KR101536164B1 - 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 관한 것으로, 본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 분석대상물을 함유하는 분석액이 유입되는 분석액 유입구; 상기 분석대상물과 화학적으로 반응하는 유도체를 함유하는 반응액이 유입되는 유도체 유입구; 상기 분석액 유입구 및 상기 유도체 유입구 각각과 제1미세채널의 일 단을 연결하는 가이드채널; 상기 분석액 유입구와 상기 유도체 유입구로 유입되는 유체가 흐르며 인가되는 에너지에 의해 상기 유체 내 상기 유도체와 반응한 분석대상물의 기화가 이루어지는 제1미세채널; 상기 제1미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제1배출구; 상기 제1배출구와 연통되는 가스상 유입구; 상기 가스상 유입구와 일 단이 연결되고 고정상이 형성된 제2미세채널; 상기 제2미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제2배출구;를 포함하는 단일한 칩 본체에 의해, 분석액에 함유된 분석대상물의 기화 및 고정상에 의한 기화된 분석대상물의 분리가 이루어지는 특징이 있다.
Description
본 발명은 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 관한 것으로, 상세하게, 분석대상물의 유도체화 반응 및 분석 대상물의 기체 크로마토그래피 분석이 단일한 마이크로 칩 내에서 수행될 수 있는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 관한 것이다.
일반적으로 크로마토그래피(Chromatography)라 함은 각종의 고체 또는 액체를 고정상(Stationary phase)으로 하고, 기체 또는 액체를 이동상(Moving phase)으로 하여 이동상이 고정상을 통과토록 하면서 상기 이동상에 시료를 투입하여 시료의 상기 이동상과 고정상 사이에서의 흡착성 또는 분배계수의 차를 이용하여 시료를 성분별로 분리하는 분석법을 일컫는 것이다.
물질로는 (1) 기체, (2) 화학물질, (3) 생물학적 물질 예컨대, DNA, 탄수화물, 리피드, 펩티드, 단백질 또는 이들의 조합, (4) 분자, 또는 (5) 상기 언급된 물질의 임의의 조합물을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 크로마토그래피를 사용하여 분리된 물질은 장치에 부착될 수 있는 다양한 검출 수단에 의해 분석될 수 있다. 현재 많은 다양한 유형의 크로마토그래피 및 분리 메카니즘이 존재하며 조사에 활발하게 사용된다.
크로마토그래피법은 상당히 여러 종류로 개발되어 왔으며, 천연물의 분리, 의약품의 정제, 기타 화학물질의 정제 등을 포함하여 광범한 분석에 이용되고 있다.
이동상의 종류에 따라 이동상으로 기체가 사용되는 가스크로마토그래피(Gas Chromatography), 이동상으로 액체가 사용되는 액체크로마토그래피(Liquid Chromatography)로 대별될 수 있으며, 다시 액체크로마토그래피에서도 이동상에 가해지는 압력에 따라 고압액체크로마토그래피(HPLC; High Pressure Liquid Chromatography - 이는 '고성능액체크로마토그래피(High Performance Liquid Chromatography)라고도 불리운다) 등의 명칭으로 상용적으로 개발되어 시판되고 있다.
또한, 유리판이나 합성수지판에 실리카겔의 분말을 입힌 박막크로마토그래피(Thin Layer Chromatography) 등도 간단한 분석용으로 많이 사용되고 있으며, 분배계수의 차를 이용하는 대신 이온간의 이온결합을 이용하여 분리, 분석하는 이온교환크로마토그래피(Ion Exchange Chromatography) 등도 개발되어 사용되고 있다.
이처럼 다양한 크로마토그래피의 종류가 개발되고 상용적으로 공급되고 있기는 하나, 근본적으로 크로마토그래피가 분석하고자 하는 시료의 물리적 성질 즉, 고정상과 이동상 사이에서의 분배계수, 분자량 및 이온성 등을 이용한 분리에 기초하고 있기 때문에, 원하는 시료의 최적의 분리 및 분석조건은 획일적으로 정의 또는 결정될 수 없고, 대상 시료에 따라 고정상 및 이동상의 선택, 이동상의 흐름속도, 분배가 일어나는 온도, 분리되어 용리되는 시료를 검출하는 검출기의 선택 등 여러 분석요소들의 상호작용에 의하여 결정되게 되며, 이러한 분석장치에서의 분석요소들의 결정은 분석결과를 좌우할 수 있는 매우 중요한 것으로서, 분석자들은 항상 크로마토그래피에 의한 최적분석장치를 선정하여야 하는 문제점이 있었다.
특히, 가스크로마토그래피는 고압액체크로마토그래피 등의 액체크로마토그래피에 비하여 정밀도와 감도가 높으며, 유지, 보수가 용이하고, 설비가 단순하여 기초분석 및 상용적으로 반복되어 수행되는 정기적인 분석 등에 특히 유리하기 때문에 널리 사용되고 있다.
그러나, 유동상이 가스임에 따라 휘발성이 낮은 물질들은 가스크로마토그래피로 분석할 수 없는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해, 대한민국 등록특허 제1004749호와 같이, 유도체화 반응을 통해 휘발성을 높이고, 분석의 민감성 및 정확성을 향상시키고자 하는 기술이 개발된 바 있다.
그러나, 이러한 유도체화 반응은 가스크로마토그래피 분석 전의 전처리 단계로 독립되어 수행되며, 유도체화 반응을 위한 장비가 추가로 요구되고, 재현성 있고 정밀한 결과를 얻기 위해서는 유도체화 반응 공정이 전문가에 의해 수행될 필요가 있어, 분석 비용 및 분석의 복잡성을 증대되는 한계가 있다.
본 발명은 유도체화 반응 및 분석 대상물의 기체 크로마토그래피 분석이 단일한 칩 내에서 이루어지는 기체 크로마토그래피 칩을 제공하는 목적을 갖는다.
본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 분석대상물을 함유하는 분석액이 유입되는 분석액 유입구; 상기 분석대상물과 화학적으로 반응하는 유도체를 함유하는 반응액이 유입되는 유도체 유입구; 상기 분석액 유입구 및 상기 유도체 유입구 각각과 제1미세채널의 일 단을 연결하는 가이드채널; 상기 분석액 유입구와 상기 유도체 유입구로 유입되는 유체가 흐르며 상기 유체 내 상기 유도체와 반응한 분석대상물의 기화가 이루어지는 제1미세채널; 상기 제1미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제1배출구; 상기 제1배출구와 연통되는 가스상 유입구; 상기 가스상 유입구와 일 단이 연결되고 고정상이 형성된 제2미세채널; 상기 제2미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제2배출구;를 포함하는 단일한 칩 본체에 의해, 분석액에 함유된 분석대상물의 기화 및 고정상에 의한 기화된 분석대상물의 분리가 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 가이드 채널 및 상기 제1미세채널은 그 표면에 제1미세 패턴이 음각된 제1기재와 제2기재의 적층 결합에 의해 형성되고, 상기 제2미세채널은 그 표면에 제2미세 패턴이 음각된 제3기재와 제4기재의 적층 결합에 의해 형성되며, 상기 분석액 유입구 및 유도체 유입구는 각각 제1기재를 관통하는 관통공이고, 서로 연통되는 상기 제1배출구와 상기 가스상 유입구는 서로 연통되는 상기 제2기재의 관통공 및 제3기재의 관통공이며, 상기 제2배출구는 상기 제4기재 또는 상기 제3기재와 제2기재와 제1기재를 모두 관통하는 관통공이며, 상기 칩 본체는 상기 제1기재, 제2기재, 제3기재 및 제4기재가 적층 결합된 적층체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제1미세채널의 유로 상에는 제1미세채널의 단면적보다 큰 단면적을 가져 상기 제1미세채널상 유체의 유속보다 느린 유속을 형성하는 반응 영역이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제1미세채널에 열 에너지, 광 에너지 또는 진동 에너지가 인가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 상기 제1미세채널에 열 에너지를 인가하는 열전소자;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제1배출구와 접하는 제1미세채널의 다른 일 단에는 상기 제1배출구로 배출되는 유체에 함유된 액상을 제거하는 건조영역;이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 상기 가스상 유입구 측에 형성되는 모듈레이터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 모듈레이터는 상기 가스상 유입구와 연통되어 상기 가스상 유입구에 냉각된 불활성 가스 및 가열된 불활성 가스를 단속적으로 교번 공급하여, 액화트랩 및 열 펄스(heat-pulse)를 교번 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제2미세채널은 상기 제4기재의 하부에 적층되는 미세 패턴이 음각된 기재수가 늘어남에 따라 연장되며, 연장되는 제2미세채널을 형성하는 기재들은 서로 접하는 두 표면상의 미세 패턴이 서로 결합하여, 연장되는 제2미세채널을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제2미세채널에는 서로 상이한 영역에 서로 상이한 둘 이상의 고정상이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 제2미세 패턴이 음각된 제3기재와 제4기재의 표면 전 면에 고정상의 코팅층이 형성되어, 상기 고정상의 코팅층에 의해, 상기 제3기재와 상기 제4기재의 접합면이 밀봉 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 상기 제2미세채널의 온도를 조절하는 열전달부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 적층체를 구성하는 각 기재 물질은 서로 독립적으로, 폴리메틸실록산, 폴리디메틸실록산, 글래스, 석영, 실리콘, 실리케이트, 보로실리케이트 및 용융 실리케이트에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상기 적층체를 구성하는 각 기재의 미세 패턴은 습식 에칭에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 단지 분석대상물질과 유도체 물질을 주입하는 단일 스텝으로 단일한 칩 내에서 유도체화 반응과 이동상과 고정상 사이에서의 흡착성 또는 분배계수의 차에 의한 물질의 성분별 분리가 이루어질 수 있으며, 극히 소형화 가능한 장점이 있고, 극미량의 분석액을 투입하여도 분석 가능한 장점이 있으며, 저비용으로 단시간 내에 분석이 수행될 수 있고, 유도체화 반응 또한 칩 본체 내에서 수행되어 유도체화 반응에 의해 발생할 수 있는 실험 오차가 최소화되어 보다 재현성 있는 분석이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 일 예이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 다른 일 예이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 또 다른 일 예이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 일 예를 도시한 투과 사시도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 다른 일 예를 도시한 투과 사시도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 일 사시도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 사시도를 도시한 일 예이다.
*부호의 설명*
100 : 제1기재 200 : 제2기재
300 : 제3기재 400 : 제4기재
1 : 적층체 510 : 제1미세패턴
110 : 제1미세채널 120 : 가이드채널
520 : 제2미세패턴 210 : 제2미세채널
130 : 분석액 유입구 140 : 유도체 유입구
150 : 제1배출구 220 : 가스상 유입구
230 : 제2배출구 600 : 내부기재
700 : 하부기재 240 : 반응 영역
800 : 열전 소자 250 : 건조영역
910 : 가스 공급구
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 다른 일 예이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 또 다른 일 예이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 일 예를 도시한 투과 사시도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 다른 일 예를 도시한 투과 사시도이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 일 사시도이며,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 사시도를 도시한 일 예이다.
*부호의 설명*
100 : 제1기재 200 : 제2기재
300 : 제3기재 400 : 제4기재
1 : 적층체 510 : 제1미세패턴
110 : 제1미세채널 120 : 가이드채널
520 : 제2미세패턴 210 : 제2미세채널
130 : 분석액 유입구 140 : 유도체 유입구
150 : 제1배출구 220 : 가스상 유입구
230 : 제2배출구 600 : 내부기재
700 : 하부기재 240 : 반응 영역
800 : 열전 소자 250 : 건조영역
910 : 가스 공급구
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명을 상술함에 있어, 크로마토그래피는 분석하고자 하는 물질인 분석대상물질의 이동상과 고정상에 대한 친화력 차이를 이용하여, 분석대상물질중에서 단일성분을 분리하는 물리적인 분리를 의미하며, 이동상이 기상(기체)인 경우 기상 크로마토그래피로 통칭되며, 이동상이 액상(액체)인 경우 액상 크로마토그래피로 통칭될 수 있다. 또한, 기상 크로마토그래피는 고정상이 액상 또는 고상인 경우를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 분석대상물을 함유하는 분석액이 유입되는 분석액 유입구; 상기 분석대상물과 화학적으로 반응하는 유도체를 함유하는 반응액이 유입되는 유도체 유입구; 상기 분석액 유입구 및 상기 유도체 유입구 각각과 제1미세채널의 일 단을 연결하는 가이드채널; 상기 분석액 유입구와 상기 유도체 유입구로 유입되는 유체가 흐르며 상기 유체 내 상기 유도체와 반응한 분석대상물(이하, 유도체화된 분석대상물)의 기화가 이루어지는 제1미세채널; 상기 제1미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제1배출구; 상기 제1배출구와 연통되는 가스상 유입구; 상기 가스상 유입구와 일 단이 연결되고 고정상이 형성된 제2미세채널; 상기 제2미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제2배출구;를 포함하는 단일한 칩 본체에 의해, 분석액에 함유된 분석대상물의 기화 및 고정상에 의한 기화된 분석대상물의 분리가 이루어진다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 분석대상물과 유도체가 유입되는 제1미세채널에 의해 기상 크로마토그래피 분석이 어려운 분석대상물의 유도체화 기화가 이루어지며, 고정상이 형성된 제2미세채널의 컬럼에 의한 유도체화된 분석대상물의 기상 크로마토그래피 분석이 이루어져, 단일한 칩 본체에서 단일한 단계로 유도체화와 분석대상물의 물질 분석이 동시에 수행되는 장점이 있다.
상세하게, 액상 크로마토그래피는 대부분의 물질이 분석 가능하다는 장점을 가지나, 감도가 떨어지고 온도에 민감하여 재현성 및 신뢰도가 떨어지는 단점이 있으며, 측정 장비의 오염이 심하고 분석대상물에 따른 이동상 설계가 까다로운 단점이 있다. 그러나, 기상 크로마토그래피는 액상 크로마토그래피에 비하여 간편하고 매우 단시간에 분석 가능하며, 매우 고감도이면서도 열적으로 안정하여 액상 크로마토그래피 대비 보다 우수하고 정밀하며 편리한 분석방법이나, 휘발성이 우수한 물질만이 분석 가능한 단점이 있다. 상술한 액상 크로마토그래피 대비, 기상 크로마토그래피의 안정성, 재현성, 신속성, 분석 민감성등의 장점에 의해, 휘발성이 낮은 물질(비휘발성 물질)이나 분석 조건에서 화학적으로 불안정한 물질등과 같이 분석이 용이하지 않은 물질들을 유도체화하여 기상 크로마토그래피로 분석하는 기술이 개발된 바 있다. 분석대상물질을 유도체와 반응시켜 유도체화시키는 경우, 비휘발성 물질들을 휘발성 물질로 전환시킬 수 있으며, 가스 크로마토그램상 분리능을 향상시킬 수 있으며, 화합물의 정성분석을 용이하게 하고, 감도를 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
그러나, 유도체화 반응은 온도, 수분과 같이 제어된 조건에서 크로마토그래피 분석을 위한 장치와는 별도의 장치 및 단계로 수행되어 분석의 복잡성을 증가시키고, 분석 비용과 분석 시간을 증가시킬 뿐만 아니라, 습도에 민감한 유도체 물질의 경우 건조 박스 내에서 유도체화 반응이 수행되어야 하는 등, 공간상 제약이 불가피하다. 나아가, 독성을 갖는 유도체 물질의 경우 유도체화 반응시 안전상의 문제로, 유도체화 반응을 위한 설비에 보다 고도한 검출 및 관리시설이 부가적으로 요구되는 한계가 있다.
본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 단일한 칩 본체에서 이러한 유도체화 반응과 기체 크로마토그래피가 이루어져 단지 분석대상물질과 유도체 물질을 주입하는 단일 스텝으로 기체 크로마토그래피로 분석하기 어려운 분석대상물의 분석이 이루어질 수 있으며, 저비용으로 단시간 내에 분석이 수행될 수 있고, 소형화 가능하며, 밀폐된 공간 내에서 유도체화 반응이 수행됨에 따라 안정상의 문제로부터 자유로운 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 상술한 제1미세채널을 포함하는 유도체화 반응이 발생하는 영역을 유도체화 영역으로 칭하고, 상술한 제2미세채널을 포함하며 고정상에 의한 유동상 내 분석대상물질의 분리가 발생하는 영역을 GC 영역이라 칭할 때, 유도체화 영역은 GC 영역 상부에 위치하거나, 이와 반대로, 유도체화 영역이 GC 영역 하부에 위치할 수 있다.
이하, 유도체화 영역이 GC 영역 상부에 위치하는 구조를 기반으로 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩을 상세히 설명하나, 유도체화 영역이 GC 영역 하부에 위치하는 구조에서도 동일 내지 유사한 사상이 유지될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 일 예이다.
도 1에 도시한 일 예와 같이, 칩 본체는 제1기재(100), 제2기재(200), 제3기재(300) 및 제4기재(400)를 포함하는 기재가 적층 결합된 적층체(1)를 포함할 수 있다. 제1기재(100)와 제2기재(200)의 서로 마주보는 표면 각각에는 음각된 제1미세패턴(510)이 형성될 수 있으며, 제1기재(100)와 제2기재(200)의 적층 결합에 의해, 제1기재(100) 표면의 제1미세패턴(510)과 제2기재(200) 표면의 제1미세패턴(510)이 결합하여 가이드채널(120) 및 제1미세채널(110)을 포함하는 미세구조가 형성될 수 있다.
이때, 음각된 제1미세패턴(510)이 형성된 표면이 동일 방향을 향하도록 제1기재(100)와 제2기재(200)를 배열하는 경우, 제1기재(100)와 제2기재(200) 표면에 형성되는 음각의 패턴은 서로 거울 대칭의 구조를 가질 수 있으며, 음각의 패턴이 형성된 표면이 서로 마주하도록 제1기재(100)와 제2기재(200)를 배열하는 경우, 제1기재(100)와 제2기재(200)의 표면에 형성되는 음각의 패턴은 서로 동일할 수 있다. 본 발명에 따른 일 실시예들을 상술함에 있어, 음각의 패턴이 형성된 표면이 서로 마주하도록 기재를 배열하는 경우를 기준으로 하여 서로 다른 기재에 형성되는 음각의 패턴을 동일하게 제1미세패턴이나 제2미세패턴으로 지칭한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 개념적인 기재들의 배열에 따라, 서로 결합하여 미세채널을 형성하는 두 기재의 표면에 형성된 음각의 패턴은 서로 거울 대칭 구조를 가질 수 있음은 물론이다.
이와 유사하게, 제3기재(300)와 제4기재(400)의 서로 마주보는 표면 각각에는 음각된 제2미세패턴(520)이 형성될 수 있으며, 제3기재(300)와 제4기재(400)의 적층 결합에 의해, 제3기재(300) 표면의 제2미세패턴(520)과 제4기재(400) 표면의 제2미세패턴(520)이 결합하여 제2미세채널(210)을 포함하는 미세구조가 형성될 수 있다. 이때, 제3기재(300) 표면의 제2미세패턴(520)과 제4기재(400) 표면의 제2미세패턴(520)에서 제2미세채널(210)을 형성하는 영역에는 고정상의 코팅층(미도시)이 형성될 수 있다.
분석대상물을 포함하는 분석액이 유입되는 분석액 유입구(130) 및 유도체 물질을 포함하는 유도체가 유입되는 유도체 유입구(140)는 각각 제1기재(100)를 관통하는 관통공일 수 있다. 이때, 제1미세채널(110)과 연결되지 않는 가이드채널(120)의 일 단 각각에 관통공이 형성될 수 있음은 물론이다. 제1배출구(150)는 제2기재(200)의 관통공일 수 있으며, 제1배출구(150)인 관통공은 가이드채널(120)과 연결되지 않는 제1미세채널의 일 단에 형성될 수 있음은 물론이다. 가스상 유입구(220)는 제3기재(300)를 관통하는 관통공일 수 있으며, 가스상 유입구(220)인 관통공과 제1배출구(150)인 관통공이 서로 연통함으로써 가스상 유입구(220)와 제1배출구(150)가 서로 연통될 수 있다. 제2배출구(230)는 제4기재(400)의 관통공 또는 제3기재(300)와 제2기재(200)와 제1기재(100)를 모두 관통하는 관통공일 수 있다.
도 1을 기반으로 상술한 일 예와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 칩 본체가 그 표면에 음각의 미세패턴들이 형성된 기재들이 단순 적층 결합되어 형성됨에 따라, 극히 용이하고 간단하게 제조 가능한 장점이 있으며, 극히 콤팩트한 미세 칩으로 제조될 수 있다. 또한, 유도체화 반응이 수행되는 제1미세채널(110) 영역과 고정상과 기상의 유동상간 반응이 발생하는 제2미세채널(210) 영역이 기재들의 단순 적층 결합에 의해 형성됨에 따라, 그 공정 과정에서, 단지 제2미세패턴(520)에 고정상을 코팅하는 것으로, 제2미세채널(210)의 내벽에 고정상을 형성할 수 있으며, 다양한 종류의 고정상들을 제2미세채널(210)에 서로 다른 영역에 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 미세패턴의 크기나 형상을 제어하여 미세채널의 물리적 크기나 형상을 용이하게 조절할 수 있으며, 미세패턴의 패턴을 변경함으로써 미세채널의 길이를 용이하게 제어할 수 있다.
또한, 미세패턴이 표면에 음각된 기재들을 서로 결합하여 미세채널 구조를 형성함에 따라, 고정상과 유동상간의 반응이 발생하는 제2미세채널은 제4기재의 하부에 적층되는 미세 패턴이 음각된 기재수가 늘어남에 따라 자유로이 연장될 수 있다. 이때, 연장되는 제2미세채널을 형성하는 기재들은 상술한 바와 유사하게, 서로 접하는 두 표면상의 미세 패턴이 서로 결합하여, 연장되는 제2미세채널을 형성할 수 있다.
상세하게, 도 2에 도시한 일 예와 같이, 제2배출구(230)는 제4기재(400)를 관통하는 관통구일 수 있으며, 제4기재(400)는 제3기재(300)와 접하는 표면의 대향면에도 음각된 미세패턴이 형성될 수 있다. 이러한 제4기재(400)를 상부 기재로, 양면에 미세패턴이 형성된 1개 이상의 내부기재(600) 및 내부기재(600)와 접하는 면에 음각의 미세패턴이 형성된 1개의 하부기재(700)가 순차적으로 적층되고, 서로 접하는 두 기재의 결합에 의해 형성되는 미세 채널(연장되는 제2미세채널) 각각이 서로 연통되도록 내부기재(600) 및 하부기재(700) 각각에 관통구가 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 내부기재(600) 및 하부기재(700)를 포함하는 기재에 형성되는 관통구는 기재 표면에 음각된 미세패턴의 양 단 중 한 곳에 형성되어 유입구, 연결구 또는 배출구의 역할을 수행할 수 있다. 이때, 미세패턴의 시작점에 관통구가 형성된 기재와 미세패턴의 종료점에 관통구가 형성된 기재를 교번 적층함으로써, 연장되는 제2미세채널들이 서로 연통될 수 있다. 나아가, 서로 접하는 두 기재의 결합에 의해 제2미세채널이 연장되는데, 서로 접하는 두 기재의 쌍 별로 서로 상이한 고정상이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 칩 본체의 분해 사시도를 도시한 다른 일 예이다. 도 1은 제1기재(100)와 제2기재(200)의 결합에 의해 제1미세채널(110)이 형성되며, 제3기재(300)와 제4기재(400)의 결합에 의해 제2미세채널(210)이 형성되는 경우를 도시한 것이다. 도 3은 도 1과 유사하나, 제2기재(200)의 일 표면에 제1미세패턴(510)이 형성되고, 다른 일 표면에 제2미세패턴(520)이 형성되어, 제2기재(200)와 제4기재(400)의 결합에 의해 제2미세채널(210)이 형성되는 경우를 도시한 일 예이다. 이때, 제1배출구(150)와 가스상 유입구(220)는 동일하게 제2기재(200)의 관통공일 수 있음은 물론이다.
이하, 도 1에서 제시된 일 예에 따라, 제1기재(100), 제2기재(200), 제3기재(300) 및 제4기재(400)가 적층 결합함으로써 칩 본체를 형성하는 구조를 기반으로 본 발명에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 일 실시예들을 상술한다. 그러나, 도 3에 도시한 일 예와 같이 이하 상술하는 모든 예가 제1기재(100), 제2기재(200) 및 제4기재(400)가 적층 결합함으로써 칩 본체를 이루는 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 명료한 이해를 위해, 칩 본체에서 제1기재(100)와 제2기재(200)가 결합된 영역을 유도체 영역으로, 제3기재(300)와 제4기재(400)가 결합된 영역을 GC영역으로 통칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 일 예를 도시한 투과 사시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 유도체 영역에는 제1미세채널(110)의 유로 상 제1미세채널(110)의 단면적보다 큰 단면적을 가져 제1미세채널(110)상 유체의 유속보다 느린 유속을 형성하는 반응 영역(240)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 이러한 반응 영역에 의해, 분석대상물질과 유도체 물질 간의 보다 원활한 반응을 위한 환류(reflux)가 형성될 수 있다.
상세하게, 분석액 유입구(130)를 통해 유입된 분석대상물질을 함유하는 분석액과 유도체 유입구(140)를 통해 유입된 유도체 물질, 좋게는 유도체 물질을 함유하는 반응액은 각각 가이드채널(120)을 통해 제1미세채널(110)로 유입될 수 있다. 분석액과 반응액은 제1미세채널(110)을 통해 서로 혼합되며 이동하게 되는데, 이러한 반응 영역(240)은 반응액의 유도체 물질과 분석대상물질간의 화학적 반응이 보다 원활히 발생하는 장소를 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 제1미세채널(110)을 통해 혼합 유동하는 분석액과 반응액은 제1미세채널(110)의 단면적보다 큰 단면적을 갖는 공동(void)인 반응 영역(240)에서 환류됨으로써 유도체 물질과 분석대상물질간의 원활한 화학적 반응이 야기될 수 있다. 도 4에 도시한 일 예와 같이, 제1미세채널(110) 상 둘 이상의 반응 영역(240)이 서로 이격 형성될 수 있으며, 둘 이상의 반응 영역(240)이 규칙적으로 이격 배열될 수 있다. 이때, 제조 방법상의 관점에서, 제1기재(100)와 제2기재(200)의 표면에 형성되는 제1미세패턴(510)은 기 설계된 제1미세채널(110) 및 기 설계된 반응 영역(240)에 상응하는 형상을 가질 수 있음은 물론이며, 제1기재(100)와 제2기재(200)의 적층 결합에 의해 제1미세채널(110)과 함께 반응 영역(240) 또한 형성될 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 영역의 다른 일 예를 도시한 투과 사시도이다.
도 5에 도시한 일 예와 같이, 유도체 영역에는 제1배출구(150)와 접하는 제1미세채널(110)의 다른 일 단에 제1배출구(150)로 배출되는 유체에 함유된 액상을 제거하는 건조영역(250)이 더 형성될 수 있다. 분석액과 반응액이 제1미세채널(110)을 통과하며, 유도체화된 분석대상물의 기상과 잔류 액상이 형성될 수 있다. 건조영역(250)은 잔류 액상을 제거하는 역할을 수행할 수 있다. 상세하게, 건조영역은 잔류액상을 물리적으로 흡착하여 제거하거나 및/또는 잔류액상과 화학적으로 반응하여 액상을 제거할 수 있는 흡착반응물질을 포함할 수 있다. 비 한정적인 일 예로, 건조영역(250)은 제1미세채널(110)보다 큰 단면적을 갖는 공동(void) 및 공동 내부에 흡착반응물질이 코팅되거나, 흡착반응물질 입자들이 담지된 것일 수 있다. 일 변형예로, 제1기재 또는 제2기재 물질 자체가 흡착반응물질 자체이거나, 흡작반응물질을 함유할 수 있으며, 이러한 경우 제1미세채널(110)보다 큰 단면적을 갖는 공동(void) 자체가 건조영역을 이룰 수 있다. 흡착반응물질은 유도체 유입구를 통해 유입되는 액상과 분석액 유입구를 통해 유입되는 액상 물질을 고려하여 이러한 액상 물질을 흡착 제거하거나 화학적으로 반응하여 제거할 수 있는 물질이면 족하다. 비 한정적인 일 예로, 흡착반응물질은 황산마그네슘(magnesium sulfate)을 포함하는 금속염; 슈크로오스(sucrose)를 포함하는 당류; 및 실리카, 실리카겔과 알루미나를 포함하는 산화물;에서 하나 또는 둘 이상 선택된 물질일 수 있다. 상술한 바와 같이, 흡착반응물질은 건조영역을 제공하는 공동의 표면에 코팅된 형태 또는 입자상의 형태를 가질 수 있다. 흡착반응물질이 입자상인 경우, 입자는 미세 기공을 갖는 입자일 수 있으며 이러한 미세 기공에 의한 삼투압에 의해 잔류액이 물리적으로 제거될 수 있다. 상술한 바와 같이, 건조영역(250)에 의해 제1미세채널(110)에서 생성된 기상의 유도체화된 분석대상물만이 선택적으로 제2미세채널(210)로 유입되어, 분석의 민감성, 정확성 및 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있다.
이때, 제조 방법상의 관점에서, 제3기재(300)와 제4기재(400)의 표면에 형성되는 제2미세패턴(520)은 기 설계된 제2미세채널(210) 및 기 설계된 건조영역(250)에 상응하는 형상을 가질 수 있음은 물론이며, 제1기재(100)와 제2기재(200)의 적층 결합에 의해 제1미세채널(110)과 함께 건조영역(250) 또한 형성될 수 있음은 물론이다. 또한, 도 5에 도시한 일 예에서, 제1미세채널(110)과 함께 건조영역 및 반응 영역(240)이 형성된 구조를 도시하였으나, 반응 영역(240)이 형성되지 않고 건조영역(250)만이 형성될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 분석대상물과 유도체물질간의 반응에 의해 휘발성의 유도체화된 분석대상물이 생성됨에 따라, 분석액과 반응액을 주입하는 것만으로도 기상의 유도체화된 분석대상물이 형성될 수 있다. 그러나, 유도체화 반응의 효율 향상 및 유도체화된 분석대상물의 기화율을 높이기 위해, 제1미세채널(110)에 열 에너지, 광 에너지 또는 진동 에너지가 인가될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 제1미세채널(110)에 열 에너지, 광 에너지 또는 진동 에너지를 인가하는 에너지인가 부재를 더 포함할 수 있다. 이때, 광 에너지는 적외선 내지 근적외선의 광을 포함할 수 있으며, 진동 에너지는 마이크로웨이브를 포함할 수 있다. 에너지인가 부재는 칩 본체와 서로 물리적으로 분리되거나 칩 본체와 일체로 구비될 수 있다. 일 예로, 제1미세채널(110)에 인가되는 에너지가 열 에너지인 경우 열전소자나 줄열을 발생하는 발열체를 포함하는 열원이 칩 본체에 부착되어 일체를 이룰 수 있으며, 인가되는 에너지가 진동 에너지 또는 광 에너지인 경우, 진동발생원 또는 광원이 칩 본체와 이격 구비되어, 진동발생원에서 발생하는 진동(마이크로웨이브를 포함함)이나 광이 자유공간을 통해 제1미세채널(110)에 인가될 수 있다. 이때, 에너지인가 부재와 함께, 인가되는 에너지의 크기(일 예로 와트, 파워, 광량, 열량을 포함함)를 조절할 수 있는 통상의 제어부를 더 포함할 수 있음은 물론이며, 분석대상물질 및/또는 유도체 물질에 따라 에너지의 정밀한 제어가 요구되는 경우, 제어의 피드백을 위해 열전대와 같은 통상의 측정 수단이 칩 본체에 더 부착 구비될 수 있음은 물론이다. 또한, 미세패턴이 형성되지 않은 기재 영역에 에너지인가 부재 및/또는 측정 수단이 부착 구비될 수 있음은 물론이다.
분석대상물질과 유도체물질의 물질 특이성에 의해, 원활한 반응을 위해 일정 반응 온도가 요구될 수 있으며, 유도체화된 분석대상물질을 가능한 모두 기화시켜 분석하기 위해서도 제1미세채널(110)에 인가되는 에너지가 열 에너지인 것이 좋다. 구체적인 일 예로, 제1미세채널(110)의 온도는 에너지인가 부재에 의해 50 내지 250℃일 수 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 제1미세채널(110)에 열 에너지가 인가될 때의 칩 본체를 도시한 일 사시도이다. 도 6에 도시한 일 예와 같이, 에너지인가 부재는 열전 소자(800)를 포함할 수 있다. 열전 소자(800)는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩의 소형화를 저해하지 않으면서도 정밀하게 제1미세채널(110)의 온도의 제어를 가능하게 한다. 도 6에 도시한 일 예와 같이, 열전 소자(800)는 제1기재(100)의 상부 표면에 위치할 수 있다. 제1기재(100)의 상부 표면에 열전 소자(800)가 위치할 경우, 제1미세채널(110)의 온도 균일성이 향상될 수 있으며, 제2미세채널(210)에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
칩 본체에는 제1미세채널(110)에 에너지를 인가하는 에너지인가 부재와 독립적으로, 제2미세채널(210)의 온도를 조절할 수 있는 열전달 부재가 더 구비될 수 있다. 열전달 부재는 줄열을 발생하는 통상의 발열체, 열전소자 및 흐르는 냉각액에 의해 주변을 냉각하는 통상의 냉각수단에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다. 열전달 부재는 칩 본체에 부착될 수 있는데, 제2미세채널의 온도를 균일하게 조절할 수 있는 위치에 부착되면 무방하다. 비한정적인 일 예로, 제3기재와 맞닿는 제4기재 표면의 대향면, 즉, 제4기재의 하부 표면에 열전달 부재가 부착 구비될 수 있다. 이때, 에너지인가 부재에서 상술한 제어부에서 동시에 열전달 부재를 제어할 수 있으나, 이와 독립적으로 열전달 부재를 제어하는 제어부가 구비될 수 있다. 또한, 제어의 피드백을 위해 열전대와 같은 통상의 측정 수단이 칩 본체에 더 부착 구비될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 가스상 유입구 측에 형성되는 모듈레이터를 더 포함할 수 있으며, 좋게는 모듈레이터는 가스상 유입구와 연통되어 가스상 유입구에 냉각된 불활성 가스 및 가열된 불활성 가스를 단속적으로 교번 공급할 수 있다. 이에 따라, 모듈레이터에 의해 GC영역에 가스상이 유입되는 유입구 측에 액화트랩 및 열 펄스(heat-pulse)가 교번 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 단순한 가스 공급에 의해 모듈레이터가 구현될 수 있음에 따라, 모듈레이터는 분석 장치의 소형화를 훼손하지 않으면서도 동시에 안정적으로 분리능을 향상시킬 수 있다. 칩 본체내 유체가 이동하는 이동경로를 훼손시키지 않으면서도 가스상 유입구와 연통되는 가스 공급구를 형성함으로써 모듈레이터가 구현될 수 있다. 도 7에 도시한 일 예와 같이, 제1기재(100), 제2기재(200), 제3기재(300) 및 제4기재(400)의 적층 방향을 높이 방향(기재의 두께 방향으로 간주할 수 있음)으로 하고, 높이 방향 평행한 기재의 면들을 측면으로 하여, 제2기재(200) 내지 제3기재(300)의 측면에 가스 공급구(910)가 형성될 수 있다. 상세하게, 도 7(a)에 도시한 바와 같이, 제1배출구(150)와 가스상 유입구(220)는 서로 연통하는데, 제2기재(200)의 제1배출구(150)와 연통하도록 제2기재(200) 측면에 관통공이 형성되어, 가스 공급구(910)가 형성되거나, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 제3기재(300)의 가스상 유입구(220)와 연통하도록 제3기재(300) 측면에 관통공이 형성되어, 가스 공급구(910)가 형성될 수 있다. 이와 달리, 도 7(c)에 도시한 바와 같이, 제2기재(200)의 측면과 제3기재(300)의 측면 모두에 제1배출구(150) 및 가스상 유입구(220) 모두와 연통하는 하나 또는 둘 이상의 관통공이 형성되어, 가스 공급구(910)가 형성될 수 있다. 이때, 칩 본체와 분리되어 불활성 가스 저장원, 불활성 가스의 공급 및 흐름량(유속)을 조절하는 가스 제어부, 불활성 가스 저장원과 가스 공급구의 가스 이동 경로를 제공하는 튜브 및 불활성 가스 저장원 내지 튜브 사이에 헬륨가스를 가열 및/또는 냉각할 수 있는 통상의 온도조절부재가 더 구비될 수 있음은 물론이다. 또한, 불활성 가스 저장원에 저장된 불활성 가스 자체가 냉각된 상태일 수 있으며, 불활성 가스 저장원 내지 튜브 사이에 헬륨가스를 가열할 수 있는 온도조절부재(히터(heater) 또는 불꽃(flame)등)가 더 구비될 수 있음은 물론이다
도 7을 기반으로 상술한 바와 같이, 유도체와 영역에서 GC영역으로 이동하는 유도체화된 분석대상물(가스상)은 모듈레이터에 의해 그 공급여부 및/또는 공급속도(GC영역으로의 공급여부 및/또는 GC영역으로의 공급속도)가 제어될 수 있다. GC영역으로 유입되는 유도체화된 분석대상물을 포함하는 가스 혼합물에 극저온 효과를 가해주면, 가스 혼합물의 이동 시간이 길어지게 되면서 분석 시간이 늘어나게 되고, 따라서 분리능이 획기적으로 향상되어 극미량 분석대상물의 분석이 가능해질 수 있다. 또한, 냉각된 불활성 가스의 공급에 의해, 냉각 액화 트랩(cryogenic cold trap)이 형성될 수 있음에 따라, 이동상으로서의 가스 혼합물의 2차적인 분리가 가능해지며, GC영역에서의 머무름 시간(retention time)을 임의로 조절할 수 있다. 나아가, GC영역에 이동상으로서의 가스 혼합물(유도체화된 분석대상물을 포함함)이 유입되어 유동할 때, 가스 혼합물이 2차적으로 분리되는 경우, 가스 혼합물의 분리 피크(peak)를 리포커싱(refocusing)하는 효과를 기대할 수 있다.
상술한 바와 같이, 모듈레이터는 GC영역으로 유입되는 가스 혼합물을, 단속적으로, 응축시키고 다시 열 펄스(heat pulse)를 주어서 다시 2 차적인 분석을 가능하게 할 수 있다. 불활성 가스의 물질, 냉각된 불활성 가스의 온도, 가열된 불활성 가스의 온도, 불활성 가스 공급 시간, 냉각된 불활성 가스와 가열된 불활성 가스가 교번 공급되는 시간 간격등은 분석하고자 하는 물질의 특성을 고려하고 당업자의 통상적인 지식과 경험에 근거하여 적절히 설계될 수 있음은 자명하다. 비 한정적인 일 예로, 불활성 가스는 분석대상물질(유도체화된 분석대상물질을 포함함)과 화학적으로 반응하지 않으며 액화트랩 및 열 펄스(heat-pulse)를 형성할 수 있을 정도로 냉각된 상태 및 가열된 상태에서 안정적인 기상을 유지할 수 있으면 족하다. 구체적인 예로, 불활성 가스는 헬륨, 질소 또는 아르곤등일 수 있다. 불활성 가스의 냉각 온도는 분석하고자 하는 물질의 특성 및/또는 분석 민감도 향상 정도를 고려하여 적절히 설계될 수 있으며, 구체적인 일 예로 -210℃ 내지 -100℃일 수 있다. 불활성 가스의 가열 온도 또한 분석하고자 하는 물질의 특성 및/또는 분석 민감도 향상 정도를 고려하여 적절히 설계될 수 있으며, 구체적인 일 예로 100℃ 내지 390 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 제2미세 패턴이 음각된 제3기재와 제4기재의 표면 전 면에 고정상의 코팅층이 형성되어, 고정상의 코팅층에 의해, 제3기재와 상기 제4기재의 접합면이 밀봉 결합될 수 있다.
도 1을 기반으로 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 칩 본체는 설계된 미세채널과 반응영역이나 건조영역의 형상에 대응하는 형상 및 크기로 미세패턴이 음각된 기재들을 적층 결합하여 제1미세채널, 반응영역, 건조영역, 제2미세채널과 같은 미세 유로구조가 제조될 수 있다.
이에 따라, 단지 기재들을 결합하기 전, GC영역을 이루는 기재 표면에 고정상을 코팅하는 단순한 방법으로, 미세채널 내에 고정상의 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 미세 패턴이 음각된 기재의 표면 영역 이외의 영역에도 고정상의 코팅층이 형성될 수 있으며, 음각된 기재의 표면 영역 이외의 영역에 형성된 고정상의 코팅층은 GC 영역을 형성하는 기재들을 밀봉 결합시키는 밀봉재의 역할을 수행할 수 있다. 나아가, 결합 전 기재의 표면은 거시적으로 평면임에 따라 단순한 스핀 코팅방법을 이용하여 고정상의 코팅층을 형성할 수 있다. 유도체화 영역을 이루는 기재들 또한, 결합전 기재 표면에 경화능을 갖는 수지가 용해된 물질을 도포한 후 기재들을 결합하고 수지를 경화시키는 방법을 이용하여 용이하게 결합 가능하며, 이러한 경화능을 갖는 수지에 의해 미세채널이 밀봉될 수 있다. 이때, 경화능을 갖는 수지는 열이나 광경화 가능한 통상의 수지이면 가능하며, 미세채널에 주입되는 물질 및 미세채널에서 생성되는 유도체화된 분석대상물질에 대해 화학적으로 안정한 수지이면 사용 가능하다. 그러나, 기재의 물질에 따라, 열간압착이나 양극접합(anodic bonding)등의 방법으로 별도의 결착 및 밀봉 물질의 도움 없이 기재간 결합 밀봉이 이루어질 수 있음은 물론이다.
또한, 미세패턴이 음각된 기재들을 적층 결합하여 칩 본체를 형성함에 따라, 음각하고자 하는 미세패턴과 대응하는 미세패턴을 갖는 포토마스크 및 포토레지스트를 이용한 통상의 포토리소그래피 공정 및 노광 및 현상된 포토레지스트를 에칭 마스크로 한 습식 에칭 공정에 의해 기재 각각에 설계된 미세패턴을 음각할 수 있다. 습식 에칭은 건식에칭에 비해서 구현 장치 및 공정이 간단하고, 저비용으로 단시간에 실시 가능한 장점이 있다. 또한, 상술한 바와 같이 습식 에칭에 의해 미세패턴이 형성되는 경우, 미세패턴의 단면이 반구형을 가질 수 있음에 따라, 두 기재의 결합에 의해 원 내지 타원 형상의 단면을 갖는 미세채널이 제조될 수 있다. 이러한 원 내지 타원 형상의 단면은 채널 내를 이동하는 유체의 안정적이며 균일한 이송 측면에서 바람직하며, 분석의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 반응영역 또는 건조영역이 미세채널보다 큰 단면적을 가지기 위해서는 반응영역 또는 건조영역에 해당하는 미세패턴 영역은 미세채널에 해당하는 미세패턴 영역보다 깊이 에칭할 필요가 있다. 이를 위해 미세채널 형성을 위한 습식 에칭을 수행 후, 다시한번 포토레지스트와 포토마스크를 이용하여 반응영역 또는 건조영역에 해당하는 미세패턴 영역만이 노출되도록 에칭 마스크를 형성한 후 다시 습식 에칭이 수행될 수 있다. 설계된 크기에 따라, 미세채널 형성을 위한 습식 에칭이나 반응영역 또는 건조영역 형성을 위한 습식 에칭은 서로 독립적으로 1회 이상 수행될 수 있으며, 구체적으로 1회 내지 5회 반복 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 적층체를 구성하는 각 기재 물질은 미세채널에 주입되는 물질 및 미세채널에서 생성되는 유도체화된 분석대상물질에 대해 화학적으로 안정한 물질이며, 제2미세채널에서 고정상에 의해 각각 분리된 물질들을 광학적으로 분석 가능하도록 투광성을 갖는 물질이면 족하다. 구체적인 일 예로, 적층체를 구성하는 기재들은 서로 독립적으로, 폴리메틸실록산, 폴리디메틸실록산, 글래스, 석영, 실리콘, 실리케이트, 보로실리케이트 및 용융 실리케이트에서 하나 또는 둘 이상 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 분석액에 함유되는 분석대상물질은 고분자, 무기화합물, 유기화합물, 유-무기화합물, 생화학물질, 생체 추출물등 통상의 크로마토그래피로 분석되는 어떠한 물질이라도 무방하며, 본 발명이 갖는 장점에 의해, 휘발성이 낮은 물질 또한 가능하다. 이때, 분석액의 액상은 분석대상물질 자체일 수 있으며, 분석대상물질을 용해하거나 분산시키는 용매나 분산매일 수 있다. 이때, 당업자의 통상적 지식 및 경험에 의해, 분석대상물질에 따라 적절한 용매나 분산매가 선택될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체 물질은, 크로마토그래피 분야에서, 통상적으로 휘발성이 낮은 물질과 화학적으로 반응하여 분석대상물질의 휘발성을 높이는데 사용되는 물질이면 사용 가능하다. 일 예로, 유도체물질은 분석대상물질이 알킬화(alkylation), 실릴화(silylation), 아크릴화(acylation), 아세틸화(acetylation) 또는 에스터화(esterification)되는 물질일 수 있다. 보다 상세하게, 분석대상물질이 활성 수소(active hydrogen)의 작용기(- C00H, -OH, -NH, -SH등)를 가질 때, 수소 결합을 약화시켜 쉽게 기화하도록 하는 물질일 수 있다. 유도체 물질은 분석대상물질을 고려하여, 크로마토그래피 분야에서, 분석대상물질을 알킬화(alkylation), 실릴화(silylation), 아크릴화(acylation), 아세틸화(acetylation) 또는 에스터화(esterification)시키는 통상의 알려진 물질을 사용할 수 있다. 반응액의 액상은 유도체 물질 자체일 수 있으며, 유도체 물질을 용해하는 용매일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 제2미세채널(연장된 제2미세채널을 포함함)에 형성되는 고정상은 통상의 가스 크로마토그래피의 분석 컬럼에 고정상으로 사용되는 어떠한 물질도 사용 가능하다. 구체적인 일 예로, 폴리디메틸실록산, 폴리에틸렌글리콜, 실리카, 실리카겔, 알루미나, 숯, 분자체 및 다공성 중합체등을 들 수 있으나, 본 발명이 고정상의 물질에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.
이때, CG영역을 형성하는 기재 물질이 고정상 물질 자체일 수도 있으며, 이에 따라, 기재 물질로 고정상을 형성하고자 하는 경우, 독립된 고정상의 코팅층이 별도로 구비되지 않을 수 있다. 또한, 이러한 경우라 하더라도, 제2미세채널(연장된 제2미세채널을 포함함)의 유체 흐름 방향으로 상이한 극성을 제공하는 다른 고정상을 형성하고자 하는 경우, 기재 물질이 고정상 물질이라 하더라도, 일정 채널 영역에 기재 물질과 상이한 고정상의 코팅층이 구비될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 유도체화 영역 및 CG영역을 이루는 각 기재들은 거시적으로 그 크기가 동일하거나 상이할 수 있으며, 기재들의 두께는 칩 본체의 물리적 안정성이 훼손되지 않는 한 어떠한 두께를 가져도 무방하다. 기재의 면적은 미세채널의 길이에 따라 적절히 변경될 수 있다. 유도체화 영역의 제1미세채널의 길이, 반응 영역의 크기 및 반응 영역의 개수등은 원활한 유도체화 반응 및 유도체화된 분석대상물의 기화를 고려하여 적절히 설계될 수 있다. 또한, 제2미세채널의 길이는 고정상에 의한 유도체화된 분석대상물의 분리를 고려하여 적절히 설계될 수 있다.
제1미세채널 및 제2미세채널을 포함하는 미세채널의 직경 및 각 기재의 관통공의 크기는 통상의 미세유체 칩에서 사용되는 통상의 크기일 수 있다. 미세채널의직경이 매우 작은 경우 분석액이 극미량만 투입되어도 분석 가능한 장점이 있다. 이러한 극미량 시료의 분석이 가능하면서도, 제2미세채널에 의한 크로마토그래피 분석 정확성을 향상하는 측면에서, 제1미세채널 및 제2미세채널의 직경은 서로 독립적으로, 10 내지 500μm일 수 있다. 또한, 각 기재의 관통공의 크기는 미세채널의 직경과 동일하거나 더 클 수 있으며, 구체적으로, 관통공이 연결되는 미세채널의 직경을 기준으로 1배 내지 10배의 직경을 가질 수 있다. 분석액 유입구(130)와 유도체 유입구(140)의 직경이 제1미세채널의 직경보다 큰 경우, 가이드 채널은 분석액 유입구나 유도체 유입구에서 제1미세채널 방향으로 점점 좁아지도록 테이퍼된 형상을 가질 수 있다.
반응 영역의 크기는 충분한 환류가 가능한 크기이면 족한데, 구체적인 일 예로, 반응 영역은 제1미세채널의 직경을 기준으로 2 내지 50배의 직경을 가질 수 있다. 건조 영역의 크기는 잔류 액상을 원활히 제거할 수 있는 크기이면 족한데, 구체적인 일 예로, 건조 영역은 제1미세채널의 직경을 기준으로 2 내지 50배의 직경을 가질 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이 습식 에칭에 의해 반응 영역이나 건조 영역이 형성되는 경우, 반응 영역이나 건조 영역 또한 미세 채널과 유사하게 그 단면이 원 내지 타원형을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩에 있어, 가스 공급구, 분석액 유입구, 유도체 유입구, 칩 본체에서 유체가 최종 배출되는 배출구에는 적절한 커넥터(일 예로, Nanoport Assembly(R), 제조사: Upchurch Scientific(미국))가 연결될 수 있음은 물론이며, 상술한 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩은 전자포착검출기와 같은 검출기와 함께 사용될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (13)
- 분석대상물을 함유하는 분석액이 유입되는 분석액 유입구; 상기 분석대상물과 화학적으로 반응하는 유도체를 함유하는 반응액이 유입되는 유도체 유입구; 상기 분석액 유입구 및 상기 유도체 유입구 각각과 제1미세채널의 일 단을 연결하는 가이드채널; 상기 분석액 유입구와 상기 유도체 유입구로 유입되는 유체가 흐르며 상기 유체 내 상기 유도체와 반응한 분석대상물의 기화가 이루어지는 제1미세채널; 상기 제1미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제1배출구; 상기 제1배출구와 연통되는 가스상 유입구; 상기 가스상 유입구와 일 단이 연결되고 고정상이 형성된 제2미세채널; 상기 제2미세채널의 다른 일 단과 연결되는 제2배출구;를 포함하는 단일한 칩 본체에 의해, 분석액에 함유된 분석대상물의 기화 및 고정상에 의한 기화된 분석대상물의 분리가 이루어지며, 상기 가스상 유입구 측에 형성되는 모듈레이터를 포함하고, 상기 모듈레이터는 상기 가스상 유입구와 연통되어 상기 가스상 유입구에 냉각된 불활성 가스 및 가열된 불활성 가스를 단속적으로 교번 공급하여, 액화트랩 및 열 펄스(heat-pulse)를 교번 생성하는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩.
- 제 1항에 있어서,
상기 가이드 채널 및 상기 제1미세채널은 그 표면에 제1미세 패턴이 음각된 제1기재와 제2기재의 적층 결합에 의해 형성되고, 상기 제2미세채널은 그 표면에 제2미세 패턴이 음각된 제3기재와 제4기재의 적층 결합에 의해 형성되며, 상기 분석액 유입구 및 유도체 유입구는 각각 제1기재를 관통하는 관통공이고, 서로 연통되는 상기 제1배출구와 상기 가스상 유입구는 서로 연통되는 상기 제2기재의 관통공 및 제3기재의 관통공이며, 상기 제2배출구는 상기 제4기재 또는 상기 제3기재와 제2기재와 제1기재를 모두 관통하는 관통공이며, 상기 칩 본체는 상기 제1기재, 제2기재, 제3기재 및 제4기재가 적층 결합된 적층체를 포함하는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1미세채널의 유로 상에는 제1미세채널의 단면적보다 큰 단면적을 가져 상기 제1미세채널상 유체의 유속보다 느린 유속을 형성하는 반응 영역이 적어도 하나 이상 형성되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 1항에 있어서,
상기 제1미세채널에 열 에너지, 광 에너지 또는 진동 에너지가 인가되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 2항에 있어서,
상기 제1미세채널에 열 에너지를 인가하는 열전소자;를 더 포함하는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 제1배출구와 접하는 제1미세채널의 다른 일 단에는 상기 제1배출구로 배출되는 유체에 함유된 액상을 제거하는 건조영역;이 더 형성되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 삭제
- 삭제
- 제 2항에 있어서,
상기 제2미세채널은 상기 제4기재의 하부에 적층되는 미세 패턴이 음각된 기재수가 늘어남에 따라 연장되며, 연장되는 제2미세채널을 형성하는 기재들은 서로 접하는 두 표면상의 미세 패턴이 서로 결합하여, 연장되는 제2미세채널을 형성하는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 6항에 있어서,
상기 제2미세채널에는 서로 상이한 영역에 서로 상이한 둘 이상의 고정상이 형성된 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 2항에 있어서,
상기 제2미세 패턴이 음각된 제3기재와 제4기재의 표면 전 면에 고정상의 코팅층이 형성되어, 상기 고정상의 코팅층에 의해, 상기 제3기재와 상기 제4기재의 접합면이 밀봉 결합되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 2항에 있어서,
상기 적층체를 구성하는 각 기재 물질은 서로 독립적으로, 폴리메틸실록산, 폴리디메틸실록산, 글래스, 석영, 실리콘, 실리케이트, 보로실리케이트 및 용융 실리케이트에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩. - 제 2항에 있어서,
상기 적층체를 구성하는 각 기재의 미세 패턴은 습식 에칭에 의해 형성되는 유도체화 반응 기체 크로마토그래피 칩.
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