KR101821410B1 - 마이크로 유체 디바이스 및 그의 제어 방법과 버블 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 유체 디바이스 및 그의 제어 방법과 버블 제어 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명의 마이크로 유체 디바이스는 샘플의 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널과; 상기 제 1 채널과 연결되고, 에어가 주입되는 제 2 채널과; 상기 제 2 채널과 연결되고 서브스트레이트(Substrate) 용액이 흐르고 반응영역이 구비된 제 3 채널과; 상기 제 3 채널에 연결된 배출 포트를 포함된다.

Description

마이크로 유체 디바이스 및 그의 제어 방법과 버블 제어 방법 { Microfluidic device, method for controlling the same and method for controlling bubble }
본 발명은 마이크로 유체 디바이스 및 그의 제어 방법과 버블 제어 방법에 관한 것이다.
최근에, 마이크로 유체 디바이스(Microfluidic device)는 그 다양하고 광범위한 잠재적 용례로 인해 점점 더 관심을 끌고 있다. 예를 들면, 매우 적은 부피의 시료를 사용하여, 마이크로 유체 디바이스는 복잡한 생물화학적 반응을 수행하여 중요한 화학적 정보 및 생물학적 정보를 획득할 수 있다.
다른 이점들 중에서도 특히, 마이크로 유체 디바이스는 시료 및 시약의 요구량을 줄이고, 반응의 응답시간을 짧게 하고, 그리고 처분을 위한 생물학적 위험 폐기물의 양을 감소시킨다.
이러한 마이크로 유체 디바이스는 내부의 유체 채널(Fluidic channel)에 위치된 유체를 분석을 위하여 이송시키는 동작이 필요하고, 이를 위한 다양한 방법 및 시스템이 현재 개발 중에 있다.
본 발명은 반응 영역에서 잔류 항원(Antigen) 및 미결합된 항체(Antibody)를 제거하는 워싱(Washing) 공정을 수행할 수 있는 과제를 해결하는 것이다.
본 발명은,
샘플의 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널과;
상기 제 1 채널과 연결되고, 에어가 주입되는 제 2 채널과;
상기 제 2 채널과 연결되고 서브스트레이트(Substrate) 용액이 흐르고 반응영역이 구비된 제 3 채널과;
상기 제 3 채널에 연결된 배출 포트를 포함하는 마이크로 유체 디바이스가 제공된다.
그리고, 상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널 각각에 흐르는 물질을 감지하는 센서가 설치되어 있다.
또, 상기 제 3 채널은 배출 챔버에 연결되어 있고, 상기 배출 챔버는 상기 배출 포트를 통하여 진공 펌프에 연결되어 있다.
본 발명은,
제 1 채널로 샘플의 유체를 흐르게 하는 단계와;
상기 제 1 채널에 설치된 감지 센서에서 상기 제 1 채널로 흐르는 물질을 감지하고, 상기 감지 센서에서 감지된 물질이 상기 샘플의 유체로 판단되면, 상기 제1 채널에 연결된 제 2 채널로 에어를 주입하는 단계와;
상기 제 1 채널에 설치된 감지 센서와 상기 제 2 채널에 설치된 감지센서에서 상기 에어를 감지하여, 상기 제 1 채널로 상기 에어가 침투된 것을 판단하는 단계와;
상기 제 1 채널에 설치된 감지 센서에서 상기 샘플의 유체를 감지하고, 상기 제 2 채널에 설치된 감지센서에서 상기 에어를 감지하여, 상기 샘플의 유체에 에어 버블이 발생된 것을 판단하는 단계를 포함하는 버블 제어 방법이 제공된다.
본 발명은,
샘플의 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널과, 상기 제 1 채널과 연결되고, 에어가 주입되는 제 2 채널과, 상기 제 2 채널과 연결되고 서브스트레이트(Substrate) 용액이 흐르고 반응영역이 구비된 제 3 채널과, 상기 제 3 채널에 연결된 배출 챔버와, 상기 배출 챔버와 진공 펌프를 연결하는 배출 포트를 포함하는 마이크로 유체 디바이스를 준비하는 단계와;
상기 제 1 채널로 샘플의 유체를 주입하고, 상기 샘플의 유체를 상기 제 2 채널과 상기 제 3 채널을 통하여 상기 반응영역에 도달시키는 단계와;
상기 서브스트레이트 용액을 상기 제 3 채널로 주입하여 상기 제 3 채널과 상기 제 2 채널이 연결된 영역에 도달시키고, 상기 제 2 채널로 에어를 주입하여, 상기 서브스트레이트 용액내에 버블을 형성하고, 상기 반응영역을 워싱(Washing)하는 단계와;
상기 제 2 채널로 에어의 주입을 종료하고, 상기 서브스트레이트 용액을 상기 반응영역에 통과시켜, 상기 샘플의 유체의 반응을 감지하는 단계를 포함하는 마이크로 유체 디바이스의 제어 방법이 제공된다.
또, 상기 제 2 채널과 상기 제 3 채널이 연결 영역은 T-junction 영역이다.
더불어, 상기 반응영역에는 감지를 위한 전극이 형성되어 있고, 이 전극에는 제 1 항체(Antibody)가 고정되어 있으며, 상기 샘플의 유체는 항원(Antigen)과 제 2 항체가 반응되어 결합된 상태이다.
게다가, 상기 샘플의 유체는 혈액(Blood), 소변(Urine), 장액(Serum)과 타액(Saliva) 중 적어도 하나이다.
또한, 상기 샘플의 유체의 반응을 감지하는 것은 전기화학적인 방법 또는 광학적인 방법으로 감지한다.
그리고, 상기 버블의 크기는 채널 폭(Wc)이 비례하고, 캐필러리 수(Capillary number)(Ca)에 반비례한다.
본 발명은 에어 주입으로 마이크로 유체 디바이스의 반응 영역에서 잔류 항원(Antigen) 및 미결합된 항체(Antibody)를 제거하는 워싱(Washing) 공정을 수행함으로써, 저 비용으로 마이크로 유체 디바이스를 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용된 마이크로 유체 디바이스를 설명하기 위한 개념적인 평면도
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스에 적용되는 버블(Bubble)이 형성되는 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스에 적용되는 버블(Bubble) 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스의 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 평면도
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스의 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 적용된 마이크로 유체 디바이스를 설명하기 위한 개념적인 평면도이다.
마이크로 유체 디바이스는 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널(120)을 갖고 상기 제 1 채널(120)과 연결된 에어 주입 통로(150)를 갖는 칩 또는 카트리지 형태이다.
그리고, 상기 제 1 채널(120)에는 반응 영역(130)이 위치될 수 있고, 상기 반응 영역(130)에는 상기 제 1 채널(120)에서 흐르는 유체와 반응할 수 있는 반응 유도 물질이 위치될 수 있다.
더불어, 상기 반응 영역(130)에는 전기 화학적으로 반응 정도를 측정하기 위해, 전극들이 위치될 수 있다.
여기서, 상기 전극들은 기준전극(Reference electrode), 카운터전극(Counter electrode) 및 작업전극(Working electrode)이다.
또, 상기 제 1 채널(120)에는 상기 유체를 주입할 수 있는 주입구(110) 및 상기 유체가 배출되는 배출구(미도시)가 연결될 수 있다.
그리고, 상기 에어 주입 통로(150)는 제 2 채널(160)의 일단에 연결되어 있고, 상기 제 2 채널(160)의 타단이 상기 제 1 채널(120)과 연결되어, 상기 제 1 채널(120)과 상기 제 2 채널(160)의 연결 영역(A)은 'T-junction' 영역을 형성한다.
여기서, 상기 'T-junction' 영역은 'T'자 형상으로 형성된 영역으로 정의될 수 있다.
그러므로, 상기 주입구(110)에서 상기 제 2 채널(160)로 측정하기 위한 샘플(Sample)의 유체가 흐르게 되면, 상기 유체는 압력 제어로 상기 반응 영역(130)까지 흐르게 할 수 있다.
이때, 상기 에어 주입 통로(150)에서 주입된 에어는 상기 제 2 채널(160)를 통하여 상기 제 1 채널(120)과 상기 제 2 채널(160)의 연결 영역(A)에 도달되어 상기 유체와 만나게 되고, 상기 유체 내에는 에어 버블(bubble)이 생성되어 상기 반응 영역(130)에 잔존하는 항원(Antigen)과 같은 잔류 유체 및 미결합된 항체(Antibody)를 제거하는 워싱(Washing) 공정을 수행할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 에어 주입으로 마이크로 유체 디바이스의 반응 영역에서 잔류 항원(Antigen) 및 미결합된 항체(Antibody)를 제거하는 워싱(Washing) 공정을 수행함으로써, 저 비용으로 마이크로 유체 디바이스를 제어할 수 있는 장점이 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스에 적용되는 버블(Bubble)이 형성되는 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
전술된 바와 같이, 마이크로 유체 디바이스의 워싱 공정을 수행하기 위하여, 본 발명은 유체가 흐르는 채널에 에어를 주입하여 버블을 발생시키는 것이다.
즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 측정하기 위한 샘플의 유체(111)가 흐르는 제 1 채널(120)에 에어(151)가 주입되는 제 2 채널(160)이 연결되어 있다.
이때, 측정하기 위한 샘플의 유체(111)가 상기 제 1 채널(120)로 흐르고 있을 때, 상기 제 2 채널(160)로 에어(151)를 소정 압력으로 주입하게 되면, 에어(151)는 도 2a와 같이, 상기 제 1 채널(120)과 상기 제 2 채널(160)이 연결된 영역까지 도달하다가, 도 2b와 같이, 상기 제 1 채널(120)로 침투하게 된다.
여기서, 상기 에어(151)가 상기 제 1 채널(120)로 침투하게 되면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 채널(120)과 상기 제 2 채널(160)의 연결 영역인 'T-junction' 영역의 'a'영역의 부분 압력이 낮아져 상기 에어(151)는 상기 제 1 채널(120)로 침투하게 되는 것이다.
그 후, 도 2c와 같이, 상기 유체(111)의 유속에 의해, 상기 유체(111)의 흐르는 방향으로 에어(151)가 진행하게 되고, 도 2d와 같이, 상기 제 1 채널(120)과 상기 제 2 채널(160)이 연결된 영역의 모서리(b)에 도달된 후, 도 2e와 같이, 상기 제 1 채널(120)의 에어(152)는 상기 제 2 채널(160)의 에어(151)로부터 분리되어 버블이 되는 것이다.
그리고, 상기 버블의 크기는 채널 폭(Wc)이 비례하고, 캐필러리 수(Capillary number)(Ca)에 반비례한다.
여기서, 캐필러리 수 = uV/r이고, u는 유체의 점성이고, V는 유체의 유속이며, r은 유체의 표면 장력이다.
그러므로, 마이크로 유체 디바이스의 벽면이 친수성(hydrophilic)일수록, 채널의 폭이 좁을수록, 유체의 점성이 높을수록 버블의 크기는 작아진다.
그리고, 유체가 동일하고, 유속이 일정한 경우, 친수성 정도가 변수가 될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스에 적용되는 버블(Bubble) 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
본 발명의 마이크로 유체 디바이스에 적용되는 버블 제어 방법은 측정하기 위한 샘플의 유체(111)가 흐르는 제 1 채널(120)과 에어(151)가 주입되는 제 2 채널(160) 각각에 감지 센서들(171,172)을 설치하고, 이 감지 센서들(171,172)로 유체(111)와 에어(151)의 존재 유무를 검출하여, 에어 압력을 제어하여 버블을 원활하게 형성하기 위한 것이다.
여기서, 감지 센서 '171'는 제 1 채널(120)에 흐르는 물질을 감지하고, 감지 센서 '172'는 제 2 채널(160)에 흐르는 물질을 감지한다.
먼저, 상기 제 1 채널(120)로 샘플의 유체(111)를 흐르게 한다.
그 후, 상기 감지 센서 '171'에서 상기 제 1 채널(120)로 흐르는 물질을 감지하고, 상기 감지 센서 '171'에서 감지된 물질이 유체(111)로 판단되면, 상기 제 2 채널(160)로 에어(151)를 주입한다.
여기서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 감지 센서 '171'에서는 상기 제 1 채널(120)에 흐르는 물질로 샘플의 유체(111)가 감지되고, 상기 감지 센서 '172'에서는 상기 제 2 채널(160)에 흐르는 물질로 에어(151)가 감지된다.
그 다음, 도 3b와 같이, 상기 에어(151)가 상기 제 1 채널(120)로 어느 정도 침투하게 되면, 상기 감지 센서 '171'에서는 샘플의 유체(111)와 에어(151)가 감지되고, 상기 감지 센서 '172'에서는 에어(151)만 감지된다.
계속, 상기 제 1 채널(120)로 침투된 에어(151)가 샘플의 유체(111)에 갖힌 버블(152)이 되면, 상기 감지 센서 '171'에서는 샘플의 유체(111)가 감지되고, 상기 감지 센서 '172'에서는 에어(151)가 감지된다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스의 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 평면도이다.
먼저, 샘플의 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널(520)과, 상기 제 1 채널(120)과 연결되고, 에어가 주입되는 제 2 채널(540)과, 상기 제 2 채널(540)과 연결되고 서브스트레이트(Substrate) 용액이 흐르고 반응영역(K)이 구비된 제 3 채널(560)과, 상기 제 3 채널(560)에 연결된 배출 챔버(571)와, 상기 배출 챔버(571)와 진공 펌프(미도시)를 연결하는 배출 포트(570)를 포함하는 마이크로 유체 디바이스를 준비한다.
여기서, 상기 제 2 채널(540)과 상기 제 3 채널(560)은 'T-junction'을 형성한다.
그 다음, 도 4a와 같이, 상기 제 1 채널(520)로 샘플의 유체를 주입하고, 도 4b와 같이, 상기 샘플의 유체를 상기 제 2 채널(540)과 상기 제 3 채널(560)을 통하여 상기 반응영역(K)(도 4c에 도시됨)에 도달시킨다.
이때, 상기 제 1 채널(520)로 샘플의 유체를 주입함과 동시 또는 이후에 상기 제 3 채널(560)로 서브스트레이트 용액을 주입할 수 있다.
그리고, 상기 제 1 채널(520)은 포트 '510'에 연결되어 있고, 상기 제 2 채널(540)은 포트 '530'에 연결되어 있고, 상기 제 3 채널(560)은 포트 '550'에 연결되어 있다.
상기 포트 '530' 및 상기 포트 '550'을 밀폐시키고, 상기 배출 챔버(571)를 동작시켜 흡입하면, 상기 제 1 채널(520)로 주입된 샘플의 유체는 도 4b와 같이, 상기 반응영역(K)을 통과하게 된다.
여기서, 상기 반응영역(K)에는 감지를 위한 전극이 형성되어 있고, 이 전극에는 제 1 항체(Antibody)가 고정되어 있다.
또, 상기 샘플의 유체는 혈액과 같은 항원(Antigen)과 제 2 항체가 반응되어 결합된 상태이다.
그리고, 상기 샘플의 유체는 혈액(Blood), 소변(Urine), 장액(Serum), 타액(Saliva) 등과 같은 생체 물질(Biological material)일 수 있다.
그러므로, 상기 샘플의 유체인 상기 제 2 항체에 결합된 항원이 상기 반응영역(K)에 고정된 제 1 항체에 샌드위치 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay) 방식으로 캡쳐된다.
이때, 마이크로 유체 디바이스 내부의 상태에 따라 입력된 압력이 전부 해소 되지 못하고 누적되는 현상이 발생한다. 이를 보완하기 위해서 압력센서에서 현재 압력을 체크하여 일정한 압력 조건을 유지하도록 피드백 제어(Feedback control)를 수행할 수 있다.
계속하여, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 서브스트레이트 용액을 제 3 채널(560)로 주입하여 상기 제 3 채널(560)과 상기 제 2 채널(540)이 연결된 영역에 도달시키고, 상기 제 2 채널(540)로 에어를 주입하여, 상기 서브스트레이트 용액내에 버블을 형성하고, 상기 반응영역(K)을 워싱(Washing)한다.
이어서, 상기 제 2 채널(540)로 에어의 주입을 종료하고, 상기 서브스트레이트 용액을 상기 반응영역(K)에 통과시켜, 상기 샘플의 유체의 반응을 감지한다.(도 4d)
여기서, 상기 샘플의 유체의 반응을 감지하는 것은 전기화학적인 방법 또는 광학적인 방법으로 감지할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 마이크로 유체 디바이스의 제어 방법을 설명하기 위한 개념적인 도면이다.
마이크로 유체 디바이스의 반응영역(K)에는 감지를 위한 전극(800)이 형성되어 있고, 이 전극(800)에는 제 1 항체(Antibody)(810)가 고정되어 있다.
이러한 상태에서, 항원(Antigen)(820)과 제 2 항체(830)가 반응되어 결합된 상태의 샘플의 유체가 상기 반응영역(K)으로 흐르게 되면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 항원(820)은 상기 제 1 항체(810)와 상기 제 2 항체(830) 사이에 결합되어 샌드위치 ELISA(Enzyme-linked immunosorbent assay) 방식으로 캡쳐된다.
그 후, 상기 반응영역(K)에 에어 버블을 갖는 서브스트레이트 용액을 주입하여, 상기 제 1 항체(810)에 결합되지 않은 항원(820)과 제 2 항체(830a,830b)를 제거하는 워싱(Washing) 공정을 수행한다.(도 5b)
여기서, 상기 제 1 항체(810)에 결합되지 않은 항원(820)과 제 2 항체(830)는 잔류 샘플의 용액과 원하지 않게 붙은 성분이다.
계속, 상기 반응영역(K)에 에어 버블이 없는 서브스트레이트 용액을 주입하여 상기 항원(820)과 반응시킨 다음, 반응 상태를 전기화학적 또는 광학적으로 측정한다.(도 5c)
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 샘플의 유체가 흐를 수 있는 제 1 채널과;
    상기 제 1 채널과 연결되고, 에어가 주입되는 제 2 채널과;
    상기 제 2 채널과 연결되고 서브스트레이트(Substrate) 용액이 흐르고 반응영역이 구비된 제 3 채널과;
    상기 제 3 채널에 연결된 배출 포트; 및
    상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널 각각에 흐르는 물질을 감지하는 센서를 포함하는 마이크로 유체 디바이스.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 3 채널은 배출 챔버에 연결되어 있고, 상기 배출 챔버는 상기 배출 포트를 통하여 진공 펌프에 연결되어 있는 마이크로 유체 디바이스.





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