KR101460494B1 - 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법 - Google Patents

마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101460494B1
KR101460494B1 KR1020130041621A KR20130041621A KR101460494B1 KR 101460494 B1 KR101460494 B1 KR 101460494B1 KR 1020130041621 A KR1020130041621 A KR 1020130041621A KR 20130041621 A KR20130041621 A KR 20130041621A KR 101460494 B1 KR101460494 B1 KR 101460494B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
microfluidic device
working electrode
electrode
channel
Prior art date
Application number
KR1020130041621A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140124191A (ko
Inventor
안유민
이승우
이강호
한준모
Original Assignee
한양대학교 에리카산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 에리카산학협력단 filed Critical 한양대학교 에리카산학협력단
Priority to KR1020130041621A priority Critical patent/KR101460494B1/ko
Publication of KR20140124191A publication Critical patent/KR20140124191A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101460494B1 publication Critical patent/KR101460494B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3271—Amperometric enzyme electrodes for analytes in body fluids, e.g. glucose in blood
    • G01N27/3272—Test elements therefor, i.e. disposable laminated substrates with electrodes, reagent and channels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502723—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by venting arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16—Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0636—Integrated biosensor, microarrays
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 발명은 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자(100)는 일측에 관통된 주입구(113), 타측에 관통된 배출구(115), 및 주입구(113)와 배출구(115)를 연결하도록 관통된 채널(117)이 형성된 제1 기판(110), 제1 기판(110)의 일면에 결합되고, 기준전극(123)과 상대전극(125)이 형성된 제2 기판(120), 및 제1 기판(110)의 타면에 결합되고, 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)이 형성된 제3 기판(130)을 포함한다.

Description

마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법{microfluidic devices and method for sensing the same}
본 발명은 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 본 발명은 독극물 검출 환경 센서를 포함한 다양한 유기물 센서로 이용될 수 있고, 전기화학 미생물들의 미생물 생태학, 바이오막 형성, 또는 이들의 바이오컴퓨팅 등의 다양한 응용에 대한 연구를 위한 장치로 이용될 수 있으며, 초소용 보건의료 및 전자기기 전력원으로도 이용될 수 있는 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 관한 것이다.
최근 마이크로시스템의 중요성은 기존의 에어백 센서와 잉크젯 등에서 벗어나 무선부품, 광부품, 바이오칩, 미세기계 분야 등으로 급속히 확산되고 있다. 이러한 마이크로시스템을 완성하기 위해서는 마이크로화된 휴대용 전력원이 매우 중요한 요소이다.
마이크로화된 휴대용 전력원으로 미생물 연료전지(MFC)가 각광받고 있다. 여기서, 미생물 연료전지는 연소 없이 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 또한, 미생물 연료전지는 다양한 장점을 가지고 있다. 예를 들어, 미생물은 자기 재생하는 촉매로서 체온 정도의 온도와 거의 중성에서 유기물과 무기물을 산화시킨다. 특별한 효소를 촉매로 사용하는 효소 바이오연료전지에 비해서, 미생물연료전지는 완전한 에너지 추출을 위해 연료를 다양한 내생의 효소에 의해 단순 분자들로 효과적으로 분해한다. 더구나, 미생물 연료전지는 효소의 특별한 분리 및 정체, 그리고 전극 표면의 안정화 등의 작업이 필요하지 않다. 따라서, 신에너지 형태의 휴대용 보건의료와 전자기기 전력공급 장치의 개발을 위해 마이크로 미생물 연료전지에 관한 연구가 필요한 실정이다. 많은 연구자들이 개발하고 있는 마이크로 연료전지는 주로 화학 연료를 이용하는데, 미생물 전기화학작용을 이용하는 마이크로 연료전지의 개발은 특히 생체 친화적인 요건을 필요로 하는 초소형 의료기기 전력원의 상용화 가능성을 제시한 데에 큰 의의가 있다.
마이크로 미생물 연료전지는 휴대용 의료기기, 몸 속 작은 기계파워뿐만 아니라, 휴대용 전자기기, 원거리 센서, 마이크로 로봇, 유기물 센서, 독성 탐지기 등 여러 방면으로 응용이 가능하므로, 앞으로도 관련 연구가 활발하게 진행될 것으로 예상된다.
또한, 마이크로 미생물 연료전지는 신약관련 연구에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 기존의 미생물을 이용한 신약독성 평가방법은 복잡한 단계를 거쳐야 하는 번거로움이 있는데, 이러한 단점을 해결하고자 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시된 바와 같이, 미생물 연료전지의 전기화학적 반응을 활용하여 직접적인 신약독성 평가가 가능하도록 연구가 진행되고 있다.
JP 2005-521431 A
본 발명의 일 측면은 스케일을 마이크로화함으로써, 비싼 시료의 사용량을 절감할 수 있고, 반응시간의 단축과 반응 감도의 증가를 구현할 수 있는 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자는 일측에 관통된 주입구, 타측에 관통된 배출구, 및 상기 주입구와 상기 배출구를 연결하도록 관통된 채널이 형성된 제1 기판, 상기 제1 기판의 일면에 결합되고, 기준전극과 상대전극이 형성된 제2 기판, 및 상기 제1 기판의 타면에 결합되고, 제1 작업전극과 제2 작업전극이 형성된 제3 기판을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 제2 기판에는 상기 주입구에 대응하는 제1 홀이 형성되고, 상기 배출구에 대응한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 기준전극의 일단, 상기 상대전극의 일단, 상기 제1 작업전극의 일단, 및 상기 제2 작업전극 일단은 상기 채널과 중첩되도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 기준전극의 일단은 상기 채널의 중심영역과 중첩되도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 상대전극의 일단은 상기 채널 중 상기 배출구보다 상기 주입구에 가까운 영역과 중첩되도록 형성된 후, 상기 기준전극의 일단과 이격되도록 연장되어, 상기 채널 중 상기 주입구보다 상기 배출구에 가까운 영역과 중첩되도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 제1 작업전극의 일단은 상기 채널 중 상기 배출구보다 상기 주입구에 가까운 영역에 중첩되도록 형성되고, 상기 제2 작업전극의 일단은 상기 채널 중 상기 주입구보다 상기 배출구에 가까운 영역에 중첩되도록 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 채널은, 상기 기준전극의 일단, 상기 상대전극의 일단, 상기 제1 작업전극의 일단, 및 상기 제2 작업전극 일단과 중첩되는 중심부, 상기 중심부로부터 상기 주입구로 연장된 제1 연장부, 및 상기 중심부로부터 상기 배출구로 연장된 제2 연장부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 제1 기판은 PDMS로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 제1 기판은, 상기 제1 기판에 대응하도록 함몰된 함몰부와 상기 함몰부 내에 상기 주입구, 상기 배출구, 및 상기 채널에 대응하도록 돌출된 돌출부가 형성된 하부금형에 액상 PDMS를 채운 후, 상기 하부금형에 상부금형을 결합하고, 가열하여 상기 PDMS를 고상화함으로써 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 제2 기판 및 상기 제3 기판은 유리기판이다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 상대전극, 상기 제1 작업전극, 및 상기 제2 작업전극은 ITO로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 상대전극은, 상기 제2 기판에 ITO박막을 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성하고, 상기 제1 작업전극, 및 상기 제2 작업전극은, 상기 제3 기판에 ITO박막을 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 기준전극은 Ag/AgCl로 형성된다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자에 있어서, 상기 기준전극은, 상기 제2 기판에 Ti를 접촉층으로 Ag박막을 형성한 후, FeCl3 용액을 접촉시켜 AgCl로 변환시켜 Ag/AgCl로 형성한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법은 (A) 일측에 관통된 주입구, 타측에 관통된 배출구, 및 상기 주입구와 상기 배출구를 연결하도록 관통된 채널이 형성된 제1 기판, 상기 제1 기판의 일면에 결합되고, 기준전극과 상대전극이 형성된 제2 기판, 및 상기 제1 기판의 타면에 결합되고, 제1 작업전극과 제2 작업전극이 형성된 제3 기판을 포함하는 마이크로 유체 소자를 준비하는 단계, (B) 상기 주입구로 시료를 연속적으로 주입하는 단계, 및 (C) 상기 시료에 의해서 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이 또는 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이의 전류변화를 센싱하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 있어서, 상기 (B) 단계 이전에, 상기 제1 작업전극과 상기 제2 작업전극에 미생물막을 형성시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 있어서, 상기 (B) 단계 이전에, 상기 마이크로 유체 소자의 전기화학 작용을 정상화시키는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법에 있어서, 상기 (B) 단계 이전에, 상기 마이크로 유체 소자와 상기 시료를 멸균하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 마이크로화함으로써, 적은 양의 시약만으로 폐수 등의 샘플 내의 독극물과 같은 대상물질을 실시간으로 빠르게 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유리기판과 PDMS를 사용함으로써, 미생물 전기화학 반응을 활용하기에 친환경적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전체적으로 투명한 재료를 사용함으로써, 반응의 시각적인 관찰이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 두 개의 작업전극을 구비함으로써, 상이한 두 개의 검출 변수에 의한 센싱을 동시에 할 수 있다.
도 1은 일반 미생물 연료전지(프로토타입, Prototype)을 이용한 실험 사진,
도 2는 기질이 유산염인 경우, 첫번째 시안화나트륨 주입에 의한 일반 미생물 연료전지의 전류밀도의 변화를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 실제 제작한 사진,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 각 구성의 평면도,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 사시도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 평면도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 제1 기판을 제작하는 과정을 도시한 도면,
도 7은 도 6에 도시된 상부금형과 하부금형의 사진,
도 8은 마이크로 유체 소자를 이용한 실험 사진,
도 9는 마이크로 유체 소자의 시간에 따른 전류밀도의 변화를 도시한 그래프,
도 10은 기질이 유산염인 경우, 시안화나트륨 주입에 의한 마이크로 유체 소자의 전류밀도의 변화를 도시한 그래프, 및
도 11은 기질이 초산나트륨인 경우, 다양한 농동의 아지드화 나트륨과 이미다졸 주입에 의한 마이크로 유체 소자의 최소 전류 밀도 반응치를 도시한 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
일반 미생물 전기화학 전지 또는 연료전지의 기초연구로서 가장 적합한 미생물 전기화학 3전극 반전지를 대상으로 마이크로 유체 소자를 개발하였다. 마이크로 유체 소자의 효과적인 적용 대상으로 기대되는 연속 흐름식 독성검출 실험을 통해서 마이크로 유체 소자의 적용 가능성을 확인하였다. 우선, 일반 미생물 연료전지를 이용하여 연속흐름식으로 독성검출 성능을 확인해 보았고, 이를 바탕으로 실제 마이크로 유체 소자를 제작하여 성능 및 전기화학적 현상을 분석해 보았다.
- 연료, 산화제, 및 전극의 선정
현재까지 밝혀진 미생물 중에서 연료전지의 전력밀도 성능이 가장 우수한 폐수 지오박테리아(Geobacteraceae)를 연구 대상 미생물로 사용하였다. 폐수 지오박테리아는 전자 전달 매개체가 필요하지 않으며, 연료전지에 필요한 미네랄과 비타민이 함유된 증식 배지는 <W.E. Balch, G.E. Fox, L.J. Magrum, C.R. Woese, R.S. Wolfe, "Methanogens: reevaluation of a unique biological group", Microbiol. Rev. 43, 260-296 (1979)> 등의 논문을 참조하였다. 또한, 미생물의 전기화학적 작용에 필요한 기질로서 초산나트륨과 유산염을 사용하였다. 일반 미생물 연료전지에는 원기둥 형태의 다결정 흑연(CP Graphite GmbH, Germany)을 사용하였고, 마이크로 유체 소자에는 투명한 ITO 증착박막을 산화전극과 환원전극으로 사용하였다. 그리고 기준전극으로는 일반 미생물 연료전지과 마이크로 유체 소자 모두 Ag/AgCl (sat. KCl, Sensortechnik Meinsberg, Germany, 0.195 V vs. 표준수소전극, SHE)을 사용하였다.
- 일반 미생물 연료전지( 프로토타입 , Prototype)의 설계 및 제작
목이 있는 플라스크(100mL)로 미생물 연료전지를 형성하였으므로, 기질 용액과 증식배지 용액의 저장소로 두 개의 유리병(2.5L)을 사용하여, 플라스크 내부의 오래된 용액을 0.428mL/min의 속도로 연동펌프(Ismatec 1965, Reglo Analog, Switzerland/Genmany)에 의해서 연속적으로 새로운 용액으로 교환하였다. 염기성 폐수 지오박테리아의 원활한 활동을 위해서, 모든 시료는 사용전 최소 20분 이상 질소가스를 이용하여 산소가스를 제거하였으며, 전지 전극 표면에 생성시켜야 하는 지오박테리아의 미생물막은 <Y. Liu, F. Harnisch, K. Fricke, R. Sietmann, U. Schroder, "Improvement of the anodic bioelectrocatalytic activity of mixed culture biofilms by simple consecutive electrochemical selection procedure", Biosens. Bioelectron. 24, 1012-1017 (2008)> 등의 논문을 참조하여 준비하였다. 설계 및 제작된 전체적인 일반 미생물 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같다.
- 일반 미생물 연료전지의 성능실험
설계 및 제작된 일반 미생물 연료전지를 이용하여 독성 검출 실험을 수행하였다. 모든 실험은 대략 35℃에서 수행하였고, 독성물질로서는 시안화나트륨(청산가리)을 사용하였다. 이때, 시안화나트륨의 농도를 0.002, 0.02, 0.2, 0.4, 0.8mM로 변화를 주며 실험을 수행하였다. 또한, 일반 미생물 연료전지에는 0.2V의 전압을 일정하게 인가하고, 그에 따른 반응 전류를 매 1분마다 전기화학 측정장치(VMP3, BioLogic Science Instruments, France)로 측정하였다. 반응 전류가 안정 상태에 도달하고, 최소 24시간이 지난 후에 특정 농도의 시안화나트륨이 함유된 기질 용액을 증식배지 용액과 함께 일반 미생물 연료전지에 연속적으로 주입하였다. 여기서, 시안화나트륨의 농도가 0.002, 0.02mM인 경우, 반응 전류의 변화는 무시할 정도였지만, 농도가 0.2, 0.4, 0.8mM인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이 반응 전류가 감소하기 시작하였으며, 최소값에 도달한 후에 다시 증가하여 시안화나트륨의 주입 전의 값이나 그보다 낮은 값으로 반응 전류가 회복되었다. 이때, 시안화나트륨의 농도가 높을수록 반응 전류의 회복정도가 낮았다.
기질 농도(mM) 정규화된 최소전류 반응치(Current, normalized to I0/%)
유산염
(lactate)


 0.002 100.1±1.45
0.02 93.8±5.12
0.2 76.1±0.52
0.4 74.2±2.05
0.8 42.0±3.96
초산나트륨
(s.acetate)




 0.002 98.0±0.54
0.02 89.2±4.32
0.2 76.8±7.75
0.4 77.1±3.11
0.8 53.7±2.88
0.8* 48.9±2.12
* 바로 주입한 경우
기질이 유산염인 경우, 0.002, 0.02, 0.2mM 농도 순으로 시안화나트륨을 먼저 주입하였다. 그리고, 시안화나트륨이 없는 기질 용액을 일반 미생물 연료전지에 공급하여 산화전극에 붙어 있는 생물막을 안정화시킨 후, 다시 똑같은 농도 순으로 주입하여 반응 전류를 측정하였다. 같은 방법으로, 새로운 생물막이 부착된 일반 미생물 연료전지에 대해서 0.4, 0.8mM 농도 순으로 시안화나트륨을 두 번 반복 주입하여 실험하였다. 일반 미생물 연료전지의 초기 안정전류 값과 시안화나트륨 주입 후의 반응 전류의 최소값들은 실험에서 표 1과 같이 측정되었다. 시안화나트륨을 최초 주입하였을 때는 물질 농도가 커질수록 반응 전류가 감소하는 경향을 보였다.
기질이 초산나트륨인 경우에 대해서도 동일한 실험을 수행하였다. 이 경우, 시안화나트륨의 농도를 0.002mM에서 0.8mM 농도까지 순차적으로 증가시키면서 방응 전류를 측정했다. 그 결과는 표 1과 같으며, 이 경우에도 역시 시안화나트륨 농도가 0.2mM보다 증가함에 따라 반응 전류 최소값이 비례적으로 감소하였다. 마지막으로, 0.8mM 농도의 시안화나트륨을 새로운 일반 미생물 연료전지에 바로 주입해 보았다. 시안화나트륨 주입에 따른 반응 전류 최소값들이 초기 안정전류에 대한 상대수치로 표시되어 있는 표 1에서 보면, 0.002mM 농도부터 순차적으로 시안화나트륨이 주입된 지오박테리아에 0.8mM 농도의 시안화나트륨이 주입된 경우보다 0.8mM 농도의 시안화나트륨이 바로 주입된 경우, 반응 전류가 상대적으로 더 많이 감소된 것을 확인할 수 있다. 이는 순차적 주입에 의해서 지오박테리아가 독성에 대한 면역을 갖게 되기 때문에, 순착적으로 주입한 경우와 바로 주입한 경우에 다른 반응전류가 측정되었다고 판단된다.
- 마이크로 유체 소자(이하, 마이크로 유체 소자)
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 실제 제작한 사진이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 각 구성의 평면도이며, 도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 사시도이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 평면도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자는 일측에 관통된 주입구(113), 타측에 관통된 배출구(115), 및 주입구(113)와 배출구(115)를 연결하도록 관통된 채널(117)이 형성된 제1 기판(110), 제1 기판(110)의 일면에 결합되고, 기준전극(123)과 상대전극(125)이 형성된 제2 기판(120), 및 제1 기판(110)의 타면에 결합되고, 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)이 형성된 제3 기판(130)을 포함한다.
상기 제1 기판(110)에는 기질 용액과 증식배지 용액이 주입되는 주입구(113), 기질 용액과 증식배지 용액이 배출되는 배출구(115), 및 기질 용액과 증식배지 용액이 통과하는 채널(117)이 형성된다. 여기서, 주입구(113), 배출구(115), 및 채널(117)은 제1 기판(110)을 두께방향으로 관통하여 형성된다. 이때, 주입구(113)는 제1 기판(110)의 일측에 관통되고, 배출구(115)는 제1 기판(110)의 타측에 관통되며, 채널(117)은 주입구(113)와 배출구(115)를 연결하도록 관통된다. 따라서, 기질 용액과 증식배지 용액은 주입구(113)로 주입되어, 채널(117)을 거친 후, 배출구(115)로 배출된다. 또한, 채널(117)의 상측과 하측에는 기준전극(123)의 일단, 상대전극(125)의 일단, 및 제1,2 작업전극(133, 135)의 일단이 충첩되도록 배치된다. 따라서, 기질 용액과 증식배지 용액은 채널(117)을 통과하면서, 기준전극(123), 상대전극(125), 및 제1,2 작업전극(133, 135)과 접촉할 수 있다. 더욱 구체적으로, 채널(117)은 중심부(117a), 제1 연장부(117b), 및 제2 연장부(117c)를 포함할 수 있다. 여기서, 중심부(117a)는 기준전극(123)의 일단, 상대전극(125)의 일단, 제1,2 작업전극(133, 135)의 일단과 중첩된다. 또한, 제1 연장부(117b)는 중심부(117a)로부터 주입구(113)로 연장되고, 제2 연장부(117c)는 중심부(117a)로부터 배출구(115)로 연장된다. 이때, 제1 연장부(117b)와 제2 연장부(117c)는 중심부(117a)와 일정한 각도를 이루도록 꺾인 형태로 연장될 수 있다. 한편, 제1 기판(110)은 PDMS로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 유체 소자의 제1 기판을 제작하는 과정을 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 상부금형과 하부금형의 사진이다. 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상부금형(145)과 하부금형(140)을 이용하여 사출금형식 몰딩방법으로 제1 기판(110)을 제작할 수 있다. 여기서, 하부금형(140)과 상부금형(145)은 스테인리스 소재의 미세구경 앤드밀에 의한 밀링가공으로 제작할 수 있다. 이때, 하부금형(140)과 상부금형(145)이 맞다는 면들의 평행도 및 평탄도, 그리고 하부금형(140)과 상부금형(145) 내부의 표면거칠기가 중요하다. 구체적으로, 하부금형(140)에는 제1 기판(110)에 대응하도록 함몰된 함몰부(141)와 함몰부(141) 내에 주입구(113), 배출구(115), 및 채널(117)에 대응하도록 돌출된 돌출부(143)가 형성된다. 이러한 하부금형(140)에 액상 PDMS를 채운 후, 하부금형(140)에 상부금형(145)을 볼트 등으로 결합하고, 진공 내에서 액상 PDMS의 기포를 제거한다. 이후, 대략 65℃로 4시간 가열하여 PDMS를 고상화함으로써, 제1 기판(110)을 제작할 수 있다. 종래의 PDMS 몰딩기법은 실리콘 웨이퍼에 포토리소그래피법으로 포토 리지스터(Photo Resister) 몰드를 형성하고, 그 위에 액상 PDMS를 부은 다음, 가열하여 단단하게 만들었다. 하지만, 이러한 종래의 PDMS 몰딩기법은 원하는 높이의 PDMS층을 만들기 힘들었다. 반면, 상술한 바와 같이, 하부금형(140)과 상부금형(145)을 이용하여 PDMS로 제1 기판(110)을 제작하면 원하는 높이로 구현이 가능한 장점이 있다. 한편, 채널(117)이 형성된 제1 기판(110)의 양면에는 유리기판인 제2,3 기판(120, 130)이 산소 플라즈마 표면처리법으로 본딩될 수 있다. 이와 같이, 제1 기판(110)은 PDMS로 형성되고, 제2,3 기판(120, 130)은 유리기판으로 형성되는 경우, 전체적으로 마이크로 유체 소자는 투명하므로, 관찰이 용이한 장점이 있다.
상기 제2 기판(120, 도 4 내지 도 5 참조)에는 기준전극(123)과 상대전극(125)이 형성되고, 제1 기판(110)의 일면에 결합된다. 여기서, 기준전극(123)은 일단이 상기 채널(117)의 중심영역과 중첩되도록 형성될 수 있다. 이때, 채널(117)의 중심영역이란 채널(117)의 길이방향으로 중간위치를 의미하는 것이지만, 정확히 수학적으로 중간위치를 의미하는 것은 아니다. 또한, 상대전극(125)은 일단이 채널(117) 중 배출구(115)보다 주입구(113)에 가까운 영역(기준전극(123) 옆 중 채널(117) 입구 쪽)과 중첩되도록 형성된 후(제1 일단부(125a)), 기준전극(123)의 일단과 이격되도록 연장되어(기준전극(123)의 일단의 외측을 "凹"자 형태로 둘러싸도록 연장되어), 채널(117) 중 주입구(113)보다 배출구(115)에 가까운 영역(기준전극(123) 옆 중 채널(117) 출구 쪽)과 중첩되도록 형성될 수 있다(제2 일단부(125b)). 이때, 상대전극(125)의 제1 일단부(125a)는 제3 기판(130)에 형성된 제1 작업전극(133)의 일단과 중첩될 수 있고, 상대전극(125)의 제2 일단부(125b)는 제3 기판(130)에 형성된 제2 작업전극(135)의 일단과 중첩될 수 있다. 한편, 기준전극(123)은 Ag/AgCl로 형성될 수 있다. 구체적으로, 기준전극(123)은 제2 기판(120)에 Ti를 접촉층으로 이용하여 Ag 박막을 형성한 후, 채널(117)과 중첩되는 Ag 박막의 표면만 FeCl3 용액을 접촉시켜 AgCl로 변환시킴으로써, Ag/AgCl을 형성할 수 있다. 또한, 상대전극(125)은 ITO로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상대전극(125)은 제2 기판(120)에 ITO 박막을 증착하여 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성할 수 있다. 한편, 제2 기판(120)에는 제1 기판(110)의 주입구(113)에 대응하는 제1 홀(127)이 형성될 수 있고, 제1 기판(110)의 배출구(115)에 대응하는 제2 홀(129)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 제2 기판(120)에 제1 홀(127)과 제2 홀(129)이 형성되면, 기질 용액과 증식배지 용액은 제1 홀(127)을 거쳐 주입구(113)로 주입될 수 있고, 배출구(115)를 거쳐 제2 홀(129)로 배출될 수 있다.
상기 제3 기판(130)에는 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)이 형성되고, 제1 기판(110)의 타면(제2 기판(120)이 결합된 반대면)에 결합된다. 여기서, 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)은 각각의 일단이 상기 채널(117)과 중첩되도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 작업전극(133)의 일단은 채널(117) 중 배출구(115)보다 주입구(113)에 가까운 영역과 중첩되도록 형성될 수 있고, 제2 작업전극(135)의 일단은 채널(117) 중 주입구(113)보다 배출구(115)에 가까운 영역과 중첩되도록 형성될 수 있다. 이때, 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)의 일단은 "┏" 또는 "┓"자 형태로 꺾여, 채널(117)의 중심부(117a)가 연장되는 방향으로 연장될 수 있다. 한편, 제1,2 작업전극(133, 135)은 ITO로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1,2 작업전극(133, 135)은 제3 기판(130)에 ITO 박막을 증착하여 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성할 수 있다. 한편, 본 실시예에 따른 마이크로 유체 소자는 제1 작업전극(133)과 제2 작업전극(135)을 구비하고 있으므로, 서로 다른 두 전압을 동시에 인가하여 전류차이를 비교할 수 있다. 따라서, 서로 다른 두 개의 검출변수를 동시에 센싱할 수 있는 장점이 있다.
실제 마이크로 유체 소자를 도 3에 도시된 바와 같이 제작하였다. 이때, 마이크로 유체 소자는 연속흐름식 전지가 될 수 있도록 마이크로 형태의 디바이스로 구성하였다. 구체적으로, 기질 용액과 증식배지 용액이 주입구(113)를 통해서 주입되면, 채널(117, 마이크로 크기)을 통해서 연속적으로 유동하게 되고, 마지막으로 배출구(115)를 통해서 배출되도록 설계하였다. 채널(117)의 하측에는 제1,2 작업전극(133, 135, 산화전극)이 배치되는데, 채널(117)의 입구 방향에 제1 작업전극(133)이 배치되고, 채널(117)의 출구 방향에 제2 작업전극(135)이 배치된다(도 4c 및 도 5b 참조). 채널(117)의 상측에는 채널(117)의 입구와 출구 중간 위치에 기준전극(123)이 배치되고, 하나로 연장된 상대전극(125, 환원전극)이 기준전극(123)의 양측, 즉 채널(117)의 입구 쪽과 출구 쪽에 각각 배치된다(도 4a 및 도 5b 참조). 채널(117)의 폭과 높이는 모두 약 500μm이고, 채널(117)의 총 길이는 18.0mm이며, 기준전극(123), 상대전극(125), 및 하나의 작업전극(제1 작업전극(133) 또는 제2 작업전극(135))이 존재하는 채널(117)의 길이는 각각, 50μm, 14.0mm, 7.75mm이다. 따라서, 제1 작업전극(133) 또는 제2 작업전극(135)의 면적은 0.03375cm2이다. 다만, 상술한 수치는 실제 제작한 마이크로 유체 소자의 수치일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
- 마이크로 유체 소자의 성능실험
실제 제작한 마이크로 유체 소자의 성능은 앞서 일반 미생물 연료전지(프로토타입, Prototype)에서 수행하였던 독성검출 실험을 똑같이 수행하여 비교평가를 하였다. 실험 시약들은 앞선 일반 미생물 연료전지의 실험과 동일하다.
따라서, 우선 마이크로 유체 소자를 준비한다. 다만, 마이크로 유체 소자에서는 외부환경에 유입되는 미생물에 의해서 생성되는 생물막이 내부에서 용액 유도에 방해요소로서 작용하므로, 마이크로 유체 소자와 모든 시료들을 살균 처리한 후 사용하였다. 즉, 마이크로 유체 소자와 시료를 멸균하는 단계를 수행할 수 있다.
또한, 폐수 지오박테리아의 접종물을 일반 미생물 연료전지에서 배양한 후, 배양된 접종물이 함유된 기질 용액과 증식배지 용액을 두 개의 실린지 펌프를 사용용하여 마이크로 유체 소자에 도 8과 같이 주입하였다. 이러한 용액이 주입된 마이크로 유체 소자에 0.2V의 전압을 인가한 상태에서 24시간을 유동 없이 유지시켜서 제1 작업전극과 제2 작업전극에 미생물 접촉물이 부착되게 하였다. 즉, 제1 작업전극과 제2 작업전극에 미생물막을 형성시키는 단계를 수행할 수 있다.
그 이후에, 처음 24시간 동안에는 0.07ml/hr의 유동량으로 용액들을 연속적으로 주입하였고, 그 다음 24시간 동안에는 0.14ml/hr의 유동량으로 주입하였고, 그 다음부터는 0.2ml/hr의 유동량을 유지하며 연속적으로 용액을 주입하였다. 즉, 주입구를 통해서 시료를 연속적으로 주입하는 단계를 수행할 수 있다. 용액을 주입한 후, 실제 측정된 결과는 도 9에 도시된 바와 같다. 마이크로 유체 소자의 전지 작동 후, 24시간에서 48시간 사이에 전류가 증가하기 시작하기 하였으며, 작동 후 5일을 전후하여 최대 전류 값에 도달하였으며, 그 이후에는 전류가 감소하다가 일정한 전류값으로 수렴하는 경향을 보였다. 즉, 마이크로 유체 소자의 전기화학 작용을 정상화시키는 단계를 수행할 수 있다. 실험은 최대 10일까지 수행하였는데, 그때까지 안정적인 전류가 측정되었다. 최대 전류값은 대략 10~100μA cm-2이고, 수렴 전류값은 4~40μA cm-2로서, 일반 미생물 연료전지에서의 전류값에 비해서 1/10정도 작은 편이었다.
다음, 시료에 의해서 제1 작업전극과 상대전극 사이 또는 제2 작업전극과 상대전극 사이의 전류변화를 센싱하는 단계이다. 구체적으로, 유산염을 기질로 하여, 마이크로 유체 소자를 4일 정도 작동시킨 후, 동일한 유산염 기질(음성대조군)을 교체 주입한 후, 다시 24시간이 지난 다음 0.4mM 농도의 시안화나트륨이 함유된 기질을 주입한 결과는 도 10에 도시된 바와 같다. 작동 중인 마이크로 유체 소자에 음성대조군인 독성물질이 없는 기질 용액이 주입된 경우에는 전류의 감소 현상이 없었지만, 시안화나트륨이 주입된 경우는 일반 미생물 연료전지에서와 같이 전류 감소 현상이 명확하게 나타났다. 0.4mM 농도의 시안화나트륨 주입에 따른 반응 전류의 최소값은 23.4%의 감소를 보였는데, 이는 일반 미생물 연료전지의 74.2±2.05%보다 큰 차이를 보였다. 한편, 초산나트륨을 기질로 하여 마이크로 유체 소자에 0.8mM 농도의 시안화나트륨을 주입한 결과에서는 전류감소가 42.35%로서 일반 미생물 연료전지의 48.9±2.12%의 전류감소와 유사한 결과를 보였다.
시안화나트륨에 대해서 일반 미생물 연료전지와 유사한 결과를 보인 초산화나트륨이 기질인 경우, 이미다졸과 아지드화 나트륨의 두 독성 물질에 대한 마이크로 유체 소자의 반응실험을 수행하였다. 시안화나트륨에서 검출이 가능하였던, 이미다졸과 아지드화 나트륨을 0.02, 0.2, 0.4, 0.8mM의 농도 순으로 증가시키면서, 전류의 반응을 측정하였으며, 구체적인 실험방법은 일반 미생물 연료전지에서의 실험과 동일하였다. 역시, 동일한 실험을 두 번 반복하였으며, 그 결과는 도 11에 도시된 바와 같다. 측정된 전류값은 시안화나트륨에 대한 일반 미생물 연료전지의 반응치와 유사하며, 전반적으로 아지드화 나트륨보다 이미다졸에 대해서 반응전류가 더 많이 감소하였다. 하지만, 독성 물질의 농도가 증가함에 따라 반응전류도 비례하여 감소할 것이라는 예상이, 이미다졸은 0.8mM 농도에서, 아지드화 나트륨은 0.2mM 농도에서 맞지 않게 측정되었다. 이는 이번 연구에서 사용한 폐수 지오박테리아가 혐기성이 강해 산소와 접촉하면 그 기능이 급격히 저하되기 때문으로 예측된다. 일반 미생물 연료전지에서는 전극 표면에 형성되는 미생물막의 박테리아 양이 적지 않기 때문에 산소와 잠시 접촉하는 정도라면, 미생물막 내부의 박테리아 일부는 영향을 덜 받아 전반적으로 전지가 안정화를 유지할 수 있다. 하지만, 마이크로 유체 소자에서는 미생물막을 형성하는 박테리아 양이 상대적으로 매우 작아 산소의 영향이 치명적으로 작용한 것으로 파악된다. 따라서, 마이크로 유체 소자를 다룰 때, 미생물이 산소와 접촉되지 않도록 주의한다면, 독성 검출 디바이스로 사용되는데 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
한편, 종래기술에 따른 미생물 연료전지와 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자를 비교하면, 다음과 같은 차이점이 존재한다.
첫째, 종래기술에 따른 미생물 연료전지는 연속흐름식을 유지하기 위해서, 계속적으로 미생물 전기화학방응에 필요한 기질, 비타민, 미네랄 등의 영양분을 공급하여야 한다. 하지만, 공급하여야할 양이 적지 않아 장시간 연료전지를 작동시킬 경우, 시료의 비용이 많이 소모되는 문제점이 있다. 또한, 화학적 전기화학반응에 비해서 미생물 전기화학반응에서는 독성물질에 대한 미생물의 반응이 빠른 편이 아니어서, 이와 같은 반응속도의 한계가 독성물질의 즉각적인 측정에 제한요소가 된다. 반면, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자는 마이크로화함으로써 비싼 시료의 사용량을 줄일 수 있고, 미세화에 의해서 반응시간의 단축과 반응 감도의 증가 등의 장점이 있다.
둘째, 종래기술에 따른 미생물 연료전지는 재질이 실리콘이었다. 실리콘은 일반적으로 바이오 물질에 친화적이지 않다. 또한, 연료전지의 성능향상을 위해서 전극표면을 요철형상으로 설계하는데, 실리콘으로 이러한 구조를 만드는 제조공정은 단순하지 않아, 제조비가 많이 소모되는 문제점이 있다. 성능면에서도 독성 검출을 정상적으로 할 수 있는 단계가 아니고, 단지 센서로서 발전할 수 있는 가능성만을 제시하고 있는 단계이다. 이에 반하여, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자는 생물 친화적인 유리기판과 PDMS를 사용함으로써, 기존의 실리콘에 의한 생화학반응의 악영향 요소를 제거할 수 있다.
셋째, 종래기술에 따른 미생물 연료전지는 두 전극만 사용하므로, 일정한 전압차이를 안정적으로 조절하지 못한다. 따라서, 전기화학 환경을 명확하게 유지할 수 없다. 반면, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자는 3전극(기준전극, 상대전극, 제1,2 작업전극)을 사용하므로, 일정한 전압차이를 안정적으로 조절할 수 있고, 그에 따라 전기화학 환경을 명확하게 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자는 제1,2 작업전극을 구비함으로써, 상이한 두개의 전압차에 의한 전기화학 반응을 동시에 일으킬 수 있다.
넷째, 종래기술에 따른 미생물 연료전지는 양성자 교환막을 사용하는 반면, 본 발명에 따른 마이크로 유체 소자는 반전지 형태로 구성되어, 양성자 교환막을 생략할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
110: 제1 기판 113: 주입구
115: 배출구 117: 채널
117a: 중심부 117b: 제1 연장부
117c: 제2 연장부 120: 제2 기판
123: 기준전극 125: 상대전극
125a: 제1 일단부 125b: 제2 일단부
127: 제1 홀 129: 제2 홀
130: 제3 기판 133: 제1 작업전극
135: 제2 작업전극 140: 하부금형
141: 함몰부 143: 돌출부
145: 상부금형

Claims (18)

  1. 일측에 관통된 주입구, 타측에 관통된 배출구, 및 상기 주입구와 상기 배출구를 연결하도록 관통된 채널이 형성된 제1 기판;
    상기 제1 기판의 일면에 결합되고, 기준전극과 상대전극이 형성된 제2 기판; 및
    상기 제1 기판의 타면에 결합되고, 제1 작업전극과 제2 작업전극이 형성된 제3 기판;
    을 포함하는 마이크로 유체 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 기판에는 상기 주입구에 대응하는 제1 홀이 형성되고, 상기 배출구에 대응하는 제2 홀이 형성된 마이크로 유체 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준전극의 일단, 상기 상대전극의 일단, 상기 제1 작업전극의 일단, 및 상기 제2 작업전극 일단은 상기 채널과 중첩되도록 형성된 마이크로 유체 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준전극의 일단은 상기 채널의 중심영역과 중첩되도록 형성되는 마이크로 유체 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상대전극의 일단은 상기 채널 중 상기 배출구보다 상기 주입구에 가까운 영역과 중첩되도록 형성된 후, 상기 기준전극의 일단과 이격되도록 연장되어, 상기 채널 중 상기 주입구보다 상기 배출구에 가까운 영역과 중첩되도록 형성되는 마이크로 유체 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 작업전극의 일단은 상기 채널 중 상기 배출구보다 상기 주입구에 가까운 영역에 중첩되도록 형성되고,
    상기 제2 작업전극의 일단은 상기 채널 중 상기 주입구보다 상기 배출구에 가까운 영역에 중첩되도록 형성된 마이크로 유체 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 채널은,
    상기 기준전극의 일단, 상기 상대전극의 일단, 상기 제1 작업전극의 일단, 및 상기 제2 작업전극 일단과 중첩되는 중심부;
    상기 중심부로부터 상기 주입구로 연장된 제1 연장부; 및
    상기 중심부로부터 상기 배출구로 연장된 제2 연장부;
    를 포함하는 마이크로 유체 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판은 PDMS로 형성되는 마이크로 유체 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판은,
    상기 제1 기판에 대응하도록 함몰된 함몰부와 상기 함몰부 내에 상기 주입구, 상기 배출구, 및 상기 채널에 대응하도록 돌출된 돌출부가 형성된 하부금형에 액상 PDMS를 채운 후, 상기 하부금형에 상부금형을 결합하고, 가열하여 상기 PDMS를 고상화함으로써 형성하는 마이크로 유체 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 기판 및 상기 제3 기판은 유리기판인 마이크로 유체 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 상대전극, 상기 제1 작업전극, 및 상기 제2 작업전극은 ITO로 형성되는 마이크로 유체 소자.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 11에 있어서,
    상기 상대전극은,
    상기 제2 기판에 ITO박막을 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성하고,
    상기 제1 작업전극, 및 상기 제2 작업전극은,
    상기 제3 기판에 ITO박막을 형성한 후, 포토레지스터(Photoresistor)를 이용하여 선택적으로 식각하면서 패터닝하여 형성하는 마이크로 유체 소자.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준전극은 Ag/AgCl로 형성되는 마이크로 유체 소자.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 13에 있어서,
    상기 기준전극은,
    상기 제2 기판에 Ti를 접촉층으로 Ag박막을 형성한 후, FeCl3 용액을 접촉시켜 AgCl로 변환시켜 Ag/AgCl로 형성하는 마이크로 유체 소자.
  15. (A) 일측에 관통된 주입구, 타측에 관통된 배출구, 및 상기 주입구와 상기 배출구를 연결하도록 관통된 채널이 형성된 제1 기판, 상기 제1 기판의 일면에 결합되고, 기준전극과 상대전극이 형성된 제2 기판, 및 상기 제1 기판의 타면에 결합되고, 제1 작업전극과 제2 작업전극이 형성된 제3 기판을 포함하는 마이크로 유체 소자를 준비하는 단계;
    (B) 상기 주입구로 시료를 연속적으로 주입하는 단계; 및
    (C) 상기 시료에 의해서 상기 제1 작업전극과 상기 상대전극 사이 또는 제2 작업전극과 상기 상대전극 사이의 전류변화를 센싱하는 단계;
    를 포함하는 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 (B) 단계 이전에,
    상기 제1 작업전극과 상기 제2 작업전극에 미생물막을 형성시키는 단계;
    를 더 포함하는 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 (B) 단계 이전에,
    상기 마이크로 유체 소자의 전류를 일정한 전류값으로 수렴시켜 상기 마이크로 유체 소자의 전기화학 작용을 정상화시키는 단계;
    를 더 포함하는 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 (B) 단계 이전에,
    상기 마이크로 유체 소자와 상기 시료를 멸균하는 단계;
    를 더 포함하는 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법.
KR1020130041621A 2013-04-16 2013-04-16 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법 KR101460494B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130041621A KR101460494B1 (ko) 2013-04-16 2013-04-16 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130041621A KR101460494B1 (ko) 2013-04-16 2013-04-16 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140124191A KR20140124191A (ko) 2014-10-24
KR101460494B1 true KR101460494B1 (ko) 2014-11-11

Family

ID=51994533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130041621A KR101460494B1 (ko) 2013-04-16 2013-04-16 마이크로 유체 소자 및 마이크로 유체 소자를 이용한 검출방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101460494B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100475634B1 (ko) 2001-12-24 2005-03-15 주식회사 아이센스 일정 소량의 시료를 빠르게 도입할 수 있는 시료도입부를구비한 바이오 센서
KR20110126942A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 삼성전기주식회사 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법
KR20120088240A (ko) * 2011-01-31 2012-08-08 한양대학교 산학협력단 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법
KR20120122209A (ko) * 2011-04-28 2012-11-07 가천대학교 산학협력단 Ｄｎａ 검출용 미세유체 반응기를 이용한 ｄｎａ 검출 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100475634B1 (ko) 2001-12-24 2005-03-15 주식회사 아이센스 일정 소량의 시료를 빠르게 도입할 수 있는 시료도입부를구비한 바이오 센서
KR20110126942A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 삼성전기주식회사 바이오칩 및 그 제조 방법, 이를 이용한 분석 대상 물질 검출 방법
KR20120088240A (ko) * 2011-01-31 2012-08-08 한양대학교 산학협력단 마이크로 유체 연료 전지 및 그의 제조 방법
KR20120122209A (ko) * 2011-04-28 2012-11-07 가천대학교 산학협력단 Ｄｎａ 검출용 미세유체 반응기를 이용한 ｄｎａ 검출 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140124191A (ko) 2014-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Microfluidic microbial fuel cells: from membrane to membrane free
Mitrovski et al. Microfluidic devices for energy conversion: Planar integration and performance of a passive, fully immersed H2− O2 fuel cell
Sassa et al. Microfabricated electrochemical sensing devices
Suzuki et al. Microfabricated liquid junction Ag/AgCl reference electrode and its application to a one-chip potentiometric sensor
Karyakin et al. Amperometric biosensor for glutamate using prussian blue-based “artificial peroxidase” as a transducer for hydrogen peroxide
Bard et al. Chemically imaging living cells by scanning electrochemical microscopy
Gu et al. A droplet-based microfluidic electrochemical sensor using platinum-black microelectrode and its application in high sensitive glucose sensing
Min et al. Continuous electricity generation from domestic wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell
Ges et al. Differential pH measurements of metabolic cellular activity in nl culture volumes using microfabricated iridium oxide electrodes
Wang et al. Microseparation chips for performing multienzymatic dehydrogenase/oxidase assays: simultaneous electrochemical measurement of ethanol and glucose
Koklu et al. Microfluidics integrated n-type organic electrochemical transistor for metabolite sensing
Dai et al. Target-driven nanozyme growth in TiO2 nanochannels for improving selectivity in electrochemical biosensing
Li et al. Microbial electricity generation via microfluidic flow control
Zhao et al. Deconvoluting topography and spatial physiological activity of live macrophage cells by scanning electrochemical microscopy in constant-distance mode
Li et al. A laminar-flow based microfluidic microbial three-electrode cell for biosensing
Liang et al. Microfluidic chip system integrated with light addressable potentiometric sensor (LAPS) for real-time extracellular acidification detection
Yang et al. Digital pH test strips for in-field pH monitoring using iridium oxide-reduced graphene oxide hybrid thin films
Li et al. Downstream simultaneous electrochemical detection of primary reactive oxygen and nitrogen species released by cell populations in an integrated microfluidic device
Bergner et al. Simultaneous imaging and chemical attack of a single living cell within a confluent cell monolayer by means of scanning electrochemical microscopy
Gao et al. Microfluidic chip-based online electrochemical detecting system for continuous and simultaneous monitoring of ascorbate and Mg2+ in rat brain
Lladó Maldonado et al. A fully online sensor‐equipped, disposable multiphase microbioreactor as a screening platform for biotechnological applications
Cao et al. Microfluidic chip integrated with flexible PDMS-based electrochemical cytosensor for dynamic analysis of drug-induced apoptosis on HeLa cells
Park et al. A microfabricated reservoir-type oxygen sensor for measuring the real-time cellular oxygen consumption rate at various conditions
Han et al. Development of multi-well-based electrochemical dissolved oxygen sensor array
Boero et al. New approaches for carbon nanotubes-based biosensors and their application to cell culture monitoring

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee