KR100413536B1 - 반응 물질들의 미세혼합장치 및 이를 이용한 혼합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응물질들간의 혼합을 필요로 하는 마이크로 물품에서 반응물질이 유입되어 들어오는 주유동로(main flow route)와 주유동로의 측면에 하나 이상의 원형이나 타원형의 우회로(by pass route)를 지나는 유동을 형성시킴으로써 반응물질들간의 3차원 난류혼합을 촉진시키는 반응물질의 미세혼합장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 바이오칩이나 렙온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 마이크로 물품 내부에 모터 등의 부가적 장치의 삽입 없이 채널 내부의 형상만을 변형시켜 난류를 일으켜 두 물질들의 혼합을 효과적으로 촉진시킬 수 있다.

Description

반응 물질들의 미세혼합장치 및 이를 이용한 혼합방법{Micromixer for mixing reactants and method for mixing reactants by using the same}

본 발명은 반응물질들간의 혼합을 필요로 하는 마이크로 물품에서 사용될 수 있는 반응물질들의 미세혼합장치 및 이를 이용한 혼합방법에 관한 것이다.

본 발명은 반응물질들 간의 혼합을 필요로 하는 마이크로 물품에 유용한데 특히 바이오칩(Biochip) 또는 랩온어칩(lab-on-a-chip)에서의 소량의 물질들(예로 시료나 반응 용액)을 효과적으로 혼합하는데 사용된다.

바이오칩(Biochip)이란 유리, 실리콘, 혹은 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물 분자들을 결합시켜 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 분포, 반응 양상 등을 분석해낼 수 있는 생물학적 마이크로칩(Biological Microchip)을 말한다. 이러한 바이오칩은 과학 기술 연구 및 신약 개발 프로세스, 임상 진단 등의 분야에 혁신적 변화를 일으킬 것으로 주목을 받고 있으며 빠르게 보급되고 있다. 특히 임상 진단 분야에서는 이미 암, 에이즈 등과 관련한 유전자 돌연변이를 검출하여 진단할 수 있는 바이오칩이 개발되어 있다. 한편 농업, 식품, 산업, 환경 모니터링 분야에서도 바이오칩의 응용이 이루어지고 있다.

바이오칩은 크게 마이크로어레이(Microarray)칩과 마이크로플루이딕스 (Microfluidics)칩으로 나눌 수 있다. 마이크로어레이칩은 수천 혹은 수만 개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 붙이고, 분석 대상 물질을 처리하여 그 결합 양상을 분석할 수 있는 바이오칩을 말하는데 DNA칩, 단백질칩(Protein chip) 등이 그 예이다.

한편 마이크로플루이딕스칩은 랩온어칩(Lab-on-a-Chip) 이라 불리기도 하는데 미량의 분석 대상 물질을 칩 내의 마이크로 채널로 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있게 만든 바이오칩으로, 최근에는 분석 물질의 분리, 합성, 정량 분석에 이용되고 있다. 랩온어칩의 궁극적인 목적은 일반 실험실에서 수행되고 있는 여러가지 분리 및 분석과정을 하나의 칩에 집적하는 것이다. 따라서, 랩온어칩은 실험 및 분석과정에 대한 연구개발 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있으며 현재 많은 연구가 진행 중에 있다.

기존의 바이오칩, 또는 랩온어칩 내에서의 물질의 유속은 0.1mm/sec이하로 매우 낮은 Re수(0.001~0.01)를 가진다. 따라서 두 물질(시료, 반응용액)이 만나 반응하는 과정에서 난류혼합(turbulence mixing)이 거의 발생하지 않고, 주로 두 물질의 접촉면에서 분자 확산(molecular diffusion)만으로 반응하게 된다. 따라서 실제 마이크로칩에서 시료와 반응용액이 반응시킬 때 매우 오랜 시간을 소요하고 있으며, 반응하는 구간의 채널 길이 역시 매우 길게 설계되고 있는 문제점을 가지고 있었다.

이들 칩(chip) 내부에서 반응을 향상시키기 위해서는 두 물질 간에 반응이 일어나는 접촉면을 최대화 시켜야 하는데, 이는 이들 물질을 얼마나 효과적으로 혼합하느냐에 달려있다. 칩 위의 유동상태를 이해하기위해 다음과 같이 거시적인 상황으로 비유할 수 있다. 너비 2㎝, 높이 1㎝ 정도의 채널 내부로 젤(gel)과 같이 점성이 아주 큰 두 물질을 아주 낮은 속도로 나란히 흘려보낸다고 생각했을 때, 그 채널에 어떤 장치도 사용하지 않고 단지 채널의 형상만을 변형시켜 두 물질을 섞는 경우 관의 형상을 길게 하더라도 두 물질은 효율적으로 섞이지 않을 것이다. 관을 좁혔다가 넓혀도, 관 속에 어떤 방해물을 설치해도 그 부위를 지나고 나면 두 물질은 또 나란히 흘러갈 것이다. 이렇듯 마이크로 채널 내의 유동은 미세관을 통과하며 매우 낮은 유속을 가지며, 채널 내벽에 대한 전단응력이 매우 크기 때문에 거시적인 상황에서의 유동과는 상당히 다르다.

종래의 기술은 칩 내부에 있는 채널 형상만을 변형하여 두 물질의 혼합 반응을 촉진시키는 것이었다. 위에서 언급한 바와 같이 채널의 길이를 길게 하거나, 관의 폭을 변화시키고, 유동을 혼란시킬만한 방해물을 관 속에 설치하기도 하는 등의 시도를 했었다. 그러나 효과적으로 두 물질을 혼합하지는 못하였다. 최근에는 채널 내에 또 다른 장치(device)를 삽입하여 물질을 섞으려는 기술에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 외부에서 채널 내부로 마이크로 모터 등을 삽입하여 유동의 교란을 주거나, 전기장과 자기장을 이용하여 물질들의 혼합을 유도하려는 연구가 진행 중에 있다. 하지만 이러한 최근 연구는 다음과 같은 문제점을 안고 있다. 대부분의 DNA칩이나 랩온어칩은 일회용이기 때문에, 하나의 칩은 한 번 사용된 후 폐기된다. 따라서 칩에 또 다른 장치(device)를 삽입한다는 것은 채널의 형상만으로 혼합을 유도하는 방법보다 훨씬 비경제적이다. 마이크로 디바이스를 만드는 자체만으로도 상당한 비용을 요구할 것이다. 또한 기술적인 측면에서, 초미세장치를 정확하게 마이크로 채널 내부의 특정 위치에 삽입해야하기 때문에 칩(완성품)을 만드는데 또 다른 수작업이 필요로 하게 된다. 앞서 말했듯이 바이오칩 등은 일회용 상품이기 때문에 대량 생산을 목표로 해야하는데, 위와 같은 수작업은 전체적인 칩의 생산 공정을 상당히 복잡하고 어렵게 만들 것이다. 이렇듯 미세 장치를 삽입하여 미세유동을 혼합하려는 시도는 연구적인 의미는 있으나, 그 결과를 실제 제품으로 상용화하는데 많은 어려움이 따른다.

따라서, 본 발명은 상기에 기재한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로 물품에서 모터 등의 부가적 장치의 삽입 없이 내부 채널의 형상만을 변형시켜 난류를 일으켜 반응을 효과적으로 혼합하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 미세혼합장치 및 이를 이용한 혼합방법에 의하여 바이오칩 또는 랩온어칩 내부에서 반응에 필요한 물질들을 효과적으로 혼합하여 혼합반응의 효율을 월등히 향상시킬 수 있다.

도 1은 랩온어칩(Lab-on-a-chip)의 개략도이다.

도 2는 본 미세혼합장치의 전체 개략도를 보여준다.

도 3은 본 미세혼합장치 내부의 유동 흐름을 도식한 것이다.

도 4는 본 미세혼합장치에서 사용되는 매개변수(parameters)를 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(1) 랩온어칩 (lab-on-a-chip) (2) 전처리부

(3) 반응부 (4) 분리분석부

(5) 검출부 (6) 주유동로

(7) 우회로 (8) 디바이더(divider)

(9) 벤추리(venturi)형상 (10) 출구(outlet)

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반응물질들(예로 시료와 반응용액)간의 혼합을 필요로하는 마이크로 물품에서 반응물질들이 유입되어 들어오는 주유동로(main flow route)와 주유동로의 측면에 형성된 하나 이상의 원형이나 타원형의 우회로(by pass route) 및 주유동을 두 갈래로 나누는 디바아더(divider)를 포함하는 반응물질의 혼합장치를 제공한다.

본 발명의 장치에서, 마이크로 물품은 물품 내부에서 반응물질들간의 화학반응을 위해 혼합을 필요로 하는 어떤 마이크로 물품도 될 수 있으나, 바람직하게는 바이오칩(biochip) 또는 랩온어칩(lab-on-a-chip)에 사용되고 더욱 바람직하게는 랩온어칩에 사용된다.

본 발명의 장치에서, 주유동으로 유입되어 들어오는 반응물질들은 반응에 관계되는 두 가지 이상의 물질들이며, 바람직하게는 시료 및 반응용액이다.

본 발명의 장치에서, 우회로는 디바이더에 의해 나누어진 주유동의 일부를유도할 수 있도록 주유동의 측면에 형성되며, 바람직하게는 우회로를 따라 주유동의 일부를 회전시킬 수 있도록 원형 또는 타원형의 형상을 가지며, 필요에 따라 하나 또는 둘 이상 설치할 수 있다. 이러한 우회로를 지나는 유동을 형성함으로써 원심력에 의한 3차원 난류 혼합을 촉진시키며, 2차 유동(secondary flow)을 유도하여 전체 유동을 불안정하게 한다.

본 발명의 장치에서, 우회로가 2개 이상 존재할 경우에는 기존의 우회로 아래의 반대편에 새로운 우회로를 부가할 수 있으며, 우회로의 수는 칩의 반응(혼합)부분의 길이가 되는 데까지 추가될 수 있다. 우회로의 세로 길이는 대략 0.2mm 내외이므로 반응부위의 길이를 5mm 정도로 한다면, 약 25개의 우회로를 설계할 수 있는 것이다.

본 발명의 장치에서, 우회로의 반대편에는 벤추리 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 벤추리 형상은 주유동의 흐름이 우회로 방향으로 기울어지도록 하여, 주유동의 오른쪽 물질(도 3의 물질 B) 중 일부가 디바이더에 의해 왼쪽의 우회로로 흘러들어가도록 유도하는 역할을 한다.

본 발명의 장치에서, 우회로에서 나온 혼합물질이 주유동과 다시 만나는 곳(도 3의 b.혼합 부분)에서는 우회로로 들어간 주유동의 오른쪽 물질(도 3의 물질 B)이 위에서부터 내려오는 주유동의 왼쪽 물질(도 3의 물질 A)과 서로 접하게 되는 것이 바람직하다. 이로 인해 2차 혼합을 유도할 수 있다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 본 발명의 미세혼합장치를 이용하여 마이크로 물품에서 반응물질들간의 3차원 난류혼합을 촉진시키는 혼합방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 설명으로 더욱 명백해진다.

도 1은 랩온어칩의 개략적인 구조를 나타낸 도면으로서, 랩온어칩(1)은 전처리부(2), 반응부(3), 분리분석부(4) 및 검출부(5)로 구성되며, 본 미세혼합장치는 도 1의 반응부(3)에 위치한다.

도 2는 본 미세혼합장치의 전체 개략도를 나타낸 도면으로서, 본 미세혼합장치는 주유동로(6)의 측면에 형성된 원형 또는 타원형의 우회로(7) 및 주유동의 일부를 나누는 디바이더(8)를 포함한다. 우회로가 2개 이상 존재할 경우에는 기존의 우회로(7) 아래의 반대편에 새로운 우회로(7')를 부가하여 서로 교차되도록 구성함으로써 물질 A, B의 혼합을 촉진시킨다.

도 3은 마이크로 물품에서의 두 물질이 유입하는 혼합부 내부에서 물질의 유동을 나타낸 것이다. 최상단에서 두 물질(물질A, 물질B:예로 시료와 반응용액)이 서로 평행하게 들어오게 된다. 두 물질이 들어와서 섞인 물질의 유동을 주유동(main flow)라고 하고, 이들이 지나는 채널을 주유동로(6)라고 한다. 점선은 두 물질 사이의 경계면을 나타낸다. 아래로 내려오면서 반응용액(물질 B)은 벤추리(venturi) 형상(9)에 의해 혼합장치 방향으로 기울어지게 된다. 벤추리(venturi) 형상(9)은 관의 특정부분이 오목하게 들어가서 관의 지름이 작아지는 부분을 말한다. 디바이더에 의해 주유동은 두 갈래로 갈라지게 되는데, 이 때 주유동의 반응용액(물질 B) 중 일부는 왼쪽의 우회로로 흘러들어가게 된다. 혼합장치(우회로) 방향으로 갈라져 나간 두 물질은 타원형의 우회로를 통과하면서 2차 유동(secondary flow)특성과 원심력에 의해 3차원적으로 혼합되게 된다. 그리고 원형 또는 타원형 형상내의 물질 B는 형상을 따라 한 바퀴 회전한 후 위에서 내려오는 물질 A와 만나게 된다 (b). 여기서 물질 A, B는 다시 난류 혼합이 되어 섞인다. 원형 형상에서 나온 혼합유동(mixing strip)(c)은 출구(outlet)(10)으로 가면서 위에서 내려오는 물질 A, B(main flow)와 다시 한 번 섞이게 된다.

도 4는 본 미세혼합장치에서 유동을 제어하는데 필요한 매개변수들 (parameters)을 보여준다. L은 혼합용액이 지나가는 주유동로(b)의 폭을 나타낸다. 주유동로의 폭은 30㎛ 내지 100㎛이고, 바람직하게는 50㎛ 내지 80㎛ 이다. L₁은 원형 우회로(7)의 길이를 나타내고 3L내지 5L이 바람직한데 이는 혼합된 물질(mixing strip)이 어느 위치에서 나오는 지를 결정한다. L₂는 벤추리 형상(9)의 폭이고 L/8 내지 L/4가 바람직한데, 내려오는 물질 B가 우회로 방향으로 치우치는 정도를 결정한다. L₃는 우회로(7)로부터 나오는 혼합된 물질(mixing strip)의 폭으로 L/3 내지 2L/3이 바람직한데, 이 폭이 좁을수록 혼합된 물질(mixing strip)의 진입 속도는 증가할 것이며, 넓을수록 속도는 감소할 것 이다. L₄는 우회로(7)의 폭으로 L/2 내지 2L/3이 바람직한테, 이는 디바이더(divider)(8)의 위치에 따라 결정된다. 마지막으로 θ는 혼합된 물질(mixing strip)이 우회로(7)로부터 나오는 각도를 나타내는데 30° 내지 80° 이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 45° 내지 60°이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 바이오칩, 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 마이크로 물품 내부에 모터 등의 부가적 장치의 삽입 없이 채널 내부의 형상만을 변형시켜 난류를 일으켜 두 물질들의 혼합을 효과적으로 촉진시킬 수 있는 효과를 도모할 수 있다. 또한 본 발명의 메커니즘을 이용하여 칩 내부의 혼합반응부위에 본 미세혼합장치를 반복하여 설치하게 되면 짧은 거리를 통과하면서 두 물질은 여러 차례의 3차원 난류혼합에 의해 활발한 혼합반응을 할 수 있다.

Claims (7)

1. 반응물질들간의 혼합을 필요로하는 마이크로 물품에서 반응물질들이 유입되어 들어오는 주유동로(main flow route)와 주유동로의 측면에 형성된 하나 이상의 우회로(by pass route) 및 주유동의 일부를 나누는 디바아더(divider)를 포함하는 반응물질의 미세혼합장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 물품이 바이오칩 또는 랩온어칩인 것을 특징으로 하는 미세혼합장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반응물질이 각각 시료와 반응용액인 것을 특징으로 하는 미세혼합장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 우회로의 형상이 원형 또는 타원형인 것을 특징으로하는 미세혼합장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 우회로가 2개 이상으로 서로 교차하는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 미세혼합장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 우회로의 반대편에 벤추리 형상을 부가하는 것을 특징으로 하는 미세혼합장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 따른 미세혼합장치를 이용하여 반응물질들간의 3차원 난류혼합을 촉진시키는 반응물질의 혼합방법.