KR20080070947A - 냉각장치 및/또는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오칩의 수용체와 공급시료 사이의 반응으로부터 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있고 바이오칩의 수용체에 시료를 정밀하게 공급할 수 있는, 냉각장치 및/또는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오칩(1)은, 기판(2)의 표면(2a)에 수용체(3)를 부착하여 상기 수용체(3)와 시료(4)와의 반응을 통해 상기 시료(4)를 분석하는 바이오칩으로서, 액상과 기상 사이에 상변화가 일어나는 냉매(20)와 상기 냉매(20)가 순환되는 순환회로(30)를 구비하고, 상기 기판(2)의 이면(2b)에 형성되어서 상기 수용체(3)와 상기 시료(4)의 반응부위(5)로부터 발생하는 열을 냉각시켜 상기 반응부위(5)의 온도를 목적하는 온도로 냉각시키는 냉각장치(10)를 포함한다. 본 발명에 따른 바이오칩은, 시료(4)를 미세채널(7)을 통해 수용체(3)로 공급하는 바이오칩으로서, 상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 공급량을 제어하는 시료공급제어장치(40)를 포함하고, 상기 시료공급제어장치(40)는, 소정 위치의 상기 미세채널(7)의 둘레에 설치된 가열수단(41)을 포함하고, 상기 가열수단(41)은 상기 미세채널(7)에 있는 상기 시료(4)를 선택적으로 가열하여 상기 시료(4)로부터 버블(8: bubble)을 발생, 성장 및 소멸시킴으로써 상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 흐름을 제어한다.

Description

냉각장치 및/또는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩{Biochip Having Cooling Device And/Or Sample Supply Control Device}

도1은 본 발명에 따른 예시적인 바이오칩의 개념을 보여주는 개략 평면도,

도2는 본 발명에 따른 예시적인 바이오칩의 개념을 보여주는 개략 단면도,

도3은 예시적인 냉각장치의 개략도,

도4는 다수 냉각장치가 적용된 본 발명에 따른 예시적인 바이오칩의 저면도,

도5는 예시적인 시료공급제어장치가 적용된 미세채널의 개략 단면도,

도6은 예시적인 시료공급제어장치에 의한 버블의 밸브작동 개략도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 본 발명의 바이오칩 2: 기판 2a: 기판의 표면

2b: 기판의 이면 3: 수용체 4: 시료

5: 반응부위 6: 저장조 7: 미세채널

7a: 굴곡부 8: 버블 10: 냉각장치

20: 냉매 30: 순환회로 31: 냉매저장부

32: 증발부 32a: 증발부채널 33: 응축부

33a: 응축부채널 34: 기상냉매이동부 35: 액상냉매이동부

36: 단열부 40: 시료공급제어장치 41: 가열수단(전열선)

(기술분야)

본 발명은 바이오칩에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 바이오칩의 수용체와 공급시료 사이의 반응으로부터 발생하는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있고 바이오칩의 수용체에 시료를 정밀하게 공급할 수 있는, 냉각장치 및/또는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩에 관한 것이다.

(배경 기술)

바이오칩(또는 바이오센서)은 분석대상물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체와 상기 분석대상물질 간의 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석대상물질을 선택적으로 감지할 수 있는 생물학적 소자이다. 생물학적 수용체는 분석대상물질을 선택적으로 인식함과 동시에 변환기가 측정할 수 있는 신호를 발생시키는 역할을 하는 생체분자로서, 단백질, DNA, 효소, 세포, 호르몬, 생체막 등이 사용된다.

일반적으로 분석대상물질에 대한 인식 과정이 가역적으로 진행되어 연속적인 측정이 가능한 것을 바이오센서라 하고, 바이오센서 중에 인식 과정이 비가역적으로 진행되는 경우(예, 항원-항체 상호작용 또는 DNA의 하이브리드 형성)를 바이오칩이라고 구분하고 있지만, 바이오칩과 바이오센서의 경계가 모호해지고 있으므로 본 발명에서 바이오칩이라 함은 칩 형태의 바이오센서를 포함하는 포괄적인 개념으 로 사용한다.

바이오칩은 생물학, 화학, 물리학, 전자공학, 재료공학 등 자연과학 전반에 걸친 통합적 기술을 필요로 하고, 다른 분석방법과는 달리 자동화를 통해 수많은 정보를 간단 신속하고 민감하게 해석할 수 있는 장점으로 인하여, 유전자분석이나 혈액검사와 같은 보건의료분야, 생물전자소자와 같은 정보/전자 분야, 생리활성 의약 개발과 같은 정밀화학분야, 식품안정성 검사와 같은 식품분야, 수질검사와 같은 환경분야 등 다양한 분야에 응용되고 있고, 또한 그 응용분야가 점차 확대되고 있다.

바이오칩은 생체물질 수용체의 종류 등에 따라, 수용체로서 DNA 탐침이 내장된 DNA칩, 효소나 항체/항원과 같은 단백질이 사용된 단백질칩 및 미생물을 사용한 세포칩 등으로 구분되고, 또한 마이크로어레이 칩(microarray chip)과 미세유속 칩(microfluidics chip)으로 구분되기도 한다.

마이크로어레이 칩은 수천 혹은 수만 개의 DNA, 단백질, 탄수화물, 펩티드 등을 일정간격으로 배열하여 붙이고 여기에 분석대상물질을 처리하여 결합 양상을 분석할 수 있는 칩(예, DNA칩, 단백질 칩)이고, 미세유속 칩(랩온어칩: Lab on a chip)은 시료의 전처리, 생화학 반응, 검출, 자료해석 등 일련의 단계를 칩 내에 집적하여 자동으로 분석할 수 있도록 만들어진 칩이다.

랩온어칩과 같은 고집적 바이오칩에는 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱수지(PDMS: polydimethylsiloxane, PMMA: Polymethly Methacrylate 등)의 기판을 정밀 가공하고 초미세 기계구조물을 적용하는 마이크로머시닝 기술과 극소량의 유체 를 다루는 미세유체기술 등의 적용을 필요로 한다.

이와 같은 바이오칩의 성능을 개선하기 위해서는, 관련된 생물학, 화학, 물리학, 전자공학, 재료공학 등 다양한 분야에 전반적이고 지속적인 기술 발전이 있어야 할 것이며, 그 중에서 바이오칩에서 발생하는 수용체와 시료(분석대상물질) 간의 반응온도조건을 더욱 정밀하게 제어하고 바이오칩에의 시료 공급의 정밀성을 더욱 향상시키는 것도 하나의 요소이다.

예를 들어, 바이오칩에 있어서 수용체와 시료 사이의 반응온도조건은 수용체와 시료의 종류에 따라 바람직한 적정 온도가 정해져 있고 필요에 따라서는 반응의 진행에 맞게 온도조건을 변화시켜 주어야 정확한 측정 결과를 얻을 수 있는 바, 설계된 바이오칩의 특성에 맞게 바이오칩의 온도를 정밀하게 제어할 수 있다면 바이오칩의 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

저장조의 시료를 미세한 채널을 통해 수용체로 공급하도록 설계된 바이오칩에 있어서, 마이크로 펌프와 마이크로 밸브와 같은 초미세 기계구조물을 적용하지 않으면서도 보다 정밀하게 시료의 공급을 제어할 수 있다면, 이 또한 바이오칩의 성능 개선에 유용할 것이다.

본 발명의 목적은, 바이오칩에서의 수용체와 시료의 반응온도조건을 정밀하게 제어할 수 있는 냉각장치가 구비된 바이오칩을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 저장조의 시료를 미세채널을 통해 수용체로 공급하도록 설계된 바이오칩에 있어서, 저장조로부터 수용체로 보다 정밀하게 시료를 공 급할 수 있는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 냉각장치가 구비된 바이오칩이 제공된다.

본 구체예의 본 발명에 따른 바이오칩은, 기판의 표면에 수용체를 부착하여 상기 수용체와 시료와의 반응을 통해 상기 시료를 분석하는 바이오칩으로서, 액상과 기상 사이에 상변화가 일어나는 냉매와 상기 냉매가 순환되는 순환회로를 구비하고, 상기 기판의 이면에 형성되어서 상기 수용체와 상기 시료의 반응부위로부터 발생하는 열을 냉각시켜 상기 반응부위의 온도를 목적하는 온도로 냉각시키는 냉각장치를 포함한다.

여기에서 상기 순환회로는, 냉매저장부, 증발부, 기상냉매이동부 및 액상냉매이동부를 포함한다.

상기 냉매저장부는, 액상의 상기 냉매가 저장된다.

상기 증발부는, 상기 냉매저장부에 연결된 적어도 하나의 증발부채널을 포함하고, 상기 증발부채널의 내벽과의 표면장력에 의해 액상의 상기 냉매를 상기 냉매저장부로부터 상기 증발부채널로 충전시키며, 상기 반응부위의 위치에 대응하는 위치에 형성되어 상기 반응부위로부터 발생된 열을 흡수하여 상기 증발부채널에 충전된 상기 냉매를 기화시킨다.

상기 응축부는, 상기 증발부의 증발부채널로부터 일정 거리 이격된 적어도 하나의 응축부채널을 포함하고, 상기 증발부채널로부터 이동된 기상의 상기 냉매를 응축시키며, 상기 응축부채널의 내벽과 액상의 상기 냉매와의 표면장력에 의해 응 축부채널을 따라 상기 냉매를 이동시킨다.

상기 기상냉매이동부는, 상기 증발부의 증발부채널과 상기 응축부의 응축부채널 사이에 위치하여 상기 증발부에서 기화된 기상의 상기 냉매를 상기 응축부로 이동시킨다.

상기 액상냉매이동부는, 상기 기상냉매이동부와 격리되게 형성되고, 상기 응축부에서 응축된 액상의 상기 냉매를 상기 냉매저장부로 이송시킨다.

바람직하게, 상기 기판에는 상기 반응부위가 다수개 형성되어 있고, 상기 순환회로는 상기 반응부위에 대응하여 다수 형성되어 있으며, 다수의 상기 순환회로는 상호 연결되어 상기 냉매가 다수의 상기 순환회로에 걸쳐서 순환된다.

본 발명에 따라 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩이 제공된다.

본 구예에의 본 발명에 따른 바이오칩은, 저장조의 시료를 미세채널을 통해 수용체로 공급하는 바이오칩으로서, 상기 미세채널을 통과하는 상기 시료의 공급량을 제어하는 시료공급제어장치를 포함한다.

상기 시료공급제어장치는 소정 위치의 상기 미세채널의 둘레에 설치된 가열수단을 포함하고, 상기 가열수단은 상기 미세채널에 있는 상기 시료를 선택적으로 가열하여 상기 시료로부터 버블(bubble)을 발생, 성장 및 소멸시킴으로써 상기 미세채널을 통과하는 상기 시료의 흐름을 제어한다.

바람직하게, 상기 가열수단이 설치된 부분의 상기 미세채널의 내면에는 상기 시료와의 접촉 면적을 크게 하는 굴곡부가 형성되어 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉각장치 및/또는 시료공급제어 장치가 구비된 바이오칩을 상세히 설명한다. 이하의 구체예는 본 발명에 따른 바이오칩을 예시적으로 설명하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 아니한다.

우선 도1 내지 도4를 참조하여 냉각장치가 구비된 본 발명에 따른 바이오칩의 일 구체예를 설명한다. 본 구체예의 바이오칩(1)은 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱수지(PDMS, PMMA) 등으로 제작된 기판(2)의 표면(2a)에 앞서 언급한 바이오칩에 널리 사용되는 단백질, DNA, 효소, 세포, 호르몬, 생체막 등의 생체분자를 수용체(3)로 부착하고, 여기에 시료(4)를 공급(주입)하여 수용체(3)와 시료(4)를 반응시킴으로써 시료(4)를 분석하는 통상의 바이오칩이다.

도시된 구체예에 있어서는 기판(2)에 다수의 웰(2c)을 형성하여 여기에 수용체(3)를 부착한 예를 도시한 것이다. 일반적으로 바이오칩(1)에는 수용체(3)와 시료(4)가 반응하는 수많은 웰(2c)을 포함하고 있지만, 도1과 도2의 구체예는 설명의 단순화를 위해 단지 1개 또는 4개의 웰(2c)이 구비된 바이오칩을 예시적으로 도시한 것이다.

본 구체예의 특징에 따라, 상기 기판(2)에는 수용체(3)와 시료(4)의 반응부위(5)로부터 발생되는 열을 냉각시켜 반응부위(5)의 상승된 온도를 목적하는 온도로 냉각시켜 바이오칩(1)의 온도를 항온으로 유지하는 냉각장치(10)가 설치된다.

본 구체예의 바이오칩(1)에 적용되는 냉각장치(10)는, 온도에 따라 액상과 기상으로 상변화 하는 냉매(20)와, 냉매(20)가 상변화를 일으키면서 순환하도록 기판(2)의 이면(2b)에 형성된 순환회로(30)를 포함한다.

순환회로(30)는 별도의 기판에 형성하여 이를 바이오칩 기판(2)의 이면(2b)에 부착하는 것도 배제되지는 않지만, 바람직하게 수용체(3)가 부착된 기판(2)의 표면(2a)의 아래에 수용체(3)가 부착되지 않은 이면(2b) 자체를 순환회로(30)를 형성하기 위한 기판으로 사용한다.

상기 냉매(20)로서는, 각각의 바이오칩(1) 마다 특징적으로 결정되는 수용체(3)와 시료(4)의 반응온도조건에 부합할 수 있는 범위 내에서 순환회로(30)를 통해 순환하면서 액상과 기상 간에 상변화를 일으키면서 목적하는 온도로 반응부위(5)의 열을 냉각시킬 수 있는 냉매(20)가 적용된다.

본 구체예의 냉각장치(10)에 있어서의 냉매(20)의 순환은, 기본적으로 냉매(20)와 이에 접하는 기판(2) 사이의 표면장력에 의존하는 것이고, 냉매(20)의 표면장력은 이에 접하는 소재에 따라 달라지므로, 냉매(20)는 바이오칩(1)에 사용된 기판(2)의 소재에 따라 이에 적절히 선택하여 적용할 수 있다.

적용 가능한 냉매(20)로서는, 잠열과 표면장력이 크고 오염의 염려가 없는 물이 바람직하고, 아울러 비-프레온 계열의 통상적인 냉매(20), 메탄올, 에탄올 등을 사용할 수도 있다. 특히 물이나 알코올 계 냉매(20)의 경우 열용량이 크고 기판 내벽과의 표면장력에 의한 접촉각이 작아서 냉매(20)의 유속이 높아 열전달율이 높으므로 바람직하다.

상기 순환회로(30)는 바람직하게 바이오칩(1)의 기판(2)에 직접 형성되는 바, 널리 알려진 실리콘, 유리, 수정, 플라스틱수지(PDMS, PMMA) 등의 가공방법을 적용하여 바이오칩(1)을 형성하는 기판(2)의 이면(2b)에 직접 형성할 수 있다.

순환회로(30)는 냉매저장부(31), 증발부(32), 응축부(33), 기상냉매이동부(34) 및 액상냉매이동부(35)를 포함하는 구성으로 되어 있으며, 냉매저장부(31)에 저장된 액상의 냉매(20)가 증발부(32)를 거쳐 기화하면서 열을 흡수하고 응축부(33)를 거쳐 액화하면서 열을 방출하며, 냉매저장부(31)와 증발부(32) 및 응축부(33)는 기상냉매이동부(34)와 액상냉매이동부(35)에 의해 상호 연결되어 전체적으로 폐쇄된 회로를 형성한다.

상기 냉매저장부(31)는 액상의 냉매(20)가 저장되는 공간으로서, 순환회로(30)에서의 냉매순환의 시발점이며, 적용되는 바이오칩(1)의 특성에 맞는 적당한 용량으로 형성된다.

상기 증발부(32)는 냉매(20)가 나가는 냉매저장부(31)의 출구 쪽에 상기 반응부위(5)의 위치에 대응하는 위치에 형성되며, 냉매저장부(31)에 연결된 하나 이상(바람직하게 다수)의 증발부채널(32a: 예, 폭 100㎛ 이하의 채널)을 포함한다. 냉매저장부(31)의 액상의 냉매(20)는 증발부채널(32a)의 내벽과의 표면장력과 모세관현상에 의해 증발부채널(32a)로 충전되며, 이때 냉매(20)는 증발부채널(32a)을 지나면서 그 위에 위치한 기판(2)의 표면(2a)의 반응부위(5)로부터 발생한 열을 흡수하여 기화되면서 반응부위(5)를 냉각시키게 된다.

증발부채널(32a) 내에서의 냉매(20)의 이동은 기판(2)과의 사이의 표면장력에 의한 것이므로 증발부채널(32a)의 길이와 단면적 등은 표면장력이 중력보다 크게 되도록 하는 범위에서 설정된다.

증발부채널(32a)에서의 액상냉매에 의한 메니스커스(meniscus)의 접촉각을 작게 하기 위해 기판(2)의 내벽을 친수성 처리 할 수 있으며, 친수성 처리로서는 예를 들어 도금처리, 도장처리, 코팅처리, 착색처리, 아노다이징처리, 플라즈마처리, 레이저처리 등을 적용할 수 있다. 또한 발열되는 반응부위(5)로부터의 열전도율을 향상시킬 수 있도록 증발부채널(32a) 내벽의 표면 거칠기를 조절할 수도 있다.

도시된 구체예에 있어서 증발부채널(32a)은 냉매저장부(31)로부터 평행하게 뻗은 다수의 채널로 되어 있고, 동일평면상에 단면 사각형 형상으로 단층(1열)으로 배열된 예를 예시하고 있지만, 단면형상을 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등 다른 형상으로 형성하는 것도 가능하고, 냉매(20)의 냉각효율의 향상을 위해 단층배열이 아닌 다층 배열(예, 상하 2열)이나 지그재그 다층배열 등도 적용 할 수 있다.

아울러 증발부채널(32a)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 증발부채널(32a)의 내벽과 냉매(20)와의 표면장력의 크기를 제어할 수 있으며, 증발부채널(32a)의 내벽에 다수의 홈을 형성하거나 증발부채널(32a)의 길이방향을 따라 채널의 단면적이 변할 수 있도록 복수개의 노드를 설치하여 냉매(20)의 이동 방향을 결정하거나 냉매(20)의 이동 속도를 제어할 수도 있다.

상기 응축부(33)는 증발부(32)의 증발부채널(32a)로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성된 하나 이상(바람직하게 다수)의 응축부채널(33a; 예, 폭 1mm 이하의 채널)을 포함한다. 증발부(32)의 증발부채널(32a)로부터 이동된 기상의(기화된) 냉매(20)는 응축부(33)를 통과하면서 온도가 낮은 주의에 열을 빼앗김으로써 액상의 냉매(20)로 응축된다.

액상의 냉매(20)는 응축부채널(33a)의 내벽과의 사이의 표면장력과 모세관현상에 의해 응축부채널(33a)을 따라 이동된다. 따라서 응축부채널(33a)도 채널 내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 그 단면적 등이 설정된다.

도시된 구체예에 있어서 응축부채널(33a)은 증발부채널(32a)과 동일 평면에 단층으로 단면 사각형으로 형성되어 있는 바, 채널의 단면의 형상을 다른 형상으로 하거나, 응축부채널(33a)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 응축부채널(33a)의 내벽과 냉매(20)와의 표면장력의 크기를 제어하고, 응축부채널(33a)의 내벽에 다수의 홈을 형성하거나 노드를 설치하여 냉매(20)의 이동 방향을 결정하거나 냉매(20)의 이동 속도를 제어할 수 있음은 증발부채널(32a)과 같다.

증발부(32)의 증발부채널(32a)과 응축부(33)의 응축부채널(33a)은 그 사이에 위치하는 기상냉매이동부(34: 예, 2mm 이상의 폭)에 의해 연결되며, 이로써 기상냉매이동부(34)를 통해 증발부(32)에서 기화된 냉매(20)가 응축부(33)로 이동된다.

기화된 기상냉매가 응축부(33)의 방향으로 균일하게 이동할 수 있도록 가이드(34a)들을 형성할 수 있다. 바람직하게 상기 가이드(34a)들은 증발부(32) 쪽 단부보다 응축부(33) 쪽 단부의 단면적을 크게 함으로써 기상냉매의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있다.

응축부(33)와 냉매저장부(31)는 액상냉매이동부(35: 예, 1mm 이하의 폭)에 의해 연결되어 응축된 액상의 냉매(20)가 액상냉매이동부(35)를 통해 다시 냉매저장부(31)로 이송된다.

액상냉매이동부(35)는 바람직하게 1mm 이하의 채널로서, 액상냉매이동부(35)는 기상냉매이동부(34)와 격리되게 형성되어 있으며, 바람직하게 액상냉매이동부(35)와 기상냉매이동부(34)는 냉매(20)의 이동 방향이 서로 다르게 구성된다.

기상냉매이동부(34)와 액상냉매이동부(35)는 단열부(36)에 의해 서로 열적으로 그리고 물리적으로 서로 분리시킴으로써 상호 연교환이 최소화되도록 하는 것이 바람직하다. 단열부(36)는 바이오칩(1)의 기능에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 기판(2)에 밀봉 형성하거나 관통 형성할 수 있다.

도시된 바와 같이, 액상냉매이동부(35)는 증발부(32)와 응축부(33)를 사이에 두고 그 양측에 대칭적으로 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 액상냉매이동부(35)를 대칭적으로 배치하면, 방사방향으로 전도 확산하는 열흐름을 넓은 면적에 효과적으로 대류 확산시킬 수 있고 유로내의 냉매(20)를 충분히 냉각시킬 수 있으며 증발부(32)의 입구온도를 효과적으로 낮출 수 있기 때문에 단위질량 유량당 보다 많은 열에너지를 이송시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기판(2)이 기울어져 중력수두에 의해 어느 한쪽의 액상냉매이동부(35)로의 냉매(20) 순환이 되지 않는 경우 다른 쪽 액상냉매이동부(35)를 통하여 냉매(20)의 유동을 원활히 할 수 있다.

아울러 액상냉매이동부(35)에는 냉매 이동이 중력의 영향을 거의 받지 않도록 액상의 냉매(20)와 액상냉매이동부(35)의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 채널을 형성할 수도 있다. 중력의 영향을 줄일 수 있도록 액상냉매이동부(35)에는 액상냉매의 이동 방향으로 복수개의 홈이나 2개 이상의 유로로 분리하여 형성할 수도 있다.

도시하지는 않았지만 냉매저장부(31)와 액상냉매이동부(35)의 경계부분이나 응축부(33)와 액상냉매이동부(35)의 경계부분에는 액상의 냉매(20)의 이동을 안내하는 복수개의 가이드를 형성하여 냉매(20)의 유동이 급격히 선회함으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있도록 할 수 있다.

냉매저장부(31)는 전술한 바와 같이, 가변적인 열원(반응부위)의 열부하 하에서도 충분한 냉매(20)를 공급할 수 있을 정도의 적절한 체적을 갖도록 구성하되, 증발부(32)에서의 급격한 드라이아웃 현상을 막기 위해 신속히 냉매(20)를 공급할 수 있도록 증발부(32)의 입구 측에 근접하여 설치하는 것이 바람직할 수 있으나, 냉매저장부(31)가 증발부(32)와 너무 근접한 경우 반응부위(5)에서의 발열에 냉매저장부(31)가 노출되어 불필요한 버블이 생성될 수 있다.

버블의 성장은 증발부(32)의 증발부채널(32a)의 입구를 차단하여 냉매(20)의 공급을 중단시켜 증발부(32)내의 냉매(20)의 드라이아웃을 야기할 우려가 있기 때문에 냉매저장부(31)로의 열전달을 억제시키기 위해 냉매저장부(31)와 상기 증발부(32)의 경계에서 반응부위(5)의 열원과 접하는 기판(2)의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 기판(2)의 바닥면의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들면 해당 부위의 기판(2)에 홈을 형성하여 그 두께를 얇게 할 수 있다.

아울러, 일반적으로 바이오칩(1)에는 수많은 웰(2c)을 포함하고 있어 하나의 기판(2)에 다수의 반응부위(5)가 존재하는 것이 일반적인 바, 이와 같은 바이오칩(1)의 특성에 맞도록 기판(2)의 이면(2b)에 다수의 순환회로(30)를 형성할 수 있다.

도4의 구체예는 4개의 순환회로(30)가 배치되어 상호 연결됨으로써 냉매(20)가 각각의 순환회로(30) 내에서 순환할 뿐만 아니라, 각각의 반응부위(5)의 온도 차이에 따라 냉매가 다수의 순환회로(30) 사이를 순환함으로써 전체 반응부위(5)의 온도를 정해진 항온으로 유지시킬 수 있는 예를 도식적으로 예시한 것이다. 도4는 다수의 순환회로(30)의 배치를 예시적으로 도시한 것일 뿐, 실제에 있어서 순환회로(30)의 수와 배치는 바이오칩(1)의 구성에 맞게 매우 다양하게 변형할 수 있다.

이와 같이 본 구체예의 바이오칩(1)에 적용된 냉각장치(10)에 의하면, 바이오칩(1)에 적용된 수용체(3)의 배열에 맞게 냉각장치(10)를 다수로 배열함으로써 전체의 바이오칩(1)의 온도를 수용체-시료 반응에 맞는 최적의 온도로 상태(항온 상태)로 유지할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 구체예에 따른 바이오칩(1)에 적용되는 냉각장치(10)는 반도체소자 제조공정을 응용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 방법이나, SAM(Self Assembled Monolayer) 방법을 응용하여 바이오칩 기판의 이면에 형성할 수 있다.

예를 들어 기판(2)의 이면(2b)을 식각하여 냉매저장부(31), 증발부(32)의 증발부채널(32a), 응축부(33)의 응축부채널(33a), 기상냉매이동부(34) 및 액상냉매이동부(35)를 형성한 후에 이면(2b)을 실리콘 박판 등으로 피복하여 예를 들어 아노딕 본딩(anodic bonding)을 하고, 냉매저장부(31)의 냉매주입홀(도시되지 않음)을 통해 순환회로 내를 진공으로 형성한 다음에, 냉매(20)를 주입한 냉매주입홀을 밀봉하는 방식으로 제작할 수 있다.

이하, 도1, 도2, 도5 및 도6을 참조하여 시료공급제어장치가 구비된 본 발명에 따른 다른 구체예의 바이오칩을 설명한다.

본 구체예의 바이오칩(1)에는 저장조(6)의 시료(4)를 미세채널(7)을 통해 수용체(3)로 공급함에 있어서, 미세채널(7)을 통과하는 시료(4)의 공급량을 제어하는 시료공급제어장치(40)를 포함한다.

상기 시료공급제어장치(40)는 저장조(6)로부터 수용체(3)로 연결되는 시료 공급용 미세채널(7)의 소정의 위치에 설치된 가열수단(41)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

도5에 도시된 바와 같이 상기 가열수단(41)은 미세채널(7)의 둘레에 예를 들어 전열선(예, 직경 300㎛ 이하의 전열선)을 배선함으로서 구축할 수 있으며, 바람직하게 전열선(41: 가열수단)은 미세채널(7)의 일부면(예, 단면 4각인 경우 3면, 단면원형인 경우 원의 3/4)만을 감싸도록 배선함으로써 전열선(41)이 배선되지 않은 곳으로부터 버블(8)이 발생 및 성장하도록 할 수 있다.

일반적으로 바이오칩에는 수용체(3)와 시료(4)가 반응하는 수많은 웰(2c)을 포함하고 있고, 저장조(6)와 이들 웰(2c) 사이에는 수많은 미세채널(7)이 형성되어 있으므로, 각각의 웰(2c)에 대하여 시료(4)의 공급을 제어할 필요가 있을 수 있으므로, 상기 가열수단(41)은 목적하는 시료공급 특성에 맞게 다수의 미세채널(7)의 다수 위치에 설치될 수 있다.

각각의 가열수단(41: 전열선)은 제어부(도시생략)에 전기적으로 연결되어 있고 제어부에 입력된 프로그램에 따라 선택적으로 가열됨으로써 각각의 웰(2c)에 대 하여 서로 다른 순서와 양으로 시료(4)가 공급되도록 제어할 수 있다.

미세채널(7)에 장착된 가열수단(41)으로 미세채널(7)에 있는 시료(4)를 가열하면 시료(4)로부터 버블(8)이 발생하며, 도5에 도시된 바와 같이 버블(8)은 가열온도에 따라 성장 및 축소되고 가열을 멈추면 소멸된다.

따라서 특정 미세채널(7)로의 시료 공급을 차단하고자 할 때에는 해당 미세채널(7)에 설치된 가열수단(41)을 작동시키면, 도6에 도시된 바와 같이 버블(8)이 발생 및 성장하여 해당 미세채널(7)을 차단시키게 되므로 해당 미세채널(7)을 통한 시료 공급을 차단할 수 있다. 버블(8)의 발생으로 시료의 공급이 차단된 상태에서 가열수단(41)을 오프 시키면 버블(8)이 축소 및 소멸하므로 해당 미세채널(7)로 시료를 공급할 수 있다.

즉, 가열수단(41)으로 이루어진 시료공급제어장치(40)에 의하면, 가열수단(41)의 온/오프에 따라 발생, 성장, 축소 및 소멸하는 버블(8)이 미세채널(7)에 설치된 일종의 밸브와 같은 작용을 함으로써 미세채널(7)이 복잡하게 설계된 바이오칩에 있어서 목적하는 웰(2c)에 목적하는 양의 시료를 정확하게 공급할 수 있게 된다.

시료공급제어장치(40)는 열에 의해 시료를 가열하는 것이므로 시료의 일부가 열에 의해 변성될 수 있지만, 직경이 매우 작은 미세채널(7)에 시료 중에 극미량의 시료를 아주 짧은 시간 동안 가열하는 것이므로, 시료의 변성으로 바이오칩의 성능은 거의 저하되지 아니한다.

본 구체예의 바이오칩(1)에서 가열수단(41)이 설치된 부분의 미세채널(7)에 는 미세채널(7)과 시료와의 접촉 면적을 크게 하는 굴곡부(7a)를 형성할 수 있다. 도시된 구체예에서는 상기 굴곡부(7a)로서 이중으로 요홈을 형성한 예를 도시한 것이다.

이와 같이 미세채널(7)에 굴곡부(7a)를 형성하면 가열된 미세채널(7)과 시료의 접촉 면적이 증가하여 보다 신속하게 시료를 가열 및 냉각시킬 수 있으므로, 미세채널(7)에서의 버블 발생 및 소멸을 보다 용이하게 제어할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 냉각장치 및/또는 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩에 의하면, 바이오칩에서의 수용체와 시료의 반응온도조건을 정밀하게 제어할 수 있고, 저장조의 시료를 미세채널을 통해 수용체로 공급함에 있어서 저장조로부터 수용체로 보다 정밀하게 시료를 공급할 수 있게 되므로, 바이오칩의 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 기판(2)의 표면(2a)에 수용체(3)를 부착하여 상기 수용체(3)와 시료(4)와의 반응을 통해 상기 시료(4)를 분석하는 바이오칩에 있어서,

   액상과 기상 사이에 상변화가 일어나는 냉매(20)와 상기 냉매(20)가 순환되는 순환회로(30)를 구비하고, 상기 기판(2)의 이면(2b)에 형성되어서 상기 수용체(3)와 상기 시료(4)의 반응부위(5)로부터 발생하는 열을 냉각시켜 상기 반응부위(5)의 온도를 목적하는 온도로 냉각시키는 냉각장치(10)를 포함하고;

   상기 순환회로(30)는, 액상의 상기 냉매(20)가 저장되는 냉매저장부(31);

   상기 냉매저장부(31)에 연결된 적어도 하나의 증발부채널(32a)을 포함하고, 상기 증발부채널(32a)의 내벽과의 표면장력에 의해 액상의 상기 냉매(20)를 상기 냉매저장부로(31)부터 상기 증발부채널(32a)로 충전시키며, 상기 반응부위(5)의 위치에 대응하는 위치에 형성되어 상기 반응부위(5)로부터 발생된 열을 흡수하여 상기 증발부채널(32a)에 충전된 상기 냉매(20)를 기화시키는 증발부(32);

   상기 증발부(32)의 증발부채널(32a)로부터 일정 거리 이격된 적어도 하나의 응축부채널(33a)을 포함하고, 상기 증발부채널(32a)로부터 이동된 기상의 상기 냉매(20)를 응축시키며, 상기 응축부채널(33a)의 내벽과 액상의 상기 냉매(20)와의 표면장력에 의해 응축부채널(33a)을 따라 상기 냉매(20)를 이동시키는 응축부(33);

   상기 증발부(32)의 증발부채널(32a)과 상기 응축부(33)의 응축부채널(33a) 사이에 위치하여 상기 증발부(32)에서 기화된 기상의 상기 냉매(20)를 상기 응축 부(33)로 이동시키는 기상냉매이동부(34); 및

   상기 기상냉매이동부(34)와 격리되게 형성되고, 상기 응축부(33)에서 응축된 액상의 상기 냉매(20)를 상기 냉매저장부(31)로 이송시키는 액상냉매이동부(35)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각장치가 구비된 바이오칩.
2. 제1항에 있어서, 상기 기판(2)에는 상기 반응부위(5)가 다수개 형성되어 있고, 상기 순환회로(30)는 상기 반응부위(5)에 대응하여 다수 형성되어 있으며, 다수의 상기 순환회로(30)는 상호 연결되어 상기 냉매(20)가 다수의 상기 순환회로(30)에 걸쳐서 순환되는 것을 특징으로 하는, 냉각장치가 구비된 바이오칩.
3. 시료(4)를 미세채널(7)을 통해 수용체(3)로 공급하는 바이오칩에 있어서,

   상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 공급량을 제어하는 시료공급제어장치(40)를 포함하고;

   상기 시료공급제어장치(40)는, 소정 위치의 상기 미세채널(7)의 둘레에 설치된 가열수단(41)을 포함하고, 상기 가열수단(41)은 상기 미세채널(7)에 있는 상기 시료(4)를 선택적으로 가열하여 상기 시료(4)로부터 버블(8: bubble)을 발생, 성장 및 소멸시킴으로써 상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 흐름을 제어하는 것을 특징하는, 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩.
4. 제3항에 있어서, 상기 가열수단(41)이 설치된 부분의 상기 미세채널(7)의 내 면에는 상기 시료(4)와의 접촉 면적을 크게 하는 굴곡부(7a)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩.
5. 제1항 또는 제2 항에 있어서,

   상기 시료(4)는 미세채널(7)을 통해 상기 수용체(3)로 공급되고,

   상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 공급량을 제어하는 시료공급제어장치(40)를 더 포함하고;

   상기 시료공급제어장치(40)는, 소정 위치의 상기 미세채널(7)의 둘레에 설치된 가열수단(41)을 포함하고, 상기 가열수단(41)은 상기 미세채널(7)에 있는 상기 시료(4)를 선택적으로 가열하여 상기 시료(4)로부터 버블(8: bubble)을 발생, 성장 및 소멸시킴으로써 상기 미세채널(7)을 통과하는 상기 시료(4)의 흐름을 제어하는 것을 특징하는, 냉각장치와 시료공급제어장치가 구비된 바이오칩.

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