KR101044786B1 - 바이오칩용 유동 제어장치 - Google Patents

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Abstract

바이오칩 내부의 미세 유동을 제어하기 위한 바이오칩용 유동 제어장치를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 유동 제어장치는 설정 압력을 각각 발생시키는 복수의 가압 챔버 및 감압 챔버들을 구비하는 압력 발생부와, 복수의 선택 밸브들을 포함하는 밸브 키트와, 바이오칩에 전달되는 설정 압력을 선택하도록 상기한 선택 밸브들을 제어하는 밸브 제어부를 포함하며, 각각의 선택 밸브는 각각의 압력 챔버들에 해당하는 여러 종류의 설정 압력 중에서 어느 한 설정 압력이 연결 통로를 통해 바이오칩에 전달되도록 구성된다.
바이오칩, LOC, 미세 유동, 밸브 키트, 디지털, 감압, 가압, 챔버

Description

바이오칩용 유동 제어장치{FLOW CONTROLLER FOR BIO CHIP}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩용 유동 제어장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이고,
도 2는 도 1에 도시한 밸브 키트의 저면도를 도시한 것이며,
도 3은 도 2에 도시한 선택 밸브의 확대 저면도를 도시한 것이다.
본 발명은 유동 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오칩 내부의 미세 유동을 제어하기 위한 바이오칩용 유동 제어장치에 관한 것이다.
과거에는 미래 예측을 할 때 각 기술이 독자적으로 발전하여 만들어지는 성과물만을 상상하는 경우가 많았다. 그러나 최근에는 다른 분야와 연구 성과를 공유함으로써 훨씬 더 짧은 시간 안에 새롭고 뛰어난 제품을 만드는 일이 가능해지고 있다. 21세기 초반 바이오테크가 인간 지놈 지도의 완성 등 비약적인 발전을 이룩할 수 있었던 것도 데이터의 처리 및 분석에 IT를 활용했기 때문이다.
이와 같이 기술간 융합은 최근 연구개발의 대세로 나타나고 있으며, 가장 활발한 분야가 20세기를 대표하는 기술인 IT와 21세기를 대표하는 기술인 BT의 접목 이라고 할 수 있다. 여기에 최근에는 나노테크(NT)까지 가세하여 이들 신기술의 발전을 통해 기존에는 상상할 수 없었던 새로운 미래가 가능해질 것으로 기대되고 있다.
그 중에서도 DNA나 단백질 등 생체 물질과 칩이 복합된 형태인 바이오칩(Bio chip)은 BT-IT-NT 기술이 모두 활용되는 대표적인 융합기술 제품이다. 최근 바이오칩은 관련 연구가 활성화되면서 단순히 바이오테크 분야의 연구성과를 분석하기 위해 쓰였던 초기 용도에서 벗어나, 다양한 산업 분야로 그 파급 효과가 확대되는 추세이다.
바이오칩이란 유리, 실리콘, 혹은 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물분자(biomolecule)들을 집적시켜 놓은 것을 말하며, 이때 DNA를 집적시켜 놓으면 DNA칩, 단백질을 집적시켜 놓으면 단백질칩이라 한다. 또한 바이오칩은 마이크로어레이칩(microarray chip)과 마이크로플루이딕스칩(micro fluidics chip)으로 크게 둘로 나눌수 있다.
마이크로어레이칩은 수천 혹은 수만개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 붙이고, 분석 대상 물질을 처리하여 그 결합 양상을 분석할 수 있는 바이오칩을 말하는 데 DNA칩, 단백질칩 등이 대표적이다.
그리고, 마이크로플루이딕스칩은 미량의 분석 대상물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오칩으로, 랩온어칩(Lab on a chip)이라 불리기도 하며, (생)화학물질의 분석시 사용되는 자동분석장치의 시료 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리 시스템 등의 기능과 센서기술을 같은 칩상에 접목시킨 것이다.
기존의 바이오칩의 경우는 실험실에서 미리 분리, 정제 및 증폭된 DNA나 단백질을 직접 사용하여 칩상에 구현하는 단순한 구조이다. 일반인까지도 사용이 가능한 랩온어칩이 되기 위해서는 혈액, 체세포 등을 출발시료로 하여 DNA 및 단백질을 칩상에서 추출할 수 있어야 한다.
이를 위해서는 타겟 DNA와 워싱 솔루션(washing solution)이 이동하기 위한 미세 채널을 칩상에 설계해야 한다. 이 미세 채널은 샘플 및 반응시약 등을 이동시키거나, 혼합, 반응, 분리, 희석, 정제하는 과정에서의 유체의 흐름의 경로가 된다. 많은 경우에 최적의 공정 흐름을 얻기 위해서 각 반응물이나 생성물의 흐름을 개폐하거나 단속이 필요한 경우가 있다. 이 경우 채널 중간에 펌프나 밸브를 적용함으로서 유체의 흐름을 조절할 수 있다.
그런데, 실제 칩 내의 유체를 구동하는 유동 제어장치로 종래에는 주사기 펌프나 높은 전압장치를 사용하여 왔다. 따라서, 이러한 방식의 유동 제어에 사용되는 주변장치는 크기가 크고 무거워 이동식 바이오칩 시스템 개발에 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다.
이에, 본 발명은 크기가 작고 가벼우며, 바이오칩 내부의 미세 유동을 보다 효과적으로 제어할 수 있는 바이오칩용 유동제어장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기한 본 발명의 목적은,
설정 압력을 각각 발생시키는 복수의 압력 챔버들을 구비하는 압력 발생부;
복수의 선택 밸브들을 포함하며, 상기 각각의 선택 밸브는 각각의 압력 챔버들에 해당하는 여러 종류의 설정 압력 중에서 어느 한 설정 압력이 연결 통로를 통해 바이오칩에 전달되도록 구성되는 밸브 키트; 및
상기 바이오칩에 전달되는 설정 압력을 선택하도록 상기한 선택 밸브들을 제어하는 밸브 제어부
를 포함하는 바이오칩용 유동 제어장치에 의해 달성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 압력 챔버들은 가압 챔버, 감압 챔버 또는 이 챔버들의 조합으로 이루어지며, 밸브 제어부는 작업자에 의해 입력되는 정보 또는 미리 입력된 프로그램에 따라 선택 밸브들을 제어하는 컴퓨터를 포함한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오칩용 유동 제어장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이고, 도 2는 도 1에 도시한 밸브 키트의 저면도를 도시한 것이며, 도 3은 도 2에 도시한 선택 밸브의 확대 저면도를 도시한 것이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유동 제어장치는 압력 발생부(10)와 밸브 키트(20) 및 밸브 제어부(30)를 구비한다.
상기 압력 발생부(10)는 복수의 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)을 구비하며, 이 챔버들(12a,12b,12c,12d)은 챔버 하우징(14)에 고정 설치된다.
상기 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)은 양(+)의 압력을 발생시키는 가압 챔버 들(12a,12b)과, 음(-)의 압력을 발생시키는 감압 챔버들(12c,12d)로 이루어진다. 여기에서, 상기 감압 챔버(12c,12d)는 바이오칩(40)으로부터 샘플을 추출할 때, 그리고 교반시킬 때 등에 사용이 가능하다.
이러한 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)의 개수 및 종류는 여러 가지 형태로 변형이 가능하며, 또한 양(+)압과 음(-)압의 크기도 다양한 형태로 설정이 가능하다.
구체적으로 도시하지는 않았지만, 상기한 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)은 실린더와, 실린더 내부의 피스톤체와, 피스톤체를 작동시켜 실린더의 압력을 설정하는 압력 설정부를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기한 압력 설정부는 수동형 또는 자동형으로 구성할 수 있는데, 수동형의 경우에는 피스톤체에 연결되어 실린더의 외부로 돌출 설치되는 손잡이로 구성할 수 있다. 수동형 압력 설정부는 압력 챔버에서 압력을 발생시키기 위한 별도의 동력원을 제거할 수 있으므로, 시스템 크기를 줄일 수 있어 이동식 바이오칩 시스템의 상용화에 이바지할 수 있다.
그리고, 자동형의 경우에는 전기적인 신호에 따라 피스톤체를 작동시키는 별도의 액튜에이터로 구성할 수 있다.
한편, 상기 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)은 실린더에서 발생되는 압력을 감지하는 압력 감지부, 예컨대 압력 센서들을 더욱 포함할 수 있다. 이 경우, 밸브 제어부(30)는 압력 감지 센서에서 감지되는 압력 신호를 입력받아 상기 압력이 설정 압력에 도달한 경우 영상 또는 음성으로 출력할 수 있으며, 또한 압력 사용으로 인해 상기 압력이 설정 압력보다 저하되는 경우에도 이를 영상 또는 음성으로 출력할 수 있다.
밸브 키트(20)는 복수의 선택 밸브들(22)을 포함한다. 상기 선택 밸브(22)는 각각의 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)에 해당하는 여러 종류의 설정 압력 중에서 어느 한 설정 압력이 연결 통로(24)를 통해 바이오칩(40)에 전달되도록 구성되는 것으로, 상기 선택 밸브(22)는 여러 가지 형태로 구성할 수 있다.
예컨대, 상기 선택 밸브(22)는 복수개의 유로(22a)를 구비하는 밸브 몸체(22b)와, 상기 유로(22a) 중에서 선택된 어느 한 유로만 개방하도록 작동하는 밸브체(22c)와, 밸브 제어부(30)로부터의 신호에 따라 상기 밸브체(22c)를 설정량만큼 회전 작동시키는 액튜에이터로 이루어질 수 있다.
상기 복수개의 유로(22a)에는 압력 챔버들(12a,12b,12c,12d)이 각각 연결된다. 따라서, 밸브체(22c)에 의해 선택된 유로(22a)를 통해서만 어느 한 압력 챔버의 압력이 바이오칩(40)에 전달된다. 이러한 작용은 각각의 선택 밸브(12a,12b,12c,12d)에서 독립적으로 이루어진다.
그리고, 상기 밸브 제어부(30)는 작업자에 의해 입력되는 정보, 또는 미리 입력된 프로그램에 따라 구동부를 제어하는 컴퓨터로 구성할 수 있으며, 이 경우 컴퓨터는 압력 감지 센서로부터의 신호에 따라 압력 챔버의 압력 정보를 영상 또는 음성으로 표시할 수 있다. 또한, 상기 프로그램은 바이오칩의 종류에 따라 다양하게 프로그래밍할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 선택 밸브에 구비된 복수의 유로에 압력 챔버들을 각 각 연결하는 방식으로 복수의 선택 밸브와 압력 챔버들을 연결하고, 선택 밸브들의 압력 배출부들을 연결 통로(24)를 이용하여 바이오칩(40)의 해당 지점에 각각 연결한 상태에서 밸브 제어부(30)를 이용하여 각 선택 밸브(22)의 밸브체를 개별적으로 제어하는 것에 따라 바이오칩(40)의 해당 지점에 전달되는 압력을 조절할 수 있다.
따라서, 바이오칩 내부의 미세 유체 유동을 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 유동 제어장치는 의료용 유체 관련 부품의 유동 제어장치로도 사용이 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바이오칩용 유동 제어장치는 바이오칩 내부의 미세 유동을 디지털 방식으로 제어하므로, 복잡한 반응 단계를 갖는 바이오칩 내부의 미세 유동을 효과적으로 제어할 수 있다.
그리고, 전체 시스템의 크기도 기존의 시스템에 비해 매우 작게 구성할 수 있다. 따라서, 이동식 바이오칩 시스템의 상용화가 가능하다.
또한, 향후 바이오칩의 기능이 복잡해져 하나의 칩 내에서 동시 다발적인 유동 제어 기술이 복합적으로 요구되는 경우에 유용하게 대응할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 설정 압력을 각각 발생시키는 복수의 압력 챔버들을 구비하는 압력 발생부;
    복수의 선택 밸브들을 포함하며, 상기 각각의 선택 밸브는 각각의 압력 챔버들에 해당하는 여러 종류의 설정 압력 중에서 어느 한 설정 압력이 연결 통로를 통해 바이오칩에 전달되도록 구성되는 밸브 키트; 및
    상기 바이오칩에 전달되는 설정 압력을 선택하도록 상기한 선택 밸브들을 제어하는 밸브 제어부
    를 포함하는 바이오칩용 유동 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압력 챔버들은 가압 챔버, 감압 챔버 또는 이 챔버들의 조합으로 이루어지는 바이오칩용 유동 제어장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 밸브 제어부는 작업자에 의해 입력되는 정보 또는 미리 입력된 프로그램에 따라 선택 밸브들을 제어하는 컴퓨터를 포함하는 바이오칩용 유동 제어장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 선택 밸브는 복수개의 유로를 구비하는 밸브 몸체와, 상기 유로 중에서 선택된 어느 한 유로만 개방하도록 회전 작동하는 밸브체를 포함하는 바이오칩용 유동 제어장치.
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