KR20080019957A - 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 미세 열 측정장치에 있어서, 유리 등과 같은 절연성 재료로 이루어진 기판(10)과; 상기 기판(10)에 형성되는 기준 채널(21, 23) 및 반응 채널(25)로 이루어져 미세 유체인 기준 시료 및 반응 시료를 흘리는 유체 채널부(20)와; 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 주입기(31, 33, 35)로 구성되어, 상기 유체 채널부(20)로 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 주입하는 시료 주입부(30)와; 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 다른 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 배출기(41, 43, 45)로 구성되어, 상기 유체 채널부(20)로 공급된 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 배출하는 시료 배출부(40)와; 상기 기판(10)상에서 상기 기준 채널(21, 23)과 상기 반응 채널(25)의 사이에 소정의 길이만큼 패턴 형성되는 2개의 서모파일(Thermopile)(51, 52)과, 상기 서모파일(51, 52)의 단부에 각각 형성되는 4개의 전극(54~57) 및 상기 전극(54~57)과 접촉하여 열을 측정하는 2개의 멀티미터(58, 59)로 이루어지는 열 측정부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 열 측정장치를 제공한다.

바이오 칼로리메타, 열, 측정장치, 반응, 시료, 온도, 서모커플, 멀티미터, 전극

Description

바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치{Micro heat measuring system in bio-calorimeter}

도 1은 본 발명의 주요 특징부를 개략적으로 나타내는 평면도,

도 2는 본 발명의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 사시도,

도 3은 본 발명의 주요부 구성을 나타내는 사시도,

도 4는 본 발명에 물을 적용시킨 결과를 나타내는 전압-시간의 그래프,

도 5는 본 발명에 스트렙트아비딘(Streptavidin)과 바이오틴(Biotin)을 적용시킨 결과를 나타내는 전압-시간의 그래프,

도 6a 및 도 6b는 종래 마이크로칼사의 열 측정시스템을 나타내는 도면,

도 7은 종래 칼로리메트리 사이언스사의 열 측정시스템을 나타내는 도면이다.

[도면의 주요 부분에 대한 간단한 부호의 설명]

10 기판, 20 유체 채널부,

30 시료 주입부, 40 시료 배출부,

50 열 측정부, 100 미세 열 측정장치,

300 컴퓨터 T 서모커플.

본 발명은 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체 물질과 같은 반응 시료간의 반응열(온도)을 실시간으로 측정하면서 1회에 2개의 반응 시료에 대한 반응열을 측정할 수 있는 미세 열 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 특정 생체 물질과 같은 반응 시료를 반응시킬 때 그 반응을 확인하기 위해서는 많은 전처리 과정들이 필요하다. 이러한 전처리 과정 중 많이 사용되는 방법은 형광을 붙여 빛의 정도로 감지하거나 혹은 마그네틱 비드(Magnetic bead)를 붙여 자석을 이용하여 검출하는 방법이 가장 많이 사용되고 있다.

그런데, 전처리 과정없이 실시간으로 반응의 유무와 정도를 측정할 수 있는 방법은 많지 않지만, 전처리를 행하지 않고 반응을 측정할 수 있는 방법으로 반응시 발생하는 열량을 측정하는 방법이 있다.

이러한 열량 측정방법에 사용되는 열 측정장치는, 아직까지 국내에서 개발된 사례가 없어, 전량 외국으로부터 수입되어 사용되고 있다.

전 세계적으로 칩 상에서 열 측정장치를 구현시키기 위해 많은 노력들이 이루어지고 있고, 한국은 그 연구가 태동단계이며, 대부분 미국과 유럽, 그 중 벨기에와 네덜란드가 주축을 이루고 있다.

현재, 상용화된 열 측정장치로는 미국 마이크로칼(Microcal)사의 ITC(Isothemal Titration Calorimeter) 혹은 칼로리메트리 사이언스(Calorimetry Science)사의 IMC(Isothemal Micro Calorimeter)가 있다.

도 6a 및 도 6b는 종래 마이크로칼사의 열 측정시스템을 나타내는 도면이고, 도 7은 종래 칼로리메트리 사이언스사의 열 측정장치를 나타내는 도면이다.

도 6a에 도시된 바와 같이 종래 마이크로칼사의 열 측정시스템은 ITC(100) 및 컴퓨터(300)로 구성되며, 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 ITC(100)는 2개의 반응 용기(101, 103), 상기 2개의 반응 용기(101, 103)내에 수용되는 기준 시료 및 반응 시료(105, 107), 내부 및 외부 차폐재(106, 108)로 이루어지는 열 측정부(110) 및 시린지(111), 스티어링(113), 플런저(115), 인젝터(117) 및 센서(119)로 이루어지는 시료 주입부(120)로 구성된다.

이렇게 구성된 상기 ITC(100)는 기존의 열량계와 같이 액체 내에서 생체 물질을 반응시켜 액체가 변화한 열량 값을 측정하는 방식을 사용한다. 오늘날 전 세계의 대다수 실험실에서 사용되고 있는 열 측정장치는 대부분이 마이크로칼사의 ITC로서, 미세 열량(1/1000도 이하)을 정확히 측정할 수 있다는 특징이 있다.

또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 종래 칼로리메트리 사이언스사의 열 측정장치는 IMC(100A) 및 컴퓨터(300A)로 구성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 IMC도 매우 안정성이 뛰어난 장비로서, 상기 마이크로칼사와 같이 기본적인 열량계의 원리를 이용하며, 미세 온도차(5/1000도)를 측정할 수 있다는 특징이 있다.

그러나, 상기 IMC의 경우 1대당 가격이 1억원을 초과하고, 이동성이 떨어지며, 아주 많은 반응 시료(반응 시료당 최소 1.4ml 이상)를 필요로 한다. 또한, 극히 소량이면서 고가인 단백질 간의 반응열은 측정이 불가능하다는 문제점이 있었 다.

또한, 상기 IMC의 경우 반응 시료의 양이 매우 많이 필요하고(cell의 경우 0.5ml 이상), 휴대용으로 사용할 수 없으며, 장비의 가격 또한 고가라는 문제점이 있었다.

그리고, 종래의 경우 반응 시간이, 예컨대 80분(4800초) 이상으로서 상대적으로 길고, 장치의 구성이 복잡하며 사용이 어렵다는 문제점도 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 반응에 사용되는 시료의 양이 매우 적으면서 실시간으로 반응을 모니터링할 수 있는 미세 열 측정장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 장치의 사용이 간단하고, 반응 시간이 짧은 미세 열 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 및 그 이외의 목적, 특징, 양상 및 이점은 첨부된 도면과 결합되는 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본원에 있어서 개시되는 발명 중 대표적인 것의 개요를 간단히 설명하면, 이하와 같다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 미세 열 측정장치에 있어서, 유리 등과 같은 절연성 재료로 이루어진 기판과; 상기 기판에 형성되는 기준 채널 및 반응 채널로 이루어져 미세 유체인 기준 시료 및 반응 시료를 흘리는 유체 채널부와; 상기 기준 채널 및 상기 반응 채널의 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 주입 기로 구성되어, 상기 유체 채널부로 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 주입하는 시료 주입부와; 상기 기준 채널 및 상기 반응 채널의 다른 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 배출기(31, 33, 35)로 구성되어, 상기 유체 채널부로 공급된 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 배출하는 시료 배출부와; 상기 기판상에서 상기 기준 채널과 상기 반응 채널의 사이에 소정의 길이만큼 패턴 형성되는 2개의 서모파일(Thermopile)과, 상기 서모파일의 단부에 각각 형성되는 4개의 전극 및 상기 전극과 접촉하여 열을 측정하는 2개의 멀티미터로 이루어지는 열 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 시료 주입부는, 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 강제로 상기 유체 채널부로 주입하는 시료 주입펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유체 채널부의 상기 기준 채널 및 상기 반응 채널은, 네가티브 포토레지스트인 SU-8 및 플라스틱의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 기준 채널 및 상기 반응 채널의 높이는 대략 150~250㎛이고, 상기 기준 채널의 폭은 대략 150㎛이며, 상기 반응 채널의 폭은 대략 300㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 서모파일은, 각각 26쌍의 서모커플(Thermocouple)로 구성되고, 상기 서모커플은 구리 및 니켈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 멀티미터는, 상기 4개의 전극을 통해 측정되는 열을 전압으로 변환하여 LCD 등과 같은 디스플레이를 통해 각각 표시하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 주요 특징부를 개략적으로 나타내는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명의 주요부 구성을 나타내는 사시도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 미세 열 측정장치에 있어서, 절연성 기판(10)과; 미세 유체인 기준 시료 및 반응 시료를 흘리는 유체 채널부(20)와; 상기 유체 채널부(20)로 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 주입하는 시료 주입부(30)와; 상기 유체 채널부(20)로 공급된 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 배출하는 시료 배출부(40)와; 열 측정부(50)를 포함하는 것이 바람직하다.

도 1을 참조하여, 본 발명의 기본적인 원리를 설명한다. 본 발명의 기본적인 원리는 제벡(Seebeck) 효과를 이용하여 발생하는 반응열(온도)을 전압으로 변환하여 측정하는 것이다. 또한, 반응열을 측정함으로써 반대로 반응한 물질을 알아내는 것도 가능하다. 서모커플(Thermocouple)(T)은 서로 다른 2개의 금속을 접합시킨 것으로, 양쪽 금속의 온도차에 의해 전류가 흘러 발생되는 전압을 측정하는 원리를 이용하는 방법이다.

△V= n × S × (TH-TC)

이때 동일한 온도에 대해서도 다른 전압의 크기가 나올 수 있다. 또한, 상술 한 수식에서 출력되는 전압 값(△V)의 변수로는 사용되는 서모커플의 갯수(n), 사용되는 금속의 제벡상수(S) 및 기준이 되는 기준 채널(21, 23)의 온도와 반응 채널(25)의 온도 차이(TH-TC)가 있다.

첫 번째 변수인 서모커플(T)의 갯수, 즉 서모커플(열전쌍)(T)의 직렬 연결된 수(n)는 도출되는 전압의 크기(△V)에 비례한다. 구리(Cu)와 니켈(Ni)이 계속 반복되면서 반응 채널(25)을 중심으로 좌우에 각각 직렬로 26개가 배치되어 2개의 서모파일(51, 53)을 구성한다.

두번째 변수인 제벡상수(S)는 각 금속마다 특정한 제벡상수를 갖는다. 어떤 금속은 +값을, 어떤 금속은 -값의 제벡상수를 갖는다. 이때 2개 금속을 서로 접촉시킬때 2개 금속의 제벡상수의 차이가 크면 동일한 온도 변화에 보다 큰 전압이 출력된다. 예를 들면, 구리(Cu)는 +6.5의 제벡상수 값을 갖고, 니켈(Ni)은 -15의 제벡상수 값을 갖는다. 따라서, 2개의 금속을 이용하여 서모커플을 제작하면 21.5의 제벡상수 차이가 출력된다.

그리고, 마지막으로 기준 채널(21, 23)과 반응 채널(25) 사이의 온도 차이(TH-TC), 즉 기준 채널(21, 23)의 온도는 별다른 처리없이 반응 채널(25)의 온도 변화만를 측정하는 방법이 일반적이었지만, 이 경우 기준 채널(21, 23)의 온도 변화를 미세하게 조절할 수 없기 때문에, 상기 기준 채널(21, 23)에 기준 시료인 유체를 흘려주어 온도를 일정하게 유지시킨다.

상술한 바와 같이, 다수의 서모커플을 직렬 연결하거나 혹은 높은 제벡상수를 갖는 2개의 금속을 접합함으로써 보다 큰 출력전압을 도출할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 반응 채널(25)을 중심으로 좌우 양쪽에 각각 26개의 서모커플로 이루어지는 서모파일(51, 53)을 이용하여 온도를 측정하고 있다. 또, 상기 서모커플(T)을 구성하는 금속으로는 Cu 및 Ni로 구성되며, 50㎛의 폭으로 제작되었다.

게다가, 정확하고 일정한 전압 값을 얻기 위해, 시료 주입기(31, 33)를 통해서 기준 채널(21, 23)로 기준 시료를 공급함으로써 온도를 일정하게 유지한다.

한편, 기준 시료 및 반응 시료의 온도 측정 이외에 또 다른 본 발명의 원리는 반응 채널(25)을 중심으로 양쪽에 각각 26개 서모커플로 구성되는 서모파일(51, 53)을 배치함으로써, 1회에 2개 시료의 온도 측정이 가능하다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기판(10)은 유리 등과 같은 절연성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 멀티미터(58, 59)를 이용하여 4개의 전극(54~57)을 통해 상기 서모파일(51, 53)에서 출력되는 기준 시료 및 반응 시료의 온도를 각각의 전압으로 판독한다.

다음에, 상기 유체 채널부(20)를 구성하는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)은 빛에 민감한 네가티브 포토레지스트인 SU-8 및 플라스틱의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 PDMS는 원료물질을 경화제와 혼합한 후 특정한 형상을 지닌 양각의 주형틀에서 소결시키게 되면, 음각의 형태를 지닌 몰드(mold)를 제작할 수 있다. 이러한 PDMS 몰드를 제작하는 기술은 일종의 플라스틱 가공기술로서 캐스팅(casting), 주입(injection), 핫 엠보싱(hot-embossing) 등 다양한 방법에 의해 소망의 몰딩구조를 얻을 수 있다. 일예로서 실리콘 웨이퍼 상에 SU-8이라는 포토레지스트를 코팅하고, 포토마스크를 이용해서 패턴닝 하게 되면 결과적으로 마스터 (master)가 만들어지며, 이것을 주형으로 하여 PDMS를 캐스팅하고, 소결시키면 스탬프(stamp) 역할을 행할 수 있는 PDMS 몰드를 완성할 수 있다. 이렇게 제작된 PDMS의 장점은 비독성으로 투명하고, 형광측정 등이 빈번한 생물학 실험에 특히 유용한 장점이 있다. 또한, 완성된 PDMS 표면을 플라즈마 처리를 하게 되면 그 표면이 산화되어 친수성으로 표면 특성이 변화됨과 동시에 유리나 또 다른 PDMS 재질과 접합시킬 수 있게 되어 미세유체 채널의 제작 등에도 널리 사용될 수 있다.

또한, 시료 주입부(30)는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 주입기(31, 33, 35)로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 상기 시료 주입부(30)는, 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)로 주입하는 시료 주입펌프(37)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 유체 채널부(20)에 있어서, 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 높이는 모두 같으며, 약 150~200㎛ 정도가 바람직하다. 또, 그 폭은 기준 채널(21, 23)의 경우 약 150㎛, 중앙의 반응 채널의 경우 약 300㎛ 정도가 바람직하다. 그리고, 총 길이는 의미가 없고, 서모커플(열전쌍)(T)이 배치되어 있는 부분의 길이만이 의미를 갖는다(그 이유는 서모커플(T)이 배치되어 있는 곳에서 발생하는 열만이 서모커플로 전달되어 전압의 형태로 도출되기 때문이다.). 상기 서모커플(T)이 배치되어 있는 총 길이는 약 5mm 정도가 바람직하다.

또한, 상기 기준 채널(21, 23)로는 시료 주입기(31, 33)를 통해서 동일한 생체 물질인 기준 시료를 흘려준다. 이때, 기준 시료는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)로 흐르게 되며, 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)에서 검출되는 온도 차이가 서모파일(53)과 전기적으로 연결된 전극(56, 57)을 통해서 멀티미터(59)에 의해 전압 값이 검출된다. 이때, 거의 0의 전압 값이 검출되면, 상기 반응 채널(25)로 시료 주입기(35)를 통해서 반응 시료를 흘려주게 되고, 서모파일(51)과 전기적으로 연결된 전극(54, 55)을 통해서 멀티미터(58)에 의해 전압 값이 검출된다.

다음에, 시료 배출부(40)는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 다른 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 배출기(41, 43, 45)로 구성되며, 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)을 통과한 기준 시료 및 반응 시료를 담을 수 있는 유리 용기로 구성되는 구성되는 것이 바람직하다.

먼저, 기준 시료를 상기 시료 주입기(31, 33)을 통해 주입한 후 시료 주입펌프(37)를 구동하면, 상기 기준 시료가 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)을 통과하여 시료 배출기(41, 43, 45)상에 수집된다. 이때, 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)로 동일한 기준 시료가 흐르기 때문에, 상기 서모파일(53)에 연결된 전극(56, 57)을 통해서 출력되는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 온도 차이는 0이 된다.

이어서, 반응 시료를 상기 시료 주입기(35)을 통해 주입한 후 시료 주입펌프(37)를 구동하면, 상기 기준 시료가 상기 반응 채널(25)을 통과하여 시료 배출 기(45)상에 수집된다. 이때, 상기 반응 채널(25)로 흐르는 반응 시료는 상기 서모파일(51)에 연결된 전극(54, 55)을 통해서 출력되는 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 온도 차이가 측정된다.

이렇게 상기 반응 채널(25)을 중심으로 좌우에 설치된 4개의 전극(54~57)과 전기적으로 연결되는 2개의 멀티미터(58, 59)를 통하여 측정해 보면 약 5uV 이내에서 안정화된다. 본 발명에 의한 실험결과는 약 150~170uV의 결과 값을 보이며, 이 결과 값은 약 1/100~1/1000도 정도를 나타낸다. 따라서, 약 5uV 이내의 결과 값은 온도 차이가 거의 0에 가깝다는 것을 의미한다. 그리고, 이렇게 행하는 이유는 기준 채널(21, 23)의 온도를 일정하게 유지시켜 주기 위한 것이고, 만약 기준 채널(21, 23)에 기준 시료를 흘려주지 않으면 주변의 영향에 따라 10~20uV 정도의 노이즈가 발생한다. 이러한 노이즈를 방지하기 위해 기준 시룔를 흘려주어 온도를 유지하는 것이다.

다음에, 본 발명의 열 측정부(50)는 소정의 길이만큼 패턴 형성되는 2개의 서모파일(Thermopile)(51, 52)과, 상기 서모파일(51, 52)의 단부에 각각 형성되는 4개의 전극(54~57) 및 상기 전극(54~57)과 접촉하여 열을 측정하는 2개의 멀티미터(58, 59)로 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 반응 채널(25)을 중심으로 좌우에 배치된 2개의 전극(54, 55) 및 2개의 전극(56, 57)에 각각 전기적으로 연결된 2개의 멀티미터(58, 59)를 이용하여, 기준 시료 및 반응 시료의 온도 차이를 전압으로서 판독하여 측정한다.

또한, 상기 서모파일(51, 52)은 각각 26개의 서모커플(Thermocouple)(T)로 구성되며, 상기 서모커플(T)은 구리(Cu) 및 니켈(Ni)로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 서모커플(T)의 제작은 먼저 실리콘 웨이퍼에 구리(Cu) 박막을 도포한 후 소정 형태의 라인을 남기고 에칭한다. 다음에, 이 구리(Cu) 라인 상에 니켈(Ni)박막을 도포한 후 소정 형태의 라인을 남기고 에칭한다. 그리고, 소망의 디자인 중 금속 라인의 앞부분과 뒷부분을 서로 접합시켜 서모커플(T)을 제작한다.

보다 구체적으로, 1개의 서모커플(Thermocouple)(T)은 2개의 서로 다른 금속, 예를 들면 구리(Cu)와 니켈(Ni)의 양단을 접합시켜 T1과 T2의 온도 차이가 발생하면, 즉 각각의 서모커플에 온도 변화가 검출되면 전류가 발생되어 각각 전압차가 생기게 된다. 이렇게 발생되는 전압차가 직렬로 연결된 복수의 서모커플(T)을 통하여 증폭되고, 이를 통하여 특정 농도의 특정한 양의 기준 시료 혹은 반응 시료가 반응할 때 일정한 전압 값이 멀티미터(58, 59)를 통해서 판독된다. 또, 이전에 상용화된 장비를 통하여 측정된 동일한 기준 시료 혹은 반응 시료의 전압 값과 비교하여, 보정함으로써 장치의 초기화를 행하거나 혹은 몇 가지 기준 시료 혹은 반응 시료의 전압 값을 측정하고, 기존의 데이터와 비교하여 보정함으로써 장치의 초기화를 행할 수 있다.

그리고, 각각의 서모파일(51, 53)은 26개의 서모커플을 연속적으로 연결, 즉 Cu-Ni-Cu-Ni-Cu-Ni와 같은 형태로 연결하여 구성하는 것이 바람직하다.

게다가, 상기 멀티미터(58, 59)는, 상기 4개의 전극(54~57)을 통해 측정되는 열을 전압으로 변환하여 LCD 등과 같은 디스플레이를 통해 각각 표시하는 것이 바람직하다.

통상, 서모커플(T)이 복수개 연결되어 있는 경우를 서모파일(Thermopile)(T)이라 한다. 상기 서모파일이 1개만 존재하는 경우 2개의 전압 값을 얻기 위해서는 반응 시료를 2회 흘려서 2회의 측정을 행해야 하지만, 본 발명의 경우 2개의 서모파일(51, 53)을 이용하므로, 1회의 열 측정에 의해 2개의 전압 값을 측정할 수 있으므로, 생체 물질인 시료의 열 측정에 걸리는 시간을 절반으로 줄일 수 있다.

다음에, 기준 시료로서 0.25mM 농도의 바이오틴(Biotin), 반응 시료로서 3.75uM 농도의 스트렙트아비딘(Streptavidin)을 준비하여 미세 열 측정을 진행시켰다.

먼저, 시료 주입기(31, 33)상에 기준 시료인 바이오틴을 주입한 후 시료 주입펌프(37)를 구동시켜 1ul/min의 속도로 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)로 흘려주었다. 이후 상기 서모파일(53)에 전기적으로 연결된 2개의 전극(56, 57)과 전기적으로 연결되는 멀티미터(59)에 의해 검출되는 전압 값이 거의 0에 인접할 때, 시료 주입기(35)상에 반응 시료인 스트렙트아비딘을 주입한 후 시료 주입펌프(37)를 구동시켜 1ul/min의 속도로 상기 반응 채널(25)로 흘려주었다. 그리고, 이때 발생되는 전압을 멀티미터(58)를 이용하여 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타낸다.

도 4는 본 발명에 물(water)을 적용시킨 결과를 나타내는 전압-시간의 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시료 주입부(30)의 2개의 시료 주입기(31, 33)를 통해 기준 채널(21, 23)로 물을 주입한 후 일정 시간이 경과하여 2개의 전극(56, 57), 즉 서모파일(53)에서 출력되는 전압을 멀티미터(58)에 의해 측정하여 0에 근접할 때, 다시 시료 주입기(35)를 통해 반응 채널(25)로 물을 주입한 후 2개의 전극(54, 55), 즉 서모파일(51)에 전기적으로 연결된 멀티미터(58)에 의해 측정되는 전압을 나타내는 전압-시간의 그래프이다.

실험이 진행되는 1000초 동안 거의 전압의 변화가 없음을 알 수 있다. 그래프 중 53D로 표시된 라인은 서모파일(53)에서 출력되는 시간 경과에 따른 전압 변동을 나타내는 것이고, 51D로 표시된 라인은 서모파일(51)에서 출력되는 시간 경과에 따른 전압 변동을 나타내는 것이다.

그리고, 도 5는 본 발명에 스트렙트아비딘(Streptavidin)과 바이오틴(Biotin)을 적용시킨 결과를 나타내는 전압-시간의 그래프이다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 스트렙트아비딘(Streptavidin)과 바이오틴(Biotin)을 3개의 시료 주입기(31, 33, 35)를 통하여 각각 기준 채널(21, 23) 및 반응 채널(25)로 공급하여 서모파일(51, 53)을 통해서 얻어진 전압-시간의 그래프이다.

보다 구체적으로, 바이오틴(Biotin)을 시료 주입기(31, 33)를 통하여 각각 기준 채널(21, 23)로 공급한 후 일정 시간이 지난 후 전압 값이 0이 될 때를 기다린 다. 이어서, 약 250초의 시간이 경과한 후 스트렙트아비딘을 시료 주입기(35)를 통하여 반응 채널(35)로 공급하여 얻어지는 결과 값이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 약 850~900초 사이에 스트렙트아비딘의 흐름을 정지시켰다. 도면에 도시된 바와 같이 150~170uV 정도의 전압이 측정되었다. 총 반응에 사용된 시간은 약 1400초로 23분 정도 사용되었다. 이번 측정도 마찬가지로 53E로 표시된 라인은 서모파일(53)에서 출력되는 온도를 전압값으로 표시한 것이고, 51E로 표시된 라인은 서모파일(51)에서 출력되는 온도를 전압값으로 표시한 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 51E와 53E로 도시된 라인은 서로 대칭을 이루고 있다. 이것은 2개의 서모커플(51, 53) 중 어느 한쪽이 P-N타입의 서모커플이고, 다른 한쪽이 N-P타입의 서모커플이기 때문이다. 즉, 한쪽은 Cu-Ni-Cu의 순서로 제작되었으며 다른 한쪽은 Ni-Cu-Ni의 순서로 제작되었기 때문에, 출력 전압은 서로 부호가 반대가 된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 반응 시료의 열 측정시 사용되는 샘플의 양을 줄일 수 있고, 또 1회의 측정을 통해 2개의 데이터를 얻는 동시에, 반응 시간이 약 30분 이내로서 종래에 비해 반응 시간을 대폭 단축할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 장치의 구성이 간단하여 사용이 쉽고, 실시간으로 반응을 모니터링하여 반응 정도를 측정할 수 있고, 온도 유지에 사용되는 기준 시료를 재사용할 수 있다는 효과도 있다.

Claims (7)

1. 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치에 있어서,

   유리 등과 같은 절연성 재료로 이루어진 기판(10)과;

   상기 기판(10)에 형성되는 기준 채널(21, 23) 및 반응 채널(25)로 이루어져 미세 유체인 기준 시료 및 반응 시료를 흘리는 유체 채널부(20)와;

   상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 주입기(31, 33, 35)로 구성되어, 상기 유체 채널부(20)로 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 주입하는 시료 주입부(30)와;

   상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 다른 한쪽 단부에 각각 설치되는 3개의 시료 배출기(41, 43, 45)로 구성되어, 상기 유체 채널부(20)로 공급된 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 배출하는 시료 배출부(40)와;

   상기 기판(10)상에서 상기 기준 채널(21, 23)과 상기 반응 채널(25)의 사이에 소정의 길이만큼 패턴 형성되는 2개의 서모파일(Thermopile)(51, 52)과, 상기 서모파일(51, 52)의 단부에 각각 형성되는 4개의 전극(54~57) 및 상기 전극(54~57)과 접촉하여 열을 측정하는 2개의 멀티미터(58, 59)로 이루어지는 열 측정부(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 시료 주입부(30)는, 상기 기준 시료 및 상기 반응 시료를 강제로 상기 유체 채널부(20)로 주입하는 시료 주입펌프(37)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유체 채널부(20)의 상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)은, 네가티브 포토레지스트인 SU-8 및 플라스틱의 일종인 PDMS(polydimethylsiloxane)로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 기준 채널(21, 23) 및 상기 반응 채널(25)의 높이는 대략 150~250㎛이고, 상기 기준 채널(21, 23)의 폭은 대략 150㎛이며, 상기 반응 채널(25)의 폭은 대략 300㎛인 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
5. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 서모파일(51, 52)은, 각각 26쌍의 서모커플(Thermocouple)(T)로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 서모커플(T)은 구리(Cu) 및 니켈(Ni)로 구성되는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.
7. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 멀티미터(58, 59)는, 상기 4개의 전극(54~57)을 통해 측정되는 열을 전압으로 변환하여 LCD 등과 같은 디스플레이를 통해 각각 표시하는 것을 특징으로 하는 바이오 칼로리메타용 미세 열 측정장치.

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