KR20210127410A - 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 뉴튼 유체와, 비뉴튼 유체와, 측정대상 입자들이 유입되어 유동하는 유체유입부와, 유체유입부와 연통되는 마이크로채널을 포함하여 구성되는 입자이동부와, 입자크기별로 분류된 입자들이 유동하는 복수개의 분리채널들을 포함하여 구성되는 입자분리부와, 입자들을 분석하는 입자분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 제공한다. 상기한 바에 따르면 미세입자의 분류, 계수 및 분석을 효과적으로 할 수 있다.
Description
본 발명은 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용하여 유체 내 포함된 미소입자를 효과적으로 분류할 수 있음은 물론, 분류된 미소입자들을 측정 및 비교 분석함으로써 다양한 기술과의 접목 및 응용이 가능한 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템에 관한 것이다.
일반적으로 미세유체 제어기술을 이용한 랩온어칩(Lab on a chip) 시스템은 실험실에서 주로 사용하는 부피가 크고 값비싼 장비들의 기능을 손가락 크기만 한 칩 위에 구현함으로써, 실험실에서 필요로 하는 다양한 전처리 및 분석을 단시간 내에 효율적으로 수행할 수 있도록 한다.
최근에는 이러한 미세유체 기반의 랩온어칩 기술이 발달함에 따라 의료공학에서 이를 적용하는 연구가 대단히 활발히 진행 중에 있으며, 특히 바이오 소자 시장에서 미소유체 기반의 랩온어칩 기술이 빠른 속도로 성장 중에 있다.
한편, 상기한 미세유체 기반의 랩온어칩 기술에 대한 예로 미세유체 내 미세입자를 분류하는 기술이 개발되고 있으며, 이러한 미세입자를 분류하는 기술의 예로 대한민국 등록특허 제10-0907213호는 서로 다른 자화율을 갖는 유체들과 소정의 미세입자들이 주입되는 주입구, 주입된 유체들과 주입된 미세입자들이 이동하는 미세유체 채널, 미세유체 채널의 수직방향으로 자기장을 인가하는 자기 에너지원 및 미세유체 채널을 통과한 미세입자들을 배출하는 배출부를 포함하여, 채널을 통과하는 미세입자를 연속적으로 분리하는 기술이 개시된 바 있다.
그런데, 상기한 종래의 미세입자 분석시스템은 미세입자를 분리하기 위하여 자기장을 인가하는 별도의 장비가 필요하거나 이에 준하는 설비가 필요한 만큼 시스템이 복잡하여 제조비용이 증가하고, 사용법이 까다로운 문제점이 있었다.
또한, 종래의 미세입자 분석시스템은, 랩온어칩의 구성으로 대부분 미세입자를 분리만 하는 단순 구성으로 이루어져 있기 때문에, 요구되는 기술이 증가하고 있는 요즘 이러한 다양한 기술에 대한 요구를 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은, 하나의 소자(chip)에 대하여 미세입자를 용이하게 분류할 수 있을 뿐만 아니라 분류된 입자의 계수도 가능하도록 구성하고, 이렇게 계수된 입자들을 비교 분석함으로써 다양한 기술과의 접목이 가능하고 그 활용도 및 응용력을 증대시킬 수 있는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 시스템 구조가 간단하여 제조가 용이하고, 이에 따른 제조비용을 저감시킬 수 있는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 제1유체가 유입되어 유동하는 제1유입부와, 제2유체와 측정대상 입자들이 유입되어 유동하는 제2유입부를 포함하여 구성되는 유체유입부와; 제1유입부 및 제2유입부와 연통되게 연결되어 제1유입부와 제2유입부가 합류되고, 내부로 제1유체 및 제2유체가 유동하며 입자크기에 따라 입자들의 이동이 이루어지는 마이크로채널을 포함하여 구성되는 입자이동부와; 마이크로채널과 연통되게 연결되되, 마이크로채널로부터 분기되어 제1유체, 제2유체 및 입자크기별로 분류된 입자들이 각각 유동하는 복수개의 분리채널들을 포함하여 구성되는 입자분리부와; 분리채널들 각각에 설치되고, 분리채널을 유동하는 입자의 저항성펄스를 이용하여 입자들을 분석하는 입자분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 제공한다.
여기서, 제1유입부는, 제1유입구가 형성되어 제1유체가 유입되는 제1챔버와, 일단은 제1챔버와 연통되고 타단은 마이크로채널과 연통되어 제1유체를 마이크로채널로 유동시키는 제1채널을 포함하여 구성되고, 제2유입부는, 제2유입구가 형성되어 제2유체와 입자들이 유입되는 제2챔버와, 일단은 제2챔버와 연통되고 타단은 마이크로채널과 연통되어 제2유체와 상기 입자들을 마이크로채널로 유동시키는 제2채널을 포함하여 구성될 수 있다.
세부적으로, 상기 제1챔버는, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어 상측에서 제1유체가 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성되고, 제1채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1챔버로부터 유입된 제1유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며, 제2챔버는, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어 상측에서 제2유체와 입자들이 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성되고, 제2채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제2챔버로부터 유입된 제2유체와 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며, 마이크로채널은, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1유체, 제2유체 및 입자들이 유입되어 유동하되, 제1유체와 제2유체는 수평방향에 대하여 층을 이루며 유동하도록 구성될 수 있다.
또한, 제1챔버는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 제1유체가 유입되어 후방 타측 방향으로 유동하도록 형성되고, 제1채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1챔버로부터 유입된 제1유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며, 제2챔버는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 제2유체와 입자들이 유입되어 후방 타측 방향으로 유동하도록 형성되고, 제2채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 제2챔버로부터 유입된 제2유체와 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성되고, 마이크로채널은, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1유체, 제2유체 및 입자들이 유입되어 유동하되, 제1유체와 제2유체는 수직방향에 대하여 층을 이루며 유동하도록 구성될 수 있다.
마이크로채널은, 제1유체와 제2유체가 각각 층류를 이루며 유동하도록 구성될 수 있다.
입자분리부는, 제1유체와 제2유체 각각의 유체속도, 점성 또는 밀도 또는 완화시간(Relaxation Time)에 의하여 입자의 입자크기별 분류가 결정될 수 있다.
또한, 입자분리부는, 마이크로채널의 단면적 또는 유동방향 길이 또는 단면형상에 의하여 입자의 입자크기별 분류가 결정될 수 있다.
유체유입부, 입자이동부 및 입자분리부는, MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 공정에 의하여 제조될 수 있다.
제1유체는, 뉴튼 유체(Newtonian fluid)이고, 제2유체는, 비뉴튼 유체(Non-Newtonian fluid)로 적용될 수 있다.
나아가, 입자분석부는, 분리채널을 따라 이격되게 설치되는 복수개의 전극들과, 전극들을 지나는 입자에 의하여 발생되는 저항성 펄스를 측정하여 입자들을 계수하는 카운팅모듈을 포함하여 구성될 수 있다.
입자분석부는, 카운팅모듈과 연결되어, 분리채널들 각각의 입자들을 실시간으로 비교분석하는 비교모듈을 더 포함하여 구성될 수 있다.
비교모듈은, 분리채널들 각각에 대하여 계수된 입자들을 비교분석하여, 분리채널들 각각에 대한 입자 순도(purity)와 입자 회수율(recovery rate)을 실시간으로 비교분석하도록 구성될 수 있다.
입자분석부는, 입자가 전극에 포커싱되도록 3D 수력학적 포커싱(3D Hydrodynamic focusing) 기술에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
첫째, 하나의 소자(chip)에 대하여 미세입자를 용이하게 분류할 수 있을 뿐만 아니라 분류된 입자의 계수도 가능하도록 구성하고, 이렇게 계수된 입자들을 비교 분석함으로써 다양한 기술과의 접목이 가능하고 그 활용도 및 응용력을 증대시킬 수 있다.
둘째, 시스템 구조가 간단하여 제조가 용이하고, 이에 따른 제조비용을 저감시킬 수 있어 경제적인 효과를 제공할 수 있으며, 바이오센서, 수질센서, 마이크로필터 등 다양한 기술과의 접목 및 응용이 가능하다.
셋째, 하나의 소자(chip)상에 미세입자 분류와 계수를 동시에 수행할 수 있으며, 2가지 이상의 입자크기를 갖는 입자 군을 포함하는 유체에서 입자크기별로 입자들을 분리할 수 있으며, 크기별로 분류된 입자들을 계수함으로써 유체 내에 존재하는 입자들의 농도를 크기별로 알 수 있다.
넷째, 미소 단위의 입자들을 유체 내에서 크기 별로 분류하고 계수한다는 점에서 다양한 종류의 바이오 입자가 들어있는 유체, 이를테면 혈액 속에 원하는 크기 군의 단백질 또는 유체 내의 원하는 크기의 세포 등을 효과적으로 분리해낼 수 있는 등 향후 이와 관련 바이오 기술시장에서 그 활용도를 높일 수 있다.
다섯째, 뉴튼 유체, 비뉴튼 유체의 점성, 유속 및 마이크로채널의 구조 등을 조절하여 분류하고자 하는 입자 크기 군을 제어할 수 있으며, 분류된 입자들을 전기적인 방식을 이용하여 계수함으로써 유체 내의 입자 군의 농도를 용이하게 파악할 수 있고, 유체 내의 특정 입자들을 선별하고 농도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 마이크로채널과 분리채널의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템에서 입자분석부에 의한 입자 계수원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 통하여 입자크기별 분류된 입자들을 확인할 수 있는 측정데이터를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 마이크로채널과 분리채널의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템에서 입자분석부에 의한 입자 계수원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템을 통하여 입자크기별 분류된 입자들을 확인할 수 있는 측정데이터를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템(이하 '입자 분석시스템'이라 한다)은, 비뉴튼 유체와 뉴튼 유체가 마이크로채널(210) 내에서 층류(laminar flow)를 형성할 때, 마이크로채널(210) 내의 입자는 그 입자크기에 비례하여 힘을 받게 된다는 점을 이용한 것으로, 입자크기 별로 입자를 분리하고, 이렇게 분리된 입자를 물리적 채널구조로 분류하여 계수할 수 있도록 구성된다. 우선, 본 발명을 설명하기에 앞서, 뉴튼 유체는, 전단응력과 속도구배와 정비례하는 관계를 갖는 유체로서, 물, 알코올 등의 저분자 액체, 액상유지, 이들의 혼합액체를 포함한다. 그리고 비뉴튼 유체는, 뉴튼의 점성법칙이 성립되지 않는 유체로서 뉴튼 유체보다 상대적으로 점성이 높은 유체로서, 페인트와 같은 의가소성 유체(pseudo plastic fluid), 생크림과 같은 팽창유체(dilatant fluid), 치약이나 샴푸와 같은 빙함 소성 유체(bingham plastic fluid) 등을 포함한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 입자 분석시스템에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명의 입자 분석시스템은, 유체유입부(100)와, 마이크로채널(210)을 포함하는 입자이동부(200)와, 입자분리부(300)와, 입자분석부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
유체유입부(100)는, 서로 다른 특성을 갖는 제1유체와 제2유체가 각각 유입되도록 구성되며, 제1유입부(110)와 제2유입부(120)를 포함하여 구성된다. 한편, 상기 제1유체는 뉴튼 유체이고, 제2유체는 비뉴튼 유체를 적용할 수 있으며, 이하에서는 제1유체를 뉴튼 유체라 하고 제2유체를 비뉴튼 유체로 명명하여 살펴보기로 한다.
제1유입부(110)는, 뉴튼 유체(Newtonian fluid)가 유입되어 유동하도록 구성된다. 세부적으로, 제1유입부(110)는, 제1유입구(111a)가 형성되어 뉴튼 유체가 유입되는 제1챔버(111)와, 일단은 제1챔버(111)와 연통되고 타단은 마이크로채널(210)과 연통되어 유입된 뉴튼유체를 마이크로채널(210)로 유동시키는 제1채널(112)을 포함하여 구성된다.
제2유입부(120)는, 비뉴튼 유체(Non-Newtonian fluid)와 측정대상 입자들이 유입되어 유동하도록 구성된다. 세부적으로, 제2유입부(120)는, 제2유입구(121a)가 형성되어 비뉴튼 유체와 입자들이 유입되는 제2챔버(121)와, 일단은 제2챔버(121)와 연통되고 타단은 마이크로채널(210)과 연통되어 유입된 비뉴튼 유체와 입자들을 마이크로채널(210)로 유동시키는 제2채널(122)을 포함하여 구성된다.
여기서, 제1챔버(111)와 제2챔버(121)는, 도시된 바와 같이 원통형으로 형성되어 유동단면 형상이 원형이 되도록 형성될 수 있다. 하지만, 이는 일 실시에로 다각형의 박스형으로 형성되어 유동단면 형상이 다각형으로 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 제1채널(112)과 제2채널(122)은, 도시된 바와 같이 직사각형의 박스형으로 형성될 수 있으나, 원통형 등 다양한 형상이 적용될 수 있다. 또한, 제1채널(112)과 제2채널(122)는, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체의 유속 등을 고려하여, 제1챔버(111)와 제2챔버(121) 보다 유동단면적이 작도록 형성될 수 있다. 나아가, 제1유입부(110)와 제2유입부(120)의 크기(부피)는, 유입되는 유체의 설정 속도에 대응하여 다양한 크기로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 제1채널(112)과 제2채널(122)은, 타단이 서로 합류되도록 평면상으로 설정된 교차각도를 갖도록 형성된다. 이때의 교차각도는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 합류되는 마이크로채널(210) 내에서의 유속비를 고려하여 설정될 수 있다.
입자이동부(200)는, 제1유입부(110)와 제2유입부(120)와 연통되게 연결되어 제1유입부(110)와 제2유입부(120)가 합류되고, 뉴튼 유체, 비뉴튼 유체 및 입자들이 유동하며, 입자크기에 따라 입자들이 이동이 이루어지는 마이크로채널(210)을 포함하여 구성된다.
여기서, 마이크로채널(210)은, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 각각 층류를 이루며 유동하도록 구성된다. 이는, 마이크로 사이즈를 갖는 마이크로채널(210)에서 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체로 구분되는 층류가 형성되면, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 서로 잘 섞이지 않게 되고, 마이크로채널(210) 내의 입자는 크기에 비례하는 힘을 받아 입자크기에 따라 입자들의 이동이 이루어질 수 있기 때문이다.
한편, 마이크로채널(210) 내 뉴튼 유체와, 비뉴튼 유체가 층류를 이루며 유동하기 위한 조건에 대하여 살펴보기로 한다.
우선, 유체의 흐름을 구분하기 위하여 일반적으로 '레이놀즈수'를 사용한다. 가령, 유체가 특정 레이놀즈수 보다 커지면 난류로, 특정 레이놀즈수 보다 낮으면 층류로 구분하게 된다. 이러한 기준은 마이크로채널(210)의 형태에 따라 달라지는데, 예를 들어 마이크로채널(210)이 원통형인 경우 2100 이하이면 층류, 4000 이상이면 난류라고 판단할 수 있다. 반면, 마이크로채널(210)이 사각의 단면형상을 갖는 직사각형 박스 형태인 경우 레이놀즈수는 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.
여기서, H와 W는 마이크로채널(210)의 높이와 폭을 나타내고, ρ는 유체밀도, u는 유속을 나타낸다.
한편, 일반적으로 상기한 레이놀즈수에 의하여 유체의 층류, 난류 범위를 설정하지만, 본 발명의 경우 유입구가 2개이고, 제1유입구(111a)와 제2유입구(121a) 각각으로 도입되는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체는 개별적인 유속(단위 시간 당 유량)을 갖게 되어, 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체의 유속이 각각 다를 수 있다. 이러한 경우 만약 어느 한 쪽의 유속이 지나치게 빠른 경우, 다른 유체가 들어오지 못하고 밀려서 역류하는 현상을 발생될 수 있다.
때문에 본 발명은 뉴튼 유체, 비뉴튼 유체, 이 두 유체가 서로 역류하지 않고 층류를 이루며 흘러가도록 특정 유속비의 범위를 설정할 수 있다. 가령, 뉴턴 유체의 속도가 a ul/min 일 때 비뉴턴 유체의 속도는 b ul/min 초과 c ul/min 미만으로 설정될 수 있으며, 이러한 설정값은 유체종류와 마이크로채널(210)의 구조에 따라 설정 가능하다. 덧붙여 본 발명은 뉴턴 유체의 속도 a가 변함에 따라, 또는 마이크로채널(210) 구조(단면적), 제1채널(112)과 제2채널(122)이 교차되는 교차각도 등에 따라 이런 유속비의 범위가 변하게 되므로 이에 대응하여 유속범위를 설정하여 구성될 수 있다.
한편, 마이크로채널(210)은, 반도체 집적 공정을 이용하여 유체가 흐르는 유로를 보다 정밀하고 미세하게 형성하여 보다 작은 입자들을 분류할 수 있도록 제조될 수 있으며, 이렇게 보다 미세한 마이크로채널(210)에서는 입자크기별 분리 분해능이 향상된다.
이하에서는, 마이크로채널(210)에서 비뉴턴 유체를 이용한 유체역학적 입자 분리 구현원리에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, 마이크로채널(210) 내에서 유동하는 비뉴튼 유체 내의 입자는, 전술한 환경에서 크기에 비례하는 힘을 뉴튼 유체 방향으로 받게 되는데, 이에 크기가 큰 입자들은 뉴튼 유체 속으로 이동하게 되고, 이후의 분리채널(311,312)에 의하여 입자크기별로 각각 다른 채널로 유동하게 된다.
여기서, 이러한 입자들이 받는 힘의 크기를 결정하는 계수와 힘의 방향은 유체(뉴튼 유체, 비뉴튼 유체)의 고유한 성질(점성, 완화시간, 밀도 등)과 유속에 의해 결정된다. 또한, 입자는, 마이크로채널(210) 내부에서 유속과 유체특성이 서로 상이한 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 유동하게 됨에 따라 마이크로채널(210)의 물리적 구조(폭, 길이, 형상 등)와, 유체의 고유 성질에 의한 내부 유속 차이에 의해서 받는 힘의 크기와 방향이 결정된다.
이러한 점을 고려해볼 때, 본 발명의 입자 분석시스템은, 마이크로채널(210) 내에서 전술한 조건들을 통해 결정되는 입자들의 힘과 방향을 이용하여, 원하는 입자 크기에 대한 마이크로채널(210)의 구조, 유체의 고유 성질 및 유속 등을 최적화하여 입자크기별 분류를 구현할 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 입자 분석시스템은, 제1유입구(111a)와 제2유입구(121a)로 도입되는 뉴튼유체 및 비뉴튼 유체의 유속비, 제1채널(112)과 제2채널(122)의 교차각도, 비뉴튼 유체의 점성을 결정해주는 완화시간을 포함하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체으 특성 및 마이크로채널(210)의 폭, 길이와 같은 마이크로채널(210)의 구조에 대한 구성을 달리 설계하여 미소입자를 분류할 수 있다.
즉, 상기 입자의 입자크기별 분류는, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체의 유체속도, 각각의 점성 또는 밀도 또는 완화시간(Relaxation Time)을 포함하는 유체특성, 마이크로채널(210)의 단면적 또는 유동방향 길이를 포함하는 마이크로채널(210)의 구조에 의하여 결정될 수 있다.
입자분리부(300)는, 입자이동부(200)와 연통되게 연결되고, 마이크로채널(210)로부터 분기된 복수개의 분리채널(311,312)들을 포함하여 구성된다. 입자분리부(300)는, 마이크로채널(210)에서 입자크기별로 분류된 입자들이 물리적으로 분리된 분리채널(311,312)들을 통하여 각각 다른 분리채널(311,312)로 통하여 유동하게 함으로써, 입자크기별로 분류된 입자들이 서로 구분되어 유동되도록 구성된다.
여기서, 각각의 분리채널(311,312)들은, 분류하고자 하는 입자크기별로 그 채널개수를 달리하고 위치를 설정하여 형성될 수 있다.
한편, 도 1에서 분리채널(311,312)들은, 한 쌍으로 형성되고, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 분리되는 위치를 경계로 분기되어 각각의 채널들로 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 서로 분리되어 유동할 수 있도록 구성되어 있다. 하지만, 이는 바람직한 실시예로 각 분리채널(311,312)들은, 도 2에 도시된 바와 같이 그 분기위치를 분류된 입자크기에 따라 분기되도록 하여, 해당 채널에 대하여 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 함께 유동할 수 있음은 물론이다.
분리채널(311,312)은, 후술되는 전극(410)에 입자가 포커싱되도록 공지의 3D 수력학적 포커싱(3D Hydrodynamic focusing) 기술에 의하여 형성될 수 있다.
입자분석부(400)는, 분리채널(311,312)들 각각에 설치되어 분리채널(311,312)을 유동하는 입자들을 분석하는 역할을 한다. 세부적으로, 입자분석부(400)는, 분리채널(311,312)을 통과하는 입자들을 계수(counting)함은 물론, 분리채널(311,312) 각각으로부터 카운팅한 입자들을 비교하여 분리채널(311,312) 토출구(outlet)의 순도(purity)와, 입자 회수율(recovery rate) 측정 및 이들 데이터를 비교 분석하는 역할을 한다.
우선, 입자분석부(400)는, 입자들을 계수하는 카운팅모듈(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 카운팅모듈은, 입자들이 전극(410) 위를 지나갈 때 발생하는 전도도 차이에 의한 저항성펄스를 측정하여, 입자들을 RPS방식으로 계수하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 카운팅모듈은, 분리채널(311,312)을 따라 이격되게 설치되는 복수개의 전극(410)들과, 전극(410)들에 교류 전압을 인가하여 전극(410)들을 지나는 입자에 의하여 발생되는 저항성 펄스를 측정하여 이를 통해 입자들을 계수하도록 구성될 수 있다.
다시 말해, 유체 내의 입자는 일반적으로 크기에 반비례하는 전기전도도를 가지고 있는 점을 고려해볼 때, 이러한 유체와 입자의 전기전도도 차이가 명확할 시 전극(410) 사이를 지나가는 입자는 입자의 낮은 전기전도도로 인하여 전극(410) 사이의 저항이 급격히 증가되는데, 이를 카운팅모듈이 펄스 형태로 측정하고 펄스 개수를 계수함으로써 입자 계수를 실현하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 우선 전압이 인가될 때 전극(410) 위로 지나는 입자는, 유체가 유동하면서 생기는 고유의 저항값에 대하여 저항체 역할을 하게 되면서 전극(410) 사이의 유체 저항이 급속히 상승된다. 그러면, 카운팅모듈은, 전압계를 통하여 이를 측정하게 되며, 이를 통해 입자의 통과를 판단하고, 나아가 이에 따른 펄스파의 진폭과 횟수로 입자를 계수할 수 있도록 구성된다.
한편, 입자분석부(400)는, 입자가 전극(410)에 포커싱되도록 회로 모델링에 의하여 전극(410) 사이의 매체가 매우 좁게 형성되어야 하는 것이 중요하며, 이를 위해 3D 수력학적 포커싱(3D Hydrodynamic focusing) 기술이 사용될 수 있다.
나아가, 수평적인 분리채널(311,312)에 전극(410)을 배치할 시 입자 분석시스템은, 마이크로채널(210) 위쪽에서 전기전도도가 매우 낮은 유체가 주입되어 입자들이 전극(410) 쪽으로 포커싱 되어야 한다.
이와 더불어, 입자분석부(400)는, 카운팅모듈과 연결되어 카운팅된 입자들을 비교 분석하는 비교모듈(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 비교모듈은, 각각의 분리채널(311,312)에 설치된 카운팅모듈과 연결되어 실시간으로 각 분리채널(311,312)의 순도(purity)와 입자 회수율(recovery rate)을 측정 및 비교하고 이를 분석하도록 구성되며, 이러한 분리채널(311,312) 간의 비교분석을 통하여 분류의 신뢰도를 확보할 수 있도록 한다.
입자분석부(400)는, 공지의 반도제 집적 공정을 이용하여 미세 전극 패턴을 형성함으로써 카운팅 소자의 신뢰도 향상과 동시에 카운팅 분해능 향상도 가능하다.
본 발명의 입자 분석시스템은, 유체유입부(100), 입자이동부(200) 및 입자분리부(300)를 MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 공정을 이용하여 제작될 수 있으며, 이를 통해 그 크기를 매우 작게 제작함으로써, 이를 통해 바이오센서, 수질센서, 마이크로 필터 등 다양한 기술에 응용될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 입자분석부는, 분리채널(311,312) 각각을 통과하는 입자들을 카운팅함은 물론, 카운팅한 입자들을 각각 비교하여 각 토출구(outlet)의 순도와 회수율을 실시간으로 측정함으로써, 시료 내 포함된 입자들의 광범위한 분석을 효과적으로 할 수 있다. 때문에, 본 발명의 입자 분석시스템은 바이오센서를 비롯한 수질센서 등 각종 센서와 마이크로필터 등 다양한 기술과의 접목이 용이하고 이에 대한 기술응용 및 활용성을 증대시킬 수 있다.
한편, 입자 분석시스템은, 뉴튼 유체 및 비뉴튼 유체가 유입되는 방향과 유로형성 방향을 달리하여 다양한 실시예로 구성될 수 있다.
이에 대한 일 실시예로 도 1에 도시된 바와 같이, 제1유입부(110)와 제2유입부(120)는 칩(10;chip)의 상면에서 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체가 수직한 방향으로 도입되고, 입자이동부(200)를 향하여 수평하게 유동하도록 구성될 수 있다.
이를 위해, 제1챔버(111)는, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어 제1유입구(111a)를 통하여 상측에서 뉴튼 유체가 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성된다. 또한, 제1채널(112)은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1챔버(111)로부터 유입된 뉴튼 유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성된다.
제2챔버(121)는, 제1챔버(111)의 수평한 방향으로 설정 거리 이격되게 위치하고, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어, 제1유입구(111a)를 통하여 상측에서 비뉴튼 유체와 입자들이 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성된다. 그리고 제2채널(122)은, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제2챔버(121)로부터 유입된 비뉴튼 유체와 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성된다.
상기한 바에 따라 마이크로채널(210)은, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어, 뉴튼 유체, 비뉴튼 유체 및 입자들이 유입되어 유동하되, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체는 수평방향에 대하여 층을 이루며 유동하게 된다.
이하에서는, 뉴튼 유체 및 비뉴튼 유체의 유입되는 방향과 유로형성 방향을 달리한 입자 분석시스템의 다른 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.
먼저, 제1챔버(111)는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 뉴튼 유체가 유입되어 전방 타측 방향으로 유동하도록 형성된다. 그리고 제1채널(112)은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 제1챔버(111)로부터 유입된 뉴튼 유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성된다.
제2챔버(121)는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 비뉴튼 유체와 입자들이 유입되어 후방 타측 방향으로 유동하도록 형성된다. 그리고 제2채널(122)은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 제2챔버(121)로부터 유입된 비뉴튼 유체와 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성된다.
이에, 마이크로채널(210)은, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 뉴튼 유체, 비뉴튼 유체 및 입자들이 유입되어 유동하고, 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체는 수직방향에 대하여 층을 이루며 유동하게 된다.
상기한 바와 같이 입자 분석시스템은, 유체유입부(100)와 입자이동부(200)와 입자분석부(300)를 통하여 유체 내에 존재하는 입자들을 유변학적 원리를 이용하여 입자크기별로 분류하고, 입자가 입자분석부(400)의 전극(410) 사이에 위치할 때 유체와 입자의 전기전도도의 차이를 통해 입자의 농도를 정전용량 방식으로 계수 할 수 있도록 구성된다.
이하에서는, 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 각 조건과 결과에 대하여 살펴보기로 한다.
< 실시예 >
- 뉴튼 유체 : 탈이온수(Deionized water)
- 비뉴튼 유체 : 탈이온수(78%)+글리세린(Glycerine,22%)+트윈(Tween 20)+ PEO(poly-ethylene oxide) 500 ppm
- 분류 대상 입자 : polystyrene bead
- 뉴턴 유체 유속 : 15 uL/min
- 비뉴튼 유체 유속 : 5 ~ 40 uL/min
- Polymer concentration : 500ppm
- 완화시간(λ mean[s]) : 0.01404
- 마이크로채널의 유동방향 길이 : 30mm
- 마이크로채널의 높이 : 50um
- 분리채널의 폭과 높이 : 30um, 50um
이때, 마이크로채널(210)의 유동방향 길이는, 유체의 점도, 완화시간, 유속 등이 동일할 때, 입자의 크기가 크면 더 빨리 뉴턴유체로 이동하게 되고, 입자의 크기가 작으면 느리게 이동하게 된다. 때문에, 마이크로채널(210)길이가 길면 길수록 분리되는 큰 입자 외에 작은 입자들도 뉴턴 유체로 이동할 수 있기 때문에 마이크로채널(210)의 길이는 30mm로 제한하여 다른 조건을 맞출 수 있게 구성하였다.
상기한 조건에서 실험을 실시한 결과, 도 4의 공초점 현미경(Confocal Microscope) 측정 데이터를 획득할 수 있었다.
도면을 참조하면, 도면에서 (a)는 1.86 um 입자크기를 갖는 입자들이 분류되어 이동하는 것을 나타내고, (b)는 0.44 um 입자크기를 갖는 입자들이 분류되어 이동하는 것을 나타내며, (c)는 이들 입자들 모두의 이동을 나타내고 있다. 이를 살펴보았을 때, 비뉴튼 유체에 포함된 입자들은 마이크로채널(210)을 유동하면서 뉴튼 유체 측으로 입자이동이 일어나는 것을 확인할 수 있으며, 마이크로채널(210)에서 분류된 입자들은 각각의 분리채널(311,312)로 분류됨을 확인할 수 있다. 또한, 입자들 중 입자크기가 큰 입자는 뉴튼 유체 측으로 이동됨을 확인할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 칩
100 : 유체유입부
110 : 제1유입부 111 : 제1챔버
112 : 제1채널 111a : 제1유입구
120 : 제2유입부 121 : 제2챔버
121a : 제2유입구 122 : 제2채널
200 : 입자이동부 210 : 마이크로채널
300 : 입자분리부 311,312 : 분리채널
400 : 입자분석부 410 : 전극
110 : 제1유입부 111 : 제1챔버
112 : 제1채널 111a : 제1유입구
120 : 제2유입부 121 : 제2챔버
121a : 제2유입구 122 : 제2채널
200 : 입자이동부 210 : 마이크로채널
300 : 입자분리부 311,312 : 분리채널
400 : 입자분석부 410 : 전극
Claims (13)
- 제1유체가 유입되어 유동하는 제1유입부와, 제2유체와 측정대상 입자들이 유입되어 유동하는 제2유입부를 포함하여 구성되는 유체유입부와;
상기 제1유입부 및 상기 제2유입부와 연통되게 연결되어 상기 제1유입부와 상기 제2유입부가 합류되고, 내부로 상기 제1유체 및 상기 제2유체가 유동하며 입자크기에 따라 상기 입자들의 이동이 이루어지는 마이크로채널을 포함하여 구성되는 입자이동부와;
상기 마이크로채널과 연통되게 연결되되, 상기 마이크로채널로부터 분기되어 상기 제1유체, 상기 제2유체 및 입자크기별로 분류된 입자들이 각각 유동하는 복수개의 분리채널들을 포함하여 구성되는 입자분리부와;
상기 분리채널들 각각에 설치되고, 상기 분리채널을 유동하는 상기 입자의 저항성펄스를 이용하여 상기 입자들을 분석하는 입자분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1유입부는,
제1유입구가 형성되어 상기 제1유체가 유입되는 제1챔버와, 일단은 상기 제1챔버와 연통되고 타단은 상기 마이크로채널과 연통되어 상기 제1유체를 상기 마이크로채널로 유동시키는 제1채널을 포함하여 구성되고,
상기 제2유입부는,
제2유입구가 형성되어 상기 제2유체와 상기 입자들이 유입되는 제2챔버와, 일단은 상기 제2챔버와 연통되고 타단은 상기 마이크로채널과 연통되어 상기 제2유체와 상기 입자들을 상기 마이크로채널로 유동시키는 제2채널을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제1챔버는, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어 상측에서 상기 제1유체가 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성되고, 상기 제1채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 상기 제1챔버로부터 유입된 상기 제1유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며,
상기 제2챔버는, 길이방향이 수직한 방향을 향하도록 형성되어 상측에서 상기 제2유체와 입자들이 유입되어 하방향으로 유동하도록 형성되고, 상기 제2채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 상기 제2챔버로부터 유입된 상기 제2유체와 상기 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며,
상기 마이크로채널은,
길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 상기 제1유체, 상기 제2유체 및 상기 입자들이 유입되어 유동하되, 상기 제1유체와 상기 제2유체는 수평방향에 대하여 층을 이루며 유동하도록 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제1챔버는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 상기 제1유체가 유입되어 후방 타측 방향으로 유동하도록 형성되고, 상기 제1채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 상기 제1챔버로부터 유입된 상기 제1유체가 수평한 방향으로 유동하도록 형성되며,
상기 제2챔버는, 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 전방 일측에서 상기 제2유체와 입자들이 유입되어 후방 타측 방향으로 유동하도록 형성되고, 상기 제2채널은 길이방향이 수평한 방향을 향하도록 상기 제2챔버로부터 유입된 상기 제2유체와 입자들이 수평한 방향으로 유동하도록 형성되고,
상기 마이크로채널은,
길이방향이 수평한 방향을 향하도록 형성되어 상기 제1유체, 상기 제2유체 및 상기 입자들이 유입되어 유동하되, 상기 제1유체와 상기 제2유체는 수직방향에 대하여 층을 이루며 유동하도록 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 마이크로채널은,
상기 제1유체와 상기 제2유체가 각각 층류를 이루며 유동하도록 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 입자분리부는,
상기 제1유체와 상기 제2유체 각각의 유체속도, 점성 또는 밀도 또는 완화시간(Relaxation Time)에 의하여 입자의 입자크기별 분류가 결정됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 입자분리부는,
상기 마이크로채널의 단면적 또는 유동방향 길이 또는 단면형상에 의하여 입자의 입자크기별 분류가 결정됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 유체유입부, 상기 입자이동부 및 상기 입자분리부는,
MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems) 공정에 의하여 제조됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 1 항 내지 제 8 항 어느 한 항에 있어서,
상기 제1유체는, 뉴튼 유체(Newtonian fluid)이고,
상기 제2유체는, 비뉴튼 유체(Non-Newtonian fluid)임을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 입자분석부는,
상기 분리채널을 따라 이격되게 설치되는 복수개의 전극들과,
상기 전극들을 지나는 상기 입자에 의하여 발생되는 저항성 펄스를 측정하여 상기 입자들을 계수하는 카운팅모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 입자분석부는,
상기 카운팅모듈과 연결되어, 상기 분리채널들 각각의 입자들을 실시간으로 비교분석하는 비교모듈을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 비교모듈은,
상기 분리채널들 각각에 대하여 계수된 상기 입자들을 비교분석하여, 상기 분리채널들 각각에 대한 입자 순도(purity)와 입자 회수율(recovery rate)을 실시간으로 비교분석하도록 구성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 입자분석부는,
상기 입자가 상기 전극에 포커싱되도록 3D 수력학적 포커싱(3D Hydrodynamic focusing) 기술에 의하여 형성됨을 특징으로 하는 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020200045224A KR20210127410A (ko) | 2020-04-14 | 2020-04-14 | 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체를 이용한 입자 분석시스템 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210127410A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102390074B1 (ko) * | 2021-12-16 | 2022-04-25 | 주식회사 유앤유 | 미세조류이미지 연속 측정장치 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100907213B1 (ko) | 2007-12-07 | 2009-07-10 | 한국과학기술원 | 등자기영동 기술을 이용한 미세입자 분리 장치 및등자기영동 기술을 이용한 미세입자 분리 방법 |
-
2020
- 2020-04-14 KR KR1020200045224A patent/KR20210127410A/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100907213B1 (ko) | 2007-12-07 | 2009-07-10 | 한국과학기술원 | 등자기영동 기술을 이용한 미세입자 분리 장치 및등자기영동 기술을 이용한 미세입자 분리 방법 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102390074B1 (ko) * | 2021-12-16 | 2022-04-25 | 주식회사 유앤유 | 미세조류이미지 연속 측정장치 |
| WO2023113098A1 (ko) * | 2021-12-16 | 2023-06-22 | 주식회사 유앤유 | 미세조류이미지 연속 측정장치 |
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