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KR20030090636A - Three-dimensional microfluidics incorporating passive fluid control structures - Google Patents

Three-dimensional microfluidics incorporating passive fluid control structures Download PDF

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Publication number
KR20030090636A
KR20030090636A KR10-2003-7010429A KR20037010429A KR20030090636A KR 20030090636 A KR20030090636 A KR 20030090636A KR 20037010429 A KR20037010429 A KR 20037010429A KR 20030090636 A KR20030090636 A KR 20030090636A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layers
channel
microfluidic device
fluid
microfluidic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
KR10-2003-7010429A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
마이클 맥닐리
마크 스퓨트
닐스 아데이
Original Assignee
바이오마이크로 시스템즈, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 바이오마이크로 시스템즈, 인크. filed Critical 바이오마이크로 시스템즈, 인크.
Priority claimed from PCT/US2002/004045 external-priority patent/WO2003052428A1/en
Publication of KR20030090636A publication Critical patent/KR20030090636A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81CPROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2260/00Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 함께 밀봉되는 복수의 실질적으로 평면인 층들(101, 102 및 103)로부터 형성된 삼차원 마이크로유체 장치(100)를 개시한다.The present invention discloses a three-dimensional microfluidic device 100 formed from a plurality of substantially planar layers 101, 102 and 103 sealed together.

Description

수동 유체 제어 구조를 포함하는 삼차원 마이크로유체 장치 {Three-dimensional microfluidics incorporating passive fluid control structures}Three-dimensional microfluidics incorporating passive fluid control structures

본 출원은 미국에서 2001. 9. 28자로 출원된 특허출원 제09/967,402호의 일부 계속 출원(continuation-in-part)이며, 상기 미국 출원은 또한 1998. 10. 13자 출원된 특허 가출원 제60/103,970호 및 1999. 6. 8자 출원된 특허 가출원 제60/138,092호를 우선권 주장의 기초로 하고, 2001. 10. 2자 특허 제6,296,020호로 특허된 1999. 10. 13자 특허출원 제09/417,691호의 계속출원이다.This application is a continuation-in-part of patent application Ser. No. 09 / 967,402, filed Sept. 28, 2001 in the United States, the United States application of which is also entitled Provisional Patent Application No. 60 / filed Oct. 13, 1998 Patent Application No. 09 / 417,691 filed on October 13, 1999, filed with Patent Provisional Application No. 60 / 138,092, filed on August 8, 1999 and filed with Patent No. 6,296,020, filed on October 8, 2001 Continued application of the call.

본 출원은 또한 아래 특허출원의 잇점을 청구한다:The present application also claims the benefit of the following patent applications:

2001. 2. 7자 출원된 특허가출원 제60/267,154호;Patent Application No. 60 / 267,154, filed 7 February 2001;

2001. 3. 9자 출원된 특허가출원 제60/274,389호;Patent Application No. 60 / 274,389, filed March 9, 2001;

2001. 4. 17자 출원된 특허가출원 제60/284,427호;Patent Application No. 60 / 284,427, filed April 17, 2001;

2001. 5. 11자 출원된 특허가출원 제60/290,209호;Provisional Application No. 60 / 290,209, filed May 11, 2001;

2001. 8. 20자 출원된 특허가출원 제60/313,703호;Provisional Application No. 60 / 313,703, filed August 20, 2001;

2001. 12. 12자 출원된 특허가출원 제60/339,851호;Patent Application No. 60 / 339,851, filed December 12, 2001;

2000. 5. 15자 출원된 특허 가출원 제60/204,306호를 우선권 주장의 기초로 하는 2001. 5. 15자 출원된 특허출원 제09/855,870호;Patent application Ser. No. 09 / 855,870, filed on May 15, 2001, which is based on a claim of priority on Patent Provisional Application No. 60 / 204,306, filed on May 15, 2000;

2000. 8. 4자 출원된 특허 가출원 제60/223,022호를 우선권 주장의 기초로 하는 2001. 8. 3자 출원된 특허출원 제09/922,451호; 및Patent application 09 / 922,451 filed on August 8, 2001, based on a claim of priority on August 4, 2000, provisional patent application 60 / 223,022; And

1999. 6. 8자 특허 가출원 제60/138,091호를 우선권 주장의 기초로 하는 2000. 6. 8자 국제특허출원 제PCT/US00/40156호를 우선권 주장의 기초로 하는 미국 특허출원 제10/009,674호로서, 이들 각각은 참고로 여기에 포함된다.June 8, 1999 United States Patent Application No. 10 / 009,674, which is based on the claim of priority on June 8, 2000, based on the provisions of the priority of the 8th Patent Application No. 60 / 138,091. As arcs, each of which is incorporated herein by reference.

집적회로 및 마이크로전자기계시스템(MEMS)은 전형적으로 실리콘 기판상에 박막증착, 화학 에칭, 및 마이크로-리토그래피(micro-lithography)와 같은 미세제조공정을 이용하여 만들어진다. 마이크로유체분석, 또는 마이크로유체공학은, 흔히 액체 생화학 샘플을 처리 및/또는 분석하는데 이용되는, 미소규모의 유체 처리 구조가 구성되는 MEMS의 부분집합이다. 비록 마이크로유체구조가 처음에는 실리콘에서 제조되었지만, 마이크로유체 장치의 대부분은 이제 플라스틱으로 구성되며, 다른 것들은 유리로 형성된다. 고온 엠보싱 및 미량 주입 성형(micro-injection molding)과 같은 새롭거나 변형된 방법은 물론 종래의 미세제조 기술도 이용된다. 기판에 마이크로유체 구조를 형성하기 위해 IR 및 UV 레이저 모두를 사용한 레이저 가공이 또한 수행된다.Integrated circuits and microelectromechanical systems (MEMS) are typically made using microfabrication processes such as thin film deposition, chemical etching, and micro-lithography on silicon substrates. Microfluidic analysis, or microfluidics, is a subset of MEMS in which microscopic fluid processing structures are constructed, often used to process and / or analyze liquid biochemical samples. Although the microfluidic structure was initially made from silicon, most of the microfluidic devices now consist of plastic, while others are formed of glass. Conventional microfabrication techniques are used as well as new or modified methods such as hot embossing and micro-injection molding. Laser processing using both IR and UV lasers is also performed to form microfluidic structures on the substrate.

대부분의 마이크로유체 시스템은 2 또는 21/2-D인데, 이는 하나의 평면에 놓이는 채널 또는 웰(wells)과 같은 마이크로유체 구조로 구성됨을 의미한다. 2 또는 21/2-D 시스템의 마이크로유체 구조는 구조에 따라 약간 다를 수 있는 깊이를 가지지만, 이들 구조는 서로에 대하여 정면에서 볼 때 크게 다르지 않으며, 하나의 구조가 다른 구조와 교차하거나 겹치지 않는다. 2 또는 21/2-D 시스템은 개방 채널 또는 웰이 벌크 기판의 표면에 용이하게 형성될 수 있고, 결과적으로 기판의 표면을 덮개 판 또는 필름으로 덮음으로써 밀폐될 수 있다는 단순한 이유로 우세한데, 기판 표면들은 전형적으로 평면이기 때문에, 이러한 접근은 결국 실질적으로 평면인 밀폐된(enclosed) 마이크로유체 회로를 형성한다. 대조적으로, 벌크 기판에 겹치거나 다양한 높이를 갖는 구조들을 형성하기 위해서는, 벌크 기판의 내부에 그 구조들 중 적어도 하나를 형성할 필요가 있는데, 이는 표면 구조들을 형성하는 것보다 훨씬 더 어렵다.Most of the microfluidic system is inde 2 or 2 1/2 -D, this means consisting of a microfluidic structure, such as a channel or a well (wells) lie in one plane. The microfluidic structures of a 2 or 2 1 / 2- D system have depths that can vary slightly from structure to structure, but these structures do not differ significantly from each other in front of each other, and one structure does not intersect or overlap with another. Do not. 2 or 2 1 / 2- D systems prevail for the simple reason that open channels or wells can be easily formed on the surface of the bulk substrate and consequently can be closed by covering the surface of the substrate with a cover plate or film, the substrate Because the surfaces are typically planar, this approach eventually forms a substantially planar enclosed microfluidic circuit. In contrast, to form structures having overlapping or varying heights on the bulk substrate, it is necessary to form at least one of the structures inside the bulk substrate, which is much more difficult than forming surface structures.

일부의 경우, 특히 병렬로 작동하거나, 수많은 입구 및 출구를 가지거나, 또는 다중 샘플 또는 시약이 제공된 회로를 갖는 다중 유체 처리 회로가 관련된 경우에는, 요구되는 마이크로유체 회로를 단일 평면에 형성하는 것이 불가능한데, 이는 그 회로의 부분들이 그 회로의 다른 부분들과 교차하거나 겹쳐야만 하기 때문이다. 기타의 경우에는, 특정의 마이크로유체 회로를 단일층에 형성하는 것이 이론적으로 가능할 수는 있으나, 장치의 크기 및 마이크로유체 채널의 길이가 너무 커야 하기때문에 실용적인 측면에서 바람직하지 않다. 실제로, 비록 이론적 관점에서는 두개의 층에 마이크로유체 회로를 형성하는 것이 이론적으로 가능할 수 있지만(Anderson 등), 많은 경우 상기한 바와 같은 이유로 실질적 관점에서는 2-층 장치가 바람직하지 않을 수 있다. 상기한 같은 이유로 다층, 또는 삼차원 마이크로유체 장치를 구성하는 실행가능한 방법을 개발하기 위해 최근 상당한 노력이 있어 왔다.In some cases, it is not possible to form the required microfluidic circuit in a single plane, especially if it involves multiple fluid processing circuits operating in parallel, having numerous inlets and outlets, or having circuits provided with multiple samples or reagents. This is because parts of the circuit must intersect or overlap with other parts of the circuit. In other cases, it may be theoretically possible to form a particular microfluidic circuit in a single layer, but this is not practical in view as the size of the device and the length of the microfluidic channel must be too large. Indeed, although theoretically it may be theoretically possible to form microfluidic circuits in two layers (Anderson et al.), In many cases a two-layer device may not be desirable in practical terms for the reasons described above. For the same reason as above, there has been considerable effort in recent years to develop viable methods of constructing multi-layer or three-dimensional microfluidic devices.

삼차원 마이크로유체 회로를 형성하기 위해 취해진 가장 흔한 접근 방법은 다층 평면에 2 또는 21/2-D 마이크로유체 구조를 형성한 다음, 한 층의 회로들로부터 다른 층들의 회로들로 유체를 전달하기 위한 바이어(vias) 또는 연결 채널을 이용하여, 이 층들을 연결하여 삼차원 구조를 형성하는 것이다. 다층 구조를 형성함으로써, 이론적으로 무제한의 층 수를 갖는 장치를 형성하는 융통성을 제공하면서, 상대적으로 용이하게 기판 재료의 표면에 마이크로유체 구조를 제조할 수 있다.The most common approach taken to form a three-dimensional microfluidic circuit is a multi-layer flat or 2 2 1/2 -D one form the microfluidic structure, and then, for transferring the fluid from the circuit of the layer with other layers of the circuit By using vias or connecting channels, these layers are joined to form a three-dimensional structure. By forming a multilayer structure, it is possible to produce microfluidic structures on the surface of the substrate material relatively easily while providing flexibility in forming devices having a theoretically unlimited number of layers.

공개된 PCT 출원 WO 01/41931는 라미네이팅에 의해 다층 마이크로유체 구조를 형성한 다음 채널 또는 그 안에 형성된 다른 마이크로유체 구조를 갖는 세라믹 시트를 소성하는 것을 개시한다. 공개된 PCT 출원 WO 01/25138은 자가 접착성의 플라스틱 테입으로 된 층들을 함께 라미네이팅함으로써 형성되는 다층 마이크로유체 구조를 개시한다. 이러한 양 방법에 있어서, 마이크로유체 채널(또는 다른 구조)은 비교적 얇은 시트 재료를 통과하여, 채널의 측면은 채널이 형성된 층에 의해 형성되면서, 채널의 상부와 바닥은 인접 층들에 의해 형성되도록 한다.Published PCT application WO 01/41931 discloses forming a multilayer microfluidic structure by laminating and then firing a ceramic sheet having a channel or other microfluidic structure formed therein. Published PCT application WO 01/25138 discloses a multilayer microfluidic structure formed by laminating together layers of self-adhesive plastic tape together. In both of these methods, the microfluidic channel (or other structure) passes through a relatively thin sheet material such that the sides of the channel are formed by the channeled layer, while the top and bottom of the channel are formed by adjacent layers.

실리콘 기판에 구조물을 형성하고, 그 다음 마이크로유체 구조를 포함하는 폴리머 층 또는 막을 형성하기 위한 몰드로서 사용되는 미세제조기술의 사용이 개시된 바 있다(Anderson 등, WO 01/89788, WO 01/89787). 개시된 또 다른 접근 방법은 인쇄된 회로 보드 기판상에 마이크로유체 구조를 정의하는 금속 트레이스를 형성하는 것으로, 이는 그 다음 스택되어 삼차원의 유체 회로를 형성할 수 있거나, 또는 삼차원 구조를 형성하기 위해 스택될 수 있는 폴리머 복제를 위한 몰드 마스터로서 제공될 수 있다(WO 01/25137).The use of microfabrication techniques has been disclosed, which is used as a mold to form structures on silicon substrates and then to form polymer layers or films comprising microfluidic structures (Anderson et al., WO 01/89788, WO 01/89787). . Another approach disclosed is to form a metal trace that defines a microfluidic structure on a printed circuit board substrate, which can then be stacked to form a three-dimensional fluid circuit, or stacked to form a three-dimensional structure. It can serve as a mold master for replicating polymers (WO 01/25137).

포토레지스트에 의해 겹치는 채널 구조를 갖는 모노리식 장치의 제조, 및 반도체 산업에서 확립되어 MEMS 에서 사용하기 위해 적용되는 에칭 기술 또한 2000. 3. 7자 특허된 미국 특허 제6,033,544호에 개시된 바 있다.The manufacture of monolithic devices having channel structures overlapped by photoresists, and the etching techniques established in the semiconductor industry and applied for use in MEMS, have also been disclosed in US Pat. No. 6,033,544, issued March 3, 2000.

실제로, 삼차원 또는 다층 마이크로유체 시스템은 2-D 또는 단일층 시스템보다 더 복잡하고, 더 비싸고, 더 실패하기 쉽다. 다층 마이크로유체 시스템의 제조에 있어서 주요 복잡한 점은 다양한 층들을 정렬하고 함께 밀봉하는데서 비롯된다. 특징들이 1 mm 이상에 속할 수 있는 거대 주변 시스템(geometry systems)은 정렬과 관련해서 더 적은 문제점을 보인다. 그러나, 매우 작은 특징들을 갖는 시스템에서, 특히 100 ㎛ 이하에 속하는 작은 연결 바이어를 갖는 시스템에서 정렬은 상당한 문제이다.Indeed, three-dimensional or multilayer microfluidic systems are more complex, more expensive, and more prone to failure than 2-D or single layer systems. A major complication in the manufacture of multilayer microfluidic systems stems from aligning and sealing the various layers together. Geometry systems, where features can belong to more than 1 mm, show fewer problems with alignment. However, in systems with very small features, alignment is a significant problem, especially in systems with small connecting vias that fall below 100 μm.

다중층들 사이에 누출이 없는 밀봉을 제공하는 것은 도전으로 남아있다. 선택되는 밀봉 방법은 사용되는 특정의 기판 재질에 의존한다. 밀봉 방법은 공정 또는 양극 결합, 접착제 또는 에폭시의 사용, 또는 초음파 용접을 포함한다. 마이크로유체 장치의 구성에 사용되는 대부분의 플라스틱, 실리콘, 유리 및 세라믹은 성질상 친수성이다. 친수성의 모세관 현상은 특징의 크기에 반비례하는 강한 힘을 발생하기 때문에, 수성 유체는 친수성 구조물 내의 작은 틈 내로 흘러들어가는 경향이 있다. 따라서 친수성 다층 시스템에서 층들 사이에 틈이 없는 밀봉을 형성하는 것이 특히 중요하다. 어떤 경우에는 다층 장치의 특정 층들 사이에 착탈 가능한 밀봉을 가져서, 장치들이 해체되어, 예를 들어 장치의 특정 부분이 처분될 수 있고 다른 부분은 재사용 가능하도록 할 수 있으며, 또는 장치의 특정 부분을 세척 또는 소독할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 그렇게 되면 상기 도전은 유효한 밀봉을 형성하면서, 필요할 때는 해제될 수 있지만 필요로 하기 전에는 해제되지 않는 접착제를 발견하게 된다.Providing a leak free seal between the multiple layers remains a challenge. The sealing method chosen depends on the particular substrate material used. Sealing methods include process or use of anodic bonding, adhesives or epoxy, or ultrasonic welding. Most of the plastics, silicon, glass and ceramics used in the construction of microfluidic devices are hydrophilic in nature. Since hydrophilic capillary phenomena generate strong forces that are inversely proportional to the size of the feature, aqueous fluids tend to flow into small gaps within the hydrophilic structure. It is therefore particularly important to form a gap-free seal between the layers in a hydrophilic multilayer system. In some cases, it has a removable seal between certain layers of a multi-layer device, so that the devices can be dismantled, for example certain parts of the device can be disposed of and others can be reused, or certain parts of the device can be cleaned. Or it may be desirable to be able to disinfect. The conduct then finds an adhesive that can form a valid seal, which can be released when needed but not released until needed.

마이크로유체 장치 내의 유체의 이동을 제어하는 것은 실질적으로 모든 마이크로유체 장치의 필수적 측면이지만, 더 복잡한 마이크로유체 회로에 실행하기는 더 어렵다. 계면전동(electro-kinetic) 또는 전기 유체식(electro-hydrodynamic) 유체 제어를 이용하는 마이크로유체 시스템에서 유동 채널에 부착된 다수의 전극들은 복잡한 마이크로유체 회로가 요구될 수 있다. 기타의 마이크로유체 시스템은, 보통 장치내 유체의 흐름을 조절하기 위한 일정 유형의 밸브와 연결된, 압력 구동 흐름을 이용한다. 밸브들은 또한 계면전동 또는 전기 유체식 유체 제어를 이용하는 장치에 사용될 수 있다. 다양한 유형의 능동 및 수동 마이크로밸브들이 마이크로유체 구조에 사용되기 위해 개시되어 왔다. 그러나 미소규모의 능동 밸브는 비교적복잡하며 2- 또는 21/2-D 시스템에서조차도 구성하기가 어렵다. 모세 밸브, 모세 브레이크 등과 같은 구조를 포함하는 수동 밸브는 전기 인터페이스 또는 기계적 부품들을 필요로하지 않는 잇점을 가지므로, 장치에 포함시키기가 더 간편하다. 친수성 모세 밸브는 보통 마이크로유체 장치에 사용되지만 불안한 경향이 있다. 친수성 재질의 친수성 모세 밸브는 수압에 있어서 단지 국소적 최소값만을 일으켜, 유체의 유동 모멘텀 또는 작은 교란에 의해 쉽게 터질 수 있어서, 흐름 제어를 상실할 수 있다. 대조적으로, 참고로 여기에 포함되는 미국 특허 제6,296,020호에 개시된 바와 같은 소수성 수동 밸브는 수압에 있어 전역 최소값(global minima)을 일으키므로, 더 안정한 유체 제어를 제공할 수 있다.Controlling the movement of fluid within the microfluidic device is an essential aspect of virtually all microfluidic devices, but is more difficult to implement in more complex microfluidic circuits. In microfluidic systems using electro-kinetic or electro-hydrodynamic fluid control, many electrodes attached to flow channels may require complex microfluidic circuitry. Other microfluidic systems utilize pressure driven flow, usually associated with some type of valve to regulate the flow of fluid in the device. Valves can also be used in devices that use interfacial or electrofluidic fluid control. Various types of active and passive microvalves have been disclosed for use in microfluidic structures. However, microscale active valves are relatively complex and difficult to configure, even in 2- or 2 1 / 2- D systems. Manual valves, including structures such as capillary valves, capillary brakes, and the like have the advantage of not requiring electrical interfaces or mechanical components and are therefore easier to incorporate into the device. Hydrophilic capillary valves are commonly used in microfluidic devices but tend to be unstable. The hydrophilic capillary valve made of hydrophilic material produces only a local minimum in water pressure, which can easily burst by flow momentum or small disturbances of the fluid, thus losing flow control. In contrast, hydrophobic manual valves as disclosed in US Pat. No. 6,296,020, which is incorporated herein by reference, can cause global minima in water pressure, thereby providing more stable fluid control.

계면전동 또는 전기 유체식 유체 제어용 전극, 기계적 밸브 또는 펌프 및 가열 요소를 포함하는 마이크로유체 시스템용 제어 요소들은 모두 전기 인터페이스를 요한다. 이러한 제어 요소들이 외부적으로 제어되어야 한다면 전기 트레이스가 장치의 외부로 나와야 한다. 따라서 다층 마이크로유체 장치를 구성하는 방법은 이상적으로, 전기 트레이스가 장치의 밖으로 나올 수 있어야 하며, 전극들의 통합성(integrity)을 유지하면서 장치의 층들이 함께 밀봉되어야 한다.Control elements for microfluidic systems, including electrodes for interfacial or electro-fluidic fluid control, mechanical valves or pumps, and heating elements, all require an electrical interface. If these control elements are to be controlled externally, the electrical traces must come out of the device. Thus, a method of constructing a multi-layer microfluidic device should ideally allow electrical traces to come out of the device and the layers of the device should be sealed together while maintaining the integrity of the electrodes.

완전히 기능하는 삼차원 또는 다층 마이크로유체 장치의 실행에 중요한 많은 특징들이 밝혀지고, 이러한 다양한 특징들을 포함하는 장치가 구성되었지만, 이러한 다양한 설계상의 고려를 진정으로 통합한 삼차원 또는 다층 마이크로유체 장치에 대한 요구는 여전히 남는다. 이상적인 다층 장치는 장치의 층들이 장치를 구성하는 동안 용이하고 정확하게 정렬될 수 있는 방식으로 디자인되어야 한다. 이러한 장치는 층들 사이에 믿을만한 누출-없는 밀봉이 얻어질 수 있는 방식으로 구성되어야 한다. 특정의 경우에는 상기 장치가 폐기물을 포함하는 장치의 부분들을 처리하기 위해, 또는 장치내에 포함된 샘플/시약을 회복시키기 위해, 장치 전부 또는 부분들을 세척 및/또는 재사용하는데 사용한 후에 해체될 수 있는 능력을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 물론 마이크로유체 장치내에서 유체 운동의 효과적 제어가 중요하다. 마지막으로, 상기 장치가 상업적으로 제조되기 위해서, 필수적이지 않다면, 삼차원 마이크로유체 장치가 저렴하고 쉽게 이용가능한 재질로 간단하고 신뢰성 있는 공정에 의해 제조되는 것이 바람직하다.While many features have been identified that are important for the implementation of fully functional three-dimensional or multilayer microfluidic devices, and devices have been constructed that include these various features, the need for three-dimensional or multilayer microfluidic devices that truly incorporates these various design considerations Still remains. An ideal multilayer device should be designed in such a way that the layers of the device can be easily and accurately aligned during the construction of the device. Such a device should be constructed in such a way that a reliable leak-free seal can be obtained between the layers. In certain cases, the ability of the device to be dismantled after it has been used to clean and / or reuse all or parts of the device to treat parts of the device that contain waste, or to recover samples / reagents contained within the device. It may be desirable to have. Of course, effective control of fluid motion in the microfluidic device is important. Finally, in order for the device to be commercially produced, it is desirable that the three-dimensional microfluidic device be manufactured by a simple and reliable process of inexpensive and readily available materials, if not essential.

본 발명은 일반적으로 마이크로유체 분야에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 다층 구조로 형성된 삼차원 마이크로유체 회로에 관한 것이다.The present invention relates generally to the field of microfluidics and, more particularly, to three-dimensional microfluidic circuits formed in a multilayer structure.

본 발명의 상술된 잇점 및 기타의 잇점과 본 발명의 목적이 달성되는 방법이 용이하게 이해될수 있도록, 상기에서 간단하게 기술된 본 발명의 보다 구체적인 기재는 첨부되는 도면에서 도시되는 구체적인 실시예를 언급함으로써 이루어질 것이다. 이러한 도면들은 단지 본 발명의 전형적인 실시예만을 나타내므로 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 고려되어서는 아니된다는 이해하에, 본 발명은 첨부되는 도면을 이용하여 보다 구체적이고 자세히 기술 및 설명될 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS The above detailed description of the invention, briefly described above, refers to specific embodiments shown in the accompanying drawings so that the above-described and other advantages of the present invention and the methods for achieving the objects of the present invention can be easily understood. Will be done. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be described and described in more detail and detail with reference to the accompanying drawings, with the understanding that these drawings represent only exemplary embodiments of the invention and should not be considered as limiting the scope of the invention.

도 1은 능동 소자들 및 마이크로유체 회로를 포함하는 층들로 구성된 다층 장치의 확대도이다.1 is an enlarged view of a multi-layer device composed of layers comprising active elements and microfluidic circuitry.

도 2는 도 1에서 도시된 장치의 조립도이다.FIG. 2 is an assembly view of the device shown in FIG. 1.

도 3a는 연속 희석 및 ELISA를 수행하는 다층 장치를 도시한다.3A shows a multilayer device for performing serial dilution and ELISA.

도 3b는 도 3a에 도시된 장치의 기본 마이크로유체 회로의 개략도이다.FIG. 3B is a schematic diagram of the basic microfluidic circuit of the apparatus shown in FIG. 3A.

도 4는 샘플을 처리하여 그것을 3개의 서로 다른 하이브리디제이션 (hybridization) 용액과 함께 마이크로어레이 슬라이드에 전달하는 다층 장치이다.4 is a multi-layer device that processes a sample and delivers it to a microarray slide with three different hybridization solutions.

도 5는 다층 마이크로유체 구조에서의 겹치는 채널들을 도시한 평면도이다.5 is a plan view showing overlapping channels in a multilayer microfluidic structure.

도 6은 도 5의 6-6 절개선을 따른 도 5 구조의 단면도이다.6 is a cross-sectional view of the FIG. 5 structure taken along line 6-6 of FIG. 5.

도 7은 또 다른 다층 마이크로유체 구조에서의 겹치는 채널들을 도시한 평면도이다.7 is a plan view illustrating overlapping channels in another multilayer microfluidic structure.

도 8은 도 7의 8-8 절개선을 따른 도 7 구조의 단면도이다.FIG. 8 is a cross-sectional view of the FIG. 7 structure taken along line 8-8 of FIG. 7. FIG.

도 9는 얇은-시트(sheet) 다층 구조에 형성된 겹치는 유체 채널들을 도시한 평면도이다.9 is a plan view showing overlapping fluid channels formed in a thin-sheet multilayer structure.

도 10은 도 9의 10-10 절개선을 따른 도 9 구조의 단면도이다.10 is a cross-sectional view of the FIG. 9 structure taken along the 10-10 cut line of FIG.

도 11은 도 9의 11-11 절개선을 따른 도 9 구조의 단면도이다.FIG. 11 is a cross-sectional view of the FIG. 9 structure taken along line 11-11 of FIG. 9. FIG.

도 12a는 웰을 포함하는 다층 구조의 확대도이다.12A is an enlarged view of a multilayer structure including wells.

도 12b는 도 12a 구조의 조립도이다.12B is an assembly view of the structure of FIG. 12A.

도 13은 기판 표면에 형성된 수동 밸브를 갖는 유체 채널의 사시도이다.13 is a perspective view of a fluid channel with a manual valve formed on the substrate surface.

도 14는 다층 구조내에 형성된 수동 밸브의 확대도이다.14 is an enlarged view of a manual valve formed in a multilayer structure.

도 15는 도 14의 조립된 수동 밸브의 단면도이다.15 is a cross-sectional view of the assembled manual valve of FIG. 14.

도 16은 또 다른 수동 밸브를 포함하는 다층 구조의 확대도이다.16 is an enlarged view of a multilayer structure including another manual valve.

도 17은 도 16의 조립된 수동 밸브의 단면도이다.17 is a cross-sectional view of the assembled manual valve of FIG. 16.

도 18은 기판의 마주보는 면에 형성되고 기판을 관통하는 좁은 바이어에 의해 연결되는 유체 채널의 사시도이다.18 is a perspective view of a fluid channel formed on opposite sides of the substrate and connected by narrow vias through the substrate.

도 19는 19-19 절개선을 따른 도 18 구조의 단면도이다.19 is a cross-sectional view of the FIG. 18 structure along the 19-19 incision line.

도 20은 20-20 절개선을 따른 도 18 구조의 단면도이다.20 is a cross-sectional view of the FIG. 18 structure along a 20-20 incision.

도 21은 기판의 표면에 형성되고 유체 스트림을 나누기 위해 사용되는 가지구조를 도시한다.FIG. 21 shows the branch structure formed on the surface of the substrate and used to divide the fluid stream.

도 22는 도 21의 가지 구조와 유사한 가지 구조를 포함하는 다층 구조의 확대도이다.FIG. 22 is an enlarged view of a multilayer structure including a branch structure similar to the branch structure of FIG. 21.

도 23은 기판의 표면에 형성된 유체 스트림을 나누기 위한 또 다른 가지 구조를 도시한다.Figure 23 illustrates another branch structure for dividing a fluid stream formed on the surface of the substrate.

도 24는 도 23의 가지 구조와 유사한 가지 구조를 포함하는 유체 스트림을 나누기 위한 다층 구조의 확대도이다.FIG. 24 is an enlarged view of a multi-layer structure for dividing a fluid stream that includes a branch structure similar to the branch structure of FIG. 23.

도 25a-25d는 마이크로유체 혼합 요소에서 직렬로 흐르는 두 유체를 혼합하는 단계를 도시한다.25A-25D illustrate mixing two fluids flowing in series in the microfluidic mixing element.

도 26은 도 25a-25d에 도시된 것과 유사한 혼합 요소가 실행되는 다층 구조의 확대도이다.FIG. 26 is an enlarged view of a multilayer structure in which mixing elements similar to those shown in FIGS. 25A-25D are implemented.

본 발명은 삼차원 마이크로유체 회로를 포함하는 다층 마이크로유체 구조에 관한 것이다. 장치의 구성이 개시되며, 특정의 삼차원 마이크로유체 회로를 이용한 장치의 특정 실시예들이 제시된다. 상기 장치는 하나 이상의 표면에 형성되거나 상기 층들을 통과하는 마이크로유체 회로 소자들을 갖는 플라스틱 재질의 다층으로부터 형성된다. 소수성 베이스 및/또는 코팅 물질은 본 발명에서 광범위하게 이용되는데, 이는 이들 물질이 상기 장치에 대해 바람직한 층간 밀봉 및 유체 운동의 제어를 위한 개선된 수동 밸브 성능을 제공하기 때문이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 수동 유체 제어 구조에 기초한 마이크로유체 회로를 포함한다. 장치의 선택된 층들은 서로 착탈가능하게 밀봉되어, 세척을 위해, 장치의 재사용 가능하고 처분가능한 부분들을 분리하기 위해, 그리고 장치를 마이크로어레이 슬라이드(microarray slides) 또는 마이크로타이터 플레이트(microtiter plates)와 같은 기판과 가역적 교배(mating)를 위해 장치가 해제될 수 있도록 한다.The present invention relates to a multilayer microfluidic structure comprising a three-dimensional microfluidic circuit. The construction of the device is disclosed, and specific embodiments of the device using specific three-dimensional microfluidic circuits are presented. The device is formed from a multilayer of plastic material having microfluidic circuit elements formed on or through one or more surfaces. Hydrophobic base and / or coating materials are widely used in the present invention because these materials provide improved manual valve performance for control of interlaminar sealing and fluid motion that is desirable for such devices. In a preferred embodiment, the present invention includes a microfluidic circuit based on a passive fluid control structure. Selected layers of the device are removably sealed to one another to clean, separate reusable and disposable parts of the device, and to mount the device such as microarray slides or microtiter plates. Allow the device to be released for reversible mating with the substrate.

본 발명의 목적은 저렴하고 용이하게 이용가능한 재질로 간단하고 용이하게 제조될 수 있는 다층 삼차원 마이크로유체 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a multi-layered three-dimensional microfluidic device that can be simply and easily manufactured from inexpensive and readily available materials.

본 발명의 또 다른 목적은 장치내 유체의 이동을 간단하고 유효하며 다양하게 제어할 수 있는 삼차원 마이크로유체 장치를 제공하는 것이다. 이는 유체의 흐름을 방향지시하는 밸브와 함께 압력-구동되는 흐름을 이용함으로써 달성된다. 본 발명에서 사용되는 밸브는 본 장치에 구성되기 위해 복잡한 기계적 구조를 요하지 않는다.It is yet another object of the present invention to provide a three-dimensional microfluidic device capable of simple, effective and versatile control of the movement of fluid in the device. This is accomplished by using a pressure-driven flow with a valve that directs the flow of the fluid. The valves used in the present invention do not require complex mechanical structures to be configured in the device.

본 발명의 또 다른 목적은 다층 마이크로유체 장치의 층들을 신뢰성 있고 누출-없는 방식으로 밀봉하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for sealing layers of a multilayer microfluidic device in a reliable and leak-free manner.

또 다른 본 발명의 목적은 착탈가능한 다층 마이크로유체 장치의 층들을 밀봉하는 누출-없는 방법을 제공하는 것이다. 이는 장치를 사용후에 해체하는 것을 가능케 하여 장치의 부분들을 재사용하고, 장치의 기타 부분들을 처리하며, 또한 장치내에 포함된 재질이 복구되도록 한다.Another object of the present invention is to provide a leak-free method of sealing layers of a detachable multilayer microfluidic device. This makes it possible to dismantle the device after use, reusing parts of the device, handling other parts of the device, and also allowing the material contained within the device to be recovered.

본 발명의 또 다른 목적은 전극, 가열 요소 또는 센서와 같은 능동 구성요소들을 포함하는 다층 마이크로유체 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a multilayer microfluidic device comprising active components such as electrodes, heating elements or sensors.

본 발명의 또 다른 목적은 혼합 기술을 이용하는 다층 마이크로유체 장치를 제공하는 것이다.It is yet another object of the present invention to provide a multilayer microfluidic device using a mixing technique.

본 발명의 또 다른 목적은 슬라이드 또는 마이크로타이터 플레이트와 같은 종래의 기판들과 메이팅할 수 있는 다층 마이크로유체 장치를 제공하는 것이다. 이는 마이크로유체 사전 처리 및 사후 처리 능력을 종래의 기판상 또는 기판 내에서 미소부피의 유체와의 반응과 통합하는 잇점을 제공한다.It is yet another object of the present invention to provide a multilayer microfluidic device capable of mating with conventional substrates such as slides or microtiter plates. This provides the advantage of integrating microfluidic pretreatment and post-treatment capabilities with the reaction of microvolumes of fluid on or within conventional substrates.

본 발명의 현재 바람직한 실시예들은 도면을 참고로 가장 잘 이해될 것이며, 이 도면에서 유사한 부품들은 유사한 도면 부호에 의해 지정된다. 본 발명의 도면에 의해 도시되고 일반적으로 기재되는 바와 같은 본 발명의 구성요소들은 광범위하게 다양한 구성으로 배치 및 디자인될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 따라서 도 1 내지 도 26에 의해 도시되는 본 발명의 장치, 시스템 및 방법에 대한 아래의 더 상세한 기술 및 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범위를 제한하지 않으며, 단순히 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 나타낼 뿐이다.The presently preferred embodiments of the invention will be best understood by reference to the drawings, wherein like parts are designated by like reference numerals. It will be readily appreciated that the components of the present invention as shown and generally described by the drawings of the present invention may be arranged and designed in a wide variety of configurations. Accordingly, the following more detailed description and examples of the apparatus, system and method of the present invention shown by FIGS. 1 to 26 do not limit the scope described in the claims of the present invention, but simply presently preferred embodiments of the present invention. Just an example.

본 발명의 기본적인 삼차원 구조는 누출이 없고 (선택적으로) 가역적 방식으로 함께 밀봉된 플라스틱 기판 재질의 다중 얇은 층들로 구성된다. 층들은 강성이거나 가요성일 수 있지만, 일반적으로 평평하고 함께 조립될 경우 거의 평면이다. 마이크로유체 구조는 몰딩, 마이크로 기계가공, 레이저 애블레이션(laser ablation) 또는 따내기(die cutting)와 같은 용이하게 실행가능한 방법에 의해 개별 층들의 표면 또는 개별 층들의 전체 두께에 걸쳐 형성된다. 따라서 마이크로유체 구조는, 비록 특정의 구조는 층들을 관통하지만, 기본적으로 기판 층들의 평면에 대응하는 평면에 형성된다. 층들의 정확한 성질 및 밀봉 방법은 본 발명의 특정 실시예에 따라 다르다.The basic three-dimensional structure of the present invention consists of multiple thin layers of plastic substrate material that are leak free and (optionally) sealed together in a reversible manner. The layers can be rigid or flexible, but are generally flat and nearly planar when assembled together. The microfluidic structure is formed over the surface of the individual layers or the entire thickness of the individual layers by an easily viable method such as molding, micromachining, laser ablation or die cutting. Thus, the microfluidic structure is formed in a plane that basically corresponds to the plane of the substrate layers, although certain structures pass through the layers. The exact nature of the layers and the method of sealing depend on the specific embodiment of the present invention.

도 1의 확대도에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에서, 다층 마이크로유체 장치(100)는 비교적 두껍고 강성인 재질로 형성된 층들(101, 102 및 103)을 포함한다. 이러한 본 발명의 예시적 실시예에서, 마이크로유체 회로(104)를 포함하는 단일층(102)은 가열 요소(105)를 포함하는 층(101) 및 능동 밸브들(106a-106d)을 포함하는 층(103)과 함께 조립된다. 마이크로유체 회로(104)는 바이어(115a-115d 및 116a-116d)에 의해 연결되는 층(102)의 상부 표면(110) 및 하부 표면(111)에 형성된 마이크로유체 채널 및 웰로 구성된다. 마이크로유체 회로(104)의 채널 및 웰의 깊이는 층(102)의 두께 보다는 적다. 층(101)의 하부 표면(118)은 층(102)의 상부 표면(110)에 대하여 밀봉되어, 그 안에 형성된 마이크로유체 채널(124, 126a-126d, 128a-128d, 130a-130d, 132a-132d, 및 133) 및 웰(127a-127d 및 131a-131d)의 상부 표면을 형성한다. 층(103)의 상부 표면은 층(102)의 하부 표면(111)에 대하여 밀봉되어 그 안에 형성된 채널(129a-129d)의 하부 표면을 형성하여, 능동 밸브(106a-106d)가 채널(129a-129d)과 맞물리도록 한다. 도 1에서, 밸브(106a-106d)는 압력에 의해 활성화되는 밸브로, 활성화되면 채널(129a-129d)내로 돌출하여 채널내 유체의 흐름을 방해한다. 또는, 밸브(106a-106d)는 기계적 밸브, 원격 밸브 및 유압 밸브를 포함하지만 이에 한정되지는 않는 기타 다양한 유형의 능동 밸브일 수 있다.In the first embodiment of the present invention shown in the enlarged view of FIG. 1, the multilayer microfluidic device 100 includes layers 101, 102 and 103 formed of a relatively thick and rigid material. In this exemplary embodiment of the invention, the monolayer 102 comprising the microfluidic circuit 104 comprises a layer 101 comprising a heating element 105 and a layer comprising active valves 106a-106d. Together with 103. The microfluidic circuit 104 consists of microfluidic channels and wells formed in the upper surface 110 and the lower surface 111 of the layer 102 connected by vias 115a-115d and 116a-116d. The depth of the channels and wells of the microfluidic circuit 104 is less than the thickness of the layer 102. Lower surface 118 of layer 101 is sealed relative to upper surface 110 of layer 102 such that microfluidic channels 124, 126a-126d, 128a-128d, 130a-130d, 132a-132d are formed therein. And 133) and top surfaces of wells 127a-127d and 131a-131d. The upper surface of the layer 103 is sealed to the lower surface 111 of the layer 102 to form the lower surface of the channels 129a-129d formed therein, such that the active valves 106a-106d are connected to the channel 129a-. 129d). In FIG. 1, valves 106a-106d are pressure activated valves that, when activated, protrude into channels 129a-129d to impede the flow of fluid in the channel. Alternatively, valves 106a-106d can be various other types of active valves including, but not limited to, mechanical valves, remote valves, and hydraulic valves.

도 1에 도시된 마이크로유체 회로는 DNA 샘플과 폴리머라제 연쇄 반응(PCR)을 수행하여 관심있는 서열(sequence)을 검출하기 위해 고안되지만, 다양한 생화학적 반응들, 특히 샘플이 하나 이상의 가열 단계를 거칠 것을 요하는 생화학 반응을 실행하기 위해 사용될 수 있을 것이다. 그러한 반응들은 DNA 처리에 이용되는 다양한 반응들, 예를 들면 다중 가열 단계들(열순환)을 요하는 PCR, 리가아제 연쇄 반응(LCR), DNA 증폭을 위한 구름원 증폭(RCA; rolling circle amplification), 또는 사이클 서열화로서 이들 모두 단일의 등온 가열 단계를 이용하는 반응들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 관심있는 DNA 샘플을 함유하지만 프라이머는 없는 PCR 칵테일은 층(102)의 입구(122)로 (예를 들어 주사기 펌프를 이용하여) 펌핑된다. 입구(122)로부터 그것은 분배 채널(124)로 이동한 다음 웰(127a-127d)로 이어지는 채널(126a-126d)로 이동한다. 웰(127a-127d)은 다른 앰플리콘에 대한 프라이머쌍을 함유한다. 일반적으로 웰(127a-127d)은 상술한 바와 같이 하나 또는 다중 가열 단계 동안 반응물들을 함유하도록 적응되기 때문에 열반응 웰인 것으로 생각될 수 있다. 유체가 장치(100)로 주입되는 동안 밸브(106a-106d)는 개방 위치에 있어서, 회로내 공기가 샘플 전방의 회로를 통과하여 공기 출구(135)를 통해 빠져나가도록 한다. 일단 웰(127a-127d)에 샘플이 적재되면, 밸브(106a-106d)는 폐쇄되고, 가열 요소(105)는 웰(127a-127d)을 순환식으로 가열하여 PCR 반응을 수행한다. 밸브(106a-106d)가 폐쇄되기 때문에 가열하는 동안 압력이 증가되면 유체를 웰(127a-127d)로부터 웰(131a-131d)까지 이끌 수 없다. PCR 반응이 완료되면, 반응된 샘플은 웰(131a-131d)내로 이끌어지는데, 이는 열반응 웰에 형성되는 반응 생성물의 검출에 사용되는 염료 또는 기타 화합물을 함유한다. 예를 들어 피코그린 염료는 PCR에 의해 생성된 증폭된 DNA 서열을 표지하여 형광 신호를 생성하여, 반응 생성물의 존재 또는 양을 결정하기 위해 검출될 수 있도록 한다. 장치는 해체되어 웰(131a-131d)내의 염료가 판독될 수 있도록 하여 반응 생성물의 양을 정량화하도록 하거나, 또는 장치가 적어도 부분적으로 투명한 재질(즉, 검출될 파장에 대해 투명한 재질)로 형성될 경우, 장치를 해체하지 않고도 반응 생성물을 검출할 수 있을 것이다.Although the microfluidic circuit shown in FIG. 1 is designed to detect a sequence of interest by conducting a polymerase chain reaction (PCR) with a DNA sample, various biochemical reactions, in particular the sample, have undergone one or more heating steps. It may be used to carry out a biochemical reaction that requires it. Such reactions include various reactions used in DNA processing, eg PCR, which requires multiple heating steps (thermal cycling), ligase chain reaction (LCR), rolling circle amplification (RCA) for DNA amplification. Or, as cycle sequencing, all of which include, but are not limited to, reactions using a single isothermal heating step. PCR cocktails containing DNA samples of interest but without primers are pumped (eg, using a syringe pump) to the inlet 122 of layer 102. From inlet 122 it travels to distribution channel 124 and then to channels 126a-126d leading to wells 127a-127d. Wells 127a-127d contain primer pairs for other amplicons. In general, wells 127a-127d may be considered to be thermal reaction wells because they are adapted to contain reactants during one or multiple heating steps as described above. The valves 106a-106d are in the open position while fluid is injected into the device 100 such that air in the circuit passes through the circuit in front of the sample and exits through the air outlet 135. Once the samples are loaded into the wells 127a-127d, the valves 106a-106d are closed and the heating element 105 heats the wells 127a-127d cyclically to perform the PCR reaction. Because the valves 106a-106d are closed, if the pressure increases during heating, fluid cannot be drawn from the wells 127a-127d to the wells 131a-131d. Upon completion of the PCR reaction, the reacted samples are led into wells 131a-131d, which contain dyes or other compounds used for detection of reaction products formed in the thermal wells. Picogreen dyes, for example, label amplified DNA sequences generated by PCR to generate fluorescent signals, which can be detected to determine the presence or amount of reaction products. The device is disassembled to allow dyes in the wells 131a-131d to be read to quantify the amount of reaction product, or when the device is formed of at least partially transparent material (ie, material transparent to the wavelength to be detected). In this case, the reaction product may be detected without dismantling the device.

층(101, 102 및 103)이 형성된 재질은 친수성이거나 소수성일 수 있으며, 이 층들의 표면 및 그 안에 형성된 구조들은 소수성이 되도록 처리된다. 적당한 소수성 물질은 PTFE, FEP 또는 PFA를 포함한다. 비-소수성 물질의 예는 실리콘, 유리, PET, PMMA 또는 PC이다. 이러한 물질들은 진공 증착, 스핀 코팅 또는 증기 증착과 같은 기술에 의해 테플론 또는 테플론 AF 와 같은 소수성 물질로 코팅될 수 있다. 서로 다른 층들은 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 제한 없이, 층들은 대략 밀리미터 단위에서 수 센티미터 단위까지의 두께 범위를 가질 수 있다.The material on which layers 101, 102 and 103 are formed may be hydrophilic or hydrophobic, and the surfaces of the layers and the structures formed therein are treated to be hydrophobic. Suitable hydrophobic materials include PTFE, FEP or PFA. Examples of non-hydrophobic materials are silicone, glass, PET, PMMA or PC. Such materials may be coated with hydrophobic materials such as Teflon or Teflon AF by techniques such as vacuum deposition, spin coating or vapor deposition. Different layers may have different thicknesses. Without limitation, the layers can range in thickness from approximately millimeters to several centimeters.

장치(100)의 층(101, 102 및 103)은 도 2에 도시된 바와 같이 클램프에 의해함께 유지된다. 도 2에 도시된 클램프는 상부 프레임(140) 및 바닥 프레임(141)을 포함한다. 층(101, 102 및 103)은 각 층의 정렬 구멍(136)을 관통하는 정렬 로드(142; alignment rods)에 의해 정렬 상태로 유지된다. 적어도 두개의 정렬 구멍 및 정렬 로드가 장치의 층들을 정렬하기 위해 사용되어야만 한다. 정렬 구멍(136)은 또한 도 1에서도 볼 수 있다. 정렬 로드(142)는 바람직하게 스프링이 적재되어 압축력을 가하여 장치(100)의 층들을 함께 유지시키도록 하며, 바닥 프레임(141)으로 나사결합되도록 끼워넣어진다. 정렬 로드로 층들을 조립하는 기타의 다른 다양한 방법들이 또한 당업자에 의해 고안될 수 있을 것이며, 본 발명은 어떠한 특정한 방법에 한정되지 않는다. 예를 들어, 정렬 로드는 정렬하기 위해서만 기능할 수 있으며, 층들을 함께 밀봉하는데 필요한 압축력이 별도의 클램프 메카니즘에 의해 적용될 수 있을 것이다. 도 2에서 보여지는 다른 특징들은 가열 코일(105)에 연결된 전기 트레이스(144 및 145), 압력에 의해 활성화되는 밸브(106a-106d)에 연결된 공기압 구동 라인, 유체 입구(122) 및 공기 출구(135)이다.Layers 101, 102 and 103 of device 100 are held together by a clamp as shown in FIG. 2. The clamp shown in FIG. 2 includes an upper frame 140 and a bottom frame 141. Layers 101, 102 and 103 are maintained in alignment by alignment rods 142 through the alignment holes 136 of each layer. At least two alignment holes and alignment rods must be used to align the layers of the device. Alignment hole 136 can also be seen in FIG. 1. The alignment rod 142 is preferably spring loaded to apply compressive force to hold the layers of the device 100 together and to be screwed into the bottom frame 141. Other various methods of assembling layers with alignment rods may also be devised by those skilled in the art, and the present invention is not limited to any particular method. For example, the alignment rod may only function to align, and the compressive force necessary to seal the layers together may be applied by a separate clamp mechanism. Other features shown in FIG. 2 include electrical traces 144 and 145 connected to heating coil 105, pneumatic drive lines connected to pressure activated valves 106a-106d, fluid inlet 122 and air outlet 135. )to be.

각 기판층의 외부 표면이 소수성 또는 소수성으로 코팅된다면, 다양한 층들을 함께 밀봉하는 것은 그들이 친수성인 경우보다 덜 중요한데, 이는 유체를 층들 사이의 틈으로 이끄는 친수성 모세력이 없을 것이기 때문이다. 따라서 가스켓이나 접착제의 추가 사용 없이도 기판 층들을 간단하게 함께 유지할 수 있다. 층들은 정상적 압력하에서 유체의 흐름이 층들을 밀어 떨어뜨리지 않을 정도로 충분히 굳건하게 서로 유지되어야 한다. 층들이 평탄하고 평평하며, 어떠한 큰 틈도 생기지 않을 정도로 충분히 긴밀하고 균일하게 함께 유지된다는 것 또한 중요하다. 이는, 유체의 흐름이 (수 마이크로미터 이하에 속하는) 작은 틈을 유발하도록 하는데 필요한 압력의 양이 상당하기 때문에, 층들 사이에 누출이 없는 결합을 제공하기에 충분할 것이다. 이러한 유형의 장치에 있어 바람직한 특징은 그것이 생화학적으로 양립가능한 온도에서 조립될 수 있음으로써, 생화학적 시약을 조립시에 장치로 포함시킬 수 있도록 하는 것이다.If the outer surface of each substrate layer is coated with hydrophobicity or hydrophobicity, sealing the various layers together is less important than if they were hydrophilic, since there would be no hydrophilic capillary force leading the fluid into the gaps between the layers. Thus, the substrate layers can simply be held together without additional use of a gasket or adhesive. The layers must be held firmly together so that under normal pressure the flow of fluid does not push the layers apart. It is also important that the layers are flat and flat and held together tightly and uniformly enough so that no large gaps occur. This will be sufficient to provide a leak-free bond between the layers, since the amount of pressure required to cause the flow of fluid to cause small gaps (belonging to a few micrometers or less) is significant. A desirable feature for this type of device is that it can be assembled at a biochemically compatible temperature, so that the biochemical reagents can be incorporated into the device during assembly.

도 3a는 본 발명의 제 1 "두꺼운 층" 버전의 또 다른 실시예를 도시하며, 여기서 컴플라이언트 재질의 층(301)은 장치의 층(302) 및 그것이 인터페이스되는 기기판(303) 사이의 밀봉을 향상시키기 위해 가스켓으로서 포함된다. 도 1 및 도 2의 장치에서와 같이, 클램프(도시되지 않음)가 층들을 밀봉 관계로 함께 유지할 것이다. 컴플라이언트층(301)은 가소적으로 또는 탄성적으로, 또는 이들의 결합 형식으로 변형될 수 있다. 컴플라이언트 재질은 여기에 도시된 바와 같이 절삭되어 장치내로 별도의 층으로서 조립되는 시트 재질일 수 있으며, 또는 스크린 프린팅 또는 스탠실과 같은 인쇄 기술에 의해 층(302)에 적용될 수 있다. 컴플라이언트 재질은 예를 들어 다양한 천연 또는 합성 폴리머 물질, 고무 및 왁스를 포함한다. 가스켓층은 인접층들 중 하나와 동일한 패턴의 개구를 가질 수 있으며, 단순히 밀봉 기능을 수행할 수 있는데, 마이크로유체 구조의 깊이는 기본적으로 인접한 강성층에 의해 정의된다. 또는 가스켓은 여기에 도시된 바와 같이 인접한 강성층에서 개구에 의해 정의되는 것들과는 독립적으로 마이크로유체 구조를 정의하는 개구의 패턴을 가질 수 있는데, 가스켓층내 마이크로유체 구조의 깊이는 가스켓층의 두께에 의해 정의된다. 가스켓층은 단지 수 마이크론 정도 두께일 수 있으며, 또는 특히 가스켓층들이 마이크로유체 구조를 정의하는 경우, 밀봉 기능을 단순히 수행하기 보다는 상당히 더 두꺼울 수 있다. 가스켓층은 전형적으로 약 0,1 마이크론 내지 약 500 마이크론 두께의 범위에 있을 것이지만, 수 밀리미터 정도의 두께일 수도 있다. 도 3a의 예에서, 개구(310a-310e)는 층(301)의 하부 표면(312)에 의해 위로 접경하고 기판(303)의 상부 표면(314)에 의해 아래로 접경하는 웰을 정의한다. 기판(303)의 영역들(318a-318e)은 웰(310a-310e)내에 함유되는 고정화된 포획 항체들을 함유한다. 이러한 장치의 마이크로유체 회로는 일련의 희석 및 ELISA (enzyme linked immuno-absorbent assay)를 수행하도록 설계되며 아래에 더 자세히 기재될 것이다.3A shows another embodiment of a first “thick layer” version of the present invention, wherein the layer of compliant material 301 is sealed between the layer 302 of the device and the instrument panel 303 to which it is interfaced. It is included as a gasket to improve the. As in the apparatus of FIGS. 1 and 2, a clamp (not shown) will keep the layers together in a sealing relationship. The compliant layer 301 may be deformed plastically or elastically, or a combination thereof. The compliant material may be a sheet material that is cut as shown herein and assembled as a separate layer into the device, or may be applied to layer 302 by printing techniques such as screen printing or stencils. Compliant materials include, for example, various natural or synthetic polymeric materials, rubbers and waxes. The gasket layer can have the same pattern of openings as one of the adjacent layers, and can simply perform a sealing function, the depth of the microfluidic structure being basically defined by the adjacent rigid layer. Alternatively, the gasket may have a pattern of openings that define the microfluidic structure independently of those defined by the openings in adjacent rigid layers, as shown herein, wherein the depth of the microfluidic structure in the gasket layer is dependent upon the thickness of the gasket layer. Is defined by. The gasket layer may be only a few microns thick, or may be considerably thicker than simply performing a sealing function, especially if the gasket layers define a microfluidic structure. The gasket layer will typically be in the range of about 0,1 micron to about 500 microns thick, but may be on the order of a few millimeters thick. In the example of FIG. 3A, openings 310a-310e define wells bordered by bottom surface 312 of layer 301 and bordered by top surface 314 of substrate 303. Regions 318a-318e of substrate 303 contain immobilized capture antibodies contained within wells 310a-310e. The microfluidic circuit of such a device is designed to perform a series of dilution and enzyme linked immuno-absorbent assay (ELISA) and will be described in more detail below.

상기 장치의 또 다른 변형물(도시되지 않음)에서, 장치의 적어도 일부 층들은 열결합 또는 다른 결합 기술에 의해 접착제로 함께 결합된다. 접착제의 적절한 선택은 결합되는 특정의 물질에 의존한다.In another variant of the device (not shown), at least some layers of the device are bonded together with an adhesive by thermal bonding or other bonding technique. Proper selection of adhesive depends on the specific material to which it is bonded.

상기 장치의 또 다른 변형물에서, 적어도 일부 층들은 비-소수성 재질로 구성되며, 상기 장치의 단지 선택된 영역만이 소수성 물질로 형성되거나 소수성 코팅을 포함한다. 비-소수성 층들은 결합 또는 접착제에 의해 다른 층들과 밀봉되거나, 또는 가스켓으로 클램프되어 사이에 누출이 없는 밀봉을 제공한다.In another variant of the device, at least some layers are composed of a non-hydrophobic material, and only selected areas of the device are formed of a hydrophobic material or comprise a hydrophobic coating. The non-hydrophobic layers are sealed with other layers by bonding or adhesive, or clamped with a gasket to provide a leak free seal therebetween.

도 4에 도시된 바와 같은 본 장치의 제 2 버전에서, 다중층(401-408)은 얇고 비교적 가요성의 시트 물질로 구성된다. 적당한 물질은 아크릴 및 폴리에스터와 같은 다양한 중합체 물질 및 MylerTM를 포함한다. 마이크로유체 구조는 전체 층 두께에 걸쳐 형성되며, 하나 이상의 층 두께를 가질 수 있다. 시트 재질은 약 10 마이크론 내지 약 1 밀리미터의 두께 범위일 수 있는데, 전형적인 시트 재질의 두께는 약 5 내지 500 마이크론이다. 약 10 내지 100 마이크론의 층두께가 많은 마이크로유체 적용에 대하여 바람직하다. 서로 다른 층들이 서로 다른 재질로 형성될 수 있으며 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 층 재질은 친수성 또는 소수성일 수 있으며, 표면 소수성/친수성을 변화시키기 위해 전체 표면에 걸쳐 또는 부분적 영역에서 처리될 수 있다. 접착제층(408)은 장치를 인터페이스되는 기판(409)에 밀봉시키고, 또는 더 강성의 물질로 형성된 장치의 추가 부분들에 장치를 밀봉시키기 위해 사용될 수 있다. 적당한 접착제의 일 예는 아크릴 폴리머(예를 들어 3M 501FL)이다.In a second version of the device as shown in FIG. 4, the multilayers 401-408 are comprised of thin, relatively flexible sheet material. Suitable materials include various polymeric materials such as acrylics and polyesters and Myler . The microfluidic structure is formed over the entire layer thickness and may have one or more layer thicknesses. The sheet material may range in thickness from about 10 microns to about 1 millimeter, with typical sheet materials ranging from about 5 to 500 microns. Layer thicknesses of about 10 to 100 microns are preferred for many microfluidic applications. Different layers may be formed of different materials and may have different thicknesses. The layer material may be hydrophilic or hydrophobic and may be treated over the entire surface or in partial regions to change the surface hydrophobicity / hydrophilicity. The adhesive layer 408 may be used to seal the device to the substrate 409 to be interfaced, or to seal the device to further portions of the device formed of a more rigid material. One example of a suitable adhesive is an acrylic polymer (eg 3M 501FL).

본 발명의 장치를 형성하는 방법의 선택은 상기 장치가 원형 또는 주문형 장치이냐 또는 대규모 생산시행의 일부이냐에 따라, 또 구조가 더 두꺼운 층의 표면에 형성되느냐 (전형적으로) 더 얇은 층의 전체 두께에 걸쳐 형성되느냐에 따라 다르다. 원형 및 주문형 장치에 있어서, 구성의 바람직한 방법은 여기에 참고로 포함된 PCT 공개 WO 0074890에 개시된 바와 같은 레이저 애블레이션 기술이다. 얇은층들이 이용되면, 구조는 층들의 전체 두께에 걸쳐 절삭되며, 이는 CO2레이저 또는 기타 적외선 레이저로 쉽게 행해질 수 있다. 기판층의 두께 보다 적은 깊이를 갖는 구조 또는 더 적은 특징들이 이용된다면, 엑시머 레이저가 바람직하게 더 큰 깊이 제어를 제공하기 위해 이용된다. 유체 회로는, 유체 회로가 재질의 UV 흡수를 증가시키기 위해 카본블랙 첨가제로 도핑될 경우 표준 플루오르카본 재질로 엑시머 레이저 애블레이션에 의해 제조될 수 있다.The choice of method of forming the device of the present invention depends on whether the device is a circular or custom device or part of a large scale production run, and whether the structure is formed on the surface of the thicker layer (typically) the overall thickness of the thinner layer. It depends on whether it is formed over. For prototype and on-demand devices, the preferred method of construction is the laser ablation technique as disclosed in PCT publication WO 0074890, incorporated herein by reference. If thin layers are used, the structure is cut over the entire thickness of the layers, which can easily be done with a CO 2 laser or other infrared laser. If a structure or less features are used with less depth than the thickness of the substrate layer, an excimer laser is preferably used to provide greater depth control. Fluid circuits can be prepared by excimer laser ablation with standard fluorocarbon materials when the fluid circuit is doped with carbon black additives to increase the UV absorption of the material.

원형 및 주문형 장치를 위하여, 층내 마이크로유체 구조는 마이크로기계가공에 의해 형성될 수도 있다. 장치의 대규모 생산을 위하여 마이크로유체 구조의 층들은 사출성형에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 가스켓 재질은 시트 형태로 얻어질 수 있고, 따내기(die cut) 또는 레이저 절삭될 수 있으며, 또는 실크 스크린이나 기타의 인쇄기술에 의해 적용될 수 있다.For prototype and custom devices, the intralayer microfluidic structure may be formed by micromachining. For large scale production of the device, the layers of microfluidic structure are preferably formed by injection molding. The gasket material can be obtained in sheet form, die cut or laser cut, or applied by silk screen or other printing techniques.

원형 장치 목적으로 얇은 층들로부터 형성되는 본 발명의 실시예에서, 마이크로유체 구조는 레이저 절삭에 의해 또는 외과용 매스나 ExactoTM칼로 수동 절삭(비록 이러한 방법이 특히 재현가능하지 않다는 것은 명백하지만)함으로써 개별 층들에서 형성될 수 있다. 대규모 생산을 위해서는 따내기가 바람직하지만, 레이저 절삭도 적당한 방법이다. 단면 또는 양면에 접착재를 갖는 플라스틱 시트 물질로 구성되는, 단면 또는 양면 접착 시트 재질은 일부 또는 전체 층들에 대해 또는 장치에 대해 사용될 수 있다. 이러한 재질들은 또한 따내기 또는 레이저 절삭될 수 있다.In an embodiment of the present invention formed from thin layers for circular device purposes, the microfluidic structure is individually separated by laser cutting or by manual cutting with a surgical mass or an Exacto knife (although it is obvious that this method is not particularly reproducible). It can be formed in layers. Plucking is desirable for large scale production, but laser cutting is also a suitable method. Single-sided or double-sided adhesive sheet material, consisting of a plastic sheet material having an adhesive on one or both sides, can be used for some or all of the layers or for the device. These materials may also be plucked or laser cut.

전술된 바와 같이, 다층 장치의 층들을 누출이 없는 방식으로 함께 부착시키는 것이 바람직하지만, 어떠한 적용에 대해서는 적어도 어떤 층들은 서로 연속적으로 해제 및 분리될 수 있는 것이 바람직하다. 이는 예를 들어, 장치가 한번 사용되는 처분가능한 부분(예를 들어, 샘플 및 시약을 포함하는 유체 처리 회로) 및, 한번 사용된 다음 상기 처분가능한 부분으로부터 분리되어 또 다른 처분가능한 부분들과 재사용되기 위해 보유되는 재사용가능한 부분(일렉트로닉스, 히터 등을 포함)을 포함하는 경우이다. 예를 들어, 도 1 및 도 2의 장치는 능동 구성요소를 포함하는 두개의 재사용가능한 기판층(101 및 103)을 포함한다.As mentioned above, it is desirable to attach the layers of the multilayer device together in a leak-free manner, but for some applications it is desirable that at least some layers can be released and separated from one another in succession. This may be achieved by, for example, a disposable portion (eg, a fluid processing circuit comprising a sample and a reagent) used once, and then separated from the disposable portion once used and reused with other disposable portions. And reusable parts (including electronics, heaters, etc.) that are retained for the sake of brevity. For example, the apparatus of FIGS. 1 and 2 includes two reusable substrate layers 101 and 103 that include active components.

도 3a 및 도4에 도시되는 바와 같은 본 발명의 일부 실시예에서, 다중층으로 형성되는 마이크로유체 장치는 유리 현미경 슬라이드와 같은 기판과 인터페이스되어, 기판의 부분들 및 거기에 고정화된 생화학물질이 필수적으로 장치의 마이크로유체 회로에 포함되도록 하여, 마이크로유체 처리가 기판상의 물질에 대하여 수행되도록 할 수 있다. 기판상의 상기 물질을 처리함에 이어서, 기판으로부터 마이크로유체 장치를 분리하여, 기판이 마이크로유체 장치가 놓여질 경우 가능하지 않을 추가 처리 또는 평가 단계를 거치도록 하는 것이 바람직할 수 있다.In some embodiments of the present invention as shown in FIGS. 3A and 4, a multilayered microfluidic device is interfaced with a substrate, such as a glass microscope slide, so that portions of the substrate and biochemicals immobilized thereon are essential. In the microfluidic circuit of the device, the microfluidic treatment can be performed on the material on the substrate. Following processing of the material on the substrate, it may be desirable to separate the microfluidic device from the substrate so that the substrate undergoes further processing or evaluation steps that would not be possible if the microfluidic device is placed.

전술한 바와 같이, 누출이 없는 밀봉은 단지 클램프함으로써 두개의 소수성 면들 사이에 형성될 수 있다. 장치가 단순히 함께 클램프된다면, 원할 때 장치를 분해하는 것은 간단한 문제이다. 약하게 소수성이거나 비소수성인 물질, 또는 소수성 및 친수성 물질의 조합에 의해 형성된 층들을 밀봉하기 위하여, 탄성 또는 가소성의 변형을 할 수 있는 가스켓이 층들 사이에 놓여져서 필요할 때 해제될 수 있는 밀봉을 제공할 수 있다. 또한, 특정의 적당하게 선택된 접착제가 착탈가능한 밀봉을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 서로 다른 재질로 형성되거나 코팅된 두개의 표면이 접착제로 함께 밀봉되어야 한다면, 접착제는 표면들 중 하나에 우선적으로 접착되도록 선택되어야 하는데, 이는 층들이 분리될 경우 접착제가 그 표면들 중 하나에는 접착되어 있지만 다른 표면으로부터는 분리될 수 있도록 하기 위함이다. 이러한 방법으로, 접착제층은 펴면들 중 하나에는 그대로 남고 다른 하나로부터는 완전 분리된다. 접착제가 장치의 재사용 가능한 부분들로부터, 또는 추가 처리 또는 평가를 받을 기판들로부터 완전 제거되는 것은 특히 바람직하다.As mentioned above, a leak-free seal can be formed between two hydrophobic faces by simply clamping. If the devices are simply clamped together, disassembling the device when desired is a simple matter. In order to seal layers formed by weakly hydrophobic or nonhydrophobic materials, or a combination of hydrophobic and hydrophilic materials, a gasket capable of elastic or plastic deformation can be placed between the layers to provide a seal that can be released when needed. have. In addition, certain suitably selected adhesives may be used to provide a removable seal. If two surfaces made of or coated with different materials are to be sealed together with an adhesive, the adhesive should be chosen so that it preferentially adheres to one of the surfaces, which, when the layers are separated, the adhesive adheres to one of the surfaces. But to be able to separate from other surfaces. In this way, the adhesive layer remains intact on one of the flat surfaces and completely separates from the other. It is particularly desirable for the adhesive to be completely removed from the reusable portions of the device or from substrates to be subjected to further processing or evaluation.

다양한 마이크로유체 회로 소자들이 본 발명에 따라 구성된 다층 마이크로유체 장치에 형성될 수 있다. 가장 기본적인 구조는 채널 및 웰 또는 챔버이며, 이들은 수만은 접근 방식에 의해 형성될 수 있다. 아래에서 검토되는 바와 같이, 이러한 구조는 표면내 또는 다층 구조의 단일층의 전체 두께를 통해 형성될 수 있으므로, 층에 평행한 단일 평면에 실질적으로 놓이게 된다. 이들 구조는 또한 이들 구조가 다층 구조의 다중층들을 관통하도록 형성될 수도 있다. 전형적인 다층 구조는 바이어 채널 또는 다중층들을 관통하는 기타의 구조에 의해 연결되는, 서로 다른 층들에 대응하는 서로 다른 많은 평면에 형성되는 구조를 포함할 것이며, 여기서 이러한 전자 구조(former structures)의 적어도 일부는 서로 다른 평면내의 유체 회로들 사이에 유체의 교환을 제공한다.Various microfluidic circuit elements can be formed in a multilayer microfluidic device constructed in accordance with the present invention. The most basic structures are channels and wells or chambers, which can be formed by tens of thousands of approaches. As discussed below, this structure can be formed through the entire thickness of a single layer in the surface or in a multi-layer structure, so that it lies substantially in a single plane parallel to the layer. These structures may also be formed such that these structures penetrate multiple layers of a multilayer structure. A typical multilayer structure will include structures formed in many different planes corresponding to different layers, connected by via channels or other structures through multiple layers, where at least some of these form structures are formed. Provides for the exchange of fluid between fluid circuits in different planes.

도 5 내지 도 11은 다층 마이크로유체 구소내에 채널을 형성하는 몇가지 방법을 도시한다. 채널(500)은 층(501)의 상부 표면에 형성되며, 측면 및 바닥면은 층(501)에 의해 형성되고 상부면은 층(502)에 의해 형성된다. 유사하게, 채널(503) 및 웰(504)은 층(505)의 상부 표면에 형성되어 층(501)의 하부면에 의해 상부가 막힌다. 바이어 구멍(506)은 층(502 및 501)을 관통하고 부분적으로는 층(505) 내부로 절삭된다. 채널 및 웰의 상부 및 바닥부분을 두개의 다른 층들에 형성하는 것도 가능하다. 즉 도 8에 도시된 바와 같이, 채널(510)은 층들(513 및 514)에 형성되며, 채널(511) 및 웰(512)은 층들(514 및 515)에 형성된다. 이러한 예에서 층(514)은 그것의 전체 두께에 걸쳐 관통하는 바이어 채널(516)은 물론 양면에 형성된 구조를 갖는다. 채널이 층의 전체 두께에 걸쳐 관통하지 않을 경우, 제 2의 겹치는 채널이 도 5 및 도6에 도시된 바와 같이 인접하는 층에 형성될 수 있으며, 또는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 층이 충분히 두꺼울 경우 동일한 층의 밑면에 형성될 수 있다. 이러한 구조는 레이저 애블레이션, 기계가공 또는 사출 성형에 의해, 또는 다양한 기타의 미세제조기술에 의해 형성될 수 있다. 동일한 기술이 바이어(하나의 레벨에서 다른 레벨로, 전형적으로 층들에 대하여 직각으로 이동하는 채널로서 정의됨)를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 채널 및 다른 구조가 시트의 전체 두께에 걸쳐 형성되도록 다층 구조의 층들이 얇다면 겹치는 채널은 인접 시트에 형성될 수 없으며, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 중간층에 의해 분리되어야 한다. 채널(522) 및 웰(523)의 형태는 층(526)에 의해 정의되며, 이러한 구조의 상부 표면 및 하부 표면은 각각 층들(525 및 527)에 의해 정의된다. 유사하게, 채널(521)은 층들(527, 528 및 529)에 의해 정의된다. 이러한 채널 형성 방법은 얇은 시트 재질로 형성되는 다층 장치에 대하여 특히 적합하지만, 더 두꺼운 층을 갖는 것에도 이용될 수 있다. 채널 및 바이어는 본 방법에서 레이저 절삭 또는 따내기에 의해 형성될 수 있다.5-11 illustrate several methods of forming channels in multilayer microfluidic spheres. Channel 500 is formed on the top surface of layer 501, the side and bottom surfaces are formed by layer 501 and the top surface is formed by layer 502. Similarly, channels 503 and wells 504 are formed on the top surface of layer 505 so that the top is blocked by the bottom surface of layer 501. Via holes 506 pass through layers 502 and 501 and are partially cut into layer 505. It is also possible to form the top and bottom portions of the channels and wells in two different layers. That is, as shown in FIG. 8, channel 510 is formed in layers 513 and 514, and channel 511 and well 512 are formed in layers 514 and 515. In this example layer 514 has a structure formed on both sides as well as via channel 516 penetrating through its entire thickness. If the channels do not penetrate through the entire thickness of the layer, a second overlapping channel may be formed in the adjacent layer as shown in FIGS. 5 and 6, or as shown in FIGS. 7 and 8. If it is thick enough it can be formed on the underside of the same layer. Such structures may be formed by laser ablation, machining or injection molding, or by a variety of other microfabrication techniques. The same technique can be used to form the vias (defined as channels moving from one level to another, typically perpendicular to the layers). However, if the layers of the multilayer structure are thin so that channels and other structures are formed over the entire thickness of the sheet, the overlapping channels cannot be formed in adjacent sheets, separated by at least one intermediate layer as shown in FIGS. 9 to 11. Should be. The shape of channel 522 and well 523 is defined by layer 526, and the top and bottom surfaces of this structure are defined by layers 525 and 527, respectively. Similarly, channel 521 is defined by layers 527, 528 and 529. This channel formation method is particularly suitable for multilayer devices formed of thin sheet materials, but can also be used for having thicker layers. Channels and vias can be formed by laser cutting or pruning in the present method.

챔버 또는 웰은 또한 마이크로유체 시스템의 중요한 구성요소이다. 유체는 전형적으로 다양한 형태의 반응 또는 분석을 수행하기 위해 챔버 또는 웰로 전달된다. 챔버 또는 웰의 크기, 형태 및 방향은 그것이 설계되는 특정의 응용분야, 웰에 포함되는 유체의 부피, 웰의 요구되는 흐름 특성, 및 기타의 유체 회로 구성요소에대한 웰의 방향에 의존한다. 웰을 형성하는 간단한 방법은 단일층에 웰의 바닥 및 측면을 형성하고 상부면은 인정층에 형성하는 것이다. 상부면은 도 6에 도시된 바와 같이 단순히 평면일 수 있으며, 또는 도 8에 도시된 바와 같이 웰의 크기 및 형태를 좀 더 정의하는 형태를 취할 수 있다. 도 5 내지 도 8에 도시된 접근 방법은 특히 비교적 두껍고 강성인 층들로 형성되는 장치에 적합하다. 다중 얇은 층들로 형성된 장치에 대하여는 도 9 내지 도 11에 도시된 접근 방법이 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 웰의 형태는 하나의 층에 의해 정의되며, 웰의 상부면 및 바닥면은 평면으로 인접층들에 의해 정의된다. 그러나 이렇게 형성된 웰은 그다지 깊이를 가지지 않을 것이며, 따라서 원하는 부피보다 더 적은 부피를 가질 수 있거나, 또는 원하는 면-부피 비율보다 더 클 수 있을 것이다. 더 큰 깊이를 갖는 웰을 형성하기 위해, (예를 들어 도 12a 및 12b에서의 웰(530)과 같은) 웰은 다층 구조(531)의 다중층들(532-537)에 걸쳐 형성될 수 있다. 층들(532-537)이 웰(530)의 치수에 견줄만큼 두껍다면, 층(532-537)내 웰 공동들(540-545)의 벽은 각각 경사져서 원만한 내부 표면을 갖는 웰(530)을 제공할 수 있다. 경사진 벽은 사출 및 레이저 절삭 제조 기술 모두에 의해 형성될 수 있다.The chamber or well is also an important component of the microfluidic system. Fluid is typically delivered to a chamber or well to perform various types of reactions or assays. The size, shape and direction of the chamber or well depends on the particular application in which it is designed, the volume of fluid contained in the well, the required flow characteristics of the well, and the orientation of the well relative to other fluid circuit components. A simple way to form a well is to form the bottom and sides of the well in a single layer and the top side in a recognized layer. The top surface may be simply planar as shown in FIG. 6, or may take a form that further defines the size and shape of the well as shown in FIG. 8. The approach shown in FIGS. 5-8 is particularly suitable for devices formed of relatively thick and rigid layers. For an apparatus formed of multiple thin layers, the approach shown in FIGS. 9-11 can be used. In this example, the shape of the well is defined by one layer and the top and bottom surfaces of the well are defined by adjacent layers in the plane. However, the wells thus formed will not have much depth and therefore may have a volume less than the desired volume or may be larger than the desired face-volume ratio. To form a well having a greater depth, a well (such as well 530 in FIGS. 12A and 12B) may be formed over multiple layers 532-537 of multilayer structure 531. . If the layers 532-537 are thick enough to match the dimensions of the well 530, the walls of the well cavities 540-545 in the layer 532-537 each slope to form a well 530 having a smooth inner surface. Can provide. Inclined walls can be formed by both injection and laser cutting manufacturing techniques.

밸브는 채널 및 웰 외에, 마이크로유체 회로라는 제 3의 기본 구성요소로 구성된다. 다양한 유형의 밸브가 본 발명의 실행에 있어 사용될 수 있지만, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 수동 밸브 및 특히 소수성 수동 밸브가 사용된다. 소수성 수동 밸브의 구성은 참고로 여기서 포함된 미국 특허 제6,296,020호에 상세히 기술되어 있다. 이러한 밸브는 좁아지거나 넓어지는 길거나 짧은 가파른 채널의 형태로, 마이크로유체 장치의 단일층들에 쉽게 형성된다. 소수성 물질 및 소수성 모세밸브를 이용하는 수동 유체 제어가 안정성을 위해 바람직하다. 수성 유체는 소수성 채널로 유도되지 않지만 압력하에서는 유도될 필요가 있다. 채널이 점점 좁아지면서, 유체를 계속 흐르게 하기 위해 더 많은 압력이 요구된다. 안정된 흐름에 대한 저항은 동일한 직경의 친수성 채널과 소수성 채널에서 거의 동일하다. 그러나 유체가 처음 시스템에 유입되어 공기/유체 인터페이스가 존재할 때, 초기 흐름 또는 발달하는 흐름에 대한 저항은 실질적으로 더 높다. 소수성 시스템에서 발달하는 흐름과 안정된 흐름에 대한 저항 사이의 차이는 훨씬 더 많은 신뢰성 있는 흐름 제어를 가능하게 하며, 친수성 모세 시스템 또는 계면전동이나 전기 유체식 시스템에서 가능한 것보다 훨씬 더 복잡한 유체 회로를 발생시킬 수 있도록 한다.In addition to the channels and wells, the valve consists of a third basic component called a microfluidic circuit. Although various types of valves can be used in the practice of the present invention, in a preferred embodiment of the present invention manual valves and in particular hydrophobic manual valves are used. The configuration of the hydrophobic manual valve is described in detail in US Pat. No. 6,296,020, incorporated herein by reference. Such valves are easily formed in single layers of microfluidic devices in the form of long or short steep channels that narrow or widen. Manual fluid control using hydrophobic materials and hydrophobic capillary valves is desirable for stability. The aqueous fluid does not lead to the hydrophobic channel but needs to be led under pressure. As channels become narrower, more pressure is required to keep the fluid flowing. The resistance to stable flow is almost the same for hydrophilic and hydrophobic channels of the same diameter. However, when the fluid first enters the system and there is an air / fluid interface, the resistance to initial or developing flow is substantially higher. The difference between the flows developed in hydrophobic systems and the resistance to stable flows allows for much more reliable flow control, resulting in much more complex fluid circuits than those possible in hydrophilic capillary systems or interfacial or electrofluidic systems. Make it work.

수동 밸브를 포함하는 채널의 예는 도 13에 도시된다. 채널(550)은 기판(552)의 표면(551)에 형성된다. 수동 밸브(554)는 감소된 직경을 갖는 채널(550)의 짧은 영역이다. 이러한 유형의 수동 밸브는 2 또는 21/2-D 시스템에서와 같이 다층 시스템의 개별 층들에서 실행될 수 있다. 이는 또한 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이 층들 사이에 실행될 수도 있다. 다층 구조(562)는 층들(564-568)로부터 구성되며, 여기서 채널(561)은 층(564-568) 각각에 구멍들(571-575)에 의해 형성된다. 각각의 상기 구멍은 구멍(573)을 제외하고 직경 D1을 갖는데, 구멍(573)은 더 적은 직경 D2를 가지므로 수동 밸브 구조를 형성한다. 이러한 접근은 특히 비교적 얇은 층들로 구성되는 장치에 적합하다.An example of a channel including a manual valve is shown in FIG. 13. Channel 550 is formed on surface 551 of substrate 552. Manual valve 554 is a short region of channel 550 having a reduced diameter. Manual valve of this type can be carried out in the individual layers of the multilayer system, as shown in the 2, or 2 1/2 -D system. This may also be done between layers as shown in FIGS. 14 and 15. The multilayer structure 562 is constructed from layers 564-568, where the channel 561 is formed by holes 571-575 in each of the layers 564-568. Each of the holes has a diameter D 1 except hole 573, which has a smaller diameter D 2 and thus forms a manual valve structure. This approach is particularly suitable for devices composed of relatively thin layers.

더 두꺼운 층들로 구성되는 장치에 있어서, 채널의 좁혀짐은 도 16 및 도 17에 도시된 바와 같이 두개 층 사이에 실행되거나, 또는 층두께 및 제조 기술이 구조가 그 층의 양면에 형성될 수 있도록 한다면 도 18-20에 도시된 바와 같이 단일층 내에 실행될 수 있다.In an apparatus composed of thicker layers, narrowing of the channel may be performed between the two layers as shown in FIGS. 16 and 17, or layer thickness and fabrication techniques may be used on both sides of the layer. If so implemented in a single layer as shown in FIGS.

이제 도 16 및 도 17을 참고하면, 다층 구조(580)는 층들(581, 582 및 583)로부터 형성된다. 층들(581 및 583)은 각각 각 층 두께 전체에 걸쳐 균일한 직경을 갖는 개구(585 및 586)를 포함한다. 층(582)은 개구(587)를 갖는데, 이는 개구들(585 및 586)의 직경에 해당하는 큰 직경을 갖는 부분(588) 및 더 적은 직경을 갖는 부분(589)을 포함한다. 더 적은 직경 부분(589)은 수동 밸브로서 기능한다. 도 18-20은 마주보는 면에 유체 채널들(591 및 592)을 갖는 두꺼운 중앙층(598)으로 형성된 구조(590)를 도시한다. 채널들(591 및 592)은 중앙층(598)에 밀봉되는 층들(593 및 594)에 의해 밀폐된다. 본질적으로 채널들(591 및 592) 사이의 바이어 채널인 좁은 채널(595)은 이들 채널들 보다 더 적은 직경을 가지며 수동 밸브로서 기능한다. 유체 흐름에 대한 저항은 유체가 채널(591 또는 592)로부터 좁은 채널(595)로 들어올 때 뿐만이 아니라, 유체가 좁은 채널(595)로부터 채널의 직경이 급격히 증가하는 넓은 채널(596)로 나갈 때도 얻어진다는 것을 주의해야 한다. 이러한 유형의 급격한 채널의 넓어짐은, 여기에 참고로 포함된 공동 출원된 특허출원인 "수동 유체 동력학에 기초한 유체 회로 구성요소" [대리인 서류 번호 3153.2. 14]에 개시된 바와 같이, 마이크로유체 회로에서 유체의 운동을 제어하기 위해 수동 밸브로서 이용될 수도 있다.Referring now to FIGS. 16 and 17, multilayer structure 580 is formed from layers 581, 582, and 583. Layers 581 and 583 each include openings 585 and 586 having a uniform diameter throughout each layer thickness. Layer 582 has an opening 587, which includes a large diameter portion 588 and a smaller diameter portion 589 corresponding to the diameters of the openings 585 and 586. The smaller diameter portion 589 functions as a manual valve. 18-20 illustrate a structure 590 formed of a thick central layer 598 with fluid channels 591 and 592 on opposite sides. Channels 591 and 592 are sealed by layers 593 and 594 that are sealed to central layer 598. Narrow channel 595, which is essentially a via channel between channels 591 and 592, has a smaller diameter than these channels and functions as a manual valve. Resistance to fluid flow is obtained not only when fluid enters narrow channel 595 from channel 591 or 592, but also when fluid exits narrow channel 595 to wide channel 596 where the diameter of the channel increases rapidly. It should be noted that it is. The widening of this type of rapid channel is described in the co-filed patent application "Fluid Circuit Components Based on Passive Fluid Dynamics", incorporated herein by reference [Representative Document No. 3153.2. 14, it may be used as a manual valve to control the movement of a fluid in a microfluidic circuit.

원격 밸브조절(remote valving)이 3차원 마이크로유체 구조내 유체 흐름을 제어하기 위해 수동 밸브의 대체로서 또는 수동 밸브에 추가하여 이용될 수 있다. 여기에 참고도 포함된 미국 특허출원 제09/922,451호에 개시된 원격 밸브조절은 유체 시스템의 외부에 위치하고 공기 도관에 의해 유체 회로에 연결된 기계적 밸브를 이용하여 시스템 밖에서 공기의 이동을 제어한다. 유체가 처음 유체 회로에 들어가게 되면, 시스템 내에 있는 공기는 유체로 대체됨에 따라 밖으로 배출되어야 한다. 공기가 빠져나올 수 없다면, 유체의 진출을 저지하는 역압(backpressure)을 일으킬 것이다. 원격 밸브조절은 유체 회로로부터의 공기의 배출을 제어하며, 따라서 회로내 유체의 흐름을 제어한다. 이는 마이크로유체 회로 제조를 간소화하는데, 어떠한 값비싸고 복잡한 밸브조절 및 제어도 외부적으로 행해지고 재사용가능하도록 만들어질 수 있기 때문이다. 공기 도관은 유체 채널과 동일한 방법으로 구성되지만 전형적으로 더 적은 직경을 갖는다. 채널들이 이미 유체로 채워져 있지 않다면, 본래 공기는 기압과 통하는 유체 채널을 관통하여 빠져나갈 수 있다.Remote valving can be used as a replacement for or in addition to a manual valve to control fluid flow in a three-dimensional microfluidic structure. The remote valve control disclosed in US patent application Ser. No. 09 / 922,451, incorporated herein by reference, controls the movement of air out of the system using a mechanical valve located outside the fluid system and connected to the fluid circuit by an air conduit. When the fluid first enters the fluid circuit, the air in the system must be discharged out as it is replaced by the fluid. If the air cannot escape, it will create a backpressure that will block the flow of fluid. Remote valve regulation controls the discharge of air from the fluid circuit and thus the flow of fluid in the circuit. This simplifies microfluidic circuit fabrication because any expensive and complex valve adjustment and control can be made externally and made reusable. Air conduits are constructed in the same way as fluid channels but typically have a smaller diameter. If the channels are not already filled with fluid, the original air can exit through the fluid channel, which communicates with air pressure.

원격 밸브조절 기술은 친수성 또는 소수성 시스템에서 실행될 수 있다. 그러나, 소수성 공기 도관을 사용하는 것이, 공기의 배출은 허용되지만 공기 도관을 통한 유체의 흐름은 제한되기 때문에 특히 이롭다. 친수성 물질로 형성된 공기 도관은 소수성 물질로 코팅되거나 공기 투과성의 소수성 막으로 덮혀져서 소수성 공기 도관의 잇점을 제공할 수 있다.Remote valve control techniques can be implemented in hydrophilic or hydrophobic systems. However, the use of hydrophobic air conduits is particularly advantageous because the release of air is permitted but the flow of fluid through the air conduits is limited. Air conduits formed of hydrophilic materials can be coated with hydrophobic materials or covered with an air permeable hydrophobic membrane to provide the benefits of hydrophobic air conduits.

유체 흐름을 조절하기 위해 마이크로유체 회로로부터의 공기의 배출을 제어하는 것 외에도, 여기에 참고로 포함된 PCT 공개 번호 WO 0188204에 개시된 바와같이, 양압이나 음압이 유체의 흐름이나 반응 조건을 조절하기 위해 마이크로유체 회로의 선택된 영역내의 공기 도관에 적용될 수 있다.In addition to controlling the discharge of air from the microfluidic circuit to regulate fluid flow, positive or negative pressure may be used to control fluid flow or reaction conditions, as disclosed in PCT Publication No. WO 0188204, incorporated herein by reference. It can be applied to air conduits in selected areas of the microfluidic circuit.

기계적 밸브 및 기타 유형의 밸브가 본 발명의 실행에 사용될 수 있다. 기계적 밸브는 예를 들어, 전자적으로, 공압식으로, 또는 수압식으로 활성화될 수 있다. 본 발명은 어떠한 특정 유형의 밸브에 한정되지 않는다.Mechanical valves and other types of valves can be used in the practice of the present invention. The mechanical valve can be activated electronically, pneumatically, or hydraulically, for example. The present invention is not limited to any particular type of valve.

마이크로유체 채널, 챔버 및 밸브는 다양한 유체 처리 과제를 수행하기 위해 결합될 수 있다. 하나의 기본 과제는 다중 채널들 사이에서 하나의 유체 스트림을 나누는 것이다. 이 과제는 수동 밸브를 사용함으로써 용이하게 실행된다. 참고로 여기에 포함된 미국 특허 6,296,020호에 개시된 바와 같이, 가지 채널들의 네트워크에서의 유체의 흐름은 가지들이 발생할 때마다 한 세트의 수동 밸브를 제공하여, 그 가지를 유체가 통과하여 계속 발생시킬 수 있도록 함으로써 제어될 수 있다. 이전의 세트보다 더 "강한" 장벽을 각각 발생시킴으로써, 유체는 다음 채널들을 발생시키기 위해 이동하기 전에 현재 발생한 모든 가지들을 채우도록 한다. 이는 예를 들어, 그 이전 세트보다 더 좁은 각각의 연속되는 모세 장벽을 형성함으로써 달성될 수 있다. 단일 기판층(600)에 형성된 가지 회로는 도 21에 도시된다. 단일 채널(601)내 유체의 흐름은 두개의 채널들(602 및 603)으로 나누어지며, 이어서 네개의 채널들(604, 605, 606 및 607)로 나누어진다. 모세 장벽들은 610, 611 및 612에 위치한다. 도 21의 가지 회로는 다층 시스템의 단일층 내에서 실행될 수 있거나, 또는 도 22에 도시된 바와 같이 동등한 회로가 층들 사이에 구성될 수 있다. 유체는 층(621)내 입구 채널(620)을 통해 도 22의 구조에 유입된다. 거기서부터 유체는 층(622)내 1차 가지 채널(627)의 중앙 영역으로 들어와서 각 끝단으로 흐른다. 층(623)내 1차 바이어 채널들(628 및 629)은 1차 가지 채널(627) 보다 단면적이 더 적으므로, 1차 가지 채널(627)은 유체가 1차 바이어 채널들(628 및 629)을 통과하여 흐르기 전에 완전히 채워진다. 1차 바이어 채널들(628 및 629)는 따라서 수동 밸브로서 작용한다. 유사하게, 2차 바이어 채널들(632-635)은 이전 층들에서의 채널들 또는 구멍들 보다 더 적은 단면적을 가지므로, 유체의 흐름에 대한 더 높은 저항을 제공하며 유체가 2차 바이어 채널들(632-635)을 통해 이동하기 전에 완전히 2차 가지 채널들(630 및 631)을 채우도록 한다.Microfluidic channels, chambers and valves can be combined to perform a variety of fluid treatment tasks. One basic task is to divide one fluid stream between multiple channels. This task is easily performed by using a manual valve. For reference, as disclosed in US Pat. No. 6,296,020, which is incorporated herein by reference, the flow of fluid in a network of branch channels provides a set of manual valves each time branches occur, allowing fluid to continue to flow through the branches. Can be controlled. By respectively creating a "stronger" barrier than the previous set, the fluid is allowed to fill all the branches that are currently occurring before moving to generate the next channels. This can be accomplished, for example, by forming each successive capillary barrier narrower than its previous set. The branch circuit formed on the single substrate layer 600 is shown in FIG. 21. The flow of fluid in a single channel 601 is divided into two channels 602 and 603 followed by four channels 604, 605, 606 and 607. Capillary barriers are located at 610, 611 and 612. The branch circuit of FIG. 21 may be implemented within a single layer of a multilayer system, or equivalent circuitry may be configured between the layers, as shown in FIG. Fluid enters the structure of FIG. 22 through an inlet channel 620 in layer 621. From there, fluid enters the central region of primary branch channel 627 in layer 622 and flows to each end. Since the primary via channels 628 and 629 in layer 623 have a smaller cross-sectional area than the primary branch channel 627, the primary branch channel 627 is fluid-filled with the primary via channels 628 and 629. It is completely filled before flowing through it. Primary via channels 628 and 629 thus act as manual valves. Similarly, the secondary via channels 632-635 have a smaller cross-sectional area than the channels or holes in the previous layers, thus providing a higher resistance to the flow of the fluid and allowing the fluid to become secondary via channels ( Fully fill secondary branch channels 630 and 631 before moving through 632-635.

도 21 및 도 22는 2진(binary) 가지 패턴을 갖는 가지 회로를 도시한다. 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이 다른 가지 패턴들도 또한 이용될 수 있다. 도 23의 단일층 버전에서, 단일 입구 채널(640)은 한 단계로 4개의 채널들(641-644)로 분지된다. 도 24에서, 유체는 층(650)내 구멍(660)으로 유입되어 층(651)내 중앙 영역(662)에 있는 가지 채널(661)로 유입된다. 그 다음 유체는 가지 채널(661)의 암들(663-666)의 끝단으로 흐른다. 층(652)내 출구 채널들(670-673)은 가지 채널(661)의 암들 보다 유체의 흐름에 대하여 더 큰 저항을 제공하므로, 가지 채널(661)의 모든 암들은 유체가 출구 채널들(670-673) 중 어느 하나로 이동하기 전에 채워지므로, 채널들 사이에 유체가 균일하게 분포하게 된다.21 and 22 show branch circuits having a binary branch pattern. Other branch patterns may also be used as shown in FIGS. 23 and 24. In the single layer version of FIG. 23, the single inlet channel 640 is branched into four channels 641-644 in one step. In FIG. 24, fluid enters aperture 660 in layer 650 and into branch channel 661 in central region 662 in layer 651. The fluid then flows to the end of the arms 663-666 of the branch channel 661. The outlet channels 670-673 in layer 652 provide greater resistance to the flow of fluid than the arms of the branch channel 661, so that all the arms of the branch channel 661 allow the fluid to exit the outlet channels 670. The fluid is uniformly distributed between the channels since it is filled before moving to any one of -673).

채널 및 수동 밸브의 조합으로 구성되는 또 다른 기본 마이크로유체 회로 구성요소는 도 25a-25d에 도시된 바와 같은 믹서(700)이다. 믹서(700)의 기능은 제 1 유체(710)와 주채널(701)로 차례로 흘러 들어오는 제 2 유체(711)를 혼합하는 것인데, 이는 제 1 유체(710)를 부채널(702)로 우회시킨 다음, 제 1 유체(710)를 주채널의 하류 부분(706)으로 다시 주입하여 제 2 유체(711)와 나란히 흐르도록 하여 확산 혼합되도록 함으로써 이루어진다. 혼합 회로의 작동은 다음과 같다. 도 25a에 도시된 바와 같이, 제 1 유체(710)는 프로그램가능한 주사기 펌프와 같은 압력원으로부터의 가압하에 주채널(701)로 이동한다. 제 1 유체(710)은 수동 밸브(703)와 마주하게 되는데, 이 수동 밸브(703)가 주채널(701)로의 흐름을 정지시킨다. 도 25b에 도시된 바와 같이, 제 1 유체(710)는 수동 밸브(703)에 의해 부채널(702)로 우회하게 되는데, 이는 제 1 유체(710)가 주채널(701)에서 보다 흐름에 대해 저항을 덜 겪기 때문이다. 제 1 유체(710)는 수동 밸브(704)를 만날 때까지 부채널(702)로 흘러간다. 제 1 유체(710)의 부피는 부채널(702)을 단지 채울 정도로 선택되며, 제 1 유체(710)에 이어 제 2 유체(711)가 유입되어 주채널(701)로 들어가면서 그 전방의 제 1 유체(710)를 밀어낸다. 수동 밸브(704)는 수동 밸브(703) 보다 흐름에 대해 더 큰 저항을 제공하도록 선택되므로, 추가의 제 2 유체(711)가 주채널(701)로 유도됨에 따라, 도 25c에 도시된 바와 같이, 제 2 유체(711)는 우선 수동 밸브(703)를 돌파하고 이어서 주채널(701)로 흐른다. 제 2 유체(711)가 주채널(701)과 부채널(702)의 교차점에 도달하면, 제 2 유체(711)는 수동 밸브(704)의 하류면을 적시고, 이것이 유체의 흐름을 막았던 공기-액체 인터페이스를 파열시킨다. 도 25d에 도시된 바와 같이, 추가의 제 2 유체(711)가 주채널(701)로 유입되면서, 부채널(702)로부터의 제 1 유체(710) 및 주채널(701)로부터의 제 2 유체(711)는 채널(701)의 하류 부분(706)으로 함께 흐른다.Another basic microfluidic circuit component consisting of a combination of channel and manual valve is a mixer 700 as shown in FIGS. 25A-25D. The function of the mixer 700 is to mix the first fluid 710 and the second fluid 711, which in turn flows into the main channel 701, which bypasses the first fluid 710 to the subchannel 702. The first fluid 710 is then injected back into the downstream portion 706 of the main channel to flow side by side with the second fluid 711 to be diffusely mixed. The operation of the mixing circuit is as follows. As shown in FIG. 25A, the first fluid 710 moves to the main channel 701 under pressure from a pressure source, such as a programmable syringe pump. The first fluid 710 faces the manual valve 703, which stops the flow to the main channel 701. As shown in FIG. 25B, the first fluid 710 is diverted to the subchannel 702 by a manual valve 703, which allows the first fluid 710 to flow more than in the main channel 701. This is because they suffer less resistance. The first fluid 710 flows into the subchannel 702 until it encounters the manual valve 704. The volume of the first fluid 710 is selected to only fill the subchannel 702, with the first fluid 710 following the second fluid 711 entering the main channel 701, followed by the first fluid 710. Push out fluid 710. The manual valve 704 is selected to provide greater resistance to flow than the manual valve 703, so as additional second fluid 711 is directed to the main channel 701, as shown in FIG. 25C. The second fluid 711 first breaks through the manual valve 703 and then flows into the main channel 701. When the second fluid 711 reaches the intersection of the main channel 701 and the subchannel 702, the second fluid 711 wets the downstream surface of the manual valve 704, which prevents the flow of fluid. -Rupture the liquid interface. As shown in FIG. 25D, additional second fluid 711 flows into the main channel 701, with the first fluid 710 from the subchannel 702 and the second fluid from the main channel 701. 711 flows together to the downstream portion 706 of the channel 701.

도 25a-25d에 도시된 믹서 회로는 또한 다중 얇은 층들에서 실행될 수 있다. 다중 얇은층이 유체 회로 구조가 전체 층 두께에 걸쳐 절삭되도록 사용된다면, 주채널 및 부채널에 의해 둘러싸이는 재질의 "섬"은 지지되지 못하여, 제조공정을 복잡하게 할 수 있다. 따라서 회로는 도 26에 도시된 바와 같은 다중층(720-724)에 형성될 수 있다. 유체는 층(720)내 개구(725)로 들어온다. 주채널(726) 및 부채널(727)이 수동 밸브(728)와 같이 층(721)에 형성된다. 층(722)내 작은 개구(729)는 부채널(727)과 주채널(726)의 교차점 바로 전에 수동 밸브를 형성한다. 부채널 및 주채널은 층(723)내 채널(731)에서 합쳐진다. 결국, 주채널(726) 및 부채널(727)로부터의 유체는 개구(732) 밖으로 하류 마이크로유체 장치(도시되지 않음)로 함께 흐른다. 또는, 이러한 회로는, 몇몇의 포지션 홀더가 기판 재질의 주요 부분에 대하여 "섬" 위치를 유지하기 위하여 제공된다면, 단일 얇은층에 형성될 수도 있을 것이다. 이러한 포지선 홀더는 예를 들어, 상부 기판 또는 바닥 기판으로부터 섬으로 삽입되는 핀이거나, 또는 "섬"이 제조 공정 동안 인접층에 확보됨에 따라 제거된 역행 시트(backing sheet)일 수 있을 것이다.The mixer circuit shown in FIGS. 25A-25D can also be implemented in multiple thin layers. If multiple thin layers are used such that the fluid circuit structure is cut across the entire layer thickness, the "islands" of the material surrounded by the main and subchannels are not supported, which can complicate the manufacturing process. Thus, the circuit can be formed in multiple layers 720-724 as shown in FIG. 26. Fluid enters the opening 725 in layer 720. Main channel 726 and subchannel 727 are formed in layer 721 like manual valve 728. Small openings 729 in layer 722 form a manual valve just before the intersection of subchannel 727 and main channel 726. The subchannels and main channel are combined in channel 731 in layer 723. As a result, fluid from main channel 726 and subchannel 727 flow together out of opening 732 to a microfluidic device (not shown). Alternatively, such a circuit may be formed in a single thin layer if several position holders are provided to maintain the "island" position relative to the major portion of the substrate material. Such a foresight holder may be, for example, a pin inserted into an island from a top substrate or a bottom substrate, or a backing sheet removed as the “islands” are secured to adjacent layers during the manufacturing process.

흔히 마이크로유체 장치는 능동 소자들, 예를 들면 전극, 기계적 밸브, 히터, 펌프, 다양한 유형의 센서, 혼합 요소 및 기타 구성요소를 포함하는 것이 바람직하다. 혼합 요소는 압전 요소, 공기 또는 유체 활성화된 주머니 또는 막, 및 유체를 순환시키거나 그것을 앞뒤로 펌핑하여 혼합 기능을 수행하는 구조를 포함할 수 있다. 센서는 압력 변환기, 광학 변환기, 흐름 측정 장치 등을 포함한다. 이러한 구성요소들은 전형적으로 기본적인 마이크로유체 회로보다 제조하기가 더 비싸므로, 이러한 요소들은 재사용 가능한 장치의 일부로 포함되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 마이크로유체 장치는 사용하는 동안에는 함께 밀봉되고, 그 다음에는 (필요한 경우) 세척 및 재사용을 위해 분리될 수 있는 다중 조각들로 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 능동 소자들은 마이크로유체층(102)과 함께 밀봉되는 층들(101 및 103)내에 포함된다.Often the microfluidic device preferably includes active elements such as electrodes, mechanical valves, heaters, pumps, various types of sensors, mixing elements and other components. The mixing element may comprise a piezoelectric element, an air or fluid activated bag or membrane, and a structure for circulating or pumping the fluid back and forth to perform the mixing function. Sensors include pressure transducers, optical transducers, flow measurement devices, and the like. Since these components are typically more expensive to fabricate than basic microfluidic circuits, these components are preferably included as part of a reusable device. According to the invention, the microfluidic device can be composed of multiple pieces which can be sealed together during use and then separated for cleaning and reuse (if necessary). As shown in FIG. 1, active elements are included in layers 101 and 103 that are sealed together with microfluidic layer 102.

다음의 실시예는 상술된 마이크로유체 회로 구조 및 조립 방법이 어떻게 실행될 수 있는지를 예시한다. 이들 실시예는 본 발명에 따라 구성될 수 있는 많은 가능한 구조들 중 단지 작은 샘플링을 나타낼 뿐이며, 본 발명의 실행은 이러한 특정의 예시적 구조에 한정되지 않는다.The following example illustrates how the microfluidic circuit structure and assembly method described above can be implemented. These embodiments represent only a small sampling of the many possible structures that can be constructed in accordance with the present invention, and the implementation of the present invention is not limited to this particular exemplary structure.

실시예 1Example 1

도 1 및 도 2는 본 발명에 따라, 능동 소자를 포함하는 재사용 가능한 층들 및 수동 마이크로유체 회로를 포함하는 잠재적으로 처분가능한 층들을 포함하는, 수많은 비교적 두꺼운 강성 층들로 구성되는 마이크로유체 장치의 제 1예를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 장치는 DNA 샘플의 PCR에 기초한 스크린을 수행하는데 이용된다. 상기 언급된 바와 같이 이 장치는 또한 LCR, RCA 또는 기타 반응들을 위해 이용될 수도 있다.1 and 2 show a first embodiment of a microfluidic device composed of numerous relatively thick rigid layers, including reusable layers comprising active elements and potentially disposable layers comprising passive microfluidic circuits, according to the present invention. An example is shown. 1 and 2 are used to perform screens based on PCR of DNA samples. As mentioned above this device may also be used for LCR, RCA or other reactions.

실시예 2Example 2

도 4는 마이크로어레이상에서 탐침-올리고 또는 탐침-cDNA 하이브리디제이션용 하이브리디제이션 용액 및 사전 처리 샘플을 위해 사용될 수 있는 장치를 도시한다. 이러한 장치는 일련의 마이크로어레이 하이브리디제이션을 실행하기에 앞서서 적당한 하이브리디제이션 조건을 알아내기 위해 사용될 수도 있을 것이다. 다중 하이브리디제이션은 마이크로어레이 하이브리디제이션 반응에서 관찰되는 슬라이드 대 슬라이드의 변화를 최소화하기 위해 서로 다른 조건하에서 단일 어레이 상에서 수행되는데, 이는 약품 발견 과정에서 중대한 유전자 발현 실험에서의 미묘한 차이를 애매하게 한다. 샘플은 장치내 하이브리디제이션 용액과 조합되거나 염료-표지될 수 있다. 서로 다른 농도의 샘플 또는 기타의 구성요소를 갖는 하이브리디제이션 용액의 제조는 장치내에서 수행될 수 있다. 염버퍼(SSC) 및 포름아미드가 하이브리디제이션 감도를 극대화하기 위해 조절될 수 있는 하이브리디제이션 용액의 전형적인 구성요소이다. 이는 탐침 샘플내에 충분치 않은 유전자를 연구하는 경우 특히 중요하다. 장치는 탐침 용액을 표지하여, 표지 탐침을 선택된 파라미터가 변하는 하이브리디제이션 용액과 함께 단일의 마이크로어레이 슬라이드의 표면상의 몇몇 과다하게 인쇄된 영역들로 전달하는 과제를 수행한다. 얻어진 하이브리디제이션 결과를 단일 슬라이드 상에서의 다른 하이브리디제이션 용액과 비교함으로써 하이브리디제이션을 위한 최선의 조건이 밝혀질 수 있다.FIG. 4 shows an apparatus that can be used for hybridization solutions and pretreatment samples for probe- raise or probe-cDNA hybridization on microarrays. Such a device may be used to determine suitable hybridization conditions prior to performing a series of microarray hybridizations. Multiple hybridizations are performed on a single array under different conditions to minimize the slide-to-slide change observed in the microarray hybridization reaction, which obscures subtle differences in significant gene expression experiments during drug discovery. The sample can be combined or dye-labeled with the hybridization solution in the device. The preparation of hybridization solutions having different concentrations of samples or other components can be performed in the apparatus. Salt buffers (SSCs) and formamides are typical components of hybridization solutions that can be adjusted to maximize hybridization sensitivity. This is especially important when studying insufficient genes in probe samples. The device performs the task of labeling the probe solution and delivering the labeled probe along with a hybridization solution of varying selected parameters to several overprinted areas on the surface of a single microarray slide. The best conditions for hybridization can be found by comparing the obtained hybridization results with other hybridization solutions on a single slide.

이제 도 4를 보면, 정제된 탐침 DNA 샘플은 층(402)내 입구(410)로 유입되어 채널(411 및 412)로 흐르고, 웰(413 및 414)로 전달된다. 웰(413 및 414)의 출구에 있는 수동 밸브들(440 및 441)은 유체가 하류로 더 흐르기 전에 양쪽 웰을 모두 채우도록 한다. 웰(413 및 414) 각각은 두개의 서로 다른 염료들 중 하나를 포함한다. 탐침 DNA는 웰(413 및 414)내에서 배양되는데, 여기서 이것은 염료의 공유 부착을 통해 표지다. 이러한 두개의 마이크로유체 웰 각각에서 표지 탐침은채널들(416 및 418)로 흘러들어 분리 채널(415)로 모아져서 유입되는데, 이 분리 채널(415)은 친화 또는 크기별 배체 매트릭스와 같은 채널내 크로마토그래피 배지를 함유하여, 표지 탐침으로부터 표지되지 않은 탐침과 미반응의 염료를 분리되도록 한다. 그러면 정제되고 염료-표지 탐침은 채널(417)을 거쳐 분리 채널(415)을 떠나 챔버(419)에 수집된다. 이들 탐침은 채널(420)을 통과하여 층(403)내 구멍(420)을 거쳐 장치의 층(404)으로 전달된다.Referring now to FIG. 4, the purified probe DNA sample enters inlet 410 in layer 402, flows into channels 411 and 412, and is delivered to wells 413 and 414. Manual valves 440 and 441 at the outlet of wells 413 and 414 allow both fluids to fill before further flow downstream. Wells 413 and 414 each comprise one of two different dyes. Probe DNA is cultured in wells 413 and 414 where it is labeled via covalent attachment of dyes. In each of these two microfluidic wells, the labeling probe flows into channels 416 and 418 and collects into separation channel 415, which is in-channel chromatography such as an affinity or sized exhaust matrix. The medium is contained to separate the unlabeled probe from the unreacted dye from the labeled probe. The purified and dye-labeled probe then leaves the separation channel 415 via channel 417 and is collected in chamber 419. These probes pass through channel 420 and pass through holes 420 in layer 403 to layer 404 of the device.

층(404)에서, 정제된 표지 탐침은 다수의 부분으로 나누어지는데, 이들 중 몇몇은 관심 있는 파라미터를 조절하기 위해 더 처리된다. 정제된 표지 탐침은 스플릿(423)에서 두개의 부분으로 나누어진다. 채널(424)내 탐침 용액은 바이어 채널들(425 및 427)을 거쳐 층(408)내 개구(428)로 이동하며, 이 층(408)은 모노어레이 슬라이드(409)의 영역(429)를 포함하는 하이브리디제이션 챔버를 형성한다. 채널(435)내 탐침 용액은 탐침 용액과 혼합되는 제 1 시약을 포함하는 웰(436)로 유입된다. 웰(436)내 시약은 탐침 용액을 개질시킨다. 개질된 탐침 용액은 웰(436)을 빠져나와 가지점(437)에서 나누어진다. 체날(438)내 개질된 탐침 용액의 제 1 부분은 웰(439)을 통과하는데, 여기서 그것은 웰(439)로부터의 제 2 시약의 첨가에 의해 개질되며, 그 다음 마이크로어레이(409)의 영역(454)으로 전달되고, 바이어 구멍들(450 및 459)을 거쳐 층(408)내 개구(453)로 전달된다. 채널(460)내 탐침 용액은 부채널(461)로 유입되어 연속적으로 추가의 탐침 용액에 의해 혼합 및 희석된다. 희석되고 개질된 탐침 용액은 채널(462)을 거쳐 웰(463)로 이동하며, 여기서 제 3 시약이 첨가되고, 그 다음 개구들(464, 465 및 466) 및 개구(467)내 형성된챔버를 거쳐 마이크로어레이(409)의 영역(468)으로 전달된다. 유체가 챔버들(428, 453 및 467)로 유입되면, 공기는 층(407)내 바이어 구멍들(475-477), 층(406)내 구멍들(478-480), 및 층(405)내 구멍들(482-484)을 통해 빠져나가는데, 이들 구멍은 층(404)내 공기 출구(486-488)와 연결되며, 거기서부터 대기와 접한다.In layer 404, the purified label probe is divided into multiple parts, some of which are further processed to adjust the parameters of interest. The purified marker probe is divided into two parts in split 423. Probe solution in channel 424 travels through via channels 425 and 427 to opening 428 in layer 408, which layer 408 includes an area 429 of monoarray slide 409. To form a hybridization chamber. Probe solution in channel 435 enters well 436 containing a first reagent that is mixed with the probe solution. Reagents in the well 436 modify the probe solution. The modified probe solution exits well 436 and is split at branch point 437. The first portion of the modified probe solution in sieve 438 passes through well 439, where it is modified by the addition of a second reagent from well 439, and then the area of microarray 409 ( 454, and via openings 450 and 459 to opening 453 in layer 408. Probe solution in channel 460 enters subchannel 461 and is subsequently mixed and diluted with additional probe solution. The diluted and modified probe solution travels through the channel 462 to the well 463 where a third reagent is added and then via a chamber formed in the openings 464, 465 and 466 and the opening 467. Delivered to region 468 of microarray 409. As fluid enters the chambers 428, 453, and 467, air is introduced into the via holes 475-477 in the layer 407, the holes 478-480 in the layer 406, and in the layer 405. Exit through holes 482-484, which are connected to an air outlet 486-488 in layer 404, where it contacts the atmosphere.

웰(436, 439 및 463)내의 시약들은 마이크로어레이 표면상에서 수행될 하이브리디제이션 반응을 변경시킬 수 있는 수많은 물질들 중 어느 하나일 수 있다. 시약들은 용액의 pH를 변경하기 위한 포름아미드, SSC, 산, 염기 또는 버퍼와 같은 물질, 용액, 세제 등의 이온력을 변경하기 위한 염을 포함할 수 있다. 시약들은 사용 전에 건조된 (예를 들어, 감압 동결건조된) 형태로, 또는 적어도 비교적 안정한 시약들에 대해서는 액체 형태로 장치내에 적재될 수 있다. 이 장치의 서로 다른 층들에서 구체화되는 기능들은 모든 마이크로어레이에 기초한 연구의 개시시에 행해지는 최적화 실험에 사용되는 서로 다른 하이브리디제이션 용액의 제조 및 표지 탐침 용액의 제조와 관련된 상당량의 노동량을 없앨 수 있다.Reagents in wells 436, 439 and 463 can be any of a number of materials that can alter the hybridization reaction to be performed on the microarray surface. Reagents may include salts for modifying the ionic power of materials such as formamide, SSC, acids, bases or buffers, solutions, detergents, etc., to alter the pH of the solution. The reagents may be loaded into the device in dried form (eg, lyophilized) before use, or in liquid form for at least relatively stable reagents. The functions specified in the different layers of the device can eliminate the significant amount of labor associated with the preparation of different hybridization solutions and the preparation of labeled probe solutions for use in optimization experiments conducted at the beginning of all microarray-based studies. have.

도 4에 예시되는 바와 같은 본 발명의 또 다른 특징은 교대로 팽창 및 수축되는 공기 주머니를 포함하여 마이크로어레이 표면상에 형성된 챔버들(428, 452 및 467)내 유체를 교반 및 혼합할 수 있다는 것이다. 층(406)은 공기 라인(494)에 연결되는 공기 주머니(490a, 491a 및 492a) 및 공기 라인(495)에 연결되는 공기 주머니(490b, 491b 및 492b)를 포함한다. 공기 라인(494 및 495)은 양압 및 음압원에 외부로 연결되는데, 이들 압력원은 상반되게 공기 주머니를 팽창 및 수축시켜 유체가 챔버들(428, 452 및 467) 내에서 앞뒤로 밀어지도록 한다. 하이브리디제이션 챔버내에서 공압 혼합을 제공하기 위해 공기 주머니를 사용하는 것은 여기에 참고로 포함된 미국 특허가출원 60/339,851호에 상세히 기재되어 있다. 이러한 혼합 메카니즘은 본 발명의 다양한 실시예에 포함될 수 있으며, 기재된 특정 실시예에서의 사용에 한정되는 것은 아니다.Another feature of the invention as illustrated in FIG. 4 is the ability to stir and mix fluid in chambers 428, 452 and 467 formed on the microarray surface, including air pockets that alternately expand and contract. . Layer 406 includes air pockets 490a, 491a and 492a connected to air line 494 and air pockets 490b, 491b and 492b connected to air line 495. Air lines 494 and 495 are externally connected to positive and negative pressure sources, which in turn inflate and deflate the air pockets to allow fluid to be pushed back and forth within chambers 428, 452 and 467. The use of air pockets to provide pneumatic mixing in a hybridization chamber is described in detail in US patent application Ser. No. 60 / 339,851, incorporated herein by reference. Such mixing mechanisms can be included in various embodiments of the invention and are not limited to use in the specific embodiments described.

실시예 3Example 3

도 3a는 삼차원 마이크로유체 장치(300)를 도시하는데, 이는 샘플을 연속 희석하여 샘플 용액들 및 일련의 적절한 시약/반응물질들을 진단 표면(303)으로 전달하여, 다중 면역분석법, 예를 들면 효소결합면역흡수분석법 또는 "ELISA"를 수행할 수 있도록 한다. 마이크로유체 회로는 특정의 분석물질(들)에 대하여 특이한 고정화된 포획 항체들을 함유하는 작은 영역들(318a-318e)을 갖는 슬라이드 또는 마이크로타이터 플레이트와 같은 진단 표면(303)과 인터페이스되도록 설계된다. 장치는 그 작동 원리를 보다 명확히 예시하기 위해 간소화되었다. 실제로 진단 표면(303)은, 여기에 도시된 단일 열과는 달리, 예를 들어 다중 열로 구성되는 어레이에 포획 항체들을 포함하는 수많은 영역들을 포함할 수도 있다. 장치(300)는 샘플 및 시약들을 항체를 포함하는 상기 수많은 영역들로 전달하기 위해 대응하는 수많은 마이크로유체 회로를 가질 것이다. 장치(300)에 의해 수행되는 일련의 희석 단계는 샘플내 분석물질의 농도를 측정하는데 사용되는 면역학적 반응이 분석의 직선비정(linear range) 내에서 수행된다는 것을 보장하기 위해 필요하다. 직선비정 내에서 면역학적 분석을 수행하는 것은 분석 정확도 면에서 매우 중요하다.3A shows a three-dimensional microfluidic device 300, which serially dilutes a sample and delivers sample solutions and a series of appropriate reagents / reactants to the diagnostic surface 303, such as multiple immunoassays such as enzyme binding. Allow immunosorbent assays or "ELISA" to be performed. The microfluidic circuit is designed to interface with a diagnostic surface 303 such as a slide or microtiter plate with small regions 318a-318e containing immobilized capture antibodies specific for the particular analyte (s). The device has been simplified to more clearly illustrate its principle of operation. Indeed, the diagnostic surface 303 may comprise numerous regions that contain capture antibodies, for example in an array consisting of multiple rows, unlike the single row shown here. Device 300 will have numerous microfluidic circuits corresponding to deliver samples and reagents to the numerous regions containing antibodies. A series of dilution steps performed by the device 300 are necessary to ensure that the immunological response used to measure the concentration of the analyte in the sample is performed within the linear range of the assay. Performing an immunological analysis within a straight line is very important in terms of assay accuracy.

장치(300)의 상부 회로층은 기판층(302)의 상부 표면에 형성되며, 미지 농도의 하나 이상의 관심 있는 분석물을 함유하는 샘플을 연속 희석하는 마이크로유체 회로(316)를 포함한다. 상부 회로상의 또 다른 마이크로유체 회로는 샘플 용액 및 시약을 연속적으로 진단 표면(303)에 전달하여, 면역학적 분석이 수행될 수 있도록 한다. 기판층(302)내 회로(316)는 기판층(302)의 상부 표면에 밀봉된 덮개층(304)에 의해 밀폐된다. 상부 회로층의 회로는 다운바이어(319a-319e) 및 업바이어(320a-320e)에 의해 진단 표면상에 형성되는 판독 웰에 연결된다. 판독웰은 진단 표면(303)상에 고정화된 포획 항체를 포함하는 영역들(318a-318e)에 대응하는 가스켓층(301)내 개구들(310a-310e)에 의해 형성된다.An upper circuit layer of the device 300 is formed on the upper surface of the substrate layer 302 and includes a microfluidic circuit 316 that serially dilutes a sample containing one or more analytes of interest at unknown concentrations. Another microfluidic circuit on the top circuit continuously delivers sample solution and reagents to the diagnostic surface 303 so that immunological analysis can be performed. The circuit 316 in the substrate layer 302 is sealed by a lid layer 304 sealed to the top surface of the substrate layer 302. The circuitry of the upper circuit layer is connected to read wells formed on the diagnostic surface by down vias 319a-319e and up vias 320a-320e. The read well is formed by openings 310a-310e in the gasket layer 301 corresponding to regions 318a-318e containing capture antibodies immobilized on the diagnostic surface 303.

기판층(302)은 주채널(321)로 공급되는 입구(370)를 포함하며, 주채널(321)은 일련의 샘플 웰(322a-322e)로 이어지는데, 이 샘플웰에서 샘플 용액의 다양한 희석액이 수집된다. 주채널(321)을 따라 직렬로 도 25a-25d에 도시되는 유형의 마이크로유체 혼합 모듈(323a-323e)이 도시되는데, 이들은 샘플 용액과 버퍼를 혼합함으로써 연속적 희석을 수행한다. 각 샘플웰에서의 주채널의 분지는, ELISA 반응이 샘플의 서로 다른 일련의 희석액에 대해 수행되는 다중의 동일한 ELISA 회로들(324a-324e)이다. 제 1 ELISA 회로(324a)는 도 3b에 상세히 도시되는데, 다른 ELISA 회로들의 동작은 동일하다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1 ELISA 회로(324a)는 주채널(330a); 부채널(334a) 상에 위치하며 관심 있는 분석물(들)에 특이한 항체와 함께 형성되는 동결건조된 효소-항체 접합체를 포함하는 접합 웰(333a); 부채널(332a)상에 위치하며, 동결건조된 기질 (동결건조된 기질과의 접합체는 검출가능한 반응 생성물을 발생시킴)을 포함하는 기질 웰(331a); 진단표면(303)상의 판독웰(310a); 및 폐기물웰(335a, 336a, 337a 및 338a)로 구성된다. 모든 웰 및 채널은, 진단 표면(303)상에 위치하며 다운바이어(319a) 및 업바이어(320a)에 의해 층(302)상의 회로와 연결되는 판독웰(310a)을 제외하고, 마이크로유체 장치의 층(302)상에 위치한다.Substrate layer 302 includes an inlet 370 which is fed into main channel 321, which leads to a series of sample wells 322a-322e in which various dilutions of the sample solution are applied. Is collected. In series along main channel 321 are shown microfluidic mixing modules 323a-323e of the type shown in FIGS. 25A-25D, which perform serial dilution by mixing sample solution and buffer. Branching of the main channel in each sample well is multiple identical ELISA circuits 324a-324e in which the ELISA reaction is performed on different serial dilutions of the sample. The first ELISA circuit 324a is shown in detail in FIG. 3B, where the operation of the other ELISA circuits is the same. As shown in Fig. 3B, the first ELISA circuit 324a includes a main channel 330a; A conjugation well 333a located on the subchannel 334a and comprising a lyophilized enzyme-antibody conjugate formed with an antibody specific for the analyte (s) of interest; A substrate well 331a located on the subchannel 332a and comprising a lyophilized substrate, the conjugate with the lyophilized substrate results in a detectable reaction product; Read well 310a on diagnostic surface 303; And waste wells 335a, 336a, 337a and 338a. All wells and channels are located on the diagnostic surface 303, except for read wells 310a that are connected to circuitry on layer 302 by down vias 319a and upvia 320a. Positioned on layer 302.

사용시에, 관심 있는 분석물(들)을 포함하는 샘플 용액은 입구(370)로 펌핑되어, 그것이 수동 밸브들(338a 및 339a)에 의해 정지될 때까지 채널(321)을 거쳐 샘플웰(322a)로 펌핑된다. 펌핑 압력은 주사기 펌프 또는 다른 펌핑 장치에 의해 제공될 수 있다. 샘플웰(322a)을 채우기에 충분한 샘플 용액의 부피 다음에는 더 큰 부피의 버퍼가 따르는데, 이는 샘플 용액 직후에 입구(370)로 펌핑된다. 버퍼가 샘플웰(322a)에 유입되면, 샘플 용액의 일부분은 ELISA 회로(324a)내로 이동하며 샘플 용액의 또 다른 부분은 혼합 모듈(323a)로 이동한다. 수동 밸브(329a)는 수동 밸브(328)와 만날 때까지 샘플이 혼합 모듈(323a)의 부채널(326)로 우선적으로 흐르도록 하며, 수동 밸브들(340a, 341a, 342a 및 343a)은 그것이 수동 밸브들(344a, 345a, 346a 및 347a)을 만날 때까지 우선적으로 다운 채널(330a) 및 판독웰(310a)로 흐르도록 한다. 샘플내에서 관심 있는 분석물을 인식하는 포획 항체는 판독웰(310a)에서 고정화된다. 샘플은 이 웰에서 철저한 결합을 보장하기 위해 면역학적 분석에서 요구되는 시간 동안 배양되어야만 한다.In use, the sample solution containing the analyte (s) of interest is pumped into the inlet 370, passing the sample well 322a over the channel 321 until it is stopped by the manual valves 338a and 339a. Pumped into. The pumping pressure may be provided by a syringe pump or other pumping device. The volume of sample solution sufficient to fill sample well 322a is followed by a larger volume of buffer, which is pumped to inlet 370 immediately after the sample solution. Once the buffer enters the sample well 322a, a portion of the sample solution moves into the ELISA circuit 324a and another portion of the sample solution moves to the mixing module 323a. The manual valve 329a causes the sample to preferentially flow into the subchannel 326 of the mixing module 323a until it encounters the manual valve 328, and the manual valves 340a, 341a, 342a and 343a allow it to be passive. Priority flows into down channel 330a and read well 310a until valves 344a, 345a, 346a and 347a are encountered. Capture antibodies that recognize the analyte of interest in the sample are immobilized in readwell 310a. Samples must be incubated for the time required for immunological analysis to ensure thorough binding in this well.

시스템 내에 적재되는 샘플 유체의 부피가 부채널(323a) 및 판독웰(310a)을 채우기에 충분하여, 일단 이들 구조가 채워지면, 샘플웰(322a)내 샘플 용액은 버퍼 용액으로 대체된다는 것은 중요하다. 또 수동 밸브들의 강도가, 샘플 유체가 마이크로유체 회로의 다른 부분으로 유입됨이 없이 부채널(323a) 및 판독웰(310a)을 채워서 샘플 용액의 올바른 분배를 보장하도록 하여야 한다는 것 또한 중요하다.It is important that the volume of sample fluid loaded into the system is sufficient to fill the subchannels 323a and read well 310a so that once these structures are filled, the sample solution in the sample well 322a is replaced with a buffer solution. . It is also important that the strength of the manual valves be filled to subchannel 323a and readwell 310a to ensure correct distribution of the sample solution without the sample fluid entering the other portion of the microfluidic circuit.

부채널(323a) 및 판독웰(310a)이 채워진 다음, 추가의 버퍼를 채널(321)로 펌핑하면, 밸브들(329 및 240a)의 상대 강도에 따라 버퍼가 ELISA 회로(324a) 또는 혼합 회로(323a) 중 하나로 흘러 들어가도록 한다. 버퍼가 혼합 회로(323a)로 유입되면, 부채널(326)내 샘플의 부피는 도 25a-25d와 관련하여 기재된 바와 같이 버퍼와 혼합되며, 또한 샘플웰(322b)로 이어지는 꼬인 채널(327a)내에서도 혼합된다. 수동 밸브들(338b 및 339b)은 샘플웰(322b)이 채워진 후에 희석된 샘플의 흐름을 저지한다.After subchannel 323a and readwell 310a are filled and additional buffers are pumped into channel 321, the buffer may be either ELISA circuit 324a or mixed circuit (depending on the relative strength of valves 329 and 240a). 323a). Once the buffer enters the mixing circuit 323a, the volume of the sample in the subchannel 326 is mixed with the buffer as described in connection with FIGS. 25A-25D and also within the twisted channel 327a leading to the sample well 322b. Are mixed. Manual valves 338b and 339b block the flow of diluted sample after sample well 322b is filled.

샘플이 판독웰(310a)에서 배양되는 충분한 배양 기간에 이어서, 일정 부피의 버퍼는 결합되지 않은 샘플을 씻어내기 위해 주채널(330a) 및 판독웰(310a)을 거쳐 밀어져야만 한다. 수동 밸브(344a)는, 버퍼가 판독웰(310a)로 이동하는 동안, 샘플 유체가 폐기물웰(335a)내로 이동하도록 하기 위해 극복되어야만 한다. 그 다음, 버퍼는 부채널(334a)로 유입된다. 부채널(334a)로의 입구에 있는 밸브(340a)는 판독웰(310a)의 출구에 있는 밸브들(345a, 346a 및 347a) 중 어느 것보다 약한 강도를 가지고, 부채널(332a)의 개시점에 있는 밸브(341a) 보다 약한 강도를 가져서, 판독웰(310a)이 채워지고 세척되면 유체는 우선적으로 채널(334a)로 유입되어 접합웰(330a)을 통과하도록 하여야 한다. 접합웰(330a)은 이 장치의 제조 공정 동안 현장에서 동결 건조되거나 비드 형태로 용착되는 증착된 접합체를 포함한다. 버퍼와 접함으로써, 접합체는 재부유되어(resuspended) 접합체-함유 버퍼 용액을 형성하는데, 이 공정은 순간적으로 일어난다. 버퍼가 채널(334a)에 들어가면, 공기는 대기와 (도시된 바와 같이 간접적으로 또는 직접적으로) 연결되는 공기 도관(350a)을 통해 빠져나간다. 채널(334a)은 바람직하게 채널(330a) 보다 더 큰 직경을 가져서, 양 채널이 유체로 채워질 때, 유체가 우선적으로 채널(334a)로 흘러서 모든 접합체는 용해되어 판독웰(310a)로 운반되도록 한다. 채널(334a)이 채워지면, 접합체-함유 버퍼 용액은 판독웰(310a)로 이동하여, 헹굼 버퍼 용액을 수동 밸브(345a)를 지나 수동 밸브(356a)에 의해 저지될 때까지 폐기물웰(336a)로 밀어낸다. 접합체를 함유하는 버퍼는 일정 기간 동안 판독웰(310a)에서 배양되어, 접합체가 포획된 고정화 분석물에 결합되게 된다. 추가 버퍼는 판독웰로부터 미결합된 접합체를 씻어내어 폐기물웰(337a)로 이동시키기 위해 입구(370)를 통해 주입된다. 수동 밸브(357a)는 수동 밸브(341a) 보다 더 높은 강도를 가져서, 폐기물웰(337a)이 채워지면, 버퍼 용액은 수동 밸브(341a)를 지나 부채널(332a)로 이동되며, 여기서 그것은 웰(331a)내의 기질을 재수화시킨다. 공기 도관(354a)은 버퍼가 부채널(332a)내로 유입됨에 따라 공기의 탈출구의 제공한다. 채널(332a)의 직경은 부채널(332a) 및 주채널(330a)의 직경 보다 더 커서, 버퍼가 우선적으로 부채널(332a)을 통과하여 흘러서 기질 전부가 판독웰(310a)내로 이동하도록 할 수 있다. 기질을 포함하는 버퍼가 판독웰(310a)로 이동하면, 판독웰(310a)의 이전 함량은 수동 밸브(347a)를 거쳐 폐기물웰(338a)내로 밀어진다. 신호가 전개되기 위해 충분한 시간이 허여되며, 그 다음 표준 실험실 기구에 의해 검출 및 정량화된다. 장치의 층들은 해체되어 판독웰들로부터(즉, 진단 표면(303)으로부터) 신호를 보낼수 있으며, 또는 검출된 신호가 그것을 통과할 수 있다면 신호는 진단 표면(303)을 통과하여 검출될 수 있다. 인접한 판독웰들 사이의 공간이 현존하는 실험실 기구들과 양립가능한 것이 바람직하다.Following a sufficient incubation period during which the sample is incubated in readwell 310a, a volume of buffer must be pushed through main channel 330a and readwell 310a to flush out unbound sample. The manual valve 344a must be overcome to allow the sample fluid to move into the waste well 335a while the buffer moves to the read well 310a. The buffer then enters subchannel 334a. The valve 340a at the inlet to the subchannel 334a has a weaker strength than any of the valves 345a, 346a and 347a at the outlet of the read well 310a and at the beginning of the subchannel 332a. With a weaker strength than the valve 341a in place, the fluid should preferentially enter the channel 334a and pass through the junction well 330a once the read well 310a is filled and cleaned. Bonding well 330a includes a deposited bond that is lyophilized in the field or deposited in the form of beads during the manufacturing process of the device. By contacting the buffer, the conjugate is resuspended to form a conjugate-containing buffer solution, which occurs instantaneously. Once the buffer enters channel 334a, air exits through air conduit 350a that is connected (indirectly or directly as shown) to the atmosphere. Channel 334a preferably has a larger diameter than channel 330a such that when both channels are filled with fluid, the fluid preferentially flows into channel 334a so that all the conjugates dissolve and are transported to readwell 310a. . Once the channel 334a is filled, the conjugate-containing buffer solution moves to the read well 310a, whereby the waste well 336a until the rinse buffer solution is blocked by the manual valve 356a past the manual valve 345a. Push it out. The buffer containing the conjugate is incubated in the read well 310a for a period of time so that the conjugate binds to the captured immobilized analyte. Additional buffer is injected through the inlet 370 to flush out the unbound conjugate from the read well and move it to the waste well 337a. The manual valve 357a has a higher strength than the manual valve 341a so that when the waste well 337a is filled, the buffer solution is moved past the manual valve 341a to the subchannel 332a, where it is the well ( Rehydrate the substrate in 331a). Air conduit 354a provides an exit for air as the buffer enters subchannel 332a. The diameter of channel 332a is greater than the diameter of subchannel 332a and main channel 330a such that the buffer preferentially flows through subchannel 332a to allow all of the substrate to move into readwell 310a. have. When the buffer containing substrate is transferred to read well 310a, the previous content of read well 310a is pushed into waste well 338a via manual valve 347a. Sufficient time is allowed for the signal to develop and then detected and quantified by standard laboratory instruments. The layers of the device may be disassembled to send a signal from the read wells (ie, from the diagnostic surface 303), or the signal may be detected through the diagnostic surface 303 if the detected signal can pass through it. It is desirable that the space between adjacent read wells be compatible with existing laboratory instruments.

혼합 회로(323a-323d) 각각에서 수행되는 희석 단계들은 결과적으로 샘플 용액을 버퍼로 연속 희석시키게 된다. 샘플웰(322b-322e) 각각으로부터 연속적으로 희석된 샘플 용액의 일부는 ELISA 회로들(324a-324e) 각각으로 이동되며, 여기서 상술한 공정이 각각의 희석된 샘플에 대해 수행된다. 수동 밸브의 강도 및 채널 직경을 적절히 선택하면 특정 부분의 유체 회로를 통과하는 유체의 이동이 정밀하게 제어될 수 있다.The dilution steps performed in each of the mixing circuits 323a-323d result in serial dilution of the sample solution into the buffer. A portion of the serially diluted sample solution from each of the sample wells 322b-322e is transferred to each of the ELISA circuits 324a-324e, wherein the above-described process is performed for each diluted sample. Properly selecting the strength and channel diameter of the manual valve can precisely control the movement of the fluid through the fluid circuit of a particular portion.

여기에 기술된 삼차원 마이크로유체 회로를 형성하기 위해 다층 구조 및 유체 회로 구성요소를 제조하는 방법은 다양한 마이크로유체 구조 및 장치를 형성하는데 사용될 수 있는데, 이들 중 여기에 제공된 특정의 예들은 단지 예시일 뿐이다. 본 발명은 여기에 광범위하게 기재되고 이후의 특허청구범위에 기재된 구조, 방법 또는 기타의 필수적 특징들로부터 벗어나지 않고 기타의 특정 형태로도 구체화될 수 있다. 상술된 실시예들은 어떠한 경우에도 단지 예시로서만, 즉 제한적이지 않도록 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 상술한 기재 내용에 의해서라기 보다 첨부된 특허청구범위에 의해 표시된다. 특허청구범위의 의미 및 균등 범위 내에 있는 모든 변화는 그 범위에 포함된다.The method of manufacturing the multilayer structure and fluid circuit components to form the three-dimensional microfluidic circuit described herein may be used to form various microfluidic structures and devices, of which the specific examples provided herein are merely illustrative. . The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the structures, methods or other essential features set forth broadly herein and in the claims that follow. The above-described embodiments are to be considered in all cases as illustrative only and not restrictive. Accordingly, the scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes that come within the meaning and range of equivalency of the claims are to be embraced within their scope.

참고문헌 목록:List of references:

Anderson, J.R., D.T. Chiu, R.J. Jackman, O. Cherniavskaya, J.C. McDonald, H. Wo, S.H. Whitesides, G.M. Whitesides, Fabrication of Topologically Complex Three-Dimensional Systems in PDMS by Rapid Prototyping, Anal. Chem. 2000, 72, 3158-3164Anderson, J. R., D. T. Chiu, R. J. Jackman, O. Cherniavskaya, J.C. McDonald, H. Wo, S.H. Whitesides, G.M. Whitesides, Fabrication of Topologically Complex Three-Dimensional Systems in PDMS by Rapid Prototyping, Anal. Chem. 2000, 72, 3158-3164

Claims (76)

(a) 밀봉 관계로 함께 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled together in a sealing relationship; (b) 마이크로유체 장치의 두 개 이상의 상기 평면층들에 대응하는 두 개 이상의 평면에 놓여진 마이크로유체 구조; 및(b) a microfluidic structure in at least two planes corresponding to at least two said planar layers of a microfluidic device; And (c) 하나 이상의 인접하는 평면층들을 통과하고 서로 다른 평면에 있는 마이크로유체 구조들 사이에 유체 교류를 제공하는 하나 이상의 마이크로유체 구조로 구성되는 다층 마이크로유체 장치로서,(c) a multi-layer microfluidic device consisting of one or more microfluidic structures that pass through one or more adjacent planar layers and provide fluid flow between microfluidic structures in different planes, 상기 마이크로유체 구조는 하나 이상의 채널, 웰, 분리기, 믹서, 밸브, 공기 도관 또는 공기 출구로 구성되며, 상기 복수의 평면층들 중의 하나 이상은 소수성 표면을 갖는 다층 마이크로유체 장치.Wherein the microfluidic structure is comprised of one or more channels, wells, separators, mixers, valves, air conduits, or air outlets, wherein at least one of the plurality of planar layers has a hydrophobic surface. 청구항 1에 있어서, 가열 요소, 전극, 센서, 혼합 요소 및 능동 밸브로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 능동 요소로 더 구성되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1 further comprising one or more active elements selected from the group consisting of heating elements, electrodes, sensors, mixing elements, and active valves. 청구항 2에 있어서, 상기 능동 요소는 압전 변환기, 공압적으로 활성화되고 작동되는 주머니, 및 유압식으로 활성화되는 주머니로 구성되는 군으로부터 선택된혼합 요소로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 2 wherein the active element is comprised of a mixing element selected from the group consisting of a piezoelectric transducer, a pneumatically activated and operated bag, and a hydraulically activated bag. 청구항 2에 있어서, 상기 능동 요소는 광학 센서, 압력 변환기, 흐름 변환기 및 온도 센서로 구성되는 군으로부터 선택된 센서로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 2 wherein the active element is comprised of a sensor selected from the group consisting of an optical sensor, a pressure transducer, a flow transducer, and a temperature sensor. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 소수성 물질로 형성되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein the one or more layers are formed of a hydrophobic material. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 비-소수성 기본 재질로 형성되며, 상기 소수성 표면은 상기 비-소수성 기본 재질 상에 소수성 코팅에 의해 형성되는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein the one or more layers are formed of a non-hydrophobic base material and the hydrophobic surface is formed by a hydrophobic coating on the non-hydrophobic base material. 청구항 1에 있어서, 상기 층들은 서로 조립되기 전에 정렬 프레임에 정렬되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1 wherein the layers are aligned in an alignment frame prior to assembly with each other. 청구항 1에 있어서, 각각의 상기 층은 그것을 관통하여 형성되는 두 개 이상의 정렬 구멍으로 구성되고, 상기 층들은 상기 정렬 구멍을 통과하는 로드에 의해 정렬되는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein each layer consists of two or more alignment holes formed therethrough, and the layers are aligned by a rod passing through the alignment holes. 청구항 1에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상은 함께 클램프됨으로써 밀봉 관계로 함께 조립되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein at least two of the layers are assembled together in a sealed relationship by clamping together. 청구항 9에 있어서, 상기 두 개 이상의 층들 사이의 유체-긴밀한 밀봉은 비-압축가능한 층들 사이에 압축 가능한 가스켓층을 제공함으로써 얻어지는 다층 마이크로유체 장치.10. The multilayer microfluidic device of claim 9, wherein the fluid-tight seal between the two or more layers is obtained by providing a compressible gasket layer between the non-compressible layers. 청구항 9에 있어서, 상기 두 개 이상의 층들 사이의 유체-긴밀한 밀봉은 상기 두 개의 층들 사이의 인터페이스에 소수성 표면을 제공함으로써 얻어지는 다층 마이크로유체 장치.10. The multi-layer microfluidic device of claim 9, wherein the fluid-tight seal between the two or more layers is obtained by providing a hydrophobic surface at an interface between the two layers. 청구항 1에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상은 접착제에 의해 밀봉 관계로 함께 조립되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein at least two of the layers are assembled together in a sealing relationship by an adhesive. 청구항 12에 있어서, 상기 접착제는 상기 두 개 이상의 층들 중 하나 이상으로부터 착탈 가능한 다층 마이크로유체 장치.13. The multilayer microfluidic device of claim 12 wherein the adhesive is removable from one or more of the two or more layers. 청구항 1에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상 사이의 밀봉은 해제되어 상기 두 개 이상의 층들이 분리되도록 할 수 있는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein the seal between two or more of the layers can be released to allow the two or more layers to separate. 청구항 14에 있어서, 상기 장치는 상기 두 개 이상의 층들 사이에서 처분 가능한 부분과 재사용 가능한 부분으로 분리될 수 있는 다층 마이크로유체 장치.15. The multilayer microfluidic device of claim 14 wherein the device can be separated into a disposable part and a reusable part between the two or more layers. 청구항 15에 있어서, 상기 층들 중 하나는 유리 슬라이드인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 15 wherein one of the layers is a glass slide. 청구항 15에 있어서, 상기 층들 중 하나는 마이크로타이터 플레이트인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 15 wherein one of the layers is a microtiter plate. 청구항 15에 있어서, 상기 층들 중 하나 이상은 위에 고정된 바이오분자를 갖는 하나 이상의 영역으로 구성되는 다층 마이크로유체 장치.The multi-layer microfluidic device of claim 15 wherein at least one of the layers consists of at least one region having biomolecules immobilized thereon. 청구항 1에 있어서, 상기 평면층들은 소수성 기본 물질로 형성되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1 wherein the planar layers are formed of a hydrophobic base material. 청구항 1에 있어서, 하나 이상의 상기 밸브는 수동 밸브인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1 wherein at least one of said valves is a manual valve. 청구항 1에 있어서, 하나 이상의 상기 밸브는 원격 밸브인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1 wherein at least one of said valves is a remote valve. 청구항 1에 있어서, 하나의 상기 평면내의 마이크로유체 구조는 하나 이상의 층의 전체 두께에 걸쳐 형성되어, 상기 마이크로유체 구조들의 경계가 상기 하나 이상의 층에 의해 형성되고, 상부 및 하부 표면은 인접 층들에 의해 형성되도록 하는, 다층 마이크로유체 장치.The microfluidic structure of claim 1, wherein the microfluidic structure in one of the planes is formed over the entire thickness of one or more layers such that a boundary of the microfluidic structures is formed by the one or more layers, and the top and bottom surfaces are defined by adjacent layers. A multilayer microfluidic device, which allows for formation. 청구항 1에 있어서, 하나의 상기 평면내의 상기 마이크로유체 구조들 중 하나 이상의 부분이 하나 이상의 상기 층의 표면에 형성되지만, 상기 층의 전체 두께에 걸쳐 통과하지는 않는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 1, wherein a portion of one or more of the microfluidic structures in one of the planes is formed on the surface of one or more of the layers, but does not pass over the entire thickness of the layer. (a) 밀봉 관계로 함께 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled together in a sealing relationship; (b) 마이크로유체 장치의 두 개 이상의 상기 평면층들에 대응하는 두 개 이상의 평면에 놓여진 마이크로유체 구조; 및(b) a microfluidic structure in at least two planes corresponding to at least two said planar layers of a microfluidic device; And (c) 하나 이상의 인접하는 평면층들을 통과하고 서로 다른 평면에 있는 마이크로유체 구조들 사이에 유체 교류를 제공하는 하나 이상의 마이크로유체 구조로 구성되는 다층 마이크로유체 장치로서,(c) a multi-layer microfluidic device consisting of one or more microfluidic structures that pass through one or more adjacent planar layers and provide fluid flow between microfluidic structures in different planes, 상기 두 개 이상의 평면에 놓여진 상기 마이크로유체 구조들 중 하나 이상의 부분은 하나 이상의 상기 층의 표면에 형성되지만 상기 층의 전체 두께에 걸쳐 통과하지는 않으며, 상기 두 개 이상의 평면 내에서 하나 이상의 평면 층들을 통과하는 상기 마이크로유체 구조는 하나 이상의 수동 밸브 및 하나 이상의 추가 마이크로유체 구조로서 채널, 웰, 분리기, 믹서, 밸브, 공기 도관 및 공기 출구로 구성되는 군으로부터 선택되는 추가 마이크로유체 구조로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치.One or more portions of the microfluidic structures lying in the two or more planes are formed on the surface of one or more of the layers but do not pass through the entire thickness of the layer, but pass through one or more planar layers within the two or more planes. Wherein the microfluidic structure comprises an additional microfluidic structure selected from the group consisting of channels, wells, separators, mixers, valves, air conduits and air outlets as one or more passive valves and one or more additional microfluidic structures. Fluid devices. 청구항 24에 있어서, 가열 요소, 전극, 센서, 혼합 요소 및 능동 밸브로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 능동 요소로 더 구성되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 24 further comprising one or more active elements selected from the group consisting of heating elements, electrodes, sensors, mixing elements and active valves. 청구항 25에 있어서, 상기 능동 요소는 압전 변환기, 공압적으로 활성화되고 작동되는 주머니, 및 유압식으로 활성화되는 주머니로 구성되는 군으로부터 선택된 혼합 요소로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 25, wherein the active element is comprised of a mixing element selected from the group consisting of a piezoelectric transducer, a pneumatically activated and operated bag, and a hydraulically activated bag. 청구항 25에 있어서, 상기 능동 요소는 광학 센서, 압력 변환기, 흐름 변환기 및 온도 센서로 구성되는 군으로부터 선택된 센서로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치.27. The multi-layer microfluidic device of claim 25, wherein the active element is comprised of a sensor selected from the group consisting of optical sensors, pressure transducers, flow transducers, and temperature sensors. 청구항 24에 있어서, 하나 이상의 층은 소수성 표면을 갖는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 24, wherein the one or more layers have a hydrophobic surface. 청구항 28에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 소수성 재질로 형성되는 다층 마이크로유체 장치.29. The multi-layer microfluidic device of claim 28, wherein said at least one layer is formed of a hydrophobic material. 청구항 28에 있어서, 상기 하나 이상의 층은 비-소수성 기본 재질로 형성되며, 상기 소수성 표면은 상기 비-소수성 기본 재질 상에 소수성 코팅에 의해 형성되는, 다층 마이크로유체 장치.29. The multi-layer microfluidic device of claim 28, wherein the at least one layer is formed of a non-hydrophobic base material and the hydrophobic surface is formed by a hydrophobic coating on the non-hydrophobic base material. 청구항 24에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상은 함께 클램프됨으로써 밀봉 관계로 함께 조립되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 24, wherein two or more of the layers are assembled together in a sealed relationship by clamping together. 청구항 31에 있어서, 상기 두 개 이상의 층들 사이의 유체-긴밀한 밀봉은 비-압축가능한 층들 사이에 압축 가능한 가스켓층을 제공함으로써 얻어지는 다층마이크로유체 장치.32. The multilayer microfluidic device of claim 31, wherein the fluid-tight seal between the two or more layers is obtained by providing a compressible gasket layer between the non-compressible layers. 청구항 31에 있어서, 상기 두 개 이상의 층들 사이의 유체-긴밀한 밀봉은 상기 두 개의 층들 사이의 인터페이스에 소수성 표면을 제공함으로써 얻어지는 다층 마이크로유체 장치.32. The multi-layer microfluidic device of claim 31, wherein the fluid-tight seal between the two or more layers is obtained by providing a hydrophobic surface at an interface between the two layers. 청구항 24에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상은 접착제에 의해 밀봉 관계로 함께 조립되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 24 wherein at least two of the layers are assembled together in a sealing relationship by an adhesive. 청구항 34에 있어서, 상기 접착제는 상기 두 개 이상의 층들 중 하나 이상으로부터 착탈 가능한 다층 마이크로유체 장치.35. The multilayer microfluidic device of claim 34 wherein the adhesive is detachable from at least one of the two or more layers. 청구항 24에 있어서, 상기 층들 중 두 개 이상 사이의 밀봉은 해제되어 상기 두 개 이상의 층들이 분리되도록 할 수 있는 다층 마이크로유체 장치.25. The multi-layer microfluidic device of claim 24, wherein the seal between two or more of the layers can be released to allow the two or more layers to separate. 청구항 36에 있어서, 상기 장치는 상기 두 개 이상의 층들 사이에서 처분 가능한 부분과 재사용 가능한 부분으로 분리될 수 있는 다층 마이크로유체 장치.37. The multi-layer microfluidic device of claim 36, wherein the device can be separated into a disposable portion and a reusable portion between the two or more layers. 청구항 36에 있어서, 상기 층들 중 하나는 유리 슬라이드인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 36 wherein one of the layers is a glass slide. 청구항 36에 있어서, 상기 층들 중 하나는 마이크로타이터 플레이트인 다층 마이크로유체 장치.37. The multilayer microfluidic device of claim 36 wherein one of the layers is a microtiter plate. 청구항 36에 있어서, 상기 층들 중 하나 이상은 위에 고정된 바이오분자를 갖는 하나 이상의 영역으로 구성되는 다층 마이크로유체 장치.37. The multi-layer microfluidic device of claim 36, wherein one or more of the layers consists of one or more regions having biomolecules immobilized thereon. 청구항 24에 있어서, 상기 밸브들 중 하나 이상은 원격 밸브인 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 24, wherein at least one of the valves is a remote valve. 청구항 24에 있어서, 하나 이상의 상기 평면내의 마이크로유체 구조는 하나 이상의 층의 전체 두께에 걸쳐 형성되어, 상기 마이크로유체 구조들의 경계가 상기 하나 이상의 층에 의해 형성되고, 상부 및 하부 표면은 인접 층들에 의해 형성되도록 하는, 다층 마이크로유체 장치.25. The microfluidic structure of claim 24, wherein the microfluidic structures in one or more of the planes are formed over the entire thickness of one or more layers such that boundaries of the microfluidic structures are formed by the one or more layers, and the top and bottom surfaces are defined by adjacent layers. A multilayer microfluidic device, which allows for formation. (a) 함께 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled together; (b) 하나 이상의 상기 층에 형성된 하나 이상의 샘플 입구;(b) one or more sample inlets formed in one or more said layers; (c) 상기 샘플 입구와 유체 소통되는 하나 이상의 열반응 웰;(c) one or more thermal reaction wells in fluid communication with the sample inlet; (d) 상기 열반응 웰과 유체 소통되는 하나 이상의 판독웰; 및(d) one or more read wells in fluid communication with the thermal reaction well; And (e) 상기 열반응 웰 및 상기 판독웰 사이에 위치하여 상기 열반응 웰 및 상기 판독웰 사이의 유체의 흐름을 제어하는 하나 이상의 능동 밸브로 구성되는,(e) one or more active valves positioned between the thermal reaction wells and the read wells to control the flow of fluid between the thermal reaction wells and the read wells, 하나의 가열 단계를 포함하는 생화학적 반응을 수행하기 위한 다층 마이크로유체 장치.A multilayer microfluidic device for carrying out a biochemical reaction comprising one heating step. 청구항 43에 있어서, 가열 요소로 더 구성되며, 상기 가열 요소는 상기 하나 이상의 열반응 웰과 다른 층에 형성되고 상기 열반응 웰에 가열을 제공하기 위해 구성되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 43, further comprising a heating element, the heating element being formed in a layer different from the one or more thermal reaction wells and configured to provide heating to the thermal reaction wells. 청구항 43에 있어서, 상기 층들은 서로 클램프되는 다층 마이크로유체 장치.The multilayer microfluidic device of claim 43 wherein the layers are clamped to each other. 청구항 45에 있어서, 층들 사이의 유체-밀착 결합은 비-압축가능한 층들 사이에 압축가능한 가스켓층을 제공함으로써 얻어지는 다층 마이크로유체 장치.46. The multilayer microfluidic device of claim 45, wherein the fluid-tight bonds between the layers are obtained by providing a compressible gasket layer between the non-compressible layers. 청구항 45에 있어서, 층들 사이의 유체-밀착 결합은 상기 접합점(junctions)에 소수성 표면을 제공함으로써 얻어지는 다층 마이크로유체 장치.46. The multi-layer microfluidic device of claim 45, wherein the fluid- tight bonds between the layers are obtained by providing a hydrophobic surface at the junctions. 청구항 47에 있어서, 상기 소수성 표면은 소수성 기본 재질의 표면인 다층 마이크로유체 장치.48. The multilayer microfluidic device of claim 47 wherein the hydrophobic surface is a surface of a hydrophobic base material. 청구항 47에 있어서, 상기 소수성 표면은 비-소수성 기본 재질에 소수성 코팅함으로써 형성되는 다층 마이크로유체 장치.48. The multilayer microfluidic device of claim 47 wherein the hydrophobic surface is formed by hydrophobic coating a non-hydrophobic base material. (a) 관심 있는 DNA 샘플을 포함하는 용액을 다층 마이크로유체 장치로 적재하고;(a) loading a solution containing the DNA sample of interest into a multilayer microfluidic device; (b) 상기 용액을 상기 마이크로유체 장치내 하나 이상의 열반응 웰로 분배하고, 여기서 상기 하나 이상의 열반응 웰에는 관심 있는 특정의 DNA 서열을 증폭하는데 필요한 추가 재질들이 제공되며;(b) distributing the solution into one or more thermal reaction wells in the microfluidic device, wherein the one or more thermal reaction wells are provided with additional materials needed to amplify a particular DNA sequence of interest; (c) 상기 하나 이상의 열반응 웰로부터 가스 또는 액체의 하류 이동을 막기 위해 상기 하나 이상의 열반응 웰 하부의 밸브를 폐쇄하고;(c) close the valve beneath the one or more thermal reaction wells to prevent downstream movement of gas or liquid from the one or more thermal reaction wells; (d) 상기 열반응 웰내의 관심 있는 상기 DNA 샘플에 존재할 경우 관심 있는 상기 특정의 DNA 서열의 증폭을 하기에 충분한 방식으로 상기 하나 이상의 열반응 웰내에서 용액 및 추가 재질을 가열하고;(d) heating the solution and additional material in the one or more thermal reaction wells in a manner sufficient to amplify the specific DNA sequence of interest when present in the DNA sample of interest in the thermal well; (e) 하나 이상의 상기 열반응 웰 하류의 상기 밸브를 개방하고;(e) opening said valve downstream of at least one said thermal reaction well; (f) 상기 하나 이상의 열반응 웰의 내용물을 상기 열반응 웰 밖으로, 상기 열반응 웰 하류의 상기 채널을 거쳐 대응하는 판독웰 내로 씻어내고;(f) flushing the contents of the at least one thermal reaction well out of the thermal reaction well, through the channel downstream of the thermal well, into a corresponding read well; (g) 상기 판독웰에서의 DNA의 존재 또는 부재를 검출하는 단계로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치에서 DNA 처리를 실행하는 방법.(g) detecting the presence or absence of DNA in the read well. 청구항 50에 있어서, PCR 분석을 실행하기 위해 적용되는 DNA 처리 실행 방법으로서, 상기 DNA 용액은 프라이머 없이 PCR 칵테일로 구성되며, 상기 추가 재질은 관심 있는 상기 특정의 DNA 서열에 특이한 프라이머 쌍으로 구성되고, 상기 하나 이상의 열반응 웰에서 용액 및 추가 재질을 가열하는 단계는 열순환을 실행하는 것으로 구성되는, DNA 처리를 실행하는 방법.51. The method of claim 50, wherein the DNA solution is adapted to perform PCR analysis, wherein the DNA solution consists of a PCR cocktail without primers, and the additional material consists of primer pairs specific for the particular DNA sequence of interest, Heating the solution and additional material in the one or more thermal reaction wells comprises performing a thermocycle. 청구항 50에 있어서, LCR 분석을 실행하기 위해 적용되는 DNA 처리 실행 방법으로서, 상기 하나 이상의 열반응 웰에서 용액 및 추가 재질을 가열하는 단계는 등온 가열 단계로 구성되는 DNA 처리를 실행하는 방법.51. The method of claim 50, wherein the method of performing DNA processing applied to perform LCR analysis, wherein heating the solution and additional material in the one or more thermal reaction wells comprises an isothermal heating step. 청구항 50에 있어서, RCA 분석을 실행하기 위해 적용되는 DNA 처리 실행 방법으로서, 상기 하나 이상의 열반응 웰에서 용액 및 추가 재질을 가열하는 단계는 등온 가열 단계로 구성되는 DNA 처리를 실행하는 방법.51. The method of claim 50, wherein the method of performing DNA processing applied to perform the RCA analysis, wherein heating the solution and additional material in the one or more thermal reaction wells comprises an isothermal heating step. (a) 용액을 다층 마이크로유체 장치로 적재하고;(a) loading the solution into a multilayer microfluidic device; (b) 상기 용액을 상기 마이크로유체 장치내 하나 이상의 열반응 웰로 분배하고;(b) partitioning the solution into one or more thermal reaction wells in the microfluidic device; (c) 상기 하나 이상의 열반응 웰로부터 가스 또는 액체의 하류 이동을 막기 위해 상기 하나 이상의 열반응 웰 하류의 밸브를 폐쇄하고;(c) close the valve downstream of the one or more thermal reaction wells to prevent downstream movement of gas or liquid from the one or more thermal reaction wells; (d) 관심 있는 생화학 반응을 실행하는데 요구되는 방식으로 상기 하나 이상의 열반응 웰을 가열하고;(d) heating said at least one thermal reaction well in a manner required to effect the biochemical reaction of interest; (e) 상기 하나 이상의 열반응 웰 하류의 상기 밸브를 개방하고;(e) opening said valve downstream of said at least one thermal reaction well; (f) 상기 각 열반응 웰의 내용물을 상기 각 열반응 웰 밖에서, 대응하는 하류 판독웰 내로 씻어내고;(f) flush the contents of each thermal reaction well out of each thermal reaction well into a corresponding downstream read well; (g) 상기 판독웰에서 상기 생화학 반응 생성물의 존재 또는 부재를 검출하는 단계로 구성되는, 다층 마이크로유체 장치에서 생화학 반응을 실행하는 방법.(g) detecting the presence or absence of the biochemical reaction product in the read well. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 관심 있는 분석물이 존재할 수 있는 샘플 용액을 수용하기 위한 하나 이상의 입구;(b) one or more inlets to receive sample solution in which the analyte of interest may be present; (c) 관심 있는 상기 분석물과 결합하기 위해 적용되는 결합 부분을 포함하는, 상기 입구 하류의 판독웰;(c) a read well downstream of the inlet, comprising a binding portion adapted for binding with the analyte of interest; (d) 상기 판독웰로부터 세척된 유체를 수용하기 위한 상기 판독웰 하류의 하나 이상의 폐기물웰;(d) one or more waste wells downstream of the read wells for receiving fluid washed from the read wells; (e) 유체를 상기 판독웰 내에 보유하기 위해 유체의 흐름을 일시적으로 저지하기 위한 하나 이상의 수동 밸브; 및(e) one or more manual valves for temporarily stopping the flow of fluid to retain fluid in the read well; And (f) 상기 폐기물웰 내에 유체를 보유하기 위해 유체의 흐름을 적어도 일시적으로 저지하기 위한 하나 이상의 수동 밸브로 구성되는, 샘플내 관심 있는 분석물을 검출하기 위해 결합 반응을 수행하기 위한 삼차원 마이크로유체 장치.(f) a three-dimensional microfluidic device for conducting a coupling reaction to detect an analyte of interest in a sample, consisting of one or more passive valves for at least temporarily stopping the flow of fluid to retain the fluid in the waste well . 청구항 55에 있어서, 상기 입구, 판독웰, 폐기물웰 및 수동 밸브들은 상기 마이크로유체 장치의 두 개의 서로 다른 평면층들에 대응하는 두 개 이상의 서로 다른 평면들에 위치하는, 삼차원 마이크로유체 장치.The three-dimensional microfluidic device of claim 55, wherein the inlet, read well, waste well and manual valves are located in two or more different planes corresponding to two different planar layers of the microfluidic device. (a) 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers; (b) 두 개 이상의 상기 층들에 형성된 구성요소들을 갖는 하나 이상의 ELISA 회로로서,(b) at least one ELISA circuit having components formed in at least two of said layers, i) 관심 있는 분석물이 존재할 수 있는 샘플 용액을 수용하기 위해 적용되는 주채널;i) a main channel adapted to receive a sample solution in which an analyte of interest may be present; ii) 상기 주채널과 유체 소통되고, 관심 있는 상기 분석물에 대하여 특이한 고정화된 포획 항체를 포함하는 판독웰;ii) read wells in fluid communication with the main channel and comprising immobilized capture antibodies specific for the analyte of interest; iii) 상기 주채널 및 상기 판독웰과 유체 소통되고, 효소에 접합되는 관심 있는 상기 분석물에 대하여 특이한 항체로 구성되는 일정량의 접합체를 포함하는 접합웰;iii) a conjugation well in fluid communication with said main channel and said read well and comprising a quantity of conjugate consisting of an antibody specific for said analyte of interest that is conjugated to an enzyme; iv) 상기 주채널 및 상기 판독웰과 유체 소통되고, 상기 효소와 반응하여 검출 가능한 반응 생성물을 형성할 수 있는 일정량의 효소 기질을 포함하는 기질웰;및iv) a substrate well comprising an amount of an enzyme substrate in fluid communication with said main channel and said read well and capable of reacting with said enzyme to form a detectable reaction product; and v) 유체의 흐름을 상기 주채널, 상기 판독웰, 상기 접합웰 및 상기 판독웰을 연속적으로 통과하도록 하여 샘플 용액, 접합체 및 기질을 차례로 상기 판독웰에 전달하기 위한 복수의 수동 밸브로 구성되는 ELISA 회로로 구성되는, 샘플내의 관심 있는 분석물을 검출하기 위해 ELISA를 실행하기 위한 삼차원 마이크로유체 장치.v) ELISA consisting of a plurality of manual valves for continuously passing a flow of fluid through the main channel, the read wells, the junction wells and the read wells to sequentially deliver sample solution, conjugate and substrate to the read wells. A three dimensional microfluidic device for performing an ELISA to detect an analyte of interest in a sample, consisting of a circuit. 청구항 57에 있어서, (a) 두 개 이상의 상기 층들에 형성된 구성요소들을 갖는 하나 이상의 추가 ELISA 회로로서,The method of claim 57, wherein (a) one or more additional ELISA circuits having components formed in two or more of the layers, i) 관심 있는 분석물이 존재할 수 있는 샘플 용액을 수용하기 위해 적용되는 주채널;i) a main channel adapted to receive a sample solution in which an analyte of interest may be present; ii) 상기 주채널과 유체 소통되고, 관심 있는 상기 분석물에 대하여 특이한 고정화된 포획 항체를 포함하는 판독웰;ii) read wells in fluid communication with the main channel and comprising immobilized capture antibodies specific for the analyte of interest; iii) 상기 주채널 및 상기 판독웰과 유체 소통되고, 효소에 접합되는 관심 있는 상기 분석물에 대하여 특이한 항체로 구성되는 일정량의 접합체를 포함하는 접합웰;iii) a conjugation well in fluid communication with said main channel and said read well and comprising a quantity of conjugate consisting of an antibody specific for said analyte of interest that is conjugated to an enzyme; iv) 상기 주채널 및 상기 판독웰과 유체 소통되고, 상기 효소와 반응하여 검출 가능한 반응 생성물을 형성할 수 있는 일정량의 효소 기질을 포함하는 기질웰; 및iv) a substrate well comprising an amount of an enzyme substrate in fluid communication with said main channel and said read well and capable of reacting with said enzyme to form a detectable reaction product; And v) 유체의 흐름을 상기 주채널, 상기 판독웰, 상기 접합웰 및 상기 판독웰을 연속적으로 통과하도록 하여 샘플 용액, 접합체 및 기질을 차례로 상기 판독웰에 전달하기 위한 복수의 수동 밸브로 구성되는 추가 ELISA 회로;v) a plurality of manual valves for continuously passing a flow of fluid through said main channel, said read well, said junction well and said read well to deliver sample solution, conjugate and substrate to said read well in turn. ELISA circuits; (b) 모든 추가 샘플웰의 상류에 위치하고 상기 마이크로유체 장치로 주입되는 희석되지 않은 샘플을 수용하기 위해 적용되는 제 1 샘플웰;(b) a first sample well located upstream of all further sample wells and adapted to receive undiluted samples injected into the microfluidic device; (c) 상류 샘플웰로부터 희석된 샘플을 수용하기 위해 적용되는 하나 이상 추가 샘플웰; 및(c) one or more additional sample wells adapted to receive diluted samples from upstream sample wells; And (d) 각각의 상기 추가 샘플웰 및 상류 샘플웰 사이에 위치하며, 상기 하나 이상의 추가 샘플웰에 수집되는 희석된 샘플 용액을 형성하기 위하여 상기 상류 샘플웰로부터의 샘플을 희석물과 혼합하도록 구성되는 하나 이상의 혼합 회로로 더 구성되며,(d) located between each said additional sample well and an upstream sample well and configured to mix a sample from said upstream sample well with a dilution to form a diluted sample solution collected in said one or more additional sample wells Further composed of one or more mixed circuits, 상기 제 1 샘플웰로부터의 샘플 용액은 상기 하나 이상의 ELISA 회로로 전달되고, 상기 하나 이상의 추가 샘플웰로부터의 희석된 샘플 용액은 상기 하나 이상의 추가 ELISA 회로로 전달되며, 각각의 상기 ELISA 회로는 상기 샘플 용액내 또는 희석된 상기 샘플 용액내에서 관심 있는 분석물을 검출하는데 사용되는, 삼차원 마이크로유체 장치.Sample solution from the first sample well is delivered to the one or more ELISA circuits, and diluted sample solution from the one or more additional sample wells is delivered to the one or more additional ELISA circuits, each of the ELISA circuits being the sample. A three-dimensional microfluidic device, used to detect an analyte of interest in solution or in the diluted sample solution. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 하이브리디제이션 용액의 적어도 제 1 부분이 삼차원 마이크로유체 장치내로 적재될 수 있는 입구 채널;(b) an inlet channel through which at least a first portion of the hybridization solution can be loaded into the three-dimensional microfluidic device; (c) 상기 하이브리디제이션 용액의 상기 제 1 부분과 결합되는 상기 하이브리디제이션 용액의 다른 구성요소 또는 시약을 함유하는 웰, 상기 하이브리디제이션 용액의 적어도 일부에서 분리 단계를 수행하기 위한 분리 칼럼, 상기 하이브리디제이션 용액의 적어도 일부와 희석제를 혼합하기 위한 혼합 회로, 및 두 개 이상의 채널 사이에서 상이 하이브리디제이션 용액의 적어도 일부를 나누기 위한 가지 회로로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 구성요소로 이루어지는, 상기 입구 채널 하류의 마이크로유체 처리 회로;(c) a well containing other components or reagents of the hybridization solution coupled with the first portion of the hybridization solution, a separation column for performing a separation step in at least a portion of the hybridization solution, At least one component selected from the group consisting of a mixing circuit for mixing at least a portion of said hybridization solution and a diluent, and a branch circuit for dividing at least a portion of said hybridization solution between two or more channels, A microfluidic processing circuit downstream of the inlet channel; (d) 상기 하이브리디제이션 용액의 흐름을 상기 마이크로유체 처리 회로를 통해 조절하기 위한 하나 이상의 수동 밸브; 및(d) one or more manual valves for regulating the flow of the hybridization solution through the microfluidic processing circuit; And (e) 상기 하이브리디제이션 용액의 적어도 일부를 마이크로어레이 슬라이드의 표면으로 전달하기 위한 바이어 채널로 구성되며,(e) a via channel for delivering at least a portion of the hybridization solution to the surface of the microarray slide, 사용시 상기 마이크로어레이 슬라이드는 밀봉 관계로 상기 삼차원 마이크로유체 장치에 조립되어, 하나 이상의 하이브리디제이션 챔버가 상기 마이크로어레이 슬라이드 및 상기 삼차원 마이크로유체 장치 사이의 인터페이스에 형성되며, 상기 바이어 채널은 상기 하이브리디제이션 챔버와 유체 소통되는, 하이브리디제이션 용액을 처리하여 그것을 마이크로어레이 슬라이드의 표면에 운반하기 위한 삼차원 마이크로유체 장치.In use, the microarray slide is assembled to the three-dimensional microfluidic device in a sealed relationship such that one or more hybridization chambers are formed at the interface between the microarray slide and the three-dimensional microfluidic device, and the via channel is the hybridization. A three-dimensional microfluidic device for processing a hybridization solution in fluid communication with the chamber and delivering it to the surface of the microarray slide. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 상기 평면층들에 의해 정의되는 두 개 이상의 평면에 형성된 마이크로유체 회로;(b) microfluidic circuits formed in at least two planes defined by the planar layers; (c) 하나 이상의 상기 층에 의해 정의되는 평면에 형성된 하나 이상의 미소규모 채널; 및(c) one or more microscale channels formed in a plane defined by one or more of said layers; And (d) 상기 하나 이상의 미소규모 채널내에서 짧게 급격히 좁아지는 것을 포함하는 수동 밸브로 구성되며,(d) a manual valve comprising a short sharp narrowing in the one or more microscale channels, 상기 채널 및 상기 수동 밸브의 내부 표면은 소수성인 삼차원 마이크로유체 구조.And the inner surface of the channel and the manual valve are hydrophobic. 청구항 60에 있어서, 상기 층들은 소수성 재질로 형성되는 삼차원 마이크로유체 구조.61. The three-dimensional microfluidic structure of claim 60, wherein said layers are formed of a hydrophobic material. 청구항 60에 있어서, 상기 층들은 소수성 코팅이 된 비-소수성 기본 재질로 형성되는 삼차원 마이크로유체 구조.61. The three-dimensional microfluidic structure of claim 60, wherein said layers are formed of a non-hydrophobic base material with a hydrophobic coating. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 상기 평면층들에 의해 정의되는 두 개 이상의 평면에 형성된 마이크로유체 회로;(b) microfluidic circuits formed in at least two planes defined by the planar layers; (c) 하나 이상의 상기 층을 통과하여 형성되며, 상기 평면 층들에 의해 정의되는 두 개 이상의 서로 다른 평면내 마이크로유체 회로 사이에 유체 소통을 제공하는 하나 이상의 미소규모 채널; 및(c) one or more microscale channels formed through one or more of said layers and providing fluid communication between two or more different in-plane microfluidic circuits defined by said planar layers; And (d) 상기 하나 이상의 미소규모 채널내에서 짧게 급격히 좁아지는 것을 포함하는 수동 밸브로 구성되는 삼차원 마이크로유체 구조.(d) a three-dimensional microfluidic structure consisting of a manual valve comprising a short sharp narrowing in the one or more microscale channels. 청구항 63에 있어서, 상기 채널 및 상기 수동 밸브의 내부 표면은 소수성인 삼차원 마이크로유체 구조.64. The three-dimensional microfluidic structure of claim 63, wherein the inner surface of the channel and the manual valve are hydrophobic. 청구항 63에 있어서, 상기 채널은 상기 마이크로유체 구조의 세개 이상의 층에 정렬된 개구들로 구성되며, 상기 수동 밸브는 상기 세개 이상의 층들 중 하나 이상의 층에 의해 형성되며, 상기 층내 상기 개구는 상기 세개 이상의 층들 중 다른 층들에 있는 상기 개구 보다 더 적은 단면적을 갖는 삼차원 마이크로유체 구조.64. The system of claim 63, wherein the channel consists of openings arranged in three or more layers of the microfluidic structure, wherein the manual valve is formed by one or more of the three or more layers, and wherein the openings in the layer are three or more. A three-dimensional microfluidic structure having a smaller cross-sectional area than said opening in other layers. 청구항 63에 있어서, 상기 채널은 상기 마이크로유체 구조의 적어도 제 1 및 제 2 층들에 정렬된 개구들로 구성되며, 상기 제 1 층은 좁은 부분과 넓은 부분을 갖는 개구를 가지며, 상기 좁은 부분은 상기 제 2 층내 개구 보다 더 좁으며, 상기 제 1 및 제 2 층들은 함께 조립되어 상기 좁은 부분이 상기 제 2 층에 인접하여 위치하도록 하고, 상기 수동 밸브는 상기 좁은 부분으로 구성되는 삼차원 마이크로유체 구조.64. The apparatus of claim 63, wherein the channel consists of openings aligned in at least first and second layers of the microfluidic structure, the first layer having an opening having a narrow portion and a wide portion, wherein the narrow portion is the Narrower than an opening in a second layer, wherein the first and second layers are assembled together such that the narrow portion is positioned adjacent to the second layer, and the manual valve consists of the narrow portion. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 소수성 층들; 및(a) a plurality of substantially planar hydrophobic layers assembled in a sealing relationship; And (b) 마이크로유체 구조내에 형성되며, 복수의 인접한 층들내에 복수의 정렬된 구멍으로 구성되는 웰로 구성되는 삼차원 마이크로유체 구조.(b) a three-dimensional microfluidic structure formed within the microfluidic structure and consisting of wells consisting of a plurality of aligned holes in the plurality of adjacent layers. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들; 및(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; And (b) 혼합 회로로서(b) as a mixed circuit i) 제 1 채널;i) a first channel; ii) 상기 제 1 채널이 주채널 및 부채널로 분지되는 상기 제 1 채널 하류의 분지점;ii) a branch point downstream of the first channel where the first channel is divided into a main channel and a subchannel; iii) 상기 주채널상의 상기 분지점의 하류에 위치하는 제 1 수동 밸브;iii) a first manual valve located downstream of the branch point on the main channel; iv) 상기 부채널이 상기 주채널과 재합류하는 상기 분지점 하류의 접합점(junction);iv) a junction downstream of the branch point where the subchannel rejoins the main channel; v) 상기 접합점 바로 상류의 상기 부채널상에 위치하며, 상기 제 1 수동 밸브 보다 더 강한 제 2 수동 밸브; 및v) a second manual valve located on the subchannel immediately upstream of the junction and stronger than the first manual valve; And vi) 상기 접합점 하류의 출구 채널로 구성되는, 삼차원 마이크로유체 구조 내에 형성되는 혼합 회로로 구성되는, 삼차원 마이크로유체 구조.vi) a three-dimensional microfluidic structure consisting of a mixing circuit formed in a three-dimensional microfluidic structure, consisting of an outlet channel downstream of said junction. 청구항 68에 있어서, 상기 혼합 회로는 두 개 이상의 상기 평면층들에 대응하는 두 개 이상의 서로 다른 평면에 형성된 구성 요소들로 구성되는 삼차원 마이크로유체 구조.69. The three-dimensional microfluidic structure of claim 68, wherein said mixing circuit is comprised of components formed in at least two different planes corresponding to at least two said planar layers. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 제 1 혼합 회로로서, i) 제 1 입구 채널;(b) a first mixing circuit, comprising: i) a first inlet channel; ii) 상기 제 1 입구 채널이 제 1 주채널 및 제 1 부채널로 분지되는 상기 제 1 채널 하류의 분지점;ii) a branch point downstream of the first channel where the first inlet channel is branched into a first main channel and a first subchannel; iii) 상기 주채널상의 상기 분지점의 하류에 위치하는 제 1 수동 밸브;iii) a first manual valve located downstream of the branch point on the main channel; iv) 상기 제 1 부채널이 상기 제 1 주채널과 재합류하는 상기 분지점 하류의 제 1 접합점;iv) a first junction downstream of said branch point at which said first subchannel rejoins said first main channel; v) 상기 제 1 접합점 바로 상류의 상기 제 1 부채널상에 위치하며, 상기 제 1 수동 밸브 보다 더 강한 제 2 수동 밸브; 및v) a second manual valve located on the first subchannel immediately upstream of the first junction and stronger than the first manual valve; And vi) 상기 접합점 하류의 제 1 출구 채널로 구성되는, 삼차원 마이크로유체 구조 내에 형성되는 제 1 혼합 회로; 및vi) a first mixing circuit formed in a three-dimensional microfluidic structure, the first outlet channel downstream of the junction; And (c) 상기 제 1 혼합 회로의 하류에 상기 삼차원 구조 내에 형성되는 하나 이상의 추가 혼합 회로로서, i) 상기 제 1 출구 채널 하류의 제 2 입구 채널;(c) one or more additional mixing circuits formed in the three-dimensional structure downstream of the first mixing circuit, comprising: i) a second inlet channel downstream of the first outlet channel; ii) 상기 제 2 입구 채널이 제 2 주채널 및 제 2 부채널로 분지되는 상기 제 2 입구 채널 하류의 제 2 분지점;ii) a second branch point downstream of the second inlet channel where the second inlet channel is branched into a second main channel and a second subchannel; iii) 상기 제 2 주채널상의 상기 제 2 분지점의 하류에 위치하는 제 3 수동 밸브;iii) a third manual valve located downstream of the second branch point on the second main channel; iv) 상기 제 2 부채널이 상기 제 2 주채널과 재합류하는 상기 제 2 분지점 하류의 제 2 접합점;iv) a second junction point downstream of the second branch point where the second subchannel rejoins the second main channel; v) 상기 제 2 접합점 바로 상류의 상기 제 2 부채널상에 위치하며, 상기 제 3 수동 밸브 보다 더 강한 제 4 수동 밸브; 및v) a fourth manual valve located on the second subchannel immediately upstream of the second junction and stronger than the third manual valve; And vi) 상기 제 2 접합점 하류의 제 2 출구 채널로 구성되는, 하나 이상의 추가 혼합 회로로 구성되는, 샘플을 연속적으로 희석하기 위해 적용되는 삼차원 마이크로유체 구조.vi) a three-dimensional microfluidic structure adapted to continuously dilute a sample, consisting of one or more additional mixing circuits, consisting of a second outlet channel downstream of the second junction. (a) 일정량의 제 1 유체를 청구항 69의 상기 혼합 회로의 상기 제 1 채널내로 주입하고;(a) injecting an amount of a first fluid into the first channel of the mixing circuit of claim 69; (b) 일정량의 제 2 유체를 상기 제 2 유체 뒤의 상기 제 1 채널로 주입하며, 여기서 상기 제 1 유체는 상기 제 2 유체에 의해 상기 혼합 회로내로 밀어질 때 상기 제 1 수동 밸브에 의해 상기 부채널내로 우회하고, 상기 제 1 유체의 양은 상기 제 2 수동 밸브까지 상기 부채널을 채우기에 충분하며;(b) inject an amount of a second fluid into the first channel behind the second fluid, wherein the first fluid is moved by the first manual valve when pushed into the mixing circuit by the second fluid; Bypassing into the subchannels, the amount of the first fluid being sufficient to fill the subchannels up to the second manual valve; (c) 상기 제 1 수동 밸브를 극복하기에 충분한 압력으로 상기 제 1 채널내로 추가의 제 2 유체를 주입하여, 상기 제 1 유체가 상기 접합점에 도달할 때까지 상기 주채널내로 이동하도록 하고;(c) injecting additional second fluid into the first channel at a pressure sufficient to overcome the first manual valve to move into the main channel until the first fluid reaches the junction; (d) 상기 제 1 채널로 추가의 제 2 유체를 주입하여 상기 제 2 채널 밖으로 상기 제 1 유체를 상기 접합점을 지나 이동시키고, 여기에서 상기 제 1 유체는 상기 접합점 하류의 상기 출구 채널에서 상기 제 2 유체와 결합하는 단계로 구성되는, 마이크로유체 구조에서 두개의 유체를 혼합하는 방법.(d) injecting additional second fluid into the first channel to move the first fluid out of the second channel past the junction, where the first fluid is in the outlet channel downstream of the junction 2. A method of mixing two fluids in a microfluidic structure, comprising combining two fluids. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 적어도 제 1 층을 통과하는 입구 채널;(b) an inlet channel through at least the first layer; (c) 상기 제 1 층에 인접한 제 2 층에 형성되며, 상기 입구 채널이 그 중앙 영역에서 교차하는 1차 가지 채널;(c) a primary branch channel formed in a second layer adjacent to the first layer and the inlet channel intersecting at its central region; (d) 상기 제 2 층에 인접한 제 3 층을 통과하며, 그 중 하나는 그 각 끝단에서 상기 1차 가지 채널과 교차하는 두개의 1차 바이어 채널들;(d) two primary via channels passing through a third layer adjacent the second layer, one of which intersects the primary branch channel at each end thereof; (e) 상기 제 3 층에 인접한 제 4 층에 형성되며, 상기 바이어 채널들 각각이 그 중앙 영역에서 교차하는 두개의 2차 가지 채널들; 및(e) two secondary branch channels formed in a fourth layer adjacent to the third layer, each of the via channels intersecting in a central region thereof; And (f) 상기 제 4 층에 인접한 제 5 층을 통과하며, 그 중 하나는 그 각 끝단에서 상기 2차 가지 채널 각각과 교차하는 네개의 2차 바이어 채널들로 구성되며,(f) passes through a fifth layer adjacent to the fourth layer, one of which consists of four secondary via channels intersecting each of the secondary branch channels at each end thereof; 상기 두개의 1차 바이어 채널은 상기 1차 가지 채널 보다 더 작은 단면적을 가지며, 상기 네개의 2차 바이어 채널은 상기 1차 바이어 채널 보다 더 작은 단면적을 갖는 삼차원 마이크로유체 가지 회로.Wherein the two primary via channels have a smaller cross-sectional area than the primary branch channel and the four secondary via channels have a smaller cross-sectional area than the primary via channel. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들;(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; (b) 적어도 제 1 층을 통과하는 입구 채널;(b) an inlet channel through at least the first layer; (c) 상기 제 1 층에 인접한 제 2 층에 형성된 가지 채널로서, 상기 입구 채널이 상기 가지 채널의 중앙 영역과 소통하고, 상기 중앙 영역으로부터 밖으로 뻗어있는 복수의 암을 갖는 가지 채널; 및(c) a branch channel formed in a second layer adjacent to the first layer, the branch channel in communication with the central region of the branch channel, the branch channel having a plurality of arms extending out from the central region; And (d) 상기 제 2 층에 인접한 제 3 층에 형성되며, 각각이 상기 가지 채널의 상기 복수의 암들 중 하나의 끝단과 통하는 복수의 출구 채널들로 구성되며,(d) formed in a third layer adjacent the second layer, each consisting of a plurality of outlet channels in communication with an end of one of the plurality of arms of the branch channel, 상기 출구 채널 각각은 상기 가지 채널의 상기 암들 보다 유체의 흐름에 대하여 더 큰 저항을 제공하여, 상기 가지 채널로 들어오는 유체가 상기 출구 채널들 중 하나에 들어가기 전에 상기 암들 모두를 채우도록 하는, 삼차원 마이크로유체 가지 회로.Each of said outlet channels provides greater resistance to fluid flow than said arms of said branch channel, such that fluid entering said branch channel fills all of said arms before entering one of said outlet channels. Fluid branches circuit. (a) 밀봉 관계로 조립된 복수의 실질적으로 평면인 층들; 및(a) a plurality of substantially planar layers assembled in a sealing relationship; And (b) 마이크로유체 장치의 두개 이상의 상기 평면층들에 대응하는 두개 이상의 평면에 놓여진 마이크로유체 구조를 포함하는 마이크로유체 회로로서,(b) a microfluidic circuit comprising a microfluidic structure lying in at least two planes corresponding to at least two said planar layers of a microfluidic device, i) 주채널;i) main channel; ii) 분지점에서 상기 주채널의 분지인 부채널;ii) a subchannel that is a branch of the main channel at a branch point; iii) 상기 분지점 바로 하류의 상기 부채널에 위치하는 제 1 수동 밸브;iii) a first manual valve located in said subchannel immediately downstream of said branch point; iv) 상기 주채널과 유체 소통되는 상기 분지점의 하류에 위치하며, 웰 또는 채널로 구성되는 하나 이상의 마이크로유체 구조; 및iv) at least one microfluidic structure located downstream of the branch point in fluid communication with the main channel and consisting of a well or channel; And v) 상기 마이크로유체 구조의 하류에 위치하는 제 2 수동 밸브로 구성되는, 마이크로유체 회로로 구성되며,v) consisting of a microfluidic circuit, consisting of a second manual valve located downstream of the microfluidic structure, 상기 제 1 수동 밸브는 압력 하에서 상기 주채널로 먼저 들어간 유체가 상기 분지점에서 상기 부채널 보다는 오히려 상기 주채널로 우선적으로 유입되도록 하기에 충분한 강도를 가지며, 상기 제 2 수동 밸브는 상기 주채널이 상기 제 2 수동 밸브까지 채워진 다음 유체의 흐름을 상기 부채널로 우회시키기에 충분한 강도를 갖는, 삼차원 마이크로유체 구조.The first manual valve has a strength sufficient to allow fluid first entering the main channel under pressure to preferentially enter the main channel rather than the sub channel at the branch point, and the second manual valve is A three-dimensional microfluidic structure filled to the second manual valve and of sufficient strength to divert the flow of fluid to the subchannels. 청구항 74에 있어서, 상기 부채널은 상기 분지점의 하류이지만 상기 제 2 수동 밸브의 상류에 있는 상기 주채널과 재합류되고, 상기 부채널은 상기 부채널이상기 주채널과 재합류되는 지점에 인접한 공기 도관으로 구성되며, 상기 부채널은 상기 주채널의 직경 보다 충분히 더 큰 직경을 가져서, 상기 주채널 및 상기 부채널이 유체로 채워지면, 상기 주채널로 주입된 추가의 유체가 상기 분지점에서 상기 부채널을 우선적으로 통과하여 흐르는, 삼차원 마이크로유체 구조.75. The system of claim 74, wherein the subchannel is rejoined with the main channel downstream of the branch point but upstream of the second manual valve, and the subchannel is air adjacent to the point at which the subchannel rejoins the main channel. Consisting of a conduit, the subchannel having a diameter sufficiently larger than the diameter of the main channel such that when the main channel and the subchannel are filled with a fluid, additional fluid injected into the main channel is at the branch point. Three-dimensional microfluidic structure, preferentially flowing through subchannels. 청구항 74에 있어서, 상기 주채널, 상기 부채널, 상기 제 1 수동 밸브, 상기 마이크로유체 구조, 및 상기 제 2 수동 밸브는 상기 두개 이상의 평면들 중 하나에 놓여지고, 상기 마이크로유체 회로는 상기 두개 이상의 평면들 중 다른 하나에 놓여진 하나 이상의 추가 마이크로유체 구조로 구성되는, 삼차원 마이크로유체 구조.75. The apparatus of claim 74, wherein the main channel, the subchannel, the first manual valve, the microfluidic structure, and the second manual valve are in one of the two or more planes, and the microfluidic circuit is in the two or more planes. A three-dimensional microfluidic structure consisting of one or more additional microfluidic structures lying in another of the planes.
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