KR20070066515A

KR20070066515A - 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치

Info

Publication number: KR20070066515A
Application number: KR1020050127795A
Authority: KR
Inventors: 허남; 이정건
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-06-27
Also published as: KR100738087B1; US20070148763A1; US7901633B2

Abstract

다수의 세포를 포함하는 친수성 현탁액으로부터 세포를 정량적으로 분배하는, 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치가 개시된다. 본 발명에 따른 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치는, 다수의 세포를 포함하고 전해질이 첨가된 친수성 현탁액; 전기습윤 현상을 이용하여 다수의 전극 패드로 이루어진 전극 어레이 상에서 상기 친수성 현탁액의 액적을 조작하는 것으로, 상기 친수성 현탁액이 공급되는 주입부와 조작된 액적이 배출되는 적어도 하나의 액적 배출부를 포함하는 액적 조작 유닛; 상기 액적 배출부로부터 받은 액적을 표적부로 토출하는 토출 유닛; 상기 액적 조작 유닛의 패널 상에 분포된 액적들을 광학적으로 감지하는 센싱 유닛; 및 상기 센싱 유닛에서 감지된 신호를 이용하여 상기 각 액적에 포함된 세포 수를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 상기 액적들을 분할, 이송 및 병합하여 세포가 소정 수만큼씩 포함된 액적들이 상기 액적 배출부로 이송되도록 상기 액적 조작 유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.

전기습윤(electrowetting) 현상, 액적 조작(droplet manipulation), 전기전하집중(electric charge concentration)

Description

액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치{Quantitative dispensing apparatus for cell using liquid droplet manipulation}

도 1은 본 발명에 따른 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3은 상기 도 2의 액적 조작 유닛의 전극 어레이 일부를 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 주입부의 실시예를 도시한 평면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 액적 배출부 및 토출 유닛의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 액적 배출부 및 토출 유닛의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.

도 7은 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛의 액적 토출 원리를 보인다.

도 8은 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛의 액적 토출 과정을 보인 다.

도 9a 및 도 9b는 상기 도 5 내지 도 5에 도시된 토출 유닛을 이용하여 세포 현탁액을 토출하는 모습을 보이는 사진이다.

도 10a 및 도 10b는 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛에 의해 토출된 액적을 보이는 사진이다.

도 11은 전기습윤 현상에 의한 접촉각 변화 및 임계전압을 측정하는 실험장치의 예를 도시한 단면도이다.

도 12a 내지 도 12c는 샘플 용액에 미치는 외부 전압의 변화에 따른 접촉각 변화를 보이는 사진들이다.

도 13은 상기 도 11의 실험장치를 이용한 실험에서 샘플 용액의 전해질 농도 변화에 따른 임계전압(Vc) 변화 추이를 나타낸 그래프이다.

도 14는 상기 도 11의 실험장치를 이용한 실험에서 대장균을 포함한 샘플 용액의 전해질 농도에 변화에 따른 임계전압(Vc) 변화 추이를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

20: 하부전극 22: 전극 패드

24: 제1 필름 30: 투명성 상부기판

32: 투명전극 34: 제2 필름

40: 전극 선택부 100: 액적 조작 유닛

110: 주입부 120: 액적 배출부

122: 배출구 130: 드레인부

134: 배수로 200: 센싱 유닛

201: 디지털 카메라 202: 렌즈

300: 토출 유닛 320: 전계형성전극

322: 수용부 323: 토출구

330: 표적판 331: 표적부

340: 지지부재

본 발명은 친수성 현탁액(suspension)에 포함된 세포(cell)의 정량 분배장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기습윤(electrowetting) 기반의 액적 조작 장치를 이용하여 친수성 현탁액의 액적을 조작하면서 상기 액적에 포함된 세포의 수를 분석하여 세포를 정량 분배하는 장치에 관한 것이다. 셀 칩(cell chip)의 제조 등에 필요한 세포의 정량 분배 또는 친수성 액체에 분산된 미세입자의 정량 분배 등에 사용될 수 있다.

일반적으로 셀 칩(cell chip)이란 실리콘, 표면 개질 유리, 폴리프로필렌, 활성화 폴리아크릴아미드 등으로 이루어진 고체 기판 표면에 박테리아, 동물의 세포 등의 세포를 고정시켜 유전자 발현 양상, 유전자 결함, 단백질 생성 등 각종 반응 양상을 분석하는 데에 사용되는 마이크로 칩을 말한다. 살아 있는 세포의 실시간 반응을 통해 기존 방법으로는 측정하지 못했던 세포에 의한 복합적인 생리 신호 를 검출할 수 있어서 매우 유용하다.

셀 칩의 제조를 위해서는 세포의 정량 분배가 필요하다. 고집적도의 셀 칩을 제조하기 위해서는 기판상의 좁은 영역에 미량의 세포 현탁액 액적을 분배하는데, 그 미세 액적에 포함된 세포 수의 균일성이 요구되기 때문이다. DNA, 단백질, 또는 동물성 세포 등의 생체물질 현탁액을 미세 액적 형태로 분배하기 위한 여러 가지 방법과 장치들이 제안되고 있다. 그러나 미세 액적의 부피가 일정하다고 해서 그 미세 액적에 포함된 생체물질도 반드시 일정한 양씩 분배되는 것은 아니다.

특히, 세포 현탁액을 분배하는 경우에는 입자의 크기가 커서 현탁액 내에 균일하게 분산되기 어려워서 액적의 부피를 제어하는 것만으로 그 액적에 포함된 세포의 수를 제어할 수 없다. 또한, 시간이 지날수록 현탁액에서 세포들의 응집이 일어나기 쉽고, 액체의 점도가 변하기 때문에 일정한 부피로 액적을 분배하는 것이 어려울 뿐더러, 각 액적에 포함된 세포 수의 편차가 커지는 경향이 있다. 현탁액 내에서 세포를 고르게 분산시키기 위해서 단위 부피당 세포 수, 즉 세포 현탁액의 농도를 줄이는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 예를 들어 농도를 10⁵cells/ml (=10^-4cell/pl)정도로 낮출 경우, 1pl(피코리터)씩 액적을 분배하여 1개의 세포가 포함된 액적을 얻기 위해서는 10,000번을 분배해야하므로 셀 칩 제조시에 효율성이 크게 떨어지게 된다.

따라서, 세포 현탁액을 미세 액적으로 나눔과 동시에 각각의 액적에 원하는 수의 세포가 포함되도록 정량적으로 분배할 수 있는 장치가 요구된다.

본 발명은 전기습윤 기반의 액적 조작 장치를 이용하여 세포가 포함된 현탁액을 미세한 부피의 액적으로 분배함과 동시에 광센서를 이용하여 각 액적 내의 세포 수를 분석하여 각각의 액적에 세포가 정량적으로 포함되도록 하고, 상기 정량화된 액적을 표적부를 향해 토출할 수 있는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치는, 다수의 세포를 포함하고 전해질이 첨가된 친수성 현탁액; 전기습윤 현상을 이용하여 다수의 전극 패드로 이루어진 전극 어레이 상에서 상기 친수성 현탁액의 액적을 조작하는 것으로, 상기 친수성 현탁액이 공급되는 주입부와 조작된 액적이 배출되는 적어도 하나의 액적 배출부를 포함하는 액적 조작 유닛; 상기 액적 배출부로부터 받은 액적을 표적부로 토출하는 토출 유닛; 상기 액적 조작 유닛의 패널 상에 분포된 액적들을 광학적으로 감지하는 센싱 유닛; 및 상기 센싱 유닛에서 감지된 신호를 이용하여 상기 각 액적에 포함된 세포 수를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 상기 액적들을 분할, 이송 및 병합하여 세포가 소정 수만큼씩 포함된 액적들이 상기 액적 배출부로 이송되도록 상기 액적 조작 유닛을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 액적 조작 유닛은, 하부기판; 상기 하부기판 상면에 배치되고, 서로 전기적으로 분리된 다수의 전극 패드로 이루어지고, 상기 다수의 전극 패드는 적어도 하나의 액적 배출 패드를 포함하는 전극 어레이; 상기 전극 어레이 표면에 배치되고, 절연성 및 소수성을 갖는 제1 필름; 상기 하부기판의 상면에 대향하고 실질적 으로 평행하게 배치된 것으로, 상기 하부기판과의 사이에 소정의 공간을 제공하는 투명성 상부기판; 상기 상부기판의 하면에 배치된 투명전극; 상기 투명전극의 표면에 마련되어 상기 공간과 접하고, 투명성 및 소수성을 갖는 제2 필름; 상기 공간 내에 충전된 비극성 유체; 및 상기 다수의 전극 패드에 각각 연결되고, 제어신호에 따라 상기 전극 어레이 중에서 일부의 전극 패드를 선택하여 소정의 전압을 인가하는 전극 선택부를 포함할 수 있다.

상기 토출 유닛은, 상기 액적 배출 패드와 연결되어 정량의 세포를 포함된 액적을 받는 수용부; 상기 수용부의 수직방향 아래쪽에 마련되어 중력에 의해 하강한 상기 정량의 세포가 포함된 액적을 표적부를 향해 토출하는 토출구를 포함할 수 있고, 상기 센싱 유닛은 디지털 카메라일 수 있다. 상기 디지털 카메라는 상기 액적 조작 유닛의 상면으로부터 일정한 거리에 고정되고, 상기 액적 조작 유닛의 확대 촬영에 적합한 렌즈를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 마이크로 프로세서를 포함하는 장치로서, 상기 센싱 유닛으로부터 입력된 신호를 이용하여 상기 액적 조작 유닛 내의 각 액적에 포함된 세포의 수를 분석하는 정량분석 모듈과, 정량분석 결과를 바탕으로 상기 액적 조작 유닛이 액적을 분할, 이송 및 병합하는 조작을 수행하여 최종적으로 원하는 수의 세포가 각각 포함된 다수의 액적을 형성하여 배출하도록 제어신호를 발생시키는 액적 조작 모듈을 포함하는 소프트웨어에 의해 구동된다. 상기 정량분석 모듈은 상기 액적 조작 모듈의 제어에 따라 액적들의 배치가 달라질 때마다 각각의 액적에 대한 정량분석을 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치에 있어서 상기 토출 유닛은, 상하로 긴 주사 바늘 형상을 가지고, 그 상단은 상기 액적 배출부와 연결되고, 그 내부가 세포가 포함된 액적을 받는 수용부를 이루며, 그 하단에 토출구가 마련된 전계형성전극; 상기 전계형성전극의 하방에 배치되어 상기 토출구에 대응되는 표적부를 지지하는 것으로, 접지되어 있는 표적판; 및 상기 전계형성전극에 소정 전압을 인가함으로써, 상기 토출구와 상기 표적부에 집중된 전하의 쿨롱힘에 의해 세포가 포함된 액적이 상기 표적부로 토출되도록 하는 개방형 전압인가장치를 포함한다.

여기서, 상기 전계형성전극의 상단부를 통해 상기 수용부로 진입한 주로 세포는 중력에 의해 하강하여 상기 토출구에 집중되고, 전기전하집중 현상을 이용한 액적 토출 동작시에 액적에 포함되어 토출된다.

상기 액적 조작 유닛에 이용된 전기습윤(electrowetting) 현상이란 절연막으로 코팅된 전극 위에 극성 유체의 액적을 마련하고, 상기 전극에 전압을 가하면 액적이 접촉각이 변화하는 현상으로서, 좁게는 액적의 외부 전위가 높아지면서 그 절연막과의 접촉각이 작아져서 액적이 퍼지는 현상을 의미한다. 전기습윤 현상을 이용하여 미세 유동을 제어하는 기술은 다수의 연구논문(An investigation of electrowetting-based microactivation, Jul./Aug. 1990, Colgate, Matsumoto: J. Vac. Sci. Technol. A vol. 8#4 p.3625-3633. Electrostatic activation of liquid droplets for microreactor applications, Jul./Aug. 1998, Washizu: IEEEtrans. on Ind. App. v. 34, #4, pp.732-737. 등)을 통해 제시된 바 있다.

이때, 액적의 접촉각(θ)는 일반적으로 아래의 Lippmann-Young의 식을 따른다.

여기서, θ₀는 외부 전압이 0V일 때의 접촉각을 나타내고, γ_LG는 액적 계면의 표면장력을, V는 외부 전압을, 그리고 ε과 d는 각각 절연막의 유전율과 두께를 나타낸다. 위의 식에 의하면, 절연막의 두께가 얇거나, 인가된 외부 전압이 높을 때 작은 접촉각(θ)을 얻을 수 있다. 그런데, 이러한 두 가지 요건은 절연 파괴(dielectric breakdown)라는 문제를 야기한다. 절연막의 두께를 얇게 하는 데는 한계가 있고, 외부 전압을 계속 높이다 보면 일정 전압부터는 접촉각이 더 이상 작아지지 않고, 절연 파괴가 일어나는 임계전압(Vc)이 존재한다. 이러한 임계전압(Vc)은 전기습윤 현상에 따른 액적과 절연막 사이의 접촉각 변화에 한계가 있음을 의미하고, 이는 곧 전기습윤을 이용한 액적 조작 장치의 액적 조작 능력이 상기 임계전압의 높낮이에 따라 달라질 수 있음을 의미한다.

본 발명에 따른 세포 정량 분배장치에서 액적 조작 유닛은 상대적으로 크고 무거운 세포를 포함하는 액적을 움직인다. 다수의 세포를 포함한 친수성 현탁액에는 전해질이 첨가된다. 전해질 첨가는 상기 현탁액 액적을 조작하기 위해 인가될 수 있는 최대의 외부 전압 즉, 임계전압을 높이고, 따라서 액적과 절연막 사이의 접촉각 변화를 증가시킨다. 아울러, 접촉각의 변화 속도도 향상된다. 이러한 장점들로 인해 상기 액적 조작 유닛은 빠른 속도로 다수의 세포를 포함하는 친수성 현탁액의 액적을 원활하게 분할, 이송 및 병합할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 설명하고, 이를 통해 본 발명의 특징 및 장점이 명확해지도록 한다. 첨부된 도면에 도시된 구성요소들의 크기, 두께 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다. 도면에 표시된 동일한 참조번호는 동일한 요소를 가리킨다.

도 1은 본 발명에 따른 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 사시도다. 본 발명에 따른 세포 정량 분배장치는, 전기습윤(electrowetting) 현상을 이용한 액적 조작 유닛(100)과, 상기 액적 조작 유닛(100)의 액적 조작 면을 향해 배치된 센싱 유닛(200), 상기 액적 조작 유닛(100)의 액적 배출부(120)에 연결된 토출 유닛(300) 및 상기 유닛들을 제어하는 제어부(400)를 구비한다.

상기 액적 조작 유닛(100)은 다수의 전극 패드로 이루어진 전극 어레이를 포함한다. 상기 전극 어레이 상에는 다수의 세포가 포함된 친수성 현탁액이 공급되는 주입부(110)와 분할, 이송 및 병합 등의 조작을 거쳐 정량화된 세포를 포함하는 액적을 배출하는 적어도 하나의 액적 배출부(120)가 마련된다. 상기 액적 조작 유닛(100)은 하부기판과 상부기판 사이에 액적 조작이 가능한 공간이 마련된 구조를 가진다. 상기 주입부(110)는 상기 상부기판이 부분적으로 절개되거나, 상기 주입부(110) 대응되는 전극 패드가 마련된 하부기판이 상부기판 밖으로 확장되어 상측으 로 개방될 수 있다. 상기 액적 배출부(120)에 대응되는 전극 패드, 즉 액적 패드는 그 위의 공간에 도달한 액적을 밖으로 배출할 수 있도록 하는 구조의 일 예로서 아래쪽으로 뚫린 배출구(122)를 가질 수 있다. 상기 배출구(122)는 상기 토출 유닛(300)으로 연결된다. 이 외에도 상기 액적 배출부(120)와 상기 토출 유닛(300)을 연결하는 구조는 다양하게 제공될 수 있으며, 전기습윤 현상과 중력을 이용하여 액적을 상기 공간 내부에서 외부로 배출할 수 있는 구조이면 족하다.

상기 액적 조작 유닛(100)는 적어도 하나의 드레인부(130)를 구비할 수 있다. 상기 드레인부(130)는 그에 대응되는 전극 패드, 즉 드레인 패드와 상기 드레인 패드 위의 상기 공간과 외부를 연결하는 배수로(134)를 포함한다. 상기 드레인 패드는 그 가운데에 마련된 배수구(132)를 통해 배수로(134)와 연결될 수 있다. 상기 드레인부(130)는 상기 액적 조작 유닛(100)의 작동 중에 세포를 포함하지 않는 불필요한 액적을 외부로 배출시킬 수 있도록 한다.

상기 센싱 유닛(200)은 상기 액적 조작 유닛(100)의 액적 조작 면을 향해 배치되어, 상기 전극 어레이 상에 분포된 각각의 액적에 포함된 세포의 수를 광학적으로 감지한다. 상기 센싱 유닛(200)은 디지털 카메라(201)일 수 있다. 상기 디지털 카메라(201)는 상기 액적 조작 유닛(100)의 상면으로부터 일정한 거리에 고정되고, 그 거리에서 상기 액적 조작 유닛의 전면을 커버하는 확대 촬영에 적합한 렌즈(202)를 구비하는 것이 바람직하다. 디지털 카메라(201)는 상기 렌즈(202)에 의해 형성된 상을 CCD 또는 CMOS센서 등의 촬상소자를 통해 디지털 신호로 변환하여 제어부(400)로 입력한다.

상기 제어부(400)는 상기 센싱 유닛(200)으로부터 입력된 신호를 분석하여 포착된 각 액적에 포함된 세포의 수를 세고, 원하는 수의 세포가 포함된 액적들이 얻어질 때까지 상기 액적 조작 유닛(100)에 제어신호를 인가하여 액적을 반복적, 선택적으로 분할, 이송 및 병합한다. 상기 제어부(400)는 마이크로 프로세서를 포함하는 전용의 연산장치일 수도 있고, 정량 분석 모듈과 액적 조작 모듈을 포함하는 소프트웨어에 의해 작업을 수행하는 범용 컴퓨터일 수도 있다.

상기 토출 유닛(300)은 상기 액적 배출 패드와 연결되어 정량의 세포를 포함한 액적을 받는 수용부와 상기 수용부의 수직방향 아래쪽에 마련되어 중력에 의해 하강한 상기 정량의 세포가 포함된 액적을 표적부로 토출하는 토출구를 포함한다. 다양한 형태의 장치가 채용될 수 있으며, 일 예로서 전기전하집중(electric charge concentration) 현상을 이용한 것일 수 있다. 이 경우, 상기 토출 유닛(300)도 상기 제어부(400)에 연결되고 그 제어 신호에 따라 작동될 수 있다.

이상에서 다수의 세포를 포함하는 친수성 현탁액은 전해질을 포함한다. 상기 전해질로는 알칼리금속의 할로겐화물, 알칼리금속 황산염 또는 알칼리금속 질산염 등이 첨가될 수 있다. 전해질의 첨가로 인해 상기 액적 조작 유닛(100)에서 액적 조작을 위해 각각의 전극 패드에 인가될 수 있는 전압의 임계치(Vc)가 증대되고, 따라서 액적의 운동성 및 반응 속도를 포함한 액적 조작 특성이 향상된다.

도 2는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다. 본 실시예에 따른 액적 조작 유닛(100)은 크게 하부기판(20)과 상기 하부기판(20)의 상면에 대향하고 실질적으로 평행하게 배치된 것으로, 소정 거리(d)만 큼 떨어져서 상기 하부기판(20)과의 사이에 소정의 공간(25)을 제공하는 투명성 상부기판(30)으로 이루어진다. 상기 하부기판(20) 상면에는 서로 전기적으로 분리된 다수의 전극 패드(22: E1,E2,E3)로 이루어진 전극 어레이가 마련되고, 상기 전극 어레이 상면에는 절연성 및 소수성을 갖는 제1 필름(24)이 마련된다. 상기 상부기판(30) 및 그 하면에 마련되는 구조물들은 모두 투명성 재료로 만들어진다. 상기 공간(25)에 존재하는 액적(50)이 상면으로 투영되도록 하기 위함이다. 상기 상부기판(30)의 하면에는 투명전극(32)이 마련되고, 상기 공간과 접하는 상기 투명전극(32)의 표면에 투명하고 소수성인 제2 필름(34)이 마련된다. 또한, 상기 다수의 전극 패드(22: E1,E2,E3,…)에 각각 연결되고, 제어신호에 따라 상기 전극 어레이 중에서 일부의 전극 패드를 선택하여 소정의 전압을 인가하는 전극 선택부(40)가 마련된다.

여기서 상기 제1 필름(24)은 패럴린 C™, 또는 금속 산화물 등으로 형성된 절연막과, 테플론 AF 1600 ™등의 소수성막으로 이루어진 다중 막일 수도 있다. 상기 투명전극(32)은 ITO 등의 투명한 도전성 재료로 이루어지고, 상기 상부기판(30) 전체에 걸쳐 일체로 형성될 수 있다. 상기 전극 선택부(40)는 상기 다수의 전극 패드(22: E1,E2,E3,…)에 각각 연결된 다수의 스위칭 소자(S1,S2,S3,…)를 포함할 수 있다. 상기 공간(25)에는 비극성 유체가 충전되는데, 공기일 수도 있고, 친수성 액적(50)의 증발을 막기 위해 오일계 유체일 수도 있다.

도 3은 상기 도 2의 액적 조작 유닛의 전극 어레이 일부를 도시한 평면도이다. 다수의 전극 패드들은 서로 절연갭(g)을 두고 배치된다. 각각의 전극 패드(22) 에는 그 모서리에 요철부가 마련되어, 상기 다수의 전극 패드들은 각각이 인접한 전극 패드와 맞물려 배열된다. 이는 전극 패드들 사이를 액적이 원활히 이동할 수 있도록 하기 위함이다.

도 4는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 주입부의 실시예를 도시한 평면도이다. 주입부(110)는 많은 양의 친수성 현탁액을 저장할 수 있도록 면적이 넓은 제1 주입 전극(R1)이 마련될 수 있다. 상기 제1 주입 전극(R1)은 출구 측이 좁게 형성되고, 상기 출구 측에는 좁은 폭의 제2 및 제3 주입 전극(각각 R2,R3)이 마련될 수 있다.

제2 및 제3 주입 전극(각각 R2,R3)에 전압이 인가되면, 그 표면이 친수성을 띠게 되어 상기 제1 주입 전극(R1) 상의 액적이 상기 제3 주입 전극(R3)까지 확장된다. 그 상태에서 제2 주입 전극(R2)에 인가된 전압을 차단하면, 상기 제2 주입 전극(R2) 표면이 다시 소수성을 띠게 되면서 액적이 둘로 분리되고, 작은 크기의 액적이 상기 제3 주입 전극(R3) 상에 위치하게 된다. 상기 주입부(110)는 이러한 방법으로 상기 친수성 현탁액을 조작이 용이한 크기의 액적으로 나누어 공급할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 액적 배출부 및 토출 유닛의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 상기 도 1에 도시된 액적 조작 유닛에서 일 단부에 마련된 액적 배출부(120)와 상기 액적 배출부(120)에 연결된 토출 유닛(300)을 나타낸다. 액적 배출부(120)에 대응되는 전극 패드(22), 즉 액적 배출 패드에는 배출구가 마련되고, 상기 하부기판(30)에는 상기 배출구와 통하는 구멍이 마련된다. 상기 구멍 아래에는 전기 전하 집중 현상을 이용한 토출 유닛(300)이 배치된다.

본 실시예에 따르면, 액적 조작 유닛 내부의 공간에는 오일계 유체(25L)가 충전되어 있고, 상기 액적 배출 패드 상면은 항상 친수성을 띠도록 유지하여 상기 오일계 유체(25L)가 그 위를 침범하지 못하도록 한다. 따라서, 상기 액적 배출 패드 상면에는 친수성 재료로 형성되거나, 친수성 표면 처리된 절연성 막(23)이 배치될 수 있다. 반면, 상기 액적 배출 패드에 소정 전압을 지속적으로 인가하여 친수성을 유지시킬 수도 있음은 물론이다. 액적 조작에 의해 상기 오일계 유체(25L)를 빠져나와 상기 액적 배출 패드로 진입한 친수성 현탁액(50)은 상기 배출구를 통해 토출 유닛(300)으로 이동한다.

본 실시예에 따른 토출 유닛(300)은 상하로 긴 주사 바늘 형상의 전계형성전극(320)과 상기 전계형성전극(320)의 하방에 배치되고 접지되어 있는 표적판(330), 그리고 상기 전계형성전극(320)에 소정 전압을 인가하는 개방형 전압인가장치(350)를 포함한다. 상기 전계형성전극(320)은 그 상단이 상기 액적 배출부, 좀더 구체적으로는 액적 배출 패드에 마련된 배출구와 연결되고, 그 내부가 세포가 포함된 액적을 받는 수용부(322)를 이루며, 그 하단에 토출구(323)를 구비한다. 상기 표적판(330)의 상면에는 상기 토출구(323)와 대향하는 표적부(331)가 마련된다.

상기 수용부(322)에 액적에 둘러싸인 상태로 세포가 공급되면, 상기 세포(cell)는 주로 중력에 의해 수직으로 하강하여 상기 토출구(323)로 이동한다. 그런 다음 상기 개방형 전압인가장치(350)가 상기 전계형성전극(320)에 전압을 인가하면 상기 토출구(323)와 상기 표적부(331)에 전하가 집중되고, 집중된 전하의 쿨롱힘에 의해 세포가 포함된 액적이 상기 표적부(331)로 토출된다. 상기 개방형 전압인가장치(350)는 상기 제어부(400)에 의해 제어될 수도 있다. 상기 개방형 전압인가장치(350)는 상기 전계형성전극(320)에 직류전압과 교류전압을 동시에 인가할 수 있으며, 그 전압의 세기 및 주파수는 토출하고자 하는 세포의 크기 등 기타의 조건에 따라 상기 제어부(400)에 의해서 제어될 수 있다.

상기 전계형성전극(320)은 금, 백금, 구리 등의 금속재료와 전도성 폴리머와 ITO 글래스 등 다양한 도전성 재료로 형성될 수 있다. 상기 토출 유닛(300)은 상기 전계형성전극(320)을 지지하는 지지부재(340)를 포함하고, 상기 지지부재(340)가 액적 조작 유닛(100)의 일 부분에, 예를 들면 상기 액적 배출부에 해당하는 하부기판(20)에 고정될 수 있다.

상기 토출구(323)는 상기 수용부(322)와 연결되며, 그 하단부에 마련된다. 상기 토출구(323)의 내경은 매우 작게 형성되어 있으므로, 외부에서 힘이 가해지지 않으면 액체(50)가 표면장력에 의해 중력을 이기고 그 토출구(323)에 매달려 있게 된다. 상기 토출구(323) 부근은 소수성(hydrophobic) 처리되어, 상기 액체(50)의 접촉각을 커지게 해서 상기 액체(50)가 토출구(323) 옆으로 흐르지 않게 할 수 있다.

상기 표적판(330)은 셀 칩을 이루는 것으로서, 실리콘, 유리, 폴리머 중에서 선택된 재료로 만들어질 수 있는데, 본 실시예에 있어서는 실리콘으로 이루어져 있다. 상기 표적판(330)은 상기 전계형성전극(320)의 하방에 배치되어 있으며, 특히 상기 전계형성전극(320)과 대략 수직을 이루도록 배치되어 있다. 상기 표적판 (330) 상면에 마련된 표적부(331)에는 상기 토출구(323)로부터 토출된 세포를 고정시킬 수 있는 재료가 코팅되어 있다. 또한 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 표적판(330)에는 다수의 표적부(331)가 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 표적판(330)이 수평방향으로 상기 토출구(323)에 대해 상대적으로 이동하여, 여러 표적부(331)들에 순차적으로 세포가 토출되도록 할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 액적 배출부 및 토출 유닛의 다른 실시예를 도시한 단면도이다. 상기 도 5의 실시예와 대부분 동일하다. 다만, 액적 배출부의 액적 배출 패드 상면에도 전극 어레이 상면의 다른 부분과 마찬가지로 절연성 및 소수성의 제1 필름 층이 형성되어 있다. 이 경우 액적 조작 장치 내부의 공간은 공기(25L)로 충전된다.

상기 도 5와 도 6에 도시된 토출 유닛(300)에서 전기전하집중 현상에 의해 액적이 토출되는 원리 및 과정을 설명하면 다음과 같다. 도 7은 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛의 액적 토출 원리를 보이고, 도 8은 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛의 액적 토출 과정을 보인다.

개방형 전압인가장치(350)가 상기 전계형성전극(320)에 전압을 인가하면, 상기 토출구(323)에 매달려 있는 상기 액체(50)에 표면에 양전하가 충전되게 되며, 그 충전된 양전하에 의해 상기 기판(330)(좀더 구체적으로는 표적부(331))에는 음전하가 유도되게 된다. 따라서, 상기 양전하와 음전하 사이에는 도 5에 점선으로 표시된 바와 같은 전기장이 형성된다.

상기 토출구(323)에 매달려 있는 액적에는 중력(F_g)과, 표면장력(F_c)과, 쿨롱힘(F_e)이 작용하게 됨을 알 수 있다. 그리고, 상기 중력(F_g)과, 표면장력(F_c)과, 쿨롱힘(F_e)은 상기 도 7의 화살표 방향으로 작용하기 때문에, 상기 액적이 하방으로 떨어지기 직전의 상기 중력(F_g)과, 표면장력(F_c)과, 쿨롱힘(F_e)은 다음의 식(1)과 같은 힘의 평형 관계를 유지하게 된다.

중력(F_g) + 쿨롱힘(F_e) = 표면장력(F_c).....식(1)

여기서, 중력(F_g) = ρg△V^drop(단, ρ는 액적의 밀도이고, g는 중력가속도이며, △V^drop는 토출구에 매달려 있는 액적의 부피임)이고,

표면장력(F_c) = 2πRγ(단, R은 토출구의 반경이고, γ은 단위길이당 표면장력임)이며,

쿨롱힘(F_e) = ρ_fE - E²∇ε/2(단, ρ_f는 액적의 자유전하(free charge)이고, E는 전기장의 세기이며, ∇ε은 유전율임)이다. 여기서, 전기력은 전기영동력(ρ_fE)과 유전영동력(-E²∇ε/2)의 합으로 나타내진다. 상기 식(1)에서 중력(F_g)은 토출구에 매달려 있는 액적의 부피에 비례하며, 그 액적의 부피는 매우 작으므로, 결국 식(1)에서 중력(F_g)은 무시할 수 있게 된다.

따라서, 토출구(323)에 매달려 있는 액적의 표면장력(F_c) 보다 큰 쿨롱힘(F_e)을 발생시키게 되면, 그 쿨롱힘에 의해 상기 식(1)의 평형관계가 깨지게 되며, 이에 따라 상기 액적을 상기 표적판(330)의 표적부로 떨어뜨릴 수 있게 된다. 특히, 액적 표면 하단부에만 전하의 대부분이 집중되어 그 부분에만 강한 전기영동력이 작용하므로 작은 크기의 액적을 하방으로 떨어뜨리는데 효율적이다.

도 8을 참조하면서 액적 토출 과정을 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 상기 수용부(322) 내에 현탁액을 공급한 후, 전술한 바와 같이 개방형 전압인가장치(350)가 상기 전계형성전극(320)에 전압을 인가한다. 5V 내지 100kV의 직류성분과, 5V 내지 100kV와 10Hz 내지 1kHz의 교류성분이 중첩된 전압을 인가하면, 토출구(323)에 매달려 있는 액적에는 양전하가 충전되게 되고, 이에 따라 접지되어 있는 표적판에는 음전하가 유도되게 된다. 이때, 500V 내지 10kV의 직류성분과, 500V 내지 10kV와 10Hz 내지 1kHz의 교류성분이 동시에 인가되는 것이 더 바람직하다. 상기와 같은 전압범위 및 주파수 범위를 벗어난 직류성분 및 교류성분이 포함된 전압을 인가하면, 상기 쿨롱힘이 지나치게 작거나 커져서 액적을 효율적으로 떨어뜨릴 수 없게 되므로 바람직하지 않다. 가장 바람직하게는, 2kV의 직류성분 및 500V 및 130Hz의 교류성분이 중첩된 전압을 안가할 수 있다.

쿨롱힘은 생체분자 액적의 하방으로 집중적으로 작용하게 된다. 그리고, 상기 쿨롱힘에 의해 토출구(323)에 매달려 있던 액적은 도 8의 가운데 사진과 같이 표적판(330)으로 흘러 내려 대략 항아리 형상을 띠게 되고, 그 항아리 형상의 액적 에는 목(Neck)이 형성되게 된다. 목이 점점 좁아지면서 액적이 표적판(330)으로 흘러 내리면, 그 액적에 충전되어 있던 양전하가 기판의 음전하와 함께 소멸되게 되며, 이에 따라 토출구(323)에 매달려 있던 액적을 하방으로 끌어당기던 쿨롱힘이 줄어들게 된다. 이와 같이, 액적에 충전되었던 전하가 소멸되게 되어 쿨롱힘이 줄어들 뿐만 아니라 액적의 표면장력이 상기 목을 중심으로 양 방향으로 작용하게 되므로, 상기 액적은 두 개의 액적으로 분리된다. 따라서, 기판(330)에는 도 8의 마지막 사진에 도시된 바와 같이 액적이 떨어져 부착되게 된다.

이때, 전술한 바와 같이 친수성 현탁액 내에 포함된 세포들은 상기 전계형성전극(320) 내에서 중력에 의해 하강하여 상기 토출부에 매달린 액적 하단부에 집중되어 있는 상태이므로, 상기 액적과 함께 토출되어 상기 기판(330)에 부착된다.

도 9a 및 도 9b는 상기 도 5 내지 도 5에 도시된 토출 유닛을 이용하여 세포 현탁액을 토출하는 모습을 보이는 사진이다. 지름이 460㎛인 토출구에 현탁액 액적이 매달려 있다. 액적 내에는 다수의 세포가 상기 액적 표면에 인접하게 집중되어 있는데, 도 9b에서 보이는 바와 같이 액적의 일부가 분리되면서 세포들이 함께 토출되는 것을 확인할 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 상기 도 5 내지 도 6에 도시된 토출 유닛에 의해 토출된 액적을 보이는 사진이다. 세포들은 Trypan blue로 염색되어 있고, 4.0×10⁵cells/㎖ 의 농도를 갖는 현탁액으로부터 토출되었다. 토출된 세포들의 생존 여부를 확인한 결과 도 10a의 경우 19개의 세포 중에 19개 모두 생존하였고, 도 10b의 경우 31개 의 세포 중에 30개의 세포가 생존하였다. 이와 같은 방법으로 반복적으로 확인한 결과 세포의 생존율이 대략 94%였다. 토출 과정을 거치지 않은 세포들의 생존율이 95%였던 점에 비추어 본 발명에 따른 세포 정량 분배장치의 액적 토출 유닛은 세포의 생존에 영향을 미치지 않는 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 세포 정량 분배장치에서 세포를 포함하는 친수성 현탁액에는 전해질이 첨가된다. 이하에서는 도 9 내지 도 12를 참조하면서 전해질 첨가가 본 발명에 따른 장치에 미치는 영향을 살펴본다. 좀더 구체적으로는 본 발명에 따른 액적 조작 유닛의 세포 이송능력에 미치는 영향을 살펴본다.

도 11은 전기습윤 현상에 의한 접촉각 변화 및 임계전압을 측정하는 실험장치의 예를 도시한 단면도이다. 상기 실험장치에는 유리판(70) 위에 ITO박막을 증착하여 기준전극(72)을 마련하고, 그 위에 지름 4mm, 길이 15mm의 유리 튜브(60)를 수직으로 설치하였다. 상기 유리 튜브(60) 내벽에는 ITO 전극(62)을 마련되고, 그 표면에 절연막(64)이 마련되어 있다. 상기 ITO 전극에는 전압인가장치가 연결되어 있다. 상기 절연막(64)으로는 광학적 투명성과 생체 적합성이 우수하며 그 표면이 소수성을 띠는 패럴린C(Parylene C™)를 2.5 ㎛ 두께로 채용하였다.

이같이 구성된 실험장치 내에 샘플 용액으로서 PBS(1mM sodium phosphate, 15mM NaCl, pH7.4)를 주입하고, 그 위에 증발을 막기 위해 오일을 주입하였다. 상기 전압인가장치를 이용하여 전압을 조금씩 높이면서 실험을 진행하였다.

도 12a 내지 도 12c는 샘플 용액에 미치는 외부 전압의 변화에 따른 접촉각 변화를 보이는 사진들이다. 먼저 도 10a는 전압이 0인 상태로 상기 절연막(64)은 소수성을 띠고 있으므로 상기 샘플 용액과의 접촉각이 커서 상기 샘플 용액과 오일의 계면이 가운데가 위로 볼록한 형태를 띠고 있다. 도 10b는 상기 ITO 전극(62)에 임계전압(Vc)보다 낮은 전압이 인가된 상태를 보인다. 샘플 용액과 절연막의 접촉각이 작아져서 상기 계면이 거의 평평해졌다. 도 12c는 상기 ITO 전극에 임계전압(Vc)보다 큰 전압이 인가된 상태다. 절연 파괴가 일어나 스파크와 공기방울이 발생한 것을 보인다.

도 13은 상기 도 11의 실험장치를 이용한 실험에서 샘플 용액의 전해질 농도 변화에 따른 임계전압(Vc) 변화 추이를 나타낸 그래프이다. 샘플 용액에 전해질이 첨가되기 전의 임계전압은 대략 60V였으나, 삼원전해질인 Na₂SO₄를 1mM, 5mM 농도로 첨가함에 따라 임계전압이 각각 80V, 110V로 높아졌고, 이원전해질인 KCl을 1mM, 5mM 농도로 첨가함에 따라 임계전압이 각각 65V, 90V로 높아진 것을 확인할 수 있다. 또한 임계전압의 변화 추이를 보면 각 전해질의 농도가 대략 5mM 내지 10mM인 구간에서 최대값을 가지고, 전해질 농도가 더 높아지면 다시 감소하는 추세를 보인다.

도 14는 상기 도 11의 실험장치를 이용한 실험에서 대장균을 포함한 샘플 용액의 전해질 농도에 변화에 따른 임계전압(Vc) 변화 추이를 나타낸 그래프이다. 비극성 입자인 세포(일 예로서, 대장균(e-coli))가 포함된 현탁액의 경우에도 전해질 첨가에 의해 임계전압이 높아진 것을 확인할 수 있다. 전해질 농도가 0일 때보다 1mM 내지 100mM 일 때 더 높은 임계전압을 갖는다. 다만, 세포가 포함되지 않은 샘 플 용액에 비해 전해질 농도 변화에 따른 임계전압의 변화 추이가 좀더 완만해져서 전해질 농도가 10mM 내지 30mM 농도일 때 임계전압 상승이 가장 두드러진 것을 알 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 임계전압의 상승은 전기습윤 현상을 이용한 액적 조작 장치에서 액적의 접촉각 변화를 증대시키고, DNA, 단백질 등의 생체물질에 비해 상대적으로 무거운 동물성 세포의 이송을 가능케 한다.

본 발명에 따른 장치에서 친수성 세포 현탁액에 첨가될 전해질로는 강한 전해질이 더 바람직하다. 전해질은 이온으로 해리하는 전리도가 높은 것일수록 전기가 잘 통하는데, 이것을 강한 전해질이라 하고, 그 반대의 것을 약한 전해질이라고 한다. 예를 들면 알칼리 금속의 할로겐화물, 산소산 염 등 강한 산과 강한 염기에 의해서 생기는 염이나 강한 산·강한 염기 그 자체 등이 강한 전해질이다. 강한 산이나 염기 자체는 세포의 생존에 영향을 미칠 수 있으므로, 알칼리금속의 할로겐화물, 알칼리금속 황산염 및 알칼리금속 질산염 등이 적합하다.

본 발명에 따른 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치는, 전술한 발명의 구성에 의하여 세포 현탁액을 미세한 부피의 액적으로 분배함과 동시에 각 액적에 세포를 정량적으로 포함시켜 표적부에 제공함으로써 셀 칩의 균일성을 향상시키고, 아울러 생산성을 높이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 움직이는 부재가 없고, 소형화가 용이할 뿐만 아니라, 장치 내에서 이루어지는 일련의 과정이 전기적으로 제어될 수 있다는 장점 이 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니라 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

Claims

다수의 세포를 포함하고 전해질이 첨가된 친수성 현탁액;

전기습윤 현상을 이용하여 다수의 전극 패드로 이루어진 전극 어레이 상에서 상기 친수성 현탁액의 액적을 조작하는 것으로, 상기 친수성 현탁액이 공급되는 주입부와 조작된 액적이 배출되는 적어도 하나의 액적 배출부를 포함하는 액적 조작 유닛;

상기 액적 배출부로부터 받은 액적을 표적부로 토출하는 토출 유닛;

상기 액적 조작 유닛의 패널 상에 분포된 액적들을 광학적으로 감지하는 센싱 유닛; 및

상기 센싱 유닛에서 감지된 신호를 이용하여 상기 각 액적에 포함된 세포 수를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 상기 액적들을 분할, 이송 및 병합하여 세포가 소정 수만큼씩 포함된 액적들이 상기 액적 배출부로 이송되도록 상기 액적 조작 유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치.
제1항에 있어서,

상기 전해질은 알칼리금속의 할로겐화물, 알칼리금속 황산염 및 알칼리금속 질산염으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제2항에 있어서,

상기 전해질은 1mM 내지 100mM의 농도로 첨가된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제3항에 있어서,

상기 전해질은 10mM 내지 30mM의 농도로 첨가된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제1항에 있어서,

상기 액적 조작 유닛은, 세포가 불포함된 액적을 배수하는 적어도 하나의 드레인부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제1항에 있어서,

상기 액적 조작 유닛은,

하부기판;

상기 하부기판 상면에 배치되고, 서로 전기적으로 분리된 다수의 전극 패드로 이루어지고, 상기 다수의 전극 패드는 적어도 하나의 액적 배출 패드를 포함하는 전극 어레이;

상기 전극 어레이 표면에 배치되고, 절연성 및 소수성을 갖는 제1 필름;

상기 하부기판의 상면에 대향하고 실질적으로 평행하게 배치된 것으로, 상기 하부기판과의 사이에 소정의 공간을 제공하는 투명성 상부기판;

상기 상부기판의 하면에 배치된 투명전극;

상기 투명전극의 표면에 마련되어 상기 공간과 접하고, 투명성 및 소수성을 갖는 제2 필름;

상기 공간 내에 충전된 비극성 유체; 및

상기 다수의 전극 패드에 각각 연결되고, 제어신호에 따라 상기 전극 어레이 중에서 일부의 전극 패드를 선택하여 소정의 전압을 인가하는 전극 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 전극 어레이는 상기 다수의 전극 패드들이, 각각의 전극 패드 모서리에 요철부가 마련되어 인접한 전극 패드와 서로 맞물리도록 배열된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 비극성 유체는, 공기 또는 오일인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 투명전극은 상기 투명성 상부기판의 하면 전면(全面)에 걸쳐 일체로 형 성된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 토출 유닛은,

상기 액적 배출 패드와 연결되어 정량의 세포를 포함된 액적을 받는 수용부;

상기 수용부의 수직방향 아래쪽에 마련되어 중력에 의해 하강한 상기 정량의 세포가 포함된 액적을 표적부를 향해 토출하는 토출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 액적 배출 패드는 그 상면이 절연성 및 친수성을 갖는 막으로 덮이거나, 절연성 막으로서 친수성 표면 처리된 것으로 덮여있고,

상기 비극성 유체로는 오일계 유체를 채용하여, 상기 비극성 유체가 상기 액적 배출 패드 상부의 공간을 침범하지 못하도록 한 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제6항에 있어서,

상기 다수의 전극 패드는 적어도 하나의 드레인 패드를 더 포함하고, 상기 드레인 패드는 상기 공간과 외부를 연결하는 배수로와 연결된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제10항에 있어서,

상기 드레인 패드는 그 상면이 절연성 및 친수성을 갖는 층으로 덮이거나, 절연성 층으로서 친수성 처리된 것으로 덮여있고,

상기 비극성 유체로는 오일계 유체를 채용하여, 상기 비극성 유체가 상기 드레인 패드 상부의 공간을 침범하지 못하도록 한 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제1항에 있어서,

상기 센싱 유닛은 디지털 카메라인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제14항에 있어서,

상기 디지털 카메라는 상기 액적 조작 유닛의 상면으로부터 일정한 거리에 고정되고, 상기 액적 조작 유닛의 확대 촬영에 적합한 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
다수의 세포를 포함하고 전해질이 첨가된 친수성 현탁액;

전기습윤 현상을 이용하여 다수의 전극 패드로 이루어진 전극 어레이 상에서 상기 친수성 현탁액의 액적을 조작하는 것으로, 상기 친수성 현탁액이 공급되는 주입부와 조작된 액적이 배출되는 적어도 하나의 액적 배출부를 포함하는 액적 조작 유닛;

상기 액적 배출부로부터 받은 액적을 표적부로 토출하는 토출 유닛;

상기 액적 조작 유닛의 패널 상에 분포된 액적들을 광학적으로 감지하는 센싱 유닛; 및

상기 센싱 유닛에서 감지된 신호를 이용하여 상기 각 액적에 포함된 세포 수를 분석하고, 상기 분석 결과에 따라 상기 액적들을 분할, 이송 및 병합하여 세포가 소정 수만큼씩 포함된 액적들이 상기 액적 배출부로 이송되도록 상기 액적 조작 유닛을 제어하는 제어부를 포함하고,

상기 토출 유닛은,

상하로 긴 주사 바늘 형상을 가지고, 그 상단은 상기 액적 배출부와 연결되고, 그 내부가 세포가 포함된 액적을 받는 수용부를 이루며, 그 하단에 토출구가 마련된 전계형성전극;

상기 전계형성전극의 하방에 배치되어 상기 토출구에 대응되는 표적부를 지지하는 것으로, 접지되어 있는 표적판; 및

상기 전계형성전극에 소정 전압을 인가함으로써, 상기 토출구와 상기 표적부에 집중된 전하의 쿨롱힘에 의해 세포가 포함된 액적이 상기 표적부로 토출되도록 하는 개방형 전압인가장치를 포함하는 액적 조작을 이용한 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 토출 유닛은,

상기 전계형성전극의 상부를 지지하는 지지부재를 더 포함하고,

상기 지지부재는 상기 액적 조작 유닛에 고정된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 개방형 전압인가장치는 직류성분과 교류성분이 중첩된 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제18항에 있어서,

상기 직류성분 및 교류성분은 그 세기가 각각 5V ~ 100kV인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제19항에 있어서,

상기 교류성분의 주파수는 10Hz ~ 1kHz인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 표적판은 실리콘, 유리, 폴리머로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 전계형성전극은 상기 토출구 부근이 소수성 처리된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 전해질은 알칼리금속의 할로겐화물, 알칼리금속 황산염 및 알칼리금속 질산염으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제23항에 있어서,

상기 전해질은 1mM 내지 100mM의 농도로 첨가된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제24항에 있어서,

상기 전해질은 10mM 내지 30mM의 농도로 첨가된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 액적 조작 유닛은, 세포가 불포함된 액적을 배수하는 적어도 하나의 드레인부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 액적 조작 유닛은,

하부기판;

상기 하부기판 상면에 배치되고, 서로 전기적으로 분리된 다수의 전극 패드로 이루어지고, 상기 다수의 전극 패드는 적어도 하나의 액적 배출 패드를 포함하는 전극 어레이;

상기 전극 어레이 표면에 배치되고, 절연성 및 소수성을 갖는 제1 필름;

상기 하부기판의 상면에 대향하고 실질적으로 평행하게 배치된 것으로, 상기 하부기판과의 사이에 소정의 공간을 제공하는 투명성 상부기판;

상기 상부기판의 하면에 배치된 투명전극;

상기 투명전극의 표면에 마련되어 상기 공간과 접하고, 투명성 및 소수성을 갖는 제2 필름;

상기 공간 내에 충전된 비극성 유체; 및

상기 다수의 전극 패드에 각각 연결되고, 제어신호에 따라 상기 전극 어레이 중에서 일부의 전극 패드를 선택하여 소정의 전압을 인가하는 전극 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제27항에 있어서,

상기 전극 어레이는 상기 다수의 전극 패드들이, 각각의 전극 패드 모서리에 요철부가 마련되어 인접한 전극 패드와 서로 맞물리도록 배열된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제27항에 있어서,

상기 비극성 유체는, 공기 또는 오일인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제27항에 있어서,

상기 투명전극은 상기 투명성 상부기판의 하면 전면(全面)에 걸쳐 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제27항에 있어서,

상기 액적 배출 패드는 상기 토출 유닛의 전계형성전극 상단부와 연결된 구멍을 가지고, 상기 구멍을 통해 세포가 포함된 액적이 상기 전계형성전극의 수용부로 이송되도록 하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제31항에 있어서,

상기 액적 배출 패드는 그 상면이 절연성 및 친수성을 갖는 막으로 덮이거나, 절연성 막으로서 친수성 표면 처리된 것으로 덮여있고,

상기 비극성 유체로는 오일계 유체를 채용하여, 상기 비극성 유체가 상기 액 적 배출 패드 상부의 공간을 침범하지 못하도록 한 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제27항에 있어서,

상기 다수의 전극 패드는 적어도 하나의 드레인 패드를 더 포함하고, 상기 드레인 패드는 상기 공간과 외부를 연결하는 배수로와 연결된 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제33항에 있어서,

상기 드레인 패드는 그 상면이 절연성 및 친수성을 갖는 층으로 덮이거나, 절연성 층으로서 친수성 처리된 것으로 덮여있고,

상기 비극성 유체로는 오일계 유체를 채용하여, 상기 비극성 유체가 상기 드레인 패드 상부의 공간을 침범하지 못하도록 한 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제16항에 있어서,

상기 센싱 유닛은 디지털 카메라인 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.
제35항에 있어서,

상기 디지털 카메라는 상기 액적 조작 유닛의 상면으로부터 일정한 거리에 고정되고, 상기 액적 조작 유닛의 확대 촬영에 적합한 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 세포 정량 분배장치.