개시된다. 이 미세유체장치는 화학적으로 접착되기보다는 기계적으로 지지될 수 있다. 여기서 설명된 미세유체장치는 적어도 2 개의 경성 외부 레이어들 사이에 위치한 중간 "가스켓(gasket)" 레이어를 포함한다. 이 가스켓 레이어는 상기 외부 레이어들에 대항한 유체-기밀(fluid-tight) 씰을 형성하도록 충분히 변형가능하여(예를 들어, 유연하거나 탄성적이다), 본질적으로 다른 2개의 레이어들 사이에서 O-링(0-ring)으로서 작용한다.Disclosed herein are new methods for the manufacture of microfluidic devices that result in sealed devices that are easily recyclable and durable. This microfluidic device may be mechanically supported rather than chemically bonded. The microfluidic device described herein includes an intermediate "gasket" layer located between at least two rigid outer layers. This gasket layer is sufficiently deformable (e.g., flexible or elastic) to form a fluid-tight seal against the outer layers, thereby essentially allowing O- between two other layers. It acts as a ring.

본 개시의 방법은 기계적으로 작동되는 밸브들을 가지는 반응기(reactor)에 기초한 미세유체장치들의 제조에 적합한 기술을 수반한다. 일 실시예에서, 미세유체장치(또한, "칩"이라고도 한다)는, 다음과 같이 적어도 3개의 레이어들:(1)자신에 에칭 및 성형된(molded) 유체 네트워크를 가지는 제 1 경질 레이어(30); (2)상기 제 1 레이어의 특징부들 위로 브릿징하지 않는, 가스-투과성 엘라스토머의 평평한 제 2 (중간) 가스켓 레이어(40); 및, 기계적 밸브 엑츄에이터들을 위한 벤트 특징부들 및 슬리브들을 가지는 경성의 제 3 레이어(60); 를 포함한다(도 1).The method of the present disclosure involves techniques suitable for the manufacture of microfluidic devices based on a reactor having mechanically actuated valves. In one embodiment, the microfluidic device (also referred to as a "chip") comprises at least three layers as follows: (1) A first hard layer 30 having a fluid network etched and molded therein. ); (2) a flat second (middle) gasket layer 40 of a gas-permeable elastomer, not bridging over features of the first layer; And a rigid third layer 60 having vent features and sleeves for the mechanical valve actuators; It includes (Fig. 1).

본 발명에 따른 장치의 레이어들은 잘 알려진 결합 방법들에 의해 결합될 수 있으며, 또는, 화학적 수단들과 반대하는 기계적 수단들에 의해 함께 지지될 수 있다. 레이어 조립을 위한 기계적 및 화학적 양 수단들의 조합이 또한 가능하다. 기계적 조립을 위해, 예를 들어, 레이어들은 함께 볼트 결합되거나 클램프될 수 있다. 외부의 2개의 레이어들은, 기계적 클램핑 힘을 가스켓 레이어와 외부 레이어들 각각의 사이의 인터페이스로 전달하기에, 그리고, 그들의 표면들에 성형된 복잡한 채널 특징부들의 붕괴를 방지하기에, 충분히 경질이다. 그리고, 위에서 토론된 바와 같이, 상기 가스켓 레이어는, 근접한 레이어들에 대항하여 유체-기밀의 씰을 형성하기 위해 평평하고 변형가능해야하며(예를 들어, 유연하거나 탄성적임), 장치의 솔벤트 교환 요구조건을 수용하기 위해 특징부가 없으며(featureless) 그리고 가스 투과적이어야 한다.The layers of the device according to the invention can be joined by well known bonding methods, or they can be held together by mechanical means as opposed to chemical means. Combinations of both mechanical and chemical means for layer assembly are also possible. For mechanical assembly, for example, the layers can be bolted or clamped together. The outer two layers are sufficiently hard to transfer mechanical clamping forces to the interface between the gasket layer and each of the outer layers and to prevent the collapse of complex channel features formed on their surfaces. And, as discussed above, the gasket layer must be flat and deformable (eg, flexible or elastic) to form a fluid-tight seal against adjacent layers and require solvent exchange of the device. It must be featureless and gas permeable to accommodate the conditions.

도 2는, 6개의 대응하는 유체 채널들(50)을 가지는 6개의 밸브 핀홀들(20)을 가지는 칩의 상면도를 포함한다. 벤트 채널(110)은 제 2 가스켓 레이어 막(membrane)을 가로지르는 솔벤트들의 증발을 허용한다. 도 1은 중간을 통해 취해진 같은 장치의 수직 단면도를 도시한다. 이것은 사용중인 칩에 대하여 요구되는 엘라스토머 속성들 모두는 어떠한 특징부들이 없고 따라서 엘라스토머 미세제조를 요구하지 않는 단일 평평한 얇은 레이어에 집중될 수 있다 것을 보여준다. 하위(제 1) 레이어(30)와 상위(제 3) 레이어(60)는 경성의, 경질의 레이어들이다. 중간의 연성 "가스켓" 레이어는 특징부들이 없다. 따라서, 모든 특징부들(유체 채널, 반응영역, 벤트들, 유체 저장통, 등)은 경질의 경성 레이어 내에 있다. 이 디자인은 가스켓 레이어가 특징부들을 가지지 않는 것을 허용하며, 그로 인해 기능을 위한 가스켓 레이어의 요구된 필요한 두께를 제한하지 않는다.2 includes a top view of a chip having six valve pinholes 20 with six corresponding fluid channels 50. Vent channel 110 allows evaporation of solvents across the second gasket layer membrane. Figure 1 shows a vertical cross section of the same device taken through the middle. This shows that all of the elastomeric properties required for the chip in use can be concentrated in a single flat thin layer without any features and thus not requiring elastomeric microfabrication. The lower (first) layer 30 and the upper (third) layer 60 are hard, hard layers. The middle soft "gasket" layer lacks features. Thus, all features (fluid channels, reaction zones, vents, fluid reservoirs, etc.) are in a hard rigid layer. This design allows the gasket layer to have no features, thereby not limiting the required required thickness of the gasket layer for functioning.

얇은 엘라스토머 가스켓 레이어를 가지고, 핀 밸브들의 작동은, 유체 채널들이 개방(10) 상태에서 폐쇄 상태(11)로 갈 때, 유체 체널의 경성의 만곡된 표면에 대항하여 엘라스토머 가스켓 레이어를 스트레치한다. 유체 저장통들(91)은 또한 조립된 장치의 특징부이며, 가스켓 레이어(40) 아래에 있다. 하위 제 1 레이어가 유리 또는 실리콘에서 에칭되면, 유체들은 가스켓을 천공하는 바늘들(116)을 통해 도입될 수 있다. 대안적으로, 제 1 하위 레이어가 경성의 중합체(polymer)로 형성되면, 유체 입구들은 성형 동안 중합체로 도입되는 공동(hollow) 금속 핀들에 의해 형성될 수 있다. 상기 제 3 상부 레이어에서의 벤트(110)는 가스 투과성 막(가스켓 레이어)에 의해 반응 챔버(9)으로부터 분리된다. 언급한 바와 같이, 엘라스토머 레이어가 어떠한 특징부를 가지지 않는다면, 이 엘라스토머 막은 그것이 파손이 없을 수 있는 얇은 것으로서 형성될 수 있다. 다른 말로 말하면, 가스켓 레이어는 레이어에 포함된 다른 특징부들에 의해 두께에 있어서 제한되지 않는다.With a thin elastomeric gasket layer, the operation of the pin valves stretches the elastomeric gasket layer against the rigid curved surface of the fluid channel as the fluid channels go from open 10 to closed 11. Fluid reservoirs 91 are also a feature of the assembled device and are below the gasket layer 40. Once the lower first layer is etched in glass or silicon, fluids may be introduced through the needles 116 that puncture the gasket. Alternatively, if the first lower layer is formed of a rigid polymer, the fluid inlets may be formed by hollow metal fins introduced into the polymer during molding. The vent 110 in the third upper layer is separated from the reaction chamber 9 by a gas permeable membrane (gasket layer). As mentioned, if the elastomeric layer does not have any features, this elastomeric film may be formed as thin as it may be free of breakage. In other words, the gasket layer is not limited in thickness by the other features included in the layer.

밸브들Valves

선행기술의 밸브들(도 3의 A)은 45um 채널을 폐쇄하기 위해 중합체의 200-600um을 가압해야 한다. 이 디자인은 찢어짐(tearing)에 의한 실패를 초래하는 초과 스트레스를 결과적으로 가져왔다. 또한 이 디자인은 높은 압력들을 요구하였지만, 디자인들은 증가된 압력들을 견딜 수 없었다. 그러한 두께에 대한 이유는, 동일한 레이어가 그것의 위로 반응 챔버와 벤트 막을 포함하며 얇게는 형성될 수 없다는 것에 있었다. 또한, 이 밸브들에서는, 핀은 평평한 것 위의 오목한 표면을, 전자(즉, 오목한 표면)(별도의 압력을 요구하며 더 많은 스트레스를 생성하는 구조)를 축소시킴으로써, 폐쇄해야 한다. Prior art valves (A in FIG. 3) must pressurize 200-600um of polymer to close the 45um channel. This design resulted in excess stress resulting in failure by tearing. The design also required high pressures, but the designs could not withstand the increased pressures. The reason for such a thickness was that the same layer contained the reaction chamber and vent film over it and could not be made thin. Also in these valves, the pin must close the concave surface on the flat by reducing the former (i.e., the concave surface) (the structure requiring extra pressure and creating more stress).

본 발명의 밸브들은, 45um 채널을 폐쇄하기 위해 엘라스토머 레이어를 ~45um 이상으로 스트레치함으로써, 그것을 채널의 오목한 표면에 대항하여 가압한다(덜 스트레스적인 구조)(도 3의 B). 더 낮은 작동 압력들, 더 효율적인 폐쇄, 및 더 낮은 탄성 요구조건들이, 본 발명의 밸브 디자인, 가스켓 레이어에 의해 제공된다. 더 얇은 엘라스토머가 더 정교하게 제어될 수 있다. 도 3의 B의 예에서, 핀 팁들은 "컵" 밸브 디자인을 수용하기 위해 둥글게 처리된다. 도시된 바와 같은 이 컵 밸브 디자인은, 작동시에, 가스켓 레이어를 작동시키는 라운드형 핀이라 하며, 가스켓 레이어과 함께 핀은 마주하는 제 1 레이어과 함께 씰을 형성하는 유체 채널의 폭을 가로질러 움직임으로써, 유체 채널을 폐색한다. 대안적으로, 유사한 원리에 의거하는 공기압(pneumatic) 작동은 현저하게 낮은 폐쇄 효율성을 보여주는 모든 엘라스토머 장치들에서 보고되었다(Grover, W.H. et al. Sensors and Actuators B, 2003, 89, 315-323).The valves of the present invention pressurize it against the concave surface of the channel (less stressed structure) by stretching the elastomer layer above ˜45 um to close the 45 um channel (FIG. 3B). Lower operating pressures, more efficient closure, and lower elasticity requirements are provided by the valve design, gasket layer of the present invention. Thinner elastomers can be more precisely controlled. In the example of FIG. 3B, the pin tips are rounded to accommodate a "cup" valve design. This cup valve design, as shown, is called a rounded fin that, when in operation, activates a gasket layer, with the gasket layer moving across the width of the fluid channel forming a seal with the first layer facing it. Obstruct the fluid channel. Alternatively, pneumatic operation based on a similar principle has been reported in all elastomeric devices that exhibit significantly lower closing efficiency (Grover, WH et al. Sensors and Actuators B , 2003, 89, 315-323).

대안적인 실시예에서, 상기 제 1 레이어의 유체 채널은 상기 밸브 핀홀(20)과 마주하여 위치하는 상승된 특징부 또는 플렛폼(250)을 포함하며, 여기서 상기 핀(10, 11)의 작동은 플렛폼(250)과 씰을 형성하도록 상기 제 2 가스켓 레이어(40)를 작동시킴으로써, 상기 유체채널(50)을 폐색한다. 이러한 유형의 밸브 폐쇄는 "갭" 밸브라고 한다(도 4).In an alternate embodiment, the fluid channel of the first layer includes an elevated feature or platform 250 positioned opposite the valve pinhole 20, wherein the actuation of the pins 10, 11 is performed on the platform. By operating the second gasket layer 40 to form a seal with 250, the fluid channel 50 is closed. This type of valve closure is referred to as a "gap" valve (Figure 4).

핀들 및 밸브 Pins and valves 핀홀들Pinholes

관련기술의 당업자는 핀들로서 사용될 다양한 가능성 있는 재료들을 상상할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 핀들은 금속 와이어이다(그러한 것의 예는 Gambit Corporation으로부터 구입할 수 있다). 관련기술의 당업자는, 핀이 작으면 작을수록 그것은 바늘로서 작용하여 엘라스토머 레이어를 통해 찢거나 찌를 수 있을 가능성이 크다는 것을 상상할 수 있다. 따라서, 본 발명을 더 작은 스케일에 적용하는 경우, 공동 핀(예를 들어 공동 금속 와이어) 또는 예리하지 않은 어떠한 형태를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.Those skilled in the art can envision various possible materials to be used as pins. In one embodiment, the pins are metal wires (an example of such can be purchased from Gambit Corporation). One skilled in the relevant art can imagine that the smaller the pin, the more likely it is to act as a needle and tear or poke through the elastomer layer. Thus, when applying the present invention to smaller scales, it may be desirable to use hollow pins (eg hollow metal wires) or any shape that is not sharp.

본 개시의 유체구조는 적어도 하나의 밸브 핀홀(20)을 포함한다. 일 실시예 에서, 각 밸브 핀홀은 하나의 유체채널(50)에 대응한다. 즉, 각 작동되는 핀은 밸브 핀홀에 대응함으로써, 밸브 핀홀에서의 작동되는 핀은 대응하는 유체 채널을 폐색한다.The fluid structure of the present disclosure includes at least one valve pinhole 20. In one embodiment, each valve pinhole corresponds to one fluid channel 50. That is, each actuating pin corresponds to a valve pinhole, whereby the actuating pin in the valve pinhole closes the corresponding fluid channel.

핀 작동Pin works

상기 핀은 인가된 압력에 의해 또는 상기 핀을 솔레노이드(Electromechanisms, San Dimas, CA)에 결합함으로써(coupling) 작동될 수 있다. 상기 핀은 공기압적으로 작동될 수 있다. 이것은 상기 핀을 상업적으로 이용가능한 공기압 실린더(Festo, Hauppauge, N.Y.)에 연결시킴으로써 수행될 수 있다. 여기서 개시된 바와 같이 상기 핀을 작동시키기 위해 인가된 압력은 제곱인치당 0 및 45 파운드(0 및 45 psi) 사이로 인가될 수 있다.The pin can be operated by an applied pressure or by coupling the pin to a solenoid (Electromechanisms, San Dimas, CA). The pin may be pneumatically actuated. This can be done by connecting the pin to a commercially available pneumatic cylinder (Festo, Hauppauge, N.Y.). As disclosed herein, the pressure applied to actuate the pin may be applied between 0 and 45 pounds (0 and 45 psi) per square inch.

레이어 재료들Layer materials

본 발명의 상기 제 1 레이어(30)는, 처리될 반응이 가열 및/또는 냉각을 요구한다면, 재료가 상대적으로 경질이고, 반응 시약들(reagents)과 융화적이고(compatible), 열적으로 전도성이 있다는(낮은 열용량) 것을 전제로, 다양한 재료들로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 제 1 레이어를 위한 가능성 있는 재료들의 예들은, 이들로 제한되지 않지만, DCPD(dicyclopentadiene), 유리, 금속(예를 들어, 알루미늄, 구리), 보호 레이어로 코팅된 금속, 세라믹, 폴리카보네이트, 실리콘, 흑연, 또는 상기 또는 관련기술의 당업자에게 알려진 다른 성분들 중 어는 것으로 도핑된 DCPD, 를 포함한다.The first layer 30 of the present invention is that if the reaction to be treated requires heating and / or cooling, the material is relatively hard, compatible with the reagents, and thermally conductive. It can be made from various materials, on the premise (low heat capacity). Examples of possible materials for the first layer of the present invention include, but are not limited to, dicyclopentadiene (DCPD), glass, metal (eg, aluminum, copper), metal coated with a protective layer, ceramics, polycarbonate , DCPD doped with silicon, graphite, or any of the other ingredients known to those skilled in the art or in the art.

본 발명의 상기 가스켓 레이어(40)는, 가스켓 재료가 변형가능하고(예를 들 어, 유연하고 탄성적임), 가스 투과성이며, 반응과 융화될 수 있으며, 기계적인 핀들에 의한 작동을 견딜수 있는 충분한 인장 강도(tensile strength)를 가진다는 전제하에, 다수의 재료들로부터 제조될 수 있다. 본 발명의 제 2 가스켓 레이어를 위한 가능성 있는 재료들의 예들은, 이들로 제한되지 않지만, PDMS(polydimethylsiloxane), PEPE(perfluoropolyether), ROMP(ring-opening metathesis polymerization) 중합체, DNB(decylnorbornene), HNB(hexylnorbornene), 및 FNB(fluoronorbornene)의 다양한 조합들, 또는 그 중합체들만, PTFE(polytetrafluoroethylene), PVDF(polyvinylidene difluoride), 및 라텍스(latex)를 포함한다.The gasket layer 40 of the present invention is such that the gasket material is deformable (e.g., flexible and elastic), gas permeable, compatible with reaction and sufficient to withstand operation by mechanical pins. It can be made from a number of materials, provided they have tensile strength. Examples of possible materials for the second gasket layer of the present invention include, but are not limited to, polydimethylsiloxane (PDMS), perfluoropolyether (PEPE), ring-opening metathesis polymerization (ROMP) polymer, decylnorbornene (DNB), hexylnorbornene (HNB) ), And various combinations of fluoronorbornene (FNB), or only polymers thereof, include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene difluoride (PVDF), and latex.

상기 가스켓 레이어는-충분히 두껍다면-경성의 레이어들에서 소량의 비균일성을 "흡수"할 수 있다. 다른 경질의 칩 미세유체공학적 기술들(유리 또는 실리콘만을 수반하는)은, 양극 결합(anodic bonding)과 같은 방법들에 의해 양호한 씰을 얻기 위해 결합 인터페이스에서 매우 평평한 표면들을 요구한다. 가스켓 레이어는 이 요구조건을 완화시키며, 극도의 평평한 표면들을 초래하지 않는 머시닝(machining) 및 성형과 같은 제조 처리들의 이용을 허용한다. 가스켓 두께는, 실질적인 기계적 압력이 상기 칩에 인가되어도, 각 경성 레이어에서의 채널들이 폐색되는 것을 불가능하게 하도록, 설계될 수 있다.The gasket layer-if thick enough-can "absorb" a small amount of non-uniformity in the rigid layers. Other hard chip microfluidics techniques (only involving glass or silicon) require very flat surfaces at the bonding interface to obtain a good seal by methods such as anodic bonding. The gasket layer relaxes this requirement and allows the use of manufacturing processes such as machining and forming that do not result in extremely flat surfaces. The gasket thickness can be designed to make it impossible for channels in each hard layer to be occluded, even if substantial mechanical pressure is applied to the chip.

본 발명의 제 3 레이어(60)는, 레이어 재료가 상대적으로 경질이고(80psi까지의 힘을 견딜 수 있는), 투명성이 절대적으로 필요치 않더라도 바람직하게는 투명하다는 것을 전제로, 다양한 재료들로부터 제조될 수 있다. 이 제 3레이어는, 이 레이어에 도달하는 모든 종들이 벤트(110)를 통해 인가된 진공을 통해 제거된다는 가정하에, 반응에 융화적일 필요는 없다. 본 발명의 제 2 가스켓 레이어를 위한 가능성 있는 재료들의 예들은, 이들로 제한되지 않지만, DCPD, 유리, 폴리카보네이트, 및 석영을 포함한다.The third layer 60 of the present invention may be made from a variety of materials, provided that the layer material is relatively hard (which can withstand forces up to 80 psi) and is preferably transparent even though transparency is not absolutely necessary. Can be. This third layer need not be compatible with the reaction, assuming that all species reaching this layer are removed through a vacuum applied through vent 110. Examples of possible materials for the second gasket layer of the present invention include, but are not limited to, DCPD, glass, polycarbonate, and quartz.

밸브들의 작동Operation of valves

본 발명의 미세유체장치의 밸브들은 작동의 수단을 요구한다. 가장 효율적인 유체 제어 및 누출 방지 동작을 위해, 밸브들은 기계적인 수단들에 의해 작동된다. 즉, 대상은 힘을 제 2 가스켓 레이어로 전달하고, 이후, 상기 제 2 가스켓 레이어는 유체채널을 폐색하기 위해 작동된다. 그러한 대상의 예는 핀이다. 상기 핀은 밸브 핀홀(20)에 위치한 공동 금속 핀(117)일 수 있다. 밸브 핀홀은 상기 핀이 잘못된 방향을 회피하도록 가이드하는 역할을 한다.The valves of the microfluidic device of the present invention require a means of operation. For the most efficient fluid control and leakage prevention operation, the valves are operated by mechanical means. That is, the subject transfers a force to the second gasket layer, after which the second gasket layer is actuated to close the fluid channel. An example of such an object is a pin. The pin may be a hollow metal pin 117 located in the valve pinhole 20. The valve pinhole serves to guide the pin to avoid the wrong direction.

레이어들의 조립Assembly of layers

미세유체장치의 레이어들(30, 40, 60)은 화학적 접착 또는 기계적 수단들을 통해 함께 조립될 수 있다.The layers 30, 40, 60 of the microfluidic device may be assembled together via chemical bonding or mechanical means.

기계적 조립( 비접착 ). 기계적 수단들(나사들 또는 클램프들)은 다중 경화 단계들의 불일치를 회피한다. 또한, 기계적 수단들은 장치가 조립해체되어 가능하다면 재사용되는 것을 허용한다. 도 5a는, 나사들을 이용하여 조립된 가스켓 칩의 단면도로서, 여기서 2개의 나사들(270)이 2개의 나사 홀들(280)에 제공되며, 상기 2개의 나사 홀들은 3개의 레이어들을 가로지르며 따라서, 모놀리식 미세유체장치를 형성한다. 대안적으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 클램프(310)가 미세유체구조의 기계적인 조립을 위해 사용된다. Mechanical assembly ( non-adhesive ) . Mechanical means (screws or clamps) avoid mismatches in multiple curing steps. In addition, mechanical means allow the device to be disassembled and reused if possible. FIG. 5A is a cross sectional view of a gasket chip assembled using screws, wherein two screws 270 are provided in two screw holes 280, the two screw holes traversing three layers and thus, FIG. A monolithic microfluidic device is formed. Alternatively, as shown in FIG. 5B, at least one clamp 310 is used for mechanical assembly of the microfluidic structure.

기계적 조립 수단들을 이용하는 경우, 새로운 미세유체 칩 재료들이 신속하게 평가될 수 있다. 기계적 조립은, 새로운 재료들의 결합(화학적 접착)을 위한 제조 프로토콜들을 개발하는데 일반적으로 요구되는 상당한 양의 시간을 없앤다. 또한, 어느 바람직한 반응에 대해 바람직한 재료들이, 그들이 잘 결합되지 않은 다른 레이어 재료들과 함께 활용될 수 있으며 사용될 수 있다. 예를 들어, 비활성(inert)으로 알려진 상업적인 이미 만들어진 재료들, 가령, Teflon, 유리, Chemraz, PEEK, Simriz, Larez, 및 기타는 그들의 화학적 결합을 위해 수정될 수 없음에도 불구하고 사용될 수 있다.When using mechanical assembly means, new microfluidic chip materials can be quickly evaluated. Mechanical assembly eliminates the considerable amount of time typically required to develop manufacturing protocols for bonding new materials (chemical adhesion). In addition, preferred materials for any desired reaction can be utilized and used with other layer materials to which they are not well bonded. For example, commercially prepared materials known as inerts such as Teflon, glass, Chemraz, PEEK, Simriz, Larez, and others can be used despite being unable to modify for their chemical bonding.

비접착 조립은 또한 3 레이어들 이상의 가능성을 허용한다. 예를 들어, 다음의 레이어들(상부에서 하부까지): (i)두껍고, 경질의 밸브-안내 레이어; (ii)밸브 막들로서 작용하는 얇고 유연한 가스켓 레이어; (iii)유체 채널들을 포함하는 얇고, 경질의 레이어; (iv)가스 교환 막으로 작용하는 얇고 유연한 가스켓 레이어; (v)진공 벤트 채널들을 포함하는 두껍고, 경질의 레이어;를 가지는 5-레이어 칩을 상상할 수 있다. 이 아키텍쳐는 가스켓 재료의 요구조건들을 분리하는 이점을 가지며; 하부 가스켓은 투과성이 있어야하지만 유연하거나 거칠(tough) 필요는 없는 반면, 상부 가스켓은 거칠고 유연해야하지만 가스 투과성이 있을 필요는 없다. 이것은 장치 제조를 위한 적절한 재료들의 범주를 더 확장한다.Non-stick assembly also allows the possibility of more than three layers. For example, the following layers (from top to bottom): (i) thick, rigid valve-guide layers; (ii) a thin flexible gasket layer acting as valve membranes; (iii) a thin, rigid layer comprising fluid channels; (iv) a thin, flexible gasket layer acting as a gas exchange membrane; (v) a five-layer chip having a thick, hard layer comprising vacuum vent channels. This architecture has the advantage of separating the requirements of the gasket material; The lower gasket must be permeable but need not be flexible or tough, while the upper gasket must be coarse and flexible but need not be gas permeable. This further expands the range of suitable materials for device manufacture.

기계적 조립으로, 부분적으로 경화된 상태들 동안 조립에 대한 필요성으로 인해서 처리 방법들이 제한되지 않는다. 예를 들어, 미경화된 연성 젤형 가스켓 레 이어들은, 주름잡히는 것과 손상을 방지하기 위해 처리하는 동안 기판에 의해 지지되어야 한다. 전형적으로, 다른 제조 접근법들에서는, 두꺼운 레이어가 젤형 레이어에 먼저 적층되고 그것에 결합된다. 비접촉 칩들은, 스스로 처리되기에 (예를 들어 핀셋들(tweezers)을 가지고) 충분한 힘/거칠기를 가지며, 그들을 처리하기에 어렵게 만드는 미경화된 재료들과 연관된 끈적끈적함/접착성이 많이 부족한, 완전히 경화된 가스켓 레이어들의 사용을 허용한다. With mechanical assembly, the processing methods are not limited due to the need for assembly during partially cured states. For example, uncured soft gelled gasket layers should be supported by a substrate during processing to prevent wrinkling and damage. Typically, in other manufacturing approaches, a thick layer is first laminated to and bonded to the gelled layer. Contactless chips are completely lacking the stickiness / adhesion associated with uncured materials that have sufficient strength / roughness to process themselves (eg with tweezers) and make them difficult to handle. Allows the use of cured gasket layers.

일 실시예에서, 기계적 조립은 자기-정렬적이다(self-aligning). 경질의 제 1 및 제 3 레이어들이 CNC(computer numerical control) 장치에 제조될 때, 나사 홀들은 칩이 단지 하나의 가능한 방법으로 함께 피트되도록 허용하는 정교한 위치들에서 이 레이어들에 위치한다. 비기계적 방법들은 특징부들의 오정렬을 일반적으로 초래하는 레이어들의 수동 배열을 요구하며, 따라서 이것은 칩의 성능을 감소시키고 종종 실패를 유도하는 것을 주지해야한다.In one embodiment, the mechanical assembly is self-aligning. When hard first and third layers are manufactured in a computer numerical control (CNC) device, the screw holes are located in these layers in sophisticated locations that allow the chip to fit together in only one possible way. It should be noted that non-mechanical methods require manual arrangement of layers that generally result in misalignment of features, which in turn reduces the performance of the chip and often leads to failure.

도 5a 및 도 5b5A and 5B

상기 접근법은, 경질의 DCPD(dicyclopentadiene) 벤트(제 3) 레이어, 경질의 DCPD 흐름(제 1) 레이어, 및 완전히 경화된 탄성 FNB/DNB(fluoronorbornene/decylnorbornene) 가스켓 레이어를 이용함으로써, 최근 입증되었다. 도 5a는, 6 홀들의 매칭 셋트들이 DCPD 레이어들의 각각으로-벤트 레이어의 관통홀들 및 흐름 레이어의 스레디드(threaded) 홀들로 드릴되는(drilled) 것을 도시한다. 홀들은 나사들(270)이 통과하는 장소에 대응하는 6개의 위치들에서 가스켓 레이어를 통해 펀치되었다. 장치의 3개의 레이어들은 중간 토르크(손으로) 로 죄어진 나사들에 의해 함께 조립되고 지지된다. 씰은, 아세토니트릴(acetonitrile)을 흐름 채널들로 주입함으로써 테스트된, 유체 압력의 적어도 45psi를 유지하기에 충분하였다. 칩의 밸브들은, 접착방법들에 의해 제조된 칩들에서의 밸브들을 작동하기 위해 필요한 바와 같은 유사한 조건들에서 정확하게 기능하고 동작하였다. This approach has recently been demonstrated by using a hard dicyclopentadiene (DCPD) vent (third) layer, a hard DCPD flow (first) layer, and a fully cured elastic fluoronorbornene / decylnorbornene (FNB / DNB) gasket layer. FIG. 5A shows that the matching sets of 6 holes are drilled into each of the DCPD layers—through holes in the vent layer and threaded holes in the flow layer. The holes were punched through the gasket layer at six locations corresponding to where the screws 270 pass. The three layers of the device are assembled and supported together by screws tightened with intermediate torque (by hand). The seal was sufficient to maintain at least 45 psi of fluid pressure, tested by injecting acetonitrile into the flow channels. The valves of the chip functioned and operated correctly under similar conditions as needed to operate the valves in the chips produced by the bonding methods.

칩은 트랩된 아세토니트릴(액체 및 증기)을 가지고 시간의 긴 기간 동안(2시간) 고온(100℃)에 노출되었으며, DCPD의 약한 경성에도 불구하고 어떠한 누출도 관찰되지 않았다.The chip was exposed to high temperature (100 ° C.) for a long period of time (2 hours) with trapped acetonitrile (liquid and vapor) and no leakage was observed despite the mild stiffness of DCPD.

경질의 상태로 완전히 경화 처리한 후 DCPD로 드릴된 홀들로 스테인리스 스틸 튜빙(tubing)을 삽입함으로써 칩에 대한 연결이 이루어졌다. 홀의 정확한 사이즈/품질과 정확한 튜빙 직경에 의존하여, 다수의 경우들에서 마찰 조임성(friction fit)은 액체 기밀의 씰을 적어도 45psi까지 형성하기에 충분하였다. 우수한 씰을 보증하기 위해, 어떤 FNB/DNB 프리커서(precursor)가, 칩으로부터 돌출하고 제 위치에서 경화된 튜빙의 각 피스 주위에 적층되었다. 다른 "글루" 재료들이 적당할 수 있다. 칩에 맞게 만들어진 메이팅 홀들로 나사 결합되는 특별한 부속품들(fittings) 또는 다양한 다른 특화된 부속품들의 사용을 상상할 수 있다. 또한, DCPD 또는 경성 레이어들이 "젤형(gelled)" 상태에 있는 동안 홀들을 펀치하고 튜빙을 삽입하는 것과, 이후에 DCPD를 완성을 위해 경화시키는 것을 생각할 수 있다. The connection to the chip was made by inserting stainless steel tubing into the holes drilled with DCPD after fully hardening to a hard state. Depending on the exact size / quality of the hole and the correct tubing diameter, in many cases a friction fit was sufficient to form a liquid tight seal up to at least 45 psi. To ensure a good seal, a certain FNB / DNB precursor was stacked around each piece of tubing that protruded from the chip and cured in place. Other "glue" materials may be suitable. One can imagine the use of special fittings or various other specialized accessories that are screwed into mating holes made for the chip. It is also conceivable to punch holes and insert tubing while the DCPD or hard layers are in a "gelled" state, and then to cure the DCPD for completion.

일 실시예에서, 여기서 설명된 바와 같이 적어도 3개의 레이어들을 포함하는 미세유체구조는 나사들(270)을 이용하여 조립된다(도 5a). 대안적인 실시예에서, 여기서 설명된 바와 같이 적어도 3개의 레이어들을 포함하는 미세유체구조는 적어도 하나의 클램프(310)(도 5b)를 이용하여 조립된다.In one embodiment, the microfluidic structure comprising at least three layers as described herein is assembled using screws 270 (FIG. 5A). In an alternative embodiment, the microfluidic structure comprising at least three layers as described herein is assembled using at least one clamp 310 (FIG. 5B).

접착에 의한 조립. 두꺼운 레이어들(예를 들어, 제 1 및 제 3 레이어)은 아래에서 설명되며 도 6 내지 도 8에 도시된 성형(molding)을 통해, 또는 핫-엠보싱, 사출성형, 전통적인 머시닝, 등과 같은 다른 기술에 의해, 제조될 수 있다. 유사하게, 가스켓 레이어들은 스핀코팅, 주조, 사출성형, 등과 같은 다양한 기술들에 의해 제조될 수 있다. 결합 방법들은 선행기술에서 알려져 있다(예를 들어, 미국특허번호 7,040,338; US 출원번호 11/297,651 참조). Assembly by bonding . Thick layers (eg, first and third layers) are described below and through molding shown in FIGS. 6-8, or other techniques such as hot-embossing, injection molding, traditional machining, and the like. Can be prepared by. Similarly, gasket layers can be manufactured by various techniques such as spin coating, casting, injection molding, and the like. Binding methods are known in the art (see, eg, US Pat. No. 7,040,338; US Application No. 11 / 297,651).

레이어들의Of layers 성형 Molding

도 6a 내지 도 6f는, 제 1 레이어에 유체 채널들 및 반응영역과 같은 특징부들을 형성하고, 제 1 레이어에 벤트 채널들을 형성하고, 제 1 및 제 3 경성 레이어들 사이에 가스켓 레이어와 함께 모든 3개의 레이어들을 통해 핀 밸브 홀들을 제공하는 스텝형 방법을 도시한다. 6A-6F illustrate features such as fluid channels and reaction zones in the first layer, vent channels in the first layer, and a gasket layer between the first and third rigid layers. A stepped method of providing pin valve holes through three layers is shown.

어떤 경성 재료들은 그것의 속성들에 있어서 엘라스토머를 닮은 그들의 경화 프로파일에서 중간의 상태를 가진다. 일 실시예에서, 경성 레이어들은 핀들과 슬리브들 없이 대응하는 주형들에서 주조되고 중간의(엘라스토머와 같은) 상태로 경화된다. 가스켓 레이어는 Si 웨이퍼의 것과 같은 평평한 표면(215)에 주조되거나 또는 스핀-코팅된다. 경성 레이어들은 주형들로부터 제거되며(후자가 왁스 주형들인 경우, 왁스는 이 포인트에서 씻어낼 수 있다), 유체 입구들 및 출구(I/O) 포트들(25)을 위한 홀들 및 그들에 펀치된 핀 홀들(20)을 가진다. 이후, 그들은 유체 전달을 위한 금속 핀들과 엑츄에이터 핀들과 조립된다. 이후, 그들은 그들 사이에 가스켓을 위치시키는 그들의 바닥 표면들에 의해 결합되고, 3-레이어 장치를 가져오는 그들의 최종 상태로 경화된다. 이 방법(도 6a 내지 도 6f)은, 합성 내내 칩을 함께 지지하기에 충분하게 설명된 용이한 핀 삽입 및 레이어들의 접착을 보증한다.Some hard materials have an intermediate state in their curing profile that resembles an elastomer in their properties. In one embodiment, the rigid layers are cast in corresponding molds without pins and sleeves and cured to an intermediate (such as elastomer) state. The gasket layer is cast or spin-coated on a flat surface 215 such as that of the Si wafer. The hard layers are removed from the molds (if the latter are wax molds, the wax can be washed off at this point), holes for the fluid inlets and outlets (I / O) ports 25 and punched in them. It has pin holes 20. They are then assembled with metal pins and actuator pins for fluid delivery. They are then joined by their bottom surfaces placing a gasket between them and cured to their final state resulting in a three-layer device. This method (FIGS. 6A-6F) ensures easy pin insertion and adhesion of the layers described sufficiently to support the chip together throughout the synthesis.

이 제조를 위한 단계들은 다음과 같다: 왁스 주형들에서 주조된 벤트(235) 및 흐름(230) 레이어들이 엘라스토머와 같은 상태로 경화된다(도 6a). 연성의 벤트 및 흐름 레이어들은 주형들로부터 제거되며, 홀 펀칭 및 핀 삽입이 이어진다(도 6b). 얇은 엘라스토머 가스켓 레이어가 이후 평평한 표면에서 주조되고 단지 젤상태 이후로 부분적으로 경화된다(도 6c). 이후, 제 1 하부 흐름 레이어(30)은 가스켓 레이어(40)의 상부로 드롭된다. 이 단계에서 최소의 접착성은 가스켓 레이어와 바닥 평평한 표면(215) 사이에서보다 흐름 레이어 및 가스켓 레이어 사이에서 더 강해질 필요가 있다(도 6d). 과도한 얇은 레이어를 절단한 후, 2개의 레이어들은 주조 표면(215)로부터 벗겨지고 전화(invert)된다(도 6e). 제 1, 2개의 레이어의 상부에 벤트 레이어를 부가한 후, 조립은 2개의 경성 레이어들(30, 60)과 그들 사이의 하나의 연성 레이어(40)을 포함하는 잘 접착된 장치를 가져오는 완성을 위해 경화된다(도 6f).The steps for this manufacture are as follows: The vent 235 and flow 230 layers cast in the wax molds are cured to an elastomeric state (FIG. 6A). Soft vent and flow layers are removed from the molds, followed by hole punching and pin insertion (FIG. 6B). A thin elastomeric gasket layer is then cast on a flat surface and only partially cured after gelation (FIG. 6C). Thereafter, the first lower flow layer 30 is dropped to the top of the gasket layer 40. Minimal adhesion at this stage needs to be stronger between the flow layer and the gasket layer than between the gasket layer and the bottom flat surface 215 (FIG. 6D). After cutting the excess thin layer, the two layers are peeled off from the casting surface 215 and inverted (FIG. 6E). After adding the vent layer on top of the first and second layers, the assembly is completed resulting in a well bonded device comprising two rigid layers 30, 60 and one soft layer 40 therebetween. Hardened (FIG. 6F).

도 7a Figure 7a 내지 도To 7f 7f

도 7a, 7b.희생 왁스가 유체(230) 및 벤트(235) 레이어들 양자를 위해 성형한다. 일 실시예에서, 이 주형들은 Si 웨이퍼(215)에 3-D 프린터에 의해 프린트된다. 다른 실시예에서, 이 왁스 주형들은, Si-웨이퍼 또는 왁스가 약하게 부착될 수 있는 다른 기판 상의 엘라스토머 "역 주형(inverse mold)"으로부터 형성될 수 있다. 결합은 왁스를 제 위치에서 지지하기에 충분히 강해야하지만, 기판이 제거될 때 왁스가 성형된 부분으로 해제되는 것을 허용하도록 충분히 약해야 한다. 그러한 조건들은 관련기술의 당업자에게 최적화될 수 있다.7A, 7B. A sacrificial wax forms for both the fluid 230 and vent 235 layers. In one embodiment, these molds are printed on a Si wafer 215 by a 3-D printer. In other embodiments, these wax molds may be formed from elastomeric “inverse molds” on Si-wafers or other substrates to which the wax may be weakly attached. The bond should be strong enough to support the wax in place, but weak enough to allow the wax to be released into the molded part when the substrate is removed. Such conditions can be optimized to those skilled in the art.

도 7c. 역 주형의 준비 이후 다음 단계는, 제한된 공간에서 예비중합체(pre-polymer)를 유지하고(a) 그리고 유체 레이어의 경우에 I/O 포트들(25)을 유지하는(b) 주형들 주변에 경계들(borders: 240)을 생성하는 것이다. 이 경계들은, 기판에 잘 밀봉되고 경성의 예비 중합체를 흡수하지 않거나 그것에 반응하지 않는 엘라스토머로 다시 한번 형성될 수 있다. 이 경계들의 높이는 다음 단계에서 형성된 레이어들의 두께를 결정한다. 상부 레이어는 주형에 부착될 핀 슬리브들(밸브들 용)(20)을 필요함으로써, 그들은 경성의 중합체가 경화될 때 제 위치에서 록킹된다. 이들은 왁스 팽창들에 부착되며 수직적으로 서있으며, 위에서부터 경질의 "guide(260)"에 의해 제 위치에서 유지된다. 벤트 I/0 포트들에 대해서 동일한 연결이 이루어진다. 제 1 하부(유체) 레이어 연결은, 엘라스토머 경계에 의해 지지되고 유체채널 특징부들의 단부들에서 왁스 팽창들로 연결되는 핀들로 주형의 측들을 통해 이루어진다.7C . After preparation of the inverse mold, the next step is to keep the pre-polymer in a confined space (a) and in the case of a fluid layer to hold the I / O ports 25 (b) around the molds To generate borders (240). These boundaries can be formed once again with an elastomer that is well sealed to the substrate and does not absorb or react with the rigid prepolymer. The height of these boundaries determines the thickness of the layers formed in the next step. The upper layer requires pin sleeves (for valves) 20 to be attached to the mold so that they are locked in place when the hard polymer is cured. They are attached to the wax swells and stand vertically and are held in place by a rigid "guide 260" from above. The same connection is made to the vent I / 0 ports. The first lower (fluid) layer connection is made through the sides of the mold with pins supported by the elastomeric boundary and connected to wax expansions at the ends of the fluid channel features.

도 7d. 다음, 도 7c의 조립체들은, 그들에서 경화되는 것이 허용되는 경성의 예비 중합체로 채워진다(도 7d). 유체 레이어의 경우에, 예비 중합체는, 최종 장치에서 가열부재와 접촉해야만 하는 표면의 평평한 성질을 보존하기 위해, 유리 커버 슬립(300)으로 커버된다. Figure 7d. The assemblies of FIG. 7C are then filled with a rigid prepolymer that is allowed to cure there (FIG. 7D). In the case of a fluid layer, the prepolymer is covered with a glass cover slip 300 to preserve the flat nature of the surface that must be in contact with the heating element in the final device.

도 7e. 경성 중합체는, 지지되지 않은 구조들이 그들의 형태를 유지하고 특징부들을 보존하도록 허용하는 초기의 젤 단계로 경화된다. 이 후, 경계들(240), 유리 커버 슬립(300), 및 기판들(215)은 제거되어, 왁스 및 핀들을 가진 중합체를 남긴다(도 7e). 경성의 레이어들이 주형들로부터 제거된다. 제 1(유체) 레이어는 뒤집어진 것으로 묘사된다.Figure 7e. The hard polymer is cured in the initial gel stage allowing unsupported structures to retain their shape and preserve features. Afterwards, the boundaries 240, the glass cover slip 300, and the substrates 215 are removed, leaving a polymer with wax and pins (FIG. 7E). Hard layers are removed from the molds. The first (fluid) layer is depicted as inverted.

도 7f. 스페이서 특징부들(45)이 엘라스토머 레이어(40)의 두께를 제어하기 위해 유체 레이어(그것을 뒤집은 후)에 놓여진다. 엘라스토머 예비 중합체는, 지지부들에 안착된 상부(벤트) 레이어(60)로 바로 커버되는, 스페이서 특징부들을 가진 유체 레이어의 상부로 주입된다. 이후, 전체 조립이 완성을 위해 경화된다(도 7f).7F. Spacer features 45 are placed in the fluid layer (after flipping it over) to control the thickness of the elastomer layer 40. The elastomeric prepolymer is injected into the top of the fluid layer with spacer features, directly covered with the top (vent) layer 60 seated on the supports. Thereafter, the entire assembly is cured to completion (FIG. 7F).

최종 단계는 유기 솔벤트들로 칩을 용해하고 세정함으로써 희생 왁스의 제거를 수반한다. 왁스는 한번 제거되면, 그것은 다중 단계 합성을 위해 필요한 모든 아키텍쳐를 가진 칩을 생성한다. 그것은 화학적 반응들에 활성인 재료들로 형성된다. 밸브들은 최소 핀 압력으로 편향될 수 있는 얇은 막들을 가지며, 반응기는 효율적인 증발 및 솔벤트 교환을 허용하는 얇은 가스 투과성의 막에 의해 진공 벤트로부터 분리된다.The final step involves the removal of the sacrificial wax by dissolving and cleaning the chip with organic solvents. Once the wax is removed, it produces a chip with all the architecture necessary for multi-step synthesis. It is formed of materials that are active in chemical reactions. The valves have thin membranes that can be deflected to minimum pin pressure, and the reactor is separated from the vacuum vent by a thin gas permeable membrane that allows for efficient evaporation and solvent exchange.

도 8a 8a 내지 도To 8d 8d

대안적인 실시예에서, 도 6 및 도 7에 대응하는 절차들에서 3-D 왁스의 프린팅이 특징부들의 바람직한 평탄성을 생성하지 않은 경우, 다음의 "터브" 주형 방법이 사용될 수 있다.In an alternative embodiment, if the printing of 3-D wax in the procedures corresponding to FIGS. 6 and 7 did not produce the desired flatness of the features, the following “tub” mold method may be used.

도 8a. 엘라스토머 "터브" 주형. 유체 및 벤트 레이어들 양자를 위해 포토레 지스트 주형들로부터 엘라스토머 주형들(280)을 준비한다(도 8a). 엘라스토머는 경성의 레이어 프리커서에 의해 채워질 터브(tub)를 형성해야 한다. 이 터브의 벽들의 높이는 결과적인 레이어 두께를 결정한다. 유체 I/O 포트들(25(공동 금속 핀들)은 "터브" 주형의 측들을 통해 삽입되며 유체 채널들의 단부들에서 저장통들에 연결된다. 엘라스토머로부터 이 주형을 형성하는 이유는, (a)밀집한 특징부들을 가진 하드 부분의 연성 주형으로부터의 제거의 용이함과, (b) I/O 포트 연결이 파트가 제거될 때 주형을 파괴해야만 하기 때문이다.8A. Elastomer "Tub" template. Elastomeric molds 280 are prepared from photoresist molds for both fluid and vent layers (FIG. 8A). The elastomer must form a tub to be filled by the rigid layer precursor. The height of the walls of this tub determines the resulting layer thickness. Fluid I / O ports 25 (joint metal pins) are inserted through the sides of the “tub” mold and are connected to the reservoirs at the ends of the fluid channels. The reason for forming this mold from the elastomer is (a) dense Ease of removal from the flexible mold of the hard part with the features, and (b) the I / O port connection must destroy the mold when the part is removed.

도 8b. 경성 레이어 주조. 최종장치에서 가열부재와 접촉할 평평한 표면을 형성하기 위해 촉진된 예비 중합체를 터브에 적층하고 유리 커버 슬립으로 커버한다(도 8b).8B. Rigid layer casting. The accelerated prepolymer is laminated to the tub and covered with a glass cover slip to form a flat surface that will contact the heating element in the final device (FIG. 8B).

도 8c. 젤형 하드 레이어. "젤" 상태로 경성의 중합체를 경화한다(주형으로부터 제거되기에 충분히 경질이지만, 부분적으로만 경화됨). 커버 슬립과 주형을 제거하고 부분을 전화시킨다(도 8c).Figure 8c. Gel hard layer. Curing the rigid polymer in a "gel" state (hard enough to be removed from the mold, but only partially cured). The cover slip and mold are removed and the part is replaced (FIG. 8C).

도 8d. 엘라스토머 씰을 가지는 젤형 주형에 왁스를 주입하기. 용해된 왁스를 표면에 부가하거나 레이저 블레이드형 장비를 가지고 과도한 것을 제거하는 것에 의해, 또는 주형을 접촉 표면들에서 엘라스토머 씰링(290)의 평평한 피스로 커버하고 I/O 포트들을 통해 뜨거운 왁스를 채우는 것에 의해, 유체 네트워크를 희생왁스로 채운다(도 8d). 냉각 시, 왁스는 도 6 및 도 7의 이전 주형 방법들에 도시된 제조 중간물들을 생성하는 것을 굳힌다.8D. Inject wax into the gel mold with the elastomeric seal. By adding dissolved wax to the surface or removing excess with a laser blade-type equipment, or by covering the mold with a flat piece of elastomer sealing 290 at the contact surfaces and filling the hot wax through the I / O ports. Thereby filling the fluid network with sacrificial wax (FIG. 8D). Upon cooling, the wax hardens to produce the manufacturing intermediates shown in the previous mold methods of FIGS. 6 and 7.

유체구조Fluid structure

본 개시는, 제 1 레이어; 상기 제 1 레이어와 접촉하는 제 2 레이어로서 유연한 레이어인 제 2 레이어; 상기 제 2 레이어과 접촉하는 제 3 레이어; 상기 제 2 레이어에 근접하게 위치하는 적어도 하나의 유체채널; 상기 제 3 레이어을 통과하며 상기 제 2 레이어에서 멈추는 적어도 하나의 밸브 핀 홀; 적어도 하나의 핀, 을 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나의 핀은 상기 제 2 레이어를 작동시키도록 활성화 가능함으로써, 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색시키며; 여기서 상기는 통합된 유체 장치를 함께 형성한다.The present disclosure, the first layer; A second layer, which is a flexible layer as a second layer in contact with the first layer; A third layer in contact with the second layer; At least one fluid channel located proximate to the second layer; At least one valve pin hole passing through the third layer and stopping at the second layer; At least one pin, wherein the at least one pin is activable to actuate the second layer, thereby occluding the at least one fluid channel; Wherein they together form an integrated fluidic device.

본 발명의 유체 구조는 많은 배향들을 가질 수 있다. 수직적 배향에서, 상기 제 1 레이어는 하부 레이어 일 수 있으며, 이 경우, 상기 제 2 레이어는 상기 제 1 레이어 위에 놓이는 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 제 2 중간 레이어위에 놓이는 상부 레이어이다. 대안적으로, 상기 제 1 레이어은 상부 레이어이며, 여기서 상기 제 2 레이어는 상기 제 1 레이어 아래에 놓이는 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 제 2 중간 레이어 아래에 놓이는 하부 레이어이다.The fluid structure of the present invention may have many orientations. In a vertical orientation, the first layer may be a lower layer, in which case the second layer is an intermediate layer overlying the first layer and the third layer is an upper layer overlying the second intermediate layer. Alternatively, the first layer is an upper layer, wherein the second layer is an intermediate layer lying below the first layer and the third layer is a lower layer lying below the second intermediate layer.

수평 배향에서는, 상기 제 1 레이어는, 가장 좌측의 레이어인 제 3레이어의 우측에 위치한 제 2 레이어의 우측에 위치하는 우측 레이어이다. 대안적으로, 상기 제 1 레이어는 제 2 중간 레이어의 좌측에 위치한 좌측 레이어이며, 여기서 상기 중간레이어는 상기 제 3 레이어의 좌측에 위치하며, 상기 제 3 레이어는 상기 중간레이어의 우측의 레이어이다.In the horizontal orientation, the first layer is a right layer located on the right side of the second layer located on the right side of the third layer which is the leftmost layer. Alternatively, the first layer is a left layer located to the left of the second intermediate layer, wherein the intermediate layer is located to the left of the third layer and the third layer is a layer to the right of the intermediate layer.

유체구조의 스케일 Scale of fluid structure

본 개시의 유체구조의 사이즈 및 스케일과 대응하는 채널 및 핀 사이즈들은 주어진 응용을 위해 요구될 때 변경가능하다. 마이크론(작은) 사이즈와 밀리미터(큰) 사이즈 양자에 이점들과 단점들이 있다는 것을 관련기술의 당업자에게 명백하다. 따라서, 관련기술의 당업자는 주어진 응용에 대해서 최고로 작업할 유체구조의 스케일을 최적화할 수 있다. 본 개시의 유체구조는, 직경에 있어서 사이즈 10㎛ 내지 1㎜의 범위를 가지는 채널들과, 길이에 있어서 사이즈 0.25 인치에서 12인치, 또는 그 이상 또는 직경에 있어서 100㎛ 내지 1밀리미터 범위를 가지는 핀들을 가질 수 있다. 1 센티미터의 직경을 가지는 핀 및 물론 1 밀리미터 및 1 센티미터 사이의 핀 직경을 가지는 핀을 고려할 수 있다.The channel and pin sizes corresponding to the size and scale of the fluidic structure of the present disclosure are changeable as desired for a given application. It is apparent to those skilled in the art that there are advantages and disadvantages to both micron (small) size and millimeter (large) size. Thus, those skilled in the relevant art can optimize the scale of the fluidic structure that will work best for a given application. The fluid structure of the present disclosure includes channels having a size in the range of 10 μm to 1 mm in diameter and pins having a size in the range of 0.25 inches to 12 inches in length, or more or 100 μm to 1 millimeter in diameter. Can have A pin having a diameter of one centimeter and of course a pin having a pin diameter between one millimeter and one centimeter can be considered.

온도 제어Temperature control

본 개시의 유체구조는 가열 싱크(예를 들어 Peltier 장치)와 팬(fan)과 같은 온도 제어장치와 결합될 수 있다. 유체구조들은 합성 칩(215) 아래에 위치한 부착된 가열 싱크를 가질 수 있다. 온도 제어장치들의 어레이는, 특정 유체 반응에 대한 필요에 따라서 본 개시와 결합될 수 있다. 관련 기술의 당업자는 본 개시의 유체구조에 온도제어장치를 제공할 수 있다.The fluidic structure of the present disclosure can be combined with temperature control devices such as heating sinks (eg, Peltier devices) and fans. The fluid structures may have an attached heating sink located below the composite chip 215. An array of temperature controllers can be combined with the present disclosure as needed for a particular fluid reaction. One skilled in the relevant art can provide a temperature control device for the fluid structure of the present disclosure.

대안적인 실시예에서, 유체구조는, 특히, 반응기 영역을 포함하는 본 개시의 합성 칩은 적어도 하나의 벤트 채널을 포함한다. 그러한 벤트 채널(110)(도 5)은, 그것이 반응기 영역으로부터의 솔벤트의 증발을 용이하게 하고 반응기 영역 압력의 감소를 가능하게 하는 한, 다양한 형성물들 중 하나일 수 있다. 도 5의 벤트 채널은 반응기 영역에 근접한 뱀모양 패턴(serpentine pattern)을 형성한다. 이 벤트 채널은, 하나는 플러그되며 다른 하나는 진공에 연결되는, 입력(115) 및 출력(120) 을 가진다. 다른 가능성 있는 벤트 채널 패턴은, 반응기 영역 위로 이 레이어를 통한 증발을 허용하는 제 2 유연한 레이어에서의 반응기 영역 바로 위의 직각 U-형이다. 바람직하게, 벤트 채널은 제 3 레이어와 접촉하며 반응기 영역에 근접하여 위치한다.In an alternative embodiment, the fluidic structure, in particular the composite chip of the present disclosure comprising the reactor zone, comprises at least one vent channel. Such vent channel 110 (FIG. 5) can be one of a variety of formations, as long as it facilitates evaporation of solvent from the reactor zone and allows for a reduction in reactor zone pressure. The vent channel of FIG. 5 forms a serpentine pattern proximate to the reactor region. The event channel has an input 115 and an output 120, one plugged in and the other connected to a vacuum. Another possible vent channel pattern is a right U-shape just above the reactor region in the second flexible layer allowing evaporation through this layer over the reactor region. Preferably, the vent channel is in contact with the third layer and located proximate the reactor region.

응용들Applications

본 기계적으로 활성화된 유체구조의 이로운 응용들은 많다. 따라서, 본 발명은 어느 특정 응용 또는 그것의 이용으로 제한되지 않는다. 바람직한 측면들에서, 본 발명에 대한 다음의 이용들 및 응용들이 생각될 수 있다.There are many beneficial applications of this mechanically activated fluidic structure. Thus, the present invention is not limited to any particular application or use thereof. In preferred aspects, the following uses and applications for the present invention are conceivable.

일반적인 응용에서, 유체구조는 통합된 유체장치에서의 유체 흐름을 제어하기 위해 이용된다. 이 유체채널에서의 유체 흐름은 어느 반응물 유체일 수 있다. 결과적인 처리는 복합물의 합성일 수 있다. 결과적인 유체 복합물은 솔벤트 교환의 결과일 수 있으며, 여기서 제 1 유체 반응물은 유체채널을 통해 공급되며 용질(solute)은 트랩되고(이 응용은 용질을 트랩핑하기 위한 유체 출력 채널에 선택적인 막을 더 포함할 수 있다), 후속적인 제 2 유체 반응물은 동일한 유체채널을 통해 공급되며, 그로 인해, 용질은 상기 제 2 유체 반응물에서 부유한다. 이 방식으로, 본 개시의 유체구조는 솔벤트 교환의 새로운 방법을 제공한다.In typical applications, fluid structures are used to control fluid flow in integrated fluidic devices. The fluid flow in this fluid channel can be any reactant fluid. The resulting treatment may be the synthesis of the composite. The resulting fluid composite may be the result of solvent exchange, where the first fluid reactant is supplied through the fluid channel and the solute is trapped (this application adds an optional membrane to the fluid output channel for trapping the solute). Subsequent second fluid reactant is supplied through the same fluid channel, whereby the solute is suspended in the second fluid reactant. In this way, the fluid structure of the present disclosure provides a new method of solvent exchange.

밸브들의 씰 강도와 결합된 막(가스켓)의 가스 투과성에 의해 허용된 솔벤트 교환 능력은, 위에서 언급한 아키텍쳐에 기반하는 장치가, 그들이 제한된 재료 선택들로 실현될 수 있으므로 유사한 합성 원리들에 의거한 선행 장치들에서 쉽게 합성될 수 없는 PET 프로브들과 같은 방사 조제들(radiopharmaceuticals)의 성공적인 다단계 합성에서 이용되는 것을 허용한다(Lee, C-C. et al. Science, 2005, 310, 1793-1797). 다른 미세유체장치들은 방사 합성을 위해 이용되었지만, 이 장치들은 높은 온도 및 압력을 수용할 필요는 없으며 따라서 밸브들을 가지지 않는다(Gillies, J.M. et al. J. Appl . Rad . Isot. 2006, 64, 325-332). 유사한 밸브들이 설명되었지만(Yuen, P.K et al. J. Micromech . Microeng. 2000, 10, 401-409), 그들은 재료의 다양성 없이 그러한 장치들에 응용되지 않는다. The solvent exchange capability allowed by the gas permeability of the membrane (gasket) combined with the seal strength of the valves is based on similar synthetic principles as devices based on the above-mentioned architecture can be realized with limited material choices. It is used in successful multistage synthesis of radiopharmaceuticals such as PET probes that cannot be readily synthesized in prior devices (Lee, CC. Et al. Science , 2005, 310, 1793-1797). Other microfluidic devices have been used for radiation synthesis, but these devices do not have to accommodate high temperatures and pressures and therefore do not have valves (Gillies, JM et al. J. Appl . Rad . Isot . 2006, 64, 325 -332). Similar valves have been described (Yuen, PK et al. J. Micromech . Microeng . 2000, 10, 401-409) but they are not applied to such devices without a variety of materials.

상기의 처리들(합성, 솔벤트 교환, 정화, 등)이 통합된 유체 처리로 결합되는 것을 상상할 수 있다.It can be imagined that the above processes (synthesis, solvent exchange, purification, etc.) are combined into an integrated fluid treatment.

게시된 바와 같은 유체구조는, 이것으로 제한하지 않지만, 바이오폴리머 합성, 셀 분류, DNA 분류, 화학적 합성, 치료적 합성, 광학유체공학, 반도체 처리, 를 포함하는 응용들에서 이용될 수 있다.Fluid structures as published may be used in applications including, but not limited to, biopolymer synthesis, cell sorting, DNA sorting, chemical synthesis, therapeutic synthesis, optical fluid engineering, semiconductor processing, and the like.

요약하면, 미세유체구조 및 방법이 개시되며, 구조는 효율적이며 재생가능한 구조 생산과 조립을 허용하는 특징부 없는 가스켓 레이어를 포함한다. 적층 방법들은 다양한 장치 재료들의 이용과 용이한 조립을 허용한다. In summary, microfluidic structures and methods are disclosed, wherein the structures include featureless gasket layers that allow for efficient and reproducible structure production and assembly. Lamination methods allow for the use and ease of assembly of various device materials.

예시적인 실시예들이 상기 설명에서 도시되고 설명되었지만, 수많은 변형들 및 대안적 실시예들이 관련기술의 당업자들에게 일어날 것이다. 그러한 변형들 및 대안적 실시예들이 고려되며, 첨부된 청구항들에서 정의된 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어나기 않고 이루어질 수 있다. While illustrative embodiments have been shown and described in the foregoing description, numerous modifications and alternative embodiments will occur to those skilled in the art. Such modifications and alternative embodiments are contemplated and may be made without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (31)

유체구조로서, As a fluid structure, 제 1 레이어;A first layer; 상기 제 1 레이어에 접촉하는 제 2 레이어로서, 상기 제 2 레이어는 평평하고, 유연하고, 가스 투과성이며, 특징부가 없는 제 2 레이어;A second layer in contact with the first layer, the second layer being flat, flexible, gas permeable, and without features; 상기 제 2 레이어에 접촉하는 제 3 레이어;A third layer in contact with the second layer; 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널;At least one fluid channel located in the first layer; 상기 제 3 레이어를 통과하며 상기 제 2 레이어에서 멈추는 적어도 하나의 밸브 핀 홀;At least one valve pin hole passing through the third layer and stopping at the second layer; 적어도 하나의 핀; 을 포함하며, 여기서 상기 적어도 하나의 핀은 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키도록 활성화될 수 있는 유체구조.At least one pin; Wherein the at least one pin is operable to actuate the second layer to occlude the at least one fluid channel. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들이 모놀리식 유체구조를 형성하도록 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 적어도 하나의 기계적 수단을 더 포함하는 유체구조.And at least one mechanical means for assembling the first, second, and third layers such that the first, second, and third layers form a monolithic fluid structure. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 상기 적어도 하나의 기계적 수단은, 나사 홀 및 나사를 포함하며, 여기서 상기 나사 홀은 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 통과하며, 상기 나사를 상기 나사홀로 삽입하는 것과 작동시키는 것을 더 포함함으로써 모놀리식 유체구조를 형성하는 유체구조.The at least one mechanical means for assembling the first, second and third layers comprises a screw hole and a screw, wherein the screw hole passes through the first, second and third layers And actuating and inserting the screw into the screw hole to form a monolithic fluid structure. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 상기 적어도 하나의 기계적 수단은, 클램프를 포함하며, 여기서 상기 클램프는 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들에 힘을 가함으로써 모놀리식 유체구조를 형성하는 유체구조.The at least one mechanical means for assembling the first, second and third layers comprises a clamp, wherein the clamp is applied by applying force to the first, second and third layers. A fluidic structure that forms a noisy fluidic structure. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는, 반응 유체 적층을 위한 반응기 홈을 포함하는 유체구조.Wherein the first layer comprises a reactor groove for stacking reaction fluid. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 3 레이어는 적어도 하나의 벤트 채널을 포함하며, 상기 적어도 하나의 벤트채널은 적어도 하나의 벤트 입력과 하나의 벤트 출력에 연결되는 유체구조.And the third layer comprises at least one vent channel, wherein the at least one vent channel is connected to at least one vent input and one vent output. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는 입력포트를 더 포함하는 유체구조.The first layer further comprises a fluid input port. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 적어도 하나의 핀은 공동의 금속 와이어인 유체구조.Said at least one pin being a cavity metal wire. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 1 레이어의 유체채널에서 상승된 특징부를 더 포함하며, 여기서 상기 상승된 특징부는 상기 밸브 핀 홀의 방향에 있으며, 그로 인해 상기 제 2 레이어의 작동은 상기 제 2 레이어를 상기 상승된 특징부와 접촉하도록 위치시키며, 그로 인해 씰을 형성하고 상기 유체채널을 폐색하는 유체구조.A raised feature in the fluid channel of the first layer, wherein the raised feature is in the direction of the valve pin hole, whereby operation of the second layer causes the second layer to be associated with the raised feature. Positioned to be in contact, thereby forming a seal and closing the fluid channel. 제 9 항에 있어서,The method of claim 9, 상기 상승된 특징부는 직사각형이 아닌 유체구조.The raised feature is not rectangular. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는 하부 레이어이며; 상기 제 2 레이어는 상기 하부 레이어 위에 놓이는 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 중간 레이어 위에 놓이는 상부 레이어인 유체구조.The first layer is a lower layer; Wherein said second layer is an intermediate layer overlying said lower layer, and said third layer is an upper layer overlying said intermediate layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는 상부 레이어이며; 상기 제 2 레이어는 상기 상부 레이어 아래에 놓이는 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 중간 레이어 아래에 놓이는 하부 레이어인 유체구조.The first layer is an upper layer; Wherein said second layer is an intermediate layer overlying said upper layer and said third layer is a lower layer overlying said intermediate layer. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는 우측 레이어이며; 상기 제 2 레이어는 상기 우측 레이어의 좌측에 위치한 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 중간 레이어의 좌측에 위치한 좌측 레이어인 유체구조.The first layer is a right layer; And the second layer is a middle layer located to the left of the right layer, and the third layer is a left layer located to the left of the middle layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는 좌측 레이어이며; 상기 제 2 레이어는 상기 좌측 레이어의 우측에 위치한 중간 레이어이며, 상기 제 3 레이어는 상기 중간 레이어의 우측에 위치한 우측 레이어인 유체구조.The first layer is a left layer; The second layer is a middle layer located on the right side of the left layer, and the third layer is a right layer located on the right side of the middle layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 레이어는 균일한 두께를 가지는 유체구조. And the second layer has a uniform thickness. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 1 레이어는, 디시클로펜타디엔, 유리, 금속, 보호 레이어로 코팅된 금속, 세라믹, 폴리카보네이트, 실리콘, 및 흑연, 의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성되는 유체구조.Wherein said first layer is formed of at least one selected from the group consisting of dicyclopentadiene, glass, metal, metal coated with a protective layer, ceramic, polycarbonate, silicon, and graphite. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 3 레이어는, PDMS(polydimethylsiloxane), PEPE(perfluoropolyether), ROMP(ring-opening metathesis polymerization) 중합체, DNB(decylnorbornene), FNB(fluoronorbornene), HNB(hexylnorbornene), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVDF(polyvinyldene difluoride), 라텍스, 및 그들의 조합의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성되는 유체구조.The third layer may include polydimethylsiloxane (PDMS), perfluoropolyether (PEPE), ring-opening metathesis polymerization (ROMP) polymer, dexylnorbornene (DNB), fluoronorbornene (NBN), hexylnorbornene (HNB), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyvinyldene difluoride (PVDF). ), At least one selected from the group consisting of latex, and combinations thereof. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 레이어는, 디시클로펜타디엔, 유리, 폴리카보네이트, 및 석영의 그룹으로부터 선택된 하나로 형성되는 유체구조.Wherein said second layer is formed of one selected from the group consisting of dicyclopentadiene, glass, polycarbonate, and quartz. 유체구조를 제조하는 방법으로서,As a method of manufacturing a fluid structure, 제 1 레이어를 형성하는 단계;Forming a first layer; 상기 제 1 레이어와 접촉하는 제 2 레이어로서, 평평하고, 유연하며, 가스 투과성이며, 특징부가 없는 제 2 레이어를 형성하는 단계;Forming a second layer in contact with the first layer, the second layer being flat, flexible, gas permeable, and without features; 상기 제 2 레이어와 접촉하는 제 3 레이어를 형성하는 단계;Forming a third layer in contact with the second layer; 상기 제 1 레이어에 위치한 적어도 하나의 유체채널을 형성하는 단계;Forming at least one fluid channel located in the first layer; 적어도 하나의 밸브 핀 홀을 형성하는 단계;Forming at least one valve pin hole; 적어도 하나의 핀을 제공하는 단계; 및Providing at least one pin; And 상기 적어도 하나의 유체채널을 폐색하기 위해 상기 제 2 레이어를 작동시키기 위해 상기 적어도 하나의 핀을 작동시키는 수단을 제공하는 단계; 를 포함하는 유체구조 제조방법.Providing means for actuating said at least one pin to actuate said second layer to occlude said at least one fluid channel; Fluid structure manufacturing method comprising a. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 레이어들을 조립함으로써, 모놀리식 유체구조를 형성하는 적어도 하나의 기계적 수단을 제공하는 단계를 더 포함하는 유체구조 제조방법.Providing at least one mechanical means for forming a monolithic fluid structure by assembling the first, second, and third layers. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 상기 제 3 레이어에 위치한 적어도 하나의 벤트 채널을 형성하는 단계를 더 포함하는 유체구조 제조방법.Forming at least one vent channel positioned in the third layer. 제 20 항에 있어서,The method of claim 20, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 레이어들을 조립하기 위한 적어도 하나의 기계적 수단을 제공하기 이전에, 상기 제 1 및 제 3 레이어들을 경화시키는 단계를 더 포함하는 유체구조 제조방법.Hardening the first and third layers prior to providing at least one mechanical means for assembling the first, second and third layers. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 희생 주형들의 이용을 포함하는 유체구조 제조방법.A method of making a fluidic structure comprising the use of sacrificial molds. 제 23 항에 있어서,The method of claim 23, 상기 희생 주형들은 왁스 또는 엘라스토머인 유체구조 제조방법.And said sacrificial molds are waxes or elastomers. 제 23 항에 있어서,The method of claim 23, 상기 희생 주형들은 상기 제 1 및 제 3 레이어들의 특징부들을 형성하는 유체구조 제조방법.And said sacrificial molds form features of said first and third layers. 제 25 항에 있어서,The method of claim 25, 상기 제 1 레이어의 특징부들은, 적어도 하나의 유체채널 및 적어도 하나의 반응기 홈을 포함하며, 상기 제 3 레이어의 특징부들은 적어도 하나의 벤트 채널과 하나의 피홀을 포함하는 유체구조 제조방법.The features of the first layer include at least one fluid channel and at least one reactor groove, and wherein the features of the third layer include at least one vent channel and one hole. 복합물을 합성하기 위한 제 1 항의 유체구조를 사용하는 방법.A method of using the fluidic structure of claim 1 to synthesize a composite. 통합된 유체장치에서 유체 흐름을 제어하기 위한 제 1 항의 유체구조를 사용하는 방법.A method using the fluidic structure of claim 1 for controlling fluid flow in an integrated fluidic device. 제 19 항의 방법에 의해 조립된 장치로서, 상기 제 1 및 제 3 레이어들이 컴퓨터 수치 제어에 의해 제조되는 장치.20. An apparatus assembled by the method of claim 19, wherein the first and third layers are manufactured by computer numerical control. 제 29 항의 방법에 의해 조립된 장치로서, 상기 장치의 상기 제 1, 제 2 및 제 3 레이어들은 자기 정렬(self-aligning)인 장치.30. A device assembled by the method of claim 29, wherein the first, second and third layers of the device are self-aligning. 상기 제 2 레이어를 가로질러 솔벤트의 증발을 수행하기 위한 제 1 항의 유체구조를 사용하는 방법.A method using the fluidic structure of claim 1 for effecting evaporation of solvent across the second layer.
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