KR101337587B1 - 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세채널 내부로의 미세입자 주입방법 - Google Patents

미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세채널 내부로의 미세입자 주입방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치에 관한 것으로서, 미세입자가 이동하는 미세 유체 채널; 상기 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 연통되어 형성되고, 상기 미세 입자를 미세 유체 채널 내부로 주입시키기 위한 미세 유체 주입구; 상기 미세 유체 주입구와 결합하고, 미세 유체 주입구에 미세입자를 누출 없이 주입하기 위한 미세 유체 연결부; 및 상기 미세 유체 채널의 말단에 연결되고, 미세 유체 채널을 통과한 미세입자를 배출하는 배출구;를 포함하며, 본 발명에 따르면, 미세입자를 주입하는 주사기 튜브를 종래 수직방향과 달리 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 삽입함으로써 미세 유체가 측면방향으로 주입되어 주입되는 미세 유체를 측면방향으로 유동시킬 수 있으며, 이를 통해 종래 수직방향으로 미세입자 주입 시에 일어날 수 있는 입자손실의 감소 효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 미세 유체 연결 장치는 소자의 제조 과정이 간단하며 모듈화가 가능하기 때문에 다른 미세유체 소자와의 집적에 용이하다.

Description

미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세채널 내부로의 미세입자 주입방법{A FLUIDIC INTERCONNECTION FOR LATERAL INJECTION OF MICROPARTICLE AND MICROPARTICLE INJECTION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미세 유체를 측면 방향으로 주입함으로써, 주입되는 미세 유체에 대해서 측면 방향 유동을 유도할 수 있으며, 이에 의해서 미세입자의 침전 및 흡착, 입자 손실을 감소시킬 수 있는 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세입자 주입방법에 관한 것이다.
적은 양으로 빠른 시간에 정확하고 편리하게 생물학적 시료의 측정, 배열화를 수행하기 위한 생물학적 검출 시스템은 최근 미세유체공학(microfluidics)을 기반으로 정교하고 독립적인 구동이 가능한 자동화된 분석 플랫폼으로 점차 발전되고 있다. 분석의 대상이 되는 대부분의 생물학적 시료는 용액 상태로 미세유체 소자 내의 미세유체 채널(microchannel)로 이송되기 때문에 액체 시료를 정교하게 이송하는 기술이 무엇보다도 중요하다.
종래 미세유체소자를 제작할 경우에는 주사기 튜브를 삽입하기 위한 미세유체 주입구(inlet port)를 수직 방향으로 하여 설계 및 제작하였다. 이러한 방식에서는 상대적으로 낮은 유속으로 유체를 주입할 경우 미세입자의 비중에 따른 침전 현상에 의해 미세채널 주입부의 하부 벽면에 미세입자의 흡착 현상이 일어나게 된다. 미세유체 소자 내부로의 미세입자 주입 시에 미세유체 채널 벽에 미세입자가 부착되는 현상은 반데르발스 힘, 소수성 상호작용 등의 비특이적 입자-표면간 상호작용에 의해 일어나는데, 이는 미세입자의 손실, 미세채널 막힘 현상(clogging), 측정 정확도 및 조작효율 저하를 일으킨다.
종래에는 이와 같은 미세입자의 손실 방지를 위하여 전극 집적을 통한 유전영동 기반의 부유(J Micromech Microeng 20: 035034, 2010), 채널 표면의 화학적 변형(Electrophoresis 31, 2, 2010), 나노구조의 집적을 통한 채널 표면의 물리적 변형(Nanotechnology 16, 2420, 2005) 등을 이용하여 미세입자의 흡착 반응을 방지하였다. 그러나 종래에 사용되던 미세입자의 손실 방지를 위한 제반 공정 및 구동 방법은 공정의 복잡도가 높고, 높은 공정 비용이 요구되며, 타 마이크로플루이딕 소자와의 연동이 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 복잡한 소자와 장치 구성 대신에 단순한 구조를 이용하면서도 미세채널 내 흡착 없이 미세입자를 안정적으로 주입할 수 있어 정밀도를 지속적으로 유지할 수 있는 유체 연결 장치의 필요성이 대두되고 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 미세입자를 포함한 미세 유체를 주입하는 주사기 튜브를 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 삽입하여 주입되는 미세 유체를 측면 방향으로 유동시켜서 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에서 미세입자의 침전 및 흡착을 최소화하여 미세입자를 안정적으로 주입할 수 있는 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치를 이용하여 미세입자 주입 시 발생하는 미세입자의 흡착에 의한 입자 손실을 최소화할 수 있는 미세입자 주입방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,
미세입자가 이동하는 미세 유체 채널;
상기 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 연통되어 형성되고, 상기 미세 입자를 미세 유체 채널 내부로 주입시키기 위한 미세 유체 주입구;
상기 미세 유체 주입구와 결합하고, 미세 유체 주입구에 미세입자의 누출 없이 주입하기 위한 미세 유체 연결부; 및
상기 미세 유체 채널의 말단에 연결되고, 미세 유체 채널을 통과한 미세입자를 배출하는 배출구;를 포함하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치를 제공하고, 본 발명에 따른 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치는 미세입자가 측면 방향으로 주입되고, 측면 방향으로 유동이 형성되어 상기 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에서 미세입자의 침전 및 흡착이 방지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 미세 유체 연결부는 상기 미세입자를 미세 유체 주입구로 주입하기 위한 주사기 튜브; 및 상기 주사기 튜브를 감싸면서 미세 유체 주입구에 결합하여 연결되는 어댑터;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치는 상기 미세 유체 주입구를 복수로 구비할 수 있고, 이에 의해서 2종 이상의 미세입자를 동시에 주입하고 배출이 가능하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 어댑터의 내경은 상기 주사기 튜브의 외경과 동일할 수 있으며, 상기 어댑터의 외경은 상기 미세유체 주입구의 직경과 동일할 수 있고, 이에 의해서 미세 유체 주입구에서 주입되는 미세 유체의 누출을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 미세유체 주입구의 직경은 다양하게 조절할 수 있고, 제작 공정상 주입구의 직경이 증가할수록 제작이 용이한 점이 있다. 다만 본 발명의 범위가 이에 의해서 제한되는 것은 아니나, 상기 미세유체 주입구의 직경은 바람직하게 3-7 ㎜일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 미세 유체 채널은 폴리다이메틸실록세인(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 테플론 중에서 선택되는 고분자 물질; 유리; 및 실리콘; 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 주사기 튜브는 고분자 물질 또는 유리로 이루어질 수 있으며, 상기 어댑터는 플라스틱 또는 유리로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 미세입자는 세포, 단백질 및 나노 크기의 고분자성 입자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 유체 연결 장치를 이용한 미세입자 주입방법에 있어서,
(a) 상기 미세 유체 주입구에 미세입자가 포함된 미세 유체를 측면 방향으로 주입하는 단계;
(b) 상기 주입된 미세 유체를 상기 미세 유체 채널로 이송하는 단계; 및
(c) 상기 이송된 미세 유체를 미세 유체 배출구를 통하여 배출하는 단계;를 포함하고,
상기 미세 유체 내에 포함된 미세입자가 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에 흡착되지 않으며, 상기 미세 유체 주입구에서 미세 유체의 누출이 없는 것을 특징으로 하는 미세입자 주입방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계에서 복수의 미세 유체 주입구를 통하여 2 종 이상의 미세입자를 포함하는 미세 유체를 동시에 주입하고 배출할 수 있다.
본 발명에 따르면 미세입자를 주입하는 주사기 튜브를 종래 수직방향과 달리 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 삽입함으로써 미세 유체가 측면방향으로 주입되어 주입되는 미세 유체를 측면방향으로 유동시킬 수 있으며, 이를 통해 종래 수직방향으로 미세입자를 주입할 경우 발생하는 입자손실의 감소 효과를 기대할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 미세 유체 연결 장치는 소자의 제조 과정이 간단하며 모듈화가 가능하기 때문에 다른 미세유체 소자와의 집적에 용이하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치의 개략도이고, 도 1b는 상기 도1의 미세 유체 주입구를 확대하여 도시한 개략도이다.
도 2a는 종래 미세입자를 수직 방향으로 주입하는 유체 연결 장치의 제조 공정도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치의 제조 공정도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치를 보여주는 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치로 주입된 미세입자의 주입 결과를 보여주는 광학 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
본 발명에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치(100)는 종래의 미세 유체 연결 장치와 달리 미세 유체 주입구(120)의 방향을 미세 유체 채널(110)의 방향과 평행하게 구성한 것을 특징으로 한다.
상기 미세 유체 주입구(120)로 주입된 미세입자(170)는 상기 미세 유체 채널(110)을 통과하여 미세 유체 배출구(130)로 배출된다. 종래의 미세입자 주입 방식과 다르게 상기 미세입자(170)가 측면으로 유입되므로 측면 방향의 유동이 형성되며, 이는 수직 방향의 유동이 생길 시에 일어날 수 있는 상기 미세입자(170)의 침전 현상을 방지하여 상기 미세 유체 주입구 및 상기 미세 유체 채널의 벽면에 상기 미세입자(170)의 흡착 현상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 미세 유체 주입구(120)에서 누출 없이 상기 미세입자(170)를 주입하기 위하여 미세 유체 연결부(140)를 구비하고, 상기 미세 유체 연결부(140)는 주사기 튜브(150)와 어댑터(160)로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 어댑터(160)의 내경은 상기 주사기 튜브(150)의 외경과 동일하고, 상기 어댑터(160)의 외경은 상기 미세 유체 주입구(120)의 직경과 동일할 수 있고, 이에 의해서 미세 유체 주입구(120)에서 주입되는 미세 유체의 누출을 방지할 수 있다.
하기 도 1a 내지 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치(100)의 개략도이다.
본 발명에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치(100)는 상기 미세입자(170)가 이동하는 미세 유체 채널(110), 상기 미세 유체 채널(110)과 평행한 방향으로 연통되어 형성되고, 상기 미세 입자(170)를 미세 유체 채널(110) 내부로 주입시키기 위한 미세 유체 주입구(120), 상기 미세 유체 주입구(120)와 결합하고, 미세 유체 주입구(120)에 미세입자(170)를 누출 없이 주입하기 위한 미세 유체 연결부(140) 및 상기 미세 유체 채널(110)의 말단에 연결되고, 미세 유체 채널(110)을 통과한 미세입자(170)를 배출하는 배출구(130)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 미세 유체 연결부(140)는 상기 미세입자(170)를 미세 유체 주입구(120)로 주입하기 위한 주사기 튜브(150) 및 상기 주사기 튜브를 감싸면서 미세 유체 주입구에 결합하여 연결되는 어댑터(160)를 포함하여 구성된다. 상기 어댑터(160)의 내경은 상기 주사기 튜브(150)의 외경과 동일하고, 상기 어댑터(160)의 외경은 상기 미세 유체 주입구(120)의 직경과 동일하여 미세 유체의 누출을 방지한다.
또한, 본 발명에 따른 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치(100)는 상기 미세 유체 주입구(120)를 복수로 구비할 수 있고, 이에 의해서 2 종류 이상의 미세입자(170)를 포함하는 미세유체를 동시에 주입하고 배출할 수 있다.
상기 미세 유체 채널(110)은 폴리다이메틸실록세인(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 테플론 중에서 선택되는 고분자 물질; 유리; 및 실리콘; 중에서 선택되는 소재로 제조할 수 있다.
또한, 상기 주사기 튜브(150)는 고분자 물질 또는 유리로 이루어진 소재로 제조할 수 있으며, 상기 어댑터(160)는 플라스틱 또는 유리로 이루어진 소재로 제조할 수 있다.
상기 미세입자(170)는 세포, 단백질 및 나노 크기의 입자 상태로 제공되어야 하는 고분자성 입자 중에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 세포는 동물세포, 암세포, 미생물 등 단일세포의 연구가 필요한 영역에서 사용될 수 있고, 단백질은 중합효소 연쇄반응에 사용될 수 있으며, 고분자성 입자의 경우, 고분자성 입자를 나노 크기의 입자로 형성해야할 경우에 사용될 수 있다.
하기 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치의 제조 공정도이다.
먼저, 포토레지스트(210)가 패터닝된 실리콘 웨이퍼(220) 위에 PDMS(230)를 붓고 경화시킨다.
포토레지스트(210)는 반도체 또는 평판형 소자의 공정에 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으며, 상기 포토레지스트의 형성방법 역시 상기 공정에서 사용되는 방법이라면 특별히 한정하지 않으나, UV(Ultra Violet)가 조사된 부분만 경화되는 음성 포토레지스트인 SU-8이 바람직하다.
다음은 UV를 조사하는 단계로서, UV가 확산 및 분산되어 포토레지스트가 광중합될 때 UV의 확산에 의해서 광중합되는 부분과 직진에 의해서 광중합되는 부분이 동시에 발생하고, UV의 확산에 의해서 광중합되는 부분은 포토레지스트의 표면에 불과하고, UV의 직진에 의해서 광중합되는 부분은 포토레지스트의 하부까지이므로, 본 발명에 따른 패턴을 형성할 수 있게 된다. 포토레지스트의 길이, 너비 및 높이와, UV 조사량은 디자인 및 공정조건에 따라 조절될 수 있다.
상기와 같이 형성된 레이어를 이용하여 종래에는 하기 도 2a에 나타나 있는 바와 같이, PDMS 미세 유체 소자의 상부 레이어(230a)에 1.5 ㎜ 직경의 펀칭(240)을 이용하여 주입구를 제작하고 이를 하부 레이어(230b)에 플라즈마(Plasma) 처리하여 접착한 후에 주사기 튜브 (250) 및 어댑터(260)를 부착하여 제작한다.
본 발명에서는 종래 제조방법과 다르게, 미세 유체 채널과 미세유체 주입구가 평행한 방향으로 연통되도록 설계한다. 기존의 펀칭(240) 크기로는 측면방향으로의 미세 유체 주입구의 제작이 어렵기 때문에 본 발명에서는 5.0 mm 직경의 펀칭(270)을 이용하여 관통한다.
이후 관통하면서 생긴 잔여 PDMS 조각(280)을 제거해낸 후, 상부(230a)와 하부 레이어(230b)를 접착하여 미세채널의 제작을 완성한 후에 기존에 사용하는 0.06 in (1.524 ㎜) 튜브(250)와 상기 미세유체 주입구를 미세유체의 누출 없이 연결하기 위해 주입구에 어댑터(290)를 연결하여 제조한다.
또한, 본 발명은 상기 유체 연결 장치를 이용한 미세입자 주입방법에 있어서, (a) 상기 미세 유체 주입구에 미세입자가 포함된 미세 유체를 측면 방향으로 주입하는 단계; (b) 상기 주입된 미세 유체를 상기 미세 유체 채널로 이송하는 단계; 및 (c) 상기 이송된 미세 유체를 미세 유체 배출구를 통하여 배출하는 단계;를 포함하고,
상기 미세 유체내에 포함된 미세입자가 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에 흡착되지 않으며, 상기 미세 유체 주입구에서 미세 유체의 누출이 없는 것을 특징으로 하는 미세입자 주입방법을 제공한다.
하기 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치이고, 하기 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치로 주입한 미세입자의 주입 결과를 나타낸 광학 이미지이다.
동일한 농도 (5×105 개/㎖)의 15 ㎛ 형광 미세입자를 종래 방법으로 제작된 미세 유체 소자(도 4a) 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 미세유체 소자(도 4b)에 각각 주입했을 경우, 종래 소자보다 미세 유체 주입구 부근에서 흡착된 미세입자의 개수가 감소하고 따라서 미세채널에 주입되는 입자의 개수가 증가함을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세입자 주입방법에 대해서, 실시예를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
100 : 미세입자 측면주입을 위한 유체 연결 장치
110 : 미세 유체 채널 120 : 미세 유체 주입구
130 : 미세 유체 배출구 140 : 미세 유체 연결부
150 : 주사기 튜브 160 : 어댑터
170 : 미세입자 210 : 포토레지스트
220 : 실리콘 웨이퍼 230a : 상부 레이어
230b : 하부 레이어 240 : 펀칭
250 : 주사기 튜브 260 : 어댑터
270 : 펀칭 280 : PDMS 조각
290 : 어댑터

Claims (9)

  1. 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치에 있어서,
    상기 미세입자가 이동하는 미세 유체 채널;
    상기 미세 유체 채널과 평행한 방향으로 연통되어 형성되고, 상기 미세 입자를 미세 유체 채널 내부로 주입시키기 위한 미세 유체 주입구;
    상기 미세 유체 주입구와 결합하고, 미세 유체 주입구에 미세입자를 누출 없이 주입하기 위한 미세 유체 연결부; 및
    상기 미세 유체 채널의 말단에 연결되고, 미세 유체 채널을 통과한 미세입자를 배출하는 배출구;를 포함하고,
    상기 미세 유체 연결부는 상기 미세입자를 미세 유체 주입구로 주입하기 위한 주사기 튜브; 및 상기 주사기 튜브를 감싸면서 미세 유체 주입구에 결합하여 연결되는 어댑터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치는 상기 미세 유체 주입구를 복수로 구비하고, 이에 의해서 2종 이상의 미세입자를 동시에 주입하고 배출이 가능한 것을 특징으로 하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 어댑터의 내경은 상기 주사기 튜브의 외경과 동일하고, 상기 어댑터의 외경은 상기 미세유체 주입구의 직경과 동일한 것을 특징으로 하고, 이에 의해서 미세 유체 주입구에서 주입되는 미세 유체의 누출이 방지되는 것을 특징으로 하는 미세 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 유체 채널은 폴리다이메틸실록세인(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 및 테플론 중에서 선택되는 고분자 물질; 유리; 및 실리콘; 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자는 세포, 단백질 및 나노 크기의 고분자성 입자 중에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치는 미세입자가 측면 방향으로 주입되고, 측면 방향으로 유동이 형성되어 상기 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에서 미세입자의 침전 및 흡착이 방지되는 것을 특징으로 하는 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치.
  8. 제 1 항에 따른 유체 연결 장치를 이용한 미세입자 주입방법에 있어서,
    (a) 상기 미세 유체 주입구에 미세입자가 포함된 미세 유체를 측면 방향으로 주입하는 단계;
    (b) 상기 주입된 미세 유체를 상기 미세 유체 채널로 이송하는 단계; 및
    (c) 상기 이송된 미세 유체를 미세 유체 배출구를 통하여 배출하는 단계;를 포함하고,
    상기 미세 유체 내에 포함된 미세입자가 미세 유체 주입구 및 미세 유체 채널에 흡착되지 않으며,
    상기 미세 유체 주입구에서 미세 유체의 누출이 없는 것을 특징으로 하는 미세입자 주입방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 복수의 미세 유체 주입구를 통하여 2 종 이상의 미세입자를 포함하는 미세 유체를 동시에 주입하는 것을 특징으로 하는 미세입자 주입방법.
KR1020120022307A 2012-03-05 2012-03-05 미세입자 측면 주입을 위한 유체 연결 장치 및 이를 이용한 미세채널 내부로의 미세입자 주입방법 KR101337587B1 (ko)

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