KR20090010510A - 유체분석용 칩 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 미세채널이 구비된 유체분석용 칩에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제공되는 칩은, 각각 외부와 관통된 시료투입구와 시료배출구가 구비되고, 시료투입구와 시료배출구가 폐쇄된 채널에 의해 연통된 구조를 갖는 유체분석용 칩으로서, 상기 채널의 1쌍의 대응하는 내벽이 채널 길이를 따라 일부 또는 전부에서 보다 더 넓은 단면적을 갖는 확장부와 인접하여, 채널을 통과하는 유체가 다른 1쌍의 대응하는 채널 내벽에만 접하여 이동하는, 유체분석용 칩이다.
시료투입구, 시료배출구, 채널

Description

유체분석용 칩{CHIP FOR ANALYZING FLUIDS}
본 발명은 유체가 이동하는 미세채널이 구비된 칩에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 시료투입구와 시료배출구가 구비되고, 시료투입구와 시료배출구가 관처럼 폐쇄된 채널에 의해 연통된 구조를 갖는 유체시료 분석을 위한 칩에 관한 것이다.
유체시료의 생물학적, 화학적 및/또는 광학적 분석은, 화학 또는 생명공학 분야 뿐만 아니라, 임상에서 환자로부터 채취한 혈액 또는 체액 등의 분석, 및 질병의 진단에 주로 이용된다. 유체시료 분석을 보다 더 효율적으로 수행할 수 있는, 보다 더 소형화된 분석 및/또는 진단 장비를 제공하기 위해, 다양한 종류의 칩 구조물이 개발되어 이용되고 있다. 이와 같이, 다양한 기능을 하나의 칩에서 수행하여 분석 및/또는 질병의 진단 효율을 높이고, 신속한 진단키트(rapid kit)의 제조를 가능하게 하는 것이 랩온어칩의 개발이다.
랩온어칩(lab-on-a-chip)은 실험실에서 수행되는 다양한 실험과정 예를 들어, 시료의 분리, 정제, 혼합, 표지화(labeling), 분석, 및 세척 등을 작은 크기의 칩 상에서 구현하는 것을 의미한다. 랩온어칩의 설계에는, 미세유체역학(micro- fluidics), 미세유체조작시스템(micro-LHS) 관련 기술이 주로 이용된다. 또한, 미세유체역학 및 미세유체조작시스템을 구현하는 칩 구조물을 제작함에 있어, 반도체 회로설계 기술을 이용하여 미세한 채널을 칩 내부에 형성시킨 칩이 시판 중에 있다.
일반적으로, 혈액 또는 체액 등의 유체시료로부터 이에 함유된 미량의 분석대상물질을 분석하는 것은, 유체시료를 칩 내부에 형성된 관 구조의 채널을 통해 이동시키면서 칩에 미리 고정화시킨 항원 또는 항체 등의 단백질, 또는 다른 물질과의 반응 여부를 형광물질 등의 검출을 통해 분석하는 것을 포함한다. 따라서, 채널이 구비된 칩 상에서 채널을 통과하여 이동하는 유체의 움직임에 대한 관찰과 채널 구조를 제작하는 기술은, 유체분석을 수행하기 위한 소형화된 칩의 제작과 이러한 칩을 사용하여 정확한 분석결과를 얻는데 있어 가장 핵심적인 기술 요소라 할 수 있다.
미세유체역학을 구현하는 미세채널을 갖는 칩(또는 구조물)에 있어서, 칩 내부의 미세채널에 의해 형성된 공간으로 유체가 이동하도록 하기 위해, 소형 모터를 사용하거나 채널의 폭과 높이를 제한하여 모세관 현상에 의해 유체가 이동하도록 하는 방법이 사용되고 있다. 이 때, 유체의 이동을 유발하는 주요 구동력이 모세관력인 칩의 경우, 채널에 의해 형성된 공간을 흐르는 유체는, 불규칙적이고 불균일한 이동 패턴을 갖는 것으로 조사되었다. 이러한 현상은 채널의 상하 내벽과 유체와의 상호작용에 의한 작용력과 채널의 좌우 내벽과 유체와의 상호작용에 의한 작용력이 상이하기 때문인 것으로 이해된다. 그 결과, 이러한 불균일한 유체이동 패턴은 유체시료에 미량 존재하는 분석대상물질의 검출 및 분석에 커다란 장애 요인이 되고 있다.
한편, 시료투입구와 시료 배출구가 양측 단부에 구비되고, 시료 투입구에 투입된 유체가 관과 같이 폐쇄된 채널을 통해 시료배출구로 배출되는 구조를 갖는 칩은, 일반적으로 상하 2개의 기판을 제작한 후 이를 결합하여 제작한다. 그러나, 이러한 종래방법에 따라 수십 마이크로 미만 크기의 미세한 채널구조를 제작하고자 하는 경우, 채널의 모서리 부분을 손실 없이 일정하게 가공하는 것이 용이하지 아니하고, 대량 생산시 제품의 규격 및 품질관리(Quality Control)가 곤란하다. 또한, 이러한 채널 구조의 미세한 차이는 균일한 유체 흐름을 방해하여, 적은 양의 시료로부터 극미량의 분석대상물질을 검출하고자 하는 칩에 있어, 일관성 없는 시료 분석 결과를 제공하는 원인이 된다.
예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 칩은 상기 종래기술에 따른 칩의 일예로서, 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합하여 형성되는 본체(10)로 구성되며, 제 1기판(11)에는 시료를 충진하기 위한 공간이 형성되도록 소정의 폭과 깊이를 갖는 채널홈(13b)이 형성되고 길이방향을 따라 연장되어, 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되면 채널(13)은 밀폐된 공간을 이룬다. 또한, 채널(13)의 일측 단부에는 시료를 채널(13)에 투입할 수 있도록 외부와 관통되는 시료투입구(14)가 형성되고 타측 단부에는 상기 시료를 배출할 수 있도록 외부와 관통되는 시료배출구(15)가 형성된다. 이러한 채널(13)에 분석하고자 하는 유체시료를 주입하면, 주입된 시료가 채널(13)을 따라 시료배출구(15)를 향해 이동된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 주입된 유체시료가 이동하면서 패턴을 형성함에 있어, 채널(13)을 통과하는 유체와 채널의 상하 내벽 및 좌우 내벽(13a)과의 상호작용의 차이는, 미세채널에서 유체 이동의 주요 구동력인 모세관력의 차이를 초래할 수 있다. 그 결과, 좌우 내벽(13a)을 따라 패턴이 우선 진행되는 불규칙패턴이 발생되고, 이에 따라 유체에 다량의 기포발생이 유발되어 유체시료 분석에 여러 문제점을 가져온다.
이에 본 발명자들은, 유체가 이동하는 공간을 형성하는 채널이 구비되고, 상기 채널의 일측에는 시료투입구가 형성되며, 타측에는 시료 배출구가 형성된 칩에 있어서, 채널의 좌우 내벽의 단면적 보다 넓은 단면적을 갖는 확장부가 채널의 좌우 내벽의 전부 또는 일부에서 연통되도록 구비된 칩을 제작하고, 유체이동 패턴을 분석하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 칩에서, 채널 내부를 통과하는 유체의 이동상이 매우 규칙적이고 균일한 패턴을 형성함을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은, 각각 외부와 관통된 시료투입구와 시료배출구가 구비되고, 시료투입구와 시료배출구가 관과 같이 폐쇄된 채널에 의해 연통된 구조를 갖는 유체시료 분석을 위한 칩으로서, 상기 채널을 통과하는 유체가 규칙적이고 균일한 패턴으로 이동하는 구조를 갖는 유체분석용 칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 유체분석용 칩을 제작하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 유체분석용 칩을 이용한 유체시료의 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 각각 외부와 관통된 시료투입구와 시료배출구가 구비되고, 시료투입구와 시료배출구가 폐쇄된 채널에 의해 연통된 구조를 갖는 유체분석용 칩으로서, 상기 채널의 1쌍의 대응하는 내벽이 채널 길이를 따라 일부 또는 전부에서 보다 더 넓은 단면적을 갖는 확장부와 인접하여, 채널을 통과하는 유체가 다른 1쌍의 대응하는 채널 내벽에만 접하여 이동하는, 유체분석용 칩을 제공한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 유체분석용 칩은, 폐쇄된 채널의 좌우 내벽을 실질적으로 확장함으로써, 채널을 통과하는 유체가 채널의 상하 내벽에만 접촉하면서 이동할 수 있도록 한다. 그 결과, 유체의 이동과 관련된 상호작용은 채널의 상하 내벽에만 의존하므로, 균일한 유체 이동 패턴을 수득할 수 있다.
또한, 본 발명의 유체분석용 칩을 제작함에 있어, 채널의 좌우 내벽을 따라 그 전부 또는 일부에 측면 내벽의 단면적 보다 넓은 단면적을 갖는 확장홈을 기판에 형성시키는 것은, 채널 모서리의 정밀한 가공을 필요로 하는 것이 아니므로, 대량생산에 적합하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 유체분석용 칩은 채널에 연통되며 확장된 내부공간을 갖는 확장홈이 구비되어, 채널을 통과하는 유체의 이동 패턴이 균일하게 형성되므로 기포의 발생이 감소되고, 재연성이 확보되며, 유체중에 존재하는 분석대상물질로부터 신호검출을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 미세한 크기의 채널을 기판에 구현함에 있어, 채널의 각 모서리의 손실이나 변형의 우려 없이 제작할 수 있으므로, 제품의 대량 생산 및 품질 관리가 용이하다.
이하, 본 발명의 실시예로서 제작된 유체분석용 칩을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 본 발명의 유체분석 칩을 설명함에 있어, 종래 기술과 동일한 구성 및 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 도 1을 인용한다.
본 발명에서 사용된 용어로서, "폐쇄된 채널"은 채널이 칩 내부에 형성되어 유체가 채널을 이동하는 동안 칩 외부 환경에 노출되지 않는, 관과 같은 구조를 갖는 채널을 의미한다.
본 발명에서 사용된 용어로서, "채널 내벽(wall)"은 칩 내부에서 유체가 흐 르는 공간을 한정하는 채널의 각 단면을 의미한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예로서 유체분석용 칩을 도시한 단면도이고, 도 5는 그것의 평면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예인 유체분석용 칩은 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 조립되어 형성되는 본체(10)로 구성되고, 제 1기판(11)에는 시료를 충진하기 위한 공간이 형성되도록 소정의 폭과 깊이를 갖는 채널홈(13b)이 함몰되고 길이방향을 따라 연장되어, 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되면 채널(13)은 밀폐된 공간을 이루고, 양 단부에 시료투입구(14)와 시료배출구(15)가 각각 형성된다. 또한, 채널(13)의 좌우 내벽을 따라 채널(13) 보다 더 깊은 깊이로 함몰되고 채널이 길이 방향으로 상기 좌우 내벽을 따라 연장된 확장홈(20)이 구비되어, 제 2기판(12)과 결합되면 채널(13)이 형성하는 공간과 양 측면에서 연통되는 확장공간으로서 확장부가 형성된다.
상기 제 1 실시예로서 제공되는 본 발명의 유체분석용 칩은, 도 5에 도시한 바와 같이 채널(13)에 분석대상물질을 함유하는 유체시료를 주입하는 경우, 주입된 시료가 채널의 상하 내벽과 접하면서 채널(13) 및 확장홈(20)을 따라 배출구(15) 측으로 이동하면서 패턴을 형성한다. 이때, 확장홈(20)에 의해 채널(13) 양측 내벽과 유체의 상호작용이 감소되므로 유체이동은 균일한 패턴을 형성한다. 따라서 기포의 발생이 감소되고 재연성이 확보되며, 분석대상물질로부터 신호 검출이 용이하게 이루어진다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예를 제시한다. 제 2 실시예의 유체분석용 칩은 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되어 형성되는 본체(10)로 구성되고, 제 1기판(11)에는 시료를 충진하기 위한 공간이 형성되도록 소정의 폭과 깊이를 갖는 채널홈(13b)이 함몰되며 길이방향을 따라 연장되어 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되면 채널(13)은 밀폐된 공간을 이루고, 양 단부에 시료투입구(14)와 시료배출구(15)가 각각 형성된다. 또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 확장홈(20)의 양측 내측면 중, 채널(13) 방향으로 접하는 내측면이 채널(13)을 향할수록 깊이가 얕아지게 기울어지는 경사면(21)으로 구성된다. 그 외의 구성 및 시료의 패턴 형성은 상기 제 1 실시예와 동일하다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예를 제시한다. 제 3 실시예의 유체분석용 칩은, 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되어 형성되는 본체(10)로 구성되고, 제 1기판(11)에는 시료를 충진하기 위한 공간이 형성되도록 소정의 폭과 깊이를 갖는 채널홈(13b)이 함몰되고 길이방향을 따라 연장되어 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되면 채널(13)은 밀폐된 공간을 이루고, 양 단부에 시료투입구(14)와 시료배출구(15)가 각각 형성된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 채널(13)의 양측 경계면을 따라 제 1기판(1)을 관통하는 확장공(30)이 형성되어 확장된 공간인 확장부를 이룬다. 확장공(30)은 채널(13)의 양측 내벽을 따라 연장되는 구조로 형성되나 제품의 분할을 방지하기 위하여 구간별로 중간 중간에 이음부(31)가 형성되는 것이 바람직하다. 그 외의 구성과 시료의 패턴 형성은 상기 제 1 실시예와 동일하다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예를 제시한다. 제 4 실시예의 유체분석용 칩은, 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되어 형성되는 본체(10)로 구성되고, 제 1 기판(11)에는 시료를 충진하기 위한 공간이 형성되도록 소정의 폭과 깊이를 갖는 채널홈(13b)이 함몰되며 길이방향을 따라 연장되어 제 1기판(11)과 제 2기판(12)이 결합되면 채널(13)은 밀폐된 공간을 이루고, 양 단부에 시료투입구(14)와 시료배출구(15)가 각각 형성된다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 추가적으로 확장홈(40)의 양측 내측면 중에서 채널(43) 방향으로 접하는 내측면이 채널(43)을 향할수록 깊이가 얕아지게 길어지는 경사면(41)으로 이루어진다.
이와 같이, 본 발명에 의한 유체분석용 칩은 채널(13, 43)의 좌우 양측 내벽과 인접하여 확장된 공간인 확장홈(20, 40) 또는 확장공(30)이 구비되어, 유체 시료가 투입되고 이동함에 있어, 확장홈(20, 40) 또는 확장공(30)에 의해 채널(13, 43) 좌우 내벽과 유체의 상호작용이 없어지거나 감소되므로, 유체 시료의 이동 패턴이 채널(13, 43)면을 따라 균일하게 진행된다. 따라서 유체 중 기포 발생이 감소되고 재연성이 확보되며 유체내의 분석대상물질로부터 신호검출이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 확장홈(20, 40) 또는 확장공(30)의 구조적 특징은, 본 발명의 유체분석용 칩의 사출 성형시, 수축에 의해 채널(13, 43)면의 편평도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 상기 실시예 중 어느 경우에도, 하나의 칩에 각각 서로 다른 시료투입구와 시료배출구와 연통하는 채널이 2개 이상 구비되도록 제작할 수 있으며, 하나의 시료투입구와 하나의 시료배출구가 2개 이상의 채널에 의해 연통된 구조로 제작하는 것도 물론 가능하다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 칩 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1의 칩에 대한 단면도이다.
도 3은 도 1의 칩에 대한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예인 유체분석용 칩을 도시한 도면이다.
도 5는 도 4의 본 발명의 유체분석용 칩에서 유체가 이동하는 패턴을 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예인 유체분석용 칩을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 3 실시예인 유체분석용 칩을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예인 유체분석용 칩을 도시한 도면이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
10 : 본체 11 : 제 1기판
12 : 제 2기판 13 : 채널
20 : 확장홈 21 : 경사면

Claims (7)

  1. 각각 외부와 관통된 시료투입구와 시료배출구가 구비되고, 시료투입구와 시료배출구가 폐쇄된 채널에 의해 연통된 구조를 갖는 유체분석용 칩으로서, 상기 채널의 1쌍의 대응하는 내벽이 채널 길이를 따라 일부 또는 전부에서 보다 더 넓은 단면적을 갖도록 구비된 확장부와 인접하여, 채널을 통과하는 유체가 다른 1쌍의 대응하는 채널 내벽에만 접하여 이동하는, 유체분석용 칩.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 채널은 소정의 폭과 깊이를 갖고 길이방향을 따라 연장된 채널홈이 구비된 제 1기판과 제 2기판이 결합되어 형성되고, 상기 제 1기판에는 채널홈과 연통되는 시료투입구가 형성되며, 상기 확장부는 상기 제 1기판에 채널홈의 깊이보다 깊게 함몰되는 확장홈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 채널은 제 1기판과 소정의 폭과 깊이를 갖고 길이방향을 따라 연장된 채널홈이 구비된 제 2기판이 결합되어 형성되고, 상기 제 1기판에는 채널홈과 연통되는 시료투입구가 형성되며, 상기 확장부는 상기 제 2기판에 상기 채널홈의 깊이보다 깊게 함몰되는 확장홈으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 채널은 소정의 폭과 깊이를 갖고 길이방향을 따라 연장된 채널홈이 구비된 제 1기판과 제 2기판이 결합되어 형성되고, 상기 제 1기판에는 채널홈과 연통되는 시료투입구가 형성되며, 상기 확장부는 상기 제 1기판의 상기 채널홈을 따라 구간별로 관통된 확장공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확장부는 상기 채널과 접하는 내측면이 상기 채널을 향할수록 깊이가 얕아지게 기울어지는 경사면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 서로 다른 시료투입구와 시료배출구와 연통하는 채널이 2개 이상 구비됨을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 시료투입구와 하나의 시료배출구가 2개 이상의 채널에 의해 연통됨을 특징으로 하는 유체분석용 칩.
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