KR20050110810A - 적응형 미세 유체 칩 및 이를 이용한 미세 유체 제어 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적응형 미세 유체 칩 및 이를 이용한 미세 유체 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서,

유체의 주입과, 혼합 및 배출이 동일한 채널상에서 수행되는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 연결되어 상기 유체의 주입과, 혼합 및 배출을 제어하는 채널 연결부를 포함하는 적응형 미세 유체 칩과, 상기 적응형 미세 유체 칩에 연결되며 상기 유체 채널내 상태 및 특성을 검출하는 센서와, 상기 검출한 유체 채널내 상태 및 특성에 상응하게 상기 채널 연결부를 동작시키는 구동부를 포함한 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치와,

유체가 주입되면 상기 주입된 유체의 농도를 측정하는 과정과, 상기 측정한 유체의 농도가 미리 설정한 농도와 상이할 경우 상기 주입된 유체중 미리 설정된 설정양의 유체를 배출하는 과정과, 상기 설정양의 유체를 배출한 후 상기 유체의 농도를 희석시키기 위한 완충 유체를 주입하는 과정과, 상기 유체와 완충 유체를 혼합한 후 상기 유체와 완충 유체가 혼합된 혼합물의 농도가 상기 설정 농도와 동일해질때까지 상기 유체 배출 및 완충 유체 주입 과정을 반복하는 과정을 포함한 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

적응형 미세 유체 칩 및 이를 이용한 미세 유체 제어 장치 및 방법{An Adaptive Microfluidic Chip and Its Microfluidic Control Method and Apparatus}

본 발명은 미세 유체 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 적응형 미세 유체 칩및 이를 사용하여 미세 유체를 제어하는 방법에 관한 것이다.

현재, 미세 유체 공학(microfluidics) 분야에 대해서 활발한 연구가 이루어지고 있으며, 또한 이와 동시에 활발한 상품화가 이루어지고 있다. 그러나, 인간 유전체 프로젝트(human genome project) 이후로 상품화가 활발하게 진행된 마이크로어레이 (microarray) 분야와는 달리 상기 미세 유체 공학 분야는 최근 수년 동안 기술적 진보는 뚜렷하였음에도 불구하고, 상품화면에서는 아직 구체적이면서도 실제적인 영향력을 갖는 상품은 개발되지 못한 상태에 있다(D&MD Reports #9082-Microbiotechnology, 2002).

상기 미세 유체 공학은 미세 종합 분석시스템(??-TAS: micro-total analysis system) 및 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 상용화에 기초가 되는 핵심 기술을 연구 개발하는 분야이다.

상기 미세 종합 분석시스템은 다수의 실험 단계들과 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석이 한 실험대 위에 존재하는 한 유니트(unit)에서 종합적으로 구현되는 시스템이다. 상기 미세 종합 분석시스템은 시료 채취 영역, 미세 유체 회로, 검출기 및 상기 시료 채취 영역, 미세 유체 회로, 검출기를 제어하는 제어기(controller)로 구성된다.

또한, 상기 랩온어칩이란 '칩 위의 연구실'이란 의미 그대로 상기 미세 종합 분석시스템의 개념과 기능을 하나의 칩(chip) 상에서 구현한 것을 나타낸다. 따라서, 상기 랩온어칩을 개발하기 위해서는 플라스틱이나 유리, 실리콘 등의 표면에 용액이 흐를 수 있는 미세 채널로 회로를 생성한 후, 시료의 전처리, 분리, 희석, 혼합, 생화학 반응, 검출 등을 하나의 칩에 소형화 및 집적화 시킬수 있어야만 한다. 따라서, 상기 랩온어칩에 있어서 미세 유체 공학 기술의 중요성은 굉장히 크게 된다.

한편, 미세 유체 공학 분야에서 선두 그룹으로 알려진 Caliper Technology사와, Cepheid사와, Fluidigm사 등의 회사들 각각은 자사의 특정 플랫폼(platform) 기술을 기반으로 하여 기술을 개발함과 동시에, 상품성 및 시장성을 적정하게 갖춘 상품들을 개발하고 있다.

별도의 펌프나 밸브 없이도 용액의 흐름을 제어할 수 있는 기술로서, 동전기학(動電氣學, electrokinetic) 미세유체 기술이 제안된 바 있다.(Anal. Chem. 64, 1926, 1992). Caliper Technology사는 이러한 동전기학의 일종인 전기 영동 분리(electrophoretic separation) 기술을 이용하여 최근 DNA, RNA, 단백질을 크기별로 분리할 수 있는 분석 방식을 개발하였다(Anal. Chem. 73: 1207-1212, 2001; Electrophoresis 21: 128-134, 2001; Lab Chip 2: 42N-47N, 2002; Anal. Biochem. 316: 92-102, 2003). 그러나, 상기 전기 영동 분리 기술을 사용한 분석 방식은 유체 조절시 다수의 전극들과 수 [kV]를 부여할 수 있는 고전압의 전원 공급기(power supply)가 필요로 된다는 문제점이 있다.

그리고, 미세 유체 채널내에서의 층류(laminar flow)로 인한 분자 확산(diffusion) 현상을 사용하는 기술이 개발된바 있다. Micronics사는 이 기술을 사용하여 혈액을 직접 분석할 수 있는 방식을 개발하였고, 신용 카드 크기의 플라스틱에 미세 유체 회로를 집적하여 확산을 이용한 혈구와 혈장의 분리로 혈장 내의 효소, 단백질, 전해질, 약리 물질 등을 분리 분석하였다(Biomedical Microdevices 3: 267-274, 2001).

이외에도 Tecan사와 Gyros사의 원심력을 이용한 방식(Biotechniques 26: 758-767, 1999)과 UCLA 등에서 개발 중인 전기적 적심(electro-wetting) 방식 등의 바이오 유체(bio fluidics) 제어 방식들이 존재한다(Journal of MEMS 12, 70-80, 2003).

한편, 일반적으로 바이오 관련 물질의 미세 유체 제어 방식은 시료의 전처리 과정(일 예로, DNA를 생체로부터 분리하여 정제 및 증폭하는 과정과, 항원 및 항체간의 면역 반응에 있어서 반응 및 세척 과정 등) 및 일련의 분석 과정들을 제어하는데 있어 매우 중요한 요소로 작용한다. Cepheid사는 미세 유체 기술을 이용한 시료 전처리 장치들을 다양하게 개발하였으며, 특히, DNA의 PCR(polymerase chain reaction) 장치와, DNA 농축과 미생물 용해(lysis) 및 미생물 시료 전처리 등을 수행하는 휴대용 분석 시스템을 개발한 바 있다(Clin. Chem. 47: 1917-1918, 2001; ??-TAS 2001: 670-672, 2001; Anal. Chem. 73: 286-289, 2001). Cepheid사는 상기 PCR 장치와 휴대용 분석 시스템에 칩 내부의 유체 조절을 위해 별도로 장착된 외부의 막(membrane) 밸브와 다이어프램 (diaphragm) 펌프를 사용하였다.

한편, Fluidigm사는 플라스틱을 재질로한 다층형 소프트리소그래피 (multilayer soft lithography) 방식을 사용하여 유체가 흐르는 채널과 공기가 흐르는 채널을 교차시킨 다층 구조의 채널을 이용한 미세유체 칩을 개발한 바 있다(Science 288: 113-116, 2000; Science 290: 1536-1539, 2002). Fluidigm사는 상기 다층 구조의 채널을 이용한 미세 유체 칩을 단백질 결정 생성 장치(protein crystallizer) 및 면역 분석 방식 등에 활용하고 있다(PNAS 99: 16531-16536, 2002; Anal. Chem. 75: 3581-3586, 2003; Nature Biotechnology 21: 1179-1183, 2003). 또한, Fluidigm사는 상기 미세 유체 칩을 연결하는 인터페이싱(interfacing) 문제를 해결하고(Anal. Chem. 75: 4718-4723, 2003), 반응 결과의 측정을 위해서 외부의 광학 검출기를 별도로 구비하여 사용하고 있다.

상기에서 설명한 바와 같이 현재까지 개발된 다양한 미세 유체 제어 방식들과, 상기 미세 유체 제어 방식들을 사용하여 제작된 상품들의 경우, 상기 미세 유체 공학 분야가 아닌 다른 분야에서의 기존 분석 방식들과 비교하여 볼때 효율성과 정확성 및 상품 경쟁력 등의 측면에서 아직도 개선의 여지가 많이 남아 있다. 특히, 다양한 시료 군들을 처리하는데 있어 기존의 미세 유체 칩의 활용은 극히 제한적이었다.

이렇게 미세 유체 칩의 활용이 극히 제한적인 이유는 미지의 시료들을 검사, 측정 및 분석하는 데 있어서 상기 시료들 각각이 가지는 특성이 상이하기 때문이다. 즉, 비교적 농도가 짙은 시료의 경우 분석 검출기의 농도 측정 범위를 초과하기 때문에, 반드시 시료를 적정 비율로 희석시켜 상기 분석 검출기의 농도 측정 범위내에 존재하도록 해야만 한다는 문제점이 있었다. 따라서, 미세 유체 칩을 적극적으로 활용하기 위한 방안에 대한 필요성이 대두되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는; 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치에 있어서, 유체의 주입과, 혼합 및 배출이 동일한 채널상에서 수행되는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 연결되어 상기 유체의 주입과, 혼합 및 배출을 제어하는 채널 연결부를 포함하는 적응형 미세 유체 칩과, 상기 적응형 미세 유체 칩에 연결되며 상기 유체 채널내 상태 및 특성을 검출하는 센서와, 상기 검출한 유체 채널내 상태 및 특성에 상응하게 상기 채널 연결부를 동작시키는 구동부를 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 유체가 주입되면 상기 주입된 유체의 농도를 측정하는 과정과, 상기 측정한 유체의 농도가 미리 설정한 농도와 상이할 경우 상기 주입된 유체중 미리 설정된 설정양의 유체를 배출하는 과정과, 상기 설정양의 유체를 배출한 후 상기 유체의 농도를 희석시키기 위한 완충 유체를 주입하는 과정과, 상기 유체와 완충 유체를 혼합한 후 상기 유체와 완충 유체가 혼합된 혼합물의 농도가 상기 설정 농도와 동일해질때까지 상기 유체 배출 및 완충 유체 주입 과정을 반복하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명에서는 적응형 미세 유체 칩(adaptive microfluidic chip) 및 이용하여 미세 유체를 제어하는 방법을 제안한다. 일반적으로, 고가의 전자 계측기들은 자동 이득 제어(AGC: Automatic Gain Control) 방식을 채택하여 계측하고자하는 값이 계측 범위를 초과하거나 혹은 계측하고자 하는 값이 계측 범위에 도달하지 못하는 경우 이득을 제어하여 계측을 가능하게 한다. 본 발명에서는 상기 자동 이득 제어 방식을 미세 유체 칩에 적용시킴으로써 미세 유체를 제어하는 방법을 제안한다.

일반적으로, 생물 및 화학 반응은 여러 가지 조건들에 따라 선택적이고 제한적으로 발생한다. 따라서, 생화학 반응이 잘 발생할 수 있도록 적정한 조건을 부여하고, 상기 생화학 반응이 잘 발생할 수 있도록 반응 환경을 유지시키는 기술이 매우 중요한 요소로 작용하게 된다. 여기서, 상기 생화학 반응에 영향을 미치는 파라미터(parameter)들로는 수소 이온 농도(pH)와, 완충 용액(buffer), 각종 성분의 농도 및 온도 등이 있다. 상기 생화학 반응의 속도와 반응의 정도는 상기 파라미터들에 따라 상이하게 발생되므로, 상기 생화학 반응이 잘 발생되는 조건을 검출하고, 상기 검출한 조건을 적정히 유지시키는 것 역시 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.

한편 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩에서 '적응'이란 특정 미세 유체 칩이 제한된 부피를 가지고도 넓은 범위의 특정 조건을 지닌 다양한 시료들에 대해서 능동적으로 반응하는 능력을 나타낸다. 여기서, 상기 특정 조건이라 하면 농도와, 혼합 비율 및 반응 정도 등의 조건들이 될 수 있으며, 상기 능동적 반응 능력은 자동 희석 등이 될 수 있다.

그러면 여기서 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩의 구조에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩의 구조를 도시한 사시도이다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 적응형 미세유체 칩의 구조는 유체(fluid)의 주입과, 혼합 및 배출 동작이 동일한 채널에서 수행되도록 하는 유체 채널과 서로 다른 기능을 수행하는 4개의 채널 연결부들을 포함하는 구조를 가진다. 여기서, 상기 채널 연결부들은 시료 주입부(1)와, 배출부(2)와, 조절부(3) 및 통기 구멍(4)으로 구성된다. 상기 시료 주입부(1)로는 상기 적응형 미세 유체 칩의 응용 분야에 따라 시료(sample)와 반응 시약 또는 시료와 희석용 완충제(buffer)등이 주입된다. 상기 배출부(2)로는 상기 시료 주입부(1)를 통해 주입된 시료와 반응된 혼합물이 미리 설정된 설정 양씩 배출된다.

상기 조절부(3)는 상기 적응형 미세 유체 칩을 양과 음의 공기압 또는 압력차이에 의해 동작시킬 수 있는 각종 외부 힘들의 조절 장치, 일 예로 압력 조절기와, 미세 펌프 등의 조절 장치와 연결된다. 상기 양의 공기압에 의해서 상기 적응형 미세 유체 칩내의 유체가 전진 방향(5)으로 이동하고, 이와는 반대로 음의 공기압에 의해서 상기 적응형 미세 유체 칩내의 유체가 후진 방향(6)으로 이동하게 된다. 상기 통기구멍(4)은 상기 적응형 미세유체 칩 내부의 공기압을 일정하게 유지시켜 상기 조절부(3)로 제공되는 압력 차이에 의한 유체 이동을 돕는 기능을 수행한다.

그러면 여기서 도 2를 참조하여 상기 적응형 미세 유체 칩의 동작 과정 및 구조에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 2는 도 1의 적응형 미세 유체 칩의 구조 및 동작 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 적응형 미세유체 칩(10)의 상단 및 하단에 장착된 센서(sensor)(11)를 이용하여 채널 내 유체의 상태 및 특성을 검출할 수 있다. 그리고, 상기 센서(11)를 통해 검출한 유체의 상태 및 특성을 활용하여 피드백 제어(feedback control)를 수행하고, 상기 피드백 제어 방식에 의해 구동부(actuator)(12)의 동작을 제어함으로써 상기 적응형 미세 유체 칩 내의 주입부(1)와, 배출부(2) 및 조절부(3)를 동작시키게 된다. 여기서, 상기 센서(11)를 통해 검출한 유체의 상태 및 특성은 미세 유체 칩 제어부(13)를 통해 구동부(12)의 동작에 영향을 주게 되므로 상기 적응형 미세 유체 칩(10) 내부의 유체 상태가 변하게 된다. 결과적으로, 상기 센서(11)를 통해 검출한 유체의 상태 및 특성에 의해 상기 적응형 미세 유체 칩의 구동부(12)가 동작하게 되어 상기 센서(11)와 구동부(12)간의 동작은 상호 연관성을 가지고 반복된다.

이와 같이 상기 센서(11)를 통해 유체의 상태 및 특성을 검출하고, 상기 검출한 유체의 상태 및 특성에 따라 상기 적응형 미세 유체 칩의 구동부(12)가 구동하는 동작이 반복됨으로써 상기 미세 유체 칩(10) 내부의 시료는 희석과 농축, 반응과 혼합, 화학 반응 회수조절, 조건 변화에 따른 유체의 경로 이동, 분리 등의 변화를 겪게 되는 것이다.

그러면 여기서 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩(10)의 특성 및 상기 적응형 미세 유체 칩(10)을 사용하여 미세 유체를 제어하는 방식, 즉 상기 적응형 미세 유체 칩(10)을 사용하는 미세 유체 제어 장치들에 대해서 설명하면 다음과 같다.

(1) 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석(dilution) 장치

일반적으로, 생화학 반응 실험의 경우에는 다양한 조건들을 제공하기 위해서 시료의 준비 과정이 반복되어야만 한다. 또한, 일반적으로 상기 시료의 희석 과정은 피펫을 사용한 순차적 희석(serial dilution) 과정인데, 상기 순차적 희석 과정은 상기 생화학 반응 실헙을 수행하는 사람의 숙련도에 따라 실험 오차가 커진다는 문제점을 가진다. 즉, 상기 순차적 희석 과정에서는 희석 과정을 반복할수록 이러한 실험 오차가 기하급수적으로 증가하게 된다는 문제점을 가진다.

본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 자동 농도 희석 장치를 사용할 경우 상기 순차적 희석 과정의 실험 오차 증가 문제를 해결할 수 있다. 특히, 미지의 시료들을 검사, 측정 및 분석하는데 있어 상기 시료들 각각이 가지는 특성 차이가 큰 경우가 많기 때문에 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 자동 농도 희석 장치의 활용성이 증가하게 될 수 있다. 일 예로, 비교적 농도가 짙은 시료의 경우 분석 검출기의 농도 측정 범위를 초과하기 때문에, 반드시 시료를 적정 비율로 희석시켜 상기 분석 검출기의 농도 측정 범위내에 존재하도록 해야만 하는데, 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 자동 농도 희석 장치를 사용할 경우 상기 분석 검출기에서 분석 가능한 최적의 농도를 제공할 수 있게 된다.

한편, 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용할 경우 상기 자동 농도 희석 장치 뿐만 아니라 자동 농도 농축 장치 역시 구현 가능함은 물론이다. 이미 농축(concentration) 분야에 대해서는 활발한 연구가 진행되었으므로(Anal. Chem., 75: 2761-2767, 2003; MEMS 2003, pp.686-689; J. Biomed. Eng., 121: 22-25, 1999), 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용할 경우 자동 농도 농축 장치를 구현할 수 있게 되는 것이다.

그러면 여기서 상기 적응형 미세 유체 칩의 제작 방법에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 1에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩은 유체의 주입과, 혼합 및 배출 동작이 동일한 채널에서 수행되도록 제안된 유체 채널과 각기 다른 기능을 갖는 4개의 채널 연결부들, 즉 시료 주입부(1)와, 배출부(2)와, 조절부(3) 및 통기구멍(4)을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 적응형 미세 유체 칩은 투명한 탄성 고분자의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 이용한 복제품 몰딩(Replica molding) 방식을 사용하여 제작할 수 있다. 우선 반도체 제작 공정에서 사용하는 사진 석판 인쇄 방식(photo lithography)을 사용하여 양각의 주형(mold)을 만든다. 간단하고 저렴하게 필름 마스크(film mask)를 제작하여 실리콘 기판(silicon wafer) 위에 주형을 제작하였다. 물론 이밖에도 다양한 주형을 만드는 방법을 사용할 수 있다. (Angew. Chem. Int. Ed. 37: 550-575, 1998)

상기 도 1에서 설명한 바와 같은 채널 모양이 생성된 주형 위에 PDMS 프리-폴리머(pre-polymer, Sylgard 184, Dow Corning; A:B = 10:1) 용액을 기판 위에 부은 다음, 약 80??의 오븐에서 가열시켜 정형화시켰다. 이후 상기 주형 위에서 정형화된 음각의 PDMS 칩을 분리해 내고, 상기 PDMS 칩 상부에 새로운 PDMS 밑판을 플라스마 처리를 통해 접합시키면 상기 PDMS 칩의 음각으로 찍혀 나온 형태가 상기 채널들을 형성하게 되는 것이다. 최종적으로, 상기 PDMS 칩 상부에 미세 채널과 연결되도록 직경 3[㎜]정도의 구멍을 뚫어 상기 4개의 채널 연결부들, 즉 시료 주입부(1)와, 배출부(2)와, 조절부(3) 및 통기구멍(4)을 형성시키면 상기 적응형 미세 유체 칩이 제작 완료되는 것이다.

물론, 상기에서 설명한 PDMS를 이용한 몰딩 방식 이외에도 포리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA)와, 폴리아크리레이트(polyacrylates)와, 폴리카보네이트(polycarbonates)와, 폴리실릭 올레핀(polycyclic olefins)과, 폴리이미드(polyimides)와, 폴리우레탄(polyurethanes) 등의 다양한 고분자 재질들을 사용하는 엠보싱(embossing) 혹은 프레싱(pressing) 방식으로도 상기 적응형 미세 유체 칩을 제작할 수 있다. 상기 다양한 플라스틱 재질들로 미세 구조를 제작하는 방식은 소프트 리소그래피(soft lithograhpy)라는 연구 분야에서 다양하게 연구,개발되고 있다(Angew. Chem. Int. Ed. 37: 550-575, 1998). 물론, 상기 플라스틱 재질들뿐만 아니라 유리나 실리콘 등을 사용하여 상기 적응형 미세 유체 칩을 제작할 수 있다.

그러면 여기서 도 3을 참조하여 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석 장치의 구조에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석 장치의 구조를 도시한 사시도이다.

상기 도 3을 참조하면, 먼저 상기 자동 농도 희석 장치는 적응형 미세 유체 칩(20)과, 완충 용액 주입기(21) 및 시료 주입기(22)와, 혼합액 배출기(23)와, 혼합 조절기(24) 및 센서(25)와, 제어기(26)로 구성된다.

상기 도 3에서는 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석 장치의 구조에 대해서 설명하였으며, 다음으로 도 4를 참조하여 상기 자동 농도 희석 장치의 동작 과정에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 4는 도 3의 자동 농도 희석 장치의 동작 과정을 도시한 순서도이다.

상기 도 4를 참조하면, 먼저 상기 자동 농도 희석 장치의 자동 농도 희석 동작은 총 4단계의 동작들, 즉 측정 단계(413단계)와, 혼합물 일부 배출 단계(415단계)와, 완충제 주입 단계(417단계)와, 혼합 단계(419단계)의 동작들로 수행되며, 원하는 농도에 도달할 때까지 상기 센서(25)를 이용한 농도측정 및 시료의 희석 동작이 반복된다.

즉, 상기 자동 농도 희석 장치에 시료가 주입되면(411단계) 상기 주입된 시료의 농도를 측정한다(413단계). 그리고, 상기 측정한 농도가 원하는 농도와 상이할 경우, 즉 원하는 농도보다 더 농축된 농도를 가질 경우 상기 주입된 시료를 일부 배출하고(415단계), 완충제를 주입한다(417단계). 상기 완충제를 주입한 후 상기 시료와 완충제를 혼합하여(419단계) 다시 상기 농도 측정을 수행한다. 원하는 농도에 도달할 때까지 상기 동작들을 반복하게 되는 것이다.

상기 적응형 미세 유체 칩(20) 내부의 유체 농도를 측정하기 위해서 상기 적응형 미세 유체칩(20)의 상단에는 광섬유(optical fiber)를 장착하여 램프에서 나온 빛을 상기 적응형 미세 유체칩(20) 내부에 투과시키도록 한다. 여기서, 광원으로는 텅스텐 할로겐(tungsten halogen) 전구를 사용할 수 있다. 또한, 상기 적응형 미세 유체칩(20) 하단에도 광섬유와 연결된 특정 파장 빛의 세기를 분석하기 위해 스펙트럼 분석기(spectrometer)를 사용하여 유체 상태에 대한 흡광도(absorbance)를 측정할 수 있도록 한다.

또한, 상기 적응형 미세 유체 칩(20)내에서의 유체 혼합을 위해서는 외부 압력에 의해 유체가 상기 적응형 미세 유체 칩(20)의 채널내에서 전진 및 후진을 반복함으로써 유체 혼합이 조절되는 '쌍방향 혼합(bi-directional mixing)' 또는 '왔다갔다 혼합(to-and-fro mixing)' 방식을 적용하기로 한다. 일반적으로, 유체는 흔들어 주거나 휘저어 주지 않으면 잘 혼합되지 않는다. 특히, 미세 유체 채널내에서는 층류가 형성되기 때문에 유체 혼합이 더욱 난이하게 된다. 본 발명에서는 상기 적응형 미세 유체 칩(20) 내부의 유체가 능동적으로 이동하여 혼합되도록 함으로써 상기 적응형 미세 유체 칩(20)이 사용되는 장치 및 시스템의 가격 효율성면에서도 이득을 가져오도록 한다.

여기서 상기 '왔다갔다 혼합' 방식에 대해서 설명하면 다음과 같다.

상기 왔다갔다 혼합 방식은 상기 적응형 미세 유체 칩(20)의 채널내에 조절부(3)를 구성하고, 상기 조절부(3)의 반대편에 통기 구멍(4)을 구성하여 공기를 삽입했다가 흡입했다가를 반복함으로써 유체를 혼합하는 방식을 나타낸다. 여기서, 공기를 적정한 양만큼 삽입하는 기능은 일반적으로 미세 유체 칩을 이용한 실험에서 반드시 필요한 시료 주입(sample injection) 장치만으로 구현할 수 있다.

그러면 여기서 도 5를 참조하여 상기 자동 농도 희석 장치의 성능에 대해서 설명하기로 한다.

상기 도 5는 도 3의 자동 농도 희석 장치의 성능 곡선을 도시한 그래프이다.

상기 도 5를 참조하면, 초기 농도 2.94[O.D.]의 흡광도를 갖는 시료를 상기 자동 농도 희석 장치에 주입할 경우 총 10회의 희석 과정을 통해 최종적으로 흡광도 0.54[O.D.]인 시료로 농도를 희석할 수 있다. 여기서 흡광도는 550[nm] 빛에서 측정하였다.

또한, 상기 자동 농도 희석 장치의 가격 효율성을 증가시키기 위해서 비교적 가격이 저렴한 특정 파장의 광원을 사용하기 위해 필터(filter)가 장착된 LED (light emitting diode)를 광원으로 사용하고, 포토 다이오드(photodiode)를 검출기로 사용할 수 있다. 이 경우, 공간적으로 소형화되고 가격면에서 비교적 저렴한 자동 농도 희석 장치를 구현할 수 있게 되는 것이다.

바이오 시료의 농도를 측정하는 광학적인 방법은 여러 가지가 있다. 앞에서 설명한 흡광도(Absorbance, Optical Density)방법 외에 형광(fluorescence)과, 소장파(evanescent wave)와, SPR (surface palsmon resonance) 등이 있다(Review of Scientific Instruments 71, pp. 4361-4374, 2000). 이런 다른 광학 측정 방식들을 사용하여 농도를 측정할 할 수도 있음은 물론이다.

상기에서는 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 자동 농도 희석 장치에 대해서 설명하였으며, 다음으로 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 수질 환경 측정 시료 전처리기에 대해서 설명하기로 한다.

(2) 적응형 미세 유체 칩을 사용한 수질 환경 측정 시료 전처리기

일반적으로 수질 환경 분석에 필요한 성분들은 시간이 경과됨에 따라 그 성분들이 변화된다. 따라서, 측정한 자료의 신뢰도를 향상시키기 위해서는 수질 환경 측정을 상기 측정하고자하는 현장에서 간단한 작업만으로도 수행할 수 있는 장치가 반드시 필요로 된다. 한편, 현재까지 다양한 형태의 휴대용 수질 분석기들, 일 예로 수소 이온 농도(pH) 측정기와, 생물 화학적 산소 요구량(biological oxygen demand, BOD) 측정기와, 부유 물질량 측정기와, 용존 산소량(dissolved oxygen, DO) 측정기와, 총 대장균수 측정기 등의 휴대용 수질 분석기들이 개발되었다. 그러나, 이런 휴대용 분석기들은 그 분석 시료에 따라 극히 제한적으로 사용되고 있다. 그 이유는 상기 휴대용 분석기들이 사용되는 현장의 시료가 상기 휴대용 분석기들의 분석 한도를 넘게 되는 경우가 발생되기 때문이다.

따라서, 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용할 경우 상기 분석 한도를 조절할 수 있기 때문에 현재까지 개발된 휴대용 수질 분석기들의 사용의 제한성을 제거하여 활용성면에서 효율성을 증가시킬 뿐만 아니라 다수의 기능들이 겸비된 다양한 응용 제품들 개발에도 적용할 수 있다는 장점을 가진다.

상기에서는 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 수질 환경 측정 시료 전처리기에 대해서 설명하였으며, 다음으로 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 순차적 농도 및 혼합 비율 구배 제조 공정에 대해서 설명하기로 한다.

(3) 적응형 미세 유체 칩을 사용한 순차적 농도 구배 제조 공정

상기에서 설명한 적응형 미세유체 칩을 이용한 자동 농도 희석 장치에서 배출되는 용액을 살펴보면, 순차적으로(sequential) 배출되는 용액의 농도가 점차 감소됨을 알 수 있다. 즉, 임의의 실험에서 여러 농도들을 가지는 시료들을 사용해야할 경우 상기 자동 농도 희석 장치를 그대로 혹은 변경하여 사용할 수 있다.

상기 자동 농도 희석 장치에서 배출되는 혼합물들을 각 희석 과정별로 분리하여 상기 자동 농도 희석 장치에서 배출되는 혼합물들 각각을 다른 화합물 용액들과 반응시킬 수 있다. 따라서 상기 자동 농도 희석 장치를 사용할 경우 다양한 응용 제품들을 구현할 수 있다.

상기 자동 농도 희석 장치는 로그(log) 형태로 그 배출하는 농도가 감소하지만, 삽입하고 흡입하는 양(volume)을 조절함으로써 순차적인 농도 형태(sequential concentration profile)를 선형적으로(linear) 만들 수 있다. 또한 로그나 선형적 이외에라도 필요에 따른 농도 구배 형태를 가질 수 있다. 이는 어떤 농도 구배 형태(gradient profile)이든지 간단한 계산식을 따라 구동방법을 바꿈으로 생성할 수 있기 때문이다.

상기 자동 농도 희석 장치에서 배출하는 용액은 기본적으로 그 농도가 변화하는 연속적인 유체이다. 그러나 농도 형태 사용에 있어 필요하다면, 상기 자동 농도 희석 장치의 배출부의 동작을 제어하면 상기 자동 농도 희석 장치에서 배출하는 유체를 각각 다른 농도의 독립된 유체 방울들로 배출할 수 있다.

또한, 상기에서 설명한 상기 자동 농도 희석 장치의 동작을 변형함으로써 다양한 혼합 비율을 갖는 유체 방울을 순차적으로 배출할 수 있다. 여기서, 두 가지 시료들을 혼합할 경우에는 상기 자동 농도 희석 장치의 완충 용액 주입기(21) 및 시료 주입기(22)에 상기 두 가지 시료들 각각을 주입하도록 하면 된다. 또한, 세 가지 이상의 시료들을 혼합할 경우에는 상기 자동 농도 희석 장치에 상기 시료 주입기를 추가적으로 구비하도록 하면 된다.

상기에서는 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용한 순차적 농도 및 혼합비율 구배 제조 공정에 대해서 설명하였으며, 다음으로 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 순차적 농도 및 혼합 비율 구배 제조 공정을 활용한 시간 다중화(time-domain multiplex) 미세 유체 칩에 대해서 설명하기로 한다.

(4) 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 순차적 농도 구배 제조 공정을 활용한 시간 다중화 미세 유체 칩

일반적으로, 평면상에 형성된 구조를 사용하여 유체 혼합을 조절하여 공간적인 농도 기울기를 획득할 수 있다(Anal. Chem. 73: 1240-1246, 2001). (유체 흐름과 같은 방향으로의 유체 혼합) 그러나 상기 유체 혼합 과정에서 얻은 농도 기울기 형태를 실제 실험에서 활용하는데는 어려움이 따른다. 여러 반응을 독립적으로 각 농도별로 구분하여 반응시키려면 미세 유체 칩(microfluidic chip) 구조에서 상기 농도들 각각을 구분해주어야만 하는 문제점을 가진다. 또한, 다양한 반응을 발생하고 상기 발생한 반응들 각각을 검출하기 위해서는 다수의 반응 장소(chamber)들이 필요하게 된다. 그리고, 상기 다양한 반응 장소들에서의 반응 발생 여부를 검출하기 위해서는 상기 반응 장소들 각각에 검출기를 설치하여 검출하거나 혹은 1개의 검출기를 상기 반응 장소들 각각으로 이동시키면서 검출해야만 한다는 문제점을 가진다.

그러나, 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체칩을 사용할 경우 1개의 반응 장소와 1개의 검출기만을 구비하여도 다양한 농도들 및 혼합 비율들을 실험할 수 있게 된다. 먼저, 상기에서 설명한 바와 같이 배출된 특정한 농도의 독립된 유체 방울을 다른 유체 방울과 혼합함으로써 반응 발생을 검출한다. 그리고 나서, 다음 반응 장소를 비우고 다음 유체 방울과 혼함함으로써 반응 발생을 검출한다. 여기서, 상기 다음 유체 방울은 최초에 혼합되는 유체 방울과는 상이한 농도를 가지기 때문에 서로 다른 조건의 생화학반응이 발생한다.

즉, 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하여 순차적으로 서로 다른 농도의 유체 방울을 배출하는 농도 구배 용액 제조기를 구현할 수 있으며, 이를 이용하여 시간 다중화(time-domain multiplex)를 구현할 수 있다. 미세 유체 칩에서 '시간 다중화'란 다양한 반응들을 동일한 공간에서 서로 다른 시간에서 발생하도록 하여 다양한 실험들을 수행함을 나타낸다. 이 방법은 다양한 실험을 수행하는데 있어, 첫째 미세 유체 칩의 구조를 변경하지 않는 장점, 둘째 동작 소자 및 측정 소자를 증가하지 않는 장점을 갖는다.

상기에서는 본 발명에서 제안하는 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 순차적 농도 및 혼합 비율 구배 제조 공정을 활용한 시간 다중화 미세 유체 칩에 대해서 설명하였으며, 다음으로 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 다중 적응형 미세 유체 칩(multiple adaptive microfluidic chip)에 대해서 설명하기로 한다.

(5) 다중 적응형 미세 유체 칩

상기 다중 적응형 미세 유체 칩을 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

상기 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩을 사용한 다중 적응형 미세 유체 칩의 구조를 도시한 사시도이다.

상기 도 6을 참조하면, 1개의 다중 적응형 미세 유체 칩 상에, 유체의 주입과, 혼합 및 배출 동작이 동일한 채널상에서 수행되도록 하는 유체 채널을 다수개로 구현하게 되면 적응형 미세 유체 처리 동작을 병렬로 동시에 수행할 수 있는 초고속 분석 및 스크리닝(high-throughput screening) 시스템을 구현할 수 있게 된다. 여기서, 상기 다수개의 유체 채널들 각각은 각 시료별로 적절한 주입부와, 배출부 및 조절부와 연결되어 미세 유체 처리(microfluidic processing) 동작을 병렬로 수행하게 되는 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 적응형 미세 유체 칩을 새롭게 제안하고, 상기 제안한 적응형 미세 유체 칩을 사용하여 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석 장치와, 적응형 미세 유체 칩을 사용한 수질 환경 측정 시료 전처리기와, 적응형 미세 유체 칩을 사용한 순차적 농도 및 혼합비율 구배 제조 공정과, 적응형 미세 유체 칩을 사용하는 순차적 농도 및 혼합 비율 구배 제조 공정을 활용한 시간 다중화 미세 유체 칩과, 다중 적응형 미세 유체 칩을 제안함으로써 미세 유체 칩을 적극적으로 활용할 수 있다는 이점을 가진다.

특히, 상기 적응형 미세 유체 칩을 사용하여 유체 제어를 수행할 경우 전자 공학 분야의 자동 이득 제어 방식을 미세 유체 공학 분야에 접목시키는 것이 가능하게 되어 그 응용 분야 및 활용성이 극대화될 수 있다. 일반적으로 거의 모든 트랜스듀서(transducer) 소자는 좁은 영역에서만 선형성(linearity)을 가진다. 따라서 신호의 크기가 상황에 따라 달라지는 경우에는 신뢰성과 정확성을 갖는 시스템 구현이 어렵다. 본 발명의 적응형 미세 유체 칩을 이용하면 이와같은 트랜스듀서의 좁은 선형성문제를 극복할 수 있다. 또한, 본 발명은 일반적인 미세 유체 칩 및 랩온어칩에 구조 변경없이도 다양한 조건의 기능들을 수행할 수 있도록 함으로써 지능적인 분석 시스템을 구현할 수 있다는 이점을 가진다. 즉, 본 발명은 미세 유체 칩 스스로가 다양한 조건들을 실험해보고 그중 최적의 조건을 선택하는 지능형(smart) 시스템 개발에 대한 가능성을 제시하여 지능형 다기능 종합 분석 시스템 역시 구현할 수 있다는 이점을 가진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩의 구조를 도시한 사시도

도 2는 도 1의 적응형 미세 유체 칩의 구조 및 동작 과정을 개략적으로 도시한 도면

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩을 사용한 자동 농도 희석 장치의 구조를 도시한 사시도

도 4는 도 3의 자동 농도 희석 장치의 동작 과정을 도시한 순서도

도 5는 도 3의 자동 농도 희석 장치의 성능 곡선을 도시한 그래프

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 적응형 미세 유체 칩을 사용한 다중 적응형 미세 유체 칩의 구조를 도시한 사시도

Claims (16)

1. 유체의 주입과 혼합 및 배출이 동일한 채널상에서 수행되는 유체 재널과, 상기 유체 채널 상에 연결되어 상기 유체의 주입과 혼합 및 배출을 제어하는 채널연결부를 포함함을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
2. 제1항에 있어서,

   상기 채널 연결부는;

   상기 유체를 주입하는 주입부와,

   상기 주입부를 통해 주입된 유체의 반응된 혼합물을 미리 설정된 설정양씩 배출하는 배출부와,

   상기 적응형 미세 유체 칩을 공기압에 의해 동작시킬 수 있는 외부 장치와 상기 적응형 미세 유체 칩을 연결하는 조절부와,

   상기 적응형 미세 유체 칩 내부의 공기압을 미리 설정한 공기압으로 유지시키는 통기 구멍을 포함함을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
3. 제1항에 있어서,

   상기 유체는 시료와 희석용 완충제임을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
4. 제1항에 있어서,

   상기 채널 연결부는;

   상기 유체를 주입하는 적어도 2개 이상의 주입부들과,

   상기 주입부들을 통해 주입된 유체의 반응된 혼합물을 미리 설정된 설정양씩 배출하는 배출부와,

   상기 적응형 미세 유체 칩을 공기압에 의해 동작시킬 수 있는 외부 장치와 상기 적응형 미세 유체 칩을 연결하는 조절부와,

   상기 적응형 미세 유체 칩 내부의 공기압을 미리 설정한 공기압으로 유지시키는 통기 구멍을 포함함을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
5. 제1항에 있어서,

   상기 적응형 미세 유체 칩은 고분자 재질임을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
6. 제5항에 있어서,

   상기 고분자 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane)와, 포리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate)와, 폴리아크리레이트(polyacrylates)와, 폴리카보네이트(polycarbonates)와, 폴리실릭 올레핀(polycyclic olefins)과, 폴리이미드(polyimides)와, 폴리우레탄(polyurethanes) 중 어느 한 재질임을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
7. 제1항에 있어서,

   상기 적응형 미세 유체 칩은 유리 재질 혹은 실리콘 재질을 가짐을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩.
8. 제1항 내지 제7항의 적응형 미세 유체 칩을 이용한 시료농도의 자동희석 방법.
9. 제1항 내지 제7항의 적응형 미세 유체 칩을 이용한 시료농도의 자동농축 방법.
10. 제1항 내지 제7항의 적응형 미세 유체 칩을 이용한 현장시료의 전처리 방법.
11. 제10항에 있어서, 현장시료의 전처리는 수소이온농도, 생물화학적 산소요구량, 부유물질량, 용존산소량, 총 대장균수 측정에 필요한 시료의 전처리 임을 특징으로 하는 전처리 방법.
12. 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치에 있어서,

    유체의 주입과, 혼합 및 배출이 동일한 채널상에서 수행되는 유체 채널과, 상기 유체 채널 상에 연결되어 상기 유체의 주입과, 혼합 및 배출을 제어하는 채널 연결부를 포함하는 적응형 미세 유체 칩과,

    상기 적응형 미세 유체 칩에 연결되며 상기 유체 채널내 상태 및 특성을 검출하는 센서와,

    상기 검출한 유체 채널내 상태 및 특성에 상응하게 상기 채널 연결부를 동작시키는 구동부를 포함함을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 구동부는 피드백 제어 방식으로 상기 검출한 유체 채널내 상태 및 특성에 상응하게 상기 채널 연결부를 동작시킴을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치.
14. 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법에 있어서,

    유체가 주입되면 상기 주입된 유체의 농도를 측정하는 과정과,

    상기 측정한 유체의 농도가 미리 설정한 농도와 상이할 경우 상기 주입된 유체중 미리 설정된 설정양의 유체를 배출하는 과정과,

    상기 설정양의 유체를 배출한 후 상기 유체의 농도를 희석시키기 위한 완충 유체를 주입하는 과정과,

    상기 유체와 완충 유체를 혼합한 후 상기 유체와 완충 유체가 혼합된 혼합물의 농도가 상기 설정 농도와 동일해 질 때까지 상기 유체 배출 및 완충 유체 주입 과정을 반복하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 유체와 완충 유체를 혼합하는 과정은 상기 유체와 완충 유체를 왔다갔다 혼합(to-and-fro mixing) 방식에 상응하게 상기 유체와 완충 유체를 혼합하는 것임을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법.
16. 제14항에 있어서,

    상기 유체의 주입과, 유체 배출과, 완충 유체 주입 및 상기 유체와 완충 유체를 혼합하는 과정은 피드백 제어 방식에 상응하게 수행됨을 특징으로 하는 적응형 미세 유체 칩을 이용한 미세 유체 제어 장치의 제어 방법.