KR20110009914A - 확산계수 측정 장치 및 방법 - Google Patents

확산계수 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 확산계수 측정 기술에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치는, 확산계수(diffusion coefficient) 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체; 상기 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성 및 소멸시킴으로써 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배를 형성 및 소멸시키는 미세소자부; 및 상기 미세유체에 광을 조사하여 상기 대상 물질을 관찰하는 광원부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하고 비용을 절감하는 이점을 제공한다.

Description

확산계수 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring diffusion coefficient}
본 발명은 확산계수 측정 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전기장에서 발생하는 전기삼투 유동 및 분자의 전기적 운동 특성을 이용하여 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하고 비용을 절감할 수 있는 확산계수 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
확산(diffusion)이란, 분자들이 상호 간 물리적 충돌로 인해 임의의 방향으로 불규칙하게 이동하는 현상을 말하며, 분자는 그 수가 많은 영역에서 적은 영역으로 이동할 확률이 높기 때문에 이러한 확산은 분자의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 일어나게 된다.
확산계수(diffusion coefficient)란, 분자의 확산 속도와 농도 기울기 사이의 비례상수를 말하며, 분자의 확산 속도를 나타내는 물리량에 해당한다.
최근, 액상에서의 분자의 확산계수를 측정하는 기술은 특정 분자의 크기, 분산성 등의 물리적 특성을 조사하기 위해 널리 이용되고 있으며, 현재까지 다양한 기술들이 보고되어 왔다. 확산계수 측정을 위한 기존의 기술들 중에서 가장 널리 활용되고 있는 기술에는 광학적 측정 기술인 FRAP(Fluorescence Recovery After Photobleaching) 방식 및 FCS(Fluorescence Correlation Spectroscopy) 방식이 있다.
상기 FRAP 방식이란, 강한 레이저 광원에 의해 형광물질이 표백(bleaching)된 후, 분자들의 확산에 의해 빛이 조사된 영역 밖의 분자들이 조사영역 내로 들어오게 되면서, 조사영역의 형광신호가 복구되는 속도를 측정하여, 분자의 확산계수를 추정하는 방식이다[Axelrod et al.“Mobility measurement by analysis of fluorescence photobleaching recovery kinetics”, Biophys. J., 16, 1055 (1976)]. 상기 FRAP 방식은 1976년 Axelrod에 의해 제안된 이후 용액 및 세포 내부에서 단백질의 분산이나 단백질 간의 상호작용 등을 측정하는데 유용한 도구로 사용되고 있다.
그러나, 이러한 FRAP 방식은 강한 레이저 광원, 초고속 영상 분석 장치, 형광 분자의 표백 현상 등과 같이, 고가의 장비와 복잡한 처리 과정을 필수적으로 요구하는 문제점이 있다.
한편, 상기 FCS 방식이란, 극히 작은 레이저의 초점, 즉 컨포컬 볼륨(Confocal Volume) 내를 출입하는 적은 수의 형광 분자에 의해 발생하는 형광 변화(Fluorescence Fluctuation)를 검출한 후, 각각의 추적시간 별로 나누어 형광 상관 함수(Fluorescence Auto-correlation Function)를 계산함으로써 얻어지는 함수를 이론적인 모델로 해석함으로써 대상 분자의 분자량, 확산계수 및 절대 농도를 직접 측정할 수 있는 기술이다[Elson et al.“Fluorescence correlation spectroscopy. I. Conceptual basis and theory”, Biopolymers, 13, 1(1974). 참조]. 상기 컨포컬 볼륨 내를 출입하는 분자의 크기 및 개수에 의해 형광신호의 형태는 바뀌게 되는데, 이러한 신호의 차이가 형광 상관 함수의 형태에 반영되어 나타나게 된다. 상기 FCS 방식은 낮은 농도에서 검출감도가 높고 공간 분해능이 높다는 장점이 있다.
그러나, 상기 FCS 방식 역시 고가의 광학장치 및 초고속 분석 장비가 요구되고 형광분자의 표백현상에 민감하며, 특히 시간 분해능이 10초 이상으로 매우 낮다는 문제점이 있다.
요컨대, 기존의 분자 확산계수 측정 기술들은, 상술한 바와 같이 고가의 장비들을 요구하며, 특히 형광 분자의 표백현상이 일어난다는 문제점이 있다. 또한, 복잡한 광학 장치들을 사용함에 따라 측정과정이 복잡하고 측정시간이 상대적으로 오래 걸린다는 문제점이 있다. 나아가, 확산계수를 추정하기 위한 기존의 불완전한 모델식을 보완하기 위해 현재까지 많은 연구가 진행 중에 있지만, 이에 적용되는 실험 조건 및 방식에 따라 형광신호의 특성이 매우 민감하게 변하기 때문에 기존의 값싼 장비를 활용하는데 한계가 존재하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 전기장에서 발생하는 전기삼투 유동 및 분자의 전기적 운동 특성을 이용하여 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하고 비용을 절감할 수 있는 확산계수 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 전기장에서 발생하는 전기삼투 유동 및 분자의 전기적 운동 특성을 이용하여 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하고 비용을 절감할 수 있는 확산계수 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 확산계수(diffusion coefficient) 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체; 상기 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성 및 소멸시킴으로써 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배를 형성 및 소멸시키는 미세소자부; 및 상기 미세유체에 광을 조사하여 상기 대상 물질을 관찰하는 광원부를 포함하는 확산계수 측정 장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 대상 물질은, 형광 또는 색깔을 나타내는 표지 물질과 결합되어 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원부는, 상기 광을 조사하여 상기 대상 물질과 상기 조사된 광의 상호작용을 통해 특정 주파수 영역의 광신호를 방출하도록 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원부는, 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시키는 광학 필터를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원부는, 상기 광의 양, 조사 면적 및 조사 위치 중 1 또는 2 이상을 조절하는 조리개를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 확산계수 측정 장치는, 상기 전기장을 형성하여 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배가 발생한 후 상기 전기장을 소멸시킨 경우, 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 프로세서를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 미세소자부는, 전원과 연결되어 상기 전기장을 형성하는 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은, 상기 미세유체 및 상기 전극 사이에 위치하여 상기 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 광전도성층을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은, 기준 전압을 인가하는 제1 전극; 및 구동 전압을 인가하는 제2 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광전도성층은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 한 전극과 상기 미세유체 사이에 위치한다.
일 실시예에 있어서, 상기 광전도성층은, 비정질 실리콘, 황화 카드뮴 또는 npn 포토트랜지스터를 포함하는 광전도성 물질로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은, 전도성 물질로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 미세소자부는, 상기 광원부의 관찰 지점에 상기 미세유체를 위치시키는 챔버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버는, 실리콘, 유리 또는 고분자 물질 중 어느 하나의 재질로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 미세소자부는, 상기 광원부의 관찰 지점에 상기 미세유체를 주입하는 주입부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 미세소자부는, 전기적 원리에 해당하는 전기영동, 유전영동, 전기삼투 및 정전기적 상호작용 중 1 또는 2 이상을 이용하여 상기 미세유체에서 상기 대상 물질을 이동시킨다.
상기와 같은 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 확산계수 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계; 상기 미세유체에서 상기 전기장에 의한 농도 구배가 형성된 후, 상기 전기장을 소멸시키는 단계; 및 상기 전기장 소멸 후, 상기 대상 물질의 이동에 의한 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 단계를 포함하는 확산계수 측정 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 확산계수 측정 방법은, 확산계수 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체 및 전원과 연결된 전극 사이에 위치하는 광전도성층에 광을 조사하여 상기 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계; 상기 미세유체에서 상기 전기장에 의한 농도 구배가 형성된 후, 상기 전기장을 소멸시키는 단계; 상기 전기장 소멸 후, 상기 특정 영역의 상기 대상 물질과 상기 조사된 광의 상호작용을 통해 방출되는 특정 주파수 영역의 광신호를 수신하는 단계; 및 상기 수신된 광신호를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 단계를 포함 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기장을 형성하는 단계는, 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 상기 광전도성층을 이용하여 상기 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계이다.
일 실시예에 있어서, 상기 전기장을 소멸시키는 단계는, 상기 전원을 오프(off)하여 상기 전기장을 소멸시키는 단계이다.
일 실시예에 있어서, 상기 광신호를 수신하는 단계는, 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시키는 광학 필터를 통해 상기 방출된 광신호를 수신하는 단계이다.
본 발명은, 전기장에서 발생하는 전기삼투 유동 및 분자의 전기적 운동 특성을 이용함으로써, 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하는 이점을 제공한다.
또한, 별도의 부가적인 유체 구동 요소들을 요구하지 않고 기존의 값싸고 단순한 일반 현미경, 영상 촬영 장치 등과 일반적인 확산 모델을 활용할 수 있도록 함으로써, 사용자 편의성을 개선하고 비용을 절감하는 이점을 제공한다.
나아가, 액상 내의 분자를 국소적으로 제거하는 기술을 제공함으로써, 분자의 크기, 분자량, 분산성 등 다양한 물리적 특성을 알아낼 수 있도록 하며, 다양한 생물학적 화학적 응용을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참 조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 하는 경우에는 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 첨부도면에서 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타냄을 미리 밝혀둔다.
도 1에는, 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치의 일례가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치는, 확산계수(diffusion coefficient)를 측정하고자 하는 하나 이상의 대상 물질(10)를 포함하는 미세유체(20), 상기 미세유체(20)의 특정 영역에 전기장을 형성 및 소멸시킴으로써 상기 대상 물질(10)의 이동에 의한 농도 구배를 형성 및 소멸시키는 미세소자부(30), 및 상기 미세유체(20)에 광(501)을 조사하여 상기 대상 물질(10)을 관찰하는 광원부를 포함한다.
상기 미세유체(20)는, 확산계수를 측정하기 위한 단백질, 탄수화물, 형광분자 등 다양한 대상 물질(10)을 하나 이상 포함하며, 상기 대상 물질(10)은 형광 또는 색깔을 나타내는 표지 물질과 결합될 수 있다.
상기 미세소자부(30)는, 전원(40)과 연결되어 상기 미세유체(20)의 특정 영역에 전기장을 형성하는 전극(301, 302)을 포함할 수 있다.
상기 전극(301, 302)은, 기준 전압을 인가하기 위한 제1 전극(301) 및 구동 전압을 인가하기 위한 제2 전극(302)을 포함할 수 있으며, 상기 미세유체(20) 및 상기 전극(301, 302) 사이에 위치하여 상기 광(501) 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 광전도성층(303)을 포함할 수 있다. 상기 전극(301, 302)은 유리, PET 필름, 실리콘 등의 물질 중 하나로 이루어진 기판(304, 305) 상에 위치할 수 있다. 상기 미세유체(20) 및 대상 물질(10)을 관찰하기 위해서는 상기 전극(301, 302) 및 기판(304, 305)은 광 투과가 가능하도록 구성되어야 한다. 따라서, 상기 전극(301, 302)은 금, 은, 알루미늄, 구리, 백금 및 ITO(Indium Tin Oxide) 등과 같은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 광식각공정(photolithography), 스퍼터링(sputtering), CVD(Chemical Vapor Deposition), 열증착(thermal evaporation) 등의 방법들을 통해 제작될 수 있다. 상기 전극(301, 302)이 상기 제1 전극(301) 및 상기 제2 전극(302)으로 구성되는 경우, 상기 광전도성층(303)은 양 전극 중 어느 한 전극에 도포될 수 있다.
한편, 상기 광전도성층(303)은, 비정질 실리콘, 황화 카드뮴, npn 포토트랜지스터 등과 같은 광전도성 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 광전도성 물질은 특정 부분에 광이 주사되면 해당 부분의 전기저항이 감소하여 도통되는 전류의 양이 증가하게 된다.
상기 미세소자부(30)는, 상기 광원부(50 내지 54, 60)를 통해 관찰할 수 있는 관찰 지점에 상기 미세유체(20)를 위치시키는 챔버(306) 및 상기 미세유체(20)를 주입하기 위한 주입부(307)를 더 포함할 수 있다. 상기 챔버(306)는, 실리콘, 유리 또는 고분자 물질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 도 1에서는 상기 주입부(307)가 상기 챔버(306)에 형성되어 있으나, 실시예에 따라 상기 미세소자부(30)의 적당한 다른 부분에 형성될 수 있다.
상기 광원부는, 광원(50)에 의한 광(501)을 조사하여 상기 대상 물질(10)과 상기 조사된 광(501)의 상호작용(광-물질 상호작용)을 통해 특정 주파수 영역의 광신호(502)를 방출하도록 한다. 이와 같이 상기 미세유체(20) 내에 존재하는 상기 대상 물질(10)을 확인하기 위해 상기 광원부는, 광학 필터(51), 렌즈(52) 및 빔스플리터(53)를 포함할 수 있으며, 상기 광원(50)에 의한 광의 양, 조사 면적 및 조사 위치 중 1 또는 2 이상을 조절하는 조리개(54)를 더 포함할 수 있다. 상기 조리개(54)는 조절 나사를 통해 제어할 수 있다. 상기 광학필터(51)는, 상기 광-물질 상호작용, 예컨대 형광 또는 라만 산란 등에 의한 출력신호를 감지하여 그 세기 등을 측정하는 감지부(60)로 하여금 상기 특정 주파수 영역의 광신호(502)만을 수신하도록 다양한 주파수 영역의 광신호들 중 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시킨다. 이를 상기 감지부(60)를 이용하여 측정하여 상기 대상 물질의 분포를 실시간으로 확인할 수 있다.
분자 레벨(molecular level)에서 일어날 수 있는 상기 광-물질 상호작용에는 흡수(absorption), 자연 발광 (spontaneous emission), 자극 발광 (stimulated emission), 라만 산란 (Raman scattering) 등이 있다.
상기 흡수는, 낮은 에너지 레벨에서 높은 에너지 레벨로 광양자 에너지(photon energy) 만큼의 에너지 전이가 발생하는 현상이다. 상기 자연 발광은, 상대적으로 높은 에너지 레벨인 들뜬 상태 (excited state)에서 더 낮은 에너지 레 벨로 전이되면서 그 차이만큼의 광양자 에너지가 방출되는 현상이다. 상기 자극 발광은 낮은 에너지 레벨과 높은 에너지 레벨 간의 차이에 해당하는 광양자 에너지가 입사된 광양자 에너지에 의해 자극을 받아 방출되는 현상이다. 상기 라만 산란은, 특정 진동수를 지닌 광양자 에너지(hv)에 의해 분자의 진동 상태를 변화시키면서 다른 주파수의 광양자 에너지(hv')로 산란되는 현상이다.
상기 감지부(60)가 상기 광-물질 상호작용들에 의한 전기 및 진동 상태의 변화를 측정하여, 상기 대상 물질의 분포를 실시간으로 확인하기 위해서 분광법(spectroscopy)을 사용할 수 있는데, 이러한 분광법에는 전기적 상태의 전이를 측정하기 위한 방법과 진동 상태의 변화를 측정하기 위한 방법이 있다.
우선, 전기 전이에 따른 에너지 레벨의 변화를 이용한 방법에는, 전기 흡수 분광법(electronic absorption spectroscopy)과 전기 발광 분광법(electronic luminescence spectroscopy)이 있다. 상기 전기 흡수 분광법은, 자외선(UV, ultraviolet)부터 적외선(IR, infrared) 영역에 이르는 연속적인 전자기파 분포를 지닌 일반적인 램프 빛의 흡수량을 이용한 방법으로서, 어떤 물질에 빛을 쏘아주면 빛이 흡수되는 양으로부터 그 물질의 양을 구할 수 있는데 그 원리는 비어-램버트 법칙(Beer-Lambert's law)에 의해 설명된다. 상기 전기 발광 분광법은, 들뜬상태(excited state)에서 바닥상태(ground state)로의 전이에 의한 광양자 에너지의 방출을 측정하는 방법이다. 일반적으로 생체분자(biomolecule)들은 형광(fluorescence)을 발현한다. 이러한 형광의 방출량을 활용한 형광 분광법(fluorescence spectroscopy)은 형광 스펙트럼(fluorescence spectrum), 형광 여 기 스펙트럼(fluorescence excitation spectrum), 형광 수명(fluorescence lifetime), 형광 양자 효율(fluorescence quantum efficiency), 형광 편광 소멸 (fluorescence depolarization) 등과 같이 여러 가지 상호작용 및 동역학적 요소들의 특징을 알아내기 위한 측정방법들을 모두 포함한다. 일반적으로 물질의 전기적 상태 변이에 의한 형광 방출을 유도하기 위해서는 일반적인 램프보다는 레이저(laser)를 이용할 수 있다.
그 다음, 물질의 진동 상태 변화를 측정하기 위한 분광법에는, 적외선 분광법(IR spectroscopy), 라만 분광법(Raman spectroscopy) 등이 있다. 상기 적외선 분광법은, 적외선 혹은 원적외선 광양자의 흡수에 의한 진동레벨 변화를 측정하는 방법이다. 상기 라만 분광법은, 특정 진동수를 지닌 광양자가 물질과 상호작용을 일으키면서 진동수가 변한 빛으로 산란되고, 그에 따른 에너지 차이를 물질의 진동 에너지로 간주하고 물질의 진동상태 변화를 측정하는 기술이다. 이러한 진동 분광법을 이용하면 분자의 결합구조와 관계있는 진동 주파수에 관한 정보를 알 수 있는데, 이러한 진동 주파수는 결국 물질의 화학적 구성 및 구조에 따른 물질의 특이성을 대변하게 된다.
또한, 상기 감지부(60)는, 상기 광-물질 상호작용에 의한 출력 신호를 증폭하기 위해 다양한 방법들을 적용할 수 있다. 예컨대, 금속 표면에서의 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용한 방법들이 있다. 표면 플라즈몬은 유전체와 경계면을 형성하고 있는 금속 표면에 전기장을 인가하였을 때, 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 생성된 표면전하들의 집단적 진동이 금속과 유전체의 경계 면을 따라 진행되는 표면 전자기파를 의미한다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄 등과 같이 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 지니는 물질들이 주로 사용되고, 전기장을 인가하기 위한 전자기파로는 p-편광(p-polarization)을 지닌 표면 플라즈몬의 특성상 TM 편광된 전자기파가 이용된다. 일반적으로 금속물질에 전자기파가 입사되면 금속 표면에서 전반사되고 소산파(evanescent field)는 경계면에서 금속막 속으로 기하급수적으로 감소되지만, 특정한 입사각과 금속 막의 두께에서는 경계면에 평행한 방향의 입사파와 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어나, 입사파의 에너지는 모두 금속 막에 흡수되어 반사파는 없어지고, 경계면에 수직한 방향의 전기장 분포는 기하급수적으로 경계면으로부터 멀어질수록 급격히 감소하게 되는데, 이를 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 이러한 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 형광 및 라만 산란 신호가 증가하게 되는데, 이러한 방법을 이용한 분광법을 표면 플라즈몬 증강 분광법(surface plasmon-enhanced spectroscopy)이라고 한다. 이러한 표면 플라즈몬 증강 분광법에는 표면 플라즈몬 증강 형광 분광법 (SPFS, surface plasmon field-enhanced fluorescence spectroscopy)[F. Yu, D. Yao, W. Knoll, Anal . Chem . 2003, 75, 2610-2617. 참조], 표면 증강 라만 분광법(SERS, surface-enhanced Raman spectroscopy)[S. Nie, S. R. Emory, Science 1997, 275, pp.1102-1106. 참조] 등이 있다.
상기 확산계수 측정 장치는, 상기 미세소자부(30)가 상기 전기장을 형성하여 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배가 발생한 후 상기 전기장을 소멸시킨 경 우, 상기 감지부(60)가 감지한 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 프로세서(61)를 더 포함할 수 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치의 미세소자부(30)가 상기 미세유체(20)의 내에 전기장 및 농도 구배를 형성하는 원리가 도시되어 있다.
도 2를 참조하여, 상기 미세소자부(30)가 상기 미세유체(20)에 전기장 구배 및 농도 구배를 형성하는 원리를 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 전원장치(40)를 통해 상기 제1전극(301) 및 제2전극(302)에 전압을 인가하면 상기 미세유체(20) 또는 상기 미세소자(30)에 전기장이 형성된다. 상기 광원(50)은 상기 미세소자(30) 내의 상기 광전도성 물질(303)에 광(501)을 조사하여 상기 광(501)이 조사된 부분(309)의 전류량을 증가시킨다. 따라서, 상기 미세유체(20) 내의 상기 특정 부분에 전기장(70)을 형성하고 그 형태를 조절하여 전기장 구배를 형성할 수 있다.
상기 전기장(70)이 형성되면, 즉 전기장 구배가 형성되면 상기 미세유체(20) 내의 상기 대상 물질(10)들은 전기적 원리에 의해 특정 방향으로 이동한다. 즉, 상기 미세소자부(30)는, 상기 전기적 원리에 해당하는 전기영동, 유전영동, 전기삼투 및 정전기적 상호작용 중 1 또는 2 이상을 이용하여 상기 미세유체에서 상기 대상 물질을 이동시킬 수 있다.
상기 전기영동(eletrophoresis)란, 전하(charge)를 띤 물질이 쿨롱힘에 의해 이동하는 현상으로서, 음(-)의 전하를 갖는 물질은 (-) 전압이 인가된 부분으로부터 먼 방향으로 힘을 받게 되고, 양(+)의 전하를 갖는 물질은 (-) 전압이 인가된 부분 방향으로 힘을 받게 된다.
상기 유전영동(dielectrophoresis)이란, 불균일한 전기장 내에서 유전체가 전자기 유도현상에 의해 전기 쌍극자(electric dipole)를 띄고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상이다. 도 2에서는 전기장이 약한 방향(빛이 조사된 부분에서 먼 방향)으로 미세 입자들이 움직이는 음(negative)의 유전영동과 전기장이 강한 방향(빛이 조사된 방향)으로 미세 입자들이 움직이는 양(positive)의 유전영동을 나타낸다. 상기 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류 전압 신호의 주파수 등에 따라 달라질 수 있다.
상기 전기삼투, 특히 교류 전기삼투(AC electro-osmosis)란, 불균일한 전기장 내에서 유체 내부의 이온들이 전극 표면과 액체 계면에 얇은 전기 이중층(electric double layer)을 형성하게 되고, 전압에 의해 형성된 정접 전기장(tangential electric field)의 영향으로 전극 표면을 따라 전기장이 센 방향으로 유체가 이동(83)하는 현상이다. 전기삼투 현상은 전기장이 센 방향으로 유동을 일으켜 물질들의 빠른 농축을 유도하고 물질들 간의 정전기적 상호작용에 의한 결합을 유도한다. 이러한 전기삼투에 의한 농축 특성은 교류 전압 신호의 주파수 물질 및 매질의 종류, 크기, 전하량 등 다양한 물리적, 화학적 특성에 의존한다.
상기 정전기적 상호작용(electrostatic interaction)이란, 어떤 물질에 유도된 쌍극자(induced dipole) 또는 본래 가지고 있는 극성에 의하여 서로 간에 작용하는 인력 및 척력을 뜻한다. 이러한 현상은 대상 물질 및 매질의 종류, 전압 신호의 종류에 따라 달라지게 된다.
상기 미세유체(20) 내의 상기 대상 물질(10)들은 전기적 현상에 의해 특정 방향으로 이동하고, 상기 전원(40)을 끄면 상기 대상 물질(10)들이 확산에 의해 농도가 높은 곳에서 낮은 방향으로 이동하게 된다. 이러한 현상을 관찰하면서 그 확산 속도를 실시간으로 측정하고, 농도분포의 변화를 통해 확산계수 값을 계산해낼 수 있으며, 이를 위해 상기 프로세서(61)를 추가로 구비할 수 있다.
한편, 상기 광전도성층(303)에서 상기 광(501)이 조사된 부분(309)만 전류가 도통하기 때문에 가상의 전극이 형성된다고 볼 수 있으며, 이로 인해 상기 미세유체(20) 내부에 도 2와 같은 전기장(70)이 유도된다.
상기 광(501)이 조사된 부분(309)은 전기장의 세기가 강하고 다른 전극 부분은 전기장의 세기가 약하여 불균일한 전기장이 형성됨을 알 수 있다. 이러한 불균일한 전기장 하에서는 다양한 전기적 현상들이 발생하게 되는데 이러한 전기적 현상들에는 상기 유전영동, 전기영동, 전기삼투, 정전기적 상호작용 등이 포함된다. 도 2에서는 전기삼투에 의한 유동만을 표시하였으며, 이는 10kHz 이하의 저주파수 영역에서 활발히 발생한다. 만약 10kHz 이상의 고주파수의 전압을 인가하면 유전영동이 더 활발히 일어나며, 1MHz 이상의 주파수에서 고전압을 인가하면 전열효과에 의한 유동이 발생하기도 한다. 본 발명의 상기 실시예에서는 전기삼투 및 물질의 유도쌍극자에 의한 정전기적 상호작용이 중요한 역할을 하기 때문에, 전기삼투에 의한 유동만을 도시하였다.
여기서, 전기삼투는 상기 미세유체(20) 내부의 전자 및 이온들이 전극 표면으로 이동하여 얇은 전기이중층(electric double layer)을 형성하고 이러한 전자 및 이온들이 전기장 구배의 영향을 받아 이동하게 되면서 유체의 점성에 의해 발생 하는 유동 현상이다. 이러한 유동 현상은 전압의 주파수 및 유체의 전기적 특성에 매우 의존하는 특징이 있다. 즉, 인가된 전압, 물질 및 유체의 종류에 따라 대상 물질들은 빛이 조사된 영역으로 모일 수도 있고, 흩어질 수도 있는데, 1kHz 이상의 주파수 영역에서는 대체로 모이게 되고, 그 이하의 저주파수 영역에서는 대체로 흩어지게 된다. 또한, 수 μm 이상의 미세입자의 경우에는 100Hz 부근에서도 모이게 되는 경우도 있는데, 이 경우 서로 간의 정전기적 인력과 입자 표면에서 발생하는 전기삼투 유동에 의해 일정한 패턴으로 자기조립이 되기도 한다. 본 발명은, 수 nm 수준의 나노입자 및 분자들의 확산계수 측정에 최적화되도록 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에는 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서 확산계수 측정시 이용되는 형광신호 변화를 관측한 실험 결과가 도시되어 있다.
상기 실험에 있어서, 미세유체(20)는 3차 증류수를 사용하였고, 대상 물질(10)은 10 농도의 형광 덱스트란(FITC-Dextran, 10kDa)을 사용하였다. 또한, 광원(50)은 100mW 수은(Hg) 레이저, 광학 필터(51)는 480-535 nm 파장 대의 형광 필터, 광 패턴 형성 장치로는 조리개(54), 집광 및 검출용 렌즈(52)로는 40배 대물렌즈, 검출기(60)로는 CCD(Charge-Coupled Device)를 사용하였다. 인가한 전압조건은 10 Vpp, 100Hz이다.
도 3a에는 상기 형광신호 변화 관측 실험 결과가 관측사진으로 도시되어 있다. 사진 A에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치에서 미세소자부(30)에 전압을 인가하지 않은 상태에서 조리개(54)를 좁혀 패턴을 만들어 광을 조사하면, 조사된 광에 의해 형광신호를 수신 및 관찰할 수 있으며, 상기 형광신호 를 통해 대상 물질의 농도를 추측할 수 있다. 그 다음, 사진 B에 도시된 바와 같이, 미세소자부(30)에 전압을 인가한 직후에는 수 초 내에 형광신호가 급격히 줄어들게 된다. 그리고, 사진 C에 도시된 바와 같이, 전원(40)을 오프(off)시키고 조리개를 열어 미세유체(20) 전체영역의 형광신호를 관찰하면, 광을 조사하고 전압을 인가한 영역(309)에서 대상 물질의 농도가 현저히 낮아졌음을 확인할 수 있다.
도 3b에는 상기 형광신호 변화 관측 실험 결과가 그래프로 도시되어 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 미세소자부(30)에 전압을 인가한 후 수 초 내에 형광신호가 줄어들게 된다. 이는 100Hz 조건 하에서 미세유체(20) 내의 대상 물질(10)들은 광(501)을 조사한 영역(309), 즉 전기장의 세기가 강한 영역으로부터 순식간에 사라졌음을 의미한다. 이러한 현상은 전기삼투, 정전기적 상호작용 등 여러 가지 원리로 설명될 수 있다. 특히, 100Hz 부근의 낮은 주파수 영역에서는 패러데이 반응을 무시할 수 없기 때문에 전기이중층 내부 전기장의 수평 요소가 큰 값을 지니게 되고, 강한 전기삼투 유동에 의해 대상 물질(10)들이 모두 분산된다. 또한, 이때 광 주변의 물질 농도가 낮아지고, 대상 물질(10)들 간 평균 거리가 길어지면서, 서로 간에 작용하는 정전기적 인력이 약화되고, 그 결과 서로 뭉치지 않고 광이 조사된 영역(309)의 외부 방향으로 퍼지게 된다. 또한, 낮은 주파수 영역에서 분자의 극성이 달라지면서 정전기적 척력의 영향을 받게 되면, 대상 물질(10)들은 서로 밀어내면서 모이지 않게 될 수도 있다.
도 3c에는 도 3a의 사진 C에서 a-b 단면에 대한 형광 프로파일이 그래프로 도시되어 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 광을 조사하고 전압을 인가한 특정 영 역(309)만 물질의 농도가 변화하였으며 그 바깥쪽 영역은 물질들의 농도가 균일하게 유지된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치를 이용하여 미세유체 내의 특정 물질의 농도분포를 조절할 수 있으며, 전기장 형성 및 소멸을 통해 인위적으로 생성한 농도 구배에 의하여 대상 물질의 확산 현상을 발생시킬 수 있다. 이러한 대상 물질의 확산을 관찰하여 그 변화 태양을 수학적 모델과 비교 분석함으로써 상기 대상 물질의 확산계수를 측정할 수 있다.
도 4a에는 본 발명에 사용되는 확산계수 측정을 위한 수학적 모델의 일례가 도시되어 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 100Hz 전압 하에서 대상 물질의 농도분포는 원통 형태로 형성된다. 이는 도 3c를 통해서도 확인할 수 있다. 즉, 반지름 R의 원 형태인 강이 조사된 영역(r<R)에는 농도가 C0로써 0에 가까우며, 그 외 영역 (r>R)은 C1의 농도를 갖게 된다. 이러한 형태의 농도분포에서 픽의 법칙(Fick's law)에 따른 확산 모델에 따라 식 A와 같은 식으로 모델링이 가능하다. 상기 식 A에서, C*=(Ci-C0)/(C1-C0), t*=tD/R2, r*=r/R은 각각 정상화(normalization)된 농도, 시간, 반지름 값에 해당하며, 계산상 편의를 위해 단위가 없는(dimensionless) 형태로 나타낼 수 있다.
결과적으로, 상기 식 A의 해에 의하여 시간, 반지름에 따른 농도 값을 식 B 와 같이 얻어낼 수 있으며, 이를 바탕으로 시간 및 빛 패턴의 크기에 따른 전압이 꺼진 직후의 대상 물질의 농도분포 변화를 예상할 수 있다. 상기 식 B에서, Jn(x)는 n차 베셀 함수(Bessel function)이고, J0(αn)는 0이다.
도 4b에는 도 4a의 모델을 기반으로 확산에 의한 대상 물질의 농도분포 변화를 계산한 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 시간이 흐를수록 농도가 높은 영역에서 낮은 영역으로 상기 대상 물질이 확산되면서, 농도를 나타내는 형광 프로파일이 변화할 것을 예측할 수 있다. 상기 계산에 있어서, 빛 패턴의 반지름 R은 50μm로 가정하였으며, 상기 대상 물질의 확산계수 D는 46.5×10-8cm2/s로 가정하였다.
도 4c에는 도 4a의 모델을 기반으로 광이 조사된 미세유체 영역의 중심 지점에서 발생하는 시간에 따른 농도 변화를 계산한 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 확산계수가 커질수록 시간에 따른 농도의 변화가 빠르게 일어남을 확인할 수 있는데, 이러한 모델을 바탕으로 실험결과로부터 확산계수를 거꾸로 추정하는 방법을 사용하여 물질의 확산계수를 측정할 수 있다. 상기 계산에 있어서, 빛 패턴의 반지름 R은 50 μm로 가정하였고, 확산계수를 바꾸어가며 계산을 수행하였다.
도 5a에는 본 발명에 따른 확산 계수 측정 장치를 이용하여 미세유체 내의 대상 물질 확산 현상을 시간에 따라 관측한 결과가 관측사진으로 도시되어 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 실험 조건들 하에서, 광이 조사된 영역의 대상 물질들이 분산되어 농도 구배를 형성한 직후, 인가된 전압을 끄고 조리개를 열어 미세유체 전체를 관찰하면, 시간이 흐를수록 상기 농도 구배에 의해 대상 물질들이 확산되어, 줄어들었던 형광신호가 원래대로 돌아오고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 형광신호의 크기를 통해 대상 물질의 농도를 측정할 수 있다.
도 5b에는 본 발명에 따른 확산 계수 측정 장치를 이용하여 미세유체 내의 대상 물질 농도 변화를 시간에 따라 측정한 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 시간에 따라 대상 물질의 농도가 점차적으로 증가한다. 이러한 현상은 분자량이 큰 분자일수록 더 느리게 일어나는데, 그 이유는 일반적으로 분자량이 큰 분자일수록 확산계수가 작고 확산 속도가 느리기 때문이다. 한편, 도 5b 그래프를 도 4c 그래프와 비교하여 대상 물질인 형광 덱스트란의 확산계수를 측정할 수 있다.
도 5c에는 기존 FRAP 방식 및 본 발명에 따라 측정한 형광 덱스트란의 분자량별 확산계수 값을 비교한 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 측정한 확산계수 값(Experiments)이 기존에 보고된 실험값(Literatures)과 거의 일치함을 확인할 수 있다.
도 6에는 본 발명에 따른 확산계수 측정 방법의 일례가 순서도로 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 확산계수 측정 방법은, 우선 확산계수 측정의 대상 물질(10)을 포함하는 미세유체(20)의 특정 영역에 전기장을 형성 한다(S610 내지 S630). 예컨대, 상기 미세소자부(30)에 상기 미세유체(20)를 주입하고(S610), 상기 전원(40)을 이용하여 상기 미세소자부(30)에 전압을 인가하여(S620), 상기 미세유체(20)의 상기 특정 영역에 전기장(70)을 형성한다(S630). 즉, 전기장 구배를 형성한다.
일 실시예에 있어서, 상기 미세유체(20) 및 상기 전원(40)과 연결된 상기 전극(301 또는 302) 사이에 위치하는 상기 광전도성층(303)에 광을 조사하여 상기 미세유체(20)의 상기 특정 영역에 상기 전기장(70)을 형성할 수 있다. 상기 광전도성층(303)은, 상기 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소된다. 이 경우, 상기 조리개(54) 등을 이용하여 광 패턴의 위치 및 크기를 조절하여 조사하는 과정을 포함할 수 있다.
그 다음, 상기 미세유체(20)에서 상기 전기장(70)에 의한 상기 대상 물질(10)의 농도 구배가 형성된 후, 상기 전기장을 소멸시킨다(S640, S650). 예컨대, 상기 대상 물질(10)들이 상기 전기장(70)에 의한 전기적 현상에 따라 이동하여 농도 구배를 형성하면(S640), 상기 전원(40)을 오프(off)하여 상기 전기장(70)을 소멸시킨다(S650).
그 다음, 상기 전기장(70) 소멸 후, 상기 대상 물질(10)의 이동에 의한 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질(10)의 확산계수 값을 산출한다(S660, S670). 예컨대, 상기 전기장(70) 소멸 후, 상기 특정 영역에 광을 조사하여 상기 대상 물질(10)과 상기 조사된 광의 상호작용을 통해 방출되는 특정 주파수 영역의 광신호를 수신함으로써 상기 대상 물질(10)들의 확산 현상을 관찰한 다(S660). 이 경우, 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시키는 광학 필터를 통해 상기 방출된 광신호를 수신할 수 있다. 그리고, 상기 수신되는 광신호의 세기 등을 이용하여 상기 대상 물질(10)의 확산계수 값을 산출한다(S670).
상술한 바와 같이, 본 발명은, 전기장에서 발생하는 전기삼투 유동 및 분자의 전기적 운동 특성을 이용함으로써, 확산계수 측정의 신속성 및 정확성을 개선하는 이점을 제공한다. 또한, 별도의 부가적인 유체 구동 요소들을 요구하지 않고 기존의 값싸고 단순한 일반 현미경, 영상 촬영 장치 등과 일반적인 확산 모델을 활용할 수 있도록 함으로써, 사용자 편의성을 개선하고 비용을 절감하는 이점을 제공한다. 나아가, 액상 내의 분자를 국소적으로 제거하는 기술을 제공함으로써, 분자의 크기, 분자량, 분산성 등 다양한 물리적 특성을 알아낼 수 있도록 하며, 다양한 생물학적 화학적 응용을 가능하게 하는 이점을 제공한다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
예를 들어, 형광 표시 분자가 아닌 비표시 분자를 라만 산란 등을 통해 그 농도 분포를 확인할 수도 있으며, 두 개 이상의 광원을 통해 여러 분자들의 분포를 동시에 확인할 수도 있다. 또한, 광전도성 물질 없이 전극을 패턴화하여 전기장을 형성시킬수도 있으며, 이 경우에는 추가적인 전극 패턴과정을 포함하게 된다. 하지만, 단일 광원으로 복잡한 공정과정 없이 확산계수를 측정하고자 할 경우에는, 상기와 같이 광전도성 물질과 단일 광원을 이용하여 전기장의 형태를 조절하는 것이 가장 바람직하다. 또한, 100Hz에서는 분자 농도가 감소하였지만, 1kHz 이상의 높은 주파수를 인가하면, 유전영동, 전기삼투, 정전기적 인력 등에 의해 분자 농도를 국소적으로 증가시킬 수 있으며, 이 또한 확산계수 측정에 이용될 수 있다. 또한, 확산계수 측정뿐만 아니라, 미세유체 내 물질들의 국소적 농도 조절, 농도에 따른 세포 이동현상, 미세입자를 이용한 분자 검출 시스템 등에도 쉽게 응용이 가능하다.
그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 확산계수 측정 장치의 미세소자부가 미세유체의 내에 전기장 및 농도 구배를 형성하는 원리를 나타낸 도면.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 일 실시예에 있어서 확산계수 측정시 이용되는 형광신호 변화를 관측한 실험 결과를 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명에 사용되는 확산계수 측정을 위한 수학적 모델의 일례를 나타낸 도면.
도 4b는 도 4a의 모델을 기반으로 확산에 의한 대상 물질의 농도분포 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프.
도 4c는 도 4a의 모델을 기반으로 광이 조사된 미세유체 영역의 중심 지점에서 발생하는 시간에 따른 농도 변화를 계산한 결과를 나타낸 그래프.
도 5a는 본 발명에 따른 확산 계수 측정 장치를 이용하여 미세유체 내의 대상 물질 확산 현상을 시간에 따라 관측한 결과를 나타낸 관측사진.
도 5b는 본 발명에 따른 확산 계수 측정 장치를 이용하여 미세유체 내의 대상 물질 농도 변화를 시간에 따라 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 5c는 기존 FRAP 방식 및 본 발명에 따라 측정한 형광 덱스트란의 분자량별 확산계수 값을 비교한 결과를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 확산계수 측정 방법의 일례를 나타낸 순서도.

Claims (21)

  1. 확산계수(diffusion coefficient) 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체;
    상기 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성 및 소멸시킴으로써 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배를 형성 및 소멸시키는 미세소자부; 및
    상기 미세유체에 광을 조사하여 상기 대상 물질을 관찰하는 광원부를 포함하는 확산계수 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상 물질은, 형광 또는 색깔을 나타내는 표지 물질과 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는, 상기 광을 조사하여 상기 대상 물질과 상기 조사된 광의 상호작용을 통해 특정 주파수 영역의 광신호를 방출하도록 하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원부는, 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시키는 광학 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광원부는, 상기 광의 양, 조사 면적 및 조사 위치 중 1 또는 2 이상을 조절하는 조리개를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 확산계수 측정 장치는, 상기 전기장을 형성하여 상기 대상 물질의 이동에 의한 농도 구배가 발생한 후 상기 전기장을 소멸시킨 경우, 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세소자부는, 전원과 연결되어 상기 전기장을 형성하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 미세유체 및 상기 전극 사이에 위치하여 상기 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 광전도성층을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전극은,
    기준 전압을 인가하는 제1 전극; 및
    구동 전압을 인가하는 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극과 상기 미세유체 사이에 위치하여 상기 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 광전도성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 광전도성층은, 비정질 실리콘, 황화 카드뮴 또는 npn 포토트랜지스터를 포함하는 광전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 전극은, 전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  13. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세소자부는, 상기 광원부의 관찰 지점에 상기 미세유체를 위치시키는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 챔버는, 실리콘, 유리 또는 고분자 물질 중 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세소자부는, 상기 광원부의 관찰 지점에 상기 미세유체를 주입하는 주입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세소자부는, 전기적 원리에 해당하는 전기영동, 유전영동, 전기삼투 및 정전기적 상호작용 중 1 또는 2 이상을 이용하여 상기 미세유체에서 상기 대상 물질을 이동시키는 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 장치.
  17. 확산계수(diffusion coefficient) 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계;
    상기 미세유체에서 상기 전기장에 의한 농도 구배가 형성된 후, 상기 전기장을 소멸시키는 단계; 및
    상기 전기장 소멸 후, 상기 대상 물질의 이동에 의한 상기 특정 영역의 농도분포 변화를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 단계를 포함하는 확산계수 측정 방법.
  18. 확산계수(diffusion coefficient) 측정의 대상 물질을 포함하는 미세유체 및 전원과 연결된 전극 사이에 위치하는 광전도성층에 광을 조사하여 상기 미세유체의 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계;
    상기 미세유체에서 상기 전기장에 의한 농도 구배가 형성된 후, 상기 전기장을 소멸시키는 단계;
    상기 전기장 소멸 후, 상기 특정 영역의 상기 대상 물질과 상기 조사된 광의 상호작용을 통해 방출되는 특정 주파수 영역의 광신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 광신호를 통해 상기 대상 물질의 확산계수 값을 산출하는 단계를 포함하는 확산계수 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전기장을 형성하는 단계는, 광이 조사되는 부분에서 저항률이 감소하는 상기 광전도성층을 이용하여 상기 특정 영역에 전기장을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 전기장을 소멸시키는 단계는, 상기 전원을 오프(off)하여 상기 전기장을 소멸시키는 단계인 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 광신호를 수신하는 단계는, 상기 특정 주파수 영역의 광신호만을 통과시키는 광학 필터를 통해 상기 방출된 광신호를 수신하는 단계인 것을 특징으로 하는 확산계수 측정 방법.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101838707B1 (ko) * 2016-11-30 2018-03-14 한국과학기술연구원 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법 및 장치
CN108195721A (zh) * 2017-12-07 2018-06-22 同济大学 一种不同沥青之间扩散系数的测试方法
WO2019035585A1 (ko) * 2017-08-17 2019-02-21 주식회사 엘지화학 고분자 소재에서의 용매 분자의 확산계수 분석법
CN109443995A (zh) * 2018-11-29 2019-03-08 朗缪环保科技(天津)有限公司 一种测量多孔材料扩散系数与预测吸附量的方法
RU2682837C1 (ru) * 2018-03-06 2019-03-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых капиллярно-пористых материалах

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06258211A (ja) * 1993-03-05 1994-09-16 Kobe Steel Ltd 拡散係数の測定方法
US5627329A (en) 1995-09-13 1997-05-06 Occidental Chemical Corporation Determination of diffusion coefficient
KR100515853B1 (ko) * 2002-11-19 2005-09-21 한국과학기술연구원 중공사 미세 기공을 통한 나노입자 유체의 확산계수 측정방법 및 장치
KR100939062B1 (ko) * 2007-10-26 2010-01-28 한국과학기술원 섬광법에 의한 열확산 계수 측정장치 및 그 측정방법

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101838707B1 (ko) * 2016-11-30 2018-03-14 한국과학기술연구원 유체의 전기점성 흐름에서 형성되는 농도결핍층 해석 방법 및 장치
WO2019035585A1 (ko) * 2017-08-17 2019-02-21 주식회사 엘지화학 고분자 소재에서의 용매 분자의 확산계수 분석법
US11480511B2 (en) 2017-08-17 2022-10-25 Lg Chem, Ltd. Method for analyzing diffusion coefficient of solvent molecules in polymer material
CN108195721A (zh) * 2017-12-07 2018-06-22 同济大学 一种不同沥青之间扩散系数的测试方法
RU2682837C1 (ru) * 2018-03-06 2019-03-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "ТГТУ") Способ определения коэффициента диффузии растворителей в листовых капиллярно-пористых материалах
CN109443995A (zh) * 2018-11-29 2019-03-08 朗缪环保科技(天津)有限公司 一种测量多孔材料扩散系数与预测吸附量的方法
CN109443995B (zh) * 2018-11-29 2021-09-03 朗缪环保科技(天津)有限公司 一种测量多孔材料扩散系数与预测吸附量的方法

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