KR102203572B1 - 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법 - Google Patents

음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 연속적이고 비접촉 및 비표지 방식으로 원하는 때에 선택적으로 마이크로 스케일 액적 내의 입자를 세정할 수 있고, 액적 내의 입자를 농축해 개체수를 증가시킬 수 있는 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치는, 압전기판; 상기 압전기판 위에 증착되고, 교류 신호를 인가받아 표면 탄성파를 발생시키는 SIDT 전극; 및 블럭 형태로 이루어져 상기 SIDT 전극과 이격되어 상기 압전기판 위에 접착되고, 내부에는 단일의 연속상과 복수의 분산상이 각각 주입되어 서로 다른 복수의 액적이 교차로 생성되어 유동할 수 있도록 마이크로 스케일의 채널부가 형성되며, 상기 단일의 연속상과 복수의 분산상을 각각 주입하기 위한 복수의 주입구와 상기 연속상과 각각의 분산상으로 이루어져 교차로 생성되는 복수의 액적을 배출하기 위한 배출구가 각각 형성되는 미세 유체칩;을 포함한다.

Description

음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR WASHING AND ENRICHMENT OF MICROPARTICLES ENCAPSULATED IN MICROSCALE DROPLETS USING ACOUSTIC RADIATION FORCE}
본 발명은 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 연속적이고 비접촉 및 비표지 방식으로 원하는 때에 선택적으로 마이크로 스케일 액적 내의 입자를 세정할 수 있고, 액적 내의 입자를 농축해 개체수를 증가시킬 수 있는 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법에 관한 것이다.
액적 기반 미세 유체역학 기술은 서로 혼합되지 않는 두 유체로 조성된 액적을 기반으로 생화학 분석, 신약 개발, 고속대량 스크리닝 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
마이크로 스케일의 액적을 이용해 적은 양의 시료를 바탕으로 테일러 분산이나 교차 감염의 우려 없이 공정을 고속자동화 할 수 있다는 장점을 지녀 활발히 연구되고 있다.
Yole Developpment와 Lux Reearch 의 시장 분석보고서에 따르면 미세 유체역학 기술을 활용한 헬스케어 시장은 2020년까지 5~6조로 성장할 것으로 예측된다(비특허문헌 1 & 2).
이중 액체 생검, 신약 개발, 생화학 분석 등 액적 기반 미세 유체역학 기술이 활용되는 분야는 큰 비중을 차지한다.
특히 미세 유체역학 기술을 활용한 액체 생검은 2018년 세계경제포럼이 선정한 10대 유망 기술 중 하나로 큰 주목을 받고 있다.
이러한 액적 기반 미세 유체역학 기술을 바탕으로 다양한 응용을 하기 위해서는 미세 유체칩 내 액적을 정교하게 제어하는 기반기술이 필요하며, 그 대표적인 예로는 액적의 생성, 분할, 분리, 그리고 액적 내 샘플 조작 등이 있다.
한편, 마이크로 스케일 액적 내 입자를 세정하는 기술은 종래에 다수 제안된 바 있다.
비특허문헌 3은 연속, 접촉, 비표지 방식의 액적 내 입자를 세정하는 것에 관한 것이고, 비특허문헌 4는 불연속, 접촉, 비표지 방식의 액적 내 입자를 세정하는 것에 관한 것이며, 비특허문헌 5 및 6은 연속, 접촉, 표지 방식의 액적 내 입자를 세정하는 것에 관한 것이다.
특히, 비특허문헌 4의 경우에는 서로 반대 방향의 유동이 순차적으로 제공되기 때문에 연속적인 공정이 불가능하다.
즉, 비특허문헌 4에서는 좌측에서 우측으로 흐르는 유동이 장치에 가해진 이후에 반대방향인 우측에서 좌측으로 흐르는 유동이 장치에 가해져야 하기 때문에 연속적인 공정이 불가능한 문제점이 있다.
아울러, 액적 내 입자를 농축하는 기술인 비특허문헌 7 내지 11은, 자기력, 유전력, 음향력 등의 외력을 이용하여 액적 내 입자를 액적 내의 특정 위치로 집속(focusing)한 후, 액적이 위치하지 않는 영역의 액적 부피를 분할(splitting)을 통해 감소시킴으로써, 액적의 단위 부피 당 입자의 개체수인 농도를 증폭시키는 것에 관한 것으로서, 액적 내 입자의 개체수는 일정하거나 또는 원치 않은 유출(leakage)로 인해 감소하게 된다.
특히, 음향 방사력을 이용해 액적 내 입자를 집속하는 기술(비특허문헌 8, 9, 11)이 있지만, 이러한 기술들은 입자가 담긴 액적의 부피를 줄임으로써 액적 내 입자의 농도를 증가시키는 방법이기 때문에 액적 내 입자의 개체수를 증가시키는 농축 과정이라고 볼 수 없다.
KR 10-1810066 B1 (2017.12.20.공고) KR 10-1855490 B1 (2018.05.08.공고)
B. Roussel, Microfluidic Applications in the Pharmaceutical, Life Sciences, In-Vitro Diagnostic, and Medical Device Markets Report (2015) M. Todorovic and N. Kurkjy, Health Care Microfluidics Value Chain: A Story of Growing Pains (2015) Iwai, Kosuke et al. "A Bead-in-Droplet Solution Exchange System Via Continuous Flow Microfluidic Railing." 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013, pp. 1203-1206. Wang, S. et al. "Bead Mediated Separation of Microparticles in Droplets." PLoS One, vol. 12, no. 3, 2017, p. e0173479, doi:10.1371/journal.pone.0173479. Lee, H. et al. "Droplet-Based Microfluidic Washing Module for Magnetic Particle-Based Assays." Biomicrofluidics, vol. 8, no. 4, 2014, p. 044113, doi:10.1063/1.4892495. Doonan, S. R. and R. C. Bailey. "K-Channel: A Multifunctional Architecture for Dynamically Reconfigurable Sample Processing in Droplet Microfluidics." Anal Chem, vol. 89, no. 7, 2017, pp. 4091-4099, doi:10.1021/acs.analchem.6b05041. Brouzes, E. et al. "Rapid and Continuous Magnetic Separation in Droplet Microfluidic Devices." Lab Chip, vol. 15, no. 3, 2015, pp. 908-919, doi:10.1039/c4lc01327a. Fornell, A. et al. "Controlled Lateral Positioning of Microparticles inside Droplets Using Acoustophoresis." Anal Chem, vol. 87, no. 20, 2015, pp. 10521-10526, doi:10.1021/acs.analchem.5b02746. Fornell, A. et al. "An Intra-Droplet Particle Switch for Droplet Microfluidics Using Bulk Acoustic Waves." Biomicrofluidics, vol. 11, no. 3, 2017, p. 031101, doi:10.1063/1.4984131. Han, S. I. et al. "In-Droplet Cell Concentration Using Dielectrophoresis." Biosens Bioelectron, vol. 97, 2017, pp. 41-45, doi:10.1016/j.bios.2017.05.036. Park, K. et al. "In-Droplet Microparticle Separation Using Travelling Surface Acoustic Wave." Biomicrofluidics, vol. 11, no. 6, 2017, p. 064112, doi:10.1063/1.5010219. Jung, J. H. et al. "On-Demand Droplet Splitting Using Surface Acoustic Waves." Lab Chip, vol. 16, no. 17, 2016, pp. 3235-3243, doi:10.1039/c6lc00648e. Destgeer, G. et al. "Microchannel Anechoic Corner for Size-Selective Separation and Medium Exchange Via Traveling Surface Acoustic Waves." Anal Chem, vol. 87, no. 9, 2015, pp. 4627-4632, doi:10.1021/acs.analchem.5b00525.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연속적이고, 비접촉 및 비표지 방식으로 원하는 때에 선택적으로 마이크로 스케일 액적 내의 입자를 세정할 수 있고, 액적 내의 입자를 농축해 개체수를 증가시킬 수 있는 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1관점에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치는, 압전기판; 상기 압전기판 위에 증착되고, 교류 신호를 인가받아 표면 탄성파를 발생시키는 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극; 및 블럭 형태로 이루어져 상기 SIDT 전극과 이격되어 상기 압전기판 위에 접착되고, 내부에는 단일의 연속상과 복수의 분산상이 각각 주입되어 서로 다른 복수의 액적이 교차로 생성되어 유동할 수 있도록 마이크로 스케일의 채널부가 형성되며, 상기 단일의 연속상과 복수의 분산상을 각각 주입하기 위한 복수의 주입구와 상기 연속상과 각각의 분산상으로 이루어져 교차로 생성되는 복수의 액적을 배출하기 위한 배출구가 각각 형성되는 미세 유체칩;을 포함하고, 상기 연속상은 복수의 분산상과 섞이지 않는 유체이며, 복수의 분산상 상호간은 서로 섞이는 유체이고, 상기 복수의 분산상은 고체 입자가 포함된 분산상과 고체입자가 포함되지 않은 분산상으로 이루어지며, 상기 교류 신호는 가진기와 휴지기가 교대로 반복되는 주기적 신호이고, 상기 교류 신호를 인가받아 SIDT 전극에서 발생된 표면 탄성파는 상기 채널부 내에서 액적이 유동하는 방향과 직각 방향으로 상기 채널부에 전달되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 SIDT 전극은, 상기 압전기판의 양측 단부에 형성된 각각의 제1전극단자 및 제2전극단자로부터 이들의 방향을 따라 서로 교번하고 서로를 향해 폭 방향으로 연장 형성되는 복수의 제1손가락 전극 및 제2손가락 전극이 서로의 사이에 끼워져 포크 2개의 끝이 마주보도록 겹치되 서로 닿지 않도록 엇갈리게 놓인 패턴 형상으로 증착된 것이 바람직하다.
이때, 상기 복수의 제1손가락 전극 및 제2손가락 전극을 이루는 금속선들은
Figure 112018130127715-pat00001
의 너비를 가지며, 각 금속선 간의 간격도
Figure 112018130127715-pat00002
로 형성되되, 여기서, λ는 상기 표면 탄성파의 파장인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 복수의 제1손가락 전극 및 제2손가락 전극의 각각의 너비와 상기 제1손가락 전극 및 제2손가락 전극 사이의 간격은 길이방향을 따라 선형적으로 가변되게 형성되어 전체적으로 사다리꼴 형상의 경사진 빗살무늬 형태를 이루는 것이 바람직하다.
일반적으로 직사각형 형태의 IDT(Interdigital Transducer) 전극의 경우에는 단일 공진주파수를 갖는 반면, 본 발명에 채용된 SIDT 전극은 공진주파수대역, 즉 복수의 공진주파수를 갖는 장점이 있다.
또한, 상기 채널부는 십자가 형태로 이루어지되, 상기 표면 탄성파가 진행하는 방향과 직각 방향으로 배치되되, 상기 연속상이 주입되는 제1주입구와 상기 배출구를 연결하는 제1채널; 및 상기 제1주입구 부근의 제1채널 상류에 상기 표면 탄성파가 진행하는 방향으로 배치되되, 고체 입자를 포함한 제1분산상이 주입되는 제2주입구와 고체 입자를 포함하지 않는 제2분산상이 주입되는 제3주입구를 연결하는 제2채널;을 포함하여 이루어지며, 상기 제1채널과 제2채널은 연통되게 형성되는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 미세 유체칩은, 실리콘 기반 폴리머(Silicon-based polymers), 고분자 화합물(Plastics), 유리(Glass). 금속(Metal), 실리콘(Si) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 결합으로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 실리콘 기반 폴리머는, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자 화합물은, PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene), COC(cyclic olefin copolymer), 또는 PET(Polyethylene Terephthalate) 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
아울러, 상기 미세 유체칩의 내부로 상기 표면 탄성파가 인가되도록 상기 미세 유체칩의 내부에는 상기 SIDT 전극과 인접한 면으로부터 채널부까지 캐비티가 형성된다.
한편, 본 발명의 제2관점에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 방법은, 상술한 제1관점에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치를 이용한 것으로서,
상기 세정 방법은, 1) 교류 신호의 가진기 동안 표면 탄성파는 채널부의 음파집속구간으로 집속되어 종파로 변환된 다음 채널부 내부에 음향장을 형성하고, 2) 연속상과 고체 입자가 포함된 분산상이 이루는 제1액적이 채널부를 통과하여 배출구 방향으로 진행하는 경우, 표면 탄성파에 의해 제1액적은 분할되어 일부는 음향장 내에 포획되고 나머지는 배출구를 향해 이동하는데, 제1액적에 포함된 고체 입자는 음향장에 의해 포획된 제1액적 내부에서 상기 배출구와 반대쪽에 집속되며, 3) 뒤이어 생성되어 음파집속구간으로 들어선 제2액적은 포획된 제1액적과 병합되고, 4) 병합된 액적은 다시 분할되는데, 이때 음향장에 포획된 액적은 제2액적의 일부이고 나머지 액적은 배출구를 향해 이동하며, 5) 이때, 고체 입자는 음향 방사력에 의해 그 위치가 음향장 내에 고착되어 고체 입자가 부유하고 있는 매개용액(분산상)이 교체되면서 세정되고, 6) 교류 신호의 휴지기 동안 음향장 내에 포획된 제2액적은 배출구로 배출되되, 교류 신호의 가진기를 제1액적과 제2액적이 음파집속구간을 지나가는데 필요한 시간과 일치시켜 한 쌍의 액적에 음파를 인가하는 것을 특징으로 하고, 상기 농축 방법은, 교류 신호의 가진기를 제1액적과 제2액적이 음파집속구간을 지나가는데 필요한 시간보다 길게하여 복수의 액적 쌍에 음파를 인가함으로써, 상기 세정 방법과 동일한 방법으로 음향 방사력에 의해 고체 입자의 위치는 음향장 내에 고착되는 와중에 교차로 생성되는 액적의 분할과 병합이 반복적으로 이루어지도록 하여 음향장 내 고체 입자의 개체수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제의 해결수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법은, 종래의 방법으로 불가능했던 비접촉 및 비표지 방식으로 이루어짐으로써, 원하는 때에 선택적으로 마이크로 스케일 액적 내 입자를 세정하고, 액적 내 입자를 농축해 개체수를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 본 발명은 미세 유체칩에 십자가 형태의 채널부를 형성하여 연속상과 제1분산상이 이루는 액적과 연속상과 제2분산상이 이루는 액적이 교대로 채널부의 제1채널을 통해 같은 방향을 따라 연속적으로 이동할 수 있도록 마련함으로써, 액적 내에 담긴 입자, 세포, 생체분자 등의 매개 용액을 교체하는 세정 과정을 통해 샘플의 매개 용액을 자유자재로 교체할 수 있으며, 액적 내 샘플을 농축해 개체수를 원하는 수준까지 증가시켜 액적 기반 분석의 정확성과 효율성을 증진시킬 수 있다.
또한, 종래의 연구실 단위에서 고가의 장비를 사용해 숙련된 기술자의 수작업으로 수행되던 공정을 동전 크기의 소형 미세 유체칩에서 자동화 공정으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
이에 따라, 액체 기반 실험 및 분석이 필요한 신물질 합성, 신약 개발, 생화학 분석, 액체 생검 등의 분야에서 널리 활용되어 실험을 위해 필요한 비용과 인력을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법은 다음과 같은 응용이 가능하다.
(1) 액체 생검을 수행할 때 액적 내에 담긴 혈액에서 적혈구 혹은 백혈구 등 원하는 혈구세포를 혈장에서 다른 매개 용액으로 세정할 수 있다.
(2) 입자, 세포, 생체분자 등 원하는 샘플에 형광 표지 공정을 할 때 타겟 샘플의 매개 용액을 교체해 세정함으로써 여분의 형광 색소를 제거할 수 있다.
(3) 자성 혹은 극성을 띈 기능성 입자를 바탕으로 생화학 분석을 수행할 때 자성 혹은 극성 결합이 체결된 타겟 입자만 선택적으로 세정함으로써 분석의 정확성을 높일 수 있다.
(4) 마이크로 스케일 액적 내 입자, 세포, 생체분자 등 샘플을 농축해 개체수를 증가시킴으로써, 샘플의 신호대비 잡음비율을 향상시켜 분석의 정확성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 도 1에서 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이고, (b)는 도 1에서 B 부분(음파집속구간)을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치에 채용된 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극 배열 구조를 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 도 1의 SIDT 전극으로부터 미세 유체칩에 패턴 형성된 마이크로 채널부로 표면 탄성파가 전달되는 상태를 나타낸 도면이고, (b)는 마이크로 채널부 내부의 액적들을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)는 액적 내 마이크로 고체 입자의 세정 및 농축을 위해 SIDT 전극에 인가되는 주기적인 교류신호이고, (b) 내지 (f)는 마이크로 채널부 내부에서 액적의 이동과정을 나타낸 도면이다.
도 6의 (a) 내지 (i)는 액적 내 마이크로 입자가 세정되는 과정을 나타낸 실험 이미지이다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 액적 내 마이크로 입자가 농축되는 과정을 나타낸 실험 이미지이다.
이하, 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치와 방법은, 본 출원의 발명자가 연구 수행한 표면 탄성파 기반 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 분할기술(비특허문헌 12)과, 표면 탄성파 기반 음향 방사력을 이용한 입자 위치 제어기술(비특허문헌 13)이 사용되고, 이 두가지 기술 이외에 십자가 형태의 마이크로 채널부가 형성된 미세 유체칩을 사용하여 마이크로 채널부 상류의 교차점에서 두 종류의 마이크로 스케일 액적이 교차로 생성되게 하는 기술을 포함한다.
또한, 가진기와 휴지기가 반복되는 주기적 교류신호를 인가하여 액적의 분할 뿐만 아니라 포획, 다른 종류의 액적과의 병합, 분할, 배출의 과정이 반복되도록 한다.
이때, 한 종류의 연속상과 두 종류의 분산상이 사용되며, 한 종류의 액적은 입자 등 샘플을 포함하고 있고, 다른 한 종류의 액적은 샘플을 포함하지 않고 샘플을 세정할 매개 용액이 분산상으로 사용된다.
이하, 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치를 나타낸 도면이고, 도 2의 (a)는 도 1에서 A 부분을 확대하여 나타낸 도면이며, (b)는 도 1에서 B 부분(음파집속구간)을 확대하여 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 압전기판(10), SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극(20) 및 미세 유체칩(30)을 포함하여 이루어진다.
압전기판(10)은 리튬리니오베이트(LiNbO3), 석영(quartz), 리튬탄탈레이트 (LiTaO3), 리튬보레이트(Li2B4O7) 또는 랑가사이트(La3Ga5SiO14) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극(20)은, 압전기판(10) 위에 증착되고, 교류 신호(AC signal)를 인가받아 표면 탄성파(S)를 발생시키는 것으로서, 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 또는 이들을 포함하는 금속 화합물들 중에서 선택된 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
여기서, 교류 신호(AC signal)는 가진기와 휴지기가 교대로 반복되는 주기적 신호이고, 교류 신호를 인가받아 SIDT 전극(20)에서 발생된 표면 탄성파(S)는 후술할 미세 유체칩(30)에 형성된 채널부(31) 내에서 액적이 유동하는 방향과 직각 방향으로 채널부(31)에 전달되게 된다.
미세 유체칩(30)은 직육면체 형상의 블럭 형태로 이루어져 SIDT 전극(20)과 이격되어 압전기판(10) 위에 접착된다.
이러한 미세 유체칩(30)의 내부에는 단일의 연속상과 복수의 분산상이 각각 주입되어 서로 다른 복수의 액적이 교차로 생성되어 유동할 수 있도록 마이크로 스케일의 채널부(31)가 형성된다.
아울러, 미세 유체칩(30)의 내부로 상기 표면 탄성파(S)가 인가되도록 미세 유체칩(30)의 내부에는 SIDT 전극(20)과 인접한 면으로부터 채널부(31)까지 캐비티(cavity)(33)가 형성된다.
또한, 미세 유체칩(30)에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 단일의 연속상과 복수의 분산상을 각각 주입하기 위한 복수의 주입구(H1, H2, H3)와, 연속상과 각각의 분산상으로 이루어져 교차로 생성되는 복수의 액적을 배출하기 위한 배출구(E)가 각각 형성된다.
아울러, 채널부(31)는 십자가 형태로 이루어지는데, 표면 탄성파(S)가 진행하는 방향과 직각 방향으로 배치되되, 연속상이 주입되는 제1주입구(H1)와 배출구(E)를 연결하는 제1채널(31a); 및 제1주입구(H1) 부근의 제1채널(31a) 상류에 표면 탄성파(S)가 진행하는 방향으로 배치되되, 고체 입자를 포함한 제1분산상이 주입되는 제2주입구(H2)와 고체 입자를 포함하지 않는 제2분산상이 주입되는 제3주입구(H3)를 연결하는 제2채널(31b);을 포함하여 이루어진다.
이때, 제1채널(31a)과 제2채널(31b)은 연통되게 형성된다.
이처럼 미세 유체칩에 십자가 형태의 채널부를 형성하여 후술하는 바와 같이 연속상과 제1분산상이 이루는 액적과 연속상과 제2분산상이 이루는 액적이 교대로 채널부의 제1채널을 통해 같은 방향을 따라 연속적으로 이동할 수 있도록 마련함으로써, 액적 내에 담긴 입자, 세포, 생체분자 등의 매개 용액을 교체하는 세정 과정을 통해 샘플의 매개 용액을 자유자재로 교체할 수 있으며, 액적 내 샘플을 농축해 개체수를 원하는 수준까지 증가시켜 액적 기반 분석의 정확성과 효율성을 증진시킬 수 있다.
여기에서는 채널부(31)의 형태를 십자가 형태로 설명하였지만, 연속상과 분산상의 개수에 따라 기타 다른 형태로도 얼마든지 구현 가능하다.
한편, 연속상은 복수의 분산상과 섞이지 않는 유체이며, 복수의 분산상 상호간은 서로 섞이는 유체이다.
또한, 복수의 분산상은 고체 입자가 포함된 분산상과 고체입자가 포함되지 않은 분산상으로 이루어진다.
이와 같은 미세 유체칩(30)은, 실리콘 기반 폴리머(Silicon-based polymers), 고분자 화합물(Plastics), 유리(Glass). 금속(Metal), 실리콘(Si) 중에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 결합으로 이루어질 수 있다.
이때, 실리콘 기반 폴리머는, PDMS(Polydimethylsiloxane)인 것이 바람직하다.
아울러, 고분자 화합물은, PMMA(Polymethyl Methacrylate), PP(polypropylene), COC(cyclic olefin copolymer), 또는 PET(Polyethylene Terephthalate) 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치에 채용된 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극 배열 구조를 나타낸 도면이다.
SIDT 전극(20)은, 압전기판(10)의 양측 단부에 형성된 각각의 제1전극단자(21) 및 제2전극단자(22)로부터 이들의 방향을 따라 서로 교번하고 서로를 향해 폭 방향으로 연장 형성되는 복수의 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a)이 서로의 사이에 끼워져 포크 2개의 끝이 마주보도록 겹치되 서로 닿지 않도록 엇갈리게 놓인 패턴 형상으로 증착된다.
이때, 복수의 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a)을 이루는 금속선들은
Figure 112018130127715-pat00003
의 너비(W)(각 손가락 전극 너비)를 가지며, 각 금속선 간의 간격(T)(각 손가락 전극 간 간격)도
Figure 112018130127715-pat00004
로 형성되는데, 여기서, λ는 상기 표면 탄성파(S)의 파장이다.
또한, SIDT 전극(20)의 제1 손가락 전극(21a) 및 제2 손가락 전극(22a)을 이루는 금속선은 바닥층을 이루는 크롬(Cr)과 상부층을 이루는 금(Au)이 서로 적층 형성된 Cr/Au 적층 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
아울러, 복수의 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a)의 각각의 너비(W)와 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a) 사이의 간격(T)은 길이방향을 따라 선형적으로 가변되게 형성되어 전체적으로 사다리꼴 형상의 경사진 빗살무늬 형태를 이루게 된다.
선형적으로 가변되는 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a)의 각각의 너비와 제1손가락 전극(21a) 및 제2손가락 전극(22a) 사이의 간격으로 인해 경사진 빗살무늬 형태의 전극은 위치에 따라 서로 다른 공진주파수를 가지며, 이는
Figure 112018130127715-pat00005
식에 따라 결정된다.
여기서, f는 인가된 교류신호의 주파수를, c는 압전기판(10)에서의 음파의 진행속도를, λ는 표면 탄성파(S)의 파장으로서 전극 간 거리와 전극 너비(
Figure 112018130127715-pat00006
)의 4배이다.
따라서, 경사진 빗살무늬 형태의 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극은 전극에 인가되는 교류전류의 주파수에 따라 원하는 위치에서 표면 탄성파를 선택적으로 발생시킬 수 있다.
이때, 표면 탄성파(S)는 압전기판(10)의 표면을 따라서 전파되는 파동을 말한다.
일반적으로 직사각형 형태의 IDT(Interdigital Transducer) 전극의 경우에는 단일 공진주파수를 갖는 반면, 본 발명에 채용된 경사진 빗살무늬 형태의 SIDT 전극은 공진주파수대역, 즉 복수의 공진주파수를 갖는 장점이 있다.
도 4의 (a)는 도 1의 SIDT 전극으로부터 미세 유체칩에 패턴 형성된 마이크로 채널부로 표면 탄성파가 전달되는 상태를 나타낸 도면이고, (b)는 마이크로 채널부 내부의 액적들을 나타낸 도면이다.
경사진 빗살무늬 형태의 SIDT(Slanted Finger Interdigital Transducer) 전극(20)에 교류신호를 인가하면 표면 탄성파(S)가 발생된다.
이와 같이 발생된 표면 탄성파(S)는 채널부(31) 내 유체영역으로 집속되어 종파(longitudinal wave, compressional wave)(L)로 변환되어 음향장(acoustic field)을 형성한다.
음향장에 노출된 마이크로 고체 입자(P)는 음향 방사력을 받아 음파의 전파방향으로 밀려난다.
도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 음파에 노출된 액적은 음향 방사력에 의해 두 개 이상의 액적으로 분할된다.
이때, 일부 액적(음향장 기준 왼쪽)은 음향장에 포획되어 배출구로 이동하지 못하고 음향장 내에 고착되며, 나머지 액적(음향장 기준 오른쪽)은 음향장을 벗어나 배출구로 이동한다.
도 5의 (a)는 액적 내 마이크로 입자의 세정 및 농축을 위해 SIDT 전극에 인가되는 주기적인 교류신호이고, (b) 내지 (f)는 마이크로 채널부 내부에서 액적의 이동과정을 나타낸 도면이다.
도 5의 (a)에서 τ는 교류신호가 인가되지 않는 휴지기(rest period), τSAW는 교류신호가 인가되는 가진기(excitation period)이며, 휴지기(τ)와 가진기(τSAW)가 서로 교차로 반복되는 주기적인 교류신호가 SIDT 전극에 인가된다.
이때, 신호가 존재하는 가진기(τSAW) 동안 음향장이 생성되고 휴지기(τ) 동안에는 음향장이 형성되지 않는다.
이에 따라, 주기적인 교류 신호의 휴지기(τ)와 가진기(τSAW)는 교차로 생성되는 두 종류의 액적의 생성 주기에 맞추어 인가된다.
도 5의 (b)와 같이 마이크로 고체입자를 포함한 액적(1)이 상류에서 생성되어 음파집속구간에 들어선다.
도 5의 (c)와 같이 음파에 의해 액적(1)은 분할되어 일부는 음향장 내에 포획되고 나머지는 배출구를 향해 이동한다.
이때, 액적(1) 내 마이크로 고체입자는 음향 방사력에 의해 포획된 액적(1) 내 마이크로 채널부 반대편 벽면에 집속된다.
도 5의 (d)와 같이 뒤이어 생성되어 음파집속구간에 들어선 액적(2)는 포획된 액적(1)과 병합된다.
도 5의 (e)와 같이 병합된 액적은 다시 분할되는데, 이때 음향장에 포획된 액적은 고체 입자를 포함하지 않은 분산상으로만 구성된 액적(2)의 일부이고 나머지 액적은 배출구를 향해 이동한다.
이때, 마이크로 고체입자는 음향방사력에 의해 그 위치가 음향장 내에 고착되어 고체입자를 포함한 분산상에서 고체입자를 포함하지 않은 분산상으로 매개용액이 교체된다.
도 5의 (f)와 같이 다음 주기의 휴지기(τ)동안 음향장 내 포획된 액적(2)와 액적(2) 내 마이크로입자는 방출되어 배출구를 향해 이동한다.
도 6의 (a) 내지 (i)는 액적 내 마이크로 입자가 세정되는 과정을 나타낸 실험 이미지이다.
실험에는 폴리스틸렌(polystyrene) 마이크로 고체입자가 사용되었고, 제1분산상은 물이, 제2분산상은 구분을 위해 물에 염료를 섞은 용액이 사용되었으며, 연속상은 플루오로카본 오일(fluorocarbon oil)이 사용되었다.
즉, 세정 방법은, 1) 교류 신호의 가진기 동안 표면 탄성파는 채널부의 음파집속구간(도1의 (B))으로 집속되어 종파로 변환된 다음 채널부 내부에 음향장을 형성하고, 2) 연속상과 고체 입자가 포함된 분산상이 이루는 액적(1)이 채널부를 통과하여 배출구 방향으로 진행하는 경우, 표면 탄성파에 의해 액적(1)은 분할되어 일부는 음향장 내에 포획되고 나머지는 배출구를 향해 이동하는데, 액적(1)에 포함된 고체 입자는 음향장에 의해 포획된 액적(1) 내부에서 상기 배출구와 반대쪽에 집속되며, 3) 뒤이어 생성되어 음파집속구간으로 들어선 액적(2)는 포획된 액적(1)과 병합되고, 4) 병합된 액적은 다시 분할되는데, 이때 음향장에 포획된 액적은 액적(2)의 일부이고 나머지 액적은 배출구를 향해 이동하며, 5) 이때, 고체 입자는 음향 방사력에 의해 그 위치가 음향장 내에 고착되어 고체 입자가 부유하고 있는 매개용액(분산상)이 교체되면서 세정되고, 6) 교류 신호의 휴지기 동안 음향장 내에 포획된 액적(2)는 배출구로 배출되되, 교류 신호의 가진기를 액적(1)과 액적(2)가 음파집속구간(도 1의 (B))을 지나가는데 필요한 시간과 일치시켜 한 쌍의 액적에 음파를 인가하는 것을 특징으로 한다.
도 7의 (a) 내지 (f)는 액적 내 마이크로 입자가 농축되는 과정을 나타낸 실험 이미지이다.
세정 과정과 농축 과정의 차이는 경사진 빗살무늬 형태의 SIDT 전극에 인가되는 교류신호의 가진기(τSAW)이다.
세정 과정의 경우 가진기(τSAW)가 액적(1)과 액적(2)가 음파집속구간(도 1의 (B))을 지나가는 데 필요한 시간과 일치시켜 한 쌍의 액적에 음파를 인가한다.
이와 달리 농축 과정의 경우 가진기(τSAW)가 액적(1)과 액적(2)가 음파집속구간을 지나가는 데 필요한 시간보다 훨씬 길게 함으로써, 복수 개의 액적 쌍에 음파를 인가한다.
따라서, 복수 개의 액적(1) 내에 있는 마이크로 고체 입자가 음향장에 포획되어 집속된다.
그 결과 도 7의 (a)와 같이 액적(1) 내 마이크로 고체입자 수는 지속적으로 증가하고, 그 매개용액이 교체되어 도 7의 (f)와 같이 음향장에서 방출되어 배출구로 이동한다.
즉, 농축 방법은, 교류 신호의 가진기를 액적(1)과 액적(2)가 음파집속구간을 지나가는데 필요한 시간보다 길게하여 복수의 액적 쌍에 음파를 인가함으로써, 상기 세정 방법과 동일한 방법으로 음향 방사력에 의해 고체 입자의 위치는 음향장 내에 고착되는 와중에 교차로 생성되는 액적의 분할과 병합이 반복적으로 이루어지도록 하여 음향장 내 고체 입자의 개체수를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면들에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 압전기판 20 : SIDT 전극
21 : 제1전극단자 21a : 제1손가락 전극
22 : 제2전극단자 22a : 제2손가락 전극
30 : 미세 유체칩 31 : 채널부
31a : 제1채널 31b : 제2채널
33 : 캐비티 S : 표면 탄성파
L : 종파 P : 고체 입자
W : 전극의 금속선 너비 T : 금속선 간의 간격
H1 : 제1주입구 H2 : 제2주입구
H3 : 제3주입구 E : 배출구

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  10. 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 장치를 이용한 세정 및 농축 방법으로서,
    상기 세정 방법은,
    1) 교류 신호의 가진기 동안 표면 탄성파는 채널부의 음파집속구간으로 집속되어 종파로 변환된 다음 채널부 내부에 음향장을 형성하고,
    2) 연속상과 고체 입자가 포함된 분산상이 이루는 제1액적이 채널부를 통과하여 배출구 방향으로 진행하는 경우, 표면 탄성파에 의해 제1액적은 분할되어 일부는 음향장 내에 포획되고 나머지는 배출구를 향해 이동하는데, 제1액적에 포함된 고체 입자는 음향장에 의해 포획된 제1액적 내부에서 상기 배출구와 반대쪽에 집속되며,
    3) 뒤이어 생성되어 음파집속구간으로 들어선 제2액적은 포획된 제1액적과 병합되고,
    4) 병합된 액적은 다시 분할되는데, 이때 음향장에 포획된 액적은 제2액적의 일부이고 나머지 액적은 배출구를 향해 이동하며,
    5) 이때, 고체 입자는 음향 방사력에 의해 그 위치가 음향장 내에 고착되어 고체 입자가 부유하고 있는 매개용액(분산상)이 교체되면서 세정되고,
    6) 교류 신호의 휴지기 동안 음향장 내에 포획된 제2액적은 배출구로 배출되되, 교류 신호의 가진기를 제1액적과 제2액적이 음파집속구간을 지나가는데 필요한 시간과 일치시켜 한 쌍의 액적에 음파를 인가하는 것을 특징으로 하고,
    상기 농축 방법은,
    교류 신호의 가진기를 제1액적과 제2액적이 음파집속구간을 지나가는데 필요한 시간보다 길게하여 복수의 액적 쌍에 음파를 인가함으로써, 상기 세정 방법과 동일한 방법으로 음향 방사력에 의해 고체 입자의 위치는 음향장 내에 고착되는 와중에 교차로 생성되는 액적의 분할과 병합이 반복적으로 이루어지도록 하여 음향장 내 고체 입자의 개체수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 음향 방사력을 이용한 마이크로 스케일 액적 내 입자의 세정 및 농축 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109731621B (zh) * 2019-01-02 2020-07-24 京东方科技集团股份有限公司 微流控基板及其制备方法、微流控面板
CN112019185A (zh) * 2020-09-03 2020-12-01 杨欣 全覆盖式声表面波叉指换能器
CN112827518A (zh) * 2021-01-08 2021-05-25 北京工业大学 基于声表面波的可重复使用高粘液滴生成装置
CN113145184B (zh) * 2021-02-03 2023-04-14 广州市第一人民医院（广州消化疾病中心、广州医科大学附属市一人民医院、华南理工大学附属第二医院） 一种微液滴芯片
CN113117766B (zh) * 2021-04-06 2022-08-02 杭州电子科技大学 一种用于微流控的声学镊子
KR102585739B1 (ko) * 2021-11-30 2023-10-06 전남대학교산학협력단 표면탄성파 유도 미세와류를 이용한 액적의 화학적 농도 제어 장치
CN116273218A (zh) * 2021-12-03 2023-06-23 郑州轻工业大学 基于聚焦声表面波调控的液滴融合微流控装置进行的液滴融合微流控方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201103211D0 (en) * 2011-02-24 2011-04-13 Univ Glasgow Fluidics apparatus, use of fluidics apparatus and process for the manufacture of fluidics apparatus
KR101855490B1 (ko) 2016-01-22 2018-05-08 한국과학기술원 점탄성유체와 점성유체의 병행층류를 이용한 미소 입자 분리 및 세정 방법
KR101810066B1 (ko) 2016-04-15 2017-12-20 한국과학기술원 음향열적 가열을 통한 감온변색 디스플레이 장치

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문1 : 2017 한국가시화정보학회 춘계학술대회*
논문2 : 한국가시화정보학회지*
논문3 : 2017 한국가시화정보학회 춘계학술대회*
논문4 :2017 한국가시화정보학회 춘계학술대회*
논문5 : Lap Chip*

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