KR101256474B1 - 미세유동 소자와 그 제조 방법 및 이를 이용한 검체 검출 장치 및 방법 - Google Patents

미세유동 소자와 그 제조 방법 및 이를 이용한 검체 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유동 소자와 그 제조 방법 및 이를 이용한 검체 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 개시된 미세유동 소자는 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태의 플랫폼과, 중심점에서 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되며 유체가 흡수되어 원심력 방향 또는 원심력 반대방향으로 이동할 수 있는 흡수체와, 플랫폼의 가장자리 또는 중심점에 인접하게 배치되어 유체가 흡수체에 접촉되게 유입시키는 유체 유입기를 포함하며, 스트립 등과 같은 흡수체에 유체가 흡수되어 반응 영역으로 이동하는 과정 및 반응하는 과정을 플랫폼의 회전 속도를 제어하여 자유자재로 조절할 수 있고, 플랫폼의 회전 속도를 제어하여 유체 샘플의 이동 속도와 반응 시간 및 반응 횟수를 자유자재로 조절할 수 있기 때문에 스트립 내의 반응 영역과 시료의 반응 효율을 극대화시킴으로써 저농도로 존재하는 검체에 대해서도 고효율로 검출할 수 있는 이점이 있다.

Description

미세유동 소자와 그 제조 방법 및 이를 이용한 검체 검출 장치 및 방법{MICROFLUIDIC DEVICE AND MAMUFACTURING METHOD THEREOF, APPARATUS AND METHOD DETECTING SPECIMEN USING THE SAME}
본 발명은 생화학적 실험이나 면역학적 시험 등을 수행할 수 있는 미세유동 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중심점을 회전축으로 하여 회전 가능한 디스크형의 미세유동 소자와 이를 제조하는 방법과 이러한 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 생화학적 시험 및 면역학적 시험에 사용되는 시험용 스트립은 모세관 현상에 의한 유체 샘플의 흡수와 이동을 통하여 유체 샘플이 스트립의 반응 영역과 반응하여 신호를 출력하도록 하는 방식을 이용하며, 비교적 간단한 시험 방법과 저렴한 제조 비용 등의 장점으로 인해 생물학, 화학, 의학, 환경 분야에 이르기까지 널리 사용되고 있다.
이러한 스트립 기반의 검출 장치는 종이 등과 같이 흡수성이 뛰어난 물질로 제작되고, 그 위에 특정 물질과 반응하는 항체, 효소 등이 반응 영역에 위치하는 형태로써, 한번의 샘플 흡수와 반응이 일어나면 더 이상의 흡수와 반응은 일어나지 않고, 반응 시간 및 횟수를 제어할 수도 없다.
그리고, 지금까지 스트립과 같은 유체 흡수성 물질 상에서 유체의 이동을 자유자재로 제어하는 것은 거의 불가능에 가까웠다.
또한, 입자 분리, 이물질 필터링 등의 전처리가 필요한 샘플의 경우에는, 샘플 흡수 및 반응에 앞서 따로 샘플의 전처리를 수행해야 하는 번거로움이 있다.
이러한 한계로 인해 낮은 농도로 존재하는 물질을 스트립을 이용하여 검출하는 것은 매우 어려웠으며, 샘플의 전처리부터 검출까지 전과정을 자동화하는 것도 어려웠다.
고성능 검출을 위해 다양한 형태의 스트립 센서 기반의 시험 장비가 개발되고 있으나, 그 구조가 복잡하고, 고비용을 요구하는 단점이 있다.
한편, 샘플의 전처리부터 검출까지 전과정을 자동화하기 위한 종래 기술로써, 소형의 칩 형태의 기판에 미세유체를 가두어 둘 수 있는 챔버, 미세유체가 흐를 수 있는 미세유체 유로, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브, 그리고 유체를 받아 소정의 기능을 수행할 수 있는 여러 가지 기능성 유닛 등을 배치하여 여러 단계의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 랩온어칩(lab-on-a-chip)이 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 종래 기술은 스트립과 같은 값싼 재료를 사용하여 수행하고자 하는 비교적 간단한 시험을 위해, 복잡하고 값비싼 제조 비용이 소요되는 밸브와 미세 채널, 정교한 펌프를 사용하는 것은 기존의 시험 비용과 시간을 오히려 상승시키는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 중심점을 회전축으로 하여 회전 가능한 디스크 형태의 플랫폼을 가짐으로써 흡수체에 흡수된 유체와 반응 영역의 반응 과정을 플랫폼의 회전 속도를 제어하여 자유자재로 조절할 수 있는 미세유동 소자를 제공한다.
본 발명은 값싸고 고성능의 스트립 기반의 미세유동 소자를 제조하는 방법과 이러한 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점으로서 미세유동 소자는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되며, 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함할 수 있다.
상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 흡수체가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있다.
상기 미세유동 소자는, 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉되게 유입시키는 유체 유입기를 더 포함할 수 있다.
상기 유체 유입기는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치 중에서 적어도 어느 하나의 위치에 배치될 수 있다.
상기 유체 유입기는, 외부로부터 주입된 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로를 포함할 수 있다.
상기 유체 유입기는, 외부로부터 주입된 상기 유체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버에 수용된 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점으로서 미세유동 소자는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 유체를 수용할 수 있는 하나 이상의 챔버를 형성하고, 상기 챔버에 상기 유체를 주입할 수 있게 하는 포트를 형성하는 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 챔버에 접촉되며, 상기 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함할 수 있다.
상기 챔버는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치에 배치된 내측 챔버 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치에 배치된 외측 챔버 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 내측 챔버가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되며, 복수의 상기 외측 챔버가 상기 내측 챔버에 대응하게 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되고, 상기 포트는, 복수의 상기 내측 챔버에 대응하게 배치된 복수의 내측 포트와 복수의 상기 외측 챔버에 대응하게 배치된 복수의 외측 포트를 포함할 수 있다.
상기 플랫폼은, 상판과 하판이 결합하여 형성될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 상판에 상기 포트가 형성되며, 상기 하판에 상기 챔버가 형성될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판과의 사이에 상기 흡수체가 인입된 상태로 결합될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판이 접착 필름에 의해 결합되고, 상기 접착 필름은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비한 형태이며, 상기 챔버 및 상기 흡수체의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성될 수 있다.
본 발명의 제 3 관점으로서 미세유동 소자는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 시료를 수용할 수 있는 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 형성하고, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이를 연결하는 미세유체 유로를 형성하며, 상기 제 1 챔버에 상기 시료를 주입할 수 있게 하는 포트를 형성하는 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 제 2 챔버에 접촉되며, 상기 시료가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있고, 상기 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역을 가지는 흡수체를 포함할 수 있다.
상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 제 1 챔버가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있으며, 복수의 상기 제 2 챔버가 상기 제 1 챔버에 대응하게 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있고, 복수의 상기 흡수체가 상기 제 2 챔버에 대응하게 상기 가상선 상에 배치될 수 있다.
상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치 중에서 적어도 어느 하나의 위치에 배치될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상판과 하판이 결합하여 형성될 수 있다.
상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판이 접착 필름에 의해 결합되며, 상기 플랫폼은, 상기 상판에 상기 흡수체가 일체로 형성되고, 상기 상판에 상기 포트가 형성되며, 상기 하판에 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버가 형성되고, 상기 접착 필름은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비하며, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버, 상기 흡수체 및 상기 미세유체 유로의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성될 수 있다.
본 발명의 제 4 관점으로서 미세유동 소자의 제조 장치에 의한 제조 방법은, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 유체를 수용할 수 있는 적어도 하나 이상의 챔버가 형성된 하판을 준비하는 단계와, 상기 하판에 대응하는 형태를 가지며, 상기 챔버에 상기 유체를 주입할 수 있게 하는 포트가 형성된 상판을 준비하는 단계와, 상기 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 준비하는 단계와, 상기 흡수체가 상기 중심점에서 상기 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 챔버에 접촉되도록 상기 하판과 상기 상판을 결합하여 플랫폼을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조 방법은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비한 형태이면서 상기 챔버 및 상기 흡수체의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성된 접착 필름을 준비하는 단계를 더 포함하며, 상기 플랫폼을 형성하는 단계는, 상기 하판과 상기 상판과의 사이에 상기 접착 필름을 인입하여 결합할 수 있다.
상기 제조 방법은, 상기 하판 및 상기 상판의 재질로 플라스틱, 실리콘 또는 유리 중에서 적어도 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 제조 방법은, 상기 흡수체의 재질로 종이, 천 또는 실 중에서 적어도 하나 이상을 이용할 수 있다.
상기 플랫폼을 형성하는 단계는, 상기 상판과 상기 하판을 결합할 때에 접착제를 이용한 접착 공정, 초음파 융착 접착 공정, 유기화학물을 이용한 접착 공정, 유기용매를 이용한 접착 공정, 화학증착 접착 공정 또는 플라즈마 접착 공정 중에서 어느 하나의 접착 공정을 이용할 수 있다.
본 발명의 제 5 관점에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼을 포함하며, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 유체가 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함하는 미세유동 소자와, 상기 중심점을 회전축으로 이용하여 상기 미세유동 소자를 목표하는 회전 속도로 회전 구동할 수 있는 회전 구동부와, 상기 회전 구동부를 통해 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 유체에 의한 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 상기 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로의 이동 속도를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전을 정지시켜서 상기 유체를 유체 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 흡수체가 상기 유체를 흡수하는 힘보다 상기 미세유동 소자의 회전에 의해 발생하는 원심력이 더 크도록 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 흡수체에 흡수된 상기 유체가 상기 흡수체로부터 원심력 방향으로 빠져 나오게 할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 중심점을 향할 경우에, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 하강시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 가장자리를 향할 경우에, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 하강시킬 수 있다.
본 발명의 제 6 관점에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에 의한 검체 검출 방법은, 상기 미세유동 소자는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 시료가 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 때에 상기 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역을 가지는 흡수체를 포함하며, 상기 검체 검출 방법은, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입하여 상기 흡수체에 접하도록 하는 단계와, 상기 중심점을 회전축으로 이용하여 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 상기 흡수체에 흡수된 상기 시료를 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 상기 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계와, 상기 시료의 이동에 의해 상기 반응 영역에서 발생하는 상기 특정 물질과의 반응 결과를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검체 검출 방법은, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입할 때에 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 원심력에 의해 상기 시료 내에 포함된 이물질 또는 입자를 분리 배출한 후에 상기 시료가 상기 흡수체에 접하도록 할 수 있다.
상기 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계는, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 유체에 의한 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로의 이동 속도를 조절할 수 있다.
상기 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계는, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 반응 영역에 의한 상기 특정 물질과의 반응 시간 또는 반응 횟수를 조절할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 스트립 등과 같은 흡수체에 유체가 흡수되어 반응 영역으로 이동하는 과정 및 반응하는 과정을 플랫폼의 회전 속도를 제어하여 자유자재로 조절할 수 있다.
또한 플랫폼의 회전 속도를 제어하여 유체 샘플의 이동 속도와 반응 시간 및 반응 횟수를 자유자재로 조절할 수 있기 때문에 스트립 내의 반응 영역과 시료의 반응 효율을 극대화시킴으로써 저농도로 존재하는 검체에 대해서도 고효율로 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성도로서, 도 2는 결합 상태의 사시도이고, 도 3은 분리 상태의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성을 설명하기 위한 부분 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자에서 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도가 플랫폼의 회전속도에 따라 달라지는 것을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자에서 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도가 흡수된 플랫폼의 회전 속도에 따라 달라지는 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 프로그램을 이용하여 플랫폼의 회전 속도를 제어함으로써 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도를 다양하게 조절한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 프로그램을 이용하여 플랫폼의 회전 속도를 제어함으로써 흡수체의 흡수와 배수를 반복적으로 수행한 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 흡수체의 흡수와 배수를 반복하는 모습을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에 의한 검체 검출 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 미세유동 소자(100)는, 중심점(10)을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태의 플랫폼(110)과, 중심점(10)에서 플랫폼(110)의 가장자리(20)를 연장하는 가상선 상에 배치된 상태에서 유체(30)가 흡수되어 원심력 방향(40), 원심력 반대방향(50) 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체(120)와, 플랫폼(110)의 가장자리(20)에 인접하게 배치되어 외부로부터 주입된 유체(30)를 수용한 상태에서 수용된 유체(30)에 흡수체(120)가 접촉되는 공간을 제공하는 챔버(130)을 포함한다.
챔버(130)는 유체(30)가 흡수체(120)에 접촉되게 유입시키는 유체 유입기의 일 실시 예이며, 외부로부터 주입된 유체(30)가 흡수체(120)에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로(도시 생략됨)를 형성하여 챔버(130)를 대체할 수 있다. 또는 외부로부터 주입된 유체(30)를 수용하는 챔버(130)와 이 챔버(130)에 수용된 유체(30)가 흡수체(120)에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로(도시 생략됨)를 모두 적용하여 유체 유입기를 구현할 수도 있다.
흡수체(120)는 복수개가 상호 일정한 간격을 두고 중심점(10)을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있으며, 도 1에는 도시 생략하였으나 챔버(130) 및/또는 미세유체 유로 또한 흡수체(120)에 대응하게 배치될 수 있다.
도 1에서는 챔버(130)와 미세유체 유로(도시 생략됨) 등으로 구현할 수 있는 유체 유입기가 플랫폼(110)의 중심점(10)보다 가장자리(20)에 인접한 위치에 배치된 실시 예를 나타내었으나, 유체 유입기는 플랫폼(110)의 가장자리(20)보다 중심점(10)에 인접한 위치에 배치될 수도 있으며, 두 위치 모두에 배치될 수도 있다.
도 1에서 도면부호 121은 유체(30)가 흡수체(120)에 흡수되어 젖은 영역을 나타낸 것이며, 도면부호 123은 유체(30)가 흡수체(120)에 흡수되지 않아서 마른 영역을 나타낸 것이다.
흡수체(120)에 흡수된 유체(30)는 플랫폼(110)의 회전에 의해 발생하는 힘에 의해 원심력 방향(40)으로 이동하게 된다. 이 때 발생하는 힘은 원심력(centrifugal force), 전향력(coriolis force) 등이 있다. 원심력은 회전하는 계에서 느껴지는 관성력으로, 물체가 관성에 따라 등속도로 운동하려 하기 때문에 발생하며, 회전의 중심에서 바깥쪽으로 작용하는 힘이다. 전향력 또한 회전하는 계에서 느껴지는 관성력으로, 회전하는 좌표계 내에서 물체가 운동하는 경우 각운동량을 보존하기 위해 발생하며, 운동 방향의 수직한 방향으로 작용하며 속도에 비례하는 힘이다. 이 외에도 유체(30)의 표면장력(surface tension)과 표면과의 상호작용에 의해 발생하는 모세관력(capillary force)도 유체(30)의 운동에 영향을 미치게 된다.
플랫폼(110)의 회전이 없는 경우, 유체(30)는 유체 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 되며, 유체(30)가 공급되는 젖은 영역(121)에서 마른 영역(123)으로 이동하게 된다. 이는 유체(30)의 표면장력과 모세관력에 의해 물이 흡수되는 원리이며, 충분히 많은 유체(30)를 흡수하여 모든 영역을 적시게 되면, 흡수체(120)는 유체(30)를 더 이상 흡수하지 않는다.
흡수체(120)를 통한 유체(30)의 이동은 플랫폼(110)의 회전 속도에 따라 달라지게 되는데, 이는 플랫폼(110)의 회전에 의해 발생하는 원심력에 의한 것이다.
플랫폼(110)의 회전이 없는 상태에서 흡수체(120)에서의 유체(30)의 이동방향이 플랫폼(110)의 중심점, 즉 회전중심을 향할 경우, 즉 흡수체(120)를 통한 유체(30)의 이동 방향이 원심력 반대방향(50)일 경우에 유체(30)의 이동 속도는 플랫폼(110)의 회전 속도가 느릴수록 빨라지고, 플랫폼(110)의 회전 속도가 빠를수록 느려진다.
이 때 플랫폼(110)의 회전에 의해 유체(30)에 작용하는 원심력이 흡수체(120)가 유체(30)를 흡수하는 힘보다 더 클 경우, 유체(30)는 더 이상 흡수체(120)를 따라 이동하지 않으며, 흡수체(120)에 흡수된 유체(30)는 흡수체(120)로부터 원심력 방향(40)으로 빠져 나오게 된다.
플랫폼(110)의 회전이 없는 상태에서 흡수체(120)에서의 유체(30)의 이동방향이 플랫폼(110)의 회전중심으로부터 멀어지는 방향, 즉 가장자리 방향으로 향할 경우, 즉 흡수체(120)를 통한 유체(30)의 이동 방향이 원심력 방향(40)일 경우, 유체(30)의 이동 속도는 플랫폼(110)의 회전 속도가 빠를수록 빨라지고, 회전 속도가 느릴수록 느려지게 된다.
흡수체(120)에서의 유체(30)의 이동속도는 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011045321629-pat00001
이 때 h 는 유체(30)가 이동한 거리, t는 시간, κ는 침투성(permeability), η 는 유체(30)의 점성도(viscosity), ΔP는 구동 압력이다. 이 때 구동 압력은 모세관력에 의한 압력, ΔPc, 와 플랫폼(110)의 회전에 의한 원심력에 의한 압력의 합으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011045321629-pat00002
이 때 ρ 는 유체(30)의 밀도, ω 는 플랫폼(110)의 회전각속도이다. R0 는 플랫폼(110)에 주입되어 흡수체(120)와 접하는 유체(30)와 기체의 경계면, 즉 흡수체(120)가 유체(30)를 흡수하기 시작하는 지점과 플랫폼(110)의 회전 중심 간의 거리이며, R은 흡수체(120)에 흡수된 유체(30)와 기체의 경계면, 즉 흡수체(120)의 젖은 부분과 마른 부분의 경계면으로부터 플랫폼(110)의 회전 중심 간의 거리이다.
따라서 유체(30)가 이동한 거리 h 는 R0 － R와 같으며, 아래와 같은 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112011045321629-pat00003
따라서, 회전하는 플랫폼(110) 상의 흡수체(120)를 통한 유체(30)의 이동속도는 모세관력에 의한 흡수 압력 (ΔPc), 흡수체(120)의 침투성(κ)이 커질수록 빨라지며, 유체(30)의 이동 거리(h), 플랫폼(110)의 회전속도(ω), 유체(30)의 밀도(ρ), 유체(30)의 점성(η), 회전 중심으로부터의 흡수체(120)와 유체(30) 경계면의 거리(R0)가 커질수록 느려지게 된다.
유체(30)의 이동 속도는 시간 갈수록 느려지다가 결국 유체(30)의 이동 거리는 일정한 지점에 다다르게 되는데, 그 지점은 아래 식과 같이, dh/dt = 0 인 지점이라고 할 수 있다.
Figure 112011045321629-pat00004
이와 같이 유체(30)의 이동속도가 0인 지점은 플랫폼(110)의 회전속도(ω), 유체(30)의 밀도(ρ)가 커질수록 그 값이 작아지며, 모세관력에 의한 흡수 압력 (ΔPc)이 클수록 값이 커지는 특징이 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성도로서, 도 2는 결합 상태의 사시도이고, 도 3은 분리 상태의 사시도이다.
이에 나타낸 바와 같이 미세유동 소자(200)는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태를 가지며, 중심점에 인접하게 배치되어 유체를 수용할 수 있는 내측 챔버(213a)와 가장자리에 인접하게 배치되어 유체를 수용할 수 있는 외측 챔버(213b)를 형성하는 플랫폼(210)을 포함한다.
중심점에서 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b)에 접촉되며, 유체가 흡수되어 원심력 방향 또는 원심력 반대방향으로 이동할 수 있는 흡수체(220)를 포함한다.
플랫폼(210)에 형성되어 내측 챔버(213a)에 유체를 주입할 수 있도록 하는 내측 포트(211a)를 포함한다.
플랫폼(210)에 형성되어 외측 챔버(213b)에 유체를 주입할 수 있도록 하는 외측 포트(211b)를 포함한다.
복수의 내측 챔버(213a)가 상호 일정한 간격을 두고 플랫폼(210)의 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되며, 복수의 외측 챔버(213b)가 내측 챔버(213a)에 대응하게 플랫폼(210)의 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되고, 복수의 흡수체(220)와 내측 포트(211a) 및 외측 포트(211b)가 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b)에 대응하게 배치된다.
플랫폼(210)은 상판(211)과 하판(213)과의 사이에 흡수체(220)가 인입된 상태로 접착 필름(230)에 의해 결합된다. 상판(211)에 내측 포트(211a)와 외측 포트(211b)가 형성되며, 하판(213)에 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b)가 형성되어 있다.
접착 필름(230)은 플랫폼(210)의 중심점에 원형 통공(231)을 구비한 디스크 형태이며, 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b) 및 흡수체(220)의 형상에 대응하는 패턴형 통공(233)이 형성되어 있다.
도 2 및 도 3에서는 플랫폼(210)의 중심점보다 가장자리에 인접한 위치에 배치된 외측 챔버(213b) 및 외측 포트(211b), 플랫폼(210)의 가장자리보다 중심점에 인접한 위치에 배치된 내측 챔버(213a) 및 내측 포트(211a)를 모두 포함하는 실시 예를 나타내었으나, 외측 챔버(213b) 및 외측 포트(211b)가 존재하지 않거나 내측 챔버(213a) 및 내측 포트(211a)가 존재하지 않도록 구현할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 미세유동 소자의 구성을 설명하기 위한 부분 절개 사시도이다.
이에 나타낸 바와 같이 미세유동 소자(300)는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태를 가지며, 가장자리에 인접하게 배치되어 시료를 수용할 수 있는 제 1 챔버(313a) 및 제 2 챔버(313b)를 형성하고, 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b) 사이를 연결하는 미세유체 유로(331a)를 형성하는 플랫폼(310)을 포함한다.
플랫폼(310)의 중심점에서 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 제 2 챔버(313b)에 접촉되며, 시료가 흡수되어 이동할 수 있고, 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역(321)을 가지는 흡수체(320)를 포함한다.
플랫폼(310)에 형성되어 제 1 챔버(313a)에 시료를 주입할 수 있도록 하는 포트(311a)를 포함한다.
복수의 제 1 챔버(313a)가 상호 일정한 간격을 두고 플랫폼(310)의 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있으며, 복수의 제 2 챔버(313b)가 제 1 챔버(313a)에 대응하게 플랫폼(310)의 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치될 수 있고, 복수의 흡수체(320)가 제 2 챔버(313b)에 대응하게 플랫폼(310)의 중심점에서 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치될 수 있다.
플랫폼(310)은 상판(311)과 하판(313)이 접착 필름(330)에 의해 결합되어 형성되며, 상판(311)에 흡수체(320)가 일체로 형성됨과 아울러 포트(311a)가 형성되며, 하판(313)에 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b)가 형성된다.
접착 필름(330)은 플랫폼(310)의 중심점에 원형 통공(도시 생략됨)을 구비한 디스크 형태이며, 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b), 스트립(320) 및 미세유체 유로(331a)의 형상에 대응하는 패턴형 통공(331)이 형성되어 있다.
이와 같은 미세유동 소자(300)에서 제 1 챔버(313a)는 유체나 시료 내부의 이물질 혹은 입자를 제거하기 위한 전처리용 챔버로 이용할 수 있다. 이 때 플랫폼(310)을 회전 구동시키면 원심력에 의해 이물질 또는 입자가 플랫폼(310)의 가장자리쪽, 즉 회전중심으로부터 먼 방향으로 밀려나며 시료의 액상과 분리되게 된다. 그러면, 분리된 액상 시료만 미세유체 유로(331a)를 통해 흡수체(320)로 이동할 수 있다. 이 경우, 상기 전처리용 챔버에서 전처리 과정을 수행하는 동안 시료가 흡수체(320)와 접하지 않도록 미세유체 유로(331a)에 밸브를 추가로 설치할 수 있다. 여기서, 밸브는 모세관력 임계값을 이용하는 방식이나 레이저를 조사하여 유로를 개방시키는 방식 등과 같이 수동형 및 능동형이 모두 이용될 수 있다.
이 외에도 전처리 과정을 위하여, 필터링을 위한 필터 등을 포함할 수도 있으며, 흡수체(320)로 이용할 수 있는 직물(fabric) 소재도 필터의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
도 4에서는 플랫폼(310)의 중심점보다 가장자리에 인접한 위치에 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b) 및 미세유체 유로(331a)가 형성된 실시 예를 설명하였으나, 플랫폼(310)의 가장자리보다 중심점에 인접한 위치에 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b) 및 미세유체 유로(331a)가 형성될 수도 있으며, 두 위치에 모두 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b) 및 미세유체 유로(331a)가 형성될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자(100, 200, 300)는 그 제조 장치에 의하여 자동화 공정을 통해 제조될 수 있다. 이러한 미세유동 소자 제조 장치에 의한 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다. 이하에서는 도 2 및 도 3에 도시된 실시 예에 따른 미세유동 소자(200)를 제조하는 과정을 예시적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태를 가지며, 상기 중심점에 인접하게 배치되어 유체를 수용할 수 있는 내측 챔버(213a)와 가장자리에 인접하게 배치되어 상기 유체를 수용할 수 있는 외측 챔버(213b)가 형성된 하판(213)을 준비한다.
그리고, 하판(213)과 마찬가지로 디스크 형태를 가지며, 내측 챔버(213a)에 상기 유체를 주입할 수 있도록 하는 내측 포트(211a)와 외측 챔버(213b)에 상기 유체를 주입할 수 있도록 하는 외측 포트(211b)가 형성된 상판(211)을 준비한다.
아울러, 상기 유체가 흡수되어 원심력 방향 또는 원심력 반대방향으로 이동할 수 있는 흡수체(220)를 준비한다.
이어서, 흡수체(220)가 상기 중심점에서 상기 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b)에 접촉되도록 하판(213)과 상판(211)을 결합하여 플랫폼(210)을 형성한다.
하판(213)과 상판(211)을 결합할 때에는 접착 필름(230)을 먼저 준비한다. 이 때 사용될 수 있는 접착 필름(230)은 상기 중심점에 원형 통공(231)을 구비한 디스크 형태이며, 내측 챔버(213a)와 외측 챔버(213b) 및 흡수체(220)의 형상에 대응하는 패턴형 통공(233)이 형성되어 있다. 이러한 접착 필름(230)을 하판(213)과 상판(211)과의 사이에 인입하여 그 접착력에 의해 하판(213)과 상판(211)을 결합할 수 있다.
상판(211) 및 하판(213)은 공정이 간단하고 제작비용이 저렴하며 다양한 생화학적 응용분야에 활용할 수 있으면서 내구성이 뛰어난 실리콘, 유리, 플라스틱, PMMA(polymethyl methacrylate), PDMS(polydimethylsiloxane), COC(cyclo-olefin-copolymer), PC(polycarbonate) 등으로 제작할 수 있다.
내측 포트(211a), 외측 챔버(213b), 미세유체 유로 등과 같이 상판(211)이나 하판(213)에 형성하는 미세구조물은 포토리소그래피(photolithography), 소프트 리소그래피(soft lithography), 밀링(milling), 몰딩(molding), 임프린팅(imprinting) 등을 사용하여 제작할 수 있다.
흡수체(220)는 종이, 천 또는 실 등과 같이 유체를 흡수하는 성질을 지닌 재질을 이용하여 제작할 수 있다.
도 4의 실시 예에 같은 스트립(320) 상의 반응 영역(321)에서 시료 내 특정 물질의 반응으로 인해 발생하는 신호는 색깔, 형광 등일 수 있으며, 각종 면역반응과 효소 반응 등 다양한 반응 메커니즘을 광범위하게 적용할 수 있다. 반응 영역(321)은 항체, 효소, 단백질, 핵산 중 하나 일 수 있으며, 시료는 혈액, 물, 오줌, 침, 땀, 배지 중 하나 일 수 있다. 특정 물질은 항원, 핵산, 바이러스, 중금속과 같은 오염원 중 하나 일 수 있다.
한편, 상판(211)과 하판(213)을 결합할 때에는 앞서 설명한 실시 예의 접착 필름(230)을 사용하지 않고, 접착제를 이용한 접착 공정, 초음파 융착 접착 공정, 유기화학물을 이용한 접착 공정, 유기용매를 이용한 접착 공정, 화학증착 접착 공정 또는 플라즈마 접착 공정 중에서 어느 하나의 접착 공정을 이용할 수도 있다. 이러한 실시 예들에서는 하판(213)의 제 1 챔버(313a)와 제 2 챔버(313b) 사이를 음각하여 미세유체 유로(331a)를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면 미세유동 소자(100, 200, 300)를 이용하는 검체 검출 장치를 구현할 수 있다.
이러한 검체 검출 장치는 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태의 플랫폼을 포함하며, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 유체가 원심력 방향 또는 원심력 반대방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함하는 미세유동 소자(100, 200, 300)를 포함한다.
아울러, 상기 중심점을 회전축으로 이용하여 미세유동 소자(100, 200, 300)를 목표하는 회전 속도로 회전 구동할 수 있는 회전 구동부를 포함한다.
그리고, 상기 회전 구동부를 통해 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 제어하여 상기 유체에 의한 상기 원심력 방향 또는 상기 원심력 반대방향으로의 이동 속도를 조절하는 제어부를 포함한다.
이러한 검체 검출 장치에 의하면, 상기 제어부는 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전을 정지시켜서 상기 유체를 유체 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시킬 수 있다. 그리고, 상기 제어부는 상기 흡수체가 상기 유체를 흡수하는 힘보다 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전에 의해 발생하는 원심력이 더 크도록 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 제어하여 상기 흡수체에 흡수된 상기 유체가 상기 흡수체로부터 원심력 방향으로 빠져 나오게 할 수 있다. 아울러, 상기 제어부는 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 중심점을 향할 경우에, 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 하강시킬 수 있다. 또는, 상기 제어부는 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 가장자리를 향할 경우에, 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 미세유동 소자(100, 200, 300)의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 하강시킬 수 있다.
이러한 검체 검출 장치에 의하면 스트립, 즉 흡수체 상의 반응 영역과 시료 내 특정 물질의 반응 시간이 길어지거나 반응 횟수가 증가할수록 검출하고자 하는 특정 물질과 반응 영역과의 반응에 의한 출력 신호가 증가한다. 이 때, 플랫폼의 회전 속도를 자유자재로 제어함으로써, 스트립을 통해 이동하는 시료의 이동 속도 및 반응 영역과 시료의 반응 시간 및 반응 횟수를 자유자재로 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자에서 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도가 플랫폼의 회전속도에 따라 달라지는 것을 촬영한 사진이다.
본 실험을 위해 제작된 미세유동 소자는 회전 가능한 플랫폼의 상판과 하판을 모두 PC(polycarbonate)로 제작하였다. 상판과 하판 사이에 고정된 흡수체는 필터페이퍼를 45mm x 3mm 크기로 잘라 사용하였으며, 흡수체의 종류, 표면성질, 침투성 등의 특성에 따라 흡수되는 유체의 이동 특성은 달라지게 된다.
본 실험에서는 정제된 물을 시료로 사용하였으며 상판의 포트를 통해 하판의 챔버에 주입하였다. 시료의 종류에 따라 시료의 표면장력, 점성 등이 달라지므로, 흡수되는 속도도 달라지게 된다.
이 때 실시간으로 흡수체가 젖는 현상을 촬영하면서, 각기 다른 플랫폼의 회전속도마다 유체에 의해 흡수체가 젖는 영역(221)의 거리를 시간에 따라 측정하였다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자에서 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도가 흡수된 플랫폼의 회전 속도에 따라 달라지는 결과를 도시한 그래프이다.
본 실험은 700rpm에서 6000rpm까지 다양한 회전 속도에서 수행하였고, 회전 속도는 시간에 따라 일정하게 유지하였다. 실험결과에 따르면, 회전 속도가 증가할수록 유체가 흡수체에 젖어 들어가는 이동속도가 느려지며, 같은 회전 속도에서도 시간이 갈수록 유체가 이동하는 속도가 줄어든다.
본 실험은 유체가 공급되는 챔버의 위치가 플랫폼의 회전중심으로부터 멀리 떨어져 있고, 흡수체를 따라 플랫폼의 회전중심을 향해 이동한다. 따라서 유체의 이동방향은 플랫폼의 회전에 의해 발생하는 원심력의 반대방향으로써, 회전 속도가 증가할수록 유체의 이동속도가 줄어드는 것이다.
시간이 갈수록 흡수체가 흡수하는 유체의 양도 증가하고, 유체에 의해 젖은 거리가 길어질수록 유체의 이동속도가 느려지면서 유체가 이동한 거리가 일정해 졌다. 특히 6000rpm에서는 1분 이내에 이러한 평형점(equilibrium point)에 도달하였으며, 플랫폼의 회전속도가 느려질수록 평형점에 도달하는 시간이 길어지는 특징이 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 프로그램을 이용하여 플랫폼의 회전 속도를 제어함으로써 유체가 흡수체를 통해 이동하는 속도를 다양하게 조절한 결과를 도시한 그래프이다.
플랫폼의 회전속도는 제어부를 이용하여 도 7의 아래쪽 그래프와 같이 자유자재로 제어할 수 있다. 이러한 플랫폼의 회전은 자동으로 제어되며, 회전주기와 일치하게 광원을 조사함으로써, 플랫폼의 일정한 위치에서 정확하게 영상을 획득 및 검출할 수도 있다.
본 실험에서는 도 7의 아래쪽 그래프와 같이 다양한 회전속도 프로그램을 이용하여, 다양한 유속으로 유체가 흡수체를 통해 이동하는 현상을 관찰 하였으며, 피드백 제어를 통해 일정한 유체의 이동속도를 일정하게 유지할 수도 있었다.
본 실험에서는 6000 rpm 10초, 2000 rpm 10초, 700 rpm 10초, 600 rpm 10초, 500 rpm 20초로 플랫폼을 회전시켰을 때에 유체의 이동속도를 0.4 mm/s로 유지할 수 있었다. 6000 rpm 10초, 2000 rpm 30초, 1400 rpm 30초, 1000 rpm 30초, 900 rpm 30초, 800 rpm 30초, 700 rpm 30초로 플랫폼을 회전시켰을 때에는 유체의 이동속도를 0.13 mm/s 로 유지할 수 있었다.
이 때 모든 실험에서 초반 10초간 6000 rpm의 빠른 속도로 회전시킨 이유는 초반에 갑자기 다양한 회전속도로 플랫폼을 회전시키면 유체가 불안정하게 챔버에서 이동하면서 흡수체에 닿아서 흡수체에 흡수가 시작되는 타이밍이 불일정해지기 때문이다. 이와 같이 빠른 회전속도로 플랫폼을 회전시키면 유체 또는 시료가 흡수체와 닿은 상태에서도 더 이상 흡수되지 않고 평형점을 유지하기 때문에 안정된 상태에서 다양한 이동속도로 유체를 이동시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 프로그램을 이용하여 플랫폼의 회전 속도를 제어함으로써 흡수체의 흡수와 배수를 반복적으로 수행한 결과를 도시한 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에서 흡수체의 흡수와 배수를 반복하는 모습을 촬영한 사진이다.
본 실험에서는 플랫폼을 2000 rpm으로 회전시키며 흡수체에 10초간 유체를 흡수시킨 뒤 6000 rpm으로 회전시켜 흡수된 유체를 배수시키고, 다시 더 느린 회전속도로 회전시키며 유체를 흡수한 후, 다시 배수 시키는 과정을 반복하였다. 플랫폼의 회전속도 제어에 사용된 회전속도 프로그램은 도 8의 아래쪽 그래프와 같다. 이 때 흡수를 위한 회전속도는 2000 rpm, 1000 rpm, 700 rpm, 300 rpm으로 줄어들었는데, 같은 시간 동안 배수되었던 물이 다시 흡수되는 속도도 회전속도가 느릴수록 점점 빨라지는 특성을 보였다.
하지만 6000 rpm으로 회전시킨 배수 과정에서 이미 젖었던 영역에서 모든 물이 배수되지는 않았고, 일부 유체가 남아 있어 일부 젖은 영역(225)과 아직 젖지 않은 마른 영역(223)의 경계를 확인할 수 있었다. 또한 완전히 젖은 영역(221)은 배수 과정에서 공급되는 유체 방향으로 거의 모두 배수되어 6000 rpm 회전속도에서의 평형점에 도달하였고, 흡수과정에서는 앞서 관찰한 특정 이동속도로 흡수되어 흡수체를 따라 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 흡수 및 배수 특성은 흡수체의 종류나 표면 성질 등에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 본 실험에서는 배수 과정에서 종이를 구성하는 파이버 등에 물이 침투하거나, 파이버와 파이버 사이에 물방울이 맺히면서 완전한 배수가 일어나지 않아, 일부 젖은 영역(225)이 존재하지만, 만약 다른 표면 성질을 지녔거나 다른 조직 구성을 지닌 흡수체를 사용한다면 완전한 배수가 일어나 흡수체를 완전히 마른 영역(223)으로 만들 수도 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 의하면 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에 의한 검체 검출 방법이 제공된다. 이러한 검체 검출 방법에서 이용할 수 있는 미세유동 소자는 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 디스크 형태의 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 시료가 원심력 방향 또는 원심력 반대방향으로 이동할 때에 상기 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역을 가지는 스트립을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 의한 검체 검출 방법에 의하면, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입하여 상기 스트립에 접하도록 하고, 상기 중심점을 회전축으로 이용하여 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 상기 스트립에 흡수된 상기 시료를 상기 원심력 방향 또는 상기 원심력 반대방향으로 이동시키며, 상기 시료의 이동에 의해 상기 반응 영역에서 발생하는 상기 특정 물질과의 반응 결과를 검출한다.
여기서, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입할 때에 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 원심력에 의해 상기 시료 내에 포함된 이물질 또는 입자를 분리 배출한 후에 상기 시료가 상기 스트립에 접하도록 할 수 있다.
아울러, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 유체에 의한 상기 원심력 방향 또는 상기 원심력 반대방향으로의 이동 속도를 조절할 수 있으며, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 반응 영역에 의한 상기 특정 물질과의 반응 시간 또는 반응 횟수를 조절할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에 의한 검체 검출 방법은 도 10의 순서도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 시료를 포트를 통해 미세유동 소자의 플랫폼에 주입한 후에 시료의 분리 및 전처리가 필요하다면 시료 분리를 위한 회전을 수행한다(S401, S403). 이 때 시료 내 이물질이나 입자 등은 플랫폼의 회전에 의한 원심력에 의해 분리될 수 있으며, 그 외 필터를 이용하여 시료로부터 이물질이나 입자 등을 분리할 수도 있다.
시료 분리가 완료(S405)되면 플랫폼을 회전 구동시켜서 시료를 스트립으로 이동시킨다. 여기서, 스트립과 시료가 닿아 시료를 스트립이 흡수하게 될 때까지 시료를 이동시킨다(S407, S409, S411, S413). 이 때 시료는 플랫폼이 회전할 때 회전중심으로부터 멀어지는 방향으로 움직이는데, 이 경우에는 시료와 스트립이 만나게 되는 챔버는 회전중심으로부터 먼 방향에 위치하여야 한다.
시료가 스트립에 흡수될 때는 플랫폼의 회전에 의한 원심력이 시료가 흡수되는 흡수력보다 작도록 플랫폼의 회전 속도를 제어한다.
시료가 스트립 상의 반응 영역을 만나게 되면 시료와 반응 영역이 반응을 하게 되고(S415), 그 결과 발색이나 형광 등의 신호를 발생시키게 된다(S417).
이 때 신호의 크기는 시료 내 특정 물질의 양에 비례하는데, 물질의 양이 극히 적을 경우에는 신호의 크기가 작아서 검출이 어려울 수 있다(S419). 이 때 반응 영역과 시료의 반응시간을 늘려주거나, 반응 횟수를 늘려줄 수 있는데, 이를 위해 플랫폼의 회전 속도를 상승(S420)시켜 원심력이 흡수력보다 더 크도록 하여(S421) 시료의 배수가 일어나도록 한다(S423). 또 다른 방법으로 시료를 스트립의 반응 영역에 정지시켜서 반응 시간을 늘려 줄 수도 있다.
시료의 배수가 완료(S425)되면 다시 플랫폼의 회전속도를 감소(S427)시켜 원심력이 흡수력보다 작아지게 하고(S429), 시료가 스트립에 흡수되어 반응 영역과 한번 더 반응할 수 있도록 한다.
이러한 과정을 무한정 반복할 수 있으며, 특정 횟수를 정해놓고 그 때마다 발생하는 신호의 크기를 측정하여, 특정 물질의 양을 정량화할 수도 있다.
신호의 크기는 반응 영역과 반응하는 시료 내 특정 물질의 양과 비례하며, 신호 검출을 통해 정량적으로 특정 물질의 양을 측정할 수 있다.
최종적으로 신호의 크기가 충분히 강해져 검출이 가능해지면 신호를 검출한 후, 모든 프로세스를 종료할 수 있다.
반응에 의한 신호는 반응 영역의 종류, 특정 물질의 종류, 온도, 검출기의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 플랫폼의 회전에 의한 검출 특성도 달라질 수 있다.
더 원활한 프로세스를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치를 실제 생화학적 실험에 응용할 경우에는 실제 프로세스 전 미리 적절한 실험조건을 찾기 위한 테스트용 스트립 센서부를 함께 집적시킬 수 있다.
100 : 미세유동 소자 110 : 플랫폼
120 : 흡수체 130 : 챔버
200 : 미세유동 소자 211a : 내측 포트
211b : 외측 포트 213a : 내측 챔버
213b : 외측 챔버 220 : 흡수체
230 : 접착 필름 231 : 원형 통공
233 : 패턴형 통공 300 : 미세유동 소자
313a : 제 1 챔버 313b : 제 2 챔버
331a : 미세유체 유로 320 : 흡수체
321 : 반응 영역 330 : 접착 필름
331a : 미세유체 유로 331 : 패턴형 통공

Claims (34)

  1. 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼과,
    상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되며, 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함하는
    미세유동 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 흡수체가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치된
    미세유동 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 미세유동 소자는, 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉되게 유입시키는 유체 유입기를 더 포함하는
    미세유동 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 유입기는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치 중에서 적어도 어느 하나의 위치에 배치된
    미세유동 소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 유입기는, 외부로부터 주입된 상기 유체를 수용하며, 수용된 상기 유체에 상기 흡수체가 접촉되는 공간을 제공하는 챔버를 포함하는
    미세유동 소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 유입기는, 외부로부터 주입된 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로를 포함하는
    미세유동 소자.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 유체 유입기는, 외부로부터 주입된 상기 유체를 수용하는 챔버와,
    상기 챔버에 수용된 상기 유체가 상기 흡수체에 접촉하도록 인도하는 미세유체 유로를 포함하는
    미세유동 소자.
  8. 중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 유체를 수용할 수 있는 하나 이상의 챔버를 형성하고, 상기 챔버에 상기 유체를 주입할 수 있게 하는 포트를 형성하는 플랫폼과,
    상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 챔버에 접촉되며, 상기 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함하는
    미세유동 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 챔버는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치에 배치된 내측 챔버 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치에 배치된 외측 챔버 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는
    미세유동 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 내측 챔버가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되며, 복수의 상기 외측 챔버가 상기 내측 챔버에 대응하게 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되고,
    상기 포트는, 복수의 상기 내측 챔버에 대응하게 배치된 복수의 내측 포트와 복수의 상기 외측 챔버에 대응하게 배치된 복수의 외측 포트를 포함하는
    미세유동 소자.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상판과 하판이 결합하여 형성된
    미세유동 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 상판에 상기 포트가 형성되며, 상기 하판에 상기 챔버가 형성된
    미세유동 소자.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판과의 사이에 상기 흡수체가 인입된 상태로 결합된
    미세유동 소자.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판이 접착 필름에 의해 결합되며,
    상기 접착 필름은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비한 형태이고, 상기 챔버 및 상기 흡수체의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성된
    미세유동 소자.
  15. 중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 시료를 수용할 수 있는 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 형성하고, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 사이를 연결하는 미세유체 유로를 형성하며, 상기 제 1 챔버에 상기 시료를 주입할 수 있게 하는 포트를 형성하는 플랫폼과,
    상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 제 2 챔버에 접촉되며, 상기 시료가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있고, 상기 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역을 가지는 흡수체를 포함하는
    미세유동 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 미세유동 소자는, 복수의 상기 제 1 챔버가 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되며, 복수의 상기 제 2 챔버가 상기 제 1 챔버에 대응하게 상기 중심점을 기준으로 하여 방사상으로 배치되고, 복수의 상기 흡수체가 상기 제 2 챔버에 대응하게 상기 가상선 상에 배치된
    미세유동 소자.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버는, 상기 가장자리보다 상기 중심점에 인접한 위치 또는 상기 중심점보다 상기 가장자리에 인접한 위치 중에서 적어도 어느 하나의 위치에 배치된
    미세유동 소자.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상판과 하판이 결합하여 형성된
    미세유동 소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 상판과 상기 하판이 접착 필름에 의해 결합되며, 상기 상판에 상기 흡수체가 일체로 형성되고, 상기 상판에 상기 포트가 형성되며, 상기 하판에 상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버가 형성되고,
    상기 접착 필름은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비하며, 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버, 상기 흡수체 및 상기 미세유체 유로의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성된
    미세유동 소자.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 플랫폼은, 상기 상판에 상기 흡수체가 일체로 형성되고, 상기 상판에 상기 포트가 형성되며, 상기 하판에 상기 제 1 챔버와 상기 제 2 챔버 및 상기 미세유체 유로가 형성된
    미세유동 소자.
  21. 미세유동 소자의 제조 장치에 의한 제조 방법으로서,
    중심점을 회전축으로 이용할 수 있으며, 유체를 수용할 수 있는 적어도 하나 이상의 챔버가 형성된 하판을 준비하는 단계와,
    상기 하판에 대응하는 형태를 가지며, 상기 챔버에 상기 유체를 주입할 수 있게 하는 포트가 형성된 상판을 준비하는 단계와,
    상기 유체가 흡수되어 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 준비하는 단계와,
    상기 하판과 상기 상판을 결합하여 플랫폼을 형성하되, 상기 흡수체가 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 상기 챔버에 접촉되도록 하는 단계를 포함하는
    미세유동 소자의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 상기 중심점에 원형 통공을 구비한 형태이면서 상기 챔버 및 상기 흡수체의 형상에 대응하는 패턴형 통공이 형성된 접착 필름을 준비하는 단계를 더 포함하며,
    상기 플랫폼을 형성하는 단계는, 상기 하판과 상기 상판과의 사이에 상기 접착 필름을 인입하여 결합하는
    미세유동 소자의 제조 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 상기 하판 및 상기 상판의 재질로 플라스틱, 실리콘 또는 유리 중에서 적어도 하나 이상을 이용하는
    미세유동 소자의 제조 방법.
  24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 상기 흡수체의 재질로 종이, 천 또는 실 중에서 적어도 하나 이상을 이용하는
    미세유동 소자의 제조 방법.
  25. 제 21 항에 있어서,
    상기 플랫폼을 형성하는 단계는, 상기 상판과 상기 하판을 결합할 때에 접착제를 이용한 접착 공정, 초음파 융착 접착 공정, 유기화학물을 이용한 접착 공정, 유기용매를 이용한 접착 공정, 화학증착 접착 공정 또는 플라즈마 접착 공정 중에서 어느 하나의 접착 공정을 이용하는
    미세유동 소자의 제조 방법.
  26. 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼을 포함하며, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 유체가 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 수 있는 흡수체를 포함하는 미세유동 소자와,
    상기 중심점을 회전축으로 이용하여 상기 미세유동 소자를 목표하는 회전 속도로 회전 구동할 수 있는 회전 구동부와,
    상기 회전 구동부를 통해 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 유체에 의한 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 상기 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로의 이동 속도를 조절하는 제어부를 포함하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전을 정지시켜서 상기 유체를 유체 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동시키는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 흡수체가 상기 유체를 흡수하는 힘보다 상기 미세유동 소자의 회전에 의해 발생하는 원심력이 더 크도록 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 흡수체에 흡수된 상기 유체가 상기 흡수체로부터 원심력 방향으로 빠져 나오게 하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 중심점을 향할 경우에, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 하강시키는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치.
  30. 제 26 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 미세유동 소자의 회전이 정지된 상태에서 상기 유체의 이동 방향이 상기 가장자리를 향할 경우에, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 높여 상기 유체의 이동 속도를 상승시키거나 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 낮춰 상기 유체의 이동 속도를 하강시키는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치.
  31. 미세유동 소자를 이용한 검체 검출 장치에 의한 검체 검출 방법으로서,
    상기 미세유동 소자는, 중심점을 회전축으로 이용할 수 있는 플랫폼과, 상기 중심점에서 상기 플랫폼의 가장자리를 연장하는 가상선 상에 배치되어 흡수된 시료가 원심력 방향, 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동할 때에 상기 시료 내에 포함된 특정 물질과 반응하는 반응 영역을 가지는 흡수체를 포함하며,
    상기 검체 검출 방법은, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입하여 상기 흡수체에 접하도록 하는 단계와,
    상기 중심점을 회전축으로 이용하여 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 상기 흡수체에 흡수된 상기 시료를 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 상기 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계와,
    상기 시료의 이동에 의해 상기 반응 영역에서 발생하는 상기 특정 물질과의 반응 결과를 검출하는 단계를 포함하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 검체 검출 방법은, 상기 시료를 상기 미세유동 소자에 주입할 때에 상기 미세유동 소자를 회전 구동시켜서 원심력에 의해 상기 시료 내에 포함된 이물질 또는 입자를 분리 배출한 후에 상기 시료가 상기 흡수체에 접하도록 하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계는, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 시료에 의한 상기 원심력 방향, 상기 원심력 반대방향 또는 원심력 수직방향 중에서 적어도 어느 하나의 방향으로의 이동 속도를 조절하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 단계는, 상기 미세유동 소자의 회전 속도를 제어하여 상기 반응 영역에 의한 상기 특정 물질과의 반응 시간 또는 반응 횟수를 조절하는
    미세유동 소자를 이용한 검체 검출 방법.
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