KR100738084B1 - 유체의 ｐＨ를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는 방법 - Google Patents

유체의 ｐＨ를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치에 있어서, 캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 구비하는 챔버를 포함하고, 상기 챔버 내에서 가스가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 미세유동장치 및 그를 이용하여 pH를 조절하는 방법을 제공한다. 본 발명의 미세유동장치에 의하면, 전기 분해시 가스가 발생하지 않으므로 마이크로 유동 채널 내의 용액 흐름 방해, 유체 제어 억제, 혼합 억제, 반응 억제, 및 열과 물질 전달과 같은 가스 거품에 의한 문제가 발생하지 않고, 가스 배출구 및 별도의 가스 제거 장치를 필요로 하지 않아 미세유동장치의 소형화에 기여할 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 전기 분해시 가스 발생 없이 미세유동장치 내의 유체의 pH를 신속하고 용이하게 조절할 수 있다.
전기분해, pH, 미세유동장치, 이온 교환성 물질, 랩온어칩, 가스

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 본 발명에 따른 미세유동장치의 일 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 3A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 3B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 4A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 4B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 5A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이고, 도 5B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예의 애노드 전극부를 도시한 상면도이다.
도 6A 내지 도 6C는 본 발명에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기분해를 수행한 후에 산화된 애노드 전극인 납(Pb), 구리(Cu) 및 은(Ag)을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세유동장치의 세포 용해 능력을 비교예와 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
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 유체적으로 연결되어 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 첨가하거나 제거함으로써 이루어졌다. 그러나, 미세유동장치에 있어서 이러한 pH 조절용 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, 물을 전기분해 시켜 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 각각 발생하는 H+ 및 OH-에 의해 물의 pH를 낮추거나 높이는 방법이 있다.
하지만, 상기 종래 방법은 전기분해의 결과로서 산소 및 수소 등의 가스가 발생하는 문제점이 있다. 상기 발생된 가스는 마이크로 유동 채널 내의 용액 흐름을 방해하여 다음 챔버로 용액 전달을 어렵게 한다. 또한, 상기 마이크로 시스템에 있어서 용액 내의 가스는 두 상(phase)의 계면에 의해 혼합, 반응, 열 전달 및 물질 전달 등에 악영향을 미칠 가능성이 매우 높다.
상기와 같은 문제점을 갖는 가스를 배출하기 위하여 가스 배출구 및 별도의 가스 제거 장치를 필요로 한다(미국 특허 제 5,685,966호 참조). 하지만, 상기와 같이 별도의 가스 배출구 및 가스 제거 장치를 부착하는 경우 미세유동장치의 소형화에 한계로서 작용하고, 제작 공정의 복잡화 및 제작 비용의 증가를 야기할 뿐만 아니라, 상기 미세유동장치의 작동 과정도 복잡해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 챔버 내 가스 발생이 없는 것을 특징으로 하는 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 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치에 있어서, 캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 구비하는 챔버를 포함하고, 상기 챔버 내에서 가스가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 미세유동장치를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 전극은 팔라듐(Pd)일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 애노드 전극은 구리(Cu), 납(Pb), 은 (Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 챔버는 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온을 분리하는 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 성막되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 챔버는 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 챔버는 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함할 수 있다.
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 발명의 일 구체예에 따른 미세유동장치 내의 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 애노드 챔버에 유입되는 물보다 표준산화전위가 낮은 이온은 NO3 -, F-, SO4 2 -, PO4 3 - 및 CO3 2 -로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 애노드 챔버에 유입되는 물보다 표준산화전위가 높은 이온은 Cl-일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 챔버에 유입되는 물보다 표준환원전위가 낮은 이온은 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 및 Al3+로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH는 인가 전류의 방향, 인가 전류의 세기, 전류 인가 시간, 전극의 폭 또는 이온 교환성 물질의 두께에 의하여 조절될 수 있다.
이하 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면은 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치는 캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 구비하는 챔버를 포함하고, 상 기 챔버 내에서 가스가 발생하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 미세유동장치에 있어서, 상기 캐소드 전극은 수소 가스를 흡착할 수 있는 모든 금속을 포함하고, 특별한 종류에 한정되지 않는다.
예컨대, 상기 캐소드 전극은 팔라듐(Pd)일 수 있다. 상기 팔라듐(Pd)은 다량의 수소 가스를 흡착하는 능력을 보유하는 것으로 알려져 있다(F.A.Lewis, The Hydrogen-Palladium System, Academic Press, London, 1967). 상기와 같이 캐소드 전극으로서 예컨대, 팔라듐(Pd)을 사용하는 경우, 물의 전기 분해에 의해 캐소드 전극 부근에서 발생하는 수소 가스를 흡착하여 가스의 발생을 방지할 수 있고, 물의 전기 분해에 의해 동시에 발생하는 OH-에 의해 캐소드 전극 부근의 용액의 pH를 높일 수 있다.
또한, 상기 애노드 전극은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 모든 금속을 포함하고, 특별한 종류에 한정되지 않는다.
일반적으로 물을 전기 분해하는 경우 애노드 전극 부근에서는 산소 가스가 발생하여 거품이 형성되고 수소 이온이 발생하여 용액의 pH가 낮아진다. 반면, 본 발명에 따른 미세유동장치는 물보다 표준산화전위가 높은 금속을 사용함으로써, 물이 전기 분해되지 않고 상기 금속이 산화하여 이온화 됨으로써 가스가 발생하지 않는다. 또한, 전압의 상승 및 용질의 변화와 같은 일정 조건에 따라 발생될 수도 있는 소량의 산소도 상기 금속과 결합하여 금속 산화물을 형성함으로써 산소 가스에 의한 거품은 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 미세유동장치의 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높다고 할지라도 물과 반응하는 금속은 바람직하지 않다. 예컨대, 칼륨(K), 칼슘(Ca), 나트륨(Na) 및 마그네슘(Mg)은 상기 애노드 전극으로서 바람직하지 않다.
또한, 상기 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높다고 할지라도 산화막이 너무 빨리 형성되어 저항이 커지는 금속은 바람직하지 않다. 예컨대, 알루미늄(Al)은 짧은 시간 내에 알루미나로 산화되므로 상기 애노드 전극으로서 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 상기 애노드 전극은 예컨대, 구리(Cu), 납(Pb), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 미세유동장치는 그의 구체적인 형태, 구조 및 크기 등에 특별히 한정되지 않는다. 이하, 본 발명에 따른 미세유동장치의 구체적인 형태 및 구조를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동장치의 일 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치의 일 구체예는 캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속(101)을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속(103)을 구비하는 챔버(105)를 포함한다.
본 발명의 미세유동장치에 있어서, 챔버, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 유 체와 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 생분자를 포함하는 유체의 pH를 전기화학적으로 조절할 수 있는 랩온어칩의 형태일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 챔버는 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분될 수 있다.
상기 이온 교환성 물질, 예컨대 이온 교환막을 사용하는 경우 애노드 전극에서 발생한 산성 용액과 캐소드 전극에서 발생한 알칼리성 용액 및 금속 이온을 서로 분리하여 캐소드 챔버 및 애노드 챔버 내 pH 제어가 용이해지고 매우 높은 pH 조절도 가능하다. 또한, 상기 pH 제어에 의해 세포를 용해하는 경우 상기 용해된 세포의 DNA가 애노드 전극으로 끌려가 흡착되는 것을 방지할 수 있는 장점도 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온을 통과시키지 않는 특성을 갖는다. 바람직하게, 상기 이온 교환성 물질은 전류는 통과시키나 수소 이온 및 하이드록사이드 이온은 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.
도 2는 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 챔버는 이온 교환막(205)을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극(201)을 구비하는 캐소드 챔버(207) 및 애노드 전극(203)을 구비하는 애노드 챔버(209)로 구분된다. 상기 캐소드 전극(201)은 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속이고, 상기 애노드 전극(203)은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속이다.
도 3A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시 도이고, 도 3B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 3A 및 3B를 참조하면, 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치는 이온 교환성 물질(305); 일면이 상기 이온 교환성 물질(305)의 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극(301)을 구비하는 애노드 챔버(307); 및 일면이 상기 이온 교환성 물질(305)의 다른 일면으로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극(303)을 구비하는 캐소드 챔버(309)를 포함한다. 상기 애노드 챔버(307) 및 캐소드 챔버(309)는 각각 기판(211,213)에 의해 둘러싸여 있다. 상기 캐소드 전극(303)은 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속이고, 상기 애노드 전극(301)은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속이다.
상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 성막되는 경우, 프레임에 의해 고정될 수 있다. 또한, 이온 교환성 물질 및 프레임 사이의 결합력을 향상시키기 위하여, 상기 프레임은 V자 형태일 수 있다.
도 4A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 4B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 4A 및 4B를 참조하면, 본 발명에 따른 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치의 또 다른 구체예는 이온 교환성 물질(405); 일면이 상기 이온 교환성 물질(405)로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극(401)을 구비하는 애노드 챔버(407); 및 일면이 상기 이온 교환성 물질(405)로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극(403)을 구비하는 캐소드 챔버(409)를 포함하고, 상기 애노드 챔버(407) 및 캐소드 챔버(409)의 경계는 부도체(411)에 의하여 구분되어 있다.
상기 캐소드 전극(403)은 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속이고, 상기 애노드 전극(401)은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속이다.
상기 애노드 챔버(407) 및 캐소드 챔버(409)는 기판(413)에 의해 둘러싸여 있고, 상기 기판(413)에는 이온 교환성 물질 주입구(415)를 추가로 포함할 수 있다.
도 5A는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예를 도시한 측면 단면도이고, 도 5B는 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예의 애노드 전극부를 도시한 상면도이다.
도 5A를 참조하면, 본 발명에 따른 미세유동장치의 또 다른 구체예는 이온 교환막(505); 일면이 상기 이온 교환막(505)의 일면으로 구성되고, 사다리 모양의 애노드 전극(503) 및 애노드 전극 지지부(515)를 포함하는 애노드 챔버(509); 및 일면이 상기 이온 교환막(505)의 다른 일면으로 구성되고, 캐소드 전극(501)을 포함하는 캐소드 챔버(507);를 포함하고, 상기 애노드 전극 지지부(515)는 그의 일면에 상기 사다리 모양의 애노드 전극(503)을 구비하고 상기 애노드 전극(503)의 사다리 모양에 따라 개구부가 형성되어 있으며 그의 다른 일면은 상기 이온 교환막(505)과 접촉하여 그를 지지한다. 또한, 상기 이온 교환막(505)의 다른 일면으로 구성되는 캐소드 챔버(507)의 일면에 대향하는 다른 일면에 필라 구조(517)가 형성되어 있고, 상기 필라 구조(517)는 상기 이온 교환막(505)과 접촉하여 그를 지지한다. 상기 필라 구조(517)는 생분자 흡착을 촉진시킨다.
상기 캐소드 전극(501)은 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속이고, 상기 애노드 전극(503)은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속이다.
상기 도 5A 및 5B에 따른 미세유동장치는 그의 애노드 전극 지지부(515) 및 필라 구조(517)에 의해 상기 이온 교환막(505)을 지지함으로써 그의 팽창(swelling) 현상을 방지하여 챔버의 부피 변화를 최소화할 수 있고, 애노드 전극을 사다리 모양으로 전체적으로 분포 시킴으로써 전류 흐름을 촉진시켜 pH 조절을 효율적으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 미세유동장치는 상기 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액, 즉 전기 분해되는 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. 물보다 표준산화전위가 높은 Cl- 이온은 세포의 용해만을 목적으로 하는 경우 특별히 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 또다른 일 구체예에서, 본 발명의 미세유동장치는 상기 캐 소드 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.
본 발명에 있어서, 상기 챔버, 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.
다시 도 5B를 참조하면, 캐소드 챔버의 유입구(519a) 및 유출구(519b)가 구비된다. 또한, 전원 연결구(521)도 구비되어 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 챔버, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 각각 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기분해에 의하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방법의 일 구체예는 이온 교환 물질을 포함하지 않는 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동장치(도 1 참조)를 이용하여 전기 분해에 의하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 조절하는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 다른 구체예는 이온 교환 물질을 포함하는 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동장치(도 2 내지 도 5B 참조)를 이용하여 전기 분해에 의하여 미세유동장치 내의 유체의 pH를 조절하는 것이다.
이온 교환성 물질, 예컨대 이온 교환막을 사용하는 경우 애노드 전극에서 발생한 산성 용액과 캐소드 전극에서 발생한 알칼리성 용액 및 금속 이온을 서로 분리하여 캐소드 챔버 및 애노드 챔버 내 pH 제어가 용이해지고 매우 높은 pH 조절도 가능하다. 또한, 상기 pH 제어에 의해 세포를 용해하는 경우 상기 용해된 세포의 DNA가 애노드 전극으로 끌려가 흡착되는 것을 방지할 수 있는 장점도 있다.
상기 본 발명에 따른 방법의 다른 구체예는 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 포함한다.
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 두께는 희망하는 pH 또는 챔버의 부피 등에 따라 달라질 수 있고, 이는 당업자의 실험에 의해 용이하게 결정될 수 있을 것이다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 캐소드 챔버에서는 물보다 표준환원전위가 낮은 화합물이 포함되어 있는 캐소드 챔버 용액이 포함되어 있기 때문에 물이 전기 분해되어 수소 기체와 OH- 이온이 발생한다. 상기 수소 가스는 본 발명에 따른 미세유동장치의 캐소드 전극, 예컨대 팔라듐에 의해 흡착되어 가스가 용액 내로 방출되지 않고, 상기 OH-에 의해 캐소드 챔버 용액의 pH를 높일 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서, 상기 애노드 챔버에서는 물보다 표준산화전위가 낮은 화합물이 포함되어 있는 애노드 챔버 용액이 포함되어 있고, 상기 애노드 전극은 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속으로 구성되기 때문에, 물이 전기 분해되지 않고 상기 금속이 산화하여 이온화 됨으로써 가스가 발생하지 않는다. 또한, 전압의 상승 및 용질의 변화와 같은 일정 조건에 따라 발생될 수도 있는 소량의 산소도 상기 금속과 결합하여 금속 산화물을 형성함으로써 산소 가스에 의한 거품은 발생하지 않는다.
한편, 세포의 용해만을 위한 경우에는 NaCl을 포함한 샘플용액을 애노드와 캐소드에 유입 후 전기분해를 하여 캐소드에서 세포를 용해시킬 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치의 제조
도 2의 구조를 갖는 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
먼저 전해 도금법에 의해 팔라듐이 도금된 캐소드 전극을 제조하였다. 전도체로서 Au/Cr가 고정되어 있는 기판을 제작하고, 상기 기판을 5 g/L 농도의 팔라듐 용액(pH 5.5)에 담그고, 온도를 중탕으로 55 ℃로 유지하였다. 팔라듐 입자가 가라 않지 않도록 상기 용액을 교반시켜 주었다. 양극에 백금망을 놓고 평행이 유지되도록 상기 기판을 음극에 연결시키고, 1.0 A/dm2의 전류 밀도를 가하여 주었다. 그 결과 분당 0.4 ㎛로 도금이 되었고, 약 10 ㎛의 두께로 팔라듐을 도금하였다. 상기 기판을 40 mm2의 넓이로 절단하여 캐소드 전극을 제조하였다.
애노드 전극으로서 동일한 넓이의 은 기판을 이용하였고, 이온 교환막으로서 -SO3-Na+ 기를 포함하는 양이온 교환막을 사용하였다. 캐소드 챔버 및 애노드 챔버의 부피는 각각 10 ㎕로 하여, 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<실시예 2>
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치의 제조
애노드 전극으로서 구리 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<실시예 3>
본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치의 제조
애노드 전극으로서 납 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<비교예 1>
pH 조절용 미세유동장치의 제조
캐소드 전극 및 애노드 전극으로서 모두 백금 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<비교예 2>
pH 조절용 미세유동장치의 제조
애노드 전극으로서 백금 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<비교예 3>
pH 조절용 미세유동장치의 제조
애노드 전극으로서 금 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
<비교예 4>
pH 조절용 미세유동장치의 제조
애노드 전극으로서 알루미늄 기판을 사용한 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 본 발명에 따른 pH 조절용 미세유동장치를 제조하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따른 미세유동장치의 캐소드 전극 및 애노드 전극을 하기 표 1에 정리하였다.
<표 1>
캐소드 전극 애노드 전극
실시예 1 팔라듐 은
실시예 2 팔라듐 구리
실시예 3 팔라듐 납
비교예 1 백금 백금
비교예 2 팔라듐 백금
비교예 3 팔라듐 금
비교예 4 팔라듐 알루미늄
<실험예 1>
시간에 따른 가스 발생 여부 및 pH 변화 확인
상기 실시예 및 비교예에서 제작된 미세유동장치에 대하여 전기분해에 따른 가스 발생 여부 및 각 챔버의 pH 변화를 확인하였다.
각 미세유동장치의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버에 각각 10 ㎕의 55 mM Na2SO4 용액을 주입하고, 캐소드 전극 및 애노드 전극을 통해 2 mA의 전류를 인가하였다.
전류 인가 후 가스가 발생하기 시작하는 시간을 표 2에 나타내었고, 전류 인가 후 30초에서의 pH를 표 3에 나타내었다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예의 경우 챔버 중 하나 또는 둘 모두에서 가스가 단시간 내에 발생하는 반면, 실시예의 경우 측정한 시간 내에서 두 챔버 모두에서 가스가 발생하지 않았다.
또한, 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예의 애노드 챔버의 pH는 비교예의 pH에 비해 높았다. 하지만, 세포 용해와 같은 생분자 처리에 주로 사용되는 캐소드 챔버의 경우 높은 pH를 나타내었다.
<표 2>
캐소드 챔버(초) 애노드 챔버(초)
실시예 1 > 1분 30초 1분 12초
실시예 2 > 1분 30초 > 1분 30초
실시예 3 > 1분 30초 > 1분 30초
비교예 1 < 1초 < 1초
비교예 2 > 1분 30초 < 1초
비교예 3 > 1분 30초 < 1초
<표 3>
캐소드 챔버(pH) 애노드 챔버(pH)
실시예 1 > 13 < 5
실시예 2 > 13 < 6
실시예 3 > 13 < 5
비교예 1 > 13 < 2
비교예 2 > 13 < 2
비교예 3 > 13 < 2
도 6A 내지 도 6C는 본 발명에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기분해를 수행한 후에 산화된 애노드 전극인 납(Pb), 구리(Cu) 및 은(Ag)을 나타내는 사진이다.
<실험예 2>
미세유동장치의 저항 측정
각 미세유동장치의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버에 각각 10 ㎕의 55 mM Na2SO4 용액을 주입하고 전극 간의 저항을 측정하였다.
그 결과 실시예 1 및 비교예 1 내지 3의 경우 약 400 Ω의 저항을 가졌고, 실시예 2의 경우 약 500 Ω의 저항을 가졌으며, 실시예 3의 경우 약 800 Ω의 저항을 가졌다.
반면, 실시예 4의 경우 5000 Ω 이상의 저항을 가졌다. 실시예 4 외에도 애노드 전극으로서 알루미늄을 사용하고 캐소드 전극으로서 다양한 전극, 예컨대, 백금, 금, 은, 구리 또는 납을 사용하는 경우에도 5000 Ω 이상의 저항을 가졌다.
상기 결과로부터 애노드 전극으로서 알루미늄을 사용하는 경우 저항이 너쿠 커서 전기 분해에 적합하지 않음을 알 수 있다. 이는 알루미늄이 너무 빨리 산화되기 때문이다.
<실험예 3>
미세유동장치의 세포 용해 실험
실시예 2 및 비교예 1에서 각각 제조한 미세유동장치를 이용하여 일련의 생물학적 분석 과정 중 하나인 세포 용해 실험을 수행하였다.
먼저, 실시예 2 및 비교예 1의 미세유동장치의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버를 각각 55 mM Na2SO4로 채우고, 캐소드 챔버에는 E.coli(BL21, Stratagen)의 배양물을 1.0의 OD600의 양으로 첨가하였다.
상기 실시예 2 및 비교예 1의 미세유동장치에 대하여 2 mA의 직류 전류를 실온에서 30초 동안 인가함으로써 전기분해를 수행하였다.
상기 과정에 의해 얻어진 용액을 주형으로 RT-PCR을 수행하여 세포가 용해되어 유출된 DNA를 측정하였다. 프라이머로서 포워드 프라이머 및 리버스 프라이머를 사용하였다(FP: 5'-YCCAKACTCCTACGGGAGGC-3', RP: 5'-GTATTACCGCRRCTGCTGGCAC-3').
DNA의 양은 Realtime 정량 PCR에 의하여 Cp(crossing point)를 구하였다. Cp(신호가 올라가는 cycle을 의미)가 작을수록 초기 DNA 양이 많은 것을 의미한다. 이는 초기 양이 많아야만, 검출기에 의한 감지가 빨라지기 때문이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세유동장치의 세포 용해 능력을 비교예와 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 2의 미세유동장치의 Cp 값은 12.45로서 비교예 1의 미세유동장치의 Cp 값인 13.45보다 작았다. 이때 표준 샘플로써 전류를 가하지 않은 세포용액은 Cp 값이 19.82 였다. 상기 결과로부터, 본 발명에 따른 미세유동장치를 이용하는 경우 챔버의 pH 조절을 효과적으로 수행할 수 있고, 그에 의해 상이한 pH를 필요로 하는 일련의 생물학적 분석과정, 예컨대 세포 용해를 효과적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 미세유동장치에 의하면, 전기 분해시 가스가 발생하지 않으므로 마이크로 유동 채널 내의 용액 흐름 방해, 유체 제어 억제, 혼합 억제, 반응 억제, 및 열과 물질 전달과 같은 가스 거품에 의한 문제가 발생하지 않고, 가스 배출구 및 별도의 가스 제거 장치를 필요로 하지 않아 미세유동장치의 소형화에 기여할 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 전기 분해시 가스 발생 없이 미세유동장치 내의 유체의 pH를 신속하고 용이하게 조절할 수 있다.

Claims (13)

  1. 유체의 pH를 전기화학적으로 조절하기 위한 미세유동장치에 있어서,
    캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 구비하는 챔버를 포함하고,
    상기 챔버 내에서 가스가 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐소드 전극은 팔라듐(Pd)인 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 애노드 전극은 구리(Cu), 납(Pb), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버는 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이온 교환성 물질은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온을 분리하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버는 용액이 유입 및 유출되는 유입구 및 유출구를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 챔버는 용액을 유입 및 유출시키기 위한 마이크로펌프를 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 4항에 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 물질의 두께에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
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