KR100466541B1 - Apparatus for transporting micro-fluids - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미소 유체 이송 장치에 관한 것으로, 상부 기판은 시료 유체가 하기 감지 전극에 의해 생화학적 반응이 일어나는 유체 감지부, 유체 감지부와 연결되고, 세척용액이 저장되는 세척용액 저장부, 세척용액 저장부와 연결되고, 공기가 저장되는 열공압 예비부 및 공기구멍을 가지며, 유체 감지부와 연결되어 유체 감지부를 세척한 세척용액 및 생화학적 반응이 일어난 시료 유체가 저장되는 폐기유체 저장부를 포함하고, 하부 기판은 유체 감지부에 대응하여 생화학 물질이 고정된 감지 전극 및 열공압 예비부 및 세척용액 저장부를 가열하는 히팅 수단를 포함하며, 열공압 예비부의 공기가 가열되어 세척용액이 유체 감지부로 이송되어, 시료 유체와 함께 폐기유체 저장부로 이송되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 구조가 간단하고 제조가 용이하며 높은 유체 이송 능력을 갖는 효과가 있다.The present invention relates to a microfluidic transfer device, wherein an upper substrate is connected to a fluid detection unit in which a biochemical reaction occurs in a sample fluid by a sensing electrode, a cleaning solution storage unit in which a cleaning solution is stored, and a cleaning solution is stored. And a thermopneumatic preliminary part and an air hole, which are connected to the storage part, and a waste fluid storage part which is connected to the fluid detecting part and stores the cleaning solution for cleaning the fluid detecting part and a sample fluid having a biochemical reaction therein. The lower substrate includes a sensing electrode in which a biochemical is fixed and a heating means for heating the thermopneumatic preliminary part and the washing solution storage in response to the fluid sensing part, and the air of the thermopneumatic preliminary part is heated to transfer the washing solution to the fluid detecting part. In addition, the sample fluid is transported to the waste fluid storage unit. Therefore, there is an effect that the structure is simple, easy to manufacture, and has a high fluid transport capacity.
Description
본 발명은 바이오 칩에 적용될 미세 유체 제어소자에 관한 것이며, 특히 간단한 구조를 갖는 열공압 펌프를 이용하여 다량의 유체를 이송할 수 있는 미소 유체 이송 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic control element to be applied to a biochip, and more particularly to a microfluidic transfer device capable of transferring a large amount of fluid using a thermopneumatic pump having a simple structure.
단백질 칩 또는 DNA 칩과 같은 바이오칩 상에서의 미세 유체제어 기술은 시료를 임의의 위치에 원하는 속도로 이동시키는 것이 중요하다. 이러한 시료의 이동 원리에는 모세관 현상(Capillary phenomenon)과 같은 자연발생적인 구동력을 이용하는 방식이 있고, 마이크로 액츄에이터 펌프(Micro-actuator pump), 열팽창에 의한 압력 증가를 이용한 열공압 펌프(thermo-pneumatic pump) 및 미세 유로 사이에 전압을 걸어서 유체를 이동시키는 전기영동(Electrophoresis) 또는 전기삼투 유동(Electro-osmotic flow)을 이용하는 등의 외부에서 추가로 구동력을 제공하는방식들이 있다.Microfluidic control techniques on biochips, such as protein chips or DNA chips, it is important to move the sample to a desired location at any speed. The principle of movement of the sample is a method using a naturally occurring driving force such as a capillary phenomenon, a micro-actuator pump, a thermo-pneumatic pump using a pressure increase due to thermal expansion. And methods for providing additional driving force from the outside such as using electrophoresis or electro-osmotic flow for moving a fluid by applying a voltage between the microchannels.
이중 모세관 현상을 이용하는 유체제어소자는 미세한 유로의 내부벽면과 유체사이의 표면장력에 기인하는 유체의 움직임을 이용하여 유체의 정지, 이송 및 이동속도를 제어하는데, 일반적으로 부가적인 구동력이 필요하지 않으므로 전원공급이 필요 없고 소자의 구조가 간단한 장점이 있다. 그러나, 유체제어소자에서 전적으로 모세관 유동만을 이용할 경우에는 복잡한 유체 이동을 제어하는데 한계가 있다. 따라서 보다 복합적이며 다기능을 목적으로 하는 유체제어소자는 외적인 구동력이 추가적으로 필요하게 된다. 전기영동 또는 전기삼투 유동을 이용한 유체 이송 방식은 유체의 이동을 위해서 상당한 고전압을 필요로 하고 그로 인한 유체 온도 상승 등의 문제가 있고, 마이크로 액츄에이터 펌프는 강유전체의 압전현상을 이용하므로 구조적 복잡성 등의 단점을 갖는다.The fluid control device using the double capillary phenomenon controls the stopping, conveying and moving speed of the fluid by using the movement of the fluid due to the surface tension between the inner wall of the fine flow path and the fluid. Generally, no additional driving force is required. There is no need for power supply and the structure of the device is simple. However, there are limitations in controlling complex fluid movement when using only capillary flows in the fluid control element. Therefore, the fluid control element for a more complex and multi-functional purpose requires additional external driving force. Fluid transfer method using electrophoresis or electroosmotic flow requires significant high voltage to move the fluid, and there is a problem such as a rise in fluid temperature, and micro actuator pump uses piezoelectric phenomena of ferroelectric. Has
이에 비해, 열공압 펌프 방식은 펌핑 속도가 비교적 높고, 구조 또한 복잡하지 않은 장점이 있다고 할 수 있다. 이하에서는 종래 기술에 의한 열공압 펌프에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.On the other hand, the thermopneumatic pump method has a relatively high pumping speed, and it can be said that the structure is not complicated. Hereinafter, a thermopneumatic pump according to the prior art will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1은 종래 기술에 의한 격막을 포함한 열공압펌프의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 열공압 펌프의 기본적인 구조는 크게 상판(100)과 하판(102)으로 이루어진다. 상판(100)과 하판(102)의 재질은 실리콘, 유리, 플라스틱이 이용될 수 있다. 종래 기술에 의한 열공압 펌프의 작동 방식은 다음과 같다. 발열체(106)에 전압을 가하면 열공압 매체(thermo-pneumatic medium)(110)가 가열되어 팽창되고 열공압 공간(112) 내부의 압력이 증가하여 격막(diaphragm)(108)을 위쪽으로 밀게 된다. 따라서 상판(100)에 확보된 공간(114)의 압력이 증가하게 되는데, 이때 흡입부(116)는 닫히고 배출부(118)가 열려 유체가 출구로 이동하게 된다. 반대로 발열체에 전압을 가하지 않으면 막(104)의 온도가 급격하게 내려가므로 열공압 매체(110)가 빠른 속도로 수축하게 되어 열공압 공간(112) 내부의 압력이 감소하고 격막(108)이 아래로 움직이게 된다. 이는 결과적으로 공간(114)의 압력의 감소를 초래하게 되는데, 이때 흡입부(116)가 열리고 배출부(118)가 닫혀 공간(114)으로 유체가 유입되게 된다. 이러한 과정이 계속적으로 반복되면 연속으로 유체를 이동시킬 수 있다. 열공압 매체(110)의 가열 및 냉각 속도를 크게 할 목적으로 열질량(thermal mass)을 감소시키기 위해, 발열체(106)는 식각 등의 공정을 통해서 수십 ㎛ 두께로 제조된 막(104)위에 패터닝된다.1 is a cross-sectional view of a thermopneumatic pump including a diaphragm according to the prior art. Referring to FIG. 1, the basic structure of a thermopneumatic pump according to the prior art is mainly composed of an upper plate 100 and a lower plate 102. The upper plate 100 and the lower plate 102 may be made of silicon, glass, or plastic. The operation method of the thermopneumatic pump according to the prior art is as follows. When a voltage is applied to the heating element 106, the thermo-pneumatic medium 110 is heated and expanded, and the pressure inside the thermo-pneumatic space 112 increases to push the diaphragm 108 upward. Therefore, the pressure of the space 114 secured to the upper plate 100 is increased. At this time, the suction part 116 is closed and the discharge part 118 is opened to move the fluid to the outlet. On the contrary, if no voltage is applied to the heating element, the temperature of the membrane 104 decreases rapidly, so that the thermopneumatic medium 110 contracts at a high speed, thereby reducing the pressure inside the thermopneumatic space 112 and causing the diaphragm 108 to move downward. Will move. This results in a decrease in pressure in the space 114, where the inlet 116 is opened and the outlet 118 is closed to allow fluid to enter the space 114. If this process is repeated continuously, the fluid can be moved continuously. In order to reduce the thermal mass for the purpose of increasing the heating and cooling rate of the thermopneumatic medium 110, the heating element 106 is patterned on the film 104 manufactured to a thickness of several tens of micrometers through a process such as etching. do.
도 1에서 격막(108)은 제조 공정 면에서 기판의 재질과 동일한 재질로 하는 것이 용이하나, 미국특허 제 6345502호에서는 폴리머 등과 같이 기판의 재질보다 유연성이 높은 재료를 사용함으로써 격막의 변위를 증가 시켜 펌핑 효율을 높이는 방법에 대하여 개시하고 있다. 한편 미국특허 제 6146543호에서는 격막의 재질로서 실리콘 또는 Si3N4등의 강성이 큰 재료를 사용하되 다층으로 형성된 밸로우즈(bellows)와 같은 형상을 도입하여 격막의 변위를 극대화한 경우에 대하여 개시한다. 그러나, 이러한 종래기술에 의한 열공압펌프는 구조상 격막을 포함하므로 구조가 복잡해지고 단일기판으로 구성하기 어려운 문제점이 있다.In FIG. 1, the diaphragm 108 may be easily made of the same material as that of the substrate in the manufacturing process. However, US Pat. No. 6,345,502 increases the displacement of the diaphragm by using a material that is more flexible than the material of the substrate. A method of increasing the pumping efficiency is disclosed. Meanwhile, US Patent No. 6146543 discloses a case in which a rigid material such as silicon or Si 3 N 4 is used as a material of the diaphragm, but the bellows shape formed in a multilayer is introduced to maximize the displacement of the diaphragm. do. However, since the conventional thermopneumatic pump includes a diaphragm in structure, the structure is complicated and it is difficult to construct a single substrate.
이에 반해서 격막을 포함하지 않는 열공압펌핑 방안을 제시한 실례가 도 2a및 도 2b에 도시되고 있다.In contrast, an example of a thermopneumatic pumping method not including a diaphragm is illustrated in FIGS. 2A and 2B.
도 2a를 참조하면, 시료 유입부(200)로부터 유입된 시료(214)는 모세관 현상에 의해 유로를 따라 이동하고, 소수성(hydrophobic)을 갖도록 미리 표면처리를 해 놓은 영역(204)을 만나게 되면 정지하게 된다. 이때 잉여의 시료는 과잉시료 제어부(202)로 빠져나가게 된다. 이어서, 도2 b를 참조하면, 발열체(206)에 전압을 인가하면 온도 상승에 따라 열공압 공간(208) 내부의 공기가 팽창하여 소수성 영역(212)에서 정지해 있는 유체(214) 중 열공압 공간 입구(210)와 소수성 영역(204) 사이의 유체(216)만 선택적으로 분리하여 이송하게 된다. 분리되어 진행하던 유체(216)는 벽면이 소수성격을 띠는 소수성 공기구멍(212)을 만나더라도 표면장력에 의해 소수성 공기구멍(212)으로 유입되지 않고 계속 진행하다가, 유체(216)가 공기구멍(212)을 완전히 통과하게 되면 열공압에 의해서 증가된 압력이 공기구멍(212)에 의해 완화되기 때문에 더 이상 유체(216)는 이동하지 않게 된다. 상기의 예는 격막을 포함하지 않고 공기의 열팽창을 이용한 단순한 구조로써 유체를 미소량의 유체 방울로 분리하는 데 의의가 있다. 그러나 이는 수 nl 내지 수십 nl 정도의 매우 적은 양의 유체만을 이동시킬 수 있는 한계가 있다. 즉 격막을 포함하지 않는 구조에서 전적으로 공기의 팽창에 의해 수십 ㎕ 정도의 다량의 유체를 이동시키는 것은 불가능하다. 그 이유는 다음과 같다. 20℃에서 공기의 열팽창률은 3.410-3/K 이며 100℃에서 공기의 열팽창률은 2.710-3/K 인데 유체제어소자 상의 발열체를 이용하여 열공압 공간의 온도를 20℃에서 100℃ 까지 상승시킨다면이러한 온도 구간의 공기 평균 열팽창률이 약 3.0-3/K이므로 대략적으로 1/4의 부피 팽창이 일어난다. 만약 이동시킬 유체의 부피가 10㎕라고 가정한다면, 열공압 펌프에 필요한 공간이 적어도 40㎕ 이상 되어야 하므로 소자의 크기가 커지며, 이보다 작은 열공압 공간을 이용할 경우 열공압 공간의 온도를 수 백도까지 가열해야 하는 등의 문제점이 있다.Referring to FIG. 2A, the sample 214 introduced from the sample inlet 200 moves along the flow path by capillary action, and stops when it encounters a region 204 previously surface-treated to have hydrophobic properties. Done. At this time, the excess sample is passed to the excess sample control unit 202. Next, referring to FIG. 2B, when a voltage is applied to the heating element 206, the air inside the thermal pneumatic space 208 expands as the temperature rises, and the thermal pneumatic pressure of the fluid 214 stopped in the hydrophobic region 212 is increased. Only fluid 216 between space inlet 210 and hydrophobic region 204 is selectively separated and transferred. The fluid 216, which has been separated and proceeds, does not flow into the hydrophobic air hole 212 by surface tension even when the wall meets the hydrophobic air hole 212 having a hydrophobic nature, and the fluid 216 flows through the air hole. Passing through 212 completely no longer causes fluid 216 to move because the pressure increased by the thermopneumatics is relieved by the air holes 212. The above example does not include a diaphragm and has a simple structure using thermal expansion of air, which is meaningful in separating the fluid into a small amount of fluid droplets. However, there is a limit that can move only a very small amount of fluid, such as a few nl to several tens nl. That is, in a structure that does not include a diaphragm, it is impossible to move a large amount of fluid of about tens of microliters by the expansion of air entirely. The reason for this is as follows. The thermal expansion rate of air is 3.410 -3 / K at 20 ℃ and the thermal expansion rate of air is 2.710 -3 / K at 100 ℃. If the temperature of the thermopneumatic space is increased from 20 ℃ to 100 ℃ using the heating element on the fluid control element, Since the air mean thermal expansion rate of this temperature range is about 3.0 -3 / K, about one-quarter volume expansion occurs. If it is assumed that the volume of fluid to be transferred is 10 µl, the size of the device is large because the space required for the thermopneumatic pump must be at least 40 µl. There is a problem such as.
바이오칩의 응용면에서 볼 때, 대부분의 감지 방법들이 반응 후 표면에 흡착된 비특이적 반응물질을 세척해서 선택성을 높여야 하므로 많은 양의 세척 용액의 강제적 이송이 필수적이다. 특히 DNA칩과 같은 복합, 다기능성을 갖는 바이오칩의 경우, 세척이외에 다양한 반응이 칩 상에서 일어나게 되어 이에 필요한 용액의 종류 및 양적 측면에서 고려할 때 종래의 격막없는 열공압펌프는 그 응용에 한계가 있다.In view of the application of biochips, the forced transfer of large amounts of cleaning solution is essential, since most detection methods must increase the selectivity by washing non-specific reactants adsorbed on the surface after the reaction. In particular, in the case of a biochip having a complex and multifunctionality, such as a DNA chip, various reactions other than the washing occur on the chip, and considering the type and quantity of the solution required for this, the conventional diaphragm-free thermopneumatic pump has a limitation in its application.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 구조가 간단하고 다량의 유체를 제어하기 위해 공기의 열팽창 및 압력을 이용하여 유체를 이송하는 미소 유체 이송 장치를 제공하는데 있다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a microfluidic conveying device having a simple structure and transferring fluid by using thermal expansion and pressure of air to control a large amount of fluid.
도 1은 종래 기술에 의한 격막을 포함한 열공압펌프의 단면도.1 is a cross-sectional view of a thermopneumatic pump including a diaphragm according to the prior art.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술에 의한 격막을 포함하지 않는 열공압펌프의 단면도.2A and 2B are cross-sectional views of a thermopneumatic pump that does not include a diaphragm according to the prior art.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판 및 하부 기판의 사시도.3 is a perspective view of an upper substrate and a lower substrate of a microfluidic transfer device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판의 평면도.4 is a plan view of an upper substrate of a microfluidic transfer device according to a preferred embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판의 평면도.5 is a plan view of the upper substrate of the microfluidic transfer device according to another embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 동작을 설명하기 위한 단면도.Figure 6 is a cross-sectional view for explaining the operation of the microfluidic transfer device according to a preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
300 : 상부 기판 302 : 유체 주입구300: upper substrate 302: fluid inlet
304 : 제1 정지 밸브 306 : 유체 감지부304: first stop valve 306: fluid detection unit
308 : 제2 정지 밸브 310 : 제1 공기구멍308: second stop valve 310: first air hole
312 : 제3 정지 밸브 314 : 유로312: 3rd stop valve 314: flow path
316 : 세척용액 저장부 318 : 세척용액 주입구316: washing solution storage unit 318: washing solution inlet
320 : 열공압 예비부 322 : 폐기유체 저장부320: thermopneumatic spare unit 322: waste fluid storage unit
324 : 제2 공기구멍 400 : 하부 기판324: second air hole 400: lower substrate
402 : 감지전극 404 : 감지전극 패드402: sensing electrode 404: sensing electrode pad
406 : 발열체 408 : 발열체 패드406: heating element 408: heating element pad
410 : 온도 센서 412 : 센서 패드410: temperature sensor 412: sensor pad
상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 미소 유체 이송 장치는 상부 기판 및 하부 기판이 결합되어 미소 유체를 제어하는 미소 유체 이송 장치에 있어서, 상부 기판은 시료 유체가 하기 감지 전극에 의해 생화학적 반응이 일어나는 유체 감지부, 유체 감지부와 연결되고, 세척용액이 저장되는 세척용액 저장부, 세척용액 저장부와 연결되고, 공기가 저장되는 열공압 예비부 및 공기구멍을 가지며, 유체 감지부와 연결되어 유체 감지부를 세척한 세척용액 및 생화학적 반응이 일어난 시료 유체가 저장되는 폐기유체 저장부를 포함하고, 하부 기판은 유체 감지부에 대응하여 생화학 물질이 고정된 감지 전극 및 열공압 예비부 및 세척용액 저장부를 가열하는 히팅 수단를 포함하며, 열공압 예비부 및 세척용액 저장부가 동시에 가열되면 공기와 세척용액 사이 계면에서의 유체 증발로 인한 압력 증가에 의해 세척용액이 유체 감지부로 이송되고, 세척용액은 시료 유체와 함께 상기 폐기유체 저장부로 이송되는 것이 바람직하다.In order to achieve the above object, the microfluidic transfer device according to the present invention is a microfluidic transfer device in which the upper substrate and the lower substrate are coupled to control the microfluidic, wherein the upper substrate has a biochemical reaction by the following sensing electrode. It is connected to the fluid sensing unit, the fluid sensing unit, the washing solution storage unit for storing the washing solution, the washing solution storage unit, the thermopneumatic preliminary part and the air hole for storing the air, And a waste fluid storage unit for storing the cleaning solution washed with the fluid detection unit and a sample fluid having a biochemical reaction, and the lower substrate stores the sensing electrode, the thermopneumatic preliminary part, and the cleaning solution in which the biochemical is fixed in response to the fluid detection unit. Heating means for heating the unit, and the air and washing solution when the thermopneumatic preliminary part and the washing solution reservoir is heated at the same time This cleaning solution by the pressure increase due to the evaporation of the fluid at the interface is transferred to the fluid detection, the cleaning solution is preferably with a sample fluid to be transferred to the said waste fluid storage.
본 발명에 의한 미소 유체 이송 장치는 공기를 가열했을 때 발생하는 열팽창과 그에 유발되는 압력으로 유체를 의도하는 반응 지점까지 이송하는 방식을 제안한다. 이를 위해, 이송하고자 하는 유체 저장부의 후방에 개폐 가능한 공기 저장부를 형성하여 이를 열공압 예비 공간(thermo-pneumatic pre-volume)으로 이용한다. 즉, 이러한 열공압 예비 공간과 유체 저장부에 상응하는 위치에 패터닝된 하부 기판 상의 발열체를 이용하여 가열된 공기의 팽창과 아울러 유체와 공기사이의 계면에서 발생되는 미세한 유체의 증발로 인한 압력 증가로 유체를 밀어낸다. 본 발명에서 제안한 구조와 방식은 히터가 패터닝되는 것 외에 추가적인 구조가 도입되지 않아 구조와 구동 방식이 단순하고, 다량의 유체 제어가 가능하다.The microfluidic conveying apparatus according to the present invention proposes a method of conveying a fluid to an intended reaction point by thermal expansion generated when the air is heated and a pressure caused thereto. To this end, an openable air storage unit is formed at the rear of the fluid storage unit to be transported and used as a thermo-pneumatic pre-volume. That is, by using the heating element on the lower substrate patterned at the position corresponding to the thermopneumatic preliminary space and the fluid reservoir, the pressure increases due to the expansion of the heated air and the evaporation of the microfluid generated at the interface between the fluid and the air. Push out the fluid. The structure and method proposed in the present invention are simple in structure and driving method, and a large amount of fluid control is possible since no additional structure is introduced other than the heater is patterned.
공기를 가열하면 가열초기에는 초기공간의 부피팽창이 일어나고, 가열을 계속하면 공기와 유체 사이의 계면에서 유체의 미세한 기화가 일어나는데, 액체 상에서 기체 상으로의 상변이에 따른 부피팽창은 천배에 이르므로 극미량의 증발에도 부피팽창이 가속되고 그에 따른 압력 상승으로 유체 전체를 이송할 수 있게 된다. 이렇게 유체와 공기사이 계면에서의 미세한 기화는 80~90?? 정도의 비교적 낮은 온도에서도 가능하며, 온도 제어는 유체저장부 또는 열공압 공간의 위치에 해당하는 하부 기판 상에 온도 센서 등을 추가로 도입함으로써 가능해진다. 그런데 유체의 증발량은 전체 유체 량에 비해 무시할 수 있을 만큼 극미량이므로 용액 부족현상은 일어나지 않는다.When the air is heated, the volume expansion of the initial space occurs at the beginning of heating, and if the heating is continued, minute vaporization of the fluid occurs at the interface between the air and the fluid, and the volume expansion due to the phase transition from the liquid phase to the gas phase reaches 1000 times. Even in the smallest amount of evaporation, the volume expansion is accelerated, and the resulting pressure rise makes it possible to transfer the entire fluid. The fine vaporization at the interface between fluid and air is 80 ~ 90 ?? Even at a relatively low temperature of degree, temperature control is made possible by additionally introducing a temperature sensor or the like on the lower substrate corresponding to the position of the fluid reservoir or the thermopneumatic space. However, the amount of evaporation of the fluid is so small as to be negligible compared to the total amount of fluid, so the solution shortage does not occur.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention, and may be modified in various forms, and the scope of the present invention is limited to the embodiments described below. It is not.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판 및 하부 기판의 사시도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치는 유체를 제어하는 상부 기판(100)과 유체를 감지하고 가열하는 하부 기판으로 이루어지고, 상부 기판 및 하부 기판을 접합하여 전체 미소 유체 이송 장치를 완성하게 된다.3 is a perspective view of an upper substrate and a lower substrate of a microfluidic transfer device according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the microfluidic transfer device according to the preferred embodiment of the present invention includes an upper substrate 100 that controls a fluid and a lower substrate that senses and heats a fluid. This completes the microfluidic delivery device.
상부 기판(300)은 유체 주입구(302), 제1 정지밸브(304), 유체 감지부(306), 제2 정지밸브(308), 제1 공기구멍(310), 제3 정지밸브(312), 유로(314), 세척용액 저장부(316), 세척용액 주입구(318), 열공압 예비부(320), 폐기유체 저장부(322) 및 제2 공기구멍(324)으로 이루어진다. 상부 기판(300)의 재질로서는 유리, 플라스틱 또는 금속 등의 재료가 가능하나, PDMS(polydimethylsiloxane), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), COC(cycloolefin copolymer), PA(polyamide), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PPE(polyphenylene ether), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PEEK(polyetheretherketone), PTFE(polytetrafluoroethylene), PVC(polyvinylchloride), PVDF(polyvinylidene fluoride), PBT(polybutyleneterephthalate), FEP(fluorinated ethylenepropylene), PFA(perfluoralkoxyalkane) 등의 투명한 폴리머를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 상부 기판(100)은 레이저 어블레이션(Laser Ablation), 쾌속조형(Rapid Prototyping), NC(Numerical Control) 머시닝과 같은 전통적인 기계가공법 또는 사진석판술(photolithography)과 식각을 이용한 반도체가공법으로 제작된 금속 또는 Si 구조체를 매스터(master)로 하여 핫엠보싱(Hot Embossing), 사출성형(Injection Molding), 캐스팅(Casting)법을 이용하여 제작할 수 있다.The upper substrate 300 has a fluid inlet 302, a first stop valve 304, a fluid detector 306, a second stop valve 308, a first air hole 310, and a third stop valve 312. , A flow path 314, a washing solution storage unit 316, a washing solution inlet 318, a thermopneumatic spare unit 320, a waste fluid storage unit 322, and a second air hole 324. As the material of the upper substrate 300, materials such as glass, plastic, or metal may be used, but PDMS (polydimethylsiloxane), PMMA (polymethylmethacrylate), PC (polycarbonate), COC (cycloolefin copolymer), PA (polyamide), and PE (polyethylene) , Polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutylene terephthalate (PBT) It is preferable to use transparent polymers such as fluorinated ethylenepropylene (PF) and perfluoralkoxyalkane (PFA). The upper substrate 100 may be a metal fabricated by a conventional machining method such as laser ablation, rapid prototyping, or NC (normal control) machining, or a semiconductor processing method using photolithography and etching. Alternatively, the Si structure may be manufactured using a hot embossing, injection molding, or casting method using the master as a master.
반면에 하부 기판(400)은 감지전극(402), 감지전극 패드(404), 발열체(406), 발열체 패드(408), 온도센서(410) 및 센서패드(412)로 이루어진다. 하부 기판(400)의 재질은 유리, PCB 기판과 같은 폴리머 또는 금속 등의 다양한 재료를 이용할 수 있으며, 하부 기판(400) 상의 감지전극(402), 감지전극 패드(404), 발열체(406), 발열체 패드(408) 등의 미세 금속 패턴은 반도체 가공법을 이용하여 제작이 가능하다. 상부 기판(300)과 하부 기판(400)의 접합 방식은 일반적으로 사용하는 접착제를 사용하거나 재료에 따라서 용접, 초음파접합 및 점착제를 이용할 수도 있다.On the other hand, the lower substrate 400 includes a sensing electrode 402, a sensing electrode pad 404, a heating element 406, a heating element pad 408, a temperature sensor 410, and a sensor pad 412. The lower substrate 400 may be made of various materials such as glass, a polymer such as a PCB substrate, or a metal. The sensing electrode 402, the sensing electrode pad 404, the heating element 406, and the like may be formed on the lower substrate 400. The fine metal pattern such as the heating pad 408 can be manufactured using a semiconductor processing method. The bonding method of the upper substrate 300 and the lower substrate 400 may use a commonly used adhesive or may use welding, ultrasonic bonding, and pressure-sensitive adhesive depending on the material.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the microfluidic transfer device according to the preferred embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판의 평면도로서, 도 3에 도시된 상부 기판의 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 구성수단을 가리킨다.4 is a plan view of the upper substrate of the microfluidic conveying apparatus according to the preferred embodiment of the present invention, wherein the same reference numerals as those of the upper substrate shown in FIG. 3 indicate the same constituent means.
시료가 유체주입구(302)를 통해 유입되면 제1 정지밸브(304)를 지나 유체 감지부(306)를 흐르게 된다. 이때 유체이동의 구동력은 자연발생적인 모세관 현상에 의한 것이므로 외부로부터의 동력을 필요로 하지 않는다. 제1 정지밸브(304)는 유체가 폐기유체 저장부(322)로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다. 유체가 수초 정도의 기간에 유체 감지부(306)를 완전히 채우게 되면 제2 정지밸브(308)와 만나게 되어 정지하게 된다. 이때 제1 정지밸브(304) 및 제2 정지밸브(308)는 전적으로 유체의 표면장력을 이용한 수동 밸브(passive valve)이므로 동력을 필요로 하지 않으며, 일반적으로 사용하는 급격한 확장 구조로서 유체를 정지시킨다.When the sample is introduced through the fluid inlet 302, the sample flows through the first sensing valve 304 and the fluid detecting unit 306. At this time, the driving force of the fluid movement is due to a naturally occurring capillary phenomenon and does not require power from the outside. The first stop valve 304 is for preventing the fluid from flowing into the waste fluid storage unit 322. When the fluid completely fills the fluid detecting unit 306 in a few seconds, the fluid meets the second stop valve 308 and stops. At this time, since the first stop valve 304 and the second stop valve 308 are passive valves entirely using the surface tension of the fluid, they do not require power, and stop the fluid as a rapid expansion structure generally used. .
유체가 정지하면, 하부기판(400)의 감지 전극(402) 표면에 미리 생물학적 처리를 통해 고정화된 생물학적 물질과 정지된 유체 속의 물질은 일정 시간 동안 선택적으로 생화학적 반응이 일어나게 된다. 감지 전극(402) 표면에 고정된 생물학적 물질은 단백질 및 효소 등이 될 수 있고, DNA 프로브(probe) 가 표면에 고정될 수 있다.When the fluid stops, the biological material immobilized in advance on the surface of the sensing electrode 402 of the lower substrate 400 and the material in the stationary fluid selectively undergo a biochemical reaction for a predetermined time. The biological material immobilized on the sensing electrode 402 may be a protein, an enzyme, or the like, and a DNA probe may be immobilized on the surface.
반응이 종료되면, 유체 속의 비특이적 반응물질을 감지 전극(402)으로부터 제거하여 선택성을 높이기 위해 세척을 하게 된다. 세척은 발열체 패드(408)에 전압을 가하여 열공압 예비부(320)와 세척용액 저장부(316)의 온도의 상승에 기인한압력 증가로 이루어진다. 이때 유체 주입구(302)는 닫힌 상태 이어야 하며, 온도 센서(410) 및 센서 패드(412)를 이용해 온도 제어를 할 수 있다. 발열체(406)를 이용해 공기를 가열하면 세척용액 저장부(316)의 세척용액은 유로(314)를 따라 이동하여 유체 감지부(306)를 세척하고 시료 유체와 함께 폐기유체 저장부(322)에 저장된다. 제1 공기구멍(310)은 시료 유체가 유체 주입구(302)로부터 모세관 현상에 의해 유체 감지부(306)로 유입될 수 있게 하는 역할을 하는데, 구조적으로 유로(314)의 폭보다 1/5~1/10 정도로 좁은 입구와 급격한 확장구조를 갖기 때문에 공기는 통과하지만 표면장력이 큰 유체는 통과하지 못하게 하여 유체의 누수가 방지된다. 제2 공기구멍(324)은 세척 후 유체가 폐기 유체 저장부(322)로 유입될 수 있도록 한다.At the end of the reaction, non-specific reactants in the fluid are removed from the sensing electrode 402 and washed to increase selectivity. The cleaning is performed by applying a voltage to the heating element pad 408 and increasing the pressure due to an increase in the temperature of the thermopneumatic preliminary part 320 and the washing solution storage part 316. In this case, the fluid inlet 302 should be in a closed state, and temperature control can be performed using the temperature sensor 410 and the sensor pad 412. When the air is heated using the heating element 406, the washing solution of the washing solution storage unit 316 moves along the flow path 314 to clean the fluid detecting unit 306 and to the waste fluid storage unit 322 together with the sample fluid. Stored. The first air hole 310 serves to allow the sample fluid to flow into the fluid detecting unit 306 by the capillary phenomenon from the fluid inlet 302, structurally 1/5 to the width of the flow path 314 Since it has an inlet and a rapid expansion structure as small as 1/10, it prevents the fluid from leaking by passing through the air but preventing the fluid having a large surface tension. The second air hole 324 allows the fluid to flow into the waste fluid reservoir 322 after washing.
이렇게 미소 유체 이송 장치를 동작하기 전에, 미리 세척용액 저장부(316)에 세척 용액을 충진해야 하므로 세척용액 주입구(318)를 통해서 세척용액을 충진한 후, 밀봉할 필요가 있다. 세척용액 충진시 세척용액 저장부(316)에 충진된 세척용액이 모세관 현상에 의해 유로(314)을 따라 유체 감지부(306)에 도달하여 시료 유체와 혼합될 우려가 있으므로 유로(314) 말단 부에 제3 정지밸브(312)가 배치된다.Thus, before operating the microfluidic transfer device, the washing solution storage part 316 needs to be filled with the washing solution in advance, so that the washing solution is filled through the washing solution inlet 318 and then sealed. When the washing solution is filled, the washing solution filled in the washing solution reservoir 316 may reach the fluid sensing unit 306 along the flow path 314 by capillary action and may be mixed with the sample fluid. The third stop valve 312 is disposed.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 동작에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the microfluidic transfer device according to another embodiment of the present invention will be described.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 상부 기판의 평면도로서, 유체 주입구(502), 제2 정지밸브(504), 유체 감지부(506), 제1 정지밸브(508), 공기구멍(510), 유로(514), 세척용액 저장부(516), 세척용액주입구(518), 열공압 예비부(520) 및 폐기유체 저장부(522)로 이루어진다.5 is a plan view of an upper substrate of a microfluidic transfer device according to another embodiment of the present invention, and includes a fluid inlet 502, a second stop valve 504, a fluid detector 506, and a first stop valve 508. , An air hole 510, a flow path 514, a washing solution storage unit 516, a washing solution inlet 518, a thermopneumatic preliminary unit 520, and a waste fluid storage unit 522.
도 5를 참조하면, 시료가 유체 주입구(502)를 통해 유입되면 유체 감지부(506)을 흐르게 된다. 이때 유체이동의 구동력은 도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이 자연발생적인 모세관 현상에 의한 것이므로 외부로부터의 동력을 필요로 하지 않는다. 유체가 수초 정도의 시간에 유체 감지부(506)를 완전히 채우게 되면 제2 정지밸브(504)에서 정지한다. 제2 정지밸브(504)는 물론 제1 정지밸브(508)는 수동 밸브(passive valve)이므로 동력을 필요로 하지 않으며, 일반적으로 사용하는 급격한 확장 구조로서 유체를 정지시킨다. 유체가 정지한 후, 도 3에 도시한 하부 기판(400)의 감지 전극(402) 표면에 미리 생물학적 처리를 통해 고정화된 생물학적 물질과 정지된 유체 속의 물질과 일정 시간 동안 선택적으로 생화학적 반응이 일어나게 된다.Referring to FIG. 5, when the sample is introduced through the fluid inlet 502, the fluid flows through the fluid detector 506. At this time, the driving force of the fluid movement is due to a naturally occurring capillary phenomenon as described in the embodiment of FIG. 4 and thus does not require power from the outside. When the fluid completely fills the fluid detector 506 in a few seconds, the second stop valve 504 stops. Since the first stop valve 508 as well as the second stop valve 504 are passive valves, they do not require power, and the fluid is stopped as a rapidly expanding structure generally used. After the fluid stops, selectively biochemical reactions occur for a predetermined time with the biological material immobilized through the biological treatment on the surface of the sensing electrode 402 of the lower substrate 400 shown in FIG. do.
반응이 종료하면 세척은 도 4에서 상술한 바와 동일하게 하부 기판의 발열체(406)에 전압을 가하여 열공압 예비부(520)와 세척용액 저장부(516)의 온도의 상승에 기인한 압력 증가로 이루어진다. 세척용액 저장부(516)의 세척 용액은 유로(514)를 따라 이동하여 유체 감지부(506)를 세척하고 시료 유체와 함께 폐기유체 저장부(522)에 저장된다. 공기구멍(510)은 시료 유체가 유체 주입구(502)로부터 모세관 현상에 의해 유체 감지부(506)로 유입되게 하고 세척 후 유체가 폐기유체 저장부(522)로 유입될 수 있도록 하는 역할을 동시에 한다. 본 실시예에서 제시한 미소 유체 이송 장치를 동작하기 전에, 미리 세척용액 저장부(516)에 세척용액을 충진해야 하므로 세척용액 주입구(518)를 통해서 세척용액을 충진한 후, 밀봉한다.세척용액 충진시 세척용액 저장부(516)에 충진된 세척용액이 모세관 현상에 의해 유로(514)을 따라 유체 감지부(506)에 도달하여 시료 유체와 혼합될 우려가 있으므로 유로(514) 중간 부분에 제1 정지 밸브(508)를 배치한다.When the reaction is complete, the cleaning is performed by applying a voltage to the heating element 406 of the lower substrate in the same manner as described above with reference to FIG. 4 to increase the pressure due to the increase in the temperature of the thermopneumatic preliminary part 520 and the washing solution storage part 516. Is done. The washing solution of the washing solution storage unit 516 moves along the flow path 514 to clean the fluid detecting unit 506 and is stored in the waste fluid storage unit 522 along with the sample fluid. The air hole 510 simultaneously serves to allow the sample fluid to flow into the fluid detector 506 by capillary action from the fluid inlet 502 and to allow the fluid to flow into the waste fluid reservoir 522 after washing. . Before operating the microfluidic conveying apparatus presented in this embodiment, since the cleaning solution must be filled in the cleaning solution storage unit 516 in advance, the cleaning solution is filled through the cleaning solution inlet 518 and then sealed. When filling, the washing solution filled in the washing solution storage unit 516 may reach the fluid sensing unit 506 along the flow path 514 by capillary action and may be mixed with the sample fluid. 1 Place the stop valve 508.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 미소 유체 이송 장치의 동작을 설명하기 위한 단면도로서, 도 3에 도시된 상부 기판(300)과 하부기판(400)이 결합된 상태의 AA'방향으로의 단면을 보여준다.FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the operation of the microfluidic transfer device according to the preferred embodiment of the present invention, in which the upper substrate 300 and the lower substrate 400 shown in FIG. Show the cross section.
도 6을 참조하면, 상부 기판(300)과 하부 기판(400)을 결합한 후 세척용액을 세척용액 주입구(318)로부터 세척용액 저장부(316)에 충진하고, 배선된 발열체(406)를 작동하면 유체(600)가 이동하는 것을 볼 수 있다. 유체의 이동은 상술한 바와 같이 열공압 예비부(320)의 공기 팽창과 더불어 유체와 공기사이의 계면에서 미세한 증발(610)로 인해 압력이 증가하기 때문이다. 바람직하게는, 열공압 예비부를 확장하기 위해 하부 기판에 부가적인 유로나 공간을 배치하여 열공압에 의한 유체 이송 능력을 증대시킬 수 있다.Referring to FIG. 6, after combining the upper substrate 300 and the lower substrate 400, the washing solution is filled from the washing solution inlet 318 to the washing solution storage unit 316, and the wired heating element 406 is operated. It can be seen that the fluid 600 moves. The movement of the fluid is because the pressure increases due to the minute evaporation 610 at the interface between the fluid and the air together with the air expansion of the thermopneumatic preliminary portion 320 as described above. Preferably, an additional flow path or space may be disposed on the lower substrate to expand the thermopneumatic preliminary portion, thereby increasing the fluid transfer capability by the thermopneumatic pressure.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 미소 유체 이송 장치는, 열공압 펌핑 방식을 이용하므로 격막 구조를 포함하지 않아 구조가 간단하고 제조가 용이하며 높은 유체 이송 능력을 갖는 효과가 있다. 따라서 본 발명에 의한 미소 유체 이송 장치는 단백질, DNA 분석 및 생화학적 미세반응 등의 기능을 갖는 복합, 다기능성의 바이오칩의 유체제어 시스템에 광범위하게 응용될 수 있다.As described above, the microfluidic conveying apparatus according to the present invention does not include a diaphragm structure because it uses a thermopneumatic pumping method, so that the structure is simple, easy to manufacture, and has a high fluid conveying ability. Therefore, the microfluidic transfer device according to the present invention can be widely applied to a fluid control system of a complex, multifunctional biochip having functions such as protein, DNA analysis and biochemical microreaction.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation by a person of ordinary skill in the art within the scope of the technical idea of this invention is carried out. This is possible.
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