KR101337136B1 - 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템에 관한 것으로서, 기존에 액적 기반 미세유체 시스템의 구동에 있어 필수적으로 사용되던 미세 주사기 펌프를 대신하는 압력 조절기와 연결된 다이어프램을 통합 적용함으로써 미세 주사기와 미세유체 칩을 연결하는 튜브 안의 공간만큼 버려져 왔던 고가 시료의 낭비 없이 미세유체 칩 안으로 직접 시료를 고속으로 주입할 수 있는 액적 기반 미세유체 시스템에 관한 것이다.

Description

다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템{Droplet-based microfluidic system integrated with diaphragm feeder}

본 발명은 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템에 관한 것으로서, 기존에 액적 기반 미세유체 시스템의 구동에 있어 필수적으로 사용되던 미세 주사기 펌프를 대신하는 압력 조절기에 연결된 다이어프램을 통합 적용함으로써 미세 주사기와 미세유체 칩을 연결하는 튜브 안의 공간만큼 버려져 왔던 고가 시료의 낭비 없이 미세유체 칩 안으로 직접 시료를 고속으로 주입할 수 있는 액적 기반 미세유체 시스템에 관한 것이다.

유전체학(genomics), 단백질체학(proteomics) 등의 학문을 연구하는 목표 중의 하나는 세포의 생리학적 메커니즘(mechanism)을 이해하는 것이며, 이러한 유전체학, 단백질체학 관련 연구를 통해 질병과 관련된 핵산이나 단백질을 동정하여 질병 치료에 핵심이 되는 물질을 찾아내는 것이 목적이라 할 수 있다.

특히 단백질-단백질, 핵산-단백질 등의 생체 분자간의 상호작용이 다양한 생물학적 작용에 매우 중요하다. 예를 들면 세포의 외부에서 내부로 혹은 내부에서 외부로 신호를 전달할 때 단백질간의 상호작용이 필수적이며, 세포 내에서의 신호전이에도 단백질 간의 상호작용이 필수적이기 때문이다. 그리고 이러한 단백질이 존재하기 위해서는 핵산이 필수적이다. 이러한 신호전이는 정상적인 생물학적 메커니즘 및 질병관련 메커니즘에서도 중요한 역할을 수행하고 있다. 따라서 초고속으로 생체 분자간의 상호작용을 분석하는 것은 효과적인 질병 진단 기술의 발전과 새로운 신약 후보 물질의 스크리닝(screening) 방법에 획기적인 발전을 가져다줄 것으로 기대된다.

지금까지 단백질체학 연구를 위해 주로 사용되어왔던 기술은 2차원 전기영동과 질량분석 기술이다. 하지만 단백질의 양이 적거나, 분자량이 크거나, 단백질이 소수성의 성질을 갖는 시료의 경우 2차원 전기영동과 질량분석기술을 이용하여 초고속으로 분석 및 정량을 하기는 어렵다.

단백질 마이크로어레이(microarray) 기술은 지난 십여 년 간의 연구를 통해 이러한 단점을 극복하였다. 단백질 마이크로어레이는 핵산-단백질, 펩타이드-단백질, 단백질-단백질, 수용체-리간드, 효소-기질 등의 상호작용과 같은 다양한 상호작용을 한 번의 실험을 통해 다량 분석해낼 수 있는 이점 및 분석에 사용되는 시료의 사용량을 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나 마이크로어레이 기반의 기술은 단백질 및 핵산을 잡아주는 물질을 지지체 표면에 고정해야 하는데, 이러한 고정 과정이 단백질 및 핵산의 활성에 영향을 줄 수 있다. 더 나아가 단백질 및 핵산의 고정은 지지체 표면과의 결합에 의해 단백질 결합 부위가 가려지거나 변형되어 특이적인 생체 분자간의 상호작용을 방해함으로써 생물학적인 상태에서의 생체 분자간의 상호작용과 일치하지 않는 경우가 존재한다. 게다가 마이크로어레이 기반의 기술은 장시간의 시료 처리 시간, 세정 과정의 반복 등으로 인해 생체 분자간의 상호작용의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 액적 기반의 미세유체시스템을 이용하면서도, 형광 편광법을 통해 단백질-단백질, 핵산-단백질, 펩타이드-단백질, 수용체-리간드, 효소-기질, 핵산-핵산 등의 생체 분자간의 상호작용의 결과를 신속 정확하게 측정해 낼 수 있는 새로운 시스템을 완성하였다.

위의 새로운 액적 기반의 미세유체시스템은 미세유체 칩(microfluidic chip), 미세 주사기 펌프(micro syringe pump), 주사기(syringe), 주사기와 칩의 연결을 위한 튜브(connection tube) 등 4가지 요소가 필수적인데, 이러한 구성을 가진 기존의 액적 기반 미세유체 시스템은 초고속 스크리닝 기술로 주목받고 있지만 몇 가지 단점이 존재한다.

첫 번째는, 액적 기반 미세유체 시스템은 채널 내로 시료를 바꾸어 주입하고자 할 경우, 바꾸고자 하는 시료로 주사기를 채운 후 미세 주사기 펌프에서 기존 시료가 들어있는 주사기를 탈거하고, 바꾸고자 하는 시료가 들어있는 주사기를 장착하여 튜브를 이용해 미세유체 칩에 다시 연결해야 하는 과정을 거칠 수밖에 없기 때문에 작업이 번거롭고 시간이 많이 소모된다는 점이 단점으로 지목된다.

두 번째로는, 주사기와 미세유체 칩의 연결을 위한 튜브가 필수적이기 때문에 실제 미세유체 칩 내로 들어가는 양 외에도 주사기와 미세유체 칩 사이의 거리에 해당하는 시료의 부피만큼 튜브에서 버려지는 시료의 부피(dead volume)가 발생하기 마련이다. 실제 분석에 소모되는 시료 외에 버려지는 시료의 부피는 수십에서 수백 마이크로리터 수준이긴 하지만, 값 비싼 생체분자를 시료로 이용할 경우에는 치명적인 단점이 될 수 있다.

세 번째로, 주사기를 이용하는 이러한 시스템에서 미세유체 칩의 채널 내로 동시에 주입하려는 시료의 가지 수가 증가하면 미세 주사기 펌프의 수도 비례하여 증가하여야만 한다. 따라서 전체 시스템의 부피가 커지기 때문에 소형화 및 휴대화 하기 어렵다는 단점이 따르며, 미세 주사기 펌프의 가격이 시장에서 높게 형성되어 있기 때문에 생산단가가 과도하게 상승한다는 문제점도 수반된다.

따라서, 본 발명은 하나의 압력 조절기를 액적 기반 미세유체 시스템에 통합 구성하여 미세유체 칩 내로 여러 종류의 시료를 한 번에 직접 전달할 수 있는 경제적인 미세유체 시스템을 제공함으로써, 기존의 액적 기반 미세유체 시스템이 태생적으로 가지고 있는 전기의 문제점들을 해결하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 의한 미세유체 시스템은, 제1 시료 및 제2 시료를 각각 수용하는 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버와, 상기 제1 시료챔버와 제2 시료챔버로부터 각각 연장되어 상기 제1 시료 및 제2 시료의 유동이 일어나는 제1 시료채널 및 제2 시료채널과, 상기 제1 시료챔버와 제1 시료채널 및 상기 제2 시료챔버와 제2 시료채널의 연결부위를 각각 감싸는 다이어프램을 포함하는 미세유체 칩;과, 상기 다이어프램에 음압 및 양압을 교대로 가하여 상기 제1 시료 및 제2 시료가 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널로 흐르는 유동을 발생시키는 압력 조절기; 및 상기 미세유체 칩을 사이에 끼워 고정하는 상부 마운트와 하부 마운트로 이루어지고, 상기 상부 마운트에는 2개의 시료 저장용 홀이 관통 형성되며, 상기 시료 저장용 홀이 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 주위를 둘러쌓아 상기 제1 시료 및 제2 시료의 저장 공간을 형성하는 칩 마운트를 포함한다.

여기서, 상기 미세유체 칩은, 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널이 합류하는 시료채널 합류부;와, 상기 제1 시료 및 제2 시료와 섞이지 않는 오일이 주입되는 오일 입구와 상기 시료채널 합류부 말단의 액적 생성부를 연결하는 오일채널; 및 상기 시료채널 합류부로부터 연장되어 음압 제공부가 연결된 시료 출구와 연결되는 액적채널을 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 음압 제공부에 의한 상기 오일의 흡입을 통해 상기 시료 출구를 향하는 상기 오일의 유동이 생성된 상태에서 상기 압력 조절기의 양압에 의한 상기 제1 시료 및 제2 시료의 유동을 일으킴으로써 상기 액적 생성부에 상기 제1 시료 및 제2 시료가 혼합된 액적을 생성하는 것과 함께 상기 액적채널을 흐르는 상기 액적의 유동을 생성시킨다.

그리고, 상기 미세유체 칩은, 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버의 상면과, 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널과, 상기 시료채널 합류부와, 오일채널 및 액적채널이 그 저면에 음형으로 식각되고, 오일 입구 및 시료 출구가 관통 형성된 칩 상부구조체;와, 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버를 형성하기 위한 시료챔버용 홀이 각각 관통 형성된 칩 하부구조체; 및 상기 칩 하부구조체의 저면 중 적어도 상기 시료챔버용 홀을 감싸도록 결합되는 다이어프램;이 순차적으로 접합된 구조를 가지고, 상기 압력 조절기는 상기 다이어프램에 음압 및 양압을 교대로 가하여 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 안에 수용된 상기 제1 시료 및 제2 시료가 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널 안으로 유입되는 유동을 일으킨다.

또한, 상기 다이어프램에 가해지는 음압 및 양압이 상기 하부 마운트를 통해 가해지도록 상기 압력 조절기가 상기 하부 마운트와 연통 연결될 수 있다.

그리고, 상기 시료 저장용 홀에 의해 형성된 상기 제1 시료 및 제2 시료의 저장 공간과 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버를 연통 연결하는 돌출관이 상기 칩 상부구조체에 결합될 수 있다.

이때, 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 안으로 삽입된 상기 돌출관의 단부는 상기 다이어프램에 양압이 가해졌을 때 상기 다이어프램과 밀착되어 폐쇄될 수 있다.

또한, 상기 칩 상부구조체의 저면에 음형으로 식각된 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버의 상면의 지름이, 상기 칩 하부구조체에 관통 형성된 시료챔버용 홀의 직경보다 큰 것이 바람직하다.

그리고, 상기 칩 하부구조체는 친수성 재질로 만들어질 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 시료 또는 제2 시료 중의 어느 하나는 형광물질이 표지된 제1 생체분자이고, 다른 하나는 형광물질이 표지되지 않은 제2 생체분자일 수 있다.

그리고, 상기 액적채널의 하류를 흐르는 상기 액적의 상대적 형광 세기를 측정하기 위한 형광 편광 측정부를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 시료를 수용하는 시료챔버와, 상기 시료챔버로부터 연장되어 상기 시료의 유동이 일어나는 시료채널과, 상기 시료챔버와 시료채널의 연결부위를 감싸는 다이어프램을 포함하는 미세유체 칩; 및 상기 다이어프램에 음압 및 양압을 교대로 가하여 상기 시료가 상기 시료채널로 흐르는 유동을 발생시키는 압력 조절기를 포함한다.

그리고, 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 미세유체 시스템을 이용하는 액적 생성 방법을 제공한다.

아울러 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 미세유체 시스템을 이용하는 생체분자 상호작용 검출 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 상기와 같은 구성을 가진 미세유체 시스템을 이용하는 특정 생체분자와 상호작용하는 물질 또는 특정 생체분자를 억제하는 물질의 스크리닝 방법을 제공한다.

본 발명의 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템은 미세유체 칩에 시료챔버를 구비하고 하나의 압력 조절기를 이용하여 미세유체 칩 내로 시료를 직접 전달하기 때문에, 기존의 액적 기반 미세유체 시스템에 필수적으로 구비되어야 했던 미세 주사기 펌프와 주사기를 제외시키는 것이 가능하다. 따라서 주사기와 미세유체 칩의 연결을 위한 튜브가 필요 없어져 이로부터 기인하는 버려지는 시료의 부피를 원천적으로 제거할 수 있다.

또한, 하나의 압력 조절기만을 이용하여 여러 가지의 시료를 동시에 주입할 수 있기 때문에, 시료를 바꿀 때마다 주사기를 바꿀 필요가 없을 뿐만 아니라 전체 미세유체 시스템의 부피를 줄일 수 있기 때문에, 작업성의 향상과 소형화 및 휴대화, 시장 경쟁성의 향상 등 다양한 측면에서 장점을 가진다.

따라서, 이러한 장점을 바탕으로 한 본 발명의 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템은 특정 생체분자와 상호작용하는 생체분자의 스크리닝, 특정 생체분자의 억제제로 작용할 수 있는 물질을 극미량의 시료로 초고속 스크리닝할 때에 매우 유용하게 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템의 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 미세유체 칩의 구성도.
도 3은 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체시스템의 작동 원리에 대한 개념도.
도 4는 본 발명의 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체 시스템에 의해 미세액적을 형성하는 전체 괴정을 개략적으로 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 다이어프램 피더와 통합된 액적 기반 미세유체시스템을 이용한 미세액적 형성 과정에 대한 상세도.
도 6은 형광 편광 측정부의 구성에 대한 개략도.
도 7은 본 발명을 이용한 특정 생체분자와 상호작용하는 물질에 대한 시간당 상대적 형광 세기에 대한 그래프.
도 8은 도 7로부터 얻어진 특정 생체분자와 상호작용하는 물질에 대한 결합곡선 및 해리상수에 대한 그래프.
도 9는 본 발명을 이용한 특정 생체분자의 억제 물질에 대한 시간당 상대적 형광 세기에 대한 그래프.
도 10은 발명을 이용한 특정 생체분자의 억제 물질에 대한 해리곡선 및 50% 저해농도에 대한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 다만 이하의 설명에 있어서, 당업자에게 주지 저명한 공지의 기술에 대해서는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위한 목적에서 그 상세한 설명을 생략할 수 있다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 특별한 언급이 없는 한 동일한 명칭의 구성 요소는 서로 다른 도면에서도 동일한 참조부호를 부여할 것이며, 본 발명의 실시예를 설명하며 사용된 전후, 좌우, 상하 등의 상대적인 위치는 우선적으로 도면에 도시된 방향을 기준으로 할 것이다. 다만 이러한 상대적인 위치의 정의는 발명의 본질적인 부분에는 변경이 없이 이와 동등한 배치로 변경될 수도 있음을 유념해야 한다.

도 1은 본 발명의 미세유체 시스템(10)의 전체적인 구성을 보여주는 사시도이다.

도 1을 참조하여 본 발명의 구성을 설명하면, 그 구성은 크게 보아 각종 채널이 형성된 미세유체 칩(100)과 시료의 유동을 일으키는 동력원인 압력 조절기(160)를 포함한다.

여기서, 이하의 설명은 본 발명이 하나의 압력 조절기(160)를 이용하여 여러 개의 시료를 동시에 유동시킬 수 있다는 점을 강조하기 위해 2개의 시료를 동시에 유동시키는 것을 전제로 하여 설명하는 것이지만, 하나 또는 3개 이상의 시료를 유동시키기 위해 시료챔버와 시료채널의 개수 등을 적절히 선택하여 설계변경하는 것이 매우 용이하다는 것을 당업자라면 자명하게 이해할 것이다.

미세유체 칩(100)에 구비된 각 채널에 대해 설명하면, 서로 다른 종류의 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)가 각각 흐르는 제1 시료채널(118) 및 제2 시료채널(120), 제1 시료채널(118) 및 제2 시료채널(120)이 합류하는 시료채널 합류부(122), 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)와 섞이지 않는 오일(131)이 주입되는 오일 입구(126)와 시료채널 합류부(122) 말단의 액적 생성부(124)를 연결하는 오일채널(128), 시료채널 합류부(122)로부터 연장되어 음압 제공부(136)가 연결된 시료 출구(134)와 연결되는 액적채널(132)로 구분된다.

위와 같은 채널들의 전체적인 연결 상태를 정리한다면, 서로 분리되어 있는 제1 시료채널(118) 및 제2 시료채널(120)은 시료채널 합류부(122)에서 만나고, 서로 다른 종류의 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)가 혼합될 공간인 시료채널 합류부(122) 말단의 일측에는 오일채널(128)이 합류되며, 최종적으로는 하나의 액적채널(132)이 시료채널 합류부(122) 말단의 액적 생성부(124)로부터 연장되어 시료 출구(134)와 연결되는 구조를 가지는 것이다.

제1 시료(113)와 제2 시료(115)가 혼합된 액적(133)의 생성 원리는 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 제1 시료(113)와 제2 시료(115)는 각각 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114) 안에 수용되어 있는데, 이 각각의 시료들은 일정 길이 이상 확보된 제1 시료채널(118)과 제2 시료채널(120)을 흘러 시료채널 합류부(122)에서 모인 후 혼합된다. 여기서 제1 시료채널(118)과 제2 시료채널(120)의 길이는 채널 내부의 압력 불균형으로 인해 오일(131) 및 시료(113,115)가 역류함으로써 역류한 용액이 각 시료챔버(112,114)를 오염시키는 것을 방지하기 충분한 정도의 길이를 가질 필요가 있다.

그리고, 시료채널 합류부(122) 말단의 일측에 연결된 오일채널(128)로부터 나오는 오일(131)은 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)와 섞이지 않는 특성을 가지고 있으며, 시료 출구(134)와 연결된 액적채널(132)을 흐르게 된다. 오일(131)은 오일 입구(126)에 연결된 오일 수용부(130)에 충분한 양이 저장되어 공급된다.

이러한 오일(131) 및 시료의 흐름이 확보된 상태에서, 먼저 하나의 압력 조절기(160)로 각 시료챔버에 동시에 음압을 가해 각 시료(113,115)를 흡입한 후 시료 출구(134)에 연결된 음압 제공부(136)로 액적채널(132)에 음압을 가해 오일(131)의 흐름을 만든다. 이후 압력 조절기(160)로 각 시료챔버(112,114)에 동시에 양압을 가해 각 시료(113,115)를 오일(131)의 흐름 속으로 토출하면 섞이지 않는 오일(131) 사이에 제1 시료(113)와 제2 시료(115)가 혼합된 액적(133)이 만들어진다.

따라서 압력 조절기(160)의 양압을 단속적으로 제어하면 시료챔버(112,114)에 흡입된 시료(113,115)가 소진될 때까지 계속해서 시료의 액적(133)을 생성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 피코리터 수준의 미세 액적을 만드는 것이 가능하다.

액적(133)의 생성 속도는 시료 출구(134)에 가해주는 음압의 크기에 의해서, 그리고 액적(133)의 크기는 압력 조절기(160)가 가해주는 양압의 크기에 의해 조절될 수 있다. 여기서 미세 액적 생성에 필요한 오일(131)의 흐름은 시료 출구(134)에서 가해지는 음압에 의해서 생성되는데, 이때 시료 출구(134) 부분에 공기층이 형성되면 공기층의 부피 팽창으로 인해 음압의 전달이 제대로 전달되지 못할 수 있으므로 시료 출구(134) 부분에 다공성 물질(미도시)을 채움으로써 공기층이 형성되는 것을 방지하는 것이 바람직할 수 있다.

하나의 압력 조절기(160)를 이용하여 여러 개의 시료를 동시에 유동시킬 수 있다는 것은 본 발명의 중요한 특징이라 할 수 있는데, 이를 구현하기 위한 본 발명의 특유의 미세유체 칩(100) 구조는 도 2에 상세히 나타나 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 미세유체 칩(100)은 칩 상부구조체(110), 칩 하부 구조체 및 다이어프램(150)이 순차적으로 접합된 3중 구조를 가지고 있다.

칩 상부 구조체는 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114)의 상면과, 제1 시료채널(118) 및 제2 시료채널(120)과, 시료채널 합류부(122)와, 오일채널(128) 및 액적채널(132)이 그 저면에 음형으로 식각되어 있고, 오일 입구(126) 및 시료 출구(134)가 관통 형성되어 있는 미세유체 칩(100)의 주된 구조물이다. 또한 칩 상부 구조체에는 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114) 안으로 시료가 들어가기 위한 홀이 형성되어 있다.

칩 하부구조체(140)는 압력 조절기(160)의 음압으로 흡입되는 시료가 수용되는 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114)를 형성하기 위한 시료챔버용 홀(142) 2개가 관통 형성된 구조를 가지며, 상기 칩 하부구조체(140)의 저면 중 적어도 시료챔버용 홀(142)을 감싸도록 결합되어 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114)의 하면을 형성하는 유연한 다이어프램(150)이 그 아래에 배치된다.

본 발명의 실시예에서, 칩 상부구조체(110)는 PDMS(Polydimethylsiloxane) 재질의 재료를 이용해 일반적인 리소그래피 방법으로 제작되었으며, 칩 하부구조체(140)는 슬라이드 글라스(slide glass)에 밀링머신으로 가공하여 시료챔버용 홀(142)을 형성하였다. 또한 다이어프램(150)은 PDMS를 스핀 코팅하여 약 80㎛의 두께로 제작하였으며, 제작된 각각은 산소(O₂) 플라즈마 처리 후 접합하여 미세유체 칩(100)으로 완성되었다. 그리고, 각 시료챔버는 지름 8 mm에 높이 약 1 mm의 사이즈를 가져 약 60∼75㎕의 체적을 가지도록 설계되었다.

한편 본 발명은 미세유체 칩(100)을 사이에 끼워 고정하는 상부 마운트(172)와 하부 마운트(174)로 이루어진 칩 마운트(170)를 더 포함할 수 있으며, 미세유체 칩(100)이 사이에 끼워진 상부 마운트(172)와 하부 마운트(174)는 고정기구(176)에 의해 견고하게 결합된다.

여기서 상부 마운트(172)에는 2개의 시료 저장용 홀(173)이 관통 형성되어 있는데, 시료 저장용 홀(173)이 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114) 주위를 둘러쌓음으로써 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)의 저장 공간을 형성할 수 있다. 물론 별도의 시료 저장 공간용 용기를 적용하는 것도 가능하지만, 이와 같이 상부 마운트(172) 자체에 시료의 저장 공간을 형성함으로써 전체 시스템을 단순화시키고 휴대성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 다이어프램(150)에 가해지는 음압 및 양압이 하부 마운트(174)를 통해 가해지도록 압력 조절기(160)와 하부 마운트(174)가 튜브 등으로 연통 연결될 수도 있으며, 도 1에 도시된 것과 같이, 압력 조절기(160) 자체를 하부 마운트(174)에 직접 고정시킴으로써 전체 미세유체 시스템(10)을 하나의 유니트로 구성하는 것도 가능하다.

그리고, 시료 저장용 홀(173)에 의해 형성된 상부 마운트(172) 안의 제1 시료(113) 및 제2 시료(115)의 저장 공간과, 미세유체 칩(100) 안의 제1 시료챔버(112) 및 제2 시료챔버(114)를 연통 연결하는 돌출관(116)이 칩 상부구조체(110)의 홀에 결합될 수 있다.

여기서 돌출관(116)을 구비한 구조는 압력 조절기(160)가 가하는 양압에 의해 각각의 시료를 시료채널(118,120)로 토출할 때 시료가 다시 저장 공간으로 역류하는 것을 방지하여 보다 효율적인 시료의 공급이 가능해지도록 만들기 위한 것으로서, 그 기능은 이어지는 압력 조절기(160)에 의한 시료의 흡입과 토출 과정의 설명에서 상세히 밝힐 것이며, 참고로 본 발명의 실시예에서는 우레탄 튜브로 돌출관(116)을 제작하였다.

도 2에 도시된 본 발명의 3중 구조의 미세유체 칩(100)과 압력 조절기(160)에 의한 시료의 흡입과 토출 과정은 시료챔버(112,114)를 높이 방향으로 절단하여 도시한 도 3의 미세유체 칩(100) 단면도(상부 칩 마운트 포함)에 도시되어 있다. 참고로, 도 3은 제1 시료챔버(112)를 기준으로 설명하며, 그 내용은 제2 시료챔버(114)에 대해서도 동일하게 적용된다.

도 3의 (a)는 아무런 압력이 걸리지 않은 중립상태로서 제1 시료(113)는 아직 상부 마운트(172)에 마련된 제1 시료(113)의 저장 공간에만 있을 뿐 제1 시료챔버(112) 안으로는 도입되지 않은 상태이다.

(b) 상태는 압력 조절기(160)에 의해 미세유체 칩(100) 저면의 다이어프램(150)에 음압이 가해진 상태를 나타낸다. 다이어프램(150)은 외부기압에 따라 수축, 팽창할 수 있는 성질을 가지고 있으므로, 음압에 의해 팽창하여 제1 시료챔버(112)의 체적을 증가시키고, 이에 따라 저장 공간 안의 제1 시료(113)가 돌출관(116)을 통해 제1 시료챔버(112) 안으로 흡입된다.

(c) 상태는 압력 조절기(160)가 양압을 가한 상태를 나타낸 것으로서, 다이어프램(150)이 양압에 의해 제1 시료챔버(112)의 체적을 감소시키는 방향으로 수축하고, 이에 따라 제1 시료챔버(112) 안으로 도입된 제1 시료(113)가 제1 시료채널(118) 안으로 밀려 들어가게 된다. 이때 제1 시료챔버(112) 안으로 삽입된 돌출관(116)의 단부는 다이어프램(150)이 양압에 의해 수축되었을 때 다이어프램(150)과 밀착되어 폐쇄되며, 이에 따라 돌출관(116)을 통해 제1 시료(113)가 저장 공간으로 역류하는 현상이 방지됨으로써 시료의 토출 효율 및 정확도가 확보된다.

여기서 (a) 상태에서는 의도하지 않은 제1 시료(113)의 유입을 막을 수 있고, (b) 상태에서는 제1 시료(113)의 흡입을 원활히 하면서도 (c) 상태에서는 제1 시료(113)의 역류를 방지한다는 측면에서, 상기 돌출관(116)의 길이를 그 단부가 압력의 중립상태(다이어프램이 팽창도 수축도 하지 않은 상태)에서 다이어프램(150)과 접촉하는 정도로 설정하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 칩 상부구조체(110)의 저면에 음형으로 식각된 제1 시료챔버(112)의 상면의 지름은 칩 하부구조체(140)에 관통 형성된 시료챔버용 홀(142)의 직경보다 크도록 구성되어 있다(제2 시료챔버의 경우에도 동일함). 이는 도 3의 단면도에 나타난 것과 같이, 제1 시료챔버(112)의 상부에 확장된 단턱이 형성된다는 것을 의미하는 것인데, 이는 시료를 흡입할 때 시료챔버 속으로 들어온 시료가 칩 하부구조체(140)의 챔버 벽을 먼저 만남으로써 시료챔버 내에서 시료가 더욱 잘 퍼지고, 음압을 제거했을 때에도 시료가 챔버 내에 머물게 하기 위함이다.

그렇지 못할 경우에는 흡입된 시료가 시료챔버 안에 머물지 못하고 다시 역류하여 빠져나옴으로써 시료의 흡입이 원활하지 못하게 될 수 있으며, 시료챔버 내로의 더욱 원활한 시료의 도입을 촉진하도록 칩 하부구조체(140)를 친수성 재질(예를 들면, 유리)로 만드는 것도 바람직하다.

위와 같은 구성을 가진 본 발명이 특정 생체분자와 상호작용하는 생체분자의 스크리닝과 특정 생체분자의 억제제로 작용할 수 있는 물질을 극미량의 시료로 초고속 스크리닝할 수 있는지에 대해 실험해보았다.

특히 본 발명은 특정 생체분자와 상호작용하는 물질 및 억제제로 작용할 수 있는 물질의 탐색방법으로 형광 편광(FP, fluorescence polarization)을 이용하였다. 형광 편광은 1926년 J. Perrin에 의해 고안된 방법으로서, 형광 물질에 여기(excitation) 파장에 해당되는 편광을 조사하였을 때 형광 물질로부터 방출되는 빛의 편광의 정도를 조사하여 두 가지 분자간의 상호작용을 별도의 세척(washing) 단계 없이 용액 내에서 직접 조사 가능한 방법으로 널리 이용되고 있다.

형광 편광은 두 분자간의 결합에 의해 전체 분자량이 증가하면 형광 편광값이 증가하고, 해리나 분해에 의해 전체 분자량이 감소하면 형광 편광값 역시 감소하기 때문에 매우 유용한 탐색 방법이라 할 수 있다. 또한 상호작용을 조사하고자 하는 두 가지 물질 중 분자량이 가벼운 한 가지의 물질에만 형광을 표지하면 된다는 장점이 있다.

이러한 방법을 이용하면, 단백질-단백질, 핵산-단백질, 펩타이드-단백질, 수용체-리간드, 효소-기질, 핵산-핵산 등의 거의 모든 생체분자의 상호작용의 결합, 해리 및 분해의 해석을 쉽게 분석할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 적용된 형광 편광 측정부(200)의 구성에 대한 개략적인 도면으로서, 형광 편광 측정부(200)는 액적채널(132)의 하류(도 4의 "B" 부분)를 흐르는 미세액적의 상대적 형광 세기를 측정한다.

도 6을 참조하여 형광 편광 측정부(200)의 구성을 간략히 설명한다면, 편광 필터(212)는 레이저(210) 광원에 의해 조사된 빛을 편광 필터링하여 액적 기반 미세유체 시스템(10)에 전달하며, 빛선별 필터(218)는 미세액적으로부터 방사되는 빛에 대하여 형광 필터링한다.

그리고, 반사거울(220)은 형광 필터링된 빛의 진로가 형광 검출기(228)를 향하도록 반사시키는데, 이때 2개의 반사거울(220) 사이에 배치된 빛 분할기(222)는 형광 필터링된 빛을 수직편광과 수평편광으로 선별한다. 그리고 선별된 각각의 편광은 수직면 형광 측정부(224)와 수평면 형광 측정부(226)에서 그 세기가 측정되는데, 이러한 형광 편광 측정부(200)의 구성은 미세 액적으로부터 방사되는 빛에 대하여 수직 편광도 및 수평 편광도를 동시에 측정할 수 있다는 점에 장점이 있다.

본 발명의 실시예를 이용하여 특정 생체분자와 상호작용하는 물질을 확인하기 위한 실험으로서 특정 생체분자로는 약 14 킬로달톤(kDa, kilo-dalton)의 신생혈관형성 유도인자인 안지오제닌(ANG, angiogenin)을 이용하였고, 이와 상호작용하는 물질로 150 킬로달톤의 항-안지오제닌 항체(Anti-ANG Ab, anti-angiogenin antibody)를 이용하였다. 안지오제닌(제1 생체분자)과 항-안지오제닌 항체(제2 생체분자)를 이용하여 형광 편광의 원리에 기초하여 분자량이 보다 작은 안지오제닌에 Invitrogen 사의 Alexa Flour 488 (AF488) 형광 물질을 표지(labeling)하였다.

제1 시료챔버(112)에는 20 나노몰의 형광물질이 표지된 안지오제닌을 주입하였고, 제2 시료챔버(114)에는 항-안지오제닌 항체의 농도를 0 나노몰에서 400 나노몰의 범위에서 변화시키며 순차적으로 주입한 후, 부피비 1:1로 반응하게 하여 미세액적을 생성하였다. 따라서 반응을 검출하는 미세액적 내에서 형광물질이 표지된 안지오제닌의 최종 농도는 10 나노몰(nM)로 고정되었으며, 안지오제닌과 상호작용하는 항-안지오제닌 항체는 0 나노몰에서 200 나노몰의 범위로 설정하였다.

이러한 조건으로 실험을 수행하였으며, 그 중 일부 항체의 농도(0, 3.13, 100 나노몰)에 대한 액적의 형광을 고속으로 분석한 다음(도 7 참조), 형광 편광값(mP, milli-polarization value)을 측정하여 결합곡선 및 해리상수(K_d) 값을 도출하였다(도 8 참조).

또한, 본 발명의 실시예를 이용한 또 다른 실험으로서 특정 생체분자의 억제제로 작용할 수 있는 물질을 확인하기 위해 경쟁적 저해(competitive inhibition) 실험을 수행하였다. 특정 생체분자로는 형광물질이 표지된 안지오제닌을 이용하였고, 경쟁적 저해제로는 형광물질이 표지되지 않은 안지오제닌을 이용하였다.

제1 시료챔버(112)에는 형광물질이 표지된 안지오제닌 20 나노몰과 형광물질이 표지되지 않은 안지오제닌 0 나노몰에서 800 나노몰의 시료를 순차적으로 혼합하여 주입하였고, 제2 시료챔버(114)에는 항상 항-안지오제닌 항체의 농도를 40 나노몰로 하여 주입한 후, 부피비 1:1로 반응하게 하여 미세액적을 생성하였다. 따라서 반응을 검출하는 미세액적 내에서 형광물질이 표지된 안지오제닌의 최종 농도는 10 나노몰로 고정되었으며, 형광물질이 표지된 안지오제닌의 경쟁적 저해제로 작용하는 형광물질이 표지되지 않은 안지오제닌의 최종 농도는 0 나노몰에서 400 나노몰로 변화시켰다.

그리고 항-안지오제닌 항체는 도 7 및 도 8에 도시된 실험결과로부터 도출된 결합곡선과 해리상수(K_d) 값으로부터 적정한 농도라고 생각되는 20 나노몰로 설정하였다.

이러한 실험 조건으로부터 경쟁적 저해제의 농도 0 나노몰에서 400 나노몰에 대해 실험을 수행하였고, 그 중 일부 농도(0.78, 25, 200 나노몰)에 대한 액적을 분석한 다음(도 9 참조), 형광 편광값을 측정하여 해리곡선 및 50% 저해농도(IC₅₀) 값을 도출하였다(도 10 참조).

위의 실험예에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 액적 기반 미세유체 시스템(10)은 특정 생체분자와 상호작용하는 물질 및 억제제로 작용할 수 있는 물질의 탐색을 초고속으로 수행할 수 있으며, 그 탐색효과 역시 신뢰성을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

이상 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 본 발명이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 미세유체 시스템 100: 미세유체 칩
110: 칩 상부구조체 112: 제1 시료챔버
113: 제1 시료 114: 제2 시료챔버
115: 제2 시료 116: 돌출관
118: 제1 시료채널 120: 제2 시료채널
122: 시료채널 합류부 124: 액적 생성부
126: 오일 입구 128: 오일채널
130: 오일 수용부 131: 오일
132: 액적채널 133: 액적
134: 시료 출구 136: 음압 제공부
140: 칩 하부구조체 142: 시료챔버용 홀
150: 다이어프램 160: 압력 조절기
170: 칩 마운트 172: 상부 마운트
173: 시료 저장용 홀 174: 하부 마운트
176: 고정기구 200: 형광 편광 측정부
210: 레이저 광원 212: 편광 필터
214: 빛선별 거울 216: 대물렌즈
218: 빛선별 필터 220: 반사거울
222: 빛 분할기 224: 수직면 형광 측정부
226: 수평면 형광 측정부 228: 형광 검출기
A: 액적 생성영역 B: 형광 편광 측정영역

Claims (15)

1. 제1 시료 및 제2 시료를 각각 수용하는 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버와, 상기 제1 시료챔버와 제2 시료챔버로부터 각각 연장되어 상기 제1 시료 및 제2 시료의 유동이 일어나는 제1 시료채널 및 제2 시료채널과, 상기 제1 시료챔버와 제1 시료채널 및 상기 제2 시료챔버와 제2 시료채널의 연결부위를 각각 감싸는 다이어프램을 포함하는 미세유체 칩;
   상기 다이어프램에 음압 및 양압을 교대로 가하여 상기 제1 시료 및 제2 시료가 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널로 흐르는 유동을 발생시키는 압력 조절기; 및
   상기 미세유체 칩을 사이에 끼워 고정하는 상부 마운트와 하부 마운트로 이루어지고, 상기 상부 마운트에는 2개의 시료 저장용 홀이 관통 형성되며, 상기 시료 저장용 홀이 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 주위를 둘러쌓아 상기 제1 시료 및 제2 시료의 저장 공간을 형성하는 칩 마운트;를 포함하여 이루어지고
   상기 다이어프램에 가해지는 음압 및 양압이 상기 하부 마운트를 통해 가해지도록 상기 압력 조절기가 상기 하부 마운트와 연통 연결된 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미세유체 칩은
   상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널이 합류하는 시료채널 합류부;
   상기 제1 시료 및 제2 시료와 섞이지 않는 오일이 주입되는 오일 입구와 상기 시료채널 합류부 말단의 액적 생성부를 연결하는 오일채널; 및
   상기 시료채널 합류부로부터 연장되어 음압 제공부가 연결된 시료 출구와 연결되는 액적채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 음압 제공부에 의한 상기 오일의 흡입을 통해 상기 시료 출구를 향하는 상기 오일의 유동이 생성된 상태에서 상기 압력 조절기의 양압에 의한 상기 제1 시료 및 제2 시료의 유동을 일으킴으로써 상기 액적 생성부에 상기 제1 시료 및 제2 시료가 혼합된 액적을 생성하는 것과 함께 상기 액적채널을 흐르는 상기 액적의 유동을 생성시키는 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 미세유체 칩은,
   상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버의 상면과, 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널과, 상기 시료채널 합류부와, 오일채널 및 액적채널이 그 저면에 음형으로 식각되고, 오일 입구 및 시료 출구가 관통 형성된 칩 상부구조체;
   상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버를 형성하기 위한 시료챔버용 홀이 각각 관통 형성된 칩 하부구조체; 및
   상기 칩 하부구조체의 저면 중 적어도 상기 시료챔버용 홀을 감싸도록 결합되는 다이어프램;이 순차적으로 접합된 구조를 가지고,
   상기 압력 조절기는 상기 다이어프램에 음압 및 양압을 교대로 가하여 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 안에 수용된 상기 제1 시료 및 제2 시료가 상기 제1 시료채널 및 제2 시료채널 안으로 유입되는 유동을 일으키는 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 시료 저장용 홀에 의해 형성된 상기 제1 시료 및 제2 시료의 저장 공간과 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버를 연통 연결하는 돌출관이 상기 칩 상부구조체에 결합된 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버 안으로 삽입된 상기 돌출관의 단부는 상기 다이어프램에 양압이 가해졌을 때 상기 다이어프램과 밀착되어 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
8. 제4항에 있어서,
   상기 칩 상부구조체의 저면에 음형으로 식각된 상기 제1 시료챔버 및 제2 시료챔버의 상면의 지름이, 상기 칩 하부구조체에 관통 형성된 시료챔버용 홀의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 칩 하부구조체는 친수성 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 시료 또는 제2 시료 중의 어느 하나는 형광물질이 표지된 제1 생체분자이고, 다른 하나는 형광물질이 표지되지 않은 제2 생체분자인 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
11. 제2항에 있어서,
    상기 액적채널의 하류를 흐르는 상기 액적의 상대적 형광 세기를 측정하기 위한 형광 편광 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 시스템.
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