KR101882868B1 - 경시적 시료획득이 용이한 새로운 구조의 미세유체장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 장치로 반응시간이 상이한 복수개의 시료를 동시에 또는 순차적으로 획득할 수 있는 경시적 시료획득이 용이한 새로운 구조의 미세유체장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응물을 경시적으로 관찰하기 위한 시료 획득을 위한 미세유체장치로서, (A) 최소한 둘 이상의 반응액 주입구-개별유로 세트; (B) 상기 개별유로들이 합류되는 합류유로; (C) 상기 합류유로의 말단에 분지된, 유로부피가 다른 최소한 둘 이상의 반응유로; 및 (D) 상기 반응유로의 말단에 형성된 배출구;를 포함하는 미세유체장치에 관한 것이다.

Description

경시적 시료획득이 용이한 새로운 구조의 미세유체장치{Microfluidic Chip for Gaining Time-resolved Reaction Samples}

본 발명은 미세유로 내의 유체의 흐름을 이용하는 미세유체장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 장치로 반응시간이 상이한 복수개의 시료를 동시에 또는 순차적으로 획득할 수 있는 경시적 시료획득이 용이한 새로운 구조의 미세유체장치에 관한 것이다.

미세유체공학(microfluidics)은 수십~수백 마이크로미터 너비와 깊이를 갖는 미세유로 내에 제한된 유체의 흐름을 다루는 것으로, 마이크로 단위의 유체는 표면장력, 에너지 소실, 저항 등 시스템의 많은 변수들이 통상의 매크로 단위의 유체와는 다른 양상을 나타낸다. 최근 미세가공기술의 발달과 더불어 미세유체공학을 이용한 미세유체장비들이 공학, 물리학, 화학, 마이크로공학, 생명공학 등 다양한 분야에서 관심을 받고 있으며, 실제 잉크젯 프린터 헤드, DNA 칩, 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등에서 널리 사용되고 있다.

미세유체장비에서는 미세유로 내의 유체의 흐름을 이용하여 마이크로입자를 제조하거나 다양한 반응 및 분석을 행할 수 있다. 미세유로 내에서는 물질의 확산, 열전달 속도가 매우 빠르고 단위 부피당 활성면적이 매우 넓어 월등히 균일한 온도 및 압력 구배에서 매우 적은 양의 촉매 및 반응물질을 이용하여 높은 수율로 원하는 생성물을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 특히 미세유로 내에서는 소량의 물질을 사용하여 반응과 분석이 가능하다는 장점이 있기 때문에 특히 고가의 시약을 사용하거나, 미량의 시료로 분석이 요구되는 바이오, 생화학, 화공, 의약, 의학 등 분야에서의 응용에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

한편, 생화학 분야에서 단백질과 기질의 반응 중에 수십~수천 ms(micro-second)의 짧은 시간에 단백질 분자의 배위 변화가 나타나기 때문에 그 변화를 경시적(time-resolved)으로 관찰하기 쉽지 않다. 이러한 단백질 반응 중의 배위 변화를 관찰하기 위해서 미세유체 장치를 이용하여 특정 체류시간을 부여한 후 즉시 반응을 종결하고 구조를 관찰하는 방식이 활용되고 있다. 이러한 관찰방식 중 반응액을 급속동결하여 반응을 종결하고 전자현미경으로 관찰하는 방식을 저온 전자현미경 검사(cryo-electron microscopy; cryo-EM)라 한다.

cryo-EM 등 시료의 경시적 관찰법(이하 대표하여 'cryo-EM'이라 함)에서는 반응을 위한 체류시간을 다양하게 조절한 후, 각 구조를 분석하여 전체적인 구조의 경시적 변화를 알아내게 되는데, 경시적으로 관찰된다는 의미에서 time-resolved cryo-EM이라 불린다. 이를 위해 소정의 규격으로 제작된 미세유체 반응장치에서 반응혼합물의 유속을 조절하는 방식으로 체류시간, 즉 반응시간을 결정하게 된다. 예를 들면, Zonghuan Lu 등에 의한 선행기술(도 1 참조)에 의하면, 반응결과물의 분무/동결 소요시간은 거의 일정하게 확정되므로 반응시간은 각 반응용액의 혼합시점에서 분무될 때까지의 체류시간에 의해 결정되는 것이다.

이 경우 다양한 반응시간의 시료를 얻기 위해 반응용액의 주입속도를 달리하고 안정화시간을 거쳐야만 한다. 따라서 주입속도를 달리하는 여러 번의 사이클을 돌아야 하는 불편함이 있다. 또한 반응시간이 긴, 따라서 체류시간이 긴 시료를 충분히 획득을 위해서는 장기간 기다려야 하는데, 이는 시료가 적어 분무하기에 충분하지 못하거나 충분한 시료 획득을 위해 별도의 반응중지 수단이 필요하다. 나아가 가장 큰 문제는 주입속도를 변경하고 안정화하는 시간동안 반응환경이 미세하게 변할 가능성이 있기 때문에 엄밀하게 볼 때 획득된 시료들이 '반응시간'만을 변수로 한 것이 아닐 수도 있다는 점이다.

그러나 현재까지 하나의 장치이면서 time-resolved cryo-EM 등을 위한 다양한 반응시간에 따른 시료채취를 목적으로 하는 미세유체 장치에 관해서는 알려진 바가 없다. 나아가 동시에 다양한 반응시간이 경과된 복수의 시료를 획득하는 것과 관련된 미세유체 장치도 알려진 바 없다.

Zonghuan Lu 등, 2009. Monolithic microfluidic mixing-spraying devices for time-resolved cryo-electron microscopy. Journal of Structural Biology 168, 388-395

본 발명은 하나의 장치로부터 반응액의 주입속도를 변화시키지 않거나, 변화 정도를 적게 하면서 간편하게 다양한 반응시간에 대한 시료의 채취가 가능한 미세유체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 동시에 다양한 반응시간이 경과된 복수 시료의 획득이 가능한 미세유체장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은

반응물을 경시적으로 관찰하기 위한 시료 획득을 위한 미세유체장치로서, (A) 최소한 둘 이상의 반응액 주입구-개별유로 세트; (B) 상기 개별유로들이 합류되는 합류유로; (C) 상기 합류유로의 말단에 분지된, 유로부피가 다른 최소한 둘 이상의 반응유로; 및 (D) 상기 반응유로의 말단에 형성된 배출구;를 포함하는 미세유체장치인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의한 미세유체장치에 의하면, 미세유체장치 내 다양한 부피를 갖는 독립적인 반응유로를 복수(n)개 구성함으로써 반응액의 주입속도를 변화시키지 않거나, 변화 정도를 적게 하면서 반응시간이 상이한 n개의 시료를 동시에 또는 순차적으로 획득할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면, 종래에 비해 단시간에 보다 정밀한 경시적 시료의 획득이 가능하기 때문에, 예를 들면 단백질-기질 반응과 같이 반응과정에서의 경시적 구조변화에 대한 연구분석의 효율과 편의성을 대폭 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 미세유체장치의 개념도.
도 2~6은 본 발명에 의한 미세유체장치의 다양한 예시적 개념도.
도 7 및 8은 각각 본 발명에 의한 미세유체장치에서 반응유로 분지점 및 합류점 부근의 위상학적 구조 및 미세밸브의 설치를 보여주는 부분적 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다. 또한 청구범위의 구성요소에 도면부호가 병기되어 있는 경우, 이는 설명 위한 예시적인 것일 뿐 도면부호로 구성요소를 한정하려는 의도는 아니다.

이하에서는 혼동을 방지하기 위하여 반응원료가 되는 물질을 '반응물', 반응물 용액을 '반응액', 반응이 진행되어 관찰의 대상이 되는 용액을 '시료' 또는 '시료액'이라 칭하기로 한다.

이하에서 미세밸브 온(=작동)은 미세밸브가 설치된 유로를 차단하여 유체의 흐름을 차단하는 것이고, 미세밸브 오프(=해제)는 유로를 열어주어 유체가 흘러가도록 하는 것을 의미한다.

이하에서 '반응물의 변화'는 반응물의 구조적 변화를 포함한다.

전술하였듯이 본 발명은 반응물의 변화를 경시적으로 관찰하기 위한 시료 획득을 위한 미세유체장치로서,

(A) 최소한 둘 이상의 반응액 주입구-개별유로 세트; (B) 상기 개별유로들이 합류되는 합류유로; (C) 상기 합류유로의 말단에 분지된, 유로부피가 다른 최소한 둘 이상의 반응유로; 및 (D) 상기 반응유로의 말단에 형성된 배출구;를 포함하는 미세유체장치에 관한 것이다. 도 2~6에 본 발명에 의한 예시적인 미세유체장치의 개념도를 도시하였는데, 도면에서는 반응물주입구-개별유로가 두 세트이고 반응유로가 세개인 장치를 예시하였다. 필요나 상황에 따라 반응물주입구-개별유로 세트수와 반응유로 수를 조절할 수 있음은 당연하다.

본 발명에서 상기 주입구-개별유로는 반응액이 주입되어 상기 합류유로로 이송되는 통로가 되는 부분이다. 주입구는, 개방형 입구의 형상으로 미세유체칩 분야에서 통상적이듯이 실린지와 같은 기구를 연결하여 반응액을 주입할 수 있다. 상기 주입구가 반드시 외부와 연통되는 개방형 입구일 필요는 없다. 예를 들면 본 발명에 의한 미세유체장치의 상류에 또 다른 미세유체칩이 있는 경우 상류 미세유체칩에서 반응이 완료된 반응액이 배출되는 미세유로가 본 발명의 미세유체장치의 주입구가 될 수도 있다.

상기 주입구-개별유로는 당연히 최소한 반응액 종류수 만큼 형성된다.

본 발명에서 상기 합류유로는 개별유로들이 합류되고 혼합되는 영역이므로, 난류를 유도하여 반응액의 혼합을 유도하는 구조인 것이 바람직하다. 반응액들의 빠른 혼합을 위해 적절한 구조와 길이를 가질 수 있을 것이지만 가능한 짧은 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 반응유로는, 상기 합류유로의 말단에 분지되며, 유로부피가 다른 최소한 둘 이상이 형성되어 있다. 반응액의 주입속도가 고정된다면 반응유로에서의 반응액 체류시간은 유로부피에 비례한다. 따라서 복수개 반응유로의 유로부피 차이는 실험하고자 하는 반응물의 특성에 따라 예를 들면 1, 2, 3배 또는 1, 2, 4배처럼 산술급수적으로, 또는 1, 10, 100배처럼 기하급수적으로 설정할 수 있다. 예컨대 도 2에서 반응유로2, 3의 유로부피가 반응유로1의 10배, 100배라면 반응액의 주입속도를 적절히 조절하여 반응유로1~3의 반응시간(=체류시간)을 각각 수십ms, 수백ms, 수천ms로 제어할 수 있게 되는 것이다.

상기 반응유로의 유로부피는 유로의 단면적을 달리 하거나, 유로의 길이를 달리 하거나, 유로의 단면적 및 길이를 모두 달리함으로써 각 반응유로의 체류시간 즉, 반응시간을 달리할 수 있는 것이다.

한편, 합류유로에서 반응유로가 분지되는 구조는, 도 2 및 분지부분을 확장하여 도시한 도 7에 예시된 것처럼 순차적 분지일 수도 있고, 도 3~6에 예시된 것처럼 한 지점에서 동시에 분지된 것일 수 있다. 그러나 이들은 위상학적으로 동일한 구조이다.

본 발명에서 상기 배출구는, 각 반응유로를 통과한 시료액이 배출되는 영역이다. 이때 cryo-EM 관찰을 위한 경우에는 상기 배출구가 냉각된 cryo-grid로 시료를 분사하기 위한 소정의 노즐이거나 노즐에 연결될 수 있다(도 2 참조). 경우에 따라서는 상기 배출구는 반응액의 반응을 중지시키는 조건이 구비된 저장부(도시 생략)와 연결될 수 있다.

상기 배출구는 도 3, 4에 예시된 것처럼, 각 반응유로마다 그 말단에 형성되어 있을 수도 있고, 도 2, 5, 6에 예시된 것처럼 모든 반응유로의 말단이 하나의 배출구로 합류되도록 할 수 있다. 후자의 경우 상기 배출구 합류점 전단에 각 반응유로의 흐름을 온-오프하는 미세밸브가 설치되며, 미세밸브의 작동을 제어하는 제어부(도시 생략)가 추가로 요구된다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 미세밸브 및 그의 제어부는 널리 알려져 있으므로 본 발명에 의한 미세유체장치에서는 종래 알려진 또한 장차 개발될 미세밸브 및 그 제어부 중 적절한 것을 채택하여 적용할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 미세유체장치는 그 구조에 따라서 경시적 시료 시간차 채취형과 동시 채취형으로 구분될 수 있다.

시간차 채취형은 도 2, 5, 6에 예시된 것처럼 합류점 전단에 각 반응유로의 흐름을 온-오프하는 미세밸브가 설치되어 있는 하나의 배출구를 가지는 경우이다. 반응액 주입속도를 적절하게 고정한 후 배출구측 미세밸브 중 원하는 반응시간에 해당하는 반응유로의 것만 오프(유체가 흐르도록 함)하여 특정 반응시간 때의 시료를 얻게 된다. 이 과정을 3회 반복하여 반응시간이 상이한 3종의 시료를 얻게 되는 것이다. 시간차 채취형인 경우 합류유로에서 반응유로의 분지점 후단에도 제어부에 의해 제어되는 미세밸브를 설치(도 8 참조)하여 반응액의 낭비를 줄이는 것이 바람직하다.

동시 채취형은 도 3, 4에 예시된 것처럼, 각 반응유로마다 독립적으로 그 말단에 배출구가 형성되어 있는 구조이다. 사전에 계산된 적절한 속도로 반응액을 주입하면 합류유로에서 고르게 혼합된 반응액이 각각의 반응유로로, 각 반응유로의 단면적에 비례한 양으로 흘러가면서 각각의 배출구로 동시에 반응시간이 상이한 3종의 시료가 배출된다. 동시 채취형에서는 필요에 따라 일부의 반응유로만 활용되는 상황도 발생한다. 이를 위해 합류유로에서 반응유로의 분지점 후단에 제어부에 의해 제어되는 미세밸브를 설치(도 8 참조)하여 필요한 반응유로만 활용함으로써 반응액의 낭비를 줄일 수 있다.

Claims (6)

1. 반응물의 변화를 경시적으로 관찰하기 위한 시료 획득을 위한 미세유체장치로서,
   (A) 최소한 둘 이상의 반응물주입구-개별유로 세트;
   (B) 상기 개별유로들이 합류되는 합류유로;
   (C) 상기 합류유로의 말단에 분지된, 유로부피가 다른 최소한 둘 이상의 반응유로; 및
   (D) 상기 반응유로의 말단에 형성된 배출구;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 둘 이상의 반응유로는,
   유로의 단면적이 상이하거나, 유로의 길이가 상이하거나, 유로의 단면적 및 길이가 상이하여 체류시간이 상이한 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 합류유로에서 반응유로의 분지점 후단에 각 반응유로의 흐름을 온-오프하는 미세밸브가 설치되어 있고,
   상기 각 미세밸브의 온-오프를 제어하는 제어부를 추가로 가지는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 배출구는 하나이며, 상기 복수의 반응유로가 상기 배출구에 합류되며,
   상기 배출구 합류점 전단에 각 반응유로의 흐름을 온-오프하는 미세밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 합류유로는 난류를 유도하여 반응액의 혼합을 유도하는 구조인 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 배출구는 cryo-EM용 시료 분사를 위한 노즐인 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
   

Images