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KR102318501B1 - 마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법 - Google Patents

마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법 Download PDF

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KR102318501B1
KR102318501B1 KR1020190095313A KR20190095313A KR102318501B1 KR 102318501 B1 KR102318501 B1 KR 102318501B1 KR 1020190095313 A KR1020190095313 A KR 1020190095313A KR 20190095313 A KR20190095313 A KR 20190095313A KR 102318501 B1 KR102318501 B1 KR 102318501B1
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Abstract

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

Description

마이크로 디바이스를 이용한 고상 추출 방법{Solid Phase Extraction Using Micro device}
본 출원은 2018년 8월 21일자로 출원된 한국특허출원 10-2018-0097181호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 특허에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 충진물과 용매를 투입하여 고상 추출법을 수행할 수 있도록 된 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 관한 것이다.
고상 추출법(solid phase extraction)이란 특정 성질을 가진 충진물, 예를 들면 비즈(beads) 등을 이용하여 목적 물질(target material)을 흡착시키고 용매를 이용하여 정제 및 농축하여 전처리하는 방법이다. 이때, 충진물을 패킹(packing)하는 디바이스가 필요하며 회수율을 높이고 전처리 시간을 단축하기 위하여 크기가 작은 마이크로 디바이스로 구현되고 있다. 또한, 마이크로 디바이스는 미량의 물질을 검출하는 데에 사용되고 있으며, 마이크로 디바이스를 사용하는 경우 용매 사용량을 단축할 수 있으므로, 친환경적인 장점을 가지고 있다.
종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스(1)의 형태는 도 7a 및 7b에 도시된 바와 같다. 마이크로 디바이스(1)의 내부에 댐(dam)(2)이 형성 되어 있어 비즈(3)는 통과하지 못하고 유체만 흐르는 방식이다. 이때, 댐의 후단부(210b)에 비즈의 충진(packing)에 의하여 유로가 줄어드는 영향으로 차압이 발생하며, 공극의 정도(porosity)가 작을수록 차압이 크게 발생한다. 도 7a 및 7b의 종래의 마이크로 디바이스의 경우 좌, 우, 중앙 쪽에 댐이 형성되어 있다. 따라서, 상대적으로 비즈의 충진 거리가 짧은 좌, 우방향으로 보다 많은 양의 유체가 흐르게 되어 유체의 흐름에 불균일한 분포가 발생하게 된다.
(특허문헌 1) KR 10-1740596 B1
(특허문헌 2) JP 2007-170903 A
(특허문헌 3) JP 2009-216586 A
(특허문헌 4) KR 10-1467561 B1
(특허문헌 5) JP 09-184830 A
(특허문헌 6) KR 10-2007-0032639 A
종래의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 유체의 흐름에 불균일한 분포를 해결하고자, 균일한 유량의 유체가 흐르게 하여 균일한 추출을 구현할 수 있는 새로운 형태의 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법이 요구되며, 특히 이러한 새로운 형태의 고상 추출용 마이크로 디바이스에 충진물이 균등하게 충진되어 고상 추출을 수행하는 방법이 요구된다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 댐(dam)을 포함하는 댐 형성부를 구비한 마이크로 디바이스(Micro device)를 이용하는 고상 추출 방법으로서,
(i) 상기 마이크로 디바이스에 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계; 및
(ii) 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 단계 (i) 및 (ii) 중 어느 하나의 단계에서 상기 마이크로 디바이스를 중심축 기준으로 회전시키고,
상기 마이크로 디바이스의 회전은 하기의 수학식 1로 정의되는 각속도로 수행되는 고상 추출 방법을 제공한다:
[수학식 1]
Figure 112019080322302-pat00001
상기 식에서,
ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
g는 중력가속도이고,
r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름이며,
φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0<φ<90의 범위이다.
상기 마이크로 디바이스는 용매와 충진물이 주입되는 주입구와 상기 용매가 배출되는 출구; 및 상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 충진물은 통과하지 못하고 상기 용매만 출구로 흐를 수 있도록 한 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고, 상기 댐 형성부와 상기 댐 각각은, 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에서, 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 회전 각속도는 하기의 수학식 1-1에 정의될 수 있다:
[수학식 1-1]
Figure 112019080322302-pat00002
상기 식에서,
ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
g는 중력가속도이고,
r 댐 은 상기 마이크로 디바이스에 포함된 댐의 반지름이며,
φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0<φ<90의 범위이다.
본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 주입구, 상기 출구, 상기 댐 형성부 및 상기 댐은 각각 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고, 상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 댐의 상기 주입구로 향하는 면인 댐의 후단부는 상기 주입구를 향하여 돌출된 원뿔 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 댐 형성부의 양단부인 상기 주입구에 연결된 제 1 단부 및 상기 출구에 연결된 제 2 단부 중에서, 상기 댐은 상기 제 1 단부보다 상기 제 2 단부에 더 가까이 위치하고, 상기 댐은 상기 제 2 단부로부터 소정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 각각 상기 출구로 돌출된 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 원뿔형일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서, 상기 충진물은 비즈 형태일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법에 있어서,
상기 고상 추출용 마이크로 디바이스는 모터에 의하여 회전되고,
상기 모터는 회전 동력을 제공하는 구동부, 상기 구동부에 연결된 회전 샤프트, 및 상기 회전 샤프트에 연결된 헤드를 포함하고,
상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 외부면과 상기 모터의 헤드가 접촉함으로써 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스가 회전될 수 있다.
본 발명의 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법에 의하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축을 기준으로 충진물 및 용매의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하여 균일한 고상 추출을 구현할 수 있도록 하는 장점이 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 일 실시예의 정면도를 도시한다.
도 2는 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스의 상면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 다른 실시예의 정면도를 도시한다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스의 또 다른 실시예의 정면도 및 그 요부를 도시한다.
도 5는 본 발명의 고상 추출 방법에 있어서 충진물 및 용매의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하는 조건을 도시한다.
도 6은 본 발명의 고상 추출 방법에 있어서 고상 추출용 마이크로 디바이스를 회전시키기 위하여 모터를 구비하는 경우를 도시한다.
도 7a 및 7b는 종래 기술에 따른 고상 추출용 마이크로 디바이스의 사시도를 도시하고 용매와 비즈의 흐름도의 실험예를 도시한다.
이하, 본 발명에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스 및 상기 고상 추출용 마이크로 디바이스로 고상 추출을 수행하는 방법을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1a 내지 1c는 본 발명의 고상 추출 방법에 사용되는 마이크로 디바이스(10)의 정면도를 도시한다. 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)는 주입구(100), 댐(dam) 형성 구역(200), 및 출구(300)를 포함한다. 주입구(100)를 통해 충진물(400)(예를 들면, 비즈)과 용매가 주입되고, 주입된 충진물(400)과 용매는 주입구(100)와 연결된 댐 형성부(200) 내로 이동한다. 댐 형성부(200) 내의 댐(210)의 후방에 충진물(400)이 충진되고 용매는 댐(210)의 측면으로 지나 댐 형성부(200)에 연결된 출구(300)를 통해 빠져나간다.
본 발명에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 댐 형성부(200)는 주입구(100)가 연장되는 방향인 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖는다. 즉, 원통형(또는, 소정의 길이를 갖는 원판)의 형상을 갖는다. 댐 형성부(200) 내에는 출구(300) 측에 댐(210)을 포함한다. 원통형의 댐 형성부(200)의 양단부 중 댐 형성부(200)가 주입구(100)와 연결된 측의 단부를 제 1 단부(220)라고 하고 댐 형성부(200)가 출구(300)에 연결된 측의 단부를 제 2 단부(230)라고 하면, 댐(210)은 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)에 가까이 위치하고, 용매가 출구(300)로 나갈 수 있도록 댐(210)은 제 2 단부(230)로부터 소정 거리 이격되어 위치한다. 한편, 본 발명은 상술한 것에 한정되지 않고, 예를 들어, 댐(210)을 충진물(400)보다 크기가 작은 구멍들을 갖는 타공판이나 충진물(400)이 통과하지 못하는 정도의 그물망 구조 등으로 제작할 수도 있으며, 이러한 경우에는, 용매는 댐(210)의 측면뿐만 아니라 댐(210)을 통과하여 출구(300)로 흘러나갈 수도 있다.
또한, 댐 형성부(200) 내에서 댐(210)을 지난 용매가 출구(300) 쪽으로 이동할 때 제 2 단부(230)에 의한 저항을 최소화하기 위하여 제 2 단부(230)는 출구(300)쪽으로 돌출된 형상일 수 있고, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같이 상기 주입구(100)를 향하여 돌출된 원뿔 형상일 수 있다.
댐(210)도 상술한 바와 같이 주입구(100)가 연장되는 방향인 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖는다. 도 1a에 도시된 바와 같이 원뿔 형상의 제 2 단부(230)와 마찬가지로 댐(210)의 전단부(210a; 댐(210)이 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)로 향하는 면, 즉, 댐(210)의 출구(300)로 향하는 면)도 원뿔 형상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 댐(210)의 후단부(210b; 댐(210)이 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로 향하는 면, 즉, 댐(210)의 주입구(100)로 향하는 면)도 원뿔 형상을 갖는다. 즉, 댐(210)의 후단부(210b)의 경사각(θ)이 0°보다 크다. 예를 들면, θ는 0°내지 60°일 수 있다.
우선, 댐(210)의 후단부(210b)가 평평한 면인 경우(즉, 도 1a에서 θ=0°인 경우)에는, 충진물(400)이 유체에 혼합되지 않고 주입구(100)로 단독으로 주입될 때, 댐(210)의 후단부(210b) 중에서도 주입구(100)에 가까운 쪽부터 충진물(400)이 쌓이다가, 충진물(400)로 주입구(100)가 막히는 현상이 발생할 가능성이 있다(도 5 참조).
본 발명에 따르면, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 댐(210)의 후단부(210b)도 원뿔 형상을 갖도록 하여, 충진물(400)로 주입구(100) 부근으로 쌓이지 않고, 댐(210)의 후단부(210b)의 경사면을 따라 방사방향으로 이동하도록 하여(도 1b 참조), 충진물(400)이 적층될 수 있도록 하였다.
이 때, θ의 값은 분체(즉, 충진물(400))의 안식각(즉, 도 5에서와 같이 댐(210)의 후단부(210b)가 평평한 면인 경우에, 쌓여진 충진물(400)이 평평한 면인 댐(210)의 후단부(210b)와 이루는 각도)보다 클 수 있다. θ 값이 분체의 안식각보다 크면, 충진물(400)이 댐(210)의 경사진 후단부(210b)를 따라보다 원활히 이동할 수 있다. 분체의 안식각은 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞는 다양하게 값을 갖는다.
도 2는 도 1a의 화살표(*)의 방향으로 바라본 경우, 댐(210)의 후단부(210b)에 디스크 형태로 충진된 충진물(400)의 형상을 도시한다. 충진물(400)이 충진된 형상을 참조번호 200a로 표시하였다.
다시 도 1a를 참조하면, 댐 형성부(200)의 직경과 댐(210)의 직경이 같은 경우, 댐 형성부(200)의 댐(210)이 위치한 부분을 둘러싸는 측면은 보다 돌출되어 댐(210)의 측면과 댐 형성부(200)의 내부면 사이로 용매가 이동할 수 있도록 한 돌출부(240)를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우, 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)의 직경은 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)의 직경보다 더 클 수 있다. 도 1a에 도시된 용매의 흐름을 표시한 선과 같이, 용매는 충진물(400) 사이를 지나고, 댐 형성부(200)의 돌출부(240)를 지나고, 댐 형성부(200)의 제 2 단부(230)와 댐(210) 사이의 공간을 지나서, 출구(300)로 이동할 수 있다.
댐(210)의 측면과 댐 형성부(200)의 내부면 사이의 용매가 유입되는 공간의 입구인, 용매 유입부(250)의 폭은 충진물(400)의 직경보다 작다.
주입구(100) 및 출구(300)는 상술한 바와 같이 댐 형성부(200)에 연결되어 있고 댐 형성부(200)와 일체로 형성되어 있을 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 예를 들어 긴 원통형의 형상일 수 있다. 또한, 주입구(100) 및 출구(300)는 각각 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축을 기준으로 동일한 선상에 위치할 수 있다. 주입구(100) 및 출구(300)의 각각의 직경은 댐 형성부(200)의 직경보다 작다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 크기는, 예를 들어, 도 1c에 도시된 바와 같이, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 직경(즉, 댐 형성부(200)의 돌출부(240)를 포함한 직경)은 25 mm 내지 32 mm일 수 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 총 길이(즉, 주입구(100), 댐 형성부(200), 출구(300)를 포함한 전체 길이)는 약 10.3 mm 내지 10.45 mm일 수 있고, 일 실시양태로서 약 10 mm일 수 있다. 충진물(400)의 직경은 35 ㎛ 내지 60 ㎛일 수 있다. 주입구(100)의 직경은 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있고, 길이는 약 5 mm일 수 있다. 출구(300)의 직경은 0.5 mm 내지 10 mm일 수 있고, 길이는 약 5 mm일 수 있다. 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로부터 댐(210)의 후단부(210b)까지의 길이(즉, 충진물(400)이 충진될 수 있는 구역의 길이)는 약 0.5 mm 내지 2 mm일 수 있다. 댐(210)의 전단부(210a)로부터 제 2 단부(230)까지의 길이는 0.1mm 내지 2 mm일 수 있다. 돌출부(240)의 용매 유입부(250)의 폭은 충진물(400)이 빠져나가지 못하도록 30 ㎛ 내지 35 ㎛일 수 있다. 도 1c에 기재된 치수는 일 실시예일뿐이고, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 구현되는 다양한 환경에 맞추어 다양한 변형, 변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 댐 형성부(200)의 길이 방향의 중심축으로부터 충진물(400)의 동일한 충진거리는 유사한 차압을 발생 시키기 때문에, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10) 내에서 용매의 균일한 유량분포를 가질 수 있도록 한다. 따라서, 충진물(400)이 충진되는 거리를 동일하게 하도록, 도 1a에 도시된 바와 같이 댐 형성부(200)와 댐(210)을 중심축으로부터 방사대칭되는 형태로 설계하였고 그에 따라 충진물(400)이 충진되는 영역(200a)은 도 2에 도시된 바와 같이 디스크(disk) 형상이 되며, 주입구(100) 및 출구(300)는 상기의 중심축에 위치시켰다. 즉, 댐 형성부(200)와 댐(210) 각각은, 주입구(100)가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 가지며, 댐 형성부(200) 내에서 충진물(400)이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진되도록 하였다. 이와 같이, 단면이 원형으로 제작되었을 때, 충진물(400)이 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 중심축으로부터 동일한 분포로 유체 흐름 방향으로 형성되며, 그에 따라, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10)의 불필요한 부피(volume)를 없애고 고상 추출의 효율을 극대화 할 수 있도록 한다.
한편, 도 3은 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스 중 댐 형성부(200)를 일부 변형한 경우로서, 본 발명의 고상 추출을 수행하는 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10')의 다른 실시예의 정면도를 도시한다. 도 3의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10')에서도 도 1a와 같이 댐(210)의 후단부(210b; 댐 형성부(200')의 제 1 단부(220')로 향하는 면)가 원뿔 형상이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 댐 형성부(200')의 직경보다 댐(210)의 직경이 작은 경우에는 댐(210)의 측면으로 용매가 이동할 수 있으므로, 댐 형성부(200')는 돌출부를 가지지 않을 수도 있다. 이러한 경우에도, 댐(210)의 측면과 댐 형성부(200')의 내부면 사이의 용매가 유입되는 공간의 입구인, 용매 유입부(250')의 폭은 충진물(400)의 직경보다 작다.
도 4a는 도 1a의 고상 추출용 마이크로 디바이스 중 댐(210)을 일부 변형한 경우로서, 본 발명의 고상 추출을 수행하는 방법에 사용되는 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")의 또 다른 실시예의 정면도를 도시한다. 도 4b는 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10") 중 댐(210") 부분만을 도시한 것이다. 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")에서도 도 1a와 같이 댐(210")의 후단부(210"b; 댐 형성부(200)의 제 1 단부(220)로 향하는 면)에 원뿔 형상을 포함한다. 한편, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 댐(210")을 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)과 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)으로 구분한다. 이 때, 제 2 부분(215"b)의 중심축(즉, 주입구(100)의 연장방향인 중심축)에 수직한 원형 단면에서의 최대 직경(D2), 즉, 제 2 부분(215"b)의 원뿔 형상의 밑면의 지름은 제 1 부분(215"a)의 중심축에 수직한 원형 단면에서의 최대 직경(D1), 예를 들면, 제 1 부분(215"a)의 원뿔 형상의 밑면의 지름보다 작다. 따라서, 충진물(400)이 원뿔 형상의 후단부(210"b)의 경사면을 따라 방사방향으로 이동하여 댐(210")의 가장자리 쪽으로 쌓이는 경우, 댐(210")의 가장자리 쪽에 충진물(400)이 쌓일 수 있는 보다 충분한 공간을 확보하면서도 θ값을 보다 더 크게 할 수 있는 이점이 있다.
다음, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 고상 추출 방법 및 고상 추출 조건을 설명한다. 우선, 본 발명에 따른 고상 추출 방법은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구(100)로 용매와 충진물(400)을 주입하고 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성분 내에서 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100); 및 상기 충진물(400)로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계(S200)를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 고상 추출 방법은, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)를 더 포함한다. 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)는, 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100) 및 상기 충진물(400)로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계(S200) 중 적어도 어느 하나의 단계 중에 이루어질 수도 있다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구(100)로 용매와 충진물(400)을 주입하여 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계(S100)에서는, 주입되는 용매가 댐 형성부(200, 200')를 통과하고, 댐에(210, 210")에 의하여 충진되는 충진물(400)에 목적 물질(즉, 분리 대상 물질)이 흡착된다. 흡착된 물질의 추출을 수행하는 단계(S300)에서는 충진물(400)에 흡착된 물질을 용해할 수 있는 용매를 주입하는 과정을 수행한다.
도 5에서는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중력 방향에 대하여 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시하고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")중에서도 예시적으로 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")가 중력 방향에 대하여 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시한다.
보다 구체적으로는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 주입구가 연장되는 방향의 중심축(이하, "고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축"이라 함)이 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터
Figure 112019080322302-pat00003
만큼 기울어진 상태로 설치될 수 있다.
고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")는 주입구(100)와 출구(300)의 연결 축 어긋남과 같은 제작 공차와 설치 실수 또는 다양한 방향에서의 용매 투입과 같은 설계 자유도 확보를 위해 도 5와 같이 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 다양한 각도(
Figure 112019080322302-pat00004
)로 기울어져 설치될 수 있다. 이 때, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축"이 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터
Figure 112019080322302-pat00005
만큼 기울어진 각도를 고상 추출용 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이라 하며, φ는 0<φ<90의 범위이다.
한편, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")(보다 정확히는, 고상 추출용 마이크로 디바이스의 중심축)가 수평면(즉, 중력 방향에 수직인 면)의 축으로부터 기울어진 경우에, 주입구(100)로 주입되는 용매나 충진물(400)이 중력에 의하여 댐 형성부(200)에 편중되어 위치할 수 있다. 그에 따라, 용매로부터 고상 추출이 불균일하게 이루어질 우려가 있다.
그러나, 본 발명에 따르면, 용매와 충진물(400)의 흐름이 편중되지 않고 균일한 유량의 유체가 흐르도록 하여 균일한 고상 추출을 구현할 수 있도록, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)를 수행한다. 이 때, 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 중심축은 회전축이 된다.
또한, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 중심축을 기준으로 회전하는 단계(S300)에서, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 하기의 수학식 1을 따른다.
[수학식 1]
Figure 112019080322302-pat00006
여기서, g는 중력가속도, r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름,
Figure 112019080322302-pat00007
는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation, 중력 방향으로부터 상기 마이크로 디바이스의 회전축이 기울어진 각도)이다. 상기 마이크로 디바이스의 반지름(r)은 댐형성부(200, 200')의 반지름에 해당한다.
도 5에서, 원심력(Fc)은 중력에 의해 입자가 받는 힘(Fg)에 비해 커야 하고, 하기의 수학식 2를 참조한다.
[수학식 2]
Fc > Fg
또한, 원심력(Fc)은 하기의 수학식 3 내지 수학식 5를 참조한다.
[수학식 3]
Fc = m·r 충진물 ·ω 2
여기서, m은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")내의 중심축으로부터 거리 r충진물에 있는 충진물(400)의 개별 입자 질량 이다.
한편, 중심축으로부터 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 내에 충진된 충진물(400)까지의 거리(r 충진물 )은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 반지름(r) 값에 근접한다. 이를 수학식 4로 표기하면 다음과 같다.
[수학식 4]
r 충진물
Figure 112019080322302-pat00008
r
따라서, 원심력(Fc)은 하기의 수학식 5로 표현된다.
[수학식 5]
Fc
Figure 112019080322302-pat00009
m·r·ω 2
한편, 중력에 의해 입자가 받는 힘(Fg)은 하기의 수학식 6을 참조한다.
[수학식 6]
Figure 112019080322302-pat00010
수학식 5와 수학식 6을 각각 수학식 2에 대입하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S200)에서의, 균등 충진 유량 분배를 위한 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 회전 각속도(ω)의 조건을 수학식 1로 도출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112019080322302-pat00011
여기서, g는 중력가속도, r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름,
Figure 112019080322302-pat00012
는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 예를 들어,
Figure 112019080322302-pat00013
의 1.5 배 이상, 또는 예를 들어
Figure 112019080322302-pat00014
의 10000 배 이하, 또는 예를 들어
Figure 112019080322302-pat00015
의 1.5 배 내지 10000 배의 값일 수도 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 용매나 비즈 주입이 디바이스(10, 10', 10")내로 이루어져 고상 추출이 수행될 수 있는 범위 내에서 크면 클수록 좋다.
대안적으로, 중심축으로부터 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 내에 충진된 충진물(400)까지의 거리(r 충진물 )은 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 반지름(r) 값에 근접하지만, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 댐(210, 210")의 반지름(r 댐 )에도 근접한다. 이를 수학식 4-1로 표기하면 다음과 같다.
[수학식 4-1]
r 충진물
Figure 112019080322302-pat00016
r 댐
따라서, 원심력(Fc)은 하기의 수학식 5-1로 표현될 수도 있다.
[수학식 5-1]
Fc
Figure 112019080322302-pat00017
m·r 댐 ·ω 2
수학식 5-1과 수학식 6을 각각 수학식 2에 대입하면, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S200)에서의, 균등 충진 유량 분배를 위한 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 회전 각속도(ω)의 조건을 수학식 1로 도출할 수 있다.
[수학식 1-1]
Figure 112019080322302-pat00018
여기서, g는 중력가속도, r 댐 은 상기 댐(210, 210") 디바이스의 반지름,
Figure 112019080322302-pat00019
는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상술한 바와 같이, 댐(210")은 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)과 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)으로 나뉘어 질 수도 있다. 경우에 따라, r 댐 은 전단부(210"a)를 포함하는 제 1 부분(215"a)의 반지름일 수도 있고, 후단부(210"b)를 포함하는 제 2 부분(215"b)의 반지름일 수 있다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 예를 들어,
Figure 112019080322302-pat00020
의 1.5배 이상, 또는 예를 들어
Figure 112019080322302-pat00021
의 10000 배 이하, 또는 예를 들어
Figure 112019080322302-pat00022
의 1.5 배 내지 10000 배의 값일 수 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 각속도(ω)는 용매나 비즈 주입이 디바이스(10, 10', 10")내로 이루어져 고상 추출이 수행될 수 있는 범위 내에서 크면 클수록 좋다.
추가적으로, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S300)는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 수학식 1의 각속도(ω)의 조건으로 회전시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 대안적으로는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")가 회전하는 단계(S300)는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 수학식 1-1의 각속도(ω)의 조건으로 회전시키는 단계를 포함한다.
도 5에서는, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10") 중 예시적으로 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")가 기울어진 상태로 위치하는 경우를 도시하지만, 본 발명의 고상 추출 수행 방법은 상술한 도 4a의 고상 추출용 마이크로 디바이스(10")의 경우에 한정되지 않고 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10')에도 동일한 방법이 적용된다. 또한, 본 발명의 고상 추출 수행 방법은 도 1 내지 도 4b에 도시된 바와 같이 댐의 후단부(210b, 210"b)가 원뿔 형상인 경우에 한정되지 않고, 댐의 후단부(210b, 210"b)가 편평한 평면 형상을 갖는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 고상 추출을 수행하는 방법에 있어서 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시키기 위하여 예시적으로 회전 모터(500)를 구비하는 경우를 도시한다. 예시적으로, 회전 모터(500)는 회전 동력을 제공하는 구동부(미도시)를 포함하고, 구동부에 연결된 회전 샤프트(510)와 회전 샤프트(510)에 연결된 헤드(520)를 포함하고, 회전 모터(500)는 구동부의 회전으로 헤드(520)가 회전하고, 헤드(520)와 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")의 외부면이 접촉함으로써, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")을 회전시킬 수 있다. 회전 모터(500)는 초소형 회전모터일 수 있다. 본 발명은 도 6의 도시된 경우에 한정되지 않고, 회전 모터(500)가 주입구(100)나 출구(300) 근처에 구비되어 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시킬 수도 있고, 고상 추출용 마이크로 디바이스(10, 10', 10")를 회전시킬 수 있는 한, 회전 모터(500)외의 다양한 수단이나 방법을 적용하는 식으로 변형, 변경이 가능하다.
상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 기술자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100: 고상 추출용 마이크로 디바이스의 주입구로 용매와 충진물을 주입하여, 상기 충진물(400)에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계
S200: 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계
S300: 고상 추출용 마이크로 디바이스가 회전하는 단계
10: 고상 추출용 마이크로 디바이스
100: 주입구 200: 댐 형성부
210: 댐 220: 제 1 단부
230: 제 2 단부 240: 돌출부
250: 용매 유입부 300: 출구
400: 충진물

Claims (10)

  1. 댐(dam)을 포함하는 댐 형성부를 구비한 마이크로 디바이스(Micro device)를 이용하는 고상 추출 방법으로서,
    (i) 상기 마이크로 디바이스에 용매와 충진물을 주입하고 용매는 흐르게 하고 충진물은 통과하지 못하도록 설계된 댐을 포함하는 댐 형성부로 이동시켜, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물에 분리 대상 물질을 흡착시키는 단계; 및
    (ii) 상기 충진물로부터 상기 흡착된 분리 대상 물질의 추출을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 (i) 및 (ii) 중 어느 하나의 단계에서 상기 마이크로 디바이스를 중심축 기준으로 회전시키고,
    상기 마이크로 디바이스의 회전은 하기의 수학식 1로 정의되는 각속도로 수행되는 고상 추출 방법:
    [수학식 1]
    Figure 112019080322302-pat00023

    상기 식에서,
    ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
    g는 중력가속도이고,
    r은 상기 마이크로 디바이스의 반지름이며,
    φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0<φ<90의 범위이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 디바이스는
    용매와 충진물이 주입되는 주입구와 상기 용매가 배출되는 출구; 및
    상기 주입구와 상기 출구 사이에 위치하는 댐 형성부로서, 상기 충진물은 통과하지 못하고 상기 용매만 출구로 흐를 수 있도록 한 댐(dam)을 포함하는 상기 댐 형성부를 포함하고,
    상기 댐 형성부와 상기 댐 각각은, 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상을 갖고, 상기 댐 형성부 내에서 상기 충진물이 상기 중심축을 기준으로 디스크 형태로 충진되는 것인 고상 추출 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고상 추출용 마이크로 디바이스의 회전 각속도는 하기의 수학식 1-1에 정의되는 것인 고상 추출 수행 방법:
    [수학식 1-1]
    Figure 112019080322302-pat00024

    상기 식에서,
    ω는 상기 마이크로 디바이스의 회전 각속도이고,
    g는 중력가속도이고,
    r 댐 은 상기 마이크로 디바이스에 포함된 댐의 반지름이며,
    φ는 상기 마이크로 디바이스의 오리엔테이션(orientation)으로서, 0<φ<90의 범위이다.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 마이크로 디바이스의 주입구, 출구, 댐 형성부 및 댐은 각각 상기 주입구가 연장되는 방향의 중심축에 수직인 단면이 상기 중심축을 기준으로 하는 원형의 형상이고,
    상기 주입구의 직경 및 상기 출구의 직경 각각은 상기 댐 형성부의 직경보다 작은, 고상 추출 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 댐의 상기 주입구로 향하는 면인 댐의 후단부는 상기 주입구를 향하여 돌출된 원뿔 형상인, 고상 추출 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 댐 형성부의 양단부인 상기 주입구에 연결된 제 1 단부 및 상기 출구에 연결된 제 2 단부 중에서, 상기 댐은 상기 제 1 단부보다 상기 제 2 단부에 더 가까이 위치하고, 상기 댐은 상기 제 2 단부로부터 소정 거리 이격되어 위치하는, 고상 추출 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 각각 상기 출구로 돌출된 형상인, 고상 추출 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 단부의 형상 및 상기 댐의 상기 제 2 단부를 향하는 면의 형상은 원뿔형인, 고상 추출 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진물은 비즈 형태인, 고상 추출 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로 디바이스는 모터에 의하여 회전되고,
    상기 모터는 회전 동력을 제공하는 구동부, 상기 구동부에 연결된 회전 샤프트, 및 상기 회전 샤프트에 연결된 헤드를 포함하고,
    상기 마이크로 디바이스의 외부면과 상기 모터의 헤드가 접촉함으로써 상기 마이크로 디바이스가 회전되는, 고상 추출 방법.
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