KR101312090B1 - 랩온어칩 및 그 구동방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제1 영역; 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제2 영역; 제1 영역과 제2 영역의 경계에 대향하는 제2 영역의 말단에 구비되어, 제2 영역 말단의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 조절하는 간극 조절 부재; 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제2 영역 말단에서 상기 간극 조절 부재에 의한 조절을 받는 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 영역의 중앙의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄이는 압력 인가 부재를 포함한다. 따라서 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 기회를 최대화하여 극미량의 샘플로 높은 신호를 얻을 수 있다.
랩온어칩, 면역반응, 반응 기회 최대화

Description

랩온어칩 및 그 구동방법{The lab-on a chip and method of driving the same}
본 발명은 랩온어칩에 관한 것으로 특히 모세관력 조절형 랩온어칩 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-03, 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, 전기적 또는 광학 적 신호로 측정 대상의 농도에 비례하는 신호를 출력하는 과정을 하나의 측정 시스템에서 자동으로 수행한다.
최근 이러한 자동 분석 장치를 아주 작은 칩(chip)에서 미세하게 구현한 혁신적인 장치가 개발되었고, 이를 랩온어칩(lap-on-a-chip)이라 부른다.
랩온어칩은 초미세 회로의 반도체 기술과 나노 기술, 생명 공학 기술 등의 집적으로 아주 작은 크기의 칩에서 실험실에서 할 수 있는 연구를 가능하게 만든 장치로 극미량의 시료나 샘플만으로도 실험 연구 과정을 신속하게 진행할 수 있어 의학, 생명 공학 등 다양한 분야에서 진단ㆍ분석 장치로 개발 중인 바이오 칩이다.
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 사용하고 난 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.
종래 기술에 따른 랩온어칩은 여전히 상ㆍ하부 기판 및 측벽의 모세관력(capillary force)과 상부 기판 및 하부 기판의 구조물에 의한 유체 변화로 면역 반응을 가능하게 하고 있다. 그러나 항원-항체 반응(antigen-antibody reaction)의 면역 반응은 모세관력(capillary force)과 상부 기판 및 하부 기판의 구조물뿐 아 니라 칩의 높이 등에 많은 영향을 받는다.
따라서 극미량의 샘플로 높은 신호의 세기를 얻기 위해서는 하부 기판에 심어져 있는 포획항체(capture antibody)와 혈액 속의 탐지하고자 하는 항원(target antigen)의 반응 기회(binding event)를 극대화하여야 할 필요가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상부 기판에 압력을 주어 상부 기판과 하부 기판의 사이의 간극을 인위적으로 줄임으로써 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 기회를 최대화하는 랩온어칩 및 그 구동 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 랩온어칩은,
하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제1 영역;
상기 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제2 영역;
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제2 영역 말단의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 조절하는 간극 조절 부재; 및
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제2 영역 말단에서 상기 간극 조절 부재에 의한 조절을 받는 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 영역의 중앙의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄이는 압력 인가 부재를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 제1 영역의 상기 하부 기판은
필터부 및 제1 반응부를 포함할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 제1 영역의 상기 상부 기판은
혈액 주입구를 가질 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 필터부는
혈액의 혈구를 걸러내고 혈장 성분만을 통과시킬 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 제1 반응부는
혈액의 혈장 성분과 반응하여 제1 항원-항체 반응물을 형성하는 탐지항체를 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2 영역의 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판의 양 측부는
노출된 형태를 가질 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2 영역의 상기 하부 기판은
적어도 하나의 제2 반응부를 포함할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 제2 반응부는
제1 항원-항체 반응물과 반응하여 제2 항원-항체 반응물을 형성하는 포획항체를 포함할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 압력 인가 부재는
상기 제1 항원-항체 반응물과 상기 포획 항체의 제2 항원-항체 반응 시, 상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 반응부의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄일 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 압력 인가 부재는
상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 반복적으로 압력을 가할 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 압력 인가 부재는
상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 소정의 시간 간격으로 압력을 가할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 간극 조절 부재는
그 일부가 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 개재되는 쐐기 형태일 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 중에서 적어도 하나의 기판은
연성 기판일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 랩온어칩의 구동 방법은,
하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제1 영역 및 상기 하부 기판과 상기 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제2 영역을 포함하는 랩온어칩을 준비하는 단계;
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비된 간극 조절 부재에 의해, 상기 제2 영역 말단의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 조절하는 단계;
상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비된 압력 인가 부재에 의해, 상기 제2 영역 말단에서 상기 간극 조절 부재에 의한 조절을 받는 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 영역의 중앙의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄여 상기 제2 영역 내의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에 있어서, 상기 유체의 흐름은 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로의 전진, 후퇴, 또는 정지를 포함할 수 있다.
실시예에 있어서, 상기 제2 영역은 적어도 하나의 반응부를 포함하고,
상기 제2 영역 내의 상기 유체의 흐름을 제어하는 단계는 상기 유체와 상기 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계일 수 있다.
이 실시예에 있어서, 상기 유체와 상기 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계에서, 상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 소정의 시간 간격으로 압력을 가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 랩온어칩에 의하면,
임의의 기구 등을 이용하여 상부 기판에 압력을 주어 상부 기판과 하부 기판의 사이의 간극을 인위적으로 줄임으로써 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 기회를 최대화할 수 있다.
구체적으로는, 면역 반응에 참여하는 항원과 항체 사이의 반응 기회(상세하게는, 제 1 항원-항체 반응물 및 포획 항체와의 제 2 항원-항체 반응)를 최대화하여 극미량의 샘플로 높은 신호를 얻을 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 랩온어칩에서의 화학 분석 과정을 설명하기 위한 순서도 및 그에 따른 개념도들이다. 여기서는 혈액으로부터 혈구를 분리하고 혈장 성분의 일부에 포함된 특정 단백질(항원)을 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 이동한 다.
유체에 포함된 바이오마커 단백질(1)은 제 1 반응부에서 형광체(3) 및 탐지항체(detection 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 있다. 담체 입자(2)는 랩온어칩의 제 1 반응부 부위의 하부 기판(10)에 제공된 고정력을 갖는 점액성의 물질로 이루어진 스캐폴드(scaffold, 5)에 의해 부착될 수 있다. 유체에 포함된 바이오마커 단백질(1)과 담체 입자(2)에 포함된 탐지항체(4) 사이의 제 1 항원-항체 반응(primary antigen-antibody reaction)에 의해 제 1 항원-항체 반응물(즉, 탐지항원-탐지항체 복합체)(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 포획항체(8)와 반응(S40)한다. 제 1 항원-항체 반응물(6)에 포함된 바이오마커 단백질(1)과 포획항체(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 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 모세관력 랩온어칩은 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)으로 구성될 수 있다. 하부 기판(110) 및 상부 기판(120)은 일정한 간 극(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 2a에 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 시료(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 연 성(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 3a 내지 도 3e에서 더 자세히 설명하고자 한다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동 원리를 설명하기 위한 개념 단면도들이다.
도 3a를 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 3b를 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 3c를 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 3d를 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 3e를 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 3a와 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 3a 내지 도 3e에서 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 조절이 자유로울 수 있다.
원하는 위치에 유체가 도달했을 때, "PRESS" 위치에 기구 등의 압력 인가 수 단을 이용하여 상부 기판(120)에 압력을 주어 눌러준다. 그러면 칩의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극은 h보다 작아져 유체 내에 존재하는 물질들의 반응 기회가 인위적으로 늘어날 수 있으며, 유체의 흐름이 빨라져 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서 유체 내에 존재하는 물질들의 반응 효율이 높아질 수 있다.
도시의 편의를 위하여 "PRESS" 위치는 도 3b에만 도시하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 평면도이고, 도 5a 내지 도 5g는 도 4의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도들이다. 여기서는 혈액으로부터 혈구를 분리하고 혈장 성분의 일부에 포함된 특정 단백질을 분석하는 단백질 랩온어칩을 예로 들어 설명하고자 한다.
도 4 및 도 5a를 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), 제 1 영역(A)과 제 2 영역(B)의 경계에 대향하는 제 2 영역(B)의 말단에 구비되어, 제2 영역(B) 말단의 상부 기판(120)에 압력을 가하여 제2 영역(B) 중앙의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 줄이는 압력 인가 부재(145)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 하부면 보다 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 탐지항체(형광체에 고정된 참조부호 160의 점들)를 포함할 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 2a 및 도 2b에 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 포획항체(참조부호 170, 180 또는/및 190의 점들)를 포함할 수 있다. 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 포획항체는 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.
압력 인가 부재(145)는 상부 기판(120)에 압력을 가할 수 있는 임의의 기구일 수 있다. 별도의 기구인 압력 인가 부재(145)가 간극 조절 부재(140)가 개재되는 쪽 제 2 영역(B) 말단(상세하게는, 간극 조절 부재(140)의 앞부분, 즉 제 2 영역(B)의 말단에서 중앙 쪽에 가까운 부분)의 상부 기판(120)에 압력을 가함으로써 제2 영역(B) 중앙의(상세하게는, 제2 반응부가 위치하는 부분) 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 줄일 수 있다.
도 5a를 참조하면, 모세관력 랩온어칩의 채널은 하부 기판(110)과 상부 기판(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 5b를 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 탐지항체 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 5c를 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 5d를 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 기판(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 5b 내지 도 5d의 과정을 반복할 수도 있다.
도 5e를 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 포획항체 사이의 제 2 항원-항체 반응이 일어나도록 하기 위한 것일 수 있다. 이에 따라, 제 2 항원-항체 반응물(미도시)이 생성될 수 있다.
이 때, 압력 인가 부재(145)에서 상부 기판(120)에 압력을 가하여 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 H1 보다 낮추게 되면 제 2 항원-항체 반응의 기회가 인위적으로 늘어날 수 있다.
이에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
제 1 항원-항체 반응물과 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체는 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)가 구비된 영역까지 전진하여, 제 1 반응부(160)에서 생성된 제 1 항원-항체 반응물과 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 포획항체 사이에 제 2 항원-항체 반응이 일어날 수 있다.
제 1 항원-항체 반응물과 미반응 혈장 성분을 포함하는 유체가 제 2 반응부(170, 180 또는/및 190)의 포획항체와 충분히 반응을 일으킬 수 있을 때, 바람직하게는 유체가 복수 개의 제 2 반응부 중 중간 부분에 도달한 때에 압력 인가 부 재(145)에서 상부 기판(120)에 압력을 가하여 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극(바람직하게는 제 2 항원-항체 반응이 일어나는 영역의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극)을 낮추면, 제 1 항원-항체 반응물이 아래 방향으로 이동함으로써 하부 기판에 고정되어 있는 제 2 반응부의 포획 항체와 결합할 수 있는 기회가 더 늘어날 수 있다. 또한, 유체의 흐름이 빨라져 반응 속도를 증가시킬 수 있다. 따라서 제 2 항원-항체 반응의 효율을 높일 수 있다.
반응 효율을 좀 더 높이기 위해서, 압력 인가 부재(145)는 유체가 복수 개의 제 2 반응부 중 중간 부분에 도달한 때에 반복적으로 상부 기판(120)에 압력을 가할 수 있다. 상세하게는 소정의 시간 간격에 따라 반복적으로 상부 기판(120)에 압력을 가할 수 있다. 소정의 시간 간격은 실험에 따라 제 2 항원-항체 반응이 가장 효율적으로 일어날 수 있는 시간 간격일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 랩온어칩에 사용되는 상부 기판(120)은 연성 기판일 수 있고, 연성 기판은 얇고 잘 휘어질 수 있기 때문에 상부 기판(120)의 말단에 위치한 압력 인가 부재(145)에서 압력을 인가하더라도 제2 항원-항체 반응이 일어나는 영역의 하부 기판과 상부 기판 사이의 간극을 줄일 수 있다.
도 5f를 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 5g를 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 포획항체 사이의 제 2 항원-항체 반응이 보다 충분히 일어날 수 있게 하기 위함이다. 유체에 포함된 미반응 제 1 항원-항체 반응물을 제 2 항원-항체 반응물로 형성하기 위해서, 도 5e 내지 도 5g의 과정을 반복할 수도 있다.
제 2 영역(B) 말단의 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 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 5e 내지 도 5g의 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 5a 내지 도 5g에서 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 포획항체(160, 170, 180 및 190의 점들) 사이의 반응 시간이 자유자재로 조절될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 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, 141)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, 스텝모터(141)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.
또한, 압력 인가 부재(145)에서 상부 기판(120)에 압력을 가하여 하부 기 판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 더 낮추게 되면 유체 시료(150) 내에 존재하는 물질들의 반응 기회(즉, 제 2 항원-항체 반응)가 인위적으로 늘어날 수 있으며, 유체 시료(150)의 흐름이 빨라질 수 있다.
도 7a 내지 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동원리를 설명하기 위한 단면도들 및 측면도들이다.
도 7a 및 도 7b를 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 전자석(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 8a 및 도 8b를 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.
또한, 압력 인가 부재(145)에서 상부 기판(120)에 압력을 가하여 하부 기판(110)과 상부 기판(120) 사이의 간극을 더 낮추게 되면 유체 시료(150) 내에 존재하는 물질들의 반응 기회가 인위적으로 늘어날 수 있으며, 유체 시료(150)의 흐름이 빨라질 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 따른 모세관력 랩온어칩은 압력을 인가하여 모세관의 간극을 인위적으로 조절할 수 있는 구조를 가짐으로써, 미세 유체의 흐름이 자유롭게 조절될 수 있다. 이에 따라, 분석하고자 하는 유체 시료와 시약 사이의 반응 기회를 높여 신호 증폭의 효과가 있는 성능이 향상된 모세관력 랩온어칩 및 그 구동 방법이 제공될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 포함하는 구동기를 설명하는 사시도 및 평면도이다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구동기는 랩온어칩(210), 반응 제어부(220), 및 쐐기형 구조물(230)을 포함한다.
랩온어칩(210)의 끝부분에는 간극 조절 부재로서 쐐기형 구조물(230)이 끼워져 있고, 랩온어칩(210)의 중앙 부분에는 상부 기판에 압력을 주기 위한 압력 인가 부재로서 기구가 장착되어 있는 것을 볼 수 있다.
압력 인가 부재가 랩온어칩(210)의 중앙 부분에 장착되어 있는 것처럼 도시가 되었으나, 압력 인가 부재는 랩온어칩(210)을 따라 수평방향으로 이동시킬 수 있고, 본 발명의 실시예에 따라 압력 인가 부재에서 랩온어칩(210)의 상부 기판에 압력을 가하는 경우에는 쐐기형 구조물(230)의 앞부분, 즉, 쐐기형 구조물(230)이 장착되어 있는 쪽 말단 부분으로 압력 인가 부재를 이동시킨 후에 상부 기판에 압력을 인가할 수 있다.
반응 제어부(220)는 랩온어칩(210)의 전체적인 구동을 제어하는 기능을 한다.
이와 같은 모세관력 랩온어칩을 포함하는 구동기에 의하면 주입되는 유체 내의 물질들의 반응 기회(즉, 제2 항원-항체 반응)를 최대화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
도 1은 랩온어칩에서의 화학 분석 과정을 설명하기 위한 순서도 및 그에 따른 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 개념 사시도 및 개념 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동 원리를 설명하기 위한 개념 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 평면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 도 4의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩의 작동원리를 설명하기 위한 단면도 및 측면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 모세관력 랩온어칩을 포함하는 구동기를 설명하는 사시도 및 평면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 바이오마커 단백질 2 : 담체 입자
3 : 형광체 4 : 탐지 항체
5 : 스캐폴드 6 : 제 1 항원-항체 반응물
8 : 포획 항체 9 : 제 2 항원-항체 반응물
110 : 하부 기판 112 : 필터부
120 : 상부 기판 120o : 혈액 주입부
130 : 본딩 부재 135 : 지지 부재
140, 140ea, 140eb : 간극 조절 부재
141 : 스텝 모터 145 : 압력 인가 부재
150 : 유체 시료 160 : 제 1 반응부
170, 180, 190 : 제 2 반응부
210 : 랩온어칩 220 : 반응 제어부
230 : 쐐기형 구조물

Claims (17)

  1. 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제1 영역;
    상기 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제2 영역;
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제2 영역 말단의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 조절하는 간극 조절 부재; 및
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비되어, 상기 제2 영역 말단에서 상기 간극 조절 부재에 의한 조절을 받는 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 영역의 중앙의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄이는 압력 인가 부재를 포함하는 랩온어칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 하부 기판은
    필터부 및 제1 반응부를 포함하는 랩온어칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 상부 기판은
    혈액 주입구를 갖는 랩온어칩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 필터부는
    혈액의 혈구를 걸러내고 혈장 성분만을 통과시키는 랩온어칩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 반응부는
    혈액의 혈장 성분과 반응하여 제1 항원-항체 반응물을 형성하는 탐지항체를 포함하는 랩온어칩.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역의 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판의 양 측부는
    노출된 형태를 갖는 랩온어칩.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역의 상기 하부 기판은
    적어도 하나의 제2 반응부를 포함하는 랩온어칩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 반응부는
    제1 항원-항체 반응물과 반응하여 제2 항원-항체 반응물을 형성하는 포획항 체를 포함하는 랩온어칩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압력 인가 부재는
    상기 제1 항원-항체 반응물과 상기 포획 항체의 제2 항원-항체 반응 시, 상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 반응부의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄이는 랩온어칩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력 인가 부재는
    상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 반복적으로 압력을 가하는 랩온어칩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압력 인가 부재는
    상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 소정의 시간 간격으로 압력을 가하는 랩온어칩.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 간극 조절 부재는
    그 일부가 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이에 개재되는 쐐기 형태인 랩온어칩.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 중에서 적어도 하나의 기판은
    연성 기판인 랩온어칩.
  14. 하부 기판과 상부 기판이 본딩되어 있는 제1 영역 및 상기 하부 기판과 상기 상부 기판이 본딩되어 있지 않은 제2 영역을 포함하는 랩온어칩을 준비하는 단계;
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비된 간극 조절 부재에 의해, 상기 제2 영역 말단의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 조절하는 단계;
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역의 경계에 대향하는 상기 제2 영역의 말단에 구비된 압력 인가 부재에 의해, 상기 제2 영역 말단에서 상기 간극 조절 부재에 의한 조절을 받는 상기 상부 기판에 압력을 가하여 상기 제2 영역의 중앙의 상기 하부 기판과 상기 상부 기판 사이의 간극을 줄여 상기 제2 영역 내의 유체의 흐름을 제어하는 단계를 포함하는 랩온어칩의 구동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 유체의 흐름은 상기 제1 영역으로부터 상기 제2 영역으로의 전진, 후퇴, 또는 정지를 포함하는 랩온어칩의 구동 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2 영역은 적어도 하나의 반응부를 포함하고,
    상기 제2 영역 내의 상기 유체의 흐름을 제어하는 단계는 상기 유체와 상기 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계인 랩온어칩의 구동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 유체와 상기 반응부 사이의 반응을 조절하는 단계에서, 상기 제2 영역 말단의 상기 상부 기판에 소정의 시간 간격으로 압력을 가하는 랩온어칩의 구동 방법.
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