KR100657965B1 - 유체의 ｐＨ를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 a) 이온 교환성 물질; b) 일면이 상기 이온 교환성 물질의 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버; 및 c) 일면이 상기 이온 교환성 물질의 다른 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버를 포함하는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치 및 그를 이용하여 pH를 조절하는 방법을 제공한다.
전기분해, pH, 미세유동장치, 이온 교환성 물질, 랩온어칩

Description

유체의 ｐＨ를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치 및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는 방법{A microfluidic device for electrochemically regulating the pH of a fluid therein and method for regulating the pH of a fluid in a microfuidic device using the same}
도 1은 필터를 포함하는 전기분해 장치를 이용하여 세포를 용해하는 종래 방법을 도시한 것이다.
도 2A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 일예를 도시한 평면 투시도이고, 도 2B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 일예를 도시한 측면 투시도이다.
도 3은 도 2의 본 발명에 따른 미세유동장치의 분해도이다.
도 4는 도 2의 본 발명에 따른 미세유동장치의 이온 교환성 물질이 고정된 프레임의 사진이다.
도 5A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 평면 사진이고, 도 5B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 측면 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 미세유동장치의 인가 전압에 대한 전류 세기를 측정한 결과를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세유동장치의 캐소드 챔버의 전압 인가 후 일정 시간 전압 비인가시의 pH 변화를 측정한 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동장치 및 그를 이용하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치 및 그를 이용하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.
미세유동장치는 입구, 출구 및 반응 용기 등이 마이크로채널을 통하여 연통되어 있는 장치를 말한다. 이러한 미세유동장치에는 상기 마이크로채널이 형성되어 있는 외에 일반적으로 유체의 이송을 위한 마이크로펌프, 유체의 혼합을 위한 마이크로믹서 및 이송되는 유체를 여과하기 위한 마이크로필터 등이 구비되어 있다.
이러한 미세유동장치는 당업계에 널리 알려져 있으며, 샘플 내의 세포 농축(enrichment), 세포의 용해(lysis), 생분자 정제, PCR과 같은 핵산의 증폭 및 분리, 단백질의 분리, 혼성화 반응, 및 검출과 같은 일련의 생물학적 분석과정을 수행하는 랩온어칩(Lab-on-a-chip: LOC)과 같은 미세분석장치에 이용되고 있다.
미세유동장치를 이용하여 상기와 같은 다양한 생물학적 분석 과정을 수행하기 위해서는 각 단계마다 상이한 pH를 필요로 한다. 상기 생물학적 분석과정에 있어서, 종래 pH의 조절은 산성 용액, 염기성 용액, 중성 용액 또는 버퍼 용액을 첨 가하거나 제거함으로써 이루어졌다. 그러나, 미세유동장치에 있어서 이러한 pH 조정용 용액을 첨가하거나 제거하는 경우, 별도의 장치 및 과정을 필요로 할 뿐만 아니라, 샘플 용액이 희석되는 문제점이 발생한다. 이러한 용액의 주입 단계 및 장치 문제는 미세 부피를 다루는 미세유동장치에 있어서는 심각한 문제가 될 수 있으며, 희석은 원하는 샘플을 채취하거나 증폭시킬 때 문제가 될 수 있다. 또한, 이렇게 첨가된 pH 조절 물질은 추후의 생물학적 분석 과정에서 저해물질로서 작용할 수 있는 경우에는 사용 후 제거되어야 하는 경우도 발생한다.
외부로부터 pH 조절 시약을 주입하는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 전기분해를 이용하는 방법이 있다. 예컨대, 캐소드, 애노드 및 분할 필터를 포함하는 장치를 이용하여 세포를 용해하는 방법이 있다(Luke P. Lee et al., Lap on a Chip, 5(2):171-178, "On-chip cell lysis by local hydroxide generation", 2005). 도 1은 필터를 포함하는 전기분해 장치를 이용하여 세포를 용해하는 상기 종래 방법을 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 상기 종래 장치는 캐소드(11), 애노드(12) 및 그들 사이를 막고 있는 필터(13)를 포함한다. 상기 캐소드(11)에서는 하이드록시 이온이 생성되어 pH가 높아지고, 상기 애노드(12)에서는 수소 이온이 생성되어 pH가 낮아진다. 상기 캐소드 챔버로 세포(16)를 유입시켜(14) 계속 흘려 주면 세포 자체는 필터(13)에 걸리고 여기에 전기를 가해주면 높아진 pH에 의해 세포가 용해되고, DNA는 필터(13)를 통과하여 애노드(12)를 거쳐 다음 챔버로 유출되는(15) 원리이다. 하지만, 상기 캐소드(11)에서 생긴 하이드록시 이온은 필터(13)를 통해 계속 흘러가기 때문에 세포 용해에 필요한 정도로 충분 한 pH로 높일 수 없고, 혹시 세포 용해가 일어난다고 하더라도 분리된 DNA는 애노드에 흡착되어 다음 챔버로 이송될 수 없는 문제점이 있다.
다른 종래 방법으로서, 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 상기 챔버들 사이에 설치되는 분할 막을 포함하는 전기분해장치를 이용하여 pH를 조절하는 방법이 있다. 하지만, 매우 얇은 분할 막을 이용하여 랩온어칩에 사용할 수 있는 미세유동장치를 제작하는 것은 기술상 어려움이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 미세유동장치를 이용하여 전기분해에 의하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 이온 교환성 물질; b) 일면이 상기 이온 교환성 물질의 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버; 및 c) 일면이 상기 이온 교환성 물질의 다른 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버를 포함하는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치를 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; b) 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; 및 c) 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하는 방법을 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일면은 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치에 관한 것이다.
도 2A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 일예를 도시한 평면 투시도이고, 도 2B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 일예를 도시한 측면 투시도이다.
도 2A 및 2B를 참조하면, 본 발명에 따른 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치는 a) 이온 교환성 물질(201); b) 일면이 상기 이온 교환성 물질(201)의 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극(205)을 구비하는 애노드 챔버(203); 및 c) 일면이 상기 이온 교환성 물질(201)의 다른 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극(209)을 구비하는 캐소드 챔버(207)를 포함하는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치를 포함한다.
본 발명의 장치에 있어서, 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 유체와 같은 물질을 수용할 수 있는 공간을 말하는 것으로 바람직하게는, 마이크로 단위의 부피 이하의 물질을 수용할 수 있는 마이크로챔버이나 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 챔버는 세포 용해 챔버, 핵산 분리/정제 챔버, 핵산 증폭 챔버, 혼성화 챔버 및 신호 검출 챔버로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 챔버는 마이크로채널을 통하여 다양한 다른 챔버와 연결되어 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 미세유동장치는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절할 수 있는 랩온어칩의 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온 및/또는 가스를 통과시키지 않는 특성을 갖는다. 바람직하게, 상기 이온 교환성 물질은 전류는 통과시키나 수소 이온 및 하이드록사이드 이온 및/또는 기체는 통과시키지 않는 특성을 갖는다.
상기 이온 교환성 물질은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 양이온 교환막은 양이온은 통과시키지만 음이온 통과에는 100%에 가까운 저항을 나타내는 막이고, 반대로 음이온 교환막은 음이온은 통과시키지만 양이온 통과에는 100%에 가까운 저항을 나타내는 막이다. 예컨대, 상기 양이온 교환막은 강산 교환막(strong acid exchange membrane; -SO3- 포함; Nafion 사) 또는 약산 교환막(weak acid exchange membrane; -COO- 포함)일 수 있고, 상기 음이온 교환막은 강염기 교환막(strong base; N+(CH3) 포함) 또는 약염기 교환막(weak base; N(CH3)2 포함)일 수 있다. 상기 양이온 교환막 및 음이온 교환막은 당업계에 잘 알려져 있으며, 당업자가 용이하게 이를 구입하여 사용할 수 있을 것이다. 예컨대, 상기 이온 교환막은 NafionTM (Dupont 사), DowexTM(Aldrich), 및 DiaionTM(Aldrich) 등으로 시판되고 있다.
바람직하게, 상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 성막되는 특성을 갖는 것일 수 있다. 상기 특성을 갖는 이온 교환성 물질을 사용하는 경우 본 발명에 따른 장치의 미세 제작이 보다 용이하다는 장점을 갖는다.
보다 바람직하게, 상기 이온 교환성 물질로서 본 출원인의 이전 출원, 대한민국 특허 출원 제 2005-52723호(발명의 명칭: 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법)에 개시되어 있는 물질을 사용할 수 있다. 상기 출원의 모든 내용은 본 명세서 내용의 일부로서 통합된다.
즉, 상기 이온 교환성 물질은 a) 음이온 교환수지 또는 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물; b) 비스-아크릴아미드 및 아크릴아미드를 각각 적어도 1종 이상 포함하는 아크릴아미드 혼합물; 및 c) 상기 음이온 교환수지 또는 양이온 교환수지로 된 고분자 화합물과 상기 아크릴아미드 혼합물을 반응시켜 얻은 공중합체인 것이 바람직하다.
상기 음이온 교환수지 또는 양이온 교환수지는 스티렌계, 페놀계, 아민계 또는 메타크릴계인 것이 바람직하고, 상기 음이온 교환수지는 트리메틸아민으로 치환된 스티렌계이고 상기 양이온 교환수지는 술폰기로 치환된 스티렌계인 것이 보다 바람직하다.
상기 비스-아크릴아미드는 N,N'-메틸렌-비스-아크릴아미드인 것이 바람직하다. 또한, 상기 a) 내지 c)의 화합물이 서로 상호침투(interpenetration)되어 있 는 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 성막되는 경우, 프레임에 의해 고정된다.
이온 교환성 물질 및 프레임 사이의 결합력을 향상시키기 위하여, 상기 프레임은 V자 형태인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 전극은 백금, 금, 구리, 팔라듐 및 티타늄 등으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 애노드 챔버에 백금으로 된 전극을 사용하는 경우, 단백질 및 DNA의 흡착을 방지할 수 있으며, 구리 전극을 사용하는 경우 애노드 챔버에 NaCl 등의 염소 이온이 포함된 경우에 CuCl2를 형성함으로써 독가스인 염소 기체의 발생을 줄일 수 있다. 또한, 팔라듐 전극을 사용하는 경우, 캐소드 챔버에서 발생한 수소 기체를 흡수하므로 가스 제거 과정이 불필요하다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 미세유동장치는 상기 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액, 즉 전기분해되는 전해질이 유입될 수 있다. 상기 물보다 표준산화전위가 낮은 이온은 NO3 -, F-, SO4 2 -, PO4 3 - 및 CO3 2 - 등의 음이온이 포함되어진 하나 이상의 이온일 수 있고, 상기 물보다 표준산화전위가 높은 이온은 Cl- 이온이 포함되어진 전해질일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 애노드 챔버 용액이 물보다 표준산화전위가 낮은 화합물인 경우, 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기분해를 수 행하는 경우, 상기 애노드 챔버에서는 물이 전기분해되어 산소 기체와 H+ 이온이 발생한다. 이 경우 상기 애노드 챔버 용액은 상기 H+ 이온에 의해 pH가 낮아지게 된다. 물보다 표준산화전위가 높은 Cl- 이온은 세포의 용해만을 목적으로 하는 경우 특별히 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 또다른 일 구체예에서, 본 발명의 미세유동장치는 상기 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액이 유입될 수 있다. 상기 이온의 예는 Na+, K+, Ca2 +, Mg2 +, 및 Al3 + 등의 양이온일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 상기 일 구체예에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기분해를 수행하는 경우, 상기 캐소드 챔버에서는 물이 전기분해되어 수소 기체와 OH- 이온이 발생한다. 이 경우 상기 캐소드 챔버 용액은 상기 OH- 이온에 의해 pH가 높아지게 된다.
분할막, 일면이 상기 분할막의 일면으로 구성되고 마주보는 일면에 애노드가 구비되는 애노드 챔버, 및 일면이 상기 분할막의 다른 일면으로 구성되고 마주보는 일면에 캐소드가 구비되는 캐소드 챔버를 포함하는 종래 장치에 있어서, 가스 배출구를 전극의 마주보는 면에 설치할 수 없었다. 따라서 챔버내 유체에 가스가 다량 함유되어 전류의 흐름이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.
반면, 본 발명의 장치에 있어서, 다시 도 2A 및 2B를 참조하면, 상기 애노드 챔버(203) 및 캐소드 챔버(207)는 각각 애노드 전극(205) 및 캐소드 전극(209)의 마주보는 일면(211,213)에 가스 배출구(215)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 가스 배출구(215)를 통해 예컨대, 산소 기체 또는 수소 기체가 챔버 밖으로 효율적으로 배출될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함할 수 있다. 상기 유입구와 유출구는 반드시 별개로 구비될 필요는 없고 하나의 포트가 유입구 및 유출구의 역할을 할 수도 있다. 또한, 상기 가스 배출구를 유입구 및/또는 유출구로서 활용할 수도 있을 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 용액을 유입 및 유출시키기 위한 펌프를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 상기 이온 교환성 물질을 고정할 수 있는 프레임을 추가로 포함할 수 있다. 상기 이온 교환성 물질과 접촉하는 프레임 부위는 V자 형태인 것이 바람직하다. 이 경우, 이온 교환성 물질이 성막될 때 프레임에 보다 견고하게 부착함으로써, 본 발명에 따른 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 미세유동장치는 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 바람직하게, 각 부품을 제작한 후에 조립되어 제조될 수 있다.
도 3은 도 2의 본 발명에 따른 미세유동장치의 분해도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 미세유동장치는 먼저 이온 교환성 물질이 고정된 프레임, 각각 애노드 또는 캐소드가 고정된 프레임, 및 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버의 이온 교환성물질로 구성된 일면 이외의 면들을 구성하는 프레임을 제작한 후 이들을 조립 함으로써 제조될 수 있다. 각 프레임의 재질은 특별히 한정되지 않는다.
도 4는 도 2의 본 발명에 따른 미세유동장치의 이온 교환성 물질이 고정된 프레임의 사진이다. 상기 이온 교환성 물질이 고정된 프레임은 상기 프레임을 포함하는 일정한 주형에 액상의 이온 교환성 물질을 주입한 다음 상기 이온 교환성 물질을 가교 반응과 동시에 성막시켜, 상기 프레임에 고정시키는 것이 바람직하다.
도 5A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 평면 사진이고, 도 5B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 측면 사진이다.
본 발명의 다른 일면은 a) 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; b) 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; 및 c) 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는 본 발명에 따른 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 물보다 표준산화전위가 낮은 음이온, 물보다 표준산화전위가 높은 음이온 및 물보다 표준환원전위가 낮은 양이온의 예는 상술한 바와 같다. 상기 a) 및 b) 단계는 동시 또는 순차적으로 수행될 수 있다.
상기 pH는 인가 전류의 방향, 인가 전류의 세기, 전류 인가 시간, 전극의 폭 또는 이온 교환성 물질의 두께에 의하여 조절될 수 있다. 정확한 인가 전류의 방향, 인가 전류의 세기, 전류 인가 시간, 전극의 면적 및 이온 교환성 물질의 두께 는 희망하는 pH 또는 챔버의 부피 등에 따라 달라질 수 있고, 이는 당업자의 실험에 의해 용이하게 결정될 수 있을 것이다.
바이오 샘플 용액에 가장 많이 들어 있는 NaCl이 포함된 샘플 용액을 애노드와 캐소드에 유입 후 전기분해를 하면 애노드 챔버에서 물이 아닌 염소 이온이 전기분해 되어 염소가스가 발생하여 캐소드 챔버에 발생한 하이드록사이드 이온보다 적은 양의 수소 이온이 발생하며 이 양은 염소가스와 물이 반응하여 발생한 것으로 염소가스의 용해조건에 따라 달라지게 되어 pH 조절이 어렵다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 각 물보다 표준산화전위가 낮은 화합물 및 물보다 표준환원전위가 낮은 화합물을 사용한다. 하지만 세포의 용해만을 위한 경우에는 NaCl을 포함한 샘플용액을 애노드와 캐소드에 유입 후 전기분해를 하여 캐소드에서 세포를 용해시킬 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 캐소드 챔버에서는 물보다 표준환원전위가 낮은 화합물이 포함되어 있는 캐소드 챔버 용액이 포함되어 있기 때문에 물이 전기분해되어 수소 기체와 OH- 이온이 발생한다. 또한, 상기 애노드 챔버에서는 물보다 표준환원전위가 낮은 화합물이 포함되어 있는 애노드 챔버 용액이 포함되어 있기 때문에 물이 전기분해되어 산소 기체와 H+ 이온이 발생한다. 결과적으로 상기 캐소드 챔버 용액은 염기성 pH를 띠고 상기 애노드 챔버 용액은 산성 pH를 띤다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예 에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치의 제조
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하기 위해서, 먼저 도 3에 도시되어 있는 미세유동장치의 각 프레임들을 제조하였다.
먼저, 일정한 프레임을 포함하는 주형에 하기 화학식 1의 0.5 wt% 설포닉 애시드기로 치환된 스티렌계 이온교환수지 용액 50㎕, 45 wt% 아크릴아미드(CH2CHCONH2) 100㎕, 0.1 wt% 비스-아크릴아미드(CH2(CH2CHCONH)2) 50㎕, 10 wt% 암모늄 퍼설페이트 30㎕와 TEMED 5㎕를 전극 높이까지 넣고 상온에서 20분간 가교 반응을 수행하였다. 이때 모든 물질의 용매는 초순수수이다. 상기 반응물은 가교와 동시에 고화되었고, 그 결과 양이온 교환성 물질이 생성되었다. 상기 주형을 제거하여 이온 교환성 물질이 고정된 프레임을 제작하였다(도 4 참조).
<화학식 1>
Figure 112005044099612-pat00001
상기 식에서, n은 2 내지 100,000의 정수이다.
애노드 또는 캐소드가 고정된 프레임은 반도체 제조 공정을 응용하여 제조하 였다. 즉, 유리 기판에 감광액(photoresist)를 코팅하고, 마스크를 이용하여 노광(exposure)시키고, 현상(development)시킨 후에, 전극으로서 두께 1000 A의 Pt 및 두께 100 A의 Ti을 사용하여 코팅하였다. 다음으로, 감광액을 제거하고, 샌드블라스팅(sandblasting)에 의해 홀을 생성한 후에, 다이싱(dicing)하여, 애노드 또는 캐소드가 고정된 프레임을 제작하였다.
애노드 챔버 또는 캐소드 챔버의 이온 교환성물질로 구성된 일면 이외의 면들을 구성하는 프레임은 DeepRIE(STS Multiplex system)를 이용하여 두께 1000μm의 Si 웨이퍼를 500μm 깊이로 건식 식각시켜 제조하거나, PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용하여 주조할 수 있다.
상기에서 제조한 프레임들을 조립함으로써 본 발명에 따른 장치를 제조하였다. 본 실시예에서 제조된 장치의 홀의 사이즈는 5.1 cm2 이고, 전극의 사이즈는 14.9 cm2 였다.
도 5A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 평면 사진이고, 도 5B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 측면 사진이다.
<실시예 2>
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치의 제조
홀의 사이즈가 11.2 cm2 이고, 전극의 사이즈가 8.8 cm2 인 점을 제외하고는, 상기 실시예 1의 장치와 동일한 방법으로 제조하였다.
<실시예 3>
본 발명에 따른 미세유동장치의 인가 전압에 대한 전류 세기 측정
실시예 1 및 2에서 제조한 본 발명에 따른 미세유동장치를 이용하여 일정한 인가 전압에 대한 전류 세기를 측정하였다. 전류 세기는 pH 변화와 비례 관계에 있다.
즉, 실시예 1 및 2에서 제조한 본 발명에 따른 미세유동장치의 캐소드 챔버와 애노드 챔버를 100 mM Na2SO4 수용액으로 각각 채우고, 실온에서 5 V의 직류 전압을 인가하여 양 전극 사이의 전류를 측정하였다.
그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6은 본 발명에 따른 미세유동장치의 인가 전압에 대한 전류 세기를 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 전류세기는 저항에 반비례하여 칩의 디자인에 따라 저항의 변화를 나타낸 것으로, 실시예 1의 장치 보다 실시예 2의 장치를 사용하는 경우 전류의 세기가 높았다.
상기와 같은 미소한 차이는 있었지만, 실시예 1 및 2에서 제조한 모든 미세유동장치가 충분한 전류 세기를 나타내어, 전기분해를 통한 pH 조절에 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
상기 전류 세기는 본 발명에 따른 이온 교환성 물질의 저항에 의해 영향을 받는다. 이온 교환성 물질은 일종의 도선 역할을 수행하므로, 두께가 두꺼울수록 및 그의 단면적이 좁을수록 저항이 높아지고, 결국 전극간 전류 세기는 낮아진다.
<실시예 4>
본 발명에 따른 미세유동장치의 이온 분리 능력 측정
실시예 1 및 2에서 제조한 본 발명에 따른 미세유동장치의 이온 분리 능력을 측정하였다.
즉, 상기 실시예 3에서와 같이 동일한 조건으로 40초 동안 5 V의 전압을 인가한 후, 60초 동안 전압을 인가하지 않고 방치하여 캐소드 챔버의 pH 변화를 측정하였다.
그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7을 참조하면, 60초 동안 방치한 후 실시예 1 및 2의 캐소드 챔버의 pH 변화는 각각 약 0.095 및 0.07로, 실시예 2가 더 우수한 pH 유지력을 보였다. 상기와 같은 미소한 차이는 있었지만, 실시예 1 및 2에서 제조한 모든 미세유동장치가 충분한 pH 유지력을 나타내어 이온 분리 능력이 우수하고, 따라서 전기분해를 통한 pH 조절에 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
본 발명의 미세유동장치에 의하면, 미세유동장치 내의 pH를 신속하게 조절할 수 있고, 그에 의해 상이한 pH를 필요로 하는 일련의 생물학적 분석과정, 예컨대 세포 용해를 효과적으로 수행할 수 있다. 본 발명의 미세유동장치는 가교 반응과 동시에 성막되는 이온 교환성 물질을 이용함으로써 용이하게 미세화될 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 미세유동장치 내의 유체의 pH를 신속하고 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (13)

  1. a) 이온 교환성 막;
    b) 일면이 상기 이온 교환성 막의 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버; 및
    c) 일면이 상기 이온 교환성 막의 다른 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버
    를 포함하는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 교환성 막은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온 및 가스를 분리하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이온 교환성 막은 가교 반응과 동시에 성막되고 프레임에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프레임은 V자 형태인 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전극은 백금, 금, 구리, 팔라듐 및 티타늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 애노드 전극 및 캐소드 전극의 마주보는 일면에 가스 배출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 용액을 유입 및 유출시키기 위한 펌프를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  9. a) 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계;
    b) 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입 시키는 단계; 및
    c) 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계
    를 포함하는 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 애노드 챔버에 유입되는 물보다 표준산화전위가 낮은 이온은 NO3 -, F-, SO4 2-, PO4 3- 및 CO3 2-로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 애노드 챔버에 유입되는 물보다 표준산화전위가 높은 이온은 Cl-인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버에 유입되는 물보다 표준환원전위가 낮은 이온은 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 및 Al3+로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 pH는 인가 전류의 방향, 인가 전류의 세기, 전류 인가 시간, 전극의 폭 또는 이온 교환성 막의 두께에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
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