KR100952330B1 - Multi-type oxygen sensor for measuring cellular respiration level integrated with cell counter and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세유동 장치(microfluidic device) 및 그 제작 방법에 관한 것으로 넓게 정의될 수 있고, 더욱 상세하게는 세포 용액을 이동시켜 세포의 산소 호흡량을 측정하는 미세유동 장치 형태의 산소 센서 및 그 제작 방법에 관한 것이다. "미세유동 장치"란 일반적으로 입구 및 출구로 구성되는 유체 포트(port)가 마이크로 채널 또는 마이크로 챔버와 같은 미세구조에 의하여 연결된 장치로서, 적은 양의 유체가 이동할 수 있는 장치를 말한다. 이러한 장치는 화학적 검출 및 측정을 위한 전기화학적 센서로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 장치는 약물 탐색 및 진단을 위한 랩 온 어 칩(lab on a chip)과 같은 분석 장치로서 이용될 수 있다. The present invention can be broadly defined as a microfluidic device and a method for manufacturing the same, and more particularly, an oxygen sensor in the form of a microfluidic device for measuring the oxygen respiration volume of a cell by moving a cell solution, and a method for manufacturing the same. It is about. A "microfluidic device" is a device in which a fluid port, generally composed of an inlet and an outlet, is connected by a microstructure, such as a microchannel or a microchamber, in which a small amount of fluid can move. Such devices can be used as electrochemical sensors for chemical detection and measurement. The device can also be used as an analytical device, such as a lab on a chip for drug discovery and diagnosis.
생체의료 분야에서 세포의 산소 호흡량 측정은 대사증후군의 발병 원인을 규명하고 치료제를 개발하는 데 매우 중요한데, 세포의 산소 호흡량을 측정하기 위한 방법으로 전기화학적 분석법을 이용하고 있으며, 대표적인 것이 클락-타입(Clark-type) 센서이다. 많은 연구자들이 반도체 공정을 이용하여 이 산소 센서를 소형화 시키기 위한 연구를 해 오고 있다.In the biomedical field, measurement of the oxygen respiration of cells is very important for finding out the cause of metabolic syndrome and developing the therapeutic agent. The method of measuring the oxygen respiration of cells is using electrochemical analysis, and the representative type is Clark-type Clark-type sensor. Many researchers have been working to miniaturize this oxygen sensor using semiconductor processes.
세포의 산소 호흡량 측정시, 세포의 개수는 중요한 요소이므로 정확한 세포의 개수를 아는 것이 중요하다. 세포의 개수를 세는 장치 중에 범용으로 사용되는 것 중에 혈구 계산기라고도 하는 헤모사이토미터(hemocytometer)가 있는데, 이는 현미경을 이용하여 육안으로 세포를 세야 하는 방법이기에 세포를 정확하게 세는 것은 어려운 일이고 많은 시간이 소비된다. 다른 하나는 월러스 에이치 쿨터(Wallace H. Coulter)가 발명한 입자 계수기(particle counter)로, 이는 쿨터 카운터(Coulter counter)라는 이름으로 상품화되었고, 반도체 공정을 이용하여 소형화하는 연구가 진행되고 있다.When measuring the oxygen respiration rate of a cell, it is important to know the exact number of cells since the number of cells is an important factor. One of the most commonly used devices for counting cells is a hemocytometer, also known as a hemocytometer, because it is a method of counting cells with the naked eye using a microscope. Consumed. The other is a particle counter invented by Wallace H. Coulter, which has been commercialized under the name Coulter counter, and research into miniaturization using a semiconductor process is being conducted.
세포의 특성상, 세포를 상온에서 방치할 경우 세포의 호흡 활성은 급격히 감소하여 거의 활성이 사라지게 되므로 여러 샘플의 호흡 활성도를 동시에 측정하기 위해서는 멀티 형태의 센서를 개발하는 것이 중요하다. 또한, 정확한 분석을 위해서는 세포의 개수 및 농도를 신속하고 정확하게 파악하는 것이 중요하다. Due to the characteristics of the cells, when the cells are left at room temperature, the respiratory activity of the cells decreases rapidly and almost disappears. Therefore, it is important to develop a multi-type sensor to simultaneously measure the respiratory activity of several samples. In addition, it is important to know the number and concentration of cells quickly and accurately for accurate analysis.
하지만 기존의 산소 센서는 단일 센서로 제작되어 여러 샘플을 동시에 측정할 수 없는 단점이 있다. 뿐만 아니라 세포 계수기와 산소 센서가 별개의 소자로 운용이 되므로, 세포 계수기를 이용하여 세포의 개수를 측정한 후 세포의 호흡 활성도 측정을 위해 산소 센서로 이동하는 동안 시간이 많이 소비되며, 외부 영향으로 인해 세포의 호흡 활성도가 급격히 감소하게 되는 문제가 있다. However, the conventional oxygen sensor has a disadvantage that it is not possible to measure several samples at the same time because it is made of a single sensor. In addition, since the cell counter and the oxygen sensor are operated as separate elements, it takes a lot of time while moving to the oxygen sensor to measure the respiratory activity of the cell after measuring the number of cells using the cell counter. There is a problem that the respiratory activity of the cell is sharply reduced.
그리고, 기존의 미세유동 장치 형태의 산소 센서는 혈액의 산소 포화도 측정을 목적으로 하였거나, 세포의 산소 호흡량 측정을 위해 개발된 센서라도 출력값의 범위가 작아 산소 농도 구별이 어렵다는 단점이 있다. In addition, the existing oxygen sensor in the form of a microfluidic device has a disadvantage in that it is difficult to distinguish the oxygen concentration even if the sensor for the purpose of measuring the oxygen saturation of the blood, or even a sensor developed for measuring the oxygen respiration volume of the cell because the range of the output value is small.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여러 샘플의 호흡 활성도를 동시에 측정하는 멀티 형태의 산소 센서와 정확한 분석을 위해 세포의 개수를 파악할 수 있는 세포 계수기가 집적된 센서 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the problem to be solved by the present invention is a multi-type oxygen sensor for measuring the respiratory activity of several samples at the same time and a cell counter that can determine the number of cells for accurate analysis To provide an integrated sensor and its manufacturing method.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 센서는, 세포 용액을 주입하는 하나의 세포 용액 주입구로부터 분지하는 복수의 채널에 한 개씩 연결되며 상기 세포 용액 내의 용존 산소량을 측정하는 산소 센서가 배열되어 있고, 세포 개수를 세는 세포 계수기가 상기 세포 주입구와 상기 복수의 채널 각각에 집적되어 있는 것을 특징으로 하는 센서이다.The sensor according to the present invention for solving the above technical problem, is connected to a plurality of channels branched from one cell solution inlet for injecting a cell solution one by one is arranged an oxygen sensor for measuring the amount of dissolved oxygen in the cell solution And a cell counter for counting the number of cells is integrated in each of the cell injection port and the plurality of channels.
일 구성에 따르면, 본 발명에 따른 센서는 산소 센서 소자와 세포 계수기 소자가 적층된 것이다. According to one configuration, the sensor according to the present invention is a stack of the oxygen sensor element and the cell counter element.
여기서 상기 산소 센서 소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판 상에 본딩되어 상기 제1 기판과의 사이에 복수의 챔버를 정의하고 상기 챔버 상에 산소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 각각의 멤브레인을 갖는 멤브레인 기판, 및 상기 각 챔버 내에 상기 제1 기판 상으로 형성된 전극을 포함한다. Wherein the oxygen sensor element has a first substrate, each membrane bonded to the first substrate to define a plurality of chambers between the first substrate and selectively permeate oxygen on the chamber. A membrane substrate, and electrodes formed on the first substrate in the respective chambers.
상기 세포 계수기 소자는 상기 각각의 멤브레인에 대응하는 구멍이 형성된 제2 기판, 상기 제2 기판의 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성되어 있고, 세포 용액을 주입하는 세포 주입구가 형성되어 있으며, 상기 제2 기판 상에 본딩되어 상기 제2 기판과의 사이에 상기 세포 용액이 상기 각 멤브레인 상으로 유입될 수 있도록 하는 채널을 정의하는 채널 기판, 및 상기 세포 주입구 부분 및 상기 멤브레인과의 연결 부분에 각각 형성된 전극을 포함한다.The cell counter device includes a second substrate having a hole corresponding to each of the membranes, a hole formed at a position corresponding to the hole of the second substrate, and a cell injection hole for injecting a cell solution. A channel substrate bonded to a second substrate and defining a channel for allowing the cellular solution to flow onto each of the membranes between the second substrate and the cell inlet portion and a connection portion with the membrane, respectively; An electrode.
상기 센서에 있어서, 상기 제2 기판의 구멍과 상기 채널 기판의 구멍은 상기 멤브레인 위로 상기 세포 용액을 담을 수 있는 레저보아(reservoir)를 형성한다.In the sensor, the hole of the second substrate and the hole of the channel substrate form a reservoir that can contain the cell solution over the membrane.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 센서 제작 방법은, 산소 센서 소자 제작 단계, 세포 계수기 소자 제작 단계, 그리고 상기 산소 센서 소자와 상기 세포 계수기 소자를 적층하여 본딩하는 단계를 포함한다. The sensor manufacturing method according to the present invention for solving the above technical problem, the oxygen sensor device manufacturing step, the cell counter device manufacturing step, and the step of laminating and bonding the oxygen sensor element and the cell counter device.
상기 산소 센서 소자 제작 단계는, 제1 기판 상에 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 기판 상에 본딩되어 상기 전극 위로 상기 제1 기판과의 사이에 복수의 챔버를 정의하고 상기 챔버 상에 산소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 각각의 멤브레인을 갖도록 멤브레인 기판을 형성하는 단계, 및 상기 제1 기판과 상기 멤브레인 기판을 본딩하는 단계를 포함한다. The manufacturing of the oxygen sensor device may include forming an electrode on a first substrate, bonding the first substrate to define a plurality of chambers between the first substrate and the oxygen on the chamber. Forming a membrane substrate to have each membrane selectively permeable, and bonding the first substrate and the membrane substrate.
상기 세포 계수기 소자 제작 단계는 상기 각각의 멤브레인에 대응하는 구멍이 형성된 제2 기판 상에 전극을 형성하는 단계, 상기 제2 기판의 구멍에 대응하는 위치에 구멍이 형성되어 있고, 세포 용액을 주입하는 세포 주입구가 형성되어 있으며, 상기 제2 기판 상에 본딩되어 상기 제2 기판과의 사이에 상기 세포 용액이 상기 각 멤브레인 상으로 유입될 수 있도록 하는 채널을 정의하도록 채널 기판을 형 성하는 단계, 및 상기 제2 기판과 상기 채널 기판을 본딩하는 단계를 포함한다. The cell counter device manufacturing step includes forming an electrode on a second substrate having a hole corresponding to each membrane, a hole is formed at a position corresponding to the hole of the second substrate, and injecting a cell solution Forming a channel substrate having a cell inlet formed thereon, the channel substrate being bonded on the second substrate to define a channel between the second substrate and the cell solution to be introduced onto the respective membranes; and Bonding the second substrate and the channel substrate.
상기 제작 방법에 있어서, 상기 전극은 Ti/Pt, Ti/Au 또는 Ti/Ag로 형성할 수 있고, 상기 전극이 형성된 제1 기판 위에 상기 챔버와 전극 리드간의 패시베이션(passivation)을 위한 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. In the manufacturing method, the electrode may be formed of Ti / Pt, Ti / Au or Ti / Ag, and a passivation layer for passivation between the chamber and the electrode lead is formed on the first substrate on which the electrode is formed. It may further comprise the step.
또한, 상기 멤브레인 기판과 채널 기판은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 기판을 사용할 수 있고, 상기 제1 기판과 제2 기판은 유리, 실리콘, 금속 산화물 및 플라스틱 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.In addition, the membrane substrate and the channel substrate may use a polydimethylsiloxane (PDMS) substrate, and the first substrate and the second substrate may use one or more materials selected from the group consisting of glass, silicon, metal oxides, and plastic materials.
이 경우, 상기 제1 기판과 상기 멤브레인 기판을 본딩하는 단계와, 상기 제2 기판과 상기 채널 기판을 본딩하는 단계는 산소 플라즈마 처리를 통해 형성된 -OH기의 공유결합으로 접착하는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 상기 산소 플라즈마 처리 전에 3-APTES(실란 프라이머) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. In this case, the bonding of the first substrate and the membrane substrate and the bonding of the second substrate and the channel substrate may be preferably performed by covalent bonding of -OH groups formed through oxygen plasma treatment. In some embodiments, the method may further include a 3-APTES (silane primer) treatment before the oxygen plasma treatment.
뿐만 아니라, 상기 전극이 형성된 제2 기판 위에 불필요하게 노출된 전극을 패시베이션하기 위해 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 기판의 구멍과 상기 채널 기판의 구멍이 상기 멤브레인 위로 세포 용액을 담을 수 있는 레저보아를 형성하도록 상기 산소 센서 소자와 상기 세포 계수기 소자를 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다. In addition, the method may further include forming a passivation layer to passivate the electrode unnecessarily exposed on the second substrate on which the electrode is formed, wherein the hole of the second substrate and the hole of the channel substrate are formed on the cell. The method may further include aligning the oxygen sensor element with the cell counter element to form a reservoir for containing a solution.
본 발명에 따르면, 복수의 산소 센서와 세포 계수기를 융합하여 센서를 제작한다. 멀티 타입의 산소 센서를 구성한 형태라서 하나의 세포 용액에 대해 2개 이상의 시약을 처리하는 경우 여러 가지 특성을 동시에 측정할 수 있다. 동시 측정 이 가능하므로 세포의 활성도가 높을 때 여러 샘플을 측정할 수 있어 정확한 분석이 가능하다. 정확한 분석을 위해 세포의 개수를 셀 수 있는 세포 계수기를 집적화하므로 헤모사이토미터를 사용하는 것보다 더 정확하게 세포의 양을 측정할 수 있다. 따라서, 생체의료 분야에서 세포의 산소 호흡량의 측정용 센서로 유용하게 사용될 수 있다.According to the present invention, a sensor is manufactured by fusing a plurality of oxygen sensors and a cell counter. It is composed of a multi-type oxygen sensor, so when two or more reagents are processed for one cell solution, various characteristics can be measured simultaneously. Simultaneous measurement allows multiple samples to be measured when cell activity is high, enabling accurate analysis. By integrating cell counters that can count the number of cells for accurate analysis, the amount of cells can be measured more accurately than with a hemocytometer. Therefore, it may be usefully used as a sensor for measuring oxygen respiration of cells in the biomedical field.
또한, 세포 계수기와 산소 센서를 집적하는 형태이지만, 산소 센서 이외에도 다른 전기화학적 센서뿐만 아니라 미세유체공학 시스템과 일체형으로 제작이 가능하도록 미세유동 장치 타입으로 형성된다. 전극의 간격 및 채널의 폭, 높이에 따라 다양한 크기의 세포를 측정할 수 있다. In addition, the cell counter and the oxygen sensor is integrated, but it is formed as a microfluidic device type to be integrated with the microfluidic engineering system as well as other electrochemical sensors. Cells of various sizes can be measured according to the distance between the electrodes and the width and height of the channel.
이하, 첨부 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면 상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. The shape and the like of the elements in the drawings are exaggerated in order to emphasize a more clear description, elements denoted by the same reference numerals in the drawings means the same elements.
앞서 언급한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 한 기판에 2개 이상의 산소 센서를 구성하여 여러 샘플을 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 여기에 세포 계수기를 집적하여 세포 용액 속에 있는 세포의 개수를 세는 동시에 세포 호흡량의 미소한 변화를 측정하여 비교하고 분석할 수 있는 멀티 형태의 랩 온 어 칩형 센서를 구현한다. In order to solve the above-mentioned problems of the prior art, the present invention not only can measure two or more oxygen sensors on one substrate, but also measure several samples at the same time. It implements a multi-form lab-on-a-chip sensor that counts, measures, and compares and analyzes small changes in cellular respiration.
n: 전자 개수(the number of electrons) n : the number of electrons
F: 패러데이 상수(Faraday's constant) F : Faraday's constant
A: 작업전극의 면적(surface area of the working electrode) A : surface area of the working electrode
P m : 멤브레인의 산소 투과율(permeability of the membrane) P m : permeability of the membrane
또한 상기 수학식 1을 토대로 산소 센서의 작업전극의 표면적(A)을 늘리고 산소 투과율(Pm)이 높은 멤브레인을 이용하여 출력 전류의 범위를 높일 수 있다.In addition, based on
도 1은 본 발명에 따른 센서의 평면 개념도이고, 도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다. 도 3은 도 2에서 산소 센서 부분(B)의 확대도이고, 도 4는 도 1에서 세포 계수기 부분(A)의 확대도이다. 1 is a schematic conceptual view of a sensor according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG. 1. 3 is an enlarged view of the oxygen sensor portion B in FIG. 2, and FIG. 4 is an enlarged view of the cell counter portion A in FIG. 1.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는 크게 산소 센서 소자(1)와 세포 계수기 소자(101)의 두 부분으로 나누어지며, 특히 산소 센서 소자(1) 위에 세포 계수기 소자(101)가 적층되어 하나의 칩 형태로 집적되어진 구조를 갖는다. As shown in Figs. 1 and 2, the sensor according to the present invention is largely divided into two parts, an
산소 센서 소자(1)는 복수의 산소 센서(1')를 포함한다. 산소 센서(1')는 세포 용액을 주입하는 하나의 세포 용액 주입구(65)로부터 분지하는 복수의 채널(70)에 한 개씩 연결되어 있으며, 세포 용액 주입구(65)에 주입된 세포 용액 내의 용존 산소량을 측정하는 것인데, 도 1에 도시한 바와 같이 평면 상에 복수가 배열되어 있을 수도 있지만 공간 상에 높이 차를 두고 여러 개가 배열되어 있을 수도 있다. The
한편, 세포 계수기 소자(101)는 복수의 세포 계수기(101')를 포함하는데, 세포 계수기(101')는 세포 주입구(65)와 복수의 채널(70) 각각에 집적되어 있으며, 채널(70)을 따른 세포 용액 이동시 임피던스 변화를 측정하여 세포 개수를 세게 된다. 임피던스 변화 측정 대신에 광학적인 측정을 이용하는 세포 계수기를 집적할 수도 있다. Meanwhile, the
도 3에서 더욱 자세히 보는 바와 같이, 각각의 산소 센서 소자(1)는 제1 기판(10) 위에 전기화학적 측정을 위한 내부 전해질(예컨대 0.1M KCl)(20)이 담기는 챔버(15)와, 챔버(15) 내에 제1 기판(10) 상으로 형성되어 배치된 3-전극(작업전극, 상대전극, 기준전극)(30), 그리고 산소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 멤브레인(50)을 챔버(15) 상에 가진 멤브레인 기판(55)으로 구성된다. 내부 전해질(20)은 센서 상면에서부터 내부로 이어지는 주입구(도 1에서는 상면의 주입구(15c)만 보임)를 통해 챔버(15)에 주입되어 채워진다. As shown in more detail in FIG. 3, each
챔버(15)는 제1 기판(10)과 멤브레인 기판(55)의 본딩에 의해 형성되며, 이를 위해 멤브레인 기판(55)은 제1 기판(10)과의 사이에 챔버(15)를 정의하도록 그 위치에 멤브레인(50)을 구비하게 가공된 것이다. 3-전극(30) 주변으로는 SU-8, 광 경화성 에폭시 수지)과 같은 물질로 패시베이션층(35)이 형성되어 있다. 패시베이션층(35)은 챔버(15)와 전극 리드간의 패시베이션을 위한 것이다. The
세포 용액을 담을 수 있는 부분인 레저보아(reservoir)(60)는 산소 센서(1) 위로 집적된 세포 계수기(101)에서의 구멍(60', 60")을 이용하게 된다. 이 때 챔버(15), 내부 전해질(20), 3-전극(30), 멤브레인(50) 및 레저보아(60)가 하나의 산소 센서(1')를 구성한다고 볼 수 있다. 3-전극(30)은 도 1에서 보는 바와 같이 제1 기판(10) 상에 형성된 전극 패드(25)로 연결된다.
상기 제1 기판(10)은 유리, 실리콘, 금속 산화물 및 플라스틱 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있다. 바람직하게는 빛에 투명한 파이렉스 유리(pyrex glass)이나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 멤브레인 기판(55)은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 기판을 사용할 수 있다. The
각 산소 센서(1')의 측정 원리는 세포 용액 내의 용존 산소가 멤브레인(50)을 투과하여 내부 전해질(20)로 이동하고, 이동한 산소는 음전위가 인가된 작업전극에서 환원되고, 이 환원 전류를 측정함으로써 용존 산소의 농도를 분석하는 것이다. The measuring principle of each oxygen sensor 1 'is that dissolved oxygen in the cell solution passes through the
다시 도 2에서 보는 바와 같이, 세포 계수기 소자(101)는 제2 기판(100) 위에 전극(110), 그리고 채널 기판(120)으로 구성된다. 전극(110) 주변에는 불필요하게 노출된 전극을 패시베이션하기 위해 패시베이션층(115)을 더 포함할 수도 있다. As shown in FIG. 2, the
제2 기판(100)과 채널 기판(120)은 산소 센서(1')의 레저보아(60)로 사용될 구멍(60', 60")이 각각의 멤브레인(50)에 대응하는 위치에 형성되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 채널 기판(120)에는 세포 주입구(65)가 형성되어 있으며, 제2 기판(100)과 채널 기판(120) 사이에 유체가 흐르는 채널(70)이 정의되도록 가공되어 있어, 세포 용액이 각 멤브레인(50) 상으로 유입될 수 있도록 제2 기판(100)과의 본딩에 의해 채널(70)을 형성하게 된다. The
또한, 상기 제2 기판(100)도 제1 기판(10)과 마찬가지로 유리, 실리콘, 금속산화물 및 플라스틱 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 상기 채널 기판(120)도 PDMS 기판을 사용할 수 있다. In addition, like the
전극(110)은 세포 주입구(65) 부분 및 멤브레인(50)과의 연결 부분 채널(70)에 형성되어 있으며 도 1에서 보는 바와 같이 제2 기판(100) 상에 형성된 전극 패드(105)로 연결된다. 이에 따라, 세포 주입구(65) 채널과 산소 센서로 이어지는 채널(70)로 세포가 지나갈 때 임피던스(저항) 변화를 측정하여 세포의 개수를 계수하는 세포 계수기(101')가 구현된다. The
도 4에서 보는 바와 같이, 세포 주입구(65) 부분에는 2개 이상의 채널(70)이 분기하여 나누어져 있고 각 채널(70)들은 각각의 산소 센서(1')로 연결된다. 세포 주입구(65) 부분에 샘플인 세포 용액을 넣으면 랜덤하게 세포가 채널(70)을 통해 각 산소 센서(1')로 흘러가게 되고, 각 채널(70)로 흘러 들어간 세포의 양은 세포 계수기(101')로 측정하는 것이다. 각 산소 센서(1')의 레저보아(60)에 서로 다른 시약을 주입시켜 서로 다른 조건에서 세포의 산소 호흡량을 측정할 수 있으므로 세 포 활동량이 떨어지기 전에 여러 가지 측정을 정확하게 동시에 할 수 있다. 세포 계수기(101')의 전극(110)의 크기는 동일하며 동일한 간격을 가지고 있다. 다양한 크기의 세포를 측정하기 위해서는 채널(70)의 크기 및 채널(70) 크기에 맞는 전극의 면적을 고려해야 한다. 유체의 이동은 세포 주입구(65)에서 밀어주는 압력에 의존한다. 이렇게 구성된 센서는 랩 온 어 칩 개념의 센서로 동작하게 된다. As shown in FIG. 4, two or
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 센서는 산소 센서 소자(1)와 세포 계수기 소자(101)를 각각 제작한 후 본딩하여 제작하게 되는데, 이 때의 순서도는 도 5와 같으며, 도 6 내지 도 11은 산소 센서 소자 제작 공정의 사시도 또는 단면도이고, 도 12 내지 도 16은 세포 계수기 소자 제작 공정의 사시도 또는 단면도이며, 도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 센서의 사시도와 단면도이다. As described above, the sensor according to the present invention is manufactured by bonding the
도 5 내지 도 18을 참조하여 본 발명에 따른 센서 제작 방법을 설명하면 다음과 같다. Referring to FIGS. 5 to 18, a sensor manufacturing method according to the present invention will be described.
산소 센서 소자 제작 공정(도 5의 단계 S)Oxygen sensor element fabrication process (step S of FIG. 5)
제1 기판(10), 예를 들면 파이렉스 유리(pyrex glass 7740) 기판을 세척한다(도 5의 단계 S1). 도 6은 제1 기판(10)의 사시도이다. 세척 방법은 아세톤을 이용한 초음파 세척(5분), 메탄올을 이용한 초음파 세척(5분) 및 탈이온수 세척(5분)을 이용할 수 있다.The
다음으로 산소 센서(1')에서의 전기화학적 전극 및 필요한 경우 온도 센서 제작을 위해 Ti/Au 증착 및 패터닝을 실시한다(도 5의 단계 S2). Next, Ti / Au deposition and patterning are performed to fabricate an electrochemical electrode and, if necessary, a temperature sensor in the
증착에는 전자빔 진공증착 또는 열 증착(E-beam/thermal evaporation) 장비 를 이용할 수 있으며, Ti/Au의 두께는 500Å/2500Å으로 할 수 있다. Ti/Au 증착 후에는 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 통해 Ti/Au를 습식 식각한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로써, 도 7에 도시한 바와 같이 전극 패드(25), 전기화학적 전극인 3-전극(30) 중 상대전극(31)과 작업전극(32)을 형성하고 3-전극(30)을 둘러싸는 형태로 온도 센서(34)도 형성한다. 이 때 상기 수학식 1을 토대로 작업전극(32)의 표면적(A)을 늘려 출력 전류의 범위를 높일 수 있다.E-beam vacuum evaporation or thermal evaporation (E-beam / thermal evaporation) equipment can be used for the deposition, and the thickness of Ti / Au can be 500Å / 2500Å. After Ti / Au deposition, by forming a photoresist pattern, wet etching the Ti / Au through the photoresist pattern, and removing the photoresist pattern, as shown in FIG. The
다음으로 3-전극(30) 중 기준전극 제작을 위해 Ti/Ag 증착 및 패터닝을 실시한다(도 5의 단계 S3).Next, Ti / Ag deposition and patterning are performed to manufacture a reference electrode among the three electrodes 30 (step S3 of FIG. 5).
Ti/Ag 증착에도 전자빔 진공증착 장비를 이용할 수 있으며, Ti/Ag의 두께도 500Å/2500Å으로 할 수 있다. Ti/Ag 증착 후에는 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 통해 Ti/Ag를 습식 식각한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로써, 도 8에 도시한 바와 같이 기준전극(33)을 형성한다.Electron beam vacuum deposition equipment can also be used for Ti / Ag deposition, and the thickness of Ti / Ag can be set to 500 mW / 2500 mW. After Ti / Ag deposition, a photoresist pattern is formed, the Ti / Ag is wet-etched through this, and the photoresist pattern is removed, thereby forming the
상기의 과정을 통해 3-전극(30)이 형성된 제1 기판(10) 위에 패시베이션층(35)을 형성한다(도 5의 단계 S4). 이것은 내부 전해질이 담기는 챔버(15)와 전극 리드간의 패시베이션을 위해서이다. 도 9는 패시베이션된 상태의 기판 사시도이다. 특히 본 실시예에서는 작업전극(32)이 5개의 블록을 갖도록 패터닝하기 때문에 이 부분의 패시베이션층(35)도 5개의 스트립 모양으로 형성된다. Through the above process, the
상기 패시베이션층(35)은 당업계에 알려진 임의의 방법에 의하여 형성될 수 있다. 예를 들면, MICROCHEM사, 미국으로부터 구입할 수 있는 음성 포토레지스트 물질인 SU-8을 스핀 코팅한 후 패시베이션이 필요한 부위를 노광하여 노광된 부분 의 (화학)결합을 변형시킨 후 현상하여 남기는 것이다. The
다음에, 제1 기판(10)과 멤브레인 기판(55) 본딩을 실시한다(도 5의 단계 S5).Next, bonding of the
본 실시예에서는 멤브레인 기판(55)으로서 PDMS 기판을 사용한다. 우선, 멤브레인(50)을 소정 위치에 형성하도록 PDMS 멤브레인 몰드를 패터닝한다. 이 때 챔버(15)로 전해질 용액을 주입할 수 있는 주입구(15a)도 형성될 수 있도록 몰드를 패터닝한다. 이 PDMS 멤브레인 몰드를 이용하여 멤브레인(50)을 제작한다. In this embodiment, a PDMS substrate is used as the
3-전극(30)이 패턴된 제1 기판(10)과 이 멤브레인(50)이 형성된 멤브레인 기판(55)을 산소 플라즈마 처리한 후 본딩한다. 도 10은 제1 기판(10)과 멤브레인 기판(55) 본딩 후의 사시도이고 도 11은 도 10의 XI-XI' 단면도이다. PDMS는 산소 플라즈마 처리를 통해 형성된 -OH기로부터 Si-O-Si 공유 결합을 유도하여 접착을 하기 때문에 접착 공정이 간단하다. 또한 PDMS는 산소 투과율(Pm)이 높기 때문에 수학식 1에서의 출력 전류의 범위를 높일 수 있다.The
상기의 과정을 통해 산소 센서 소자(1) 제작이 완료된다. Through the above process, the production of the
세포 계수기 소자 제작 공정(도 5의 단계 T)Cell counter device fabrication process (step T of Fig. 5)
제2 기판(100), 예를 들면 아크릴 기판을 세척한다(도 5의 단계 T1). 제2 기판(100)은 도 12에 사시도로 도시한 바와 같이 구멍(60')을 가진다. 또한, 챔버(15)로 전해질 용액을 주입할 수 있는 주입구(15a)에 대응되는 주입구(15b)도 가진다. 구멍(60')과 주입구(15b)는 레이저 가공 기법 또는 드릴을 이용하여 형성한 것이다. 세척 방법은 메탄올을 이용한 초음파 세척(1분) 및 탈이온수 세척(5분)을 이용할 수 있다. The
다음으로 Ti/Au 증착 및 패터닝을 실시한다(도 5의 단계 T2). Next, Ti / Au deposition and patterning are performed (step T2 in FIG. 5).
증착에는 전자빔 진공증착 장비를 이용할 수 있으며, Ti/Au의 두께는 500Å/2500Å으로 할 수 있다. Ti/Au 증착 후에는 포토레지스트 패턴을 형성하고 이를 통해 Ti/Au를 습식 식각한 후 포토레지스트 패턴을 제거함으로써, 도 13에 도시한 바와 같이 전극 패드(105)와 전극(110)을 형성한다.Electron beam vacuum deposition equipment can be used for the deposition, and the thickness of Ti / Au may be 500 kW / 2500 kW. After Ti / Au deposition, a photoresist pattern is formed, the wet etching of Ti / Au is performed, and the photoresist pattern is removed, thereby forming the
전극(110)이 패턴된 제2 기판(100) 위에 폴리이미드와 같은 패시베이션층(115)을 도포한다(도 5의 단계 T3). 이것은 세포 계수기에서 불필요하게 노출된 전극을 패시베이션하기 위해서이다. 도 14는 패시베이션된 상태의 기판 사시도이다. 원 안에 하얗게 오프닝된 부분(O)이 사용할 전극(110)의 일부분이다. The
다음에, 제2 기판(100)과 채널 기판(120) 본딩을 실시한다(도 5의 단계 T4).Next, the
본 실시예에서는 채널 기판(120)으로서 PDMS 기판을 사용한다. 우선, PDMS 몰드를 패터닝한다. 이 PDMS 몰드를 이용하여 제2 기판(100)의 구멍(60')에 대응되는 위치에 구멍(60")이 있고 주입구(15b)에 대응되는 주입구(15c)도 가지며 세포 용액이 흐를 수 있는 채널(70)이 형성된 PDMS 채널 기판(120)을 제작한다. 전극(110)이 패턴된 제2 기판(100)에 3-APTES(실란 프라이머) 처리 후, 이 제2 기판(100)과 채널 기판(120)을 산소 플라즈마 처리한 후 본딩한다. 도 15는 제2 기판(100)과 채널 기판(120) 본딩 후의 사시도이고 도 16은 도 15의 XVI-XVI' 단면도이다. In this embodiment, a PDMS substrate is used as the
PDMS를 PDMS나 유리, 실리콘과 접착할 때는 산소 플라즈마 처리만으로 확실한 접착이 이루어지지만, PDMS를 제외한 다른 종류의 폴리머(아크릴)와의 접착은 안 되거나 약한 접착력을 갖는다. 따라서, 아크릴 기판을 먼저 3-ATPES로 표면 처리한 후 산소 플라즈마 처리하면 -OH기를 형성시킬 수 있기 때문에 PDMS와 아크릴 기판간의 견고한 접합이 가능하다. When bonding PDMS to PDMS, glass, and silicon, it is possible to reliably bond only by oxygen plasma treatment, but not to other types of polymers (acrylic) except PDMS, or have weak adhesive strength. Therefore, when the acrylic substrate is first surface-treated with 3-ATPES and then oxygen plasma treatment, -OH groups can be formed, thus enabling a firm bonding between the PDMS and the acrylic substrate.
상기의 과정을 통해 세포 계수기 소자(101) 제작이 완료된다. Through the above process, the
산소 센서 소자와 세포 계수기 소자 본딩 공정(도 5의 단계 U)Oxygen sensor element and cell counter element bonding process (step U of FIG. 5)
단계 S1 내지 S5를 통해 제조한 산소 센서 소자(1)와 단계 T1 내지 T4를 통해 제조한 세포 계수기 소자(101)에 3-APTES 처리 후, 산소 플라즈마 처리하여 본딩한다. 도 17은 산소 센서 소자와 세포 계수기 소자 본딩 후의 사시도이고 도 18은 도 17의 XVIII-XVIII' 단면도이다. Oxygen plasma treatment is then performed to bond the
본딩 전에 산소 센서 소자(1)와 세포 계수기 소자(101)에서 레저보아(60)와 구멍(60', 60")이 서로 대응되도록 정렬하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법에 있어서, 산소 센서 소자(1)와 세포 계수기 소자(101)를 서로 대응되는 위치에 정렬하는 것은 수작업 또는 장치(aligner)를 이용하여 자동으로 이루어질 수 있다.And arranging the
이후 센서의 사용은 주입구(15a, 15b, 15c)를 통해 내부 전해질(20)을 챔버(15)에 채운 후, 세포 용액 주입구(65)에 세포 용액을 주입하여 각 레저보아(60)로 이동시키면서 세포 계수기(101')를 통해 각 레저보아(60)로 이동되는 세포의 개수를 측정하며, 각 레저보아(60)에는 서로 다른 종류의 시약을 넣어 세포 용액과 반응시킴으로써 각 산소 센서(1')에서 세포의 산소 호흡량을 동시에 측정하게 된 다. Since the use of the sensor after filling the
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. 본 발명의 실시예들은 예시적이고 비한정적으로 모든 관점에서 고려되었으며, 이는 그 안에 상세한 설명 보다는 첨부된 청구범위와, 그 청구범위의 균등 범위와 수단내의 모든 변형예에 의해 나타난 본 발명의 범주를 포함시키려는 것이다. In the above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. Is obvious. Embodiments of the invention have been considered in all respects as illustrative and not restrictive, which include the scope of the invention as indicated by the appended claims rather than the detailed description therein, the equivalents of the claims and all modifications within the means. I want to.
도 1은 본 발명에 따른 센서의 평면 개념도이다.1 is a plan conceptual view of a sensor according to the present invention.
도 2는 도 1의 II-II' 단면도이다. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II 'of FIG. 1.
도 3은 도 2에서 산소 센서 부분(B)의 확대도이다.3 is an enlarged view of the oxygen sensor part B in FIG. 2.
도 4는 도 1에서 세포 계수기 부분(A)의 확대도이다. 4 is an enlarged view of the cell counter portion A in FIG. 1.
도 5는 본 발명에 따른 센서 제작의 순서도이다.5 is a flow chart of sensor fabrication according to the present invention.
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 산소 센서 소자 제작 공정의 사시도 또는 단면도이다.6 to 11 is a perspective view or a cross-sectional view of the oxygen sensor device manufacturing process according to the present invention.
도 12 내지 도 16은 본 발명에 따른 세포 계수기 소자 제작 공정의 사시도 또는 단면도이다.12 to 16 are a perspective view or a cross-sectional view of the cell counter device manufacturing process according to the present invention.
도 17 및 도 18은 본 발명에 따른 센서의 사시도와 단면도이다. 17 and 18 are perspective and sectional views of the sensor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1...산소 센서 소자 1'...산소 센서 1 ... oxygen sensor element 1 '... oxygen sensor
10...제1 기판 15...챔버10 ...
15a, 15b, 15c...주입구 20...내부 전해질15a, 15b, 15c ...
25...전극 패드 30...3-전극25 ...
31...상대전극 32...작업전극31 ...
33...기준전극 34...온도 센서
35...패시베이션층 50...멤브레인35
55...멤브레인 기판 60...레저보아55
60', 60"...구멍 65...세포 용액 주입구60 ', 60 "...
70...채널 100...제2 기판70 ...
101...세포 계수기 소자 101'...세포 계수기101 ... cell counter element 101 '... cell counter
105...전극 패드 110...전극105 ...
115...패시베이션층 120...채널 기판 115 ...
Claims (12)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020080131097A KR100952330B1 (en) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | Multi-type oxygen sensor for measuring cellular respiration level integrated with cell counter and method for fabricating the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020080131097A KR100952330B1 (en) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | Multi-type oxygen sensor for measuring cellular respiration level integrated with cell counter and method for fabricating the same |
Publications (1)
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KR100952330B1 true KR100952330B1 (en) | 2010-04-09 |
Family
ID=42219784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020080131097A KR100952330B1 (en) | 2008-12-22 | 2008-12-22 | Multi-type oxygen sensor for measuring cellular respiration level integrated with cell counter and method for fabricating the same |
Country Status (1)
Country | Link |
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KR (1) | KR100952330B1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101304251B1 (en) * | 2011-11-30 | 2013-09-05 | 전자부품연구원 | A cellular metabolic information measuring device and a manufacturing method for the same |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5876959A (en) | 1992-07-22 | 1999-03-02 | Daikin Industries, Ltd. | Method for testing infectious disease causing microorganisms |
US7338778B2 (en) | 1991-04-18 | 2008-03-04 | Becton, Dickinson And Company | Luminescent method for determining cell oxygen consumption |
-
2008
- 2008-12-22 KR KR1020080131097A patent/KR100952330B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
논문1:Assay and drug development technologies |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101304251B1 (en) * | 2011-11-30 | 2013-09-05 | 전자부품연구원 | A cellular metabolic information measuring device and a manufacturing method for the same |
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