KR100586851B1 - 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩 - Google Patents

전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 랩온어칩(lab-on-a-chip)에 관한 것으로서, 특히 전면 발광을 하는 박막구조의 광원 또는 고휘도 발광 다이오드 배열 광원을 이용하여 랩온어칩의 소형화를 달성할 수 있는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명에 의한 랩온어칩은 높은 광량 및 전면 발광이 가능한 박막구조의 유기 발광 다이오드 또는 탄소나노튜브 램프나 박막구조는 아니지만 이와 동일한 기능을 갖는 있는 고휘도 발광 다이오드 배열 광원을 이용하고, 이러한 광원, 박막형태의 광학필터 및 형광 검출 센서가 적층구조로 형성된다. 따라서, 본 발명은 랩온어칩의 소형화를 달성하고 채널에서의 센서 위치와 광원의 입사 위치를 정렬시켜야 하는 불편함을 제거할 수 있다.

Description

전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩{LAB-ON-A-CHIP USING OVERALL LIGHT-EMIITING SOURCE}
도 1은 랩온어칩의 일반적인 마이크로 채널의 구조도.
도 2는 본 발명에 의한 랩온어칩의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 랩온어칩의 분리 단면도.
도 4는 전면 발광 광원으로 사용되는 박막구조의 광원(a) 및 발광 다이오드 배열 광원(b)의 평면도.
도 5는 본 발명에 의한 랩온어칩의 평면도.
도 6은 본 발명에 의한 랩온어칩의 분리 사시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 랩온어칩의 단면도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 랩온어칩의 분리 단면도.
도 9는 도 2의 랩온어칩이 복수 개 모여 이루어진 다중 구조의 랩온어칩의 단면도.
도 10은 도 2의 랩온어칩이 복수 개 모여 이루어진 다중 구조의 랩온어칩의 평면도.
도 11은 도 7의 랩온어칩이 복수 개 모여 이루어진 다중 구조의 랩온어칩의 단면도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호설명 **
1 : 마이크로 채널 2 : 생화학 물질 주입구
3 : 생화학 물질 배출구 4 : 형광 검출 위치
5 : 박막구조의 광원 6 : 고휘도 발광 다이오드
7 : 광원부의 주형틀 8 : 제 1광학필터
9 : 제 2광학필터 10 : 전극
11 : 실리콘 기판 12 : 형광 검출 센서
13 : 센서부의 주형틀 14 : 광원부
15 : 마이크로 채널부 16 : 형광 검출 센서부
17 : 랩온어칩
본 발명은 랩온어칩(lab-on-a-chip)에 관한 것으로서, 특히 전면 발광을 하는 박막구조의 광원 또는 고휘도 발광 다이오드 배열 광원을 이용하여 랩온어칩의 소형화를 달성할 수 있는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩에 관한 것이다.
랩온어칩은 오랜 시간과 많은 비용이 소요되는 생물학적 검사를 단시간과 저비용으로 수행할 수 있는 시스템이다. 이러한 랩온어칩을 다중 채널 시스템으로 구성하여 고속의 병렬처리를 수행할 수 있다. 생물학적 반응을 검출하기 위해 기계적 방법, 화학적 방법, 전기적 방법 등의 여러 방법들이 사용되고 있으나, 광원을 사 용하여 생화학 물질(형광 방출 물질)에서 방출되는 형광량을 검출하는 형광 검출법이 가장 널리 사용되고 있다. 형광 검출법은 높은 신뢰성을 가지면서 고속 및 고감도 검사가 가능하다는 장점이 있다.
형광 검출을 이용하는 랩온어칩은 크게 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원, 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 광학 필터, 생화학 물질이 이동하는 마이크로 채널, 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 광학 필터, 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서로 구성되어 있다.
이러한 구조로 갖는 종래의 랩온어칩은 전기 영동법으로 생화학 물질을 이동시킴으로써 생화학 물질 이동 시스템의 집적화를 달성할 수 있으나, 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원으로 레이저와 같은 큰 부피의 광원을 사용하기 때문에 랩온어칩의 소형화가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 상기 레이저는 전면 발광이 이루어지지 않기 때문에 도 1에 도시된 랩온어칩의 일반적인 마이크로 채널(1)에서, 형광검출위치(4)와 여기광의 입사위치를 정렬시켜야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 휴대가 가능한 소형의 랩온어칩을 구현하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 형광검출위치와 여기광 입사위치를 정렬시킬 필요가 없는 랩온어칩을 구현하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 의한 랩온어칩은 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원을 포함하는 광원부와, 상기 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널 및 이 마이크로 채널의 상부 표면에 증착되어 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 제 1광학필터를 포함하는 마이크로 채널부와, 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서 및 이 형광 검출 센서의 상부 표면에 증착되어 상기 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 제 2광학필터를 포함하는 형광 검출 센서부가 적층구조로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 랩온어칩은 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원을 포함하는 광원부와, 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 제 1광학필터와, 상기 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널과, 상기 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 제 2광학필터와, 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서가 적층구조로 구성되고, 상기 광원부, 상기 제 1광학필터, 상기 마이크로 채널, 상기 제 2광학필터 및 상기 형광 검출 센서는 각각 분리 가능하여 외부에서 교체 삽입이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 랩온어칩이 복수 개가 모여 다중 구조의 랩온어칩을 구성할 때 랩온어칩을 위한 광원으로서 하나의 전면 발광하는 광원을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2, 도 3, 도 5 및 도 6은 차례대로 본 발명에 의한 랩온어칩 구조의 단면도, 분리 단면도, 평면도 및 분리 사시도를 나타낸다.
도 2, 도 3, 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 랩온어칩은 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원(5) 및 광원(5)을 지지하는 주형틀(7)을 포함하는 광원부(14)와, 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널(1) 및 이 마이크로 채널(1)의 상부 표면에 증착되어 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 제 1광학필터(8)를 포함하는 마이크로 채널부(15)와, 주형틀(13), 이 주형틀(13)에 의해 지지되는 실리콘 기판(11), 실리콘 기판(11) 내에 포함되어 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서(12), 실리콘 기판(11)의 상부 표면 및 형광 검출 센서(12)의 상부 표면에 증착되어 상기 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 제 2광학필터(9)를 포함하는 형광 검출 센서부(16)가 적층구조로 구성되어 있다.
본 발명에서는 전면 발광하는 광원(5)으로서 종래의 무기 발광 다이오드에 비하여 매우 높은 광량을 가지며 박막구조로 제작이 가능한 유기 발광 다이오드 또는 탄소나노튜브 램프를 사용한다. 이러한 박막구조의 전면 발광 광원은 랩온어칩의 소형화를 가능하게 하고 마이크로 채널에서의 형광 검출 위치와 여기광의 입사 위치를 정렬시켜야 하는 문제를 근본적으로 해결할 수 있다. 또한, 박막구조는 아니지만 고휘도의 발광 다이오드를 배열시킨 구조를 갖는 광원을 사용하여도 박막구조의 전면 발광 광원과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
도 4의 (a)는 박막구조의 전면 발광 광원(5)을 포함하는 광원부를 나타내고, (b)는 고휘도 발광 다이오드(6)가 배열되어 형성된 고휘도 발광 다이오드 배열 광원을 포함하는 광원부를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 도면을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 전면 발광하는 광원(5)으로서 박막구조의 광원을 사용하고 있다.
또한, 본 발명에서는 랩온어칩의 소형화를 극대화하기 위해 제 1광학필터(8) 및 제 2광학필터를 박막형태로 구성한다. 즉, 제 1광학필터(8)를 마이크로 채널(1)의 상부표면에 증착하여 광원(5)과 마이크로 채널(1)과의 간격을 줄임으로써 집적화를 증대시킨다. 마찬가지로, 제 2광학필터(9)를 형광 검출 센서(12)의 상부 표면에 증착하여 마이크로 채널(1)과 형광 검출 센서(12)와의 간격을 줄인다.
이와 같이, 광원(5)과 마이크로 채널(1)과의 간격 및 마이크로 채널(1)과 형광 검출 센서(12)와의 간격이 감소하면 랩온어칩의 크기가 작아지는 한편 랩온어칩의 감도를 향상시킬 수 있다. 즉, 광원(5)과 마이크로 채널(1)과의 간격이 줄어들면 광원(5)으로부터 보다 많은 광량이 마이크로 채널(1)에 제공되므로 마이크로 채널(1)을 이동하는 형광 방출 물질의 여기를 증가시켜 랩온어칩의 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 마이크로 채널(1)과 형광 검출 센서(12)와의 간격이 줄어들면 형광 검출 센서(12)가 보다 많은 광량을 흡수하기 때문에 역시 랩온어칩의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서는 마이크로 채널(1)의 하부 표면에 전극(10)을 증착하여 형광 검출 센서(12)의 전극(10) 및 주형틀(13)의 전극(10)을 연결하는 접촉전극으로 사용함으로써 랩온어칩과 외부회로를 용이하게 연결할 수 있다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 랩온어칩은 종래의 랩온어칩과 달리 광원부(14), 마이크로 채널부(15) 및 형광 검출 센서부(16)가 분리될 수 있다. 이와 같이 각 구성부분이 분리될 수 있는 구조는 검사물질 및 검사방법에 따 라 달라지는 적합한 광원(5)을 외부에서 제작하여 교체 삽입할 수 있는 이점이 있다. 또한, 생화학 물질에 의해 마이크로 채널(1)이 오염되어 재사용이 불가능하게 될 때 종래에는 전체 랩온어칩을 폐기해야 되지만, 본 발명에서는 마이크로 채널(1)을 외부에서 제작하여 교체 삽입할 수 있다. 따라서, 광원(5) 및 형광 검출 센서(12)를 재사용하면서 여러 종류의 검사를 단일 랩온어칩에서 실시할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의한 랩온어칩의 단면도 및 분리 단면도를 나타낸다.
도 7 및 도 8에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 의한 랩온어칩은 도 2의 랩온어칩 구조와 유사하게 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원(5)을 포함하는 광원부(14)와, 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 박막형태의 제 1광학필터(8)와, 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널(1)과, 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 박막형태의 제 2광학필터(9)와,방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서(12)가 적층구조로 구성되어 있으나, 광원부(14), 제 1광학필터(8), 마이크로 채널(1), 제 2광학필터(9) 및 형광 검출 센서(12)가 각각 분리 가능하여 외부에서 교체 삽입이 가능하도록 되어 있다.
즉, 제 1광학필터(8) 및 제 2광학필터(9)가 각각 마이크로 채널(1) 및 형광검출 센서(12)의 상부 표면에 증착되어 고정되어 있는 것이 아니라 박막형태로 분리가능하게 되어 있다. 따라서, 필요에 따라서 광학필터(8, 9)를 외부에서 제작하여 교체 및 삽입할 수 있어서 단일 랩온어칩의 활용성을 더욱 극대화할 수 있게 된다.
본 발명은 고속의 다중 검사를 실시하는 다중 구조의 랩온어칩의 집적화에도 적용될 수 있다.
도 9 및 도 10은 각각 도 2의 랩온어칩(17)을 두 개 연결하여 구성된 다중 구조의 랩온어칩의 단면도 및 평면도를 나타낸다. 도 9 및 도 10에서는 두 개의 랩온어칩(17)이 연결되어 있는 것을 도시하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 그 이상 복수 개의 랩온어칩이 모여 다중 구조의 랩온어칩을 형성할 수 있다.
종래에는 랩온어칩을 이용하여 다중 구조의 랩온어칩을 구성할 때 각 랩온어칩에 대하여 각각의 광원이 존재하였지만, 본 발명에서는 도 9 및 도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 단일의 광원을 사용하여 다중 구조의 랩온어칩을 구현할 수 있다. 다중 구조의 랩온어칩에서 각 랩온어칩에 대한 각각의 광원을 하나의 광원으로 통일함으로써 다중 구조의 랩온어칩의 집적화 및 소형화를 극대화할 수 있고 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
도 11은 도 7의 랩온어칩을 이용하여 제작된 다중 구조의 랩온어칩의 단면도를 나타낸다. 도 11에서 도시된 바와 같이, 도 11의 다중 구조의 랩온어칩 역시 도 9 및 도 10과 마찬가지로 단일의 광원이 각 랩온어칩에 공통되어 있다.
상기와 같이, 본 발명은 전면 발광하는 박막구조의 광원 또는 이와 동일한 기능을 하는 고휘도 발광 다이오드 배열 광원을 사용함으로써, 랩온어칩을 소형화할 수 있고 형광 검출 위치와 여기광의 입사위치를 정렬시켜야 하는 불편함을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한, 박막형태의 광학필터를 마이크로 채널 및 센서에 증착시켜 광원과 마이크로 채널과의 간격, 마이크로 채널과 센서와의 간격을 줄임으로써 랩온어칩의 감도를 증가시키는 효과가 있다.
또한, 마이크로 채널의 하부 표면에 접촉 전극을 증착하여 외부 회로와의 연결을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 랩온어칩의 구성부분이 분리되어 검사 대상물질 및 검사방법에 따라 구성부분의 교체 삽입이 가능하기 때문에 종래 일회용 랩온어칩의 한계를 벗어나 그 활용성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 단일의 광원으로 다중 채널 구조의 랩온어칩을 구현할 수 있어서 다중 채널 구조의 랩온어칩을 단순화하고 저비용으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원을 포함하는 광원부와,
    상기 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널 및 이 마이크로 채널의 상부 표면에 증착되어 여기광을 특정 파장대로 필터링하는 제 1광학필터를 포함하는 마이크로 채널부와,
    방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서 및 이 형광 검출 센서의 상부 표면에 증착되어 상기 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 제 2광학필터를 포함하는 형광 검출 센서부가 적층구조로 구성되고,
    상기 광원부, 상기 마이크로 채널부 및 상기 형광 검출 센서부는 각각 분리 가능하여 외부에서 교체 삽입이 가능한 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
  2. 삭제
  3. 생화학 물질을 여기시키기 위해 전면 발광하는 광원을 포함하는 광원부와,
    여기광을 특정 파장대로 필터링하는 박막형태의 제 1광학필터와,
    상기 생화학 물질이 주입되어 이동 및 혼합되는 마이크로 채널과,
    상기 생화학 물질의 방출 형광만을 투과시키는 박막형태의 제 2광학필터와,
    방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서가 적층구조로 구성되고,
    상기 광원부, 상기 제 1광학필터, 상기 마이크로 채널, 상기 제 2광학필터 및 상기 형광 검출 센서는 각각 분리 가능하여 외부에서 교체 삽입이 가능한 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 하부 표면에 접촉전극을 증착하여 외부회로와의 연결을 용이하게 한 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
  5. 제 1항의 랩온어칩이 복수 개 모여 이루어진 다중 구조의 랩온어칩에서 랩온어칩을 위한 광원으로서 하나의 전면 발광하는 광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 구조의 랩온어칩.
  6. 제 3항의 랩온어칩이 복수 개 모여 이루어진 다중 구조의 랩온어칩에서 랩온어칩을 위한 광원으로서 하나의 전면 발광하는 광원을 사용하는 것을 특징으로 하는 다중 구조의 랩온어칩.
  7. 제 1항, 제 3항, 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 전면 발광하는 광원은 박막구조의 유기 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
  8. 제 1항, 제 3항, 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 전면 발광하는 광원은 박막구조의 탄소나노튜브 램프인 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
  9. 제 1항, 제 3항, 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 전면 발광하는 광원은 고휘도 발광 다이오드 배열 광원인 것을 특징으로 하는 전면 발광 광원을 이용한 랩온어칩.
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