KR100489264B1 - 형광검출장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광검출장치에 관한 것으로, 종래의 형광검출장치의 저비용과 초소형 달성에 대한 문제점을 해결하기 위하여, 시료검출부를 구비하는 마이크로칩부와 상기 시료검출부의 일측면에 위치하며 상기 시료검출부의 시료에서 발생한 형광중 일부만 통과 시키는 핀 홀칩부와, 상기 핀홀칩부를 통과한 형광을 집광하며 상기 핀홀칩부의 타측면에 위치하는 렌즈부를 구비하는 일체로 형성되는 집광부를 구비하는 형광검출장치와 그 집광부의 제조방법을 제공하는 것이다.

Description

형광검출장치 및 그 제조방법 {APPARATUS FOR DETECTING FLUORESCENT LIGHT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 형광검출장치에 관한 것으로, 특히 시료검출부를 구비하는 마이크로칩부와 상기 시료검출부의 일측면에 위치하며 상기 시료검출부의 시료에서 발생한 형광 중 일부만 통과 시키는 핀 홀칩부와, 상기 핀홀칩부를 통과한 형광을 집광하며 상기 핀홀칩부의 타측면에 위치하는 렌즈부를 구비하는 일체로 형성되는 집광부를 구비하는 형광검출장치에 관한 것이다.

마이크로칩은 수㎠ 크기의 플라스틱 또는 유리에 미세유로를 형성한 후 다양한 방법을 통해 시료를 주입, 이동시켜 분리, 분석하는 칩을 말한다. 상기 마이크로 칩을 통해 분리, 분석된 물질은 자외선-가시광선 분광 광도법, 레이저 유발 형광검출(laser-induced fluorescence)법을 통해 검출이 되고 있다.

레이저 유발형광은 형광의 여기(exitation)광원으로 레이저를 사용하는 방법인데, 감도와 선택성이 높기 때문에 복잡한 생체 혼합물 내에 극미량으로 존재하는 생화합물을 분석하는 데에 매우 유용하다. 이런 방법에서 검출할 수 있는 형광분자의 수(검출한계)는 10³개에서 10⁶개 정도이다.

기존의 레이저 유발 형광검출법을 위한 검출 시스템은 도면 1과 같다.

도면 1의 동작 설명은 다음과 같다. 형광물질을 화학반응으로 결합시킨 시료를 시료저장부(미도시)에 주입한 후 전기영동법을 이용하여 시료를 마이크로 칩 검출부(3)까지 이송시킨다. 레이저광선부(1)에서 발생한 빛이 마이크로 칩(2)의 검출부(3)에 조사되면 형광물질과 결합한 시료는 수 ㎱ 동안 형광을 발생하게 되고 사방으로 발생된 형광은 핀홀(4)을 통하여 일부만 통과된다. 상기 핀홀을 통과한 형광은 대물렌즈(5)로 들어가서 집광 되고, 그 후 집광된 빛은 광필터(6)에서 형광이외의 빛은 걸러 내어진 후, 광증폭기(7)를 통해 증폭된다. 이 후 증폭된 형광은 전기적인 신호로 변환되어 컴퓨터(8)에서 전압의 신호로 표시되어 진다.

상기 레이저 유발 형광검출 시스템은 감도가 좋은 장점이 있으나 시스템 구성 요소들의 비용이 높다는 단점이 있을 뿐 아니라, 모세관 전기영동 마이크로 칩 시스템의 소형화에도 많은 제약을 가져온다. 도 1에서 보면 도시된 바와 같이 형광검출장치의 핀홀(4)이나 대물렌즈(5)이외에 이들을 고정하기 위한 별도의 부품이 요구되어 형광검출장비의 제조비용이 증가할 뿐 아니라, 형광검출장치의 부피가 현저하게 커지는 문제점을 갖는다.

이와 같은 문제점 때문에 마이크로 칩 내에 광학시스템을 집적하려는 시도는 많이 이루어지고 있고 또 연구되고 있는 분야이기도 하다.

다양한 시료의 동시분석을 위해서 도면 2와 같은 마이크로 칩이 연구되고 있으나 상기 마이크로 칩에서 레이저 유발 형광분석법을 통해 시료를 분석하려면 시스템의 설계가 복잡해질 뿐 아니라 광학계 설치에 따른 비용은 높아진다. 다시 말해 96개의 채널이 정렬된 도면 2의 마이크로 칩은 시스템의 소형화에 어려움이 있을 뿐 아니라 96개의 시료를 동시 검출하기 위한 광학계 설치에 따른 비용이 고가가 되는 문제점을 구비한다.

이런 문제점으로 인해 상기 마이크로 칩에서의 시료검출방법은 채널을 돌려가며 채널 하나씩 레이저 유발 형광검출법을 적용하거나 전기화학적 분석법을 사용하고 있다. 그러나 전기화학적 분석법은 감도가 레이저 유발 형광검출법에 비해 떨어지고 전기활성 시료에만 적용이 가능하여 다양한 시료의 적용에 한계가 있다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 발명된 것으로써, 본 발명의 목적은 상기한 레이저 유발 형광검출법 수행시 발생하는 고비용 대형화의 문제점을 해결하고 동시에 다양한 시료를 동시분석 할 수 있는 마이크로 칩에서 레이저 유발 형광검출법을 효율적으로 수행하는 형광검출장치와 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상세히 말하면, 본 발명의 목적은 반도체 공정 및 소수성 표명의 소수성 세기 차이를 이용해 광학계(pin hole, lens)를 제작함으로써 마이크로 칩과의 동시제작을 가능하게 하고 광학계를 별도로 정렬, 고정시키기 위하여 다른 장치를 사용하지 않게 하여 종래의 형광검출장치의 단점인 고비용 문제를 해소하고, 수㎠ 크기의 마이크로 칩에 광학계를 집적하여 분리분석용 마이크로 칩 검출시스템의 초소형화를 이루는 형광검출장치와 그것의 집광부의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 레이저빔을 발생시키는 레이저 광선부와; 상기 레이저빔을 수용하는 시료검출부를 구비하는 마이크로칩부와, 상기 마이크로칩부의 상면에 위치하며 상기 시료검출부의 시료에서 발생한 형광 중 일부만 통과 시키는 핀홀칩부와, 상기 핀홀칩부를 통과한 형광을 집광하는 렌즈부를 구비하는 집광부와; 상기 렌즈부를 통과한 빛을 파장에 따라 선택하여 통과시키는 광학필터부와; 상기 광학필터부를 통과한 빛을 증폭시키고 이를 전기신호로 변화시키는 광증폭기와; 상기 광증폭기에서 발생한 전기신호를 수신하여 이를 분석하여 결과를 출력하는 컴퓨터를 포함하는 형광검출장치에서 상기 집광부는 상기 마이크로칩부가 상기 핀홀칩부의 일측에 접착하고; 상기 렌즈는 핀홀칩의 타측에 돌출되어 위치하여 일체로 형성되는 형광검출장치이다. 더 바람직하게는 상기 집광부와 광학필터를 일체로 지지하는 광학필터홀더를 구비한다.

또한 본 발명은 마이크로칩부와 핀홀칩부와 렌즈부가 일체로 이루어진 집광부를 구비하는 형광검출장치의 제조방법에 있어서, 상면에 장홈형상의 시료검출부를 구비한 마이크로칩을, 포토레지스트법을 이용하여 형성하는 제1단계와; 상기 마이크로칩의 상부면과, 시료검출부의 시료에서 발생하는 형광 중 일부를 통과시키는 광투과부를 구비하는 핀홀칩부의 하면을 접착시키는 제2단계와; 상기 핀홀칩부에 형성된 광투과부의 상부의 주위에 무반사 코팅을 하는 제3단계와; 상기 무반사 코팅을 한 부분에 PDMS를 주입하여 핀홀칩부의 광투과부 상측으로 돌출되도록 위치하는 렌즈를 형성하는 제4단계;를 포함하는 형광검출장치의 집광부 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 형광검출장치의 구성도이다.

형광물질을 화학반응으로 결합시킨 시료를 전기영동법에 의하여 마이크로칩(12)의 시료검출부(13)로 이송시킨후, 상기 시료에 레이저부(11)에서 발생되는 레이저 빔을 조사한다. 시료에 레이저빔이 조사되면 시료는 수 ㎱동안 형광을 발생하게 되고, 이 형광중 일부만 핀홀칩부(19)의 광투과부(14)를 통하여 대물렌즈(15)로 들어가서 집광된다. 상기 마이크로칩(12)은 핀홀칩부(19)의 일측에 접착되고, 대물렌즈(15)는 핀홀칩부(19)의 타측에 돌출형상으로 접착되어 일체로 형성된 집광부(20)를 형성한다.

대물렌즈(15)에서 집광된 형광은 대물렌즈(15)의 전면부에 위치한 광학필터(16)를 거쳐 형광이외의 빛을 여과 시킨 후 광증폭기(17)를 통해 증폭되며, 전기신호로 변환된다.

상기 전기신호는 컴퓨터(18)로 전송되며, 상기 신호를 수신한 컴퓨터(18)는 이를 분석한 후 이에 대한 결과를 출력한다.

바람직하게는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 집광부(20)와 광학필터(16)를 일체로 지지하는 광학필터홀더(21)를 더 포함한다. 상기 광학필터홀더(21)는 형광검출장치의 초소형화에 많은 도움을 준다.

이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예의 마이크로칩제조방법에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 마이크로칩 제조방법의 순서도이다. 도 5 에 도시된 바와 같이, 원하는 분리분석용 미세유로 패턴을 포토마스크로 제작(미도시)한 후, 실리콘 웨이퍼에 네가티브 포토레지스트인 SU-8(31)을 스핀코팅한 후 소프트 베이킹한다. 그 후 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼(32)의 상면에 상기 포토마스크(33)를 정렬하고, 자외선에 일정시간 노출한다. 그 후 현상액으로 기판의 포토레지스트를 현상하면 플라스틱 마이크로칩용 양각주형틀(37)이 완성된다. 상기 양각주형틀(37)에 PDMS(Polydimethylsiloxane)(39)를 주입하고, 진공을 걸어 PDMS(39) 주입시 발생한 기포를 모두 제거한 후 70℃오븐에서 2시간 정도 두어 고형화시킨다.(42) 그 후 주형틀(37)과 고형화된 PDMS(39)를 이형시킨 후 상기 고형화된 PDMS(39)룰 PDMS플레이트(47)와 접착시키면 미세유로가 제작된 마이크로칩을 얻을 수 있다.참고로, 상기 PDMS는 탄성이 뛰어난 실리콘 계열의 고분자 물질로서, 투명하고, 다양한 액체와 증기에 대한 침투성이 있으며, 비활성이라는 특징을 가지는 것이다. 이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예의 핀홀칩 제조방법에 대하여 설명한다.

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도 6은 본 발명에 따른 핀홀칩 제조방법의 순서도이다. 도시한 바와 같이 처음에 실리콘 웨이퍼(52)에 네가티브 포토레지스트인 SU-8(51)을 스핀 코팅하여 소프트 베이킹한 후(50), 도 6a에 도시한 것과 같은 원하는 형상의 포토마스크(56)와 포토레지스트가 코팅된 실리콘 웨이퍼(52)를 정렬하고 자외선(55)에 일정시간 노출한다. 그 후 현상액으로 기판의 포토레지스트를 현상하면 양각주형틀(60)이 완성된다. 상기 주형틀(60)에 PDMS(64)를 주입하고, 진공을 걸어 PDMS(64) 주입시 발생한 기포를 모두 뽑아낸 후 70℃ 오븐에서 2시간 정도 두어 고형화(62)시킨 후 고형화된 PDMS(64)를 이형시킨다. 그 후 도시한 바와 같이 상기 마이크로칩부(12)의 상면부와 고형화된 PDMS(64)의 하측면부를 코로나 방전으로 표면을 5분정도 처리한 다음 접착하고, 검은색 잉크를 실린지 펌프를 이용하여 상기 PDMS(64)의 음각부분에 주입한다.

이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예의 무반사코팅방법에 대하여 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 무반사코팅방법의 순서도이다. 최초에 핀홀칩 하단부에 원하는 형상의 천공판(82)을 정열한다. 도시된 바와 같이 천공판은 핀홀칩부의 광투과부 상면과 그 주위부를 천공시킨 형상이다. 상기 천공판은 SiO₂(86)가 불필요한 부분에 코팅되는 것을 막기 위해 정열하는 것으로 SiO₂(86)가 코팅되는 부분에 홀을 뚫은 것이다. 상기 천공판을 정열한 후 PECVD(Plasma Enhanced Chamical Vapor Deposition)법으로 SiO₂(86)를 증착하고 그 후 천공판을 떼어내면 SiO₂(86)의 무반사 코팅은 완료된다.

상기 PECVD법은 화학기포를 진공상태의 챔버에 주입하고, 전장을 형성하여 플라즈마를 유도하는 장치로 실행되는데 전장에 의해 높은 에너지를 얻은 전자가 중성상태의 가스분자와 충돌하여 가스분자를 분해하고, 이 분해된 가스원자가 기판에 부착되는 반응을 이용하여 박막을 증착하는 공정이다.

이하에서는 본 발명에 따른 일 실시예의 렌즈제조방법에 대하여 설명한다.

도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 렌즈제조방법의 순서도이다. 처음단계로 실린지(93)에 재료를 주입한다. 상기 재료는 칩의 재료와 동일한 재료인 PDMS(91)를 사용하여 매질의 상이에 따른 굴절을 최소화한다. 상기 PDMS(91)는 광학적 성질이 우수하여 렌즈로서 사용이 가능하다.

그 후, 실린지(93)에 주입된 PDMS(91)를 니들(95)을 통하여 무반사코팅부(92)에 주입한다. 주입된 PDMS(91)는 상기 핀홀칩부(19)의 표면과 무반사코팅부(92)의 소수성의 차이로 인하여 무반사코팅부(92)이외의 부분으로 번지지 않고 무반사코팅부(92)를 중심으로 일정한 곡률을 가진 반 타원 형상을 형성한다. 그 후 70℃ 오븐에서 2시간 정도 두면 고형화되고 렌즈는 완성된다.

본 발명은 반도체 공정 및 표면의 소수성 세기 차이를 이용해 광학계(핀홀, 렌즈)를 제작함으로써 마이크로 칩 제작시 동시제작이 가능하고 광학계와 마이크로칩을 일체로 형성하여 별도로 광학계를 정렬, 고정하기 위한 다른 장치를 사용하지 않도록 하여 레이저 유발 형광검출법의 단점인 고비용 문제를 해소할 수 있다.

그리고, 수㎠ 크기의 마이크로 칩에 광학계를 집적하기 때문에 분리분석용 마이크로 칩 검출시스템의 초소형화를 이룩할 수 있고, 또한 레이저 유발 형광검출법을 적용하기에 어려움이 있는 다시료 동시 분석용 마이크로 칩에도 응용이 가능하여 상기 시스템의 분석감도 향상 및 기존의 전기화학적 검출방법의 적용으로 다양한 시료가 적용가능한 장점을 구비한다. 또한 본 발명은 모세관 전기영동 마이크로 칩에만 응용할 수 있는 것은 아니고 레이저 유발 형광검출법을 사용하는 마이크로 칩에 모두 응용이 가능할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 광학부는 미세유로가 형성된 마이크로 칩에 접착되지 않고 따로 제작되어 광투과부와 렌즈가 요구되는 검출법, 특히 자외선 흡광검출법에도 응용이 가능하다.

도 1은 종래 형광검출장치의 구성도이다.

도 2는 종래의 다수개 시료 동시 검출용 마이크로칩 채널패턴의 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 일실시예의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 광학필터홀더를 구비한 형광검출장치의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 마이크로칩 제조방법의 순서도이다.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 핀홀칩부 제조방법의 순서도이다.

도 6a는 본 발명에 따른 일 실시예의 핀홀칩부 제조용 포토마스크의 평면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 일 실시예의 무반사코팅방법의 순서도이다.

도 8은 본 발명에 따른 일 실시예의 렌즈제조방법의 순서도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 레이저 광선부 2 : 마이크로칩부

3 : 시료검출부 4 : 핀홀

5 : 대물렌즈 6 : 필터

31 : SU-8 32 : 실리콘 웨이퍼

34 : 노광단계 39 : PDMS

47 : PDMS 플레이트 56 : 포토마스크

60 : 양각주형틀 92 : 무반사 코팅부

93 : 실린지 95 : 니들

Claims (9)

1. 레이저빔을 발생시키는 레이저 광선부와; 상기 레이저빔을 수용하는 시료검출부를 구비하는 마이크로칩부와, 상기 시료검출부의 시료에서 발생한 형광 중 일부만 통과 시키는 핀홀칩부와, 상기 핀홀칩부를 통과한 형광을 집광하는 렌즈부를 구비하는 집광부와; 상기 렌즈부를 통과한 빛을 파장에 따라 선택하여 통과시키는 광학필터부와; 상기 광학필터부를 통과한 빛을 증폭시키는 광증폭기를 포함하는 형광 검출장치에 있어서,

   상기 집광부는 상기 마이크로칩이 상기 핀홀칩부의 일측에 접착되고 상기 렌즈는 핀홀칩의 타측에 돌출되어 위치하여 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 형광검출장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 집광부와 광학필터부를 일체로 지지하기 위한 광학필터홀더를 더 포함하는 형광 검출장치.
3. 마이크로칩부와 핀홀칩부와 렌즈부가 일체로 이루어진 집광부를 구비하는 형광검출장치의 제조방법에 있어서,

   상면에 장홈형상의 시료검출부를 구비한 마이크로칩을, 포토레지스트법을 이용하여 형성하는 제1단계와;

   상기 마이크로칩의 상부면과, 시료검출부의 시료에서 발생하는 형광 중 일부를 통과시키는 광투과부를 구비하는 핀홀칩부의 하면을 일체로 접착시키는 제2단계와;

   상기 핀홀칩부에 형성된 광투과부의 상부의 주위에 무반사 코팅을 하는 제3단계와;

   상기 무반사 코팅을 한 부분에 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 주입하여 핀홀칩부의 광투과부 상측으로 돌출되도록 위치하는 렌즈를 형성하는 제4단계;

   를 포함하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 단계는 웨이퍼에 네가티브 포토레지스트를 코팅하여 소프트 베이킹하는 단계와, 상기 네가티브포토레지스트가 코팅된 웨이퍼 상부에 포토마스크를 배열하고 자외선에 일정시간 노출시키는 단계와, 그 후 현상액으로 기판의 포토레지스트를 현상하여 양각틀을 완성하는 단계와, 상기 양각틀에 PDMS를 주입하고 고형화 시킨 후, 고형화된 PDMS를 이형하여 마이크로칩부를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 2 단계는 웨이퍼에 네가티브포토레지스트를 스핀코팅하여 소프트베이킹하는 단계와, 상기 웨이퍼의 상면에 상기 광투과부 형상의 포토마스크를 정열하는 단계와, 그 후 자외선에 노출하고 현상액으로 포토레지스트를 현상하여 양각주형틀을 제조하는 단계와, 상기 양각주형틀에 PDMS를 주입하고 고형화 후, 고형화한 PDMS를 이형하여 음각틀을 제조하는 단계와, 상기 음각틀과 상기 마이크로칩을 접착한 후 상기 음각틀의 음각부위에 검은색 잉크를 투입하는 단계를 포함하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는 천공판을 핀홀칩부의 상면에 부착하는 단계와;

   천공된 부분에 SiO₂를 얇게 증착한 후 천공판을 떼어내는 단계를 포함하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.
7. 삭제
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 무반사코팅부에 PDMS를 주입하는 단계는 실린지에 PDMS를 주입하는 단계와;

   니들을 통하여 무반사코팅부에 PDMS를 주입하는 단계를 포함하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.
9. 제 3 항에 있어서,

   상기 고형화는 70℃ 오븐에서 2시간동안 실행되는 것을 특징으로 하는 형광검출장치의 집광부 제조방법.