KR20140008976A - 미세유동구조물, 이를 포함하는 미세유동장치 및 그 제어방법 - Google Patents

미세유동구조물, 이를 포함하는 미세유동장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치는, 복수의 챔버를 병렬로 연결하되, 병렬로 연결되는 각 챔버의 위치에 차이를 두고, 각 챔버와 그 다음 단계의 챔버를 사이펀 채널로 연결함으로써 별도의 구동원 없이 유체를 복수의 챔버에 효율적으로 정량 분배할 수 있는 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전 가능한 플랫폼 및 상기 플랫폼에 형성되는 미세유동 구조물을 포함하는 미세유동장치에 있어서, 상기 미세유동 구조물은, 샘플을 수용하는 샘플 공급 챔버; 상기 플랫폼의 원주 방향으로 배열되고, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 서로 다른 복수의 제1챔버; 및 상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 사이펀 채널을 포함한다.

Description

미세유동구조물, 이를 포함하는 미세유동장치 및 그 제어방법{MICROFLUIDIC STRUCTURE, MICROFLUIDIC DEVICE HAVING THE SAME AND METHOD CONTROLLING THE MICROFLUIDIC DEVICE}
본 발명은 미세유동구조물 및 미세유동장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 샘플을 다수의 챔버에 효율적으로 분배하고, 유체의 분배 속도 또는 공급 속도를 조절할 수 있는할 수 있는 미세유동구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치에 관한 것이다.
미세유동장치는 소량의 유체를 조작하여 생물학적 또는 화학적인 반응을 수행하는데 사용되는 장치이다.
일반적으로 미세유동장치에서 하나의 독립적인 기능을 수행하는 미세유동 구조물은 유체를 수용하는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널 및 유체의 흐름을 조절할 수 있는 수단을 포함하고, 이들의 다양한 조합에 의해 구현될 수 있다. 소형의 칩(chip) 상에서 면역혈청반응 또는 생화학적 반응 등을 포함한 검사를 수행할 수 있도록 칩형태의 기판에 이러한 미세유동 구조물을 배치하고 여러 단계의 처리 및 조작을 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a chip)이라 한다.
미세유동 구조물 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 디스크 형상의 플랫폼에 미세유동 구조물을 배치하고 원심력을 이용하여 유체를 이동시키며 일련의 작업을 수행하는 디스크형 미세유동장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩씨디(Lab CD) 또는 랩온어디스크(Lab-on a disk)라 하기도 한다.
미세유동 구조물에서는 샘플이나 반응액 등의 유체를 정량으로 조절하는 것과 챔버 사이를 이동하는 유체의 흐름을 조절하는 것이 중요하다. 이를 위해 채널에 별도의 밸브를 장착할 수 있으나, 밸브의 개폐를 위해 별도의 구동원이 필요하다는 문제점이 있었다.
상기 문제점을 보완하기 위해, 별도의 구동원을 요하지 않는 사이펀(siphon) 채널이 제안되었으나, 현재 제안된 사이펀 채널은 샘플 공급 챔버와 분배채널 사이에 설치되어 샘플의 분배에만 사용될 뿐이고, 분배된 샘플의 다음 단계의 이송에 대해서는 제안된 바가 없다.
본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치는, 복수의 챔버를 병렬로 연결하되, 병렬로 연결되는 각 챔버의 위치에 차이를 두고, 각 챔버와 그 다음 단계의 챔버를 사이펀 채널로 연결함으로써 별도의 구동원 없이 유체를 복수의 챔버에 효율적으로 정량 분배할 수 있는 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전 가능한 플랫폼, 및 상기 플랫폼에 형성되는 미세유동 구조물을 포함하는 미세유동장치에 있어서, 상기 미세유동 구조물은, 유체를 공급하는 샘플 공급 챔버; 상기 플랫폼의 원주 방향으로 배열되고, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 서로 다른 복수의 제1챔버; 및 상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 사이펀 채널를 포함한다.
상기 미세유동 구조물은, 상기 샘플 공급 챔버의 유체 배출구 및 상기 복수의 제1챔버와 연결되어 상기 샘플 공급 챔버로부터 상기 복수의 제1챔버로 상기 유체를 분배하는 분배 채널을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 분배 채널을 통해 상기 유체가 흐르는 방향으로 진행할수록, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 유체의 분배 순서가 증가할수록, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 유체가 공급되는 방향을 따라 상기 샘플 공급 챔버의 유체 배출구로부터 멀어질 수록 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 플랫폼의 회전중심을 중심으로 하여 나선형으로 배열되는 것으로 할 수 있다.
상기 사이펀 채널의 최고 지점은 상기 사이펀 채널이 연결된 제1챔버의 최고 수위보다 높은 것으로 할 수 있다.
상기 사이펀 채널의 폭은 0.01mm 내지 3mm로 형성되고, 상기 사이펀 채널의 깊이는 0.01mm 내지 3mm로 형성되는 것으로 할 수 있다.
상기 미세유동 구조물은, 상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나와 연결되는 적어도 하나의 반응 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버, 상기 복수의 제2챔버 및 상기 반응 챔버는 상기 샘플 공급 챔버보다 플랫폼의 중심에서 멀리 형성되는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는, 상기 유체 내의 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 표지 접합체가 수용되어 있고, 상기 표지 접합체는 상기 분석 대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질 및 표지물질의 결합체인 것으로 할 수 있다.
상기 반응 챔버는, 상기 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질이 고정된 검출 영역을 포함할 수 있다.
상기 검출 영역은, 다공성 멤브레인, 마이크로 포어 및 마이크로 필러로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나에 의해 형성되어 모세관력에 의한 유체의 이동을 가능하게 할 수 있다.
상기 미세유동 구조물은, 상기 반응 챔버와 인접한 위치에 형성되어 자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 회전 가능한 플랫폼에 형성되는 미세유동 구조물은 유체를 공급하는 샘플 공급 챔버; 상기 샘플 공급 챔버의 배출구와 연결되는 분배채널; 상기 분배채널을 통해 상기 유체를 공급받고, 상기 플랫폼의 복수의 원주 상에 각각 배열되며, 상기 복수의 원주는 그 반경이 서로 다른 복수의 제1챔버; 및 상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 사이펀 채널을 포함한다.
상기 복수의 원주는, 해당 원주 상에 배열된 제1챔버의 유체 공급 순서에 따라 반경이 증가하는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 분배 채널을 통해 유체가 흐르는 방향으로 진행할 수록, 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 유체의 공급 순서가 증가할 수록, 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버는, 상기 분배 채널을 통해 유체가 흐르는 방향을 따라 상기 샘플 공급 챔버의 유체 배출구로부터 멀어질 수록 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 것으로 할 수 있다.
상기 사이펀 채널의 최고 지점은 상기 사이펀 채널이 연결된 제1챔버의 최고 수위보다 높은 것으로 할 수 있다.
상기 사이펀 채널의 폭은 0.01mm 내지 3mm로 형성되고, 상기 사이펀 채널의 깊이는 0.01mm 내지 3mm로 형성되는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나와 연결되는 적어도 하나의 반응 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 제1챔버, 상기 복수의 제2챔버 및 상기 반응 챔버는 상기 샘플 공급 챔버보다 플랫폼의 중심에서 멀리 형성되는 것으로 할 수 있다.
상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는, 상기 유체 내의 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 표지 접합체가 수용되어 있고, 상기 표지 접합체는 상기 분석 대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질 및 표지물질의 결합체인 것으로 할 수 있다.
상기 반응 챔버는, 상기 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질이 고정된 검출 영역을 포함할 수 있다.
상기 검출 영역은, 다공성 멤브레인, 마이크로 포어 및 마이크로 필러로 구성되는 그룹에서 선택된 어느 하나에 의해 형성되어 모세관력에 의한 유체의 이동을 가능하게 할 수 있다.
상기 미세유동 구조물은 상기 반응 챔버와 인접한 위치에 형성되어 자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동 구조물은, 상기 제2챔버와 상기 반응 챔버 사이에 형성되어 상기 제2챔버에서 상기 반응 챔버로 이송되는 유체의 양을 미터링하는 미터링 챔버; 및 상기 미터링 챔버와 상기 반응 챔버를 연결하는 유체 이송 보조부를 더 포함할 수 있다.
상기 유체 이송 보조부는, 상기 미터링 챔버에 수용된 유체가 상기 반응 챔버로 유입되면서 통과하는 유체 통과부를 포함할 수 있다.
상기 유체 이송 보조부는, 상기 미터링 챔버에 수용된 유체의 이동을 상기 유체 통과부로 유도하는 유체 가이드부를 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동 구조물은, 일단이 상기 미터링 챔버와 연결되는 사이펀 채널;및 상기 미터링 챔버와 연결된 사이펀 채널의 다른 일단과 연결되는 웨이스트 챔버를 더 포함할 수 있다.
상기 사이펀 채널은, 상기 미터링 챔버에 수용된 유체가 상기 반응 챔버로 이송된 이후에 유입되는 유체 샘플을 상기 웨이스트 챔버로 이송시킬 수 있다.
상기 미세유동 구조물은, 자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 검사 장치는 상기 미세유동장치; 상기 미세유동장치의 플랫폼을 회전시키는 회전 구동부; 상기 플랫폼의 방사 방향으로 이동 가능한 자석 모듈; 및 상기 회전 구동부와 상기 자석 모듈을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 상기 미터링 챔버에서 상기 반응 챔버로의 유체 이송 시에, 상기 플랫폼을 회전시키고, 상기 플랫폼이 회전하는 일 시점에 상기 자석 모듈을 상기 플랫폼의 상부 또는 하부로 이동시켜 상기 자성체 수용 챔버와 대면하게 할 수 있다.
유체를 수용하는 제2챔버, 유체의 양을 미터링하는 제3챔버, 상기 제3챔버에서 미터링된 유체가 유입되면 상기 유입된 유체를 이용하여 크로마토그래피 반응을 일으키는 제4챔버 및 상기 제2챔버, 제3챔버 및 제4챔버를 각각 연결하는 채널이 형성된 플랫폼을 포함하는 미세유동장치의 제어방법은, 상기 플랫폼을 회전시켜 상기 제2챔버에 수용된 유체를 상기 제3챔버로 이송하고; 상기 플랫폼의 회전속도의 증가 및 정지를 반복하여 상기 제3챔버에 이송된 유체를 상기 제4챔버로 유입시키는 것을 포함한다.
상기 미세유동장치 제어방법은, 상기 유체가 상기 제3챔버로 이송된 후, 상기 플랫폼을 정지시켜 상기 유체와 상기 제3챔버에 수용된 표지 접합체 사이에 1차 반응이 일어나도록 하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동장치 제어방법은, 상기 제3챔버에 이송된 유체가 상기 제4챔버에 유입되면 플랫폼을 정지시키는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동장치 제어방법은, 상기 플랫폼이 정지되면, 상기 제4챔버에 구비된 검출 영역이 모세관력에 의해 상기 유체를 흡수하여 상기 제3챔버에 남아있는 유체를 상기 제4챔버로 이송시키는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동장치 제어방법은, 상기 제4챔버에서의 크로마토그래피 반응이 완료되면, 상기 플랫폼을 회전시켜 상기 제4챔버에 남아있는 유체를 건조시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치에 의하면, 복수의 챔버를 병렬로 연결하되, 병렬로 연결되는 각 챔버의 위치에 차이를 두고, 각 챔버와 그 다음 단계의 챔버를 사이펀 채널로 연결함으로써 별도의 구동원 없이 유체를 복수의 챔버에 효율적으로 정량 분배하고, 유체의 분배 속도 또는 공급 속도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치에 의하면, 샘플 공급 챔버, 제1챔버(수용 챔버), 제2챔버(1차반응 챔버), 제3챔버(미터링 챔버), 제4챔버(2차반응 챔버)가 연결되어 있어 다단계 반응이 가능하므로, 반응의 민감도가 향상된다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치에 의하면, 미터링 챔버와 웨이스트 챔버 사이에 2차 사이펀 채널이 구비되어 반응 완료 후에 유입되는 유체 샘플이 반응 챔버로 들어가지 않고 웨이스트 챔버로 유입되게 함으로써, 반응 결과의 오염을 방지할 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 구조를 간략하게 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 2에는 사이펀 채널의 기본 원리를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 사이펀 채널이 적용된 미세유동 구조물과 이를 포함하는 미세유동장치의 기본적인 구조를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 4a 및 도 4b에는 복수의 유닛으로 구성되는 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 5a 내지 도 5d에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에 있어서, 제1챔버의 유체 분배 순서를 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 구체적인 구조를 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 8에는 반응 챔버에 포함되는 검출 영역의 구조가 도시되어 있다.
도 9a 내지 도 9c에는 크로마토그래피에 의해 분석 대상 물질이 검출되는 원리를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 10에는 콘쥬게이트 패드를 구비하는 검출 영역의 구조가 도시되어 있다.
도 11a 내지 도 11c에는 콘쥬게이트 패드를 구비한 검출 영역에서의 검출 원리를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에 구비된 자성체 수용 챔버의 기능을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서 유체의 이송 단계 별 플랫폼의 회전 속도를 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 14a 내지 도 14e에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서의 유체의 흐름을 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 15에는 유체 이송 보조부를 더 포함하는 미세유동장치의 구체적인 구조를 나타내는 평면도가 도시되어 있다.
도 16a 내지 도 16e에는 도 15의 미세유동장치에서의 유체의 흐름을 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 17에는 도 16의 유체 이송 단계 별 플랫폼의 회전 속도를 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 18에는 제2사이펀 채널을 더 포함하는 미세유동장치의 평면도가 도시되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 미세유동장치의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치와 이를 이용하는 검체 검사 시스템의 구조를 간략하게 나타낸 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 미세유동구조물이 형성되는 플랫폼(100)과, 상기 플랫폼(100) 상에 형성되는 미세유동 구조물을 포함한다.
미세유동 구조물은 유체를 수용하는 복수의 챔버와 복수의 챔버를 연결하는 채널을 포함한다.
본 발명에서의 미세유동 구조물이란 특정 형태의 구조물을 지칭하는 것이 아니라, 복수의 챔버와 챔버 사이를 연결하는 채널을 포함하며 유체의 유동을 수반하기 위해 미세유동장치, 특히 미세유동장치의 플랫폼 상에 형성된 구조물을 포괄적으로 지칭한다. 미세유동구조물은 챔버와 채널의 배치 상의 특징 및 챔버에 수용되거나 채널을 따라 이동하는 유체의 종류에 따라 각기 다른 기능을 수행할 수 있다.
플랫폼(100)은 성형이 용이하고 그 표면이 생물학적으로 비활성인 아크릴(PMMA), PDMS, PC, 폴리플로필렌, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 등의 플라스틱 소재, 유리, 운모, 실리카, 실리콘 웨이퍼 등의 다양한 재료로 만들어질 수 있다. 상기 물질들은 플랫폼(100)의 재료로 사용될 수 있는 물질의 예시에 불과하며, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 화학적, 생물학적 안정성과 광학적 투명성 및 기계적 가공성을 가지는 소재이면 어느 것이든 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫폼(100)의 재료가 될 수 있다.
플랫폼(100)은 여러 층의 판으로 이루어질 수 있다. 판과 판이 맞닿는 면에 챔버나 채널 등의 미세유동 구조물에 해당하는 음각 구조물을 만들고, 상기 두 판을 접합함으로써 플랫폼(100) 내부에 유체를 수용할 수 있는 공간과 유체가 이동할 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 판과 판의 접합은 접착제 또는 양면 접착 테이프를 이용한 접착이나 초음파 융착, 레이저 용접 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
도 1의 실시예에서는 원판 형상의 디스크형 플랫폼(100)을 사용하였으나, 본 발명의 실시예에서 사용되는 플랫폼(100)은 그 자체로서 회전 가능한 온전한 원판 형상뿐만 아니라 회전 가능한 프레임(frame)에 안착되어 회전할 수 있는 부채꼴 등의 형상일 수도 있고, 구동부(310)에서 제공되는 동력에 의해 회전할 수만 있으면 다각형의 형상도 가능하다.
미세유동장치(10)는 구동부(310)와 제어부(320)를 포함하는 검사 장치(300)에 장착되어 도 1에 도시된 바와 같이 구동부(310)에 의해 회전될 수 있고, 제어부(320)는 구동부(310)의 구동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 구동부(310)는 모터 등으로 구현되며, 플랫폼(100)에 회전력을 제공하여 플랫폼(100)에 마련된 각종 챔버에 수용된 유체들이 원심력에 의해 다른 챔버로 이동할 수 있도록 한다. 구동부(310)를 통한 플랫폼(100)의 회전, 후술할 자석의 위치나 검출부의 검출 동작 등 검사 장치(300)의 전반적인 동작은 제어부(320)에 의해 제어될 수 있다.
하나의 플랫폼(100)에는 하나의 검사유닛이 마련될 수도 있으나, 검사의 신속성 및 비용의 효율성을 위하여 하나의 플랫폼(100)을 복수의 구역으로 나누고 각 구역마다 서로 독립적으로 작동되는 미세유동구조물이 마련될 수도 있다. 복수의 미세유동구조물을 서로 다른 검사를 수행하는 것으로 하여 동시에 여러 가지 검사를 수행할 수도 있고 동일한 검사를 수행하는 복수의 검사유닛이 마련되는 것도 가능하다. 이하, 상술할 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 샘플 공급 챔버로부터 샘플을 공급받는 챔버 및 상기 챔버에 연결되는 채널을 하나의 유닛으로 하고, 샘플 공급 챔버가 다르면 서로 다른 유닛인 것으로 하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 원심력에 의해 유체를 이동시키므로 도 1에 도시된 바와 같이 유체를 공급받을 챔버(130)가 유체를 공급할 챔버(120)보다 플랫폼(100)의 중심에서 바깥쪽에 위치하도록 배치된다.
상기 두 챔버는 채널(125)에 의해 연결되며, 채널을 통한 유체의 흐름을 제어하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 상기 채널을 사이펀(siphon) 채널로 구현한다.
도 2에는 사이펀 채널의 기본 원리를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
사이펀은 압력차를 이용하여 유체를 이동시키는 관을 지칭하는 것으로서, 미세유동장치에서는 단면적이 매우 작은 관속으로 유체가 올라가는 모세관력과 플랫폼(100)의 회전에 의해 발생하는 원심력을 이용하여 사이펀 채널을 통한 유체의 흐름을 제어한다.
도 2의 그래프는 위에서 내려다 본 플랫폼(100)과 대응된다. 유체가 수용된 챔버에 단면적이 매우 작은 사이펀 채널의 입구가 연결되고, 사이펀 채널의 출구는 유체가 이송될 다른 챔버에 연결된다. 이 때, 사이펀 채널이 꺾이는 지점 즉, 사이펀 채널의 최고 지점(rcrest)은 챔버에 수용된 유체의 수위보다 높아야 한다. 또한, 사이펀 채널의 입구보다 플랫폼(100)의 바깥쪽에 위치하는 유체는 이송되지 않으므로 사이펀 채널의 입구의 위치는 이송할 유체의 양에 의존한다. 사이펀 채널의 모세관력에 의해 유체가 사이펀 채널을 채우면, 사이펀 채널에 채워진 유체가 원심력에 의해 다음 챔버로 이송된다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 사이펀 채널이 적용된 미세유동 구조물과 이를 포함하는 미세유동장치의 기본적인 구조를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다. 이하 상술할 실시예에 대한 도면에서는 미세유동 구조물이 나타날 수 있도록 상판과 하판이 결합되지 않은 미세유동장치를 도시하는 것으로 한다.
도 3을 참조하면, 플랫폼(100)의 회전 중심(C)에 가장 가까운 위치에 샘플 공급 챔버(110)가 형성되고, 플랫폼(100)의 회전 중심(C)과 중심이 일치하는 원주 상에 복수의 챔버가 병렬로 배치된다.
이하 상술할 실시예에서는 샘플 공급 챔버(110)로부터 유체 샘플을 공급받는 챔버를 제1챔버(120)라 하고, 제1챔버로부터 유체 샘플이 이송되는 챔버를 제2챔버(130)라 한다. 또한, 복수의 제1챔버(120) 각각은 샘플 공급 순서에 따라 제1-1챔버(120-1) 내지 제1-n챔버(120-n)라 하고, 복수의 제2챔버(130) 각각은 그와 연결된 제1챔버에 따라 제2-1챔버(130-1) 내지 제2-n챔버(130-n)이라 한다. 그 이후에 연결되는 챔버에 대해서도 마찬가지로 한다. 또한, 설명의 편의를 위하여, 단지 제1챔버(120)라 할 때에는 복수의 제1챔버(120-1~120-n) 중 적어도 하나를 지칭하는 것으로 하고, 제2챔버(130) 내지 제5챔버(170)(도 7 참조) 등 나머지 구조물에 대해서도 마찬가지이다.
제1챔버(120)에 해당하는 제1-1챔버(120-1) 내지 제1-n챔버(120-n)는 분배 채널(115)을 통해 샘플 공급 챔버(110)와 연결되며, 제1-1챔버(120-1) 내지 제1-n챔버(120-n) 각각은 사이펀 채널(125)을 통해 제2챔버(130)인 제2-1챔버(130-1) 내지 제2-n챔버(130-n)와 연결된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1챔버들(120-1~120-n)은 플랫폼(100) 위의 원주 상에 배치되나, 제1-1챔버(120-1) 내지 재1-n챔버(120-n) 각각이 동일 원주 상에 배치되지 않는다. 즉, 각각의 제1챔버들(120-1~120-n)은 플랫폼(100)의 회전 중심(C)과의 거리가 서로 상이하다.
구체적으로, 샘플 공급 챔버(110)로부터 가장 먼저 샘플을 공급받는 제1-1챔버(120-1)가 플랫폼(100)의 중심에서 가장 가까운 거리의 원주 즉, 반경이 가장 짧은 원주 상에 배치되고, 제1-2챔버(120-2)는 재1-1챔버(120-1)보다 플랫폼(100)의 회전 중심(C)에서 더 먼 거리의 원주 즉, 반경이 더 큰 원주 상에 배치된다. 그리고 제1-3챔버(120-3), 제1-4챔버(120-4) 내지 제1-n챔버(120-n)로 갈 수록 플랫폼(100)의 회전 중심(C)에서 더 멀어진다.
플랫폼(100)이 회전하면 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 유체 샘플이 분배 채널(115)을 통해 흐르고, 제1-1챔버(120-1)에 샘플이 가득 채워지면 분배 채널(115)을 흐르는 샘플이 원심력에 의해 플랫폼(100)의 중심에서 더 멀리 있는 제1-2챔버(120-2)로 유입된다. 같은 원리로 제1-2챔버(120-2) 내지 제1-n챔버(120-n)에 샘플이 가득 채워지게 된다. 그리고, 제1챔버들(120-1~120-n)을 모두 채운 후에 남은 샘플은 초과 유체를 수용하는 과잉 챔버(180)로 유입된다.
제1챔버(120)에 채워진 샘플은 사이펀 채널(125)을 통해 제2챔버(130)로 유입되는바, 앞서 도 2에서 설명한 바와 같이, 사이펀 채널(125)을 통해 유체를 이송하려면 위에서 내려다 봤을 때 사이펀 채널(125)의 최고 지점이 샘플 공급 챔버(110)의 최고 수위보다 높아야 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 구조물은 제1-1챔버(120-1)에서 제1-n챔버(120-n)로 갈수록 플랫폼(100)의 중심에서 멀어지면서 사이펀 채널(125)의 최고 지점과 제1챔버(120)의 최고 수위가 높이차를 일정하게 유지할 수 있게 된다.
사이펀 채널(125)의 모세관력을 확보하기 위한 방법으로 사이펀 채널(125)의 단면적을 작게 하거나, 사이펀 채널(125) 내부에 친수 처리를 하는 방법 등이 있다. 본 발명의 실시예에서는 사이펀 채널의 단면적에 제한을 두지는 않으나, 사이펀 채널(125)의 폭과 깊이를 각각 0.01mm 내지 3mm으로 하는 것도 가능하고 또는, 0.05mm 내지 1mm, 0.01mm 내지 0.5mm의 범위에서 조절함으로써 우수한 모세관력을 확보하는 것이 가능하다. 또한, 사이펀 채널(125)에 플라즈마 처리 또는 친수 고분자 처리를 함으로써 모세관력을 확보하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)에서 샘플 공급 챔버(110)로부터 제1챔버(120) 및 사이펀 채널(125)을 통해 제2챔버(130)로 유입되는 유체 샘플은 혈액, 림프액, 조직액 등의 체액이나 소변 등의 바이오 샘플일 수도 있고, 수질 관리나 토양 관리 등을 위한 환경 샘플일 수도 있으며, 원심력 및 모세관력에 의해 이동할 수 있는 것이면 유체의 종류에는 제한이 없다.
도 3의 실시예에서는 미세유동 구조물이 하나의 유닛으로 구성되는 것으로 하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 미세유동 구조물은 복수의 유닛으로 구성되는 것도 가능하다.
도 4a 및 도 4b에는 복수의 유닛으로 구성되는 미세유동 구조물 및 이를 포함하는 미세유동장치를 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 플랫폼(100)을 두 개의 구역으로 나눌 수 있고, 각 구역마다 하나의 유닛이 형성될 수 있다. 여기서, 하나의 유닛은 하나의 샘플 공급 챔버(110)와 복수의 제1챔버(120) 및 복수의 제2챔버(130)를 포함한다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 플랫폼(100)이 네 개의 구역으로 나뉘는 것도 가능하고, 각 구역마다 하나의 유닛이 형성될 수 있다.
플랫폼(100)이 회전하면 각 유닛의 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 샘플은 각각 독립적으로 제1챔버(120)로 분배되고, 사이펀 채널(125)을 통해 제2챔버(130)로 유입된다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나의 플랫폼(100)에 두 개 이상의 검사 유닛이 구비되면 동시에 여러 종류의 검사를 실시할 수 있다.
예를 들어, 체액 샘플을 이용하여 도 4a의 제1검사 유닛에서는 면역혈청 검사를 수행하고, 제2검사 유닛에서는 생화학 검사를 수행하도록 할 수 있다. 또는, 제1검사 유닛 및 제2검사 유닛에서 서로 다른 종류의 면역혈청 검사 또는 생화학 검사를 수행하도록 하는 것도 가능하다.
도 4b를 참조하여 더 구체적인 예를 들면, 제1검사 유닛에서는 심장질환 표시인자(cardiac marker)인 트로포닌 I(TnI: Troponin I)를 검출하는 제1면역혈청 검사를 수행하고, 제2검사 유닛에서는 임신 여부를 나타내는 β-hCG를 검출하는 제2면역혈청 검사를 수행하며, 제3검사 유닛에서는 간기능 검사 항목군(liver panel)에 속하는 ALT(Alanine Aminotransferase)와 AST(Aspartate Aminotransferase)를 검출하는 제1생화학 검사를 수행하고, 제4검사 유닛에서는 소화기 계통의 이상 유무를 나타내는 아밀라아제(amylase)와 리파아제(lipase)를 검출하는 제2생화학 검사를 수행하도록 할 수 있다.
상기 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 하나의 플랫폼(100)에 복수의 검사 유닛을 구비하여 동시에 여러 종류의 검사가 수행되도록 하면 소량의 샘플로 신속한 검사 결과를 얻을 수 있게 된다.
다만, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시에 불과하고, 본 발명의 실시예에 따른 미세유동장치는 하나의 플랫폼(100)에 형성될 수 있는 유닛의 개수나 각 유닛에서 수행되는 검사의 종류에 제한을 두지 않는다.
도 5a 내지 도 5d에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서 유체의 흐름을 개략적으로 나타낸 평면도가 도시되어 있다. 도 5a 내지 도 5d에 도시된 미세유동장치의 구조는 도 3에 도시된 미세유동장치와 같다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 플랫폼(100)이 정지된 상태에서 샘플 공급 챔버(110)에 유체 샘플을 주입한다. 제1챔버(120) 또는 제2챔버(130)의 기능 또는 검사 항목에 따라 다양한 종류의 유체가 주입될 수 있다.
그리고, 도 5b에 도시된 바와 같이 플랫폼(100)을 회전시켜 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 샘플을 분배 채널(115)을 통해 제1챔버(120)에 모두 분배한다. 도 5b에는 결과적으로 제1-1챔버(120-1) 내지 제1-n챔버(120-n)에 모두 샘플이 채워진 미세유동 구조물이 도시되어 있으나, 실제로는 제1-1챔버(120-1)부터 제1-n챔버(120-n)까지 샘플이 순차적으로 채워진다.
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에 있어서, 제1챔버의 유체 분배 순서를 나타낸 평면도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 플랫폼(100)이 회전하면 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 샘플은 출구를 통해 분배 채널(115)로 흘러들어가고, 분배 채널(115)을 흐르면서 제1-1챔버(120-1)로 유입된다. 이 때, 플랫폼(100)의 회전 방향은 시계 방향일 수도 있고, 반시계 방향일 수도 있다. 플랫폼(100)의 회전 방향에 제한은 없다.
제1-1챔버(120-1)가 유입된 샘플로 가득 채워지면 분배 채널(115)을 흐르는 유체는 더 이상 제1-1챔버(120-1)로 유입되지 못하고 제1-2챔버(120-2)의 입구까지 흘러 제1-2챔버(120-2)로 유입된다. 마찬가지로, 제1-2챔버(120-2)가 유입된 샘플로 가득 채워지면 분배 채널(115)을 흐르는 샘플은 더 이상 제1-2챔버(120-2)로 유입되지 못하고 그 다음 챔버인 제1-3 챔버(120-3)의 입구까지 흘러 제1-3챔버(120-3)로 유입되고, 같은 방식으로 제1-n챔버(120-n)까지 채워지게 된다. 제1-n챔버(120-n)까지 채우고 남은 샘플은 과잉 챔버(180)에 수용된다.
다시 도 5b를 참조하면, 원심력에 의해 제1챔버(120)에 샘플이 채워질 때에 제1챔버(120)에 연결된 사이펀 채널(125)에도 샘플이 어느 정도 채워질 수 있다. 다만, 사이펀 채널(125)의 최고 지점까지는 채워지지 않고, 사이펀 채널(125)의 최고 지점과 제1챔버(120)의 최고 수위의 사이의 어느 지점까지만 채워진다.
제1챔버(120-1~120-n)에 채워지고 남은 샘플은 과잉 챔버(180)로 유입된다.
제1챔버(120-1~120-n)로의 샘플의 분배가 완료되면, 플랫폼(100)의 회전을 정지시킨다. 플랫폼(100)이 정지하면 도 5c에 도시된 바와 같이, 제1챔버(120-1~120-n)에 수용된 샘플이 모세관력에 의해 사이펀 채널(125-1~125-n)로 유입되어 전체 사이펀 채널(125-1~125-n)을 채운다.
사이펀 채널(125-1~125-n)이 샘플에 의해 채워지면 플랫폼(100)을 다시 회전시키고, 플랫폼(100)이 회전하면 도 5d에 도시된 바와 같이 사이펀 채널(125-1~125-n)에 채워져 있던 샘플은 원심력에 의해 제2챔버(130-1~130-n)로 유입된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)에 의하면 상기 도 5a 내지 도 5d의 동작에 따라, 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 샘플이 제1챔버(120) 및 사이펀 채널(125)을 통해 제2챔버(130)로 정량 분배된다. 이 때, 제2챔버(130)로 분배되는 샘플의 양은 제1챔버(120)의 크기 및 사이펀 채널(125)의 입구와 만나는 제1챔버(120)의 출구의 위치에 따라 조절될 수 있다.
도 5a 내지 도 5b의 실시예와 같이 사이펀 채널(125)의 입구와 만나는 제1챔버(120)의 출구가 제1챔버(120)의 가장 아래쪽(회전 중심에서 가장 먼 쪽)에 위치하는 경우에는 제1챔버(120)에 채워진 샘플이 전부 제2챔버(130)로 유입되므로, 제1챔버(120)를 제2챔버(130)로 분배하고자 하는 샘플의 양과 대응되는 크기로 형성한다.
도 5a 내지 도 5d의 실시예에서는 제1챔버(120)의 크기가 모두 동일한 것으로 하였으나, 복수의 제1챔버(120)는 각각 다른 크기로 형성될 수 있고 그 크기는 제2챔버(130) 또는 그 다음 단계의 챔버에서 필요한 샘플의 양에 따라 달라질 수 있다.
이하, 도 7 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 구체적인 구조 및 구체적인 동작에 대해서 더 자세하게 설명하도록 한다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 구체적인 구조를 나타낸 평면도가 도시되어 있다. 이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)의 구체적인 구조를 설명하도록 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 플랫폼(100)은 원형, 부채꼴 형상, 다각형 등 다양한 형상에 의해 구현될 수 있는바, 당해 실시예에서는 플랫폼(100)이 원형으로 구현되는 것으로 한다. 또한, 당해 실시예에서는 설명의 편의를 위해 분배 채널(115)에 병렬로 연결된 제1챔버(120)의 개수를 3개(120-1,120-2,120-3)로 하고, 3개의 제2챔버(130-1,130-2,130-3)가 각각의 제1챔버(120)에 하나씩 연결되는 것으로 한다. 서로 연결된 제1챔버와 제2챔버, 그리고 제2챔버 이후에 연결되는 미세유동 구조물은 하나의 검사부를 형성하는 바, 당해 실시예에서는 3개의 검사부가 형성된다. 각각의 검사부는 그 구조 또는 내부에 수용된 물질 등을 달리하여 서로 다른 검사를 독립적으로 수행하는 것이 가능하다.
샘플 공급 챔버(110)는 회전 중심(C)에서 가장 가까운 위치에 형성되며, 외부에서 공급되는 샘플을 수용한다. 샘플 공급 챔버(110)에는 유체 상태의 샘플이 수용되며, 당해 실시예에서는 유체 상태의 샘플로서 혈액을 공급하는 것으로 한다.
샘플 공급 챔버(110)의 일 측에는 샘플 주입구(111)가 마련되며, 파이펫(pipet) 등의 도구를 이용하여 혈액을 샘플 주입구(111)에 주입할 수 있다. 혈액의 주입 시에 샘플 주입구(111) 주변에 혈액이 떨어지거나 플랫폼(100)의 회전 시 샘플 주입구(111)를 통해 혈액이 역류할 수 있다. 이러한 혈액으로 인해 미세유동장치(10)가 오염되는 것을 방지하기 위해 샘플 주입구(111)와 인접한 위치에 역류 수용 챔버(112)를 형성하여 주입 시에 떨어지거나 역류된 혈액을 수용하도록 할 수 있다.
샘플 공급 챔버(110)에 주입된 혈액의 역류를 방지하기 위한 다른 실시예로서, 소정 크기 이상의 압력이 작용하는 경우에만 샘플을 통과시키는 모세관 밸브 역할을 하는 구조물을 샘플 공급 챔버 내에 형성하는 것도 가능하다.
또는, 샘플 공급 챔버(110)에 주입된 혈액의 역류를 방지하기 위한 또 다른 실시예로서, 샘플 공급 챔버(110) 내에 리브 형태의 역류 방지 장치를 형성하는 것도 가능하다. 샘플 주입구(111)로부터 샘플 배출구 쪽으로 흐르는 샘플의 방향과 교차되는 방향으로 역류 방지 장치를 형성하면 샘플에 흐름저항을 부여함으로써 샘플이 샘플 주입구(111) 방향으로 흐르지 않게 할 수 있다.
샘플 공급 챔버(110)는 수용된 샘플이 샘플 배출구(113)를 통해 용이하게 배출될 수 있도록 하기 위하여, 샘플 주입구(111)에서 샘플 배출구(113) 쪽으로 갈 수록 그 폭이 넓어지도록 형성할 수 있다.
샘플 공급 챔버(110)의 샘플 배출구(113)는 플랫폼(100) 위의 원주 방향으로 형성된 분배 채널(115)과 연결되며, 분배 채널(115)은 반시계 방향으로 제1-1챔버(120-1), 제1-2챔버(120-2) 및 제1-3챔버(120-3)와 순차적으로 연결된다. 그리고, 분배 채널(115)의 끝에는 샘플의 공급 완료 여부를 나타내는 QC 챔버(128) 및 공급되고 남은 샘플을 수용하는 과잉 챔버(180)가 연결될 수 있다.
제1챔버(120)는 샘플 공급 챔버(110)로부터 공급되는 샘플을 수용함과 동시에 원심력에 의해 샘플을 상청액과 침강물로 분리할 수 있다. 당해 실시예에서 사용되는 샘플은 혈액이므로, 제1챔버(120)에서 혈청, 혈장 등의 상청액과 혈구 등의 침강물로 분리될 수 있다.
각각의 제1챔버(120-1,120-2,120-2)에는 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)이 연결된다. 앞서 설명한 바와 같이, 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)의 최고 지점은 제1챔버(120-1,120-2,120-2)의 최고 수위보다 높아야 하므로, 상기 높이 차이를 확보하기 위해 제1-2챔버(120-2)가 제1-1챔버(120-1)보다 회전 중심(C)에서 더 먼 원주 또는 반경이 더 큰 원주 상에 위치하고, 제1-3챔버(120-3)가 제1-2챔버(120-2)보다 회전 중심(C)에서 더 먼 원주 또는 반경이 더 큰 원주 상에 위치한다.
상기 구조에 의해, 샘플 배출구(113)에서 멀어질 수록 제1챔버(120)의 반경 방향으로의 길이가 짧아지는바, 필요에 따라 복수의 제1챔버(120)의 크기를 동일하게 하고자 하는 경우에는 도 7에 도시된 바와 같이 제1챔버(120)의 원주 방향으로의 폭이 넓어지게 된다.
앞서 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)의 입구와 제1챔버(120-1,120-2,120-3)의 출구가 만나는 위치는 이송하고자 하는 유체의 양에 따라 달라진다고 하였는바, 당해 실시예에서와 같이 샘플이 혈액인 경우에는 상청액에 대해서만 검사를 수행하는 경우가 많으므로 상청액이 위치하는 제1챔버(120)의 상부에 출구를 마련할 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하고, 샘플이 혈액이 아닌 경우이거나 혈액이더라도 침강물에 대해서도 검사를 수행하는 경우에는 제1챔버(120)의 하부에 출구를 마련하는 것도 가능하다.
사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)의 출구는 제2챔버(130-1,130-2,130-3)와 연결된다. 제2챔버(130)는 혈액을 수용하기만 하는 것도 가능하고, 제2챔버(130) 내에 시약이나 반응 물질 등을 미리 저장하여 혈액에 대해 전처리 또는 1차 반응을 수행하거나, 본(main) 검사를 수행하기 전에 간단한 검사를 수행하는 것도 가능하다. 당해 실시예에서는 제2챔버(130)에서 분석대상 물질과 제1표지 접합체의 결합 반응이 일어나는 것으로 한다.
구체적으로, 제2챔버(130)에는 제1표지 접합체가 액체상 또는 고체상으로 존재할 수 있고, 제1표지 접합체가 고체상으로 존재하는 경우에는 제2챔버(130)의 내벽에 코팅되거나 다공성 패드 등에 임시 고정되어 있을 수 있다.
제1표지 접합체는 분석대상물질과 특이적으로 반응하는 포획물질과 표지물질의 결합체로서, 예를 들어, 분석대상 물질이 항원 Q인 경우, 제1표지 접합체는 항원 Q에 특이적으로 반응하는 항체 Q와 표지물질의 접합체일 수 있다.
표지 물질은 라텍스 비드, 골드 콜로이드, 실버 콜로이드 등과 같은 금속 콜로이드, 과산화효소 등의 효소, 형광물질, 발광물질, 초상자성물질, 란탄족 킬레이트를 포함하는 물질 및 방사는 동위원소 중 적어도 하나일 수 있으나, 본 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 후술할 반응챔버(150)에서 크로마토그래피 반응이 일어나는 경우, 반응의 신뢰도를 확인하기 위해 대조 라인에 고정된 제2포획물질과 결합하는 제2표지 접합체도 제2챔버(130)에 포함되어 있을 수 있다. 제2표지 접합체 역시 액체상 또는 고체상으로 존재할 수 있고, 고체상으로 존재하는 경우에는 제2챔버(130)의 내벽에 코팅되거나 다공성 패드 등에 임시 고정되어 있을 수 있다.
대조 라인에 고정된 제2포획물질과 결합하는 제2표지 접합체는 대조 라인에 고정된 제2포획물질과 특이적으로 반응하는 물질과 표지 물질의 접합체이고, 여기서 표지물질은 상술한 표지 물질의 예시 중 하나일 수 있다. 대조 라인에 고정된 제2포획물질이 바이오틴(biotin)인 경우에는 제2챔버(130)에 스트렙트아비딘(streptavidin)과 표지물질의 접합체가 임시 고정되어 있을 수 있다.
따라서, 제2챔버(130)에 혈액이 유입되면 혈액 중에 존재하는 항원 Q는 항체Q를 가진 제1표지 접합체와 결합된 상태로 혈액의 흐름과 함께 제3챔버(140)로 배출되고, 이 때 스트렙트아비딘을 가진 제2표지 접합체도 함께 배출된다.
제2챔버(130-1,130-2,130-3)는 제3챔버(140-1,140-2,140-3)와 연결되고, 당해 실시예에서는 제3챔버(140-1,140-2,140-3)가 미터링 챔버로 구현된다. 미터링 챔버(140)는 제2챔버(130)에 수용된 혈액을 정량으로 미터링하여 제4챔버(150)로 공급하는 역할을 한다. 미터링 챔버의 미터링 원리에 대해서는 하기 도 14 및 도 15 내지 도 17에서 설명하기로 한다.
미터링 챔버(140)에서 제4챔버(150)로 유입되지 않고 남은 잔여물은 웨이스트 챔버(170)로 이송될 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에 있어서, 미터링 챔버(140)와 웨이스트 챔버(170)의 연결 관계가 당해 도면에 의해 제한되는 것은 아니며, 경우에 따라 미터링 챔버(140)와 웨이스트 챔버(170)가 연결되지 않는 것도 가능하고(도 15 및 도 16 참조), 미터링 챔버(140)와 웨이스트 챔버(170)가 다른 구조로 연결되는 것도 가능하다(도 18 참조).
제3챔버(140-1,140-2,140-3)는 제4챔버인 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)와 각각 연결된다. 당해 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 제3챔버와 제4챔버는 채널로 연결되는 것도 가능하고, 유체를 이송시키는 특정 구조물에 의해 연결되는 것도 가능하다. 후자에 대한 구체적인 설명은 하기 도 15 내지 도 17에서 후술하도록 한다.
반응 챔버(150)에서 반응을 일으키는 방식에는 여러 가지가 있으나, 당해 실시예에서는 반응 챔버(150)에서 모세관력을 이용한 크로마토그래피(Chromatography)를 이용하는 것으로 한다. 이를 위해 반응 챔버(150)는 크로마토그래피에 의해 분석대상 물질의 유무를 검출할 수 있는 검출 영역(20)을 포함할 수 있다.
도 8에는 반응 챔버에 포함되는 검출 영역의 구조가 도시되어 있고, 도 9a 내지 도 9c에는 크로마토그래피에 의해 분석 대상 물질이 검출되는 원리를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
검출 영역(20)은 셀룰로오즈와 같은 다공성의 얇은 막(멤브레인), 마이크로 포어 및 마이크로 필러로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나에 의해 형성되어 모세관력이 작용한다. 도 8을 참조하면, 검출 영역(20)의 한쪽 끝 부분에는 샘플이 묻혀지는 샘플 패드(22)가 형성되고 반대쪽에는 분석대상 물질을 검출하는 제1포획물질(24a)이 영구 고정된 테스트 라인(24)이 형성되어 있다. 여기서, 영구 고정이라 함은 테스트 라인(24)에 고정된 제1포획물질(24a)이 샘플의 흐름에 휩쓸려 함께 이동하지 않음을 의미한다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 샘플 패드(22) 위에 혈액이나 소변과 같은 바이오 샘플이 점적되면 모세관력에 의해 상기 바이오 샘플이 반대편으로 흘러가게 된다. 예를 들어, 분석대상 물질이 항원 Q 이고 제2챔버(130)에서 분석대상 물질-제1표지 접합체의 결합 반응이 일어난 경우에는 상기 바이오 샘플에 항원 Q-제1표지 접합체의 결합체(22a)가 포함되어 있다.
분석대상 물질이 항원 Q인 경우에는 테스트 라인에 영구 고정되는 포획물질(24a)이 항체 Q일 수 있다. 따라서, 도 9c에 도시된 바와 같이 모세관력에 의해 바이오 샘플이 흘러가다가 테스트 라인(24)에 도달하면 항원 Q-제1표지 접합체의 결합체(22a)가 항체 Q(24a)와 결합하여 샌드위치 결합체(24b)를 형성하게 된다. 따라서, 바이오 샘플 내에 분석대상 물질이 포함된 경우에는 테스트 라인(24)에서 표지물질에 의한 검출을 할 수 있게 된다.
샘플의 양이 적거나 샘플이 오염된 경우 등 여러 가지 원인에 의해 정상적인 테스트가 이루어지지 못하는 경우가 있다. 따라서, 정상적인 테스트가 이루어졌는지 여부를 판정하기 위해 분석 대상 물질의 존재 여부와 관계없이 샘플에 존재하는 특정 물질과 특이적으로 반응하는 제2포획물질(25a)이 영구 고정된 대조 라인(25)을 마련할 수 있다.
대조 라인(25)에 고정되는 제2포획물질(25a)로서 바이오틴(biotin)을 사용할 수 있고, 이에 따라 제2챔버(130)에서 샘플에 포함되는 제2표지 접합체(23a)는 바이오틴과 결합 특성이 우수한 스트렙트아비딘(streptavidin)-표지 물질 접합체가 된다.
다시 도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 제2챔버(130)를 통과한 샘플에는 제2포획물질(25a)과 특이적으로 반응하는 특정 물질을 가진 제2표지 접합체(23a)가 포함된다. 샘플이 모세관력에 의해 반대편까지 잘 흘러갔다면 샘플의 이동과 함께 제2표지 접합체(23a)도 함께 이동한다. 따라서, 샘플에 분석대상 물질이 존재하는지 여부와 관계 없이 도 9c에 도시된 바와 같이 제2표지접합체(23a)와 제2포획물질(25a)의 결합체(25b)가 형성되고, 대조 라인(25)에 표지물질에 의한 표식이 나타나게 된다.
즉, 대조 라인(25)과 테스트 라인(24)에 표지물질에 의한 표식이 나타나면 샘플 내에 분석대상 물질이 존재한다는 양성 판정을 내릴 수 있으며, 대조 라인(25)에만 표식이 나타나면 분석대상 물질이 존재하지 않는다는 음성 판정을 내리게 된다. 그러나, 대조 라인(25)에 표식이 나타나지 않을 경우에는 정상적인 테스트가 이루어지지 않은 것으로 판단할 수 있다.
상기 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제2챔버(130)에서 표지 접합체를 제공하는 것도 가능하지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않고, 반응 챔버(150) 내의 검출 영역(20)에 표지 접합체가 임시 고정되어 있는 콘쥬게이트 패드(23)를 마련하는 것도 가능하다. 여기서, 임시 고정이라 함은 콘쥬게이트 패드(23)에 고정된 표지 접합체가 샘플의 흐름에 휩쓸려 함께 이동하게 됨을 의미한다.
이하 도 10 및 도 11에는 콘쥬게이트 패드를 포함하는 검출 영역의 구조 및 검출 원리를 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 검출 영역(20)에는 샘플 패드(22), 테스트 라인(24) 및 대조 라인(25) 외에도 콘쥬게이트 패드(23)가 마련될 수 있다. 콘쥬게이트 패드(23)에는 분석대상 물질과 특이적으로 반응하는 제1포획물질과 표지 물질의 접합체인 제1표지 접합체(22a')가 임시 고정되어 있을 수 있고, 여기에 대조 라인(25)에 고정된 제2포획물질(25a)과 특이적으로 반응하는 물질과 표지 물질의 접합체인 제2표지 접합체(23a)도 함께 임시 고정되어 있을 수 있다.
도 11a를 참조하면, 혈액 등의 바이오 샘플이 샘플 패드(22)에 점적되면 모세관력에 의해 대조 라인(25) 방향으로 흐르고, 바이오 샘플에 분석대상 물질이 포함된 경우에는 도 11b에 도시된 바와 같이 콘쥬게이트 패드(23)에서 제1표지 접합체(22a')와 결합하여 분석대상 물질-표지 접합체의 결합체(22a)를 형성한다. 바이오 샘플은 모세관력에 의해 계속해서 흐르고, 이 때 바이오 샘플의 흐름에는 분석대상 물질-제1표지 접합체의 결합체(22a)와 제2표지 접합체(23a)가 포함되어 있다.
바이오 샘플의 흐름이 테스트 라인(24)과 대조 라인(25)에 도달하면, 도 11c에 도시된 바와 같이 테스트 라인(24)에서는 포획 물질(24a)과 분석대상 물질-표지 접합체의 결합체(22a)가 결합하여 샌드위치 결합체(24b)를 형성한다. 대조 라인(25)에서는 제2표지 접합체(23a)와 제2포획물질(25a)이 결합된 결합체(25b)가 형성된다.
미세유동장치의 반응 챔버(150)가 상기 도 10 및 도 11의 검출 영역(20)을 구비하는 경우에는, 검출 영역(20)에 표지 접합체(22a',23a)가 임시 고정되어 있으므로, 제2챔버(130)를 미터링 챔버로 구현할 수 있다. 제2챔버(130)가 미터링 챔버로 구현됨에 따라, 제3챔버(140)가 반응 챔버로 구현된다.
또한, 다른 실시예로서, 크로마토그래피를 이용하지 않고 샘플 내의 특정 항원 또는 특정 항체와 반응하는 포집 항체 또는 포집 항원을 반응 챔버(150) 내에 마련해두고, 반응 챔버(150) 내에서 이들의 결합 반응이 일어나도록 하는 것도 가능하다.
다시 도 7을 참조하면, 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)는 제5챔버인 웨이스트 챔버(170-1,170-2,170-3)와 연결되며, 웨이스트 챔버((170-1,170-2,170-3)는 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)로부터 폐기되는 불순물 또는 반응 후의 잔류물을 수용한다.
플랫폼(100)에는 샘플 또는 잔여물을 수용하거나 반응이 일어나는 챔버 외에도 위치 확인용 자성체 수용 챔버(160-1,160-2,160-3,160-4)가 구비될 수 있다. 자성체 수용 챔버(160-1,160-2,160-3,160-4)에는 자성체가 수용되는바, 자성체 수용 챔버(160-1,160-2,160-3,160-4)에 수용되는 자성체는 철, 코발트, 니켈 등 자화 강도가 세고 영구 자석과 같이 강한 자석이 될 수 있는 강자성체일 수도 있고, 크롬, 백금, 망간, 알루미늄 등 자화 강도가 약하여 그 물질 자체만으로는 자석이 될 수 없으나 자석이 접근하면 자화의 세기가 커져 자석이 되는 상자성체일 수도 있으며, 비스무스, 안티모니, 금, 수은 등 자화 강도는 약하지만 자석이 접근하면 반발하는 힘이 생기는 반자성체일 수도 있다.
도 12에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에 구비된 자성체 수용 챔버의 기능을 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 미세유동장치(10)를 이용하는 검사 장치(300)는 플랫폼(100)의 하부에서 자성체를 끌어당기는 자석 모듈(330)을 구비하고, 플랫폼(100)의 상부에 플랫폼(100)에 관한 각종 정보를 검출하는 검출부(350)를 구비할 수 있다. 이 때, 검출부(350)를 자석 모듈(330)과 대면하는 위치와 인접하게 할 수 있다. 자석 모듈(330)과 검출부(350)의 동작은 제어부(320)에 의해 제어될 수 있다.
자석 모듈(330)은 플랫폼(100)에 영향을 미치지 않는 위치에 있다가 위치 확인이 필요한 경우에 플랫폼(100)의 하부로 이송될 수 있다.
플랫폼(100)의 하부로 이송된 자석 모듈(330)은 자성체 수용 챔버(160)에 수용된 자성체를 끌어당기고, 상기 끌어당기는 힘에 의해 플랫폼(100)이 회전하여 플랫폼(100)의 영역 중 자성체 수용 챔버(160)가 위치하는 영역이 자석 모듈(330)의 상부에 위치하도록 할 수 있다. 자석 모듈(330)로부터 끌어당기는 힘을 용이하게 받게 하기 위하여 자성체 수용 챔버(160)가 플랫폼(100)의 하부로 돌출되도록 형성할 수 있다.
검출부(350)가 자석 모듈(330)과 대면하는 위치에 인접하므로, 검출하고자 하는 정보를 갖는 검출 대상 영역과 인접한 위치에 자성체 수용 챔버(160)를 형성함으로써 검출부(350)가 원하는 정보를 검출할 수 있다. 검출 대상 영역은 QC 챔버(128)일 수도 있고, 반응 챔버(140)일 수도 있다. 이 외에도 검출 가능한 정보를 갖는 영역이면 검출 대상 영역이 될 수 있다.
검출부(350)는 발광부와 수광부를 구비할 수 있고, 발광부와 수광부는 도 12에 도시된 바와 같이 일체형으로 형성되어 같은 쪽에 위치하는 것도 가능하고, 발광부와 수광부가 서로 마주보도록 대향형으로 형성되는 것도 가능하다. 이 때, 발광부를 발광 면적이 넓은 면발광체로 구현하면 자성체 수용 챔버(160)와 검출 대상 챔버 사이에 다소 거리가 있더라도 검출부(350)가 검출 대상 챔버에 관한 정보를 검출할 수 있다. 검출부(350)에 의한 검출 동작에 관해서는 이하 도 14에서 자세하게 설명하도록 한다.
당해 실시예에서는 자석 모듈(330)이 플랫폼의 하부에서 이동하는 것으로 하였으나, 플랫폼의 상부에서 이동하는 것도 가능하다.
자성체 수용 챔버(160-1,160-2,160-3,160-4)와 자석 모듈(330)에 의한 플랫폼(100)의 위치 확인은 본 발명에 관한 하나의 실시예에 불과하고, 다른 실시예로서, 미세유동장치(10)에 자성체 수용 챔버(160)를 구비하지 않고 검사 장치(300)에 플랫폼(100)의 각 위치(angular position)을 제어할 수 있는 모터 드라이브 장치를 구비하여 플랫폼(100) 상의 특정 위치와 검출부(350)가 대면하도록 하는 것도 가능하다.
도 13에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서 유체의 이송 단계 별 플랫폼(100)의 회전 속도를 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 14a 내지 도 14e에는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서의 유체의 흐름을 나타낸 평면도가 도시되어 있다. 도 14의 미세유동장치는 상기 도 7에 도시된 미세유동장치와 동일한 구조를 갖는다.
도 13을 참조하면, 미세유동장치(10)에서의 유체의 이송은 크게 샘플 주입 단계(A), 샘플 분배 단계(B), 사이펀 채널 wetting 단계(C), 샘플 이송 단계(D)로 나눌 수 있다. 참고로, 유체가 사이펀 채널(125)을 채우는 것을 wetting이라 한다. 이하 도 13의 그래프와 도 14의 각 단계 별 평면도를 대응시켜 미세유동장치의 동작을 설명하도록 한다.
도 14a는 샘플 주입 단계(A)에서 미세유동장치의 평면도이다. 플랫폼(100)이 정지한 상태(rpm=0)에서 샘플 주입구(111)를 통해 샘플을 샘플 공급 챔버(110)로 주입한다. 당해 실시예에서도 혈액 샘플이 주입되는 것으로 한다. 샘플 주입 시에 샘플 주입구(111)가 아닌 곳에 혈액을 떨어뜨리더라도 샘플 주입구와 인접한 위치에 역류 방지 챔버(112)가 있으므로 상기 혈액으로 인한 미세유동장치(10)의 오염을 방지할 수 잇다.
도 14b는 샘플 분배 단계(B)에서 미세유동장치의 평면도이다. 샘플 주입이 완료되면 제1챔버(120)로의 샘플 분배를 시작하고, 이를 위해 플랫폼(100)이 회전을 시작하면서 회전속도(rpm)가 증가한다. 당해 실시예에서와 같이 혈액 샘플에 대한 검사를 수행하는 경우에는 샘플의 분배와 함께 원심 분리가 이루어질 수 있는바, 혈액은 원심 분리를 통해 상청액과 침강물로 분리될 수 있다. 상청액에는 혈청, 혈장 등이 포함되고 침강물에는 혈구 등이 포함되며, 실질적으로 검사에 사용되는 샘플은 상청액이 된다.
도 13의 예시와 같이, 회전속도를 v1까지 증가시켜 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 혈액을 원심력에 의해 제1-1챔버(120-1) 내지 제1-3챔버(120-3)까지 분배하고, 회전 속도를 v2까지 증가시켜 각 챔버 내에서의 원심 분리가 일어나도록 할 수 있다. 각 챔버에 수용된 혈액이 원심 분리되면 회전 중심에서 가까운 부분에 상청액이 수집되고, 회전 중심에서 먼 부분에 침강물이 수집된다. 도 14의 실시예에서는 제1챔버(120)의 크기를 동일하게 하였으나, 제1챔버(120) 각각의 크기를 분배하고자 하는 유체의 양에 따라 다르게 형성할 수 있다.
또한, 앞서 도 5b에서 설명한 바와 같이, 혈액의 분배 시에도 모세관력에 의해 사이펀 채널(125)의 일부가 채워질 수 있다. 제1-1 챔버(120-1) 내지 제1-3챔버(120-3)까지 혈액의 공급이 완료되면 샘플 공급 챔버(110)에 수용된 혈액 중 제1챔버(120)에 공급되지 않은 나머지 혈액의 일부는 분배 채널(115)을 통해 QC(Quality Control) 챔버(128)로 유입되고, QC 챔버(128)로 유입되지 않은 나머지 혈액은 과잉 챔버(180)로 유입된다.
도 14b에 도시된 바와 같이, QC 챔버(128)와 인접한 위치에 자성체 수용 챔버(160-4)가 형성되어 있으므로 앞서 도 12에서 설명한 자석(330)에 의해 QC 챔버(128)를 검출부(350)와 대면시킬 수 있다. 따라서, 검출부(350)가 QC 챔버(128)와 대면하게 되면 QC 챔버(128)의 투과도를 측정하여 제1챔버(120)에 대한 혈액의 공급이 완료되었는지 여부를 판단할 수 있다.
도 14c는 사이펀 채널의 wetting 단계(C)에서 미세유동장치의 평면도이다. 혈액의 분배와 원심 분리가 완료되면, 도 13에 도시된 바와 같이 플랫폼(100)을 정지(rpm=0)시키고 플랫폼(100)이 정지되면 제1챔버(120-1,120-2,120-3)에 수용된 혈액이 모세관력에 의해 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)을 채운다.
도 14d는 샘플 이송 단계(D) 중 제2챔버(130)로의 이송단계에서 미세유동장치의 평면도이다. 사이펀 채널(125)의 wetting이 완료되면, 다시 플랫폼(100)을 회전시켜 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)에 채워진 혈액이 제2챔버(130-1,130-2,130-3)로 유입되도록 한다. 도 14d에 도시된 바와 같이, 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)의 입구가 제1챔버(120-1,120-2,120-3)의 상부(회전 중심에 가까운 쪽)에 연결되어 있으므로 사이펀 채널(125-1,125-2,125-3)을 통해 제2챔버(130-1,130-2,130-3)로 유입되는 것은 상청액이 된다.
제2챔버(130)는 유입된 상청액을 잠시 수용하기만 할 수도 있고, 앞서 설명한 바와 같이 표지 접합체(22a',23a)를 미리 구비하여 혈액 중의 특정 항원과 표지 접합체(22a')의 결합 반응이 일어나도록 할 수도 있다.
도 14e는 샘플 이송 단계(D) 중 미터링 챔버(140)로의 이송단계에서 미세유동장치의 평면도이다. 제2챔버(130-1,130-2,130-3)로 유입된 혈액은 원심력에 의해 제3챔버인 미터링 챔버(140-1,140-2,140-3)로 유입된다. 원심력에 의해 미터링 챔버(140-1,140-2,140-3)의 하부 즉, 회전 중심에서 먼 쪽부터 채워지고, 혈액이 제4챔버인 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)와 연결되는 출구까지 채워지면 그 이후에 유입되는 혈액은 출구를 통해 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)로 유입된다. 따라서, 미터링 챔버(140)의 출구의 위치를 조절하여 반응 챔버(150)에 정량의 혈액을 공급할 수 있다. 다만, 이는 미터링 방식의 일 실시예에 불과하고 하기 도 15 내지 도 17의 방식으로 유체 샘플을 미터링하는 것도 가능하다.
반응 챔버(150) 내에서 일어나는 반응은 앞서 설명한 바와 같이, 면역 크로마토그래피에 의한 것일 수도 있고, 포획 항원 또는 포획 항체와의 결합 반응일 수도 있다.
도 14e에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)와 인접한 위치에 자성체 수용 챔버(160-1,160-2,160-3)를 형성하면 자석에 의해 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)의 위치를 확인할 수 있다.
따라서, 반응이 완료되면 자석이 플랫폼(100)의 하부로 이송되고, 자석(330)과 자성체 사이의 인력에 의해 검출부(350)와 반응 챔버(150)가 대면하게 된다. 검출부(350)는 반응 챔버(150)를 촬영하여 반응 챔버(150) 내에서의 반응 결과를 검출할 수 있다.
이하 미세유동장치에서의 유체를 미터링하는 다른 방식에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 15에는 유체 이송 보조부를 더 포함하는 미세유동장치의 구체적인 구조를 나타내는 평면도가 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 앞서 도 7에서 설명한 미세유동장치(10)는 미터링 챔버(140)와 반응 챔버(150) 사이에 유체의 이송을 보조하는 유체 이송 보조부(155)를 더 포함할 수 있다. 당해 실시예에서는 3개의 미터링 챔버(140-1,140-2,140-3)와 반응 챔버(150-1,150-2,150-3)가 모두 유체 이송 보조부(150-1,150-2,150-3)를 포함하는 것으로 한다.
유체 이송 보조부(150)는 유체가 미터링 챔버(140)에서 반응 챔버(150)로 이동하도록 안내하는 유체 가이드부(155b)와 유체를 미터링 챔버(140)에서 반응 챔버(150)로 통과시키는 유체 통과부(155a)를 포함한다. 유체 가이드부(155b)는 반응 챔버(150)에서 미터링 챔버(140) 쪽으로 돌출된 형태를 하며, 유체 통과부(155a)는 유체의 통과를 용이하게 하기 위하여 분배 채널(115) 등 미세유동장치에서 유체 이송에 사용되는 다른 채널의 폭보다 넓은 폭을 갖도록 구현한다. 다만, 유체 이송 보조부(155)가 유체 가이드부(155b)를 반드시 포함해야 하는 것은 아니며, 유체 통과부(155a) 만으로 구현되는 것도 가능하다.
또한, 당해 실시예에서는 반응 챔버(150)에서 크로마토그래피를 이용한 반응이 일어나는 것으로 하는바, 이를 위해 반응 챔버(150)에는 앞서 도 8 내지 도 11에서 설명한 검출 영역(20)이 마련된다. 3개의 검사부는 각각 독립적으로 검사를 수행할 수 있으나, 당해 실시예에서는 3개의 검사부에 각각 검출 영역(20-1,20-2,20-3)이 마련되는 것으로 한다.
유체 이송 보조부(155)는 이하 상술할 플랫폼(100)의 회전속도 제어와 함께 미터링 챔버(140)에 수용된 유체를 사용자가 원하는 양만큼 반응 챔버(150)로 이송시킬 수 있도록 하는 역할을 한다. 유체 이송 보조부(155)의 구체적인 역할은 이하 도 16을 참조하여 설명하도록 한다.
도 16a 내지 도 16e에는 도 15의 미세유동장치에서의 유체의 흐름을 나타낸 평면도가 도시되어 있고, 도 17에는 도 16의 유체 이송 단계 별 플랫폼의 회전 속도를 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 여기서, 플랫폼(100)의 회전 속도는 플랫폼이 장착된 검사 장치(300)의 제어부(320)에 의해 제어될 수 있다.
도 16a 내지 도 16e는 유체 샘플이 제2챔버(130)로 이송된 이후의 유체 이송 단계를 나타내며, 샘플이 주입되고 제2챔버(130)로 이송되기까지의 과정은 앞서 도 14에서 설명한 바와 같다.
도 16a는 제2챔버(130)에서 제3챔버(140)로의 이송단계에서의 미세유동장치의 평면도이다. 제3챔버(140)는 미터링 챔버이고, 제2챔버(130)에는 앞서 설명한 표지 접합체가 포함되어 있는 것으로 한다. 여기서, 표지 접합체는 제1표지 접합체만 포함할 수도 있고, 제1표지 접합체와 제2표지 접합체를 모두 포함할 수도 있다. 표지 접합체가 제1표지 접합체만 포함하는 경우는 반응 챔버(150)의 검출 영역(20)에 제2표지 접합체가 구비되어 있는 경우이고, 표지 접합체가 제1표지 접합체와 제2표지 접합체를 모두 포함하는 경우는 검출 영역(20)에 제2표지 접합체가 구비되어 있지 않은 경우일 것이다.
플랫폼(100)을 회전시키면 제2챔버(130)의 표지 접합체와 샘플이 모두 미터링 챔버로 이동하며, 도 17의 a구간에 도시된 바와 같이 플랫폼(100)의 회전속도를 v1에서 v3로 높여 주면서 충분한 원심력을 제공하면 제2챔버(130)에 남아있던 표지 접합체의 대부분이 미터링 챔버(140)로 이동한다. 제1표지접합체와 샘플 내의 분석대상 물질 사이의 결합 반응은 제2챔버(130)에서 일어나는 것도 가능하고(도 7 참조), 미터링 챔버(140)에서 일어나는 것도 가능하다. 당해 실시예에서는 미터링 챔버(140)에서 결합 반응이 일어나는 것으로 한다.
이동된 샘플과 제1표지 접합체는 미터링 챔버(140)에서 1차 반응, 즉 분석대상 물질과 제1표지 접합체 사이의 결합 반응을 진행하게 되고, 이 때는 도 17의 b구간에 도시된 바와 같이 플랫폼(100)을 정지시킨다. 이로써, 미터링 챔버(140) 내에서는 원심력에 의해 형성되었던 반응물의 위치별 농도편차가 없어지게 된다.
도 16b는 미터링 챔버에서 반응 챔버로의 이송 단계에서의 미세유동장치의 평면도이다. 사용자가 원하는 시간 동안 미터링 챔버(140)에서의 1차 반응을 마치면, 1차 반응이 완료된 샘플을 반응 챔버(150)에 공급한다.
도 17의 c구간을 참조하면, 샘플을 반응 챔버(150)로 이송하기 위해 플랫폼(100)의 회전속도를 saw 형태로 제어할 수 있다. Saw 형태의 회전속도는 플랫폼(100)의 회전속도 증가와 정지가 반복되는 것을 의미한다. Saw 형태의 회전속도 제어는 검사 장치(300)의 제어부(320)가 플랫폼(100)의 회전속도를 도 17의 c구간과 같이 직접 제어함으로써 수행되는 것도 가능하고, 자석 모듈(330)과 자성체 수용 챔버(160)를 이용하여 수행되는 것도 가능하다.
후자의 경우, 플랫폼(100)의 회전 속도를 증가시키면서 회전 초기에는 자석 모듈(330)을 자성체 수용 챔버(160)에 영향을 주지 않는 위치에 놓고, 회전 속도가 상승하는 일 시점에 자석 모듈(330)을 자성체 수용 챔버(160)의 상부 또는 하부에 위치시킴으로써, saw 형태의 회전속도 제어를 수행할 수 있다.
이 때, 플랫폼의 회전력과 자성체의 자기력 및 유체 샘플의 회전에 따른 관성력이 동시에 작용하여 도 16b에 도시된 바와 같이 유체 샘플이 반응 챔버(150) 쪽으로 몰리게 된다. 유체 가이드부(155b)는 몰린 유체 샘플이 반응 챔버(150) 내부로 유입되도록 안내하며, 유체 통과부(155a)는 유체 가이드부(155b)에 의해 안내된 유체 샘플을 반응 챔버(150) 내부로 통과시킨다. 플랫폼(100)의 회전 방향은 미터링 챔버(140)에서 반응 챔버(150)를 향하는 방향, 즉 당해 실시예에서는 반시계 방향으로 할 수 있다.
따라서, 상술한 회전속도 제어와 유체 이송 보조부(155)에 의해 미터링 챔버(140)와 반응 챔버(150)의 연결부보다 더 바깥쪽에 위치하는 유체 샘플을 반응 챔버(150)로 이송시킬 수 있게 되고, 사용자는 제어 시점을 조절하여 원하는 시점에 반응 챔버(150)에서 2차 반응을 일으킬 수 있으며, 플랫폼(100)에 작은 회전력을 가하더라도 유체 샘플을 원하는 양 만큼 반응 챔버(150)로 공급할 수 있게 된다. 여기서, 2차 반응은 검출 영역(20)에 의한 크로마토그래피 반응이다.
도 16c는 반응 챔버에서 2차 반응 시작 단계에서의 미세유동장치의 평면도이다. 유체 샘플이 유체 통과부(155a)를 통과하여 검출 영역(20)의 샘플 패드(22)에 도달하면, 모세관력에 의해 유체 샘플이 이동하면서 2차 반응이 시작되고, 이와 함께 미터링 챔버(140)에 남아있던 유체 샘플도 검출 영역(20)에 흡수된다. 도 17의 d구간에 도시된 바와 같이, 2차 반응 시작 이후부터는 샘플이 모세관력에 이동하므로 플랫폼(100)의 회전은 정지시킬 수 있다.
도 16d는 반응 챔버에서 2차 반응 완료 단계에서의 미세유동장치의 평면도이다. 반응 챔버(150)에 공급된 샘플이 검출 영역(20)의 샘플 패드(22)에서 테스트 라인(24)과 대조 라인(25)까지 모두 통과하면 2차 반응이 완료된다. 상기 도 8 내지 도 11에는 도시하지 않았으나, 검출 영역(20)의 테스트 라인과 대조 라인 뒤에는 흡수 패드가 마련될 수 있고, 흡수 패드는 테스트 라인과 대조라인에서 반응이 완료된 샘플을 흡수한다.
도 16e는 2차 반응이 완료된 반응 챔버의 건조 단계에서의 미세유동장치의 평면도이다. 반응 챔버(150)에서의 2차 반응이 완료되면 플랫폼(100)을 고속으로 회전시켜 검출 영역(20)을 건조시킴으로써 검출 영역(20)에 남아있는 유체 샘플을 제거한다.
이 때, 제1챔버(120)에 유체 샘플이 남아있는 경우, 모세관력에 의해 사이펀 채널(125)에 유체 샘플이 채워질 수 있고, 플랫폼(100)이 고속으로 회전하면서 사이펀 채널(125)에 채워진 유체 샘플이 제2챔버(130)를 통과하여 미터링 챔버(140)로 유입될 수 있다. 미터링 챔버(140)로 유입된 유체 샘플이 반응 챔버(150)로 유입되면 2차 반응 결과를 나타내는 검출 영역(20)이 오염될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(10)는 추가로 유입된 유체 샘플을 웨이스트 챔버(170)로 이송시키는 제2사이펀 채널을 더 포함할 수 있다.
도 18에 제2사이펀 채널을 더 포함하는 미세유동장치의 평면도가 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 앞서 도 15에서 설명한 미세유동장치(10)는 미터링 챔버(140)와 웨이스트 챔버(170)를 연결하는 사이펀 채널(145)을 더 포함할 수 있다. 추가된 사이펀 채널(145)이 제2사이펀 채널이 되고, 제1챔버(120)와 제2챔버(130)를 연결하는 사이펀 채널(125)는 제1사이펀 채널이 된다. 제1챔버(120)에 남아있던 유체 샘플이 검출 영역(20)의 건조를 위한 고속 회전 중에 미터링 챔버(140)로 유입되면, 미터링 챔버(140)의 하부에 연결된 제2사이펀 채널(145)로 유입될 수 있다. 유체 샘플은 모세관력에 의해 제2사이펀 채널(145)을 채우게 되며, 제2사이펀 채널(145)에 채워진 유체 샘플은 플랫폼(100)의 회전 시 원심력에 의해 웨이스트 챔버(170)로 버려지게 된다.
따라서, 제1챔버에 유체 샘플이 남아 있더라도 반응이 완료된 반응 챔버에 유체 샘플이 추가로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
100 : 플랫폼 110 : 샘플 공급 챔버
120 : 제1챔버 130 : 제2챔버
140 : 제3챔버(미터링 챔버) 150 : 제4챔버(반응챔버)
115 : 분배 채널
125 : 사이펀 채널(제1사이펀 채널) 145 : 제2사이펀 채널
152 : 유체 이송 보조부

Claims (45)

  1. 회전 중심을 갖는 플랫폼과 상기 플랫폼에 형성되는 미세유동 구조물을 포함하는 미세유동장치에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    상기 플랫폼의 원주 방향으로 배열되고, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 서로 다른 복수의 제1챔버; 및
    상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 사이펀 채널을 포함하는 미세유동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는, 상기 플랫폼의 회전 중심과 중심이 일치하는 원주 방향으로 배열되고,
    상기 미세유동 구조물은,
    상기 복수의 사이펀 채널을 통해 상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 제2챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    샘플을 수용하는 샘플 공급 챔버; 및
    상기 샘플 공급 챔버의 배출구 및 상기 복수의 제1챔버와 연결되어 상기 샘플 공급 챔버로부터 상기 복수의 제1챔버로 상기 샘플을 분배하는 분배 채널을 더 포함하는 미세유동장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 샘플이 흐르는 방향으로 진행할수록, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 미세유동장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 샘플의 분배 순서가 증가할수록, 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 미세유동장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 샘플이 분배되는 방향을 따라 상기 샘플 공급 챔버의 배출구로부터 멀어질 수록 상기 플랫폼의 회전 중심과의 거리가 멀어지는 미세유동장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 플랫폼의 회전중심을 중심으로 하여 나선형으로 배열되는 미세유동장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 사이펀 채널의 최고 지점은 상기 사이펀 채널이 연결된 제1챔버의 최고 수위보다 높은 것으로 하는 미세유동장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 사이펀 채널의 폭은 0.01mm 내지 3mm로 형성되고, 상기 사이펀 채널의 깊이는 0.01mm 내지 3mm로 형성되는 미세유동장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나와 연결되는 적어도 하나의 반응 챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버, 상기 복수의 제2챔버 및 상기 반응 챔버는 상기 샘플 공급 챔버보다 플랫폼의 중심에서 멀리 형성되는 미세유동장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는,
    상기 샘플 내의 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 표지 접합체가 수용되어 있고, 상기 표지 접합체는 상기 분석 대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질 및 표지물질의 결합체인 것으로 하는 미세유동장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는,
    상기 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질이 고정된 검출 영역을 포함하는 미세유동장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 검출 영역은,
    다공성 멤브레인, 마이크로 포어 및 마이크로 필러로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나에 의해 형성되어 모세관력에 의한 샘플의 이동을 가능하게 하는 미세유동장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는,
    상기 검출 영역에서의 검출 결과에 대한 신뢰성을 판단하는 표지 접합체가 고정되어 있는 미세유동장치.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    상기 반응 챔버와 인접한 위치에 형성되어 자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  17. 플랫폼에 형성되는 미세유동 구조물에 있어서,
    샘플을 수용하는 샘플 공급 챔버;
    상기 샘플 공급 챔버의 배출구와 연결되는 분배채널;
    상기 분배채널을 통해 상기 샘플을 공급받고, 상기 플랫폼의 복수의 원주 상에 각각 배열되며, 상기 복수의 원주는 그 반경이 서로 다른 복수의 제1챔버; 및
    상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 사이펀 채널을 포함하는 미세유동 구조물.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 사이펀 채널을 통해 상기 복수의 제1챔버와 각각 연결되는 복수의 제2챔버를 포함하는 더 미세유동 구조물.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 원주는,
    해당 원주 상에 배열된 제1챔버의 샘플 공급 순서에 따라 반경이 증가하는 미세유동 구조물.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 분배 채널을 통해 샘플이 흐르는 방향으로 진행할 수록, 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 미세유동 구조물.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 샘플의 공급 순서가 증가할 수록, 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 미세유동 구조물.
  22. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버는,
    상기 분배 채널을 통해 샘플이 흐르는 방향을 따라 상기 샘플 공급 챔버의 배출구로부터 멀어질 수록 해당 제1챔버가 배열된 원주의 반경이 증가하는 미세유동 구조물.
  23. 제 17 항에 있어서,
    상기 사이펀 채널의 최고 지점은 상기 사이펀 채널이 연결된 제1챔버의 최고 수위보다 높은 것으로 하는 미세유동 구조물.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 사이펀 채널의 폭은 0.01mm 내지 3mm로 형성되고, 상기 사이펀 채널의 깊이는 0.01mm 내지 3mm로 형성되는 미세유동 구조물.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나와 연결되는 적어도 하나의 반응 챔버를 더 포함하는 미세유동 구조물.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 제1챔버, 상기 복수의 제2챔버 및 상기 반응 챔버는 상기 샘플 공급 챔버보다 플랫폼의 중심에서 멀리 형성되는 미세유동 구조물.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는,
    상기 샘플 내의 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 표지 접합체가 수용되어 있고, 상기 표지 접합체는 상기 분석 대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질 및 표지물질의 결합체인 것으로 하는 미세유동 구조물.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 반응 챔버는,
    상기 분석대상 물질과 특이적으로 결합하는 포획물질이 고정된 검출 영역을 포함하는 미세유동 구조물.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 검출 영역은,
    다공성 멤브레인, 마이크로 포어 및 마이크로 필러로 구성된 그룹에서 선택되는 적어도 하나에 의해 형성되어 모세관력에 의한 샘플의 이동을 가능하게 하는 미세유동 구조물.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 복수의 제2챔버 중 적어도 하나에는,
    상기 검출 영역에서의 검출 결과에 대한 신뢰성을 판단하는 표지 접합체가 임시 고정되어 있는 미세유동 구조물.
  31. 제 25 항에 있어서,
    상기 반응 챔버와 인접한 위치에 형성되어 자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함하는 미세유동 구조물.
  32. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    상기 제2챔버와 상기 반응 챔버 사이에 형성되어 상기 제2챔버에서 상기 반응 챔버로 이송되는 유체의 양을 미터링하는 미터링 챔버; 및
    상기 미터링 챔버와 상기 반응 챔버를 연결하는 유체 이송 보조부를 더 포함하는 미세유동 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 유체 이송 보조부는,
    상기 미터링 챔버에 수용된 유체가 상기 반응 챔버로 유입되면서 통과하는 유체 통과부를 포함하는 미세유동장치.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 유체 이송 보조부는,
    상기 미터링 챔버에 수용된 유체의 이동을 상기 유체 통과부로 유도하는 유체 가이드부를 더 포함하는 미세유동장치.
  35. 제 32 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    일단이 상기 미터링 챔버와 연결되는 사이펀 채널;및
    상기 미터링 챔버와 연결된 사이펀 채널의 다른 일단과 연결되는 웨이스트 챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  36. 제 10 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    일단이 상기 미터링 챔버와 연결되는 사이펀 채널;및
    상기 미터링 챔버와 연결된 사이펀 채널의 다른 일단과 연결되는 웨이스트 챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 사이펀 채널은,
    상기 미터링 챔버에 수용된 유체가 상기 반응 챔버로 이송된 이후에 유입되는 유체 샘플을 상기 웨이스트 챔버로 이송시키는 미세유동장치.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 미세유동 구조물은,
    자성체를 수용하는 자성체 수용 챔버를 더 포함하는 미세유동장치.
  39. 제 38 항의 미세유동장치;
    상기 미세유동장치의 플랫폼을 회전시키는 회전 구동부;
    상기 플랫폼의 방사 방향으로 이동 가능한 자석 모듈; 및
    상기 회전 구동부와 상기 자석 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 검사장치.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 미터링 챔버에서 상기 반응 챔버로의 유체 이송 시에, 상기 플랫폼을 회전시키고, 상기 플랫폼이 회전하는 일 시점에 상기 자석 모듈을 상기 플랫폼의 상부 또는 하부로 이동시켜 상기 자성체 수용 챔버와 대면하게 하는 검사장치.
  41. 유체를 수용하는 제2챔버, 유체의 양을 미터링하는 제3챔버, 상기 제3챔버에서 미터링된 유체가 유입되면 상기 유입된 유체를 이용하여 크로마토그래피 반응을 일으키는 제4챔버 및 상기 제2챔버, 제3챔버 및 제4챔버를 각각 연결하는 채널이 형성된 플랫폼을 포함하는 미세유동장치의 제어방법에 있어서,
    상기 플랫폼을 회전시켜 상기 제2챔버에 수용된 유체를 상기 제3챔버로 이송하고;
    상기 플랫폼의 회전속도의 증가 및 정지를 반복하여 상기 제3챔버에 이송된 유체를 상기 제4챔버로 유입시키는 것을 포함하는 미세유동장치의 제어방법.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 유체가 상기 제3챔버로 이송된 후, 상기 플랫폼을 정지시켜 상기 유체와 상기 제3챔버에 수용된 표지 접합체 사이에 1차 반응이 일어나도록 하는 것을 더 포함하는 미세유동장치의 제어방법.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 제3챔버에 이송된 유체가 상기 제4챔버에 유입되면 플랫폼을 정지시키는 것을 더 포함하는 미세유동장치의 제어방법.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 플랫폼이 정지되면, 상기 제4챔버에 구비된 검출 영역이 모세관력에 의해 상기 유체를 흡수하여 상기 제3챔버에 남아있는 유체를 상기 제4챔버로 이송시키는 것을 더 포함하는 미세유동장치의 제어방법.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 제4챔버에서의 크로마토그래피 반응이 완료되면, 상기 플랫폼을 회전시켜 상기 제4챔버에 남아있는 유체를 건조시키는 것을 더 포함하는 미세유동장치의 제어방법.
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