KR100907253B1 - 랩온어칩 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

랩온어칩이 제공된다. 이 랩온어칩은 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제 1 영역, 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역 및 제 1 영역과 제 2 영역의 경계에 대향하는 제 2 영역의 말단에 구비되어 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절하여 모세관력을 제어하는 간극 조절 부재를 포함한다.
lab-on-a-chip, 모세관력, 간극, 조절, 단백질

Description

랩온어칩 및 그 구동 방법{Lab-On-A-Chip and Method of Driving the Same}
본 발명은 랩온어칩에 관한 것으로, 더 구체적으로 모세관력 조절형 랩온어칩 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-02, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
인간 사회가 발전하면서 화학 관련 산업이 끊임없이 발전하고 있으며, 이러한 화학 산업의 발전에 필수적으로 수반하여 발전할 필요가 있는 것이 화학 분석 기술이다. 화학 분석 기술은 물질의 감식, 검출 또는 화학적 조성을 알아내기 위하여 사용하는 방법을 통칭하는 것이다.
빠르고 정확한 화학 분석을 위하여, 일일이 실험자의 수작업에 의존하던 화학 분석을 자동으로 수행하기 위한 화학 분석 장치의 개발이 진행되고 있다. 이러한 화학 분석 장치는 채취된 시료를 공급하기만 하면 자동으로 시료를 시약들과 혼합하고, 일정 시간 동안 반응시키고, 검출기로 반응물을 옮기고 그리고 전기적 또는 광학적 신호로 측정 대상의 농도에 비례하는 신호를 출력하는 과정이 하나의 측 정 시스템에서 자동으로 수행되는 것이다.
최근 이러한 자동 분석 장치를 아주 작은 칩(chip)에서 미세하게 구현한 혁신적인 장치가 개발되었고, 이를 랩온어칩(lap-on-a-chip)이라 부른다. 랩온어칩은 미세한 유체 채널(channel)을 가지고 있어서, 유체 시료를 채널로 유도하면서 시약들과의 혼합 및 반응, 및 검출 등과 같은 여러 가지 화학 분석 조작을 수행한다. 화학 분석에 랩온어칩을 사용하면, 화학 분석 과정이 매우 단순해질 뿐만 아니라, 한번 사용하고난 랩온어칩을 폐기하고 새로운 랩온어칩을 사용하기 때문에, 화학 분석 전후 처리과정이 생략될 수 있다. 혈액 속의 특정 단백질을 분석 및 측정하는 단백질 랩온어칩이나, 시료 속에 특정 디엔에이(DeoxyriboNucleic Acid : DNA, 이하 DNA로 기재)를 분석 및 측정하는 DNA 랩온어칩 등은 실용화되어 널리 사용되고 있는 실정이다.
도 1은 랩온어칩에서의 화학 분석 과정을 설명하기 위한 순서도 및 그에 따른 개념도들이다. 여기서는 혈액으로부터 혈구를 분리하고 혈장 성분의 일부에 포함된 특정 단백질을 분석하는 과정을 예로 들어 설명하고자 한다.
도 1을 참조하면, 랩온어칩에 혈액을 주입(S10)한다. 랩온어칩에 주입된 혈액 중 바이오마커(biomaker) 단백질(1)을 포함하는 유체가 제 1 반응부로 이동한다.
유체에 포함된 바이오마커 단백질(1)은 제 1 반응부에서 형광체(3) 및 제 1 항체(primary antibody, 4)를 포함하고 있는 담체 입자(2)와 반응(S20)한다. 담체 입자(carrier particle, 2)는 나노미터(nm) 혹은 마이크로미터(μm) 크기일 수 있 다. 담체 입자(2)는 랩온어칩의 제 1 반응부 부위의 하부 기판(10)에 제공된 부착력을 갖는 점액성의 물질로 이루어진 스캐폴드(scaffold, 5)에 의해 고정될 수 있다. 유체에 포함된 바이오마커 단백질(1)과 담체 입자(2)에 포함된 제 1 항체(4) 사이의 제 1 항원-항체 반응(primary antigen-antibody reaction)에 의해 제 1 항원-항체 반응물(6)이 형성된다.
제 1 항원-항체 반응물(6)은 유체의 흐름에 의해 이송(S30)된다. 유체의 흐름에 의해 이송된 제 1 항원-항체 반응물(6)은 제 2 반응부에서 제 2 항체(8)와 반응(S40)한다. 제 1 항원-항체 반응물(6)에 포함된 바이오마커 단백질(1)과 제 2 항체(8) 사이의 제 2 항원-항체 반응에 의해 제 2 항원-항체 반응물(9)이 형성된다. 제 2 항원-항체 반응물(9)에 빛을 조사하여 담체 입자(2)에 포함된 형광체(3)에 의한 형광 이미지를 분석함으로써, 혈액 속의 특정 단백질의 함유 여부 및 정도를 분석할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 종래기술에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 모세관력(capillary force) 랩온어칩은 하부 기판(10), 상부 기판(20) 및 양 측벽 기판(30 및 40)으로 구성된다. 하부 기판(10) 및 상부 기판(20)은 일정한 간극인 h를 유지하도록 배치되어 모세관(capillary)을 구성한다. h는 모세관이 모세관력을 가질 수 있는 최대 높이인 문턱 간극이다. 모세관력은 모세관을 구성하는 하부 기판(10), 상부 기판(20) 및 양 측벽 기판(30 및 40)의 내부 표면에 각각 존재한다.
하부 기판(10)은 필터부(filter part, 12) 및 소수성(hydrophobic) 홈들(14)을 포함한다. 필터부(12)는 유체 시료(50)의 불필요한 성분을 걸러내고 분석하고자 하는 특정 성분만을 선택적으로 통과시킨다. 소수성 홈들(14)은 유체 시료(50) 중의 특정 성분을 포함하는 유체의 흐름을 지연시키는 타임게이트(timegate) 역할을 한다. 소수성 홈들(14)은 하부 기판(10)에 형성된 홈들의 표면을 소수성 물질로 표면 처리한 것이다. 도면에서와 달리, 타임게이트는 유체가 흐르는 채널의 형상을 변경시키는 것을 포함한다. 이러한 타임게이트는 유체의 흐름을 지연시켜 유체에 포함된 특정 성분과 시약 사이의 반응 정도를 높이기 위한 것이다.
이와 같은 소수성 홈을 이용하는 방식의 타임게이트를 갖는 모세관력 랩온어칩은 특정 성분을 포함하는 유체의 유입 속도가 빨라짐에 따라, 유체가 소수성 홈을 적셔오거나 또는 유체에 의한 습기의 유입으로 소수성 홈의 표면이 갖는 소수성이 약해진다. 결과적으로, 소수성 홈이 타임게이트 역할을 제대로 수행하지 못하여 유체에 포함된 특정 성분의 일부가 분석에 사용되는 시약과 제대로 반응하지 않은 채 지나가버리는 단점이 있다.
또한, 유체가 흐르는 채널의 형상 변경을 이용하는 방식의 타임게이트를 갖는 모세관력 랩온어칩은 채널의 형상이 복잡하기 때문에 제조에 어려움이 있을 뿐만 아니라, 채널의 길이가 길어지기 때문에 모세관력 랩온어칩의 크기가 커지는 단점이 있다.
이에 더하여, 소수성 홈 또는 유체가 흐르는 채널의 형상 변경과 같은 방식의 타임게이트는 단지 유체의 흐름을 지연시키는 역할을 할 뿐이기 때문에, 유체 시료에 포함된 특정 성분과 시약 사이의 반응 정도를 정확히 제어할 수 없는 단점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인위적으로 미세 유체의 흐름을 조절하여 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 시간을 자유자재로 제어할 수 있는 모세관력 랩온어칩을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 미세 유체의 흐름을 조절하여 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 시간을 자유자재로 제어할 수 있는 모세관력 랩온어칩의 구동 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 모세관력 랩온어칩을 제공한다. 이 랩온어칩은 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제 1 영역, 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역 및 제 1 영역과 제 2 영역의 경계에 대향하는 제 2 영역의 말단에 구비되어 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절하여 모세관력을 제어하는 간극 조절 부재를 포함할 수 있다.
하부 기판 및 상부 기판 중에서 적어도 하나의 기판은 연성 기판일 수 있다.
제 1 영역의 하부 기판은 필터부 및 제 1 반응부를 포함할 수 있다.
제 1 영역의 상부 기판은 혈액 주입구를 가질 수 있다.
필터부는 혈액의 혈구를 걸러내고 혈장 성분만을 통과시킬 수 있다.
제 1 반응부는 혈액의 혈장 성분과 반응하여 제 1 항원-항체 반응물을 형성하는 제 1 항체를 포함할 수 있다.
제 2 영역의 하부 기판 및 상부 기판의 양 측부는 노출된 형태를 가질 수 있다.
제 2 영역의 하부 기판은 적어도 하나의 제 2 반응부를 포함할 수 있다. 제 2 반응부는 제 1 항원-항체 반응물과 반응하여 제 2 항원-항체 반응물을 형성하는 제 2 항체를 포함할 수 있다.
간극 조절 부재는 그 일부가 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재되는 쐐기 형태일 수 있다. 스텝 모터의 구동에 의해 간극 조절 부재는 좌측 및 우측으로 이동하여 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절할 수 있다.
간극 조절 부재는 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극에 대향하는 제 2 영역 말단의 하부 기판 및 상부 기판 상에 각각 제공되는 한 쌍의 전자석일 수 있다. 간극 조절 부재는 한 쌍의 전자석의 인력 및 척력에 의해 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절할 수 있다. 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이에 개재되어 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 최소 간극을 유지하기 위한 지지 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 다른 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 모세관력 랩온어칩의 구동 방법을 제공한다. 이 방법은 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제 1 영역 및 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역을 포함하는 랩온어칩을 준비하는 단계, 및 제 1 영역과 제 2 영역의 경계에 대응하는 제 2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절하여 제 2 영역 내의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
유체의 흐름은 제 1 영역으로부터 제 2 영역으로의 전진, 후퇴 또는/및 정지를 포함할 수 있다.
제 2 영역은 적어도 하나의 반응부를 포함하고, 제 2 영역 내의 유체의 흐름을 제어하는 단계는 유체와 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 과제 해결 수단에 따르면 모세관력 랩온어칩의 모세관력을 자유롭게 변경함으로써, 미세 유체의 흐름이 조절될 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 시간을 자유자재로 제어할 수 있는 성능이 향상된 모세관력 랩온어칩이 제공될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한, 막이 다른 막 또는 기판 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막이 개재될 수도 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 모세관력 랩온어칩은 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)으로 구성될 수 있다. 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)은 일정한 간극(h)을 유지하도록 배치되어 모세관을 구성할 수 있다. 모세관력은 모세관을 구성하는 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 서로 마주보는 표면에 각각 존재할 수 있다.
도 3a에 도시된 것과 같이, 모세관의 양 측벽이 노출되더라도 모세관 현상은 존재할 수 있다. 양 측벽이 노출된 모세관은 그 양 측벽에서 모세관력이 사라지지만, 유체 시료(150) 자체의 응집력은 존재할 수 있다. 즉, 모세관을 구성하는 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 서로 마주보는 표면에서는 유체 시료(150) 자체의 응집력보다 모세관력이 상대적으로 크기 때문에, 유체 시료(150)는 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 서로 마주보는 표면을 타고 흐를 수 있다. 그러나 모세관의 노출된 양 측벽에서는 모세관력이 존재하지 않기 때문에, 유체 시료(150)는 양 측벽을 따라 흐를 수 없다. 하지만, 유체 시료(150)는 자체의 응집력이 있기 때문에, 유체 시료(150)는 모세관의 노출된 양 측벽으로 새어나올 수 없다.
또한, 모세관을 구성하는 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 서로 마주보는 표면에서의 모세관력은 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)과 노출된 양 측벽 사이의 경계 부위에서의 모세관력보다 상대적으로 매우 크기 때문에, 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)과 노출된 양 측벽 사이의 경계 부위를 타고 흐르는 유체 시 료(150)의 흐름을 무시할 수 있다.
하부 기판(110)은 필터부(112)를 포함한다. 필터부(112)는 유체 시료(50)의 불필요한 성분을 걸러내고 분석하고자 하는 특정 성분만을 선택적으로 통과시킨다. 하부 기판(110) 및 상부 기판(120) 중에서 적어도 하나의 기판은 탄력성을 갖는 연성(flexible) 기판일 수 있다. 바람직하게는, 상부 기판(120)이 연성 기판일 수 있다. 이에 따라, 상부 기판(120)의 일 단부를 들어올리면 상부 기판(120)은 곡선을 그리며 휠 수 있다. 즉, 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 h로 유지되는 영역과 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 h를 넘어서는 영역이 형성될 수 있다. 이에 따라, 하부 기판(110)과 상부 기판(120)으로 구성되는 모세관의 모세관력이 조절될 수 있다. 이에 대한 설명은 도 4a 내지 도 4e에서 더 자세히 설명하고자 한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동 원리를 설명하기 위한 개념 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 모세관력 랩온어칩의 채널은 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극의 높이인 h에 의한 모세관력에 의해 유체 시료(150)의 흐름이 존재하는 상태인 모세관일 수 있다. 이와 같이, 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 h로 유지되는 경우에는 유체 시료(150)가 하부 기판(110)과 상부 기판(120)으로 구성된 모세관을 따라 우측 방향으로 계속 흐를 수 있다.
도 4b를 참조하면, 모세관의 일 단부의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 h로 유지한 채, 모세관의 타 단부의 상부 기판(120)을 들어올려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 h에서 h+H1으로 높이게 되면, 유체 시료(150)는 L1 거리까지 후퇴한다. 이는 모세관력이 발생하는 모세관의 문턱 간극이 h이기 때문이다. 모세관의 간극이 문턱 간극인 h와 같거나 그 이하이면, 모세관은 모세관력을 가질 수 있다. 이와 반대로, 모세관의 간극이 문턱 간극인 h 이상이면, 모세관은 모세관력을 잃게 될 수 있다.
도 4c를 참조하면, 모세관의 타 단부의 상부 기판(120)을 더 들어올려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 h+H1에서 h+H2로 더 높이게 되면, 유체 시료(150)는 L2 거리까지 더 후퇴한다.
도 4d를 참조하면, 모세관의 타 단부의 상부 기판(120)을 내려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 h+H2에서 h+H1으로 낮추게 되면, 유체 시료(150)는 L1 거리까지 전진한다.
도 4e를 참조하면, 모세관의 타 단부의 상부 기판(120)을 더 내려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 h+H1에서 h로 더 낮추게 되면, 유체 시료(150)는 도 4a와 같은 지점까지 전진한다. 그리고 모세관의 모세관력에 의해 유체 시료(150)는 흐름이 존재하는 상태가 될 수 있다. 즉, 유체 시료(150)가 하부 기판(110)과 상부 기판(120)으로 구성된 모세관을 따라 우측 방향으로 계속 흐를 수 있다.
도 4a 내지 도 4e에서 알 수 있듯이, 모세관의 기하학적 형상의 변화는 모세관력의 변화를 초래할 수 있다. 즉, 본 발명의 모세관을 구성하는 하부 기판(110) 및 상부 기판(120) 중에서 적어도 하나의 기판이 탄력성을 갖는 연성 기판이라면, 모세관의 모세관력을 조절하여 유체 시료(150)의 전진, 후퇴 및 정지 등과 같은 흐름에 대한 미세 조절이 자유로울 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료(150)와 시약 사이의 반응 시간이 자유자재로 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 평면도이고, 도 6a 내지 도 6g는 도 5의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도들이다. 여기서는 혈액으로부터 혈구를 분리하고 혈장 성분의 일부에 포함된 특정 단백질을 분석하는 단백질 랩온어칩을 예로 들어 설명하고자 한다.
도 5 및 도 6a를 참조하면, 모세관력 랩온어칩은 하부 기판(110)과 상부 기판(120)이 서로 본딩되어 있는 제 1 영역(A), 하부 기판(110)과 상부 기판(120)이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역(B) 및 제 1 영역(A)과 제 2 영역(B)의 경계에 대향하는 제 2 영역(B)의 말단에 구비되어 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 조절하는 간극 조절 부재(140)를 포함할 수 있다.
제 1 영역(A)의 하부 기판(110)과 상부 기판(120)은 본딩 부재(130)를 매개로 본딩될 수 있다. 본딩 부재(130)는 제 1 영역(A)의 기밀을 유지하기 위한 것일 수 있다. 제 1 영역(A)의 하부 기판(110)은 필터부(112) 및 제 1 반응부(160)를 포함할 수 있다. 필터부(112)의 하부면은 제 1 반응부(160)의 하부면보다 낮게 형성됨으로써, 필터부(112)는 유체 저장조와 같은 역할을 할 수 있다. 필터부(112)는 혈액(150)의 혈구를 걸러내고 혈장 성분을 포함하는 유체를 통과시키는 역할을 할 수 있다. 제 1 반응부(160)는 혈액(150)의 혈장 성분과 반응하여 제 1 항원-항체 반응물(도 1의 참조부호 6 참조)을 형성하는 제 1 항체(참조부호 160의 점들)를 포 함할 수 있다. 제 1 영역(A)의 상부 기판(120)은 혈액(150)을 주입하기 위한 혈액 주입구(120o)를 가질 수 있다. 주입된 혈액(150)은 필터부(112)를 거치면서 혈구가 걸러지고, 혈장 성분을 포함하는 유체가 하부 기판(110)과 상부 기판(120)으로 구성된 모세관의 모세관력에 의해 제 1 반응부(160)로 흐를 수 있다.
제 2 영역(B)의 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 양 측부는 노출된 형태를 가질 수 있다. 이에 대해서는 앞서 기술된 도 3a 및 도 3b에 대한 설명을 참조하면 된다. 또한, 제 2 영역(B)의 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)의 양 측부를 노출하는 것은 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 조절하기 위한 것일 수 있다. 제 2 영역(B)의 하부 기판(110)은 적어도 하나의 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)를 포함할 수 있다. 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)는 제 1 항원-항체 반응물과 반응하여 제 2 항원-항체 반응물(도 1의 참조부호 9 참조)을 형성하는 제 2 항체(참조부호 170, 180 또는/및 190의 점들)를 포함할 수 있다. 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 제 2 항체는 각각 서로 다른 항원-항체 반응을 제공할 수 있다. 이에 따라, 다양한 항원에 대한 분석을 동시에 수행할 수도 있다.
간극 조절 부재(140)는 그 일부가 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에 개재되는 쐐기 형태일 수 있다. 쐐기 형태의 간극 조절 부재(140)가 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에서 우측 또는/및 좌측 방향으로 이동함으로써, 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 자유롭게 조절할 수 있다.
도 6a를 참조하면, 모세관력 랩온어칩의 채널은 하부 기판(110)과 상부 기 판(120) 사이의 간극의 높이인 H1에 의한 모세관력에 의해 혈액(150)의 흐름이 우측 방향으로 존재하는 상태인 모세관일 수 있다. 이와 같이, 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 H1으로 유지되는 경우에는 혈액(150)이 하부 기판(110)과 상부 기판(120)으로 구성된 모세관을 따라 우측 방향으로 계속 흐를 수 있다.
도 6b를 참조하면, 간극 조절 부재(140)의 좌측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 들어올려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H1에서 H2로 높이게 되면, 모세관력에 의해 제 2 영역(B)으로 흐르던 혈장 성분을 포함하는 유체(미도시)는 제 1 반응부(160)가 구비된 L1 거리까지 후퇴할 수 있다. 이는 필터부(112)에서 혈액(150)의 혈구가 걸러진 유체에 포함된 혈장 성분과 제 1 반응부(160)의 제 1 항체 사이의 제 1 항원-항체 반응이 충분히 일어나도록 하기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 제 1 항원-항체 반응물(미도시)이 생성될 수 있다.
도 6c를 참조하면, 간극 조절 부재(140)의 우측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 내려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H2에서 H3로 낮추게 되면, 제 1 항원-항체 반응물과 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 L2 거리까지 전진할 수 있다. 이는 제 1 반응부(160)에서 생성된 제 1 항원-항체 반응물을 이송하기 위한 것일 수 있다.
도 6d를 참조하면, 추가적인 간극 조절 부재(140)의 우측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 더 내려 하부 기판(110)과 상부 기 판(120) 사이의 간극을 H3에서 H4로 더 낮추게 되면, 제 1 항원-항체 반응물과 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 L3 거리까지 더 전진할 수 있다. 유체에 포함된 미반응 혈장 성분을 제 1 항원-항체 반응물로 형성하기 위해서, 도 6b 내지 도 6d의 과정을 반복할 수도 있다.
도 6e를 참조하면, 간극 조절 부재(140)의 우측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 완전히 내려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H4에서 H1으로 완전히 낮추게 되면, 제 1 항원-항체 반응물과 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)가 구비된 L4 거리까지 전진한다. 이는 제 1 반응부(160)에서 생성된 제 1 항원-항체 반응물과 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 제 2 항체 사이의 제 2 항원-항체 반응이 일어나도록 하기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 제 2 항원-항체 반응물(미도시)이 생성될 수 있다.
도 6f를 참조하면, 간극 조절 부재(140)의 좌측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 다시 들어올려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H1에서 H3로 다시 높이게 되면, 제 2 항원-항체 반응물, 미반응 제 1 항원-항체 반응물 및 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 다시 L2 거리까지 후퇴될 수 있다.
도 6g를 참조하면, 간극 조절 부재(140)의 우측 방향으로의 이동으로 제 2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)을 다시 내려 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H3에서 H1으로 다시 낮추게 되면, 제 2 항원-항체 반응물, 미반응 제 1 항원-항체 반응물 및 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 다시 L4 거리까지 전진할 수 있다. 이는 제 1 항원-항체 반응물과 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 제 2 항체 사이의 제 2 항원-항체 반응이 충분히 일어나도록 하기 위한 것일 수 있다. 유체에 포함된 미반응 제 1 항원-항체 반응물을 제 2 항원-항체 반응물로 형성하기 위해서, 도 6e 내지 도 6g의 과정을 반복할 수도 있다.
제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(110) 사이의 간극을 H1으로 계속 유지하게 되면, 미반응 혈장 성분 및 미반응 제 1 항원-항체 반응물을 포함하는 유체는 모세관의 모세관력에 의해 흘러 흐름이 존재하는 상태가 될 수 있다.
또한, 도 6e 내지 도 6g의 과정을 반복하는 것은 비특이 본딩(non-specific bonding)된 성분들을 탈착시켜 분석 과정에서 발생하는 잡음 신호(noise of signal)를 감소시킬 수 있다. 종래의 모세관력 랩온어칩은 유체의 방향 전환이 원천적으로 불가능하기 때문에, 비특이 본딩된 성분들의 완전한 탈착이 어렵다. 이에 더하여, 비특이 본딩된 성분들을 탈착시키는 것은 유체의 이동 속도에도 큰 영향을 받는다. 종래의 모세관력 랩온어칩은 단지 유체의 흐름을 지연시키는 것에 불과하기 때문에, 유체의 이동 속도를 조절할 수 없다. 이에 따라, 본 발명의 모세관력 랩온어칩은, 종래와는 달리, 분석 과정에서 발생하는 잡음 신호를 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 6a 내지 도 6g에서 알 수 있듯이, 이와 같은 혈장 성분을 포함하는 유체의 전진, 후퇴 및 정지 등과 같은 흐름은 필요에 따라 그 횟수가 조절될 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 혈액(150)의 혈장 성분을 포함하는 유체와 제 1 및 제 2 항체(160, 170, 180 및 190의 점들) 사이의 반응 시간이 자유자재로 조절될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 모세관력 랩온어칩의 간극 조절 부재(140)는 그 일부가 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에 개재되는 쐐기 형태일 수 있다. 쐐기 형태의 간극 조절 부재(140)가 스텝 모터(step motor, 145)의 구동에 의해 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에서 우측 또는/및 좌측 방향으로 이동함으로써, 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 자유롭게 조절할 수 있다. 즉, 스텝 모터(145)의 구동에 따른 쐐기 형태의 간극 조절 부재(140)에 의해 모세관의 모세관력이 조절되어 유체 시료(150)의 전진, 후퇴 및 정지 등과 같은 흐름에 대한 미세 조절이 자유로울 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료(150)와 시약 사이의 반응 시간이 자유자재로 조절될 수 있다.
도 8a 내지 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동원리를 설명하기 위한 단면도들 및 측면도들이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 모세관력 랩온어칩의 간극 조절 부재(140ea 및 140eb)는 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극에 대향하는 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110) 및 상부 기판(120) 상에 각각 제공되는 한 쌍의 전자 석(electromagnet)일 수 있다. 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이에는 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 최소 간극을 유지하기 위한 지지 부재(135)를 더 포함할 수 있다. 지지 부재(135)는 모세관을 구성하는 하부 기판(110)과 상부 기판(120)이 서로 접촉하는 것을 방지하기 위한 것일 수 있다.
간극 조절 부재(140ea 및 140eb)인 한 쌍의 전자석 사이에 인력(attractive force, Fa)이 작용하면, 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 낮아질 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 간극 조절 부재(140ea 및 140eb)인 한 쌍의 전자석 사이에 척력(repulsive force, Fr)이 작용하면, 제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극이 높아질 수 있다.
한 쌍의 전자석에 인가되는 전류의 방향에 따라, 한 쌍의 전자석 사이에는 인력 또는 척력이 작용할 수 있다. 또한, 한 쌍의 전자석에 인가되는 전류의 세기에 따라, 한 쌍의 전자석 사이에 발생하는 인력 및 척력의 세기가 조절될 수 있다. 즉, 한 쌍의 전자석으로 이루어진 간극 조절 부재(140ea 및 140eb)에 의해 모세관의 모세관력이 조절되어 유체 시료(150)의 전진, 후퇴 및 정지 등과 같은 흐름에 대한 미세 조절이 자유로울 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료(150)와 시약 사이의 반응 시간이 자유자재로 조절될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 모세관력 랩온어칩은 모세관의 간극을 조절할 수 있는 구조를 가짐으로써, 미세 유체의 흐름이 자유롭게 조절될 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 시간을 자유자재로 제어할 수 있는 성능이 향상된 모세관력 랩온어칩 및 그 구동 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 랩온어칩에서의 화학 분석 과정을 설명하기 위한 순서도 및 그에 따른 개념도들;
도 2a 및 도 2b는 각각 종래기술에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도;
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도;
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동 원리를 설명하기 위한 개념 단면도들;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 평면도;
도 6a 내지 도 6g는 도 5의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도들;
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 단면도;
도 8a 내지 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동원리를 설명하기 위한 단면도들 및 측면도들.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 바이오마커 단백질 2 : 담체 입자
3 : 형광체 4 : 제 1 항체
5 : 스캐폴드 6 : 제 1 항원-항체 반응물
8 : 제 2 항체 9 : 제 2 항원-항체 반응물
10, 110 : 하부 기판 12, 112 : 필터부
14 : 타임게이트 20, 120 : 상부 기판
30, 40 : 측부 기판 50, 150 : 유체 시료
120o : 혈액 주입부 130 : 본딩 부재
135 : 지지 부재 140, 140ea, 140eb : 간극 조절 부재
145 : 스텝 모터 160 : 제 1 반응부
170, 180, 190 : 제 2 반응부

Claims (17)

  1. 제 1 기판과 제 2 기판이 본딩되어 있는 제 1 영역;
    상기 제 1 기판과 제 2 기판이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역; 및
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계에 대향하는 상기 제 2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 간극을 조절하여 모세관력을 제어하는 간극 조절 부재를 포함하는 랩온어칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 중에서 적어도 하나의 기판은 연성 기판인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 상기 제 1 기판은 필터부 및 제 1 반응부를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 영역의 상기 제 2 기판은 혈액 주입구를 갖는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 필터부는 혈액의 혈구를 걸러내고 혈장 성분만을 통과시키는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 반응부는 혈액의 혈장 성분과 반응하여 제 1 항원-항체 반응물을 형성하는 제 1 항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 영역의 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판의 양 측부는 노출된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  8. 제 1항에 있어서,
    제 2 영역의 상기 제 1 기판은 적어도 하나의 제 2 반응부를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 반응부는 상기 제 1 항원-항체 반응물과 반응하여 제 2 항원-항체 반응물을 형성하는 제 2 항체를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 간극 조절 부재는 그 일부가 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 개재되는 쐐기 형태인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  11. 제 10항에 있어서,
    스텝 모터의 구동에 의해 상기 간극 조절 부재는 좌측 및 우측으로 이동하여 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 간극을 조절하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 간극 조절 부재는 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 간극에 대향하는 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판 및 상기 제 2 기판 상에 각각 제공되는 한 쌍의 전자석인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 간극 조절 부재는 상기 한 쌍의 전자석의 인력 및 척력에 의해 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 간극을 조절하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 개재되어, 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 최소 간극을 유지하기 위한 지지 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  15. 제 1 기판과 제 2 기판이 본딩되어 있는 제 1 영역 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판이 본딩되어 있지 않은 제 2 영역을 포함하는 랩온어칩을 준비하는 단계; 및
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역의 경계에 대응하는 상기 제 2 영역 말단의 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이의 간극을 조절하여 상기 제 2 영역 내의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 랩온어칩의 구동 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 유체의 흐름은 상기 제 1 영역으로부터 상기 제 2 영역으로의 전진, 후퇴 및 정지를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 구동 방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 제 2 영역은 적어도 하나의 반응부를 포함하고,
    상기 제 2 영역 내의 상기 유체의 흐름을 제어하는 단계는 상기 유체와 상기 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 구동 방법.
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