KR100898022B1 - 랩온어칩 - Google Patents

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KR100898022B1 KR1020070135081A KR20070135081A KR100898022B1 KR 100898022 B1 KR100898022 B1 KR 100898022B1 KR 1020070135081 A KR1020070135081 A KR 1020070135081A KR 20070135081 A KR20070135081 A KR 20070135081A KR 100898022 B1 KR100898022 B1 KR 100898022B1
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최영욱
이경희
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Abstract

본 발명은 형광의 검출감도를 크게 향상시켜 검출 효율을 크게 증가시키는 랩온어칩(lab-on-a-chip)에 관한 것으로서, 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원; 상기 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널; 및 상기 생화학 물질에서 방출된 형광을 집광하는 집광렌즈를 포함하며, 상기 집광렌즈는 상기 미세 채널과 일체형으로 구성되고, 상기 미세 채널은 일부가 지그재그로 구불한 형상을 이루어 기판의 중앙부에 집중 배치되어, 생화학 물질의 이동경로를 늘리고 형광을 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 방출된 형광을 모으는 집광렌즈를 미세 채널과 일체화하도록 제작하여 사용자가 별도의 정밀한 조작을 하지 않더라도 간편하고 정확하게 생화학 물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 저가의 LED를 사용하더라도 높은 검출 효율을 가질 수 있는 효과가 있다.
생화학 물질, 형광, 미세 채널, 집광렌즈

Description

랩온어칩{Lab-on-a-chip}
본 발명은 랩온어칩(lab-on-a-chip)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외부 광원의 흡수 스펙트럼에 대하여 발생하는 방출 스펙트럼인 형광의 검출감도를 크게 향상시켜 검출 효율을 크게 증가시키는 랩온어칩에 관한 것이다.
여러 생물학적 물질로 이루어진 시료를 분석하기 위해서는 모세관 전기이동 장치, 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피 등의 여러가지 분석장치를 사용한다. 특히 모세관 전기이동 장치와 액체 크로마토그래피는 분석할 수 있는 시료의 범위가 넓고 검출 방법이 다양하여 많이 사용되고 있다.
이들 장치에 사용 가능한 검출방법으로는 흡광 검출법, 형광 검출법 및 전기화학 검출법 등 여러가지 검출방법이 사용되고 있는데, 이 중 형광 검출법은 감도가 높은 장점이 있으나 시료 중에서 자체 형광을 발하는 물질이 드물고, 따라서 자체 형광이 없는 시료에는 형광 표지를 붙여야 하는 단점이 있다. 또한, 전기화학 검출법도 검출 감도는 좋지만 주로 전하를 띠고 있는 이온성 물질 밖에 검출하지 못한다는 단점이 있다. 반면, 흡광 검출법은 시료의 특성에 제한이 없이 다양한 시료의 검출에 사용될 수 있으며 시료에 표지물질을 붙일 필요도 없으므로 현재 가장 널리 사용되고 있는 검출방법이다.
한편, 랩온어칩은 소정의 기판에 제작된 미세 채널에서 모세관 전기 이동법을 이용하여 물질을 분석하는 초소형 분석장치로서, 미세 가공기술을 이용하여 기판 위에 여러 장치를 집적시킴으로써 오랜 시간과 많은 비용이 소요되던 생물학적 검사를 단시간과 저비용으로 수행할 수 있도록 한다.
이러한 종래 기술에 따른 랩온어칩은 크게 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원, 생화학 물질이 이동하는 마이크로 채널부, 및 생화학 물질로부터 방출된 형광량을 검출하는 형광 검출 센서로 구성된다.
도 1 은 종래 기술에 따른 랩온어칩의 구성이 도시된 도로서, 특히 마이크로 채널부가 도시된 도이다.
종래 기술에 따른 랩온어칩에 있어서, 마이크로 채널부(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 소정의 기판에 마이크로 단위(㎛)의 미세통로(4)를 직선으로 형성하고 미세통로(4)의 양단에 생화학 물질을 주입하는 주입구(2), 및 미세통로(4)로부터 생화학 물질을 배출시키는 배출구(3)를 포함한다.
생화학 물질을 미세통로(4)에 주입한 상태에서 주입구(2)나 배출구(3)의 각 측에 소정 크기의 전압을 걸면 생화학 물질이 미세통로(4)를 따라 배출구 방향으로 이동한다. 이때 미세통로(4)의 일정 지점(5)에 여기 광을 조사하면 상기 지점(5)을 지나는 생화학 물질이 조사된 빛을 흡수하게 되고, 다시 형광을 방출한다. 그러면 마이크로 채널부(1) 하단에 배치된 광 검출센서에서 방출된 형광을 감지하게 되며 이를 분석하여 시료 내의 생화학 물질 존재 여부를 확인할 수 있게 된다.
따라서, 생화학 물질로부터 방출되는 형광의 검출감도를 높이는 것이 상기 랩온어칩의 성능을 결정하는 주요요인이라 할 수 있으며 검출감도를 높이기 위한 여러가지 방법이 시도되고 있다. 그러나 상술한 바와 같이 종래 기술에 따른 랩온어칩은 형광의 검출감도를 높이기 위한 방법으로 미세통로(4)의 일정 지점(5)에 집중적으로 여기 광을 조사하여 해당 지점(5)으로부터 방출되는 형광만을 감지할 뿐이므로 검출감도를 높이는 데 한계가 있다.
특히, 종래에는 마이크로 채널부(1)로부터 방출되는 형광을 집광하기 위해 별도의 집광렌즈를 마이크로 채널부 및 광 검출 센서 사이에 배치하는데, 형광이 방출되는 지점으로부터 빛을 가장 많이 집광할 수 있도록 초점거리에 맞게 별도로 정렬시켜야 하므로 조작하는데 많은 번거로움이 있으며 정렬하는데 있어 약간의 오차가 생기는 경우 검출 효율이 크게 저하하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 생화학 물질로부터 방출되는 형광의 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있는 랩온어칩을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 별도의 정밀한 조작 없이 간편하게 생화학 물질을 검출할 수 있을 뿐 아니라 검출 장치를 간소화하여 휴대성을 높임으로써 언제 어디서든지 검출 동작을 수행할 수 있도록 하는 랩온어칩을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저, 제논램프 등 고가의 광원을 저가의 LED로 대체하면서도 높은 검출 효율을 유지할 수 있도록 하여 제품의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 랩온어칩을 제공하는 데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 랩온어칩은 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원; 상기 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널; 및 상기 생화학 물질에서 방출된 형광을 집광하는 집광렌즈를 포함하며, 상기 집광렌즈는 상기 미세 채널과 일체형으로 구성되어 랩온어칩의 조작 편이성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩은 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원; 상기 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널; 및 상기 생화학 물질에서 방출된 형광을 집광하는 집광렌즈를 포함하며, 상기 집광렌즈는 상기 미세 채널과 일체형으로 구성되고, 상기 미세 채널은 일부가 지그재그로 구불한 형상을 이루어 기판의 중앙부에 집중 배치되므로 형광의 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 랩온어칩은 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널의 일부를 구불구불한 형태로 형성하여 집중 배치함에 따라 생화학 물질의 이동경로를 늘리고 형광의 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 방출된 형광을 모으는 집광렌즈를 미세 채널과 일체화하도록 제작하여 사용자가 별도의 정밀한 조작을 하지 않더라도 간편하고 정확하게 생화학 물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 휴대성을 향상시켜 어디서든지 검출 동작을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 낮은 검출 감도로 인해 레이저, 제논 램프 등 고가의 광원을 사용해야 하는 종래 기술과 달리 저가의 LED를 사용하면서도 높은 검출 효율을 유지할 수 있으므로 검출 장치의 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 설명한다.
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩의 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩은 도 2에 도시된 바와 같이 여 기 광을 방출하는 광원(10), 마이크로 단위의 미세 채널(28)이 형성되어 생화학 물질이 이동하는 마이크로 채널부(20), 및 미세 채널(28)을 통해 이동하는 생화학 물질로부터 방출되는 형광을 흡수하여 그 세기를 검출하는 검출 센서(30)를 포함하여 구성된다.
특히, 상기 마이크로 채널부(20)는 생화학 물질로부터 방출되는 형광신호를 좀 더 많이 검출할 수 있도록 빛을 모으는 집광렌즈(40)를 포함하는데, 이러한 집광렌즈(40)는 미세 채널(28)이 형성된 기판(22)에서 상기 미세 채널(28)의 하부에 배치되어 상기 미세 채널(28)과 일체형을 형성하게 된다.
이를 보다 상세히 설명하자면, 일반적으로 생화학 물질이 여기 광을 흡수하였다가 다시 형광을 방출하는 경우, 상기 형광은 전 방향에 걸쳐 방사되므로 실제로 검출 센서(30)에 도달하는 형광의 세기는 생화학 물질에서 방출하는 형광의 세기보다 크게 줄어든다. 이를 방지하기 위해 별도의 집광렌즈를 마이크로 채널부(20) 및 검출 센서(30) 사이에 배치할 수 있는데, 이러한 경우 미세 채널(28)이 형성된 기판(22)의 투과율에 따라 일부만이 투과하여 집광렌즈에 도달하기 때문에 집광렌즈를 구비하지 않는 경우보다는 검출 감도를 높일 수 있을지라도 크게 향상되지는 못한다. 따라서 이러한 경우 집광렌즈에 도달하는 형광은 생화학 물질에서 방출된 형광 세기의 약 60% 정도가 된다.
본 발명에 따른 랩온어칩은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 집광렌즈(40)를 형성할 수 있을 정도의 두께를 갖는 기판(22)에 미세 채널(28)을 형성하고 그 아래로 집광렌즈(40)가 배치되도록 상기 기판(22)을 가공함으로써 하나의 기판(22) 내에 미세 채널(28)과 집광렌즈(40)가 구비되어 미세 채널(28)로부터 방출되는 형광을 보다 직접적으로 집광하여 검출 센서(30)로 입사시킬 수 있으며 이에 따라 형광의 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있다.
따라서, 이러한 집광렌즈(40)는 일면이 볼록한 형상을 갖는 볼록렌즈로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(22)에 있어 집광렌즈(40)를 가공하는 형상에 따라 집광 효율을 조정할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 랩온어칩은 형광의 검출 감도를 더욱 향상시키기 위하여 미세 채널(28)의 길이를 길게 늘여 형성한다.
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩의 평면도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩에 있어서, 미세 채널(28)은 도 3에 도시된 바와 같은 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 일정한 광량의 여기 광이 미세 채널(28)에 조사될 때 생화학 물질이 미세 채널(28) 내에 머무르는 시간이 길면 길수록 반응하여 형광을 방출할 수 있는 반응시간이 길어진다. 따라서 보다 많은 양의 형광이 방출될 수 있다. 또한 생화학 물질은 전기 이동법에 의해 미세 채널(28) 내에서 이동하므로 동일한 전압을 인가하여 이동시키는 경우 미세 채널(28)의 길이가 길수록 생화학 물질이 이동해야 하는 이동거리가 길어지며 이에 따라 미세 채널(28)에 머무르는 시간이 길어져 많은 양의 형광을 방출할 수 있게 된다.
그러나, 미세 채널(28)을 길게 형성하는 경우라도 일직선으로 미세 채널(28)을 형성하면 여기광이 미세 채널(28)에 도달하는 면적에 따라 채널의 일부 영역에서만 형광이 방출된다. 또한 경우에 따라서는 방출가능 지점에 모두 검출센서를 배 치하거나 복잡한 광학계를 이용하여 이미지 스캐닝을 수행해야 한다.
따라서, 본 발명에 따른 랩온어칩에 있어서, 생화학 물질이 수용 및 이동하는 미세 채널은 도 3에 도시된 바와 같이 지그재그 형상으로 구불하게 이루어져 적은 면적에서 최대의 길이로 형성될 수 있도록 한다.
도 3을 예로 하여 보다 상세히 설명하면, 직사각형 형상의 기판(22)에 미세 채널(28)이 형성되는데, 이 미세 채널(28)의 일단은 생화학 물질이 주입되는 주입구(24)와 연결되고, 다른 한단은 미세 채널(28)을 통과한 생화학 물질을 빼내기 위한 배출구(26)와 연결된다. 이때, 미세 채널(28)의 대부분은 기판(22)의 위 아래를 번갈아 지나도록 지그재그 형태로 형성되어 기판(22)의 소정 영역에 집중 배치된다.
또한, 집광 렌즈(40)는 미세 채널(28)이 집중 배치된 영역의 바로 아래에 배치되는데, 집광 렌즈(40) 및 미세 채널(28)은 약 2㎜ 정도의 이격거리를 가질 수 있으며, 집광 렌즈(40)의 직경은 미세 채널(28)이 집중된 상기 영역을 포함할 수 있는 길이로 형성된다. 따라서, 예를 들어 구불한 영역의 면적이 약 1.5㎝X1.5㎝인 경우 집광 렌즈(40)의 반경도 1.5㎝ 정도로 이루어지는 것이 바람직하며 당업자의 설계 변경에 따라 2㎝ 이내의 범위에서 제작될 수 있다. 이때 집광렌즈(40)는 상술한 바와 같이 미세 채널(28)과 함께 일체형으로 구현되므로 생화학 물질의 검출시 방출되는 형광의 집광을 위해 집광렌즈(40)의 위치를 별도로 조정할 필요가 없다.
광원(10)과 마이크로 채널부(20) 간의 간격 및 미세 채널(28)과 검출 센서(30)간의 간격이 감소하면 랩온어칩의 크기가 작아질 뿐만 아니라 랩온어칩의 감 도를 향상시킬 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 광원(10) 및 마이크로 채널부(20)의 간격이 줄어들면 광원(10)으로부터 보다 많은 여기 광이 미세 채널(28)에 도달할 수 있으며 이에 따라 미세 채널(28) 내에서 이동하는 생화학 물질 중 반응하여 형광을 방출하는 물질의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 미세 채널(28) 및 검출 센서(30)간의 간격이 줄어들면 이전보다 더 많은 광량을 검출 센서(30)가 흡수할 수 있기 때문에 랩온어칩의 감도를 향상시킬 수 있다.
한편, 랩온어칩에 사용되는 광원(10)의 경우 종래에는 검출감도가 낮은 구조로 인해 강한 빛을 조사할 수 있는 수은등, 텅스텐등, 크세논등과 같은 자외선 등이나 여러 종류의 레이저 등 고가의 램프를 사용하였으나, 본 발명에 따른 랩온어칩의 경우 검출 감도를 높이기 위한 미세 채널 구조를 적용할 뿐만 아니라 일체형의 집광렌즈를 구비하여 LED와 같은 저가의 램프를 사용하는 경우에도 효율적으로 형광을 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 랩온어칩에 있어서 검출센서(30)는 일정 범위의 파장대에서 빛의 밝기를 측정하는 소자로, 반도체 또는 절연 물질의 에너지 갭보다 큰 에너지 대의 빛이 조사되는 경우 빛이 반도체 물질 내에 흡수되어 물성 변화를 일으키는 원리를 이용한다. 따라서 물질의 에너지 갭이나 구조에 따라 검출할 수 있는 빛의 파장대가 한정되어 있으며 구체적인 종류로는 CdS 광도전셀, PbS 광도전셀 등의 광도전형 센서, 또는 포토다이오드와 같은 접합형 센서 등이 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩에 있어서, 상기 기판은 유리 또는 플라스틱 등의 물질로 이루어질 수 있는데, 플라스틱 물질의 경우 폴리디메틸 실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS), PMMA(Polymethylmethacrylate), PC(Polycarbonate), PE(Polypropylene), PS(Polystyrene) 등과 같은 여러 종류의 물질로 제작할 수 있다. 또한, 기판에 미세 채널이나 구조물을 만드는 방법으로는 주형에 부은 뒤 고형화시키는 몰딩(molding) 기법이나 평평한 기판을 열을 가한 주형으로 눌러서 제작하는 핫 엠보싱(hot embossing) 방법이 사용될 수 있으며 집광렌즈를 형성하는 방법으로는 기계 가공, 레이저 가공 등과 같은 기계적인 수단을 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 랩온어칩을 예시된 도면을 참조로 하여 설명하였으나 본 발명은 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 집광렌즈 및 미세 채널을 일체화하고 미세 채널의 길이를 효율적으로 늘임으로써 생화학 물질로부터 방출되는 형광의 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사용자의 조작 편이성을 향상시킬 수 있도록 하는 본 발명의 기술사상은 보호되는 범위 이내에서 당업자에 의해 용이하게 응용될 수 있음은 자명하다.
도 1 은 종래 기술에 따른 랩온어칩의 구성이 도시된 도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩의 단면도, 및
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 랩온어칩의 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 외부광원 20: 마이크로 채널부
22: 주입구 24: 배출구
26: 채널 30: 검출센서
40: 집광렌즈

Claims (7)

  1. 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원;
    상기 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널; 및
    상기 생화학 물질에서 방출된 형광신호를 집광하는 집광렌즈
    를 포함하며, 상기 집광렌즈는 상기 미세 채널과 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 랩온어칩(Lab-on-a-chip).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세 채널은 상기 생화학 물질이 주입되는 주입구; 및
    상기 생화학 물질을 배출하는 배출구를 포함하며, 상기 미세 채널의 일부는 지그재그로 구불한 형상을 이루어 기판의 소정 영역에 집중 배치되는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  3. 생화학 물질을 여기시키기 위한 광원;
    상기 생화학 물질이 주입되어 이동하는 미세 채널; 및
    상기 생화학 물질에서 방출된 형광신호를 집광하는 집광렌즈
    를 포함하며, 상기 집광렌즈는 상기 미세 채널과 일체형으로 구성되고, 상기 미세 채널은 일부가 지그재그로 구불한 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 집광렌즈는 상기 미세 채널의 구불한 형상이 위치하는 지점의 바로 하단에 배치되어 상기 생화학 물질로부터 방출되는 형광신호를 집광하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 집광렌즈는 상기 미세 채널의 구불한 형상이 차지하는 면적에 대응하는 크기의 직경을 갖는 볼록렌즈인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 집광렌즈와 일직선으로 배치되어 상기 집광렌즈에서 집광된 형광신호를 검출하는 검출 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은 LED인 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
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