KR20220138099A - 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치, 이를 이용한 액적 크기 제어방법 및 액적 생성 자가진단 장치 - Google Patents

액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치, 이를 이용한 액적 크기 제어방법 및 액적 생성 자가진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치, 이를 이용한 액적 크기 제어방법 및 액적 생성 자가진단 장치에 관한 것으로서, 시료가 유입되는 시료 유입구와, 오일이 유입되는 오일 유입구와, 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널과, 상기 마이크로채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 마이크로채널 상판과, 상기 일회용 마이크로채널 상판과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판과, 상기 상판의 하면에 구비되어 상판과 하판을 분리하면서 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능성 고분자 필름과, 상기 하판의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 전압 값을 통해 액적의 크기를 측정하는 액적 측정전극과, 상기 상판과 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단과, 상기 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치를 포함함으로써, 정전용량 임피던스 기법으로 액적 크기를 빠르고 정확하게 측정하여 피드백 제어방식으로 액적의 크기를 제어할 수 있는 효과가 있다.

Description

액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치, 이를 이용한 액적 크기 제어방법 및 액적 생성 자가진단 장치{Active droplet generation device capable of controlling droplet size, droplet size control method using the same, and droplet generation self-diagnosis device}
본 발명은 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치, 이를 이용한 액적 크기 제어방법 및 액적 생성 자가진단 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액적의 크기를 원하는 크기로 조절할 수 있어서 액적 개수를 가변할 수 있으면서도 액적 생성에 대한 자가진단이 가능한 능동형 액적 생성장치, 액적 크기 제어방법 및 자가진단 장치에 관한 것이다.
중합효소 연쇄반응(PCR)과 agarose gel 전기영동을 이용해 목표 유전자의 존재를 확인하는 기존의 PCR 방법(1세대), 형광물질을 이용하여 목표 유전자의 증폭을 실시간 확인할 수 있는 real-time PCR 방법(2세대)과 비교하여 디지털 PCR 방법은 표준물질 없이도 실시간으로 목표 유전자의 절대 정량 검출이 가능하여 매우 민감도가 높은 차세대 PCR 검출 방식으로 평가되고 있다.
디지털 PCR의 구현을 위한 상용화된 장비를 판매하는 회사는 전 세계 5개 회사에 불과하며, 이들 회사의 디지털 PCR 구현 방식은 크게 칩과 open-array 평판을 사용하는 미세 격벽 형태와 emulsion PCR을 위한 액적(droplet) 형태 등 2가지로 구분된다.
그러나, 현재 상용화된 디지털 PCR 기술의 문제점은 고가의 장비(2-5억원)와 소모칩(3-100만원)으로 인해 일반 대학연구실이나 공공연구 시설로의 도입이 제한적이고, 수동식 액적 생성으로 인해 생성된 액적 개수의 모니터링이 불가능한 단점이 있었다.
이와 같은 수동식 액적 생성방식의 경우 채널 내 공기 방울이나 환경변화에 따른 액적 크기의 불균일로 인한 실험 결과의 정확도가 저하되고, 수동식 액적 생성 시 작동의 이상 유무를 판단할 수 있는 자가진단이 불가능한 문제점이 있었다.
또한, 능동식 액적 생성을 위해 고가의 유속센서를 반복 사용할 경우 바이오 시료 간 오염이 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 미세유체 기반의 디지털 PCR 기술뿐만 아니라 대부분의 고성능 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)에도 해당하는데, 즉, 랩온어칩은 재사용 시 바이오 시료 간의 오염으로 인해 분석 결과의 오류가 발생할 수 있으므로 반드시 일회용으로 개발 및 사용되어야 한다.
그러나 많은 경우 랩온어칩은 다양하고 정밀한 성능을 구현하기 위해 복잡한 기능들을 요구하게 되며, 이로 인해 제작과정이 복잡하여 칩의 제작비용이 상승하게 됨으로써, 이는 필수적으로 일회용으로 사용되어야 하는 랩온어칩의 상용화에 큰 걸림돌이 된다.
또한, 미세유체 채널 내에 발생할 수 있는 미세 공기 방울은 정밀한 유체 제어 및 흐름을 방해하여 랩온어칩의 재현성을 떨어뜨리며, 이는 랩온어칩의 자동화 및 상용화를 어렵게 하는 주요 원인 중 하나이다.
현재 세계적으로 이러한 기존의 수동식 액적 생성칩(랩온어칩)이 가지는 문제를 해결하여 미세유체칩 사용의 경제적 부담을 줄이고 바이오 시료 간의 오염을 근본적으로 차단하려는 기술개발이 이루어지고 있으나, 아직은 기술적으로 초기 단계 수준으로서, 본 출원인은 최근 일회용 마이크로채널 상판과 영구사용 가능한 다기능성 하판을 제작하고 진공 결합(또는 분리)하여 사용할 수 있는 일회용 필름칩 기술을 개발(국내 특허등록: 10-1852719, 미국 특허출원: 16/603,013)하였으며, 이를 이용하여 일회용 디지털 PCR 능동 액적 생성장치를 간편하고 저렴하게 제작하고자 본 발명을 제안하게 되었다.
한국등록특허 제10-1852719호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 일회용 마이크로채널 상판과 영구사용 가능한 다기능성 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리될 수 있으면서도 정전용량 임피던스 기법으로 액적 크기를 빠르고 정확하게 측정하여 피드백 제어방식으로 액적의 크기를 제어할 수 있는 일회용 디지털 PCR 능동형 액적 생성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 일회용 필름칩 기술을 이용한 저가형 고성능 일회용 능동 액적 생성장치를 제작하여 기존의 고가의 장비를 사용하지 않고 부담 없는 가격의 일회용 액적 생성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 일회용 필름칩 제작기술과 바이오 시료와 오일의 유전율 차이를 이용하여 액적의 크기를 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 정전용량 임피던스 측정기술을 개발하고, 이를 기반으로 오일의 유속을 제어함으로써 다양한 크기의 균일한 액적 생성을 할 수 있는 일회용 액적 생성장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 정전용량 임피던스 측정기술을 이용한 실시간 액적 크기 및 개수를 측정하여 피드백 제어방식으로 액적의 크기를 제어할 수 있는 액적 크기 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
아울러, 액적 생성에 사용되는 바이오 시료와 오일의 유속을 실시간으로 측정할 수 있는 일체형 유속 감지전극을 이용하여 공압식 유속제어시스템과 함께 PID(Proportional-Integral-Derivative) 피드백 제어방식으로 다양한 크기의 액적을 균일하게 제어할 수 있으며, 액적 생성개수 제어를 통해 디지털 PCR 유전분석 속도와 민감도를 최적화하고 액적 생성에 대한 자가진단이 가능한 실시간 자가 진단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위하여 본 발명에서는 시료가 유입되는 시료 유입구와, 오일이 유입되는 오일 유입구와, 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널과, 상기 마이크로채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 마이크로채널 상판과, 상기 일회용 마이크로채널 상판과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판과, 상기 상판의 하면에 구비되어 상판과 하판을 분리하면서 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능성 고분자 필름과, 상기 하판의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 전압 값을 통해 액적의 크기를 측정하는 액적 측정전극과, 상기 상판과 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단과, 상기 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치를 포함하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치가 제공된다.
한편, 상기 다기능성 하판에는 상기 마이크로채널을 흐르는 유체의 유속을 감지하기 위한 유속 감지전극이 일체형으로 집적형성될 수 있다.
상기 유속 감지전극은 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구에 각각 별도로 형성될 수 있다.
또한, 상기 유속제어장치는 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하기 위한 마이크로 콘트롤러와, 상기 마이크로 콘트롤러에서의 제어에 의해 상기 마이크로채널에 공급되는 오일과 시료의 유속을 조절하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 공압 레귤레이터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 공압 레귤레이터는 상기 시료 유입구와 오일 유입구에 각각 연결되도록 복수개로 설치되며, 공압 레귤레이터의 공기압을 조절하도록 상기 공압 레귤레이터에는 공압펌프와 밸브가 연결될 수 있다.
본 발명에서 상기 일회용 마이크로채널 상판은 제2 오일 유입구가 더 포함되며, 상기 마이크로채널을 통과한 유체를 액적과 오일로 구분하여 배출하도록 액적 배출구와 오일 배출구가 별도로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 마이크로채널은 액적 생성을 위한 '+'형 액적 생성구조가 오일과 시료가 만나는 지점에 형성되고, 액적 간의 간격을 넓히기 위해 '+'형 액적 생성구조와 액적 측정전극 사이에 상기 제2 오일 유입구를 통한 오일을 유입하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 (a) 액적을 만들기 위해 시료 유입구와 오일 유입구에 각각의 시료와 오일을 유입시키는 단계, (b) 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 마이크로채널을 흐를 때 처음 만들어지는 액적의 전압 값을 액적 측정전극을 이용하여 측정하는 단계, (c) 액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하는 단계, (d) 상기 마이크로 콘트롤러에 피드백 받은 액적의 전압 값을 원하는 크기의 액적의 전압 값과 비교하는 단계, (e) 피드백 받은 액적의 전압 값이 원하는 값이 아닐 경우, 상기 마이크로 콘트롤러에서 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절하는 단계, (f) 크기가 조절된 액적의 전압 값을 액적 측정전극을 이용하여 실시간으로 측정하는 단계, (g) 액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하고, 피드백 받은 액적의 전압 값을 통해 원하는 액적의 크기가 나올 때까지 상기 마이크로 콘트롤러에서 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절하는 단계, (h) 원하는 액적의 크기가 나오면 시료를 원하는 개수의 액적을 만들 때까지 유지하는 단계를 포함하는 능동형 액적 생성장치를 이용한 액적 크기 제어방법이 제공된다.
상기 (e) 및 (g) 단계에서, 상기 마이크로 콘트롤러에서의 제어에 의해 상기 마이크로채널에 공급되는 오일과 시료의 유속을 조절하는 공압 레귤레이터를 이용하여 액적을 원하는 크기로 조절할 수 있다.
또한, 상기 (e) 및 (g) 단계에서, 상기 공압 레귤레이터는 상기 시료 유입구와 오일 유입구에 각각 연결되도록 복수개로 설치되며, 공압 레귤레이터의 공기압을 조절하도록 상기 공압 레귤레이터에는 공압펌프와 밸브가 연결될 수 있다.
한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 자가진단 장치로서, 본 발명에서는 시료가 유입되는 시료 유입구와, 오일이 유입되는 오일 유입구와, 상기 유입구를 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널과, 상기 마이크로채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 마이크로채널 상판과, 상기 일회용 마이크로채널 상판과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판과, 상기 상판의 하면에 구비되어 상기 상판과 하판을 분리하면서 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능성 고분자 필름과, 상기 하판의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 전압 값을 통해 액적의 크기를 측정하는 액적 측정전극과, 상기 하판의 상면에 일체형으로 집적형성되어 상기 마이크로채널을 흐르는 시료와 오일의 유속을 실시간으로 측정할 수 있는 다수개의 유속 감지전극과, 상기 상판과 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단과, 상기 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치를 포함하며, 상기 유속 감지전극을 통한 모든 유입구와 배출구의 유속 측정으로 액적 생성장치의 동작이 정상적으로 이루어지는지 또는 비정상적으로 이루어지는지를 실시간으로 진단할 수 있는 액적 생성 자가진단 장치가 제공된다.
본 발명에서, 상기 일회용 마이크로채널 상판은 제2 오일 유입구가 더 포함되며, 상기 마이크로채널을 통과한 유체를 액적과 오일로 구분하여 배출하도록 액적 배출구와 오일 배출구가 별도로 형성되고, 상기 유속 감지전극은 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구에 각각 별도로 형성되어 모든 입력과 출력의 유속감지 및 제어를 통해 자가진단이 가능하다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 일회용 마이크로채널 상판과 영구사용 가능한 다기능성 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리될 수 있으면서도 정전용량 임피던스 기법으로 액적 크기를 빠르고 정확하게 측정하여 피드백 제어방식으로 액적의 크기를 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 일회용 필름칩 기술을 이용한 저가형 고성능 일회용 능동 액적 생성장치를 제작하여 기존의 고가의 장비를 사용하지 않고 부담 없는 가격의 일회용 액적 생성장치를 제공할 수 있다.
아울러, 다기능성 하판에는 액적 생성에 사용되는 바이오 시료와 오일의 유속을 실시간으로 측정할 수 있는 일체형 유속 감지전극이 다수 형성되어 있어 공압식 유속제어시스템과 함께 PID(Proportional-Integral-Derivative) 피드백 제어방식으로 다양한 크기의 액적을 균일하게 제어할 수 있으며, 액적 생성개수 제어를 통해 디지털 PCR 유전분석 속도와 민감도를 최적화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 정전용량 임피던스 측정기술을 이용하여 실시간으로 액적의 크기뿐만 아니라 생성된 액적의 개수를 측정할 수 있어 PCR 전에 액적 생성과정의 이상 유무를 판단할 수 있고, 유전자 증폭 전 디지털 PCR 유전검사의 신뢰성을 조기 판단할 수 있으며, 이를 통해 사용자는 디지털 PCR의 유전분석 오류를 사전에 인지할 수 있어 시간적, 금전적 피해를 최소화 할 수 있다.
또한, 일체형 유속감지 기술을 이용하여 바이오 시료와 오일의 입력 및 출력 유속을 모두 제어하고 측정함으로써 실시간으로 능동 액적 생성칩 작동의 이상 유무를 자가진단 할 수 있다.
더 나아가, 디지털 생명공학은 경제적 부가가치가 매우 큰 분야로써 포스트 (post) 코로나 시대에 세계 시장규모가 폭발적으로 증가할 것으로 예상되며, 따라서, 본 발명을 통해 저가형 고성능 디지털 PCR 기술개발이 원활히 수행될 경우 국가적인 경제발전과 함께 나노기술기반 첨단의료기기 기술발전에 크게 이바지할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명에 따른 능동형 액적 생성장치의 일실시예를 도시한 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액적 생성칩의 일실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에서의 액적 생성칩의 결합 사시도이다.
도 4는 도 3에서의 액적 생성칩의 평면도이다.
도 5는 본 발명에서, Droplet 위치에 따른 감지신호 출력모습을 나타내는 정전용량 임피던스 기반 액적 크기 측정기술의 개념도이다.
도 6은 본 발명에서, 디지털 PCR 능동 액적 생성칩 자가진단 개념도이다.
도 7은 본 발명의 액적 개수 가변을 통한 유전분석 속도 및 민감도 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 액적 생성칩의 다른 실시예를 도시한 분해 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 능동형 액적 생성장치의 일실시예를 도시한 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 액적 생성칩의 일실시예를 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 도 2에서의 액적 생성칩의 결합 사시도이다.
본 발명의 능동형 액적 생성장치는 도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이, 크게 일회용 마이크로채널 상판(200), 다기능성 하판(100), 기능성 고분자 필름(300), 액적 측정전극(110), 음압형성수단(240) 및 유속제어장치를 포함한다.
본 발명의 일회용 마이크로채널 상판(200)과 다기능성 하판(100)은 분리 구성되며, 상기 일회용 마이크로채널 상판(200)의 하면에 기능성 고분자 필름(300)이 부착되어 마이크로채널을 흐르는 유체와 전극이 직접 접촉하는 것을 방지함으로써, 전극이 일체로 형성된 다기능성 하판(100)을 영구사용 가능하게 한다.
상기 일회용 마이크로채널 상판(200)에는 시료가 유입되는 시료 유입구(210)와, 오일이 유입되는 오일 유입구(212)와, 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널(220)과, 상기 마이크로채널(220)을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성된다.
본 발명에서의 마이크로채널(220)은 도 4에서 바와 같이, 시료 유입구(210)에서 유입되는 시료와, 상기 오일 유입구(212)에서 유입되는 오일이 합류되는 지점에서 직교하는 방향으로 만날 수 있도록 형성된다.
즉, 상기 마이크로채널(220)은 액적 생성을 위한 '+'형 액적 생성구조가 오일과 시료가 만나는 지점에 형성되고, 합류지점에서 시료가 흘러가는 방향과 오일이 합류되는 방향이 직교하게 됨으로써, 액적이 형성될 수 있다.
한편, 마이크로채널(220)을 통해 흐르는 시료가 상기 하판(100)의 전극에 직접 닿지 않으면서도 전극에서 전압 값을 측정할 수 있도록 상기 상판(200)의 하면에는 상기 기능성 고분자 필름(300)이 부착된다.
여기서, 상기 필름(300)은 상기 마이크로채널(220)을 모두 포함하는 크기로 이루어져야 하며, 마이크로채널(220)에 흐르는 시료에 전기장, 자기력 등이 잘 전달될 수 있도록 예컨대, 4㎛ 정도로 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 기능성 고분자 필름(300)은 채널 내의 이물질 포획, 공기 방울을 포획하여 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능을 갖는다.
한편, 상기 일회용 마이크로채널 상판(200)과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판(100)이 구비되는데, 영구사용 가능한 다기능성 하판(100)에는 액적 크기 및 개수 측정하기 위한 액적 측정전극(110)과 복수개의 유속 감지전극(122)(124)이 일체형으로 집적형성되고, 다기능성 하판(100)의 하면에는 구동회로가 형성된 기판(10)이 구비된다.
상기 액적 측정전극(110)은 상기 하판(100)의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 캐패시턴스 값에 의해 측정된 전압 값으로 액적의 길이를 측정하며, 액적이 형성되는 지점의 하부에 상기 액적 측정전극(110)가 위치하도록 배치되어 채널을 통과하는 시료의 액적 길이를 액적 측정전극이 측정할 수 있다.
본 발명에서는 상기 액적 측정전극(110)을 액적이 지나갈 때 액적의 길이가 길수록 전극에서 측정되는 전압 값이 높아지므로, 상기 액적 측정전극(110)에서 측정되는 전압 값을 통해 액적의 길이를 측정하는 원리로 액적의 길이를 측정할 수 있다.
즉, 채널에 평소에는 전기장이 형성되고 있는데, 오일이 지나가면 유전율이 낮아서 전류 측정이 안되다가 시료가 흐르면 전류가 흐르게 되고 이를 액적 측정전극(110)에서 감지하여 액적의 길이를 측정할 수 있는 것이다.
도 5는 본 발명에서, Droplet 위치에 따른 감지신호 출력모습을 나타내는 정전용량 임피던스 기반 액적 크기 측정기술의 개념도로서, 도 5에서의 그림과 그래프는 전정용량형 전극(capacitive electrode)를 지나면서 변하는 감지신호 출력을 나타내며, Droplet이 C1영역에 돌입하는 순간(1), Droplet이 C1영역에 완전히 들어온 순간(2), Droplet이 C1영역에서 벗어나고 C2영역에 들어가는 순간(3), Droplet이 C2영역에 완전히 들어온 순간(4), Droplet이 C2영역에서 벗어나기 시작한 순간(5), Droplet이 C2영역에서 완전히 벗어난 순간(6)을 알 수 있다.
한편, 상기 다기능성 하판(100)에는 상기 마이크로채널을 흐르는 유체의 유속을 감지하기 위한 유속 감지전극이 일체형으로 집적형성된다.
상기 유속 감지전극(122)(124)은 시료 유입구 및 오일 유입구를 흐르는 유체의 유속을 각각 별도로 측정하도록 형성된다.
한편, 본 발명에서는 상기 상판(200)과 하판(100)이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단을 포함하며, 상기 음압형성수단은 상기 하판(100)과 상판(200)의 접하는 면에 연통되어 음압을 인가함으로써, 상기 하판(100)과 상판(200)을 흡착시키는 음압인가홀(240)을 포함한다.
상기 음압인가홀(240)은 외부의 기기에 연결되어 음압을 인가할 수 있으며, 본 발명에서는 후술할 진공펌프와 밸브에 연결되어 음압을 형성하도록 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 액적 측정전극(110)에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치를 포함한다.
상기 유속제어장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 액적 측정전극(110)에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하기 위한 마이크로 콘트롤러와, 상기 마이크로 콘트롤러에서의 제어에 의해 상기 마이크로채널(220)에 공급되는 오일과 시료의 유속을 조절하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 공압 레귤레이터를 포함한다.
여기서, 상기 공압 레귤레이터는 상기 시료 유입구(210)와 오일 유입구(212)(214)에 각각 연결되도록 복수개로 설치되며, 각각의 공압 레귤레이터에서 공기압(P1)(P2)을 조절하여 시료 유입구(210)와 오일 유입구(212)(214)에 보내지는 오일과 시료의 유속을 조절한다.
상기 공압 레귤레이터의 공기압(P1)(P2)을 조절하도록 상기 공압 레귤레이터에는 공압펌프와 밸브가 연결될 수 있다.
또한, 상기 마이크로 콘트롤러는 마이크로채널(220)을 흐른 후 오일 배출구(232)를 통해 배출되는 오일을 배출하기 위한 공압 레귤레이터가 연결되어 이를 제어하며, 상기 공압 레귤레이터는 진공펌프와 밸브로 연결되어 오일을 배출할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 액적 생성칩의 다른 실시예를 도시한 분해 사시도로서, 본 발명의 다른 실시예는 오일이 유입되는 오일 유입구가 2개 형성되어 상기 오일 유입구(212)와는 별도로 제2 오일 유입구(214)가 구비되며, 상기 마이크로채널(220)을 통과한 유체를 액적과 오일로 구분하여 배출하도록 액적 배출구(234)와 오일 배출구(232)가 별도로 형성된다.
이와 같은 본 발명에서의 다른 실시예는 마이크로채널(220)이 시료 유입구(210)에서 유입되는 시료와, 상기 오일 유입구(212)와 제2 오일 유입구(214)에서 유입되는 오일이 합류되는 지점에서 직교하는 방향으로 만날 수 있도록 형성된다.
즉, 상기 마이크로채널(220)은 액적 생성을 위한 '+'형 액적 생성구조가 오일과 시료가 만나는 지점에 형성되고, 합류지점에서 시료가 흘러가는 방향과 오일이 합류되는 방향이 직교하게 됨으로써, 액적이 형성될 수 있다.
본 발명에서는 액적 간의 간격을 넓히기 위해 '+'형 액적 생성구조와 액적 측정전극(110) 사이에 상기 제2 오일 유입구(214)를 통한 오일을 유입하여 합류되도록 한다.
이 경우, 다기능성 하판(100)에는 액적 크기 및 개수 측정하기 위한 액적 측정전극(110)과 복수개의 유속 감지전극(120)(122)(124)(132)(134)이 일체형으로 집적형성되어, 상기 유속 감지전극(120)(122)(124)(132)(134)은 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구를 흐르는 유체의 유속을 각각 별도로 측정하도록 형성된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 능동형 액적 생성장치를 이용하여 액적의 크기를 제어하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 액적을 만들기 위해 상기 시료 유입구(210)와 오일 유입구(212)에 각각의 시료와 오일을 유입시킨다.
이후, 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 마이크로채널(220)을 흐를 때 처음 만들어지는 액적의 전압 값을 상기 액적 측정전극(110)을 이용하여 측정한다.
액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하여, 상기 마이크로 콘트롤러에 피드백 받은 액적의 전압 값을 원하는 크기의 액적의 전압 값과 비교한다.
피드백 받은 액적의 전압 값이 원하는 값이 아닐 경우, 상기 마이크로 콘트롤러에서 공압 레귤레이터를 이용하여 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절한다.
이후, 크기가 조절된 액적의 전압 값을 액적 측정전극(110)을 이용하여 실시간으로 측정한다.
액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하고, 피드백 받은 액적의 전압 값을 통해 원하는 액적의 크기가 나올 때까지 상기 마이크로 콘트롤러에서 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절한다.
원하는 액적의 크기가 나오면 시료를 원하는 개수의 액적을 만들 때까지 이를 유지하여 원하는 크기의 액적을 원하는 개수만큼 얻는다.
이와 같은 방법에 의해, 액적의 크기를 제어할 수 있으며 원하는 개수만큼의 액적을 얻을 수 있다.
예를 들어, 20ul의 시료로 액적 2만개를 만들고 싶다고 한다면, 1nl의 부피를 가지는 액적을 만들어야 한다.
이를 만들기 위해 먼저 처음에 만들어지는 액적의 voltage 전압 값을 측정하는데, 상기 전압 값은 액적의 부피에 따라 다르므로 액적의 사이즈 별로 측정되는 voltage 값은 정해져 있다.
이렇게 측정된 voltage 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하는 것이다.
만약 1nl에 해당하는 voltage가 아닐 경우 공압 레귤레이터를 이용하여 공압을 조절하면 오일 또는 시료의 흐름이 바뀌고, 이를 통해 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하는 것이다.
그래서 만약 1nl에 해당하는 voltage가 나오게 되면, 이 상태를 20ul의 시료를 2만개의 액적을 만들 때까지 유지하여 액적 2만개를 만든다.
이를 ddPCR 리더기를 이용하여 분석하는데 사용할 수 있다.
액적 2만개와 10만개의 유전분석을 비교했을 때, 10만개로 유전분석한 데이터의 민감도가 더 좋으므로, 액적의 개수를 조절할 필요가 있다.
도 7은 본 발명의 액적 개수 가변을 통한 유전분석 속도 및 민감도 관계를 나타내는 도면으로서, 동일한 시료의 양으로 액적을 만들 경우 액적 크기 감소하면, 액적 개수가 증가하게 되고 액적의 개수가 많을수록 민감도가 증가한다.
또한, 액적 크기 증가하게 되면, 액적 개수가 감소하고, 액적의 개수가 적을수록 민감도가 감소하고 유전분석 속도는 증가하므로 본 발명을 이용하면 다양한 크기의 액적을 균일하게 제어할 수 있으며, 액적 생성개수 제어를 통해 디지털 PCR 유전분석 속도와 민감도를 최적화할 수 있다.
한편, 본 발명의 능동형 액적 생성장치를 이용하면, 액적 생성에 대한 자가진단이 가능하다.
즉, 본 발명은 상기 유속 감지전극(120)(122)(124)(132)(134)은 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구를 흐르는 유체의 유속을 각각 별도로 측정하도록 형성되어 있으므로, 상기 유속 감지전극을 통해 모든 유입구와 배출구의 유속을 측정함으로써, 액적 생성장치의 동작이 정상적으로 이루어지는지 또는 비정상적으로 이루어지는지를 실시간으로 진단할 수 있다.
도 6은 본 발명에서, 디지털 PCR 능동 액적 생성칩 자가진단 개념도로서, 상기 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구에 각각 설치되는 유속 감지전극(120)(122)(124)(132)(134)을 통해 유입되는 양과 배출되는 양을 각각 측정할 수 있다.
여기서, 마이크로채널에 유입되는 양(Qin1+Qin2+Qin3)과 배출되는 양(Qout1+Qout2)이 같으면 정상 작동인 것을 알 수 있고, 마이크로채널에 유입되는 양(Qin1+Qin2+Qin3)과 배출되는 양(Qout1+Qout2)이 다르면 비정상 작동인 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 유속 감지전극(122)(124)을 통해 유입되는 양과 배출되는 양을 각각 측정함으로써, 사용 중 이상 유무를 실시간으로 판단할 수 있는 자가진단이 가능하고, 이와 같은 자가진단 기능이 포함되어 액적 크기를 균일하고 능동적으로 제어할 수 있는 것이다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 다기능성 하판 110: 액적 측정전극
120, 122, 124, 132, 134: 유속 감지전극
200: 일회용 마이크로채널 상판
210: 시료 유입구 212, 214: 오일 유입구
220: 마이크로채널 232: 오일 배출구
233: 액적 배출구 300: 필름

Claims (12)

  1. 시료가 유입되는 시료 유입구와, 오일이 유입되는 오일 유입구와, 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널과, 상기 마이크로채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 마이크로채널 상판;
    상기 일회용 마이크로채널 상판과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판;
    상기 상판의 하면에 구비되어 상판과 하판을 분리하면서 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능성 고분자 필름;
    상기 하판의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 전압 값을 통해 액적의 크기를 측정하는 액적 측정전극;
    상기 상판과 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단; 및
    상기 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치;
    를 포함하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유속제어장치는 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하기 위한 마이크로 콘트롤러와,
    상기 마이크로 콘트롤러에서의 제어에 의해 상기 마이크로채널에 공급되는 오일과 시료의 유속을 조절하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 공압 레귤레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 공압 레귤레이터는 상기 시료 유입구와 오일 유입구에 각각 연결되도록 복수개로 설치되며, 공압 레귤레이터의 공기압을 조절하도록 상기 공압 레귤레이터에는 공압펌프와 밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 다기능성 하판에는 상기 마이크로채널을 흐르는 유체의 유속을 감지하기 위한 유속 감지전극이 일체형으로 집적형성되는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유속 감지전극은 시료 유입구 및 오일 유입구에 각각 별도로 형성되는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 일회용 마이크로채널 상판은 제2 오일 유입구가 더 포함되며,
    상기 마이크로채널을 통과한 유체를 액적과 오일로 구분하여 배출하도록 액적 배출구와 오일 배출구가 별도로 형성되는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 마이크로채널은 액적 생성을 위한 '+'형 액적 생성구조가 오일과 시료가 만나는 지점에 형성되고,
    액적 간의 간격을 넓히기 위해 '+'형 액적 생성구조와 액적 측정전극 사이에 상기 제2 오일 유입구를 통한 오일을 유입하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 액적의 크기 제어가 가능한 능동형 액적 생성장치.
  8. (a) 액적을 만들기 위해 시료 유입구와 오일 유입구에 각각의 시료와 오일을 유입시키는 단계;
    (b) 상기 유입구들을 통해 유입된 유체가 마이크로채널을 흐를 때 처음 만들어지는 액적의 전압 값을 액적 측정전극을 이용하여 측정하는 단계;
    (c) 액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하는 단계;
    (d) 상기 마이크로 콘트롤러에 피드백 받은 액적의 전압 값을 원하는 크기의 액적의 전압 값과 비교하는 단계;
    (e) 피드백 받은 액적의 전압 값이 원하는 값이 아닐 경우, 상기 마이크로 콘트롤러에서 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절하는 단계;
    (f) 크기가 조절된 액적의 전압 값을 액적 측정전극을 이용하여 실시간으로 측정하는 단계;
    (g) 액적의 측정된 전압 값을 마이크로 콘트롤러에 피드백하고, 피드백 받은 액적의 전압 값을 통해 원하는 액적의 크기가 나올 때까지 상기 마이크로 콘트롤러에서 상기 마이크로채널에 흐르는 유체의 속도를 조절하여 액적의 크기를 조절하는 단계; 및
    (h) 원하는 액적의 크기가 나오면 시료를 원하는 개수의 액적을 만들 때까지 유지하는 단계;
    를 포함하는 능동형 액적 생성장치를 이용한 액적 크기 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 (e) 및 (g) 단계에서, 상기 마이크로 콘트롤러에서의 제어에 의해 상기 마이크로채널에 공급되는 오일과 시료의 유속을 조절하는 공압 레귤레이터를 이용하여 액적을 원하는 크기로 조절하는 것을 특징으로 하는 능동형 액적 생성장치를 이용한 액적 크기 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (e) 및 (g) 단계에서, 상기 공압 레귤레이터는 상기 시료 유입구와 오일 유입구에 각각 연결되도록 복수개로 설치되며, 공압 레귤레이터의 공기압을 조절하도록 상기 공압 레귤레이터에는 공압펌프와 밸브가 연결되는 것을 특징으로 하는 능동형 액적 생성장치를 이용한 액적 크기 제어방법.
  11. 시료가 유입되는 시료 유입구와, 오일이 유입되는 오일 유입구와, 상기 유입구를 통해 유입된 유체가 통과하는 마이크로채널과, 상기 마이크로채널을 통과한 유체가 배출되는 배출구가 형성되는 일회용 마이크로채널 상판;
    상기 일회용 마이크로채널 상판과 별도로 분리되어 영구사용이 가능한 다기능성 하판;
    상기 상판의 하면에 구비되어 상기 상판과 하판을 분리하면서 마이크로채널 내 공기 방울을 실시간으로 제거할 수 있는 기능성 고분자 필름;
    상기 하판의 상면에 패터닝되어 상기 마이크로채널을 통과하는 유체의 전압 값을 통해 액적의 크기를 측정하는 액적 측정전극;
    상기 하판의 상면에 일체형으로 집적형성되어 상기 마이크로채널을 흐르는 시료와 오일의 유속을 실시간으로 측정할 수 있는 다수개의 유속 감지전극;
    상기 상판과 하판이 진공에 의해 결합 또는 분리 가능하도록 상기 상판과 하판 사이에 음압을 인가하기 위한 음압형성수단; 및
    상기 액적 측정전극에서 측정한 전압 값을 피드백받아 상기 오일과 시료의 유속을 제어하여 액적의 사이즈를 원하는 크기로 조절하기 위한 유속제어장치;
    를 포함하며,
    상기 유속 감지전극을 통한 모든 유입구와 배출구의 유속 측정으로 액적 생성장치의 동작이 정상적으로 이루어지는지 또는 비정상적으로 이루어지는지를 실시간으로 진단할 수 있는 액적 생성 자가진단 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 일회용 마이크로채널 상판은 제2 오일 유입구가 더 포함되며,
    상기 마이크로채널을 통과한 유체를 액적과 오일로 구분하여 배출하도록 액적 배출구와 오일 배출구가 별도로 형성되고,
    상기 유속 감지전극은 시료 유입구, 오일 유입구, 제2 오일 유입구, 액적 배출구 및 오일 배출구에 각각 별도로 형성되어 모든 입력과 출력의 유속감지 및 제어를 통해 자가진단이 가능한 액적 생성 자가진단 장치.

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