KR100608999B1 - 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치 - Google Patents
미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 원심력과 모세관 힘을 이용하여 미소 유체의 공급을 제어하는 방식에 있어서, 미세 유로에 작용하는 모세관 힘을 명확하게 규명하는 이론적 근거를 제시하여 미세 유로의 설계를 정확히 기할 수 있으며, 반응 후 미소 유체 공급 장치 내에 잔류하는 시료를 신속히 제거할 수 있는 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치에 관한 것으로서,
본 발명에 따른 미소 유체 공급유로 설계방법은 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖고 오픈 영역을 구비하는 미소 유체의 공급 유로를 설계함에 있어서, 상기 공급 유로에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)을 다음의 수학식에 의해 조정 가능하도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)
(여기서, w는 유로 앞부분의 폭, w0는 유로 뒷부분의 폭, h는 유로의 높이, σ는 표면 장력, β는 유로의 오픈 각도, θA는 미소 유체 앞부분의 유로와의 접촉각, θR는 미소 유체 뒷부분의 유로와의 접촉각, θI는 임계각으로 미소 유체 앞부분이 오픈 영역을 향해 구부러질 때의 각이며 그 값은 θA < θI < θA+β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.)
캔틸레버, 미소 유체, 밸브, 원심력, 모세관
Description
도 1은 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치 및 캔틸레버 센서를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 적용되는 캔틸레버 센서의 일 예를 나타낸 사시도.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 참고도.
도 6a 내지 도 6c는 유로에 작용하는 원심력에 의한 압력 및 모세관 힘에 압력을 설명하기 위한 참고도.
도 7a 내지 도 7d는 유로를 통과하는 미소 유체를 촬상한 사진.
도 8는 유로의 오픈 각도에 따른 모세관 힘에 의한 압력의 거동을 나타낸 그래프.
도 9는 미소 유체 통과속도에 대한 이론치와 측정치를 나타낸 그래프.
도 10은 유로의 폭과 오픈 각도에 따른 미소 유체 통과 속도에 대한 이론치와 측정치를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 개념도.
도 12는 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치의 개념도.
본 발명은 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원심력과 모세관 힘을 이용하여 미소 유체의 공급을 제어하는 방식에 있어서, 미세 유로에 작용하는 모세관 힘을 명확하게 규명하는 이론적 근거를 제시하여 미세 유로의 설계를 정확히 기할 수 있으며, 반응 후 미소 유체 공급 장치 내에 잔류하는 시료를 신속히 제거할 수 있는 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치에 관한 것이다.
액체 시료 예를 들어, 혈액 등에 포함되어 있는 단백질, DNA 등의 생체물질을 측정하는 바이오 칩이나 단백질 칩 등과 같은 생체물질 측정 장치는 크게 액체 시료 즉, 혈액과 같은 미소 유체를 공급하는 미소 유체 공급 장치와 상기 시료와 반응하여 상기 시료 내의 생체물질을 측정하는 캔틸레버 센서(cantilever sensor)와 같은 반응 센서로 구성된다.
상기 반응 센서로 시료를 공급하는 역할을 수행하는 미소 유체 공급 장치는 다양한 구동 원리로 구현될 수 있다. 예를 들어, 극소형으로 가공한 마이크로 펌프와 밸브를 유로(flow channel)로 챔버 상에 구현한 마이크로 액츄에이터형 구동방법(micro-actuating), 미세한 유로 사이에 전압을 인가하여 유체를 이동시키는 전기영동법(electro-phoretic method)이나 전기 삼투압법(electro-osmotic method) 및 모세관 힘에 의한 모세관 유동법(capillary flow method) 등으로 구현될 수 있다.
이들 중 모세관 유동을 이용한 미소 유체 공급 장치는 미세한 관의 내부 표면과 유체 사이의 표면 장력에 의해 자연적으로 발생하는 인력 또는 척력을 이용하여 유체의 정지, 이송 및 이동속도를 조절할 수 있다. 이러한 모세관 유동을 이용한 미소 유체 공급 장치는 구동 수단이 요구되지 않기 때문에 부가적│ 전원 공급이 필요 없을 뿐만 아니라 고장이 거의 없다는 장점이 있다.
모세관 유동을 이용한 미소 유체 공급 장치의 예로는 미국등록특허 제6,271,040호(Diagnostic devices method and apparatus for the controlled movement of reagents without membranes)와 미국등록특허 제6,113,855호(Devices comprising multiple capillary surfaces)가 제시되고 있다. 상기 미국등록특허 제6,271,040호는 모세관 유동만을 이용하여 시료를 이송하고 챔버 및 유로 상에서 시료가 반응을 일으키게 하여 광학적인 방법으로 시료의 반응 유무를 판단하는 진단용 바이오 칩 구조를 제시하고 있으며, 상기 미국등록특허 제6,113,855호는 챔버에 육각형의 마이크로 기둥을 적절히 배열하여 모세관 힘을 발생시키는 구조를 제안하고 있다.
또한, Analytical Chemistry, Vol. 76, No. 7 1832-1837 (2004)에서는 CD 형상의 기판 상에 미소 유체 공급 장치를 구현시켜, 상기 CD 형상의 기판을 회전시켜 원심력에 의해 미소 유체를 공급함과 동시에 모세관 힘에 의해 공급을 중단시키는 방법 즉, 미소 유체의 공급이 원심력과 모세관 힘에 의해 제어되는 방식을 택하고 있다. 그리고, 공급된 미소 유체는 형광 물질이 코팅되어 있는 반응 챔버를 거치게 되어 이후, 반응 결과를 형광으로 발현하여 그 이미지를 측정하는 방식을 제안하고 있다. 이와 같은 방법을 채용하여 Gyros社에서는 제품화하기도 하였다.
그러나, 상기의 원심력과 모세관 힘에 의해 미소 유체를 공급하는 방법에 있어서, 미소 유체 공급 장치의 구성 물질, 유체의 종류 등의 변수에 따라 모세관 힘이 예측 불가능하게 변화됨에 따라 미소 유체의 이송 속도를 정확히 예측하지 못하여 추가적인 보정(calibration)이 요구되는 등의 문제점이 있다. 또한, 반응 결과를 형광으로 발현하여 그 이미지를 측정하는 방식을 택함에 따라 별도의 복잡한 형광 측정 장치가 요구되고 시간이 지남에 따라 반응 챔버 내벽에 코팅되어 있는 형광 물질의 형광량이 감소하여 측정의 정확성을 담보함에 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 원심력과 모세관 힘을 이용하여 미소 유체의 공급을 제어하는 방식에 있어서, 미세 유로에 작용하는 모세관 힘을 명확하게 규명하는 이론적 근거를 제시하여 미세 유로의 설계를 정확히 기할 수 있으며, 반응 후 미소 유체 공급 장치 내에 잔류하는 시료를 신속히 제거할 수 있는 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미소 유체 공급유로 설계방법은 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖고 오픈 영역을 구비하는 미소 유체의 공급 유로를 설계함에 있어서, 상기 공급 유로에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)을 다음의 수학식에 의해 조정 가능하도록 설계하는 것을 특징으로 한다.
ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)
(여기서, w는 유로 앞부분의 폭, w0는 유로 뒷부분의 폭, h는 유로의 높이, σ는 표면 장력, β는 유로의 오픈 각도, θA는 미소 유체 앞부분의 유로와의 접촉각, θR는 미소 유체 뒷부분의 유로와의 접촉각, θI는 임계각으로 미소 유체 앞부분이 오픈 영역을 향해 구부러질 때의 각이며 그 값은 θA < θI < θA
+β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.)
본 발명에 따른 생체물질 측정 장치는 미소 유체 공급 장치와 캔틸레버 센서를 포함하여 구성되는 생체물질 측정 장치에 있어서, 액상 시료를 저장하는 시료 챔버와, 버퍼 용액을 저장하는 버퍼 챔버와, 캔틸레버 센서가 구비되는 공간을 정의하며 상기 시료와의 반응이 진행되는 반응 챔버와, 상기 시료 챔버의 일단에 구비되어 상기 시료 챔버 내의 시료의 반응 챔버로의 공급 여부를 결정하는 역할을 수행하는 시료 밸브와, 상기 버퍼 챔버의 일단에 구비되어 상기 버퍼 챔버 내의 버퍼 용액의 반응 챔버로의 공급 여부를 결정하는 역할을 수행하는 버퍼 밸브와, 상기 반응 챔버의 일단에 구비되어 버퍼 용액을 배출하는 역할을 수행하는 건조용 밸브를 포함하여 구성되는 미소 유체 공급 장치와, 상기 반응 챔버 내에 구비되는 캔틸레버 센서를 포함하여 이루어지고, 상기 미소 유체 공급 장치 내의 각각의 챔버는 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖는 유로에 의해 연결되며, 상기 시료 밸브, 버퍼 밸브 및 건조용 밸브는 각각 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖는 유로 및 유로의 오픈 영역으로 구성되며, 상기 각각의 밸브를 구성하는 유로에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)은 다음의 수학식에 의해 결정된다.
ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)
(여기서, w는 유로 앞부분의 폭, w0는 유로 뒷부분의 폭, h는 유로의 높이, σ는 표면 장력, β는 유로의 오픈 각도, θA는 미소 유체 앞부분의 유로와의 접촉각, θR는 미소 유체 뒷부분의 유로와의 접촉각, θI는 임계각으로 미소 유체 앞부분이 오픈 영역을 향해 구부러질 때의 각이며 그 값은 θA < θI < θA
+β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.)
바람직하게는, 상기 캔틸레버 센서는 복수개의 캔틸레버를 구비하며 상기 복수개의 캔틸레버 중 적어도 하나 이상은 캔틸레버의 상면, 하면 중 적어도 어느 한 면에 분자 인식층을 구비한다.
바람직하게는, 상기 분자 인식층은 단원자층을 포함한다.
바람직하게는, 상기 복수개의 캔틸레버는 압전막이 일체화된 캔틸레버 또는 압저항막이 일체화된 캔틸레버를 포함한다.
바람직하게는, 상기 건조용 밸브에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력은 버퍼 밸브에 작용하는 압력보다 크며, 상기 버퍼 밸브에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력은 상기 시료 밸브에 작용하는 압력보다 크다.
바람직하게는, 상기 미소 유체 공급 장치는 친수성(hydrophilic) 재질이나 소수성(hydrophobic) 재질 중 어느 한 재질로 구성된다.
바람직하게는, 상기 생체물질 측정 장치는, 상기 미소 유체 공급 장치와 캔틸레버 센서가 안착되는 공간을 제공하는 소정 형상의 기판을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 기판은 적어도 하나 이상의 플레이트로 구성된다.
바람직하게는, 상기 기판은 상부 플레이트와 하부 플레이트로 구성된다.
바람직하게는, 상기 미소 유체 공급 장치는 PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트, PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 물질로 구성된다.
바람직하게는, 상기 기판은 PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트, PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 물질로 구성된다.
바람직하게는, 상부 플레이트와 하부 플레이트는 각각 PDMS와 폴리 카보네이 트로 구성된다.
바람직하게는, 상기 하부 플레이트 상에는 박막의 프라이머층 및 PDMS층이 순차적으로 코팅되어 있다.
바람직하게는, 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트는 산소 플라즈마 처리를 통해 접합된다.
바람직하게는, 상기 생체물질 측정 장치의 일측에 정렬 마크가 형성된다.
바람직하게는, 상기 반응 챔버와 소정의 유로를 통해 연결되어 상기 반응 완료된 시료 및 버퍼 용액을 저장하는 폐기물 챔버 및 상기 폐기물 챔버와 반응 챔버 사이의 유로에 상기 반응 챔버 내의 시료량을 조절하는 역할을 수행하는 계량 밸브를 더 포함하여 구성된다.
본 발명의 특징에 따르면, 미소 유체가 흐르는 유로를 설계함에 있어서 유로에 작용하는 원심력에 의한 압력 및 모세관 힘에 의한 압력의 거동을 정확히 분석하여 유로의 공급 여부를 결정함에 따라 미소 유체 공급 장치의 설계시 기기의 정확성을 담보할 수 있게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치를 상세히 설명하기로 한다.
상기 미소 유체 공급유로 설계방법을 세부적으로 설명하기에 앞서 상기 미소 유체 공급유로 설계방법을 이용한 생체물질 측정 장치에 대해서 먼저 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치 및 캔틸레버 센서를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치는 먼저, 기판을 구비한다. 상기 기판은 미소 유체 공급 장치(120) 및 반응 센서(130)가 구비되는 상부 플레이트(101b)와 상기 상부 플레이트(101b)를 지지하는 역할을 수행하는 하부 플레이트(101a)로 구분되는데, 상기 상부 및 하부 플레이트(101b)(101a)는 폴리머 재질로 구성될 수 있으며 구체적으로 PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트(PC, Poly carbonate), PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 재료를 이용할 수 있다. 여기서, 상기 상부 플레이트(101b) 및 하부 플레이트(101a)로 각각 PDMS(Poly dimethyl siloxane)와 폴리 카보네이트를 이용할 경우, 상기 폴리 카보네이트는 상기 PDMS와 직접적으로 접착되지 않는 특성을 갖기 때문에 상기 폴리 카보네이트 상에 박막의 프라이머(primer)층을 코팅한 후 그 위에 PDMS층을 코팅시킬 수 있다. 상기 프라이머층의 재질은 실리콘, 에폭시(epoxy), 우레탄(uretan) 등이 될 수 있다.
이와 같은 상태에서, 상기 상부 및 하부 플레이트(101b)(101a)의 접촉할 표면을 산소 플라즈마로 처리하여 상기 하부 플레이트(101a)와 상기 상부 플레이트(101b)를 접합시킨다. 상기 상부 플레이트(101b) 및 하부 플레이트(101a)로 구성되는 기판은 그 형상을 다양하게 적용할 수 있으나 본 발명의 일 실시예로서 CD(compact disk)과 같은 원형 형상의 기판을 제시한다.
본 발명의 일 실시예로서 상기 기판이 상부 및 하부 플레이트의 조합으로 구성되는 것을 제시하고 있으나 본 발명의 변형 실시예로서 상기 두 개의 플레이트 중 하나의 플레이트만 적용시키는 것도 가능하다.
또한, 도 3에 있어서 상기 기판 일 예로, 상부 플레이트의 소정 부위에 상기 캔틸레버 센서가 안착되는 홈을 구비시켰으나 후술하는 미소 유체 공급 장치의 높이 등의 기하학적 설계를 달리하여 상기 상부 플레이트 상의 캔틸레버 센서의 안착 홈을 생략할 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 상부 플레이트(101b)에는 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 핵심 구성 요소인 미소 유체 공급 장치(120)과 반응 센서(130)가 구비된다. 상기 미소 유체 공급 장치(120)에 대해서는 후술하여 상세히 설명하기로 한다. 상기 반응 센서(130)라 함은 혈액 등과 같은 액상 시료 즉, 미소 유체 내에 포함되어 있는 단백질, DNA와 같은 생체물질을 감지하는 역할을 수행하는 것으로서, 본 발명에 있어서는 상기 반응 센서로 캔틸레버 센서(130)(cantilever sensor)를 장착시킨다.
도 4를 참조하면, 상기 캔틸레버 센서(130)는 지지대(121)와 적어도 하나 이상의 캔틸레버(122)로 구성되는데 상기 캔틸레버는 최소한의 구성을 갖는 캔틸레버를 포함하는 것을 의미한다. 즉, 본 발명에 적용되는 캔틸레버는 생체물질을 포집하는 역할을 수행하는 분자 인식층이 구비되는 모든 캔틸레버를 포함한다. 예를 들어, 미국등록특허 제5,719,324호에서의 압전 변환기가 별도로 구비되어 있는 캔틸레버, 압전막이 일체화된 캔틸레버 또는 압저항막이 일체화된 캔틸레버 등 생체물질 감지 수단으로서의 최소한의 구성 요건인 분자 인식층이 구비된 모든 캔틸레버를 포함한다. 여기서, 상기 분자 인식층이라 함은 상기 캔틸레버의 상면, 하면 중 적어도 어느 한 면에 형성되는 것으로서, 도 4에 도시한 바와 같이 금(Au)과 같은 도전성 재질의 감지막(132f)과 상기 감지막(132f) 상에 형성되는 단원자층(132g)으로 구성된다. 상기 분자 인식층은 때에 따라서 상기 감지막(132f)만을 일컫거나 상기 단원자층(132g)만을 의미할 수도 있으며, 상기 단원자층(132g)은 SAM(Self Assembled Monolayer)이라 불리며 시료 즉, 미소 유체 내에 포함되어 있는 측정하고자 하는 생체물질을 실질적으로 포집하는 역할을 수행한다. 이와 같은 캔틸레버 센서(130)는 후술하는 미소 유체 공급 장치(120)의 반응 챔버 내에 구비되어 공급되는 시료 즉, 미소 유체와 반응하게 된다.
한편, 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치(120)은 다음과 같은 구성을 갖는다. 먼저, 시료를 저장하는 시료 저장탱크(121)와 버퍼 용액을 저장하는 버퍼 저장탱크(122)를 구비한다. 상기 시료는 단백질, DNA와 같은 생체물질을 포함하는 혈액 등과 같은 액상의 물질을 말하며, 상기 버퍼 용액은 시료 공급 후 반응이 완료된 상태에서 후술하는 유로(127), 챔버 및 캔틸레버 등을 세척하기 위한 것으로서 PBS(Phosphate Buffered Solution) 등을 일컫는다. 상기 시료 저장탱크(121)와 버퍼 저장탱크(122)는 유로(127)를 매개로 시료 챔버(123)와 버퍼 챔버(124)와 연결되어 있다. 상기 시료 챔버(123)와 버퍼 챔버(124)는 후술하는 반응 챔버(125)에 실질적으로 시료 또는 버퍼 용액을 공급하는 역할을 수행한다.
한편, 상기 시료 저장탱크(121)와 시료 챔버(123) 사이 및 상기 버퍼 저장탱 크(122)와 버퍼 챔버(124) 사이를 연결하는 유로(127)에는 제 1 보조 유로(128)가 분기되어 있다. 상기 보조 유로(127)는 후술하는 폐기물 챔버(126)에 연결되며 상기 제 1 보조 유로(128)의 일측에는 바이패스 밸브(121a)가 구비되어 있다. 상기 시료 저장탱크(121)로부터의 상기 시료 챔버(123)로의 시료 공급시 또는 상기 버퍼 저장탱크(122)로부터의 상기 버퍼 챔버(124)로의 버퍼 용액 공급시 상기 보조 유로(127)의 바이패스 밸브(121a)는 닫힌 상태를 유지하여 상기 시료 챔버(123) 또는 버퍼 챔버(124)에 시료 또는 버퍼 용액이 일정량 이상 차이도록 한다.
상기 시료 챔버(123) 및 버퍼 챔버(124) 각각의 일단에는 유로(127)가 구비되어 반응 챔버(125)로 연결되며 각각의 유로(127)에는 시료 밸브(123a)와 버퍼 밸브(124a)가 구비되어 시료 또는 버퍼 용액의 공급 여부를 결정한다. 한편, 상기 버퍼 챔버와 반응 챔버 사이의 유로의 일측에는 제 3 보조 유로(141)가 구비되어 있는데, 상기 시료 밸브의 오픈으로 시료가 반응 챔버로 공급될 때 상기 시료 즉, 미소 유체의 유속에 의해 시료 주변의 압력 저하가 유발되고 이에 따라 상기 버퍼 밸브가 오픈될 가능성이 없지 않다. 이와 같은 버퍼 밸브의 오픈을 방지하기 위해 상기 제 3 보조 유로(141)를 구비시킨다. 상기 시료 밸브(123a)와 버퍼 밸브(124a)의 개폐는 원심력과 모세관 힘의 조절에 의해 진행되는데 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 시료 챔버(123) 및 버퍼 챔버(124)로부터 시료 또는 버퍼 용액을 공급받는 반응 챔버(125)에는 상기 반응 센서 예를 들어, 캔틸레버 센서(130)가 구비되어 있다. 시료의 경우, 상기 반응 챔버(125)로 유입되면 상기 캔틸레버 센서(130) 의 캔틸레버에 구비되어 있는 분자 인식층에 상기 시료 중에 포함되어 있는 생체물질이 포집되는 반응 과정이 진행된다.
상기 반응 챔버(125)의 일단에는 폐기물 챔버(126)와 연결되는 유로(127)가 구비되어 반응이 완료된 시료 또는 세척용 버퍼 용액이 폐기물 챔버(126)로 향하도록 한다. 여기서, 상기 반응 챔버(125)와 폐기물 챔버(126) 사이에 존재하는 유로(127)의 일측에는 건조용 밸브(125a)가 구비되어 있고 상기 건조용 밸브(125a)는 제 2 보조 유로(129)와 연결되어 상기 버퍼 용액을 이용한 세척 과정시 버퍼 용액이 빠른 시간 내에 폐기물 챔버(126)로 흘러가도록 하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 반응 챔버와 폐기물 챔버 사이의 유로에는 반응 챔버 내의 시료 즉, 미소 유체의 양을 조절하기 위한 계량 밸브(130a)가 구비된다. 반응 챔버 내의 시료가 일정량 즉, 반응 챔버의 일정 높이 이상으로 존재할 때는 상기 계량 밸브(130a)가 오픈되고 상기 시료가 반응 챔버의 일정 높이 이하로 존재하는 경우에는 상기 계량 밸브(130a)가 닫히도록 설계할 수 있다. 여기서, 상기 반응 챔버 내의 시료량과 계량 밸브(130a)의 개폐간의 관계는 미소 유체 공급 장치의 설계에 따라 임의로 설정할 수 있다.
이와 같은 구성 요소를 갖는 미소 유체 공급 장치(120)에 있어서, 상기 유로(127) 및 각각의 챔버(121,122,123,124,125,126)들은 소정 두께를 갖는 평면 구조의 동일 물질 내에 각각의 유로 또는 챔버의 형상에 맞도록 홈이 파여져 형성되는 것이다. 상기 미소 유체 공급 장치(120)의 제작 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 소정의 기판 예를 들어, 실리콘 기판의 전면 상에 포토레지스트(photo resist)와 같은 감광막을 도포하고 레티클을 이용하여 선택적으로 감광 및 현상하여 상기 각각의 유로 및 챔버의 형상에 상응하는 감광막만을 남긴다. 이어, 폴리머 재질 예를 들어, PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트, PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 물질을 상기 감광막을 포함한 기판 전면에 도포하고 소정 온도에서 베이킹(baking) 및 큐어링(curing)을 실시한 다음, 상기 감광막 및 기판을 제거하면 상기 PDMS에는 각각의 유로 및 챔버를 구비하는 미소 유체 공급 장치이 완성된다. 상기와 같은 과정을 통해 완성된 PDMS 재질의 미소 유체 공급 장치(120)은 상기 상부 플레이트(101b)에 밀착 고정되는데, 상기 미소 유체 공급 장치(120)과 상기 상부 플레이트(101b) 사이의 고정화 작업은 전술한 바와 같이 산소 플라즈마를 통해 이루어질 수 있다.
한편, 상기 반응 센서 예를 들어, 캔틸레버 센서(130)는 상기 미소 유체 공급 장치(120)의 반응 챔버(125) 내에 구비되는데 상기 캔틸레버 센서(130), 미소 유체 공급 장치(120) 및 상부 플레이트(101b) 사이의 결착 관계는 다음과 같다. 먼저, 상기 상부 플레이트(101b)에 상기 캔틸레버 센서(130)의 면적에 상응하는 소정 깊이의 안착 홈(102)이 파여져 있는 상태에서 상기 캔틸레버 센서(130)가 상기 안착 홈(102)에 안착된다. 그런 다음, 상기 반응 챔버(125)가 상기 캔틸레버 센서(130)에 위치하도록 상기 미소 유체 공급 장치(120)을 상기 상부 플레이트(101b)에 고정시킨다. 여기서, 상기 반응 챔버는 반응 챔버 내에 구비되는 캔틸레버 센서의 높이에 따라 또는 미소 유체 공급 장치의 설계에 따라 상기 캔틸레버 센서의 높이보다 높거나 낮도록 구성할 수 있다. 이에 따라, 상기 캔틸레버 센서는 상기 미소 유체 공급 장치이 안착되는 기판 예를 들어, 상부 플레이트 상의 소정의 안착 홈에 구비되거나 상기 안착 홈의 필요 없이 미소 유체 공급 장치 내에 구비될 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 생체물질 측정 장치의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
먼저, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이 상기 시료 저장탱크(121)와 버퍼 저장탱크(122)에 각각 액상 시료(501) 및 버퍼 용액(502)이 저장된 상태에서, 상기 상부 플레이트(101b)와 하부 플레이트(101a)로 구성되는 원형 형상의 기판을 소정 속도로 회전시키면 원심력에 의해 시료 챔버(123) 및 버퍼 챔버(124)에 각각 시료(501) 및 버퍼 용액(502)이 공급된다. 이 때, 제 1 보조 유로(128)의 일측에 구비되어 있는 바이패스 밸브(121a)에 작용되는 모세관 힘은 상기 원심력보다 커 상기 시료 저장탱크(121) 또는 버퍼 저장탱크(122)로부터 공급되는 시료 또는 버퍼 용액이 상기 폐기물 챔버(126)로 흘러가는 것을 방지한다.
이와 같은 상태에서, 도 5c에 도시한 바와 같이 상기 기판의 회전 속도를 보다 높이면 즉, 원심력을 상기 바이패스 밸브(121a)에 작용하는 모세관 힘보다 크게 하면 상기 바이패스 밸브(121a)가 열리게 되어 상기 바이패스 밸브(121a) 상단에 존재하는 시료(501) 또는 버퍼 용액(502)이 폐기물 챔버(126)로 흘러가게 된다. 그 런 다음, 상기 기판의 회전 속도를 더욱 높이게 되면 상기 시료 챔버(123) 일단에 구비되어 있는 시료 밸브(123a)가 열리게 되어 상기 반응 챔버(125)로 시료가 공급된다. 상기 시료 밸브(123a)가 열리게 되는 원리 역시 상기 시료 밸브(123a)에 작용하는 모세관 힘보다 기판의 회전에 의한 원심력이 크기 때문이다. 이 때, 상기 버퍼 챔버(124) 일측에 구비되어 있는 버퍼 밸브(124a)는 기판의 회전에 의한 원심력보다 버퍼 밸브(124a)에 작용하는 모세관 힘이 더 커서 상기 버퍼 밸브(124a)는 열리지 않는다. 또한 전술한 바와 같이, 상기 제 3 보조 유로(141)는 상기 시료 밸브를 통과하는 시료의 유속에 의한 주변 압력의 저하로 인해 상기 버퍼 밸브가 열리는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 이와 같은 원심력과 모세관 힘 사이의 관계를 후술하여 상세히 설명하기로 한다.
상기 반응 챔버(125)에 시료가 공급되면 상기 반응 챔버(125)에 구비되어 있는 캔틸레버 센서(130)와 상기 시료가 반응하게 된다. 구체적으로 시료 내에 포함되어 있는 단백질, DNA와 같은 생체물질이 상기 캔틸레버의 분자 인식층에 포집된다. 반응이 완료된 시료는 기판의 회전에 의한 원심력에 의해 반응 챔버(125)와 연결되어 유로(127)를 따라 상기 폐기물 챔버(126)로 흘러간다. 이 때, 상기 건조용 밸브는 오픈되지 않으며 상기 반응 챔버 내의 시료는 상기 계량 밸브(130a)를 통해 폐기물 챔버로 흘러간다.
상기의 반응 과정이 완료되면, 세척 과정이 진행된다. 즉, 기판의 회전 속도를 더욱 높여 상기 버퍼 밸브(124a)에 작용하는 모세관 힘보다 원심력이 크도록 하여 상기 버퍼 밸브(124a)를 열리도록 한다. 이에 따라, 도 5d 및 도 5e에 도시한 바와 같이 상기 반응 챔버(125)로 버퍼 용액이 공급되어 상기 반응 챔버(125) 내의 캔틸레버 센서(130) 및 기타 유로(127) 등을 세척하게 된다. 이 때, 상기 제 2 보조 유로(129)의 건조용 밸브(125a) 역시 원심력에 의해 열리게 되어 상기 버퍼 용액이 신속히 상기 폐기물 챔버(126)로 유출되도록 한다. 이상의 과정을 통해 미소 유체의 공급 과정 및 반응 과정이 완료된다.
이제, 상기 바이패스 밸브(121a), 시료 밸브(123a), 버퍼 밸브(124a) 및 건조용 밸브(125a) 등 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치(120)에 적용되는 밸브가 개폐되는 원리인 원심력과 모세관 힘 사이의 상관 관계 즉, 미소 유체 공급유로(127) 설계방법을 본격적으로 살펴보기로 한다.
상기 다양한 종류의 밸브가 구비된 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치(120)을 회전시키게 되면 상기 밸브에는 원심력과 밸브 자체의 모세관 힘이 작용하게 된다. 도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 상기 원심력에 의한 유체 내의 압력차(ΔPc)와 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)은 각각 다음과 같이 정의할 수 있다. 먼저, 원심력에 의한 유체 내의 압력차(ΔPc)은 다음과 같다.
여기서, ρ는 미소 유체(601)의 밀도, ω는 각속도, r1과 r2는 각각 기판 중심으로부터의 미소 유체의 뒷부분 및 앞부분의 반경이다.
모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)은 미소 유체의 앞부분에 작용하는 압력(PSA, advancing surface pressure)과 미소 유체의 뒷부분에 작용하는 압력(PSR, rear surface pressure)의 합으로 나타낼 수 있다.
한편, 상기 유체에 작용하는 압력은 상기 원심력에 의한 압력, 모세관 힘에 의한 압력 이외에 대기압(Pa)이 있으며 정지 상태에서의 이들의 상관 관계를 도 6c를 참조하여 나타내면 다음의 <수학식 3>와 같다.
Pa ≤ PiR + PSR
ΔPc = PiA - PiR
ΔPs = PSA + PSR
여기서, PiA는 미소 유체의 앞부분에서의 미소 유체 내부 압력이고, PiR는 미소 유체의 뒷부분에서의 미소 유체 내부 압력이다.
이와 같이 미소 유체에 작용하는 제반 변수가 고려된 상태에서, 상기 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)은 영-라플라스 방정식(Young-Laplace equation)을 이용하여 다음과 같이 표현될 수 있다.
PSA = -2σcosθA(1/h + 1/w)
PSR = 2σcosθR(1/h + 1/w0)
여기서, σ는 표면 장력, θA는 미소 유체의 앞부분이 유로와 접촉하는 각(advancing contact angle), θR는 미소 유체의 뒷부분이 유로와 접촉하는 각(rear contact angle), h는 유로의 높이, w와 w0은 각각 유로 앞부분과 뒷부분의 폭이다. 이와 같이 유로(127)에 작용하는 원심력에 의한 압력(ΔPc)과 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)이 정의된 상태에서, 상기 유로(127)에 존재하는 미소 유체(601)가 상기 유로(127)를 통과하기 위해서는 유로의 앞부분에서는 상기 유로(127) 내의 압력이 유로 밖의 압력보다 커야 하고 유로의 뒷부분에서는 상기 유로(127) 밖의 압력이 유로 내의 압력보다 커야 한다. 이를 하나의 식으로 정리하면 상기 유로(127)에 작용하는 상기 원심력에 의한 압력이 상기 모세관 힘에 의한 압력보다 커야 한다. 이를 수학적으로 표현하면 다음의 <수학식 5>과 같다.
Pa > PiR + PSR
⇒ PiA - PiR > PSA + PSR
즉, ΔPc(=PiA - PiR) ≥ ΔPs(=PSA + PSR)
유로를 원하는 위치에서 멈추게 하기 위해 상기 모세관 힘에 의한 압력이 상기 원심력에 의한 압력보다 크도록 하기 위한 방법으로 본 발명에서는 상기 유로(127)의 형상을 기하학적으로 변경하는 방식을 택한다. 즉, 상기 미소 유체(601)가 통과하려는 유로(127)에 날카로운 모서리를 갖는 오픈 각도를 설계하는 것이다. 상기 유로(127)에 날카로운 모서리에서 유체는 새로운 면과의 접촉각이 급격히 감소되며 이에 따라 충분한 접촉각이 될 때까지 유체는 모서리에 고정되고 이 과정 중에 최대 모세관 힘을 갖는 형상을 갖게 되어 일정 압력 이상으로 밀어주기 전까지 이동하지 않을 것이다. 이 때, 상기 유로(127)의 일단이 갑자기 넓어지는 영역 즉, 오픈 영역(602)이 본 발명에서 언급되는 밸브를 뜻한다. 이와 같은 관계를 상기 영-라플라스 방식에 적용하면 다음의 <수학식 6>과 같다.
PSR = 2σcosθR(1/h + 1/w0)
ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)
여기서, 상기 β는 유로(127)의 오픈 각도이고, 상기 θI는 임계각(intermediate contact angle)인데, 상기 θI는 상기 미소 유체(601)의 돌출된 부분 즉, 메니스커스(meniscus)가 상기 오픈 영역을 향해 구부러짐에 따라 변동되며 그 값은 θA < θI < θA+β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.
이상과 같은 수학적 고찰을 통해 상기 <수학식 6>에 기재된 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)의 최대값이 상기 <수학식 1>에 기재된 원심력에 의한 압력(ΔPc)보다 클 때 상기 유로(127)의 오픈 영역(602) 즉, 밸브는 미소 유체(601)의 흐름을 중단시킨다. 또한, 밸브의 개폐에 대한 성능은 상기 <수학식 2> 내지 <수학식 6>에서 살펴본 바와 같이 유로의 높이(h), 유로의 폭(w), 미소 유체의 유로와의 접촉각(θA) 및 유로의 오픈 각도(θA+β)에 의해 좌우된다.
본 출원인은 상기의 밸브에 대한 이론적 고찰을 검증하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다. 먼저, 다음의 <표 1>과 같은 기하학적 형상을 갖는 밸브를 제조하였다.
| h | w | β |
| 150㎛ | 15/30/60/150㎛ | 60/90/120° |
상기 밸브의 제조는 상기 미소 유체 공급 장치(120)의 제조 과정에 상응한다. 즉, 소정의 기판 상에 감광막을 도포한 다음, 포토리소그래피(photo lithography) 공정을 통해 상기 감광막을 선택적으로 패터닝하여 유로 및 밸브 형상을 만들고, 이어 상기 패터닝된 감광막 상에 PDMS를 소정 두께 적층하여 몰딩(molding)시킨 후 상기 감광막 및 기판을 제거한다. 이에 따라, 상기 PDMS에는 소정 형상을 갖는 유로 및 밸브가 형성된다. 그 다음, 폴리 카보네이트 등과 같은 지지판 상에 상기 PDMS를 고정시키면 밸브 제조가 완료된다.
상기 유로 및 밸브가 완성된 상태에서 상기 유로에 미소 유체를 주입시켰다. 본 실험에 사용된 미소 유체는 염색제인 페놀(Phenol red)이다. 상기 패놀의 물리적 특성은 다음의 <표 2>에 기재한 바와 같다.
| θA(접촉각) | σ (표면장력) | ρ (밀도) |
| 86/66° | 0.049kg/s2 | 1078kg/m3 |
| 118/88° | 0.054kg/s2 | 999kg/m3 |
상기 유로에 미소 유체 즉, 페놀을 주입한 후 상기 밸브가 형성된 구조체를 700, 1200, 1320rpm으로 각각 회전시킴에 따라 도 7a 내지 도 7c에 도시한 바와 같이 미소 유체가 유로를 거쳐 밸브를 통과함을 알 수 있다. 도 7a 내지 도 7c에 도시한 사진은 본 발명에 따른 광학 측정 장치에 의해 촬영한 것인데 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다. 한편, 도 8는 유로의 오픈 각도에 따른 모세관 힘에 의한 압력의 거동을 나타낸 것으로서, 도 8의 그래프를 살펴보면 상술한 <수학식 2> 내지 <수학식 6>에 기재한 이론적 근거와 실험 결과가 거의 동일하게 나타남을 알 수 있다. 또한, 도 9에 도시한 바와 같이 바이패스 밸브(121a)(bypass valve), 시료 밸브(123a)(sample valve), 버퍼 밸브(124a)(buffer valve) 및 건조용 밸브(125a)(drying valve)에서의 미소 유체 통과 속도(bursting speed)에 있어서, 이론적으로 계산한 속도와 실험을 통해 얻어진 속도가 거의 동일함을 알 수 있다. 이에 더불어, 도 10a 및 도 10b를 참조하면 유로의 폭(w)과 오픈 각도(β)에 따른 미소 유체 통과 속도에 있어서, 이론적으로 계산한 속도와 실험을 통해 얻어진 속도가 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있다.
이상과 같은 이론적 근거 및 실험을 통해 밸브의 기하학적 형상 즉, 미소 유체 공급유로를 설계할 수 있게 된다. 또한, 이와 같은 기술적 근거에 의해 상기 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치에 구비되는 바이패스 밸브(121a), 시료 밸브(123a), 버퍼 밸브(124a) 및 건조용 밸브(125a)를 설계할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 미소 유체 공급 장치(120)에 있어서, 미소 유체가 각 유로 및 밸브를 통해 반응 챔버에 원활하게 공급되는지 여부를 파악해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 상술한 바와 같이 광학 측정 장치를 제공한다.
도 11는 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 개념도이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 측정 장치는 먼저, 소정의 구동 제어 수단(307)에 의해 회전 가능하며 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치(100)을 안착하는 공간을 제공하는 회전 받침대(301)가 구비된다. 상기 회전 받침대(301)는 상기 구동 제어 수단(307)에 의해 그 회전 속도가 제어되며 도면에 도시하지 않았지만 상기 회전 받침대(301)의 전면에는 저배율 촬영시 넓은 면적을 밝혀 주는 광원으로 백라이트(backlight)(도시하지 않음)가 구비될 수 있다. 상기 회전 받침대(301)로부터 상부로 소정 거리 이격된 위치에는 광 가이드(302)가 구비되고 상기 광 가이드(302) 상부에는 착탈이 가능한 저배율 렌즈나 가변하여 조절이 가능한 고배율 동축 렌즈(303)가 구비되어 있으며, 상기 동축 렌즈(303)의 상단에는 CCD 카메라(306)와 같은 촬상 수단이 구비된다. 또한, 본 발명에 따른 광학 측정 장치는 고배율 촬상시 빛을 발생시키는 광원(305)이 구비되고 상기 광원(305)으로부터 발생된 빛을 반사시키는 반사대(304)가 구비된다. 이 때, 저배율 측정시 측정 대상물과 백라이트 사이에 확산판(도시하지 않음)을 구비시킬 수 있으며, 고배율 측정시 상기 동축 렌즈(303) 상에 동축 조명을 구비시킬 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광학 측정 장치의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 회전 받침대(301) 상에 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치를 안착시킨다. 상기 생체물질 측정 장치는 다양한 변형 실시가 가능하나 원형의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같은 상태에서, 상기 회전 받침대(301)를 구동 제어 수단(307)의 제어 하에 소정 속도로 회전시킴과 동시에 상기 촬상 장치 예를 들어, CCD 카메라(306) 등으로 촬상을 진행한다. 이 때, 상기 CCD 카메라(306)의 초점은 측정하고자 하는 생체물질 측정 장치의 특정 부분 예를 들어, 유로(127), 밸브 등에 맞추어져 있다. 또한, 상기 촬상 과정은 저배율 촬영시에는 백라이트에서 공급된 빛이 촬영 대상을 투과하여 CCD 카메라로 촬영되며, 고배율 촬영시에는 상기 광원(305)으로부터 빛이 공급된 상태에서 진행되는데 상기 광원(305)으로부터 발생된 빛은 상기 반사대(304)를 거쳐 상기 동축 렌즈(303)를 통해 집광되어 최종적으로 상기 광 가이드(302)를 관통하여 상기 측정하고자 하는 생체물질 측정 장치의 특정 부분에 조사 후 반사되어 렌즈로 유입된다. 본 발명에 따른 광학 측정 장치에 있어서, 동축 렌즈(303)를 적용시킴에 따라 마이크로 단위의 유로 또는 밸브의 상태를 용이하게 촬상할 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치를 이용한 생체물질 측정 과정은 크게 시료의 반응 챔버로의 공급, 반응 챔버 내에서의 시료와 캔틸레버 센서 간의 반응, 반응이 완료된 시료의 배출, 버퍼 용액을 이용한 유로, 챔버의 세척 및 건조 등의 과정으로 진행된다. 이와 같은 일련의 과정을 완료된 상태에서 시료 내에 존재하는 생체물질의 존재량을 파악하기 위해서는 생체물질 분석 과정이 요구된다.
본 발명에서는 상기 생체물질 분석 과정을 위한 생체 반응 분석 장치를 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치를 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 캔틸레버 센서(130)에 대해서 먼저 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치에 적용되는 캔틸레버 센서(130)는 전기적 측정 방식이 적용되는 것으로서 본 발명에 적용되는 캔틸레버 센서(130)의 일 실시예를 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 도 4에 도시한 바와 같이, 캔틸레버 센서(130)는 지지대(131)와 캔틸레버(132)로 구성되며 상기 캔틸레버는 상부전극(132a), 압전막(132b), 하부전극(132c), 완충막(132d), 지지막(132e), 감지막(132f), 단원자층(132f)이 순차적으로 적층되어 있는 구조를 갖는다. 또한, 상기 지지대(131) 상에는 도전성 물질로 구성되는 패드(pad)(133)가 구비되며 상기 패드(133)는 상기 상부전극(132a)과 전기적으로 연결된다. 한편, 본 발명에 적용되는 캔틸레버 센서는 상기와 같은 구성을 갖는 캔틸레버 센서 이외에 전기적 측정 방식을 이용하는 모든 캔틸레버 센서를 포함한다.
이제, 본격적으로 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치에 대해서 설명하기로 한다. 도 12에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치는 본 발명에 따른 생체물질 측정 장치를 지지할 수 있는 지지대(401)를 구비한다. 상기 지지대(401)로부터 상부로 소정 거리 이격된 위치에는 외팔보 형상의 전원 공급용 지지대(402)가 구비되어 있다. 상기 전원 공급용 지지대(402)의 일측에는 상기 캔틸레버 센서(130)의 패드(133)에 전기적 신호를 인가하는 역할을 수행하는 전원 공급용 핀(403)이 구비된다. 상기 전원 공급용 핀(403)을 구비하는 상기 전원 공급용 지지대(402)는 일측이 3축 스테이지(404) 정확히는 상기 3축 스테이지의 고정 수단(405)에 연결되어 있다. 상기 3축 스테이지(404)에는 상기 고정 수단을 x축, y축 및 z축으로 이동을 조정하는 조정 수단(404a,404b,404c)이 각 축마다 구비되어 있다. 상기 각 축의 조정 수단의 조정에 의해 상기 고정 수단 및 상기 고정 수단에 연결되어 있는 전원 공급용 지지대(402)는 x-y-z축 상의 임의의 위치에 이동할 수 있게 된다.
한편, 상기 전원 공급용 지지대(402)에 구비되어 있는 전원 공급용 핀(403)은 외부의 전원 공급부(405)와 연결되어 전원을 공급받으며 또한, 상기 전원 공급용 핀은 측정 수단(406)과 전기적으로 연결된다. 상기 측정 수단(406)은 공진주파수 측정 수단 또는 변위 측정 수단을 일컫는다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 생체 반응 분석 장치의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 반응 및 세척, 건조 과정이 완료된 생체물질 측정 장치(100)이 상기 생체 반응 분석 장치의 지지대(401)에 안착되면, 사용자는 상기 3축 스테이지의 조정 수단(404a,404b,404c)을 조정하여 상기 3축 스테이지의 고정 수단(405)에 연결되어 있는 전원 공급용 지지대(402) 정확히는, 상기 전원 공급용 지지대(402)에 구비되어 있는 전원 공급용 핀(403)이 상기 생체물질 측정 장치의 반응 챔버에 구비되어 있는 캔틸레버 센서(130)의 패드(133)의 상부에 위치하도록 조정한다. 상기 캔틸레버 센서(130)의 패드(133)의 상부에 상기 전원 공급용 핀을 위치시키는 과정 즉, 정렬 과정에 있어서, 상기 생체물질 측정 장치의 일측에 소정의 정렬 마크(alignment mark)(104)를 형성시켜 상기 정렬 과정을 보다 용이하게 할 수도 있다. 또한, 상기 정렬 과정의 정밀성을 담보하기 위해서 상기 정렬 부위의 상단에 현미경을 구비시켜 이를 이용할 수도 있다.
한편, 이 때 상기 생체 반응 분석을 위해 상기 지지대(401)에 안착되는 생체물질 측정 장치의 상태, 구체적으로 상기 생체물질 측정 장치 내의 미소 유체 공급 장치는 건조용 밸브가 오픈된 상태이거나 닫힌 상태이다. 즉, 캔틸레버 센서가 구비되는 반응 챔버 내에 미소 유체가 존재하거나 존재하지 않는 상태에서 상기 생체 반응 분석 과정이 진행될 수 있다.
상기 전원 공급용 핀이 상기 캔틸레버 센서(130)의 패드의 상부에 위치되면 상기 3축 스테이지(404)를 이용하여 상기 전원 공급용 핀을 하강시켜 상기 캔틸레버 센서(130)의 패드(133)에 접촉시킨다. 이와 같은 상태에서, 상기 전원 공급용 핀(403)에 전원을 공급하여 상기 패드(133)에 전원을 인가시킨다. 상기 패드(133)에 인가된 전원은 상기 캔틸레버의 상부전극을 통해 압전막에 전달되어 전기적 신호가 기계적 진동으로 변환되고 해당 기계적 진동이 다시 전기적 신호로 변환되어 최종적으로 상기 측정 수단 예를 들어, 공진주파수 측정 수단 또는 변위 측정 수단으로 전달된다. 상기 공진 주파수 측정 수단을 이용할 경우, 상기 캔틸레버 센서는 압전막이 일체화된 캔틸레버 센서를 이용하는 것이 바람직하며 상기 변위 측정 수단을 이용할 경우에는 상기 캔틸레버 센서는 압저항막이 일체화된 캔틸레버 센서를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 공진주파수 측정 수단(또는 변위 측정 수단)을 이용하여 반응 후의 캔틸레버 센서(130)의 공진주파수(또는 변위)를 측정할 수 있게 됨과 동시에 반응 전의 기준 공진주파수(기준 변위)와 비교하여 반응량 즉, 시료 내에 포함되어 있는 생체물질의 존재량을 정량적으로 파악할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 미소 유체 공급유로 설계방법 및 이를 이용한 생체물질 측정 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 미소 유체가 흐르는 유로를 설계함에 있어서 유로에 작용하는 원심력에 의한 압력 및 모세관 힘에 의한 압력의 거동을 정확히 분석하여 유로의 공급 여부를 결정함에 따라 미소 유체 공급 장치의 설계시 기기의 정확성을 담보할 수 있게 된다.
또한, 반응 및 세척 과정이 완료된 생체물질 측정 장치에 대한 생체 반응 분석시 3축 스테이지 및 전원 공급용 핀을 구비한 생체 반응 분석 장치를 이용하여 용이하게 수행할 수 있게 된다.
Claims (18)
- 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖고 오픈 영역을 구비하는 미소 유체의 공급 유로를 설계함에 있어서,상기 공급 유로에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)을 다음의 수학식에 의해 조정 가능하도록 설계하는 것을 특징으로 하는 미소 유체 공급유로 설계방법.ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)(여기서, w는 유로 앞부분의 폭, w0는 유로 뒷부분의 폭, h는 유로의 높이, σ는 표면 장력, β는 유로의 오픈 각도, θA는 미소 유체 앞부분의 유로와의 접촉각, θR는 미소 유체 뒷부분의 유로와의 접촉각, θI는 임계각으로 미소 유체 앞부분이 오픈 영역을 향해 구부러질 때의 각이며 그 값은 θA < θI < θA +β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.)
- 미소 유체 공급 장치와 캔틸레버 센서를 포함하여 구성되는 생체물질 측정 장치에 있어서,액상 시료를 저장하는 시료 챔버;버퍼 용액을 저장하는 버퍼 챔버;캔틸레버 센서가 구비되는 공간을 정의하며 상기 시료와의 반응이 진행되는 반응 챔버;상기 시료 챔버의 일단에 구비되어 상기 시료 챔버 내의 시료의 반응 챔버로의 공급 여부를 결정하는 역할을 수행하는 시료 밸브;상기 버퍼 챔버의 일단에 구비되어 상기 버퍼 챔버 내의 버퍼 용액의 반응 챔버로의 공급 여부를 결정하는 역할을 수행하는 버퍼 밸브;상기 반응 챔버의 일단에 구비되어 버퍼 용액을 배출하는 역할을 수행하는 건조용 밸브를 포함하여 구성되는 미소 유체 공급 장치와,상기 반응 챔버 내에 구비되는 캔틸레버 센서를 포함하여 이루어지고,상기 미소 유체 공급 장치 내의 각각의 챔버는 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖는 유로에 의해 연결되며, 상기 시료 밸브, 버퍼 밸브 및 건조용 밸브는 각각 소정의 폭, 높이 및 각도를 갖는 유로 및 유로의 오픈 영역으로 구성되며, 상기 각각의 밸브를 구성하는 유로에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력(ΔPs)은 다음의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.ΔPs = -2σ(cosθA/h + cosθI/w) + 2σcosθR(1/h + 1/w0)(여기서, w는 유로 앞부분의 폭, w0는 유로 뒷부분의 폭, h는 유로의 높이, σ는 표면 장력, β는 유로의 오픈 각도, θA는 미소 유체 앞부분의 유로와의 접촉각, θR는 미소 유체 뒷부분의 유로와의 접촉각, θI는 임계각으로 미소 유체 앞부분이 오픈 영역을 향해 구부러질 때의 각이며 그 값은 θA < θI < θA+β 이다. 또한, 상기 θA+β는 최대 180°이다.)
- 제 2 항에 있어서, 상기 캔틸레버 센서는 복수개의 캔틸레버를 구비하며 상기 복수개의 캔틸레버 중 적어도 하나 이상은 캔틸레버의 상면, 하면 중 적어도 어느 한 면에 분자 인식층을 구비하는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 분자 인식층은 단원자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 복수개의 캔틸레버는 압전막이 일체화된 캔틸레버 또는 압저항막이 일체화된 캔틸레버를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 건조용 밸브에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력은 버퍼 밸브에 작용하는 압력보다 크며, 상기 버퍼 밸브에 작용하는 모세관 힘에 의한 압력은 상기 시료 밸브에 작용하는 압력보다 큰 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 미소 유체 공급 장치는 친수성(hydrophilic) 재질이나 소수성(hydrophobic) 재질 중 어느 한 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 생체물질 측정 장치는,상기 미소 유체 공급 장치이 안착되는 공간을 제공하는 소정 형상의 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 기판의 소정 부위에 캔틸레버 센서가 장착되는 안착 홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 기판은,적어도 하나 이상의 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 기판은,상기 미소 유체 공급 장치이 안착되는 공간을 제공하는 상부 플레이트와,상기 상부 플레이트를 지지하는 하부 플레이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 미소 유체 공급 장치는 PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트, PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 기판은 PDMS(Poly dimethyl siloxane), 폴리 카보네이트, PMMA(Poly methyl methacrylate), COC(Cyclo olefin copolymer) 중 어느 한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상부 플레이트와 하부 플레이트는 각각 PDMS와 폴리 카보네이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 14 항에 있어서, 상기 하부 플레이트 상에는 박막의 프라이머층 및 PDMS층이 순차적으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 11 항에 있어서, 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트는 산소 플라즈마 처리를 통해 접합되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 생체물질 측정 장치의 일측에 정렬 마크가 형성된 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 반응 챔버와 소정의 유로를 통해 연결되어 상기 반응 완료된 시료 및 버퍼 용액을 저장하는 폐기물 챔버 및 상기 폐기물 챔버와 반응 챔버 사이의 유로에 상기 반응 챔버 내의 시료량을 조절하는 역할을 수행하는 계량 밸브를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체물질 측정 장치.
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