KR20110070219A

KR20110070219A - 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치

Info

Publication number: KR20110070219A
Application number: KR1020090126954A
Authority: KR
Inventors: 이수현; 강지윤
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-24
Also published as: KR101178203B1

Abstract

생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치를 개시한다. 상기 미세유체 장치는, U자 형상의 미세채널, 상기 미세채널로 시료를 유입시키기 위한 유입구, 및 상기 미세채널의 시료가 유출되는 유출구를 포함하되, 상기 U자 형상의 미세채널의 좌측 유로 및 우측 유로 사이에는 격벽이 존재하며, 상기 격벽의 외측면을 따라 유체가 흐르도록 유로가 U자 형태이다. 상기 격벽의 굴절률은 물보다 높아서, 빛의 도파관 역할을 한다. 따라서, 생물학적 시료를 광학적으로 분석하는 것이 가능하다.

미세유체 장치, 미세채널, 광학, 광섬유, 형광, 굴절률

Description

생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치 {A microfluidic device for analyzing biochemical sample optically}

본 발명은 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치에 관한 것이다.

현재 바이오 산업에서 현장진료기기(Point of Care, POC) 및 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC)에 대한 연구와 제품화가 많이 이루어지고 있다. 상기 랩온어칩(LOC)은 생물학, 의학 및 약리학 등 다양한 분야의 실험을 수행할 수 있는 실험 장비를 하나의 플라스틱 미세유체(microfluidic) 장치에 구현한 것이다.

상기 미세유체 장치의 미세채널 내에 항원 또는 항체 등의 단백질, DNA, 바이러스, 박테리아, 동물 세포, 식물 세포, 조직 등과 같은 생체 물질(본 명세서에서는 이와 같은 생체 물질 등을 통칭하여 "생화학적 시료" 또는 "생화학적 물질"이라 칭한다)이 포함되어 있는 시료를 주입하거나 채널 내를 흐르게 하면서 생화학적 반응을 일으키게 하고, 그 반응 결과물을 분석 장비에 의하여 분석한다.

현재 생화학적 물질을 광학적으로 검출하여 분석하는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 광섬유 표면에 항체를 부착시키고, 항원이 포함되어 있는 시료와 반응 시켜 항원-항체 반응을 일으키게 한 후에, 다시 형광 물질이 표지된 2차 항체를 반응시켜서, 형광 물질로부터 나오는 빛을 광학적으로 분석한다. 이 때, 형광물질로부터 나오는 빛이 광섬유 내로 들어가서 광섬유를 통하여 흐르게 되므로, 광섬유 말단에 구비되는 검출 장치를 이용하여 광신호를 분석할 수 있다.

본 발명은 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 미세유체 장치를 사용하여 시료 내의 생화학 물질을 분석하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 미세유체 장치를 제작하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치에 관한 것으로서, U자 형상의 미세채널, 상기 미세채널로 시료가 유입되는 유입구, 및 상기 미세채널의 시료가 유출되는 유출구를 포함한다. 여기에서, 상기 U자 형상의 미세채널의 좌측 유로 및 우측 유로 사이에는 격벽이 존재하며, 상기 격벽의 외측면을 따라 유체가 흐르도록 유로가 U자 형태이다.

상기 격벽의 굴절률은 물보다 높아서, 빛의 도파관 역할을 한다. 따라서, 상기 격벽 내부로 들어온 빛은 격벽 내부를 따라 길이 방향으로 빛이 진행된다.

상기 격벽이 돌출되어 나온 면의 후단에는 광섬유가 삽입되기 위한 홀이 형성된다. 상기 홀은 상기 격벽의 길이 방향의 연장선 상에 길이 방향으로 형성된다.

또한, 본 발명은 상기 미세유체 장치를 사용하여 시료 내의 생화학 물질을 분석하는 방법에 관한 것으로서, 상기 미세유체 장치의 미세채널로 상기 생화학 물질과 특이적으로 반응하는 제1결합물질을 유입시켜, 상기 미세채널 내에 부착시키는 단계; 상기 생화학 물질을 포함하는 시료를 상기 미세채널 내에 유입시켜, 상기 제1결합물질과 상기 시료 내 생화학 물질을 반응시키는 단계; 상기 생화학 물질과 특이적으로 반응하며, 형광 물질이 부착된 제2결합물질을 상기 미세채널로 유입시켜, 상기 제1결합물질과 결합된 생화학 물질과 상기 2결합물질을 반응시키는 단계; 상기 격벽 내로 빛을 조사하여 상기 형광 물질을 여기시키는 단계; 및 상기 격벽에 의하여 전달되는, 상기 형광 물질이 발하는 빛을 분석하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명은 상기 미세유체 장치를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 금속 기판 상에 포토레지스트를 적층하는 단계; 상기 포토레지스트층을 패터닝하는 단계; 상기 금속 기판 상에서 포토레지스트 층이 패터닝되어 제거된 부분을 금속으로 도금하는 단계; 포토레지스트 층을 모두 제거하는 단계; 남은 금속 기판을 주형으로 하여 플라스틱을 몰딩한 후, 상기 주형을 제거하여, 미세채널 및 격벽이 형성된 기판을 제작하는 단계; 상기 기판의 미세채널의 양단에 유입구 및 유출구를 형성하는 단계; 및 상기 기판을 다른 평판 모양의 플라스틱과 접합하는 단계를 포함한다.

본 발명에서 시료가 주입되어 들어가는 공간인 챔버 및 광섬유 역할을 하는 플라스틱 구조물을 미세유체 장치 내에 구현하였다. 본 발명에서는 생화학적 물질을 상기 플라스틱에 고정시키는 시간이 짧고, 반응 시간도 짧다. 또한, 본 발명에 따른 미세유체 장치는 크기가 작고, 휴대가 간편하며, 제작이 간단하고, 제작 비용이 저렴하여, 1회용으로 용이하게 사용할 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치의 사시도이다. 도 1b는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 평면도이고, 도 1c는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 A'-A 선을 절취한 단면도이며, 도 1d는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 B-B' 선을 절취한 단면도이다.

상기 미세유체 장치(1)는 생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 것으로서, U자 형상의 미세채널(20), 미세채널(20)로 시료를 유입시키기 위한 유입구(10), 및 미세채널(20)의 시료가 유출되는 유출구(30)를 포함한다.

상기 U자 형상의 미세채널(20)의 좌측 유로(21) 및 우측 유로(22) 사이에는 격벽(40)이 존재한다. 미세채널(20)은 격벽(40)의 외측면을 따라 유체가 흐르도록, 즉, 상기 격벽(40)의 우측면을 지나서 격벽(40)의 좌측면으로 흐르도록, 유로 가 U자 형태이다. 상기 미세채널의 폭(도 1b의 b)에는 특별한 제한은 없으나, 100 내지 500㎛의 범위로 제작한다.

상기 격벽(40)은 빛의 도파관 역할을 수행한다. 따라서, 상기 격벽(40) 내부로 들어온 빛은 격벽(40) 내부를 따라 길이 방향으로 빛이 진행된다.

이를 위하여 상기 격벽(40)의 재질은 투명한 것이 바람직하다. 상기 격벽(40)은 미세유체 장치(1)와 일체를 이루도록 제작하는 것이 편리하다. 따라서, 상기 미세유체 장치(1)는 투명한 재질의 유리 또는 플라스틱을 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 생화학적 시료는 분산매가 물인 분산계라고 할 수 있다. 따라서, 상기 격벽(40)의 굴절률이 물보다 높은 경우에, 상기 미세채널(20)이 생화학적 시료로 채워져 있다면, 상기 격벽(40) 내부로 임계각 이상의 각도로 입사되어 들어온 빛은 생화학적 시료와의 경계면에서 전반사하게 된다. 따라서, 격벽(40) 내부로 들어온 빛은 격벽(40) 내부를 따라 길이 방향으로 진행하게 된다.

상기 격벽(40)의 재질은 물의 굴절률(1.33) 보다 큰 것을 사용한다. 바람직하게는, 굴절률이 1.4 내지 1.6 범위인 폴리머 재질을 사용한다. 예를 들어, 사이클릭올레핀코폴리머(COC, cyclic olefin copolymer), 폴리카보네이트(PC, polycarbonate), 또는 폴리메틸메트아크릴레이트(PMMA, polymethylmethacrylate) 등의 폴리머 재질을 격벽(40) (즉, 미세유체 장치(1))로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 격벽(40)의 폭(도 1b의 a)은 100 내지 1000㎛(바람직하게는, 200 내지 600㎛)로 형성할 수 있으나, 이러한 범위로 제한되는 것은 아니다. 상기 격벽(40)은 도 1b에 도시되어 있는 바와 같이 말단으로 갈수록 폭이 좁아지는 니들(needle) 형상으로 제작하는 것이 광학적으로 시료를 검출하는데 유리하다. 상기 격벽(40)은 도 2에 도시되어 있는 또 다른 실시예와 같이 폭(a)이 일정하게 제작하는 것도 가능하다.

상기 격벽(40)의 높이(도 1c의 h)는 도 1c에 도시되어 있는 바와 같이 미세채널(20)의 높이가 된다. 상기 격벽(40)의 높이(도 1c의 h)는 100 내지 300㎛로 형성하는 것이 바람직하지만, 이러한 범위로 제한되는 것은 아니다.

한편, 격벽(40)이 돌출되어 나온 면의 후단에는 광섬유가 삽입될 수 있도록 홀(50)이 형성된다. 상기 홀(50)은 격벽(40)의 길이 방향의 연장선 상에 길이 방향으로 형성된다. 상기 홀(50)에 광섬유를 삽입한 후, 상기 광섬유를 통하여 격벽 내부로 빛을 인가한다. 또한, 상기 격벽을 통하여 나오는 빛을 상기 광섬유를 통하여 외부에서 광신호 검출 기기(미도시)를 사용하여 검출할 수 있다.

상기 미세유체 장치(1)는 상부 기판(2) 및 하부 기판(3)을 접합하여 제작할 수 있다. 이 때, 도 1c 또는 도 1d에 도시되어 있는 바와 같이 상기 상부 기판(2) 또는 하부 기판(3) 상에 상기 미세채널(20), 유입구(10), 유출구(30), 및 격벽(40)을 미리 형성해 놓은 후, 상기 상부 기판(2) 및 하부 기판(3)을 서로 접합하여 제 작할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 횡방향으로 자른 단면의 사시도이다. 상기 도 3의 X 부분에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 홀(50)의 말단은 격벽(40)을 통하여 나오는 빛을 모으기 위하여 볼록하게 형성하는 것이 바람직하다. 볼록한 부분(52)이 실린더 모양의 렌즈 역할을 하여 빛을 모으게 된다.

상기 홀(50)의 볼록하게 형성된 말단 부분(X)이 광섬유와 접촉하여, 광섬유의 빛이 격벽으로 들어가고, 격벽으로부터 나오는 빛이 광섬유로 들어가게 된다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치에 광섬유가 결합되는 모습을 도시한 도면이다. 일반적으로 광섬유(90)는 중앙의 코어(94) 및 코어(94)의 외주면을 감싸는 클래딩(92)으로 이루어진다. 상기 광섬유(90)의 말단이 미세유체 장치의 홀(50) 내로 삽입되어, 홀(50)의 말단(X)의 볼록하게 형성된 부분(52)와 접촉하여 빛이 광학적으로 통과되도록 한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 사용하여 시료 내 생화학적 물질(예를 들어, 항원)을 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

우선, 상기 미세유체 장치(1)의 유입구(10)를 통하여 미세채널(20) 내로 상기 생화학 물질(항원)과 특이적으로 반응하는 제1결합물질(예를 들어, 상기 항원과 특이적으로 결합하는 항체)(72)을 포함하는 용액을 유입시킨 후, 약 5분간 방치하여 큐어링한다. 이 때, 상기 격벽(40)의 재질은 사이클릭 올레핀 코폴리머(COC), 폴리카보네이트(PC), 또는 폴리메틸메트아크릴레이트(PMMA)와 같은 폴리머이고, 이들 폴리머는 소수성이어서, 도 5a에 도시되어 있는 바와 같이 항체(72)와 같은 단백질이 격벽(40)의 표면에 직접 부착되어 고정될 수 있다.

이후, 상기 미세채널(20) 내의 용액을 유출구(30)를 통하여 배출시킨 후, 버퍼 액으로 세척한다. 본 발명에서는 항체 고정이 용이하여 실험 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

이후, 항원(74)을 포함하는 시료를 상기 미세유체 장치(1)의 유입구(10)를 통하여 미세채널(20) 내에 유입시키고, 약 5분간 인큐베이션하여 상기 격벽(40)에 부착되어 있던 항체(72)와 항원(74)이 항원-항체 반응을 일으키게 한다(도 5b). 이후, 미세채널(20) 내의 용액을 유출구(30)를 통하여 배출시킨 후, 버퍼 액으로 세척한다.

이후, 상기 항원(74)과 특이적으로 반응하되, 형광 물질(78)이 부착된 제2결합물질(제2항체)(76)을 상기 미세채널(20)로 유입시켜, 상기 제1항체(72)와 결합되어 있던 항원(76)과 상기 제2항체(78)를 반응시킨다(도 5c).

이후, 코어의 직경이 약 400㎛인 광섬유(도 4의 90)를 홀(50)에 삽입하고, 도 5d에 도시되어 있는 바와 같이 상기 제2항체(76)에 부착되어 있던 형광 물질(78)을 여기시킬 수 있는 특정 파장대(예를 들어, 635nm)의 레이저 광을 광섬유(도 4의 90)를 통하여 격벽(40) 내부로 조사한다. 여기에서, 상기 격벽(40)과 미 세채널(20)을 채우고 있는 용액 사이의 경계면에서는 어느 정도의 굴절률 차이가 있기 때문에 광섬유와 같이 빛이 100% 전반사되어 빛의 손실이 전혀 없는 것은 아니다. 따라서, 상기 격벽(40)에 들어온 빛 중 일부는 상기 격벽(40)의 외부로 투과되어, 격벽(40) 측벽에 있는 형광 물질(78)을 여기시킨다.

여기된 형광 물질(78)은 특정 파장대(예를 들어, 670nm)의 빛을 발하게 된다. 이와 같이 여기된 형광 물질(78)이 발하는 빛의 일부가 격벽(40) 내부로 들어가서, 격벽을 따라 흐르게 되고, 이 빛은 광섬유(도 4의 90)에 의하여 외부의 광 신호 검출 장치(미도시)로 전달된다. 상기 광 신호 검출 장치에서 상기 형광 물질의 광 신호를 분석하여, 시료 내의 항원을 정성적 또는 정량적으로 분석할 수 있다.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 제작하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. 본 공정 단면도는 도 1a의 A'-A 선을 절취한 단면을 기준으로 도시되어 있다.

우선, 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 니켈(Ni)과 같은 금속 기판(100) 상에 포토레지스트인 SU-8 (200)을 스핀 코팅하여 약 200㎛ 높이로 적층한다. 상기 포토레지스트의 높이가 미세채널(도 1의 20)의 높이가 된다.

이후, 도 6b에 도시되어 있는 바와 같이 상기 포토레지스트 층(200)을 패터닝한다.

이후, 도 6c에 도시되어 있는 바와 같이 상기 금속 기판(100) 상에서 포토레 지스트 층이 패터닝되어 제거된 부분(110)을 기판(100)과 동일한 Ni 금속으로 도금한다.

이후, 포토레지스트층을 모두 제거하면 남은 금속 기판(100)이 도 6d에 도시되어 있는 바와 같은 주형이 된다.

이후, 도 6e에 도시되어 있는 바와 같이 상기 금속 기판(100)을 주형으로 하여 플라스틱(2)을 몰딩한다.

이후, 주형(100)을 제거함으로써, 도 6f에 도시되어 있는 바와 같이 미세채널(20) 및 격벽 등이 형성된 상부 기판(2)이 제작된다.

이후, 도 6g에 도시되어 있는 바와 같이 상기 상부 기판(2)에서 미세채널의 양 끝단에 유입구(10) 및 유출구(30)가 되는 홀을 형성한다.

이후, 도 6h에 도시되어 있는 바와 같이 상기 상부 기판(2)을 다른 평판 모양의 플라스틱 재질의 하부 기판(3)과 접합하여, 미세유체 장치를 제작할 수 있다.

이와 같이 제작된 미세유체 장치는 제작 과정이 간단하고, 제작 비용이 저렴하여 일회용으로 사용하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치의 사시도.

도 1b는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 평면도.

도 1c는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 A'-A 선을 절취한 단면도.

도 1d는 상기 도 1a에 도시된 미세유체 장치의 B-B' 선을 절취한 단면도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세유체 장치의 평면도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 횡방향으로 자른 단면의 사시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치에 광섬유가 결합되는 모습을 설명하기 위한 도면.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 사용하여 시료 내 생화학적 물질을 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면.

도 6a 내지 도 6h는 본 발명의 일실시예에 따른 미세유체 장치를 제작하는 방법을 설명하기 위한 공정 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 미세유체 장치 2 : 상부 기판

3 : 하부 기판 10 : 유입구

20 : 미세채널 30 : 유출구

40 : 격벽 50 : 광섬유가 삽입되기 위한 홀

78 : 형광 물질 90 : 광섬유

Claims

생화학적 시료를 광학적으로 분석하기 위한 미세유체 장치로서,

U자 형상의 미세채널,

상기 미세채널로 시료를 유입시키기 위한 유입구, 및

상기 미세채널의 시료가 유출되는 유출구를 포함하되,

상기 U자 형상의 미세채널의 좌측 유로 및 우측 유로 사이에는 격벽이 존재하며, 상기 격벽의 외측면을 따라 유체가 흐르도록 유로가 U자 형태인 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 격벽의 재질은 투명한 소수성의 폴리머인 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 격벽의 굴절률은 물보다 높은 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 격벽의 재질은 굴절률이 1.4 내지 1.6의 범위인 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 격벽은 도파관 역할을 하여, 상기 격벽 내부로 들어 온 빛은 격벽 내부를 따라 길이 방향으로 빛이 진행되는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 격벽이 돌출되어 나온 면의 후단에는 광섬유가 삽입되기 위한 홀이 형성되어 있되,

상기 홀은 상기 격벽의 길이 방향의 연장선 상에 길이 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 홀의 말단은 상기 격벽을 통하여 나오는 빛을 모으기 위하여 볼록하게 형성되어 있으며, 볼록하게 형성된 상기 홀의 말단 부분이 상기 광섬유와 연결되는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 격벽은 말단으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상인 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 격벽의 재질은 사이클릭올레핀코폴리머, 폴리카보네이트 또는 폴리메틸메트아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 미세유체 장치는 상부 기판 및 하부 기판으로 구성 되며, 상기 상부 기판 또는 하부 기판 상에 상기 미세채널, 유입구, 유출구, 및 격벽이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 미세유체 장치를 사용하여 시료 내의 생화학 물질을 분석하는 방법으로서,

상기 미세유체 장치의 미세채널로 상기 생화학 물질과 특이적으로 반응하는 제1결합물질을 유입시켜, 상기 미세채널 내에 부착시키는 단계;

상기 생화학 물질을 포함하는 시료를 상기 미세채널 내에 유입시켜, 상기 제1결합물질과 상기 시료 내 생화학 물질을 반응시키는 단계;

상기 생화학 물질과 특이적으로 반응하는 제2결합물질로서 형광 물질이 부착된 제2결합물질을 상기 미세채널로 유입시켜, 상기 제1결합물질과 결합된 생화학 물질과 상기 제2결합물질을 반응시키는 단계;

상기 격벽 내로 빛을 조사하여 상기 형광 물질을 여기시키는 단계; 및

상기 격벽에 의하여 전달되는, 상기 형광 물질이 발하는 빛을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 내 생화학 물질 분석 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 생화학 물질은 항원이고, 상기 제1결합물질 및 상기 제2결합물질은 상기 항원과 특이적으로 반응하는 항체인 것을 특징으로 하는 시료 내 생화학 물질 분석 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 미세유체 장치를 제작하는 방법으로서,

금속 기판 상에 포토레지스트를 적층하는 단계;

상기 포토레지스트층을 패터닝하는 단계;

상기 금속 기판 상에서 포토레지스트 층이 패터닝되어 제거된 부분을 금속으로 도금하는 단계;

포토레지스트 층을 모두 제거하는 단계;

남은 금속 기판을 주형으로 하여 플라스틱을 몰딩한 후, 상기 주형을 제거하여, 미세채널 및 격벽이 형성된 기판을 제작하는 단계;

상기 기판의 미세채널의 양단에 유입구 및 유출구를 형성하는 단계; 및

상기 기판을 다른 평판 모양의 플라스틱과 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 장치 제작 방법.