KR101866047B1 - Microfluidic device using the vertical double layer and sensor by using the same - Google Patents

Microfluidic device using the vertical double layer and sensor by using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직 이중층이 도입된 미세유체장치 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 상부 면에 보호층을 형성하여 상기 전극과 시료가 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 전극의 손상을 줄이고 센서의 검출 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 전극의 상부에 보호층을 형성하고, 상기 보호층은 시료층과의 수직 이중층으로 형성되어, 시료의 검출을 방해하지 않으면서도 시료로 인한 전극의 손상을 억제할 수 있어, 시료의 검출 효율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.The present invention relates to a microfluidic device having a vertical double layer and a sensor using the microfluidic device. More particularly, the present invention relates to a microfluidic device and a sensor using the same, and more particularly, And the detection efficiency of the sensor is improved.
According to various embodiments of the present invention, a protective layer is formed on the upper portion of the electrode, and the protective layer is formed of a vertical double layer with the sample layer, so that damage to the electrode due to the sample is prevented without interfering with the detection of the sample And exhibits a remarkable effect in improving the detection efficiency of the sample.

Description

수직 이중층이 도입된 미세유체장치 및 이를 이용한 센서{Microfluidic device using the vertical double layer and sensor by using the same}[0001] The present invention relates to a microfluidic device and a sensor using the microfluidic device,

본 발명은 수직 이중층이 도입된 미세유체장치 및 이를 이용한 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극의 상부 면에 보호층을 형성하여 상기 전극과 시료가 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 전극의 손상을 줄이고 센서의 검출 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to a microfluidic device having a vertical double layer and a sensor using the microfluidic device. More particularly, the present invention relates to a microfluidic device and a sensor using the same, and more particularly, And the detection efficiency of the sensor is improved.

최근 화학 또는 생물 분자를 검출하는데 있어서, 신속성과 편리성이 강조되면서 정밀분석기기 보다 센서 제작에 많은 연구 개발이 진행되고 있다.In recent years, research and development have been proceeding in the production of sensors rather than precision analyzers as emphasis on promptness and convenience in detecting chemical or biological molecules.

특히, 바이오 센서는 생물 분자를 검출하기 위하여 생물 감지기능을 이용한 화학센서로써 전기화학, 광학, 전기 및 기계적 신호 등과 같은 신호변환을 이용하고 있다. 이들 중 전기적 신호를 이용하는 바이오 센서는 신호전환이 빠르고 소형화가 용이하다는 장점이 있으며, 반도체 공정을 이용하여 제작되기 때문에 집적회로나 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 접목이 용이하여 초소형화에 유리하여 생산비용이 저렴하다는 장점이 있으며, 특히 탄소나노튜브 또는 그래핀을 이용하여 생물 분자를 검출하는 센서들이 다수 제안되어 왔다.In particular, a biosensor is a chemical sensor that uses biosensing to detect biomolecules, and uses signal conversion such as electrochemical, optical, electrical, and mechanical signals. Among these, biosensors using electrical signals have advantages of quick signal switching and easy miniaturization. Since they are manufactured using semiconductor process, it is easy to apply integrated circuits and MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) And in particular, a large number of sensors for detecting biomolecules using carbon nanotubes or graphenes have been proposed.

그러나, 유전영동을 이용한 기존의 기술은 미세유체의 수직 이중층이 고려되지 않은 단일 유체의 흐름 속에서 여러 종류의 물질종을 분리시키는 것이다. 즉, 이러한 기술들은 분석용액 자체가 전극에 영향을 주지 않는 것만 사용해야 하는 한계를 나타낸다.(특허문헌 1,2)However, existing techniques using dielectrophoresis are to separate several species of material in a single fluid flow where a vertical bilayer of microfluids is not considered. That is, these techniques show a limitation that only the analysis solution itself should be used without affecting the electrodes (Patent Documents 1 and 2)

따라서, 본 발명에서는 미세유동채널 내에 수직 이중층을 형성하고, 이를 이용하여 분석용액의 특성에 상관없이 사용이 가능한 미세유체장치 및 이를 이용한 센서를 제공하고자 한다.
Accordingly, the present invention provides a microfluidic device and a sensor using the microfluidic device, which can form a vertical double layer in the microfluidic channel and use the same without regard to the characteristics of the analysis solution.

특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1026103호Patent Document 1: Korean Patent No. 10-1026103 특허문헌 2: 미국공개특허 제2011-0168561호Patent Document 2: U.S. Published Patent Application No. 2011-0168561

따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 전극의 상부에 보호층을 형성하고, 상기 보호층은 시료층과 수직 이중층으로 형성되어 시료의 검출을 방해하지 않으면서도 전극을 보호할 수 있어, 센서의 검출 효율을 향상시킬 수 있는 수직 이중층이 도입된 미세유체장치를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to solve the problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a protective layer on top of an electrode, wherein the protective layer is formed of a sample layer and a vertical double layer, And to provide a microfluidic device incorporating a vertical double layer capable of improving the detection efficiency of a sensor.

또한, 상기 미세유체장치를 이용하여 효율이 현저히 향상된 센서를 제공하고자 하는 것이다.
It is another object of the present invention to provide a sensor using the microfluidic device, the efficiency of which is remarkably improved.

본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 미세유동채널 및 상기 채널의 일면에 노출된 전극을 포함하는 미세유체장치에 있어서,According to an exemplary aspect of the present invention, there is provided a microfluidic device including a microfluidic channel and an electrode exposed on one side of the channel,

상기 미세유동채널은 서로 다른 2개 이상의 층상 흐름을 형성하고,Wherein the microfluidic channel forms two or more different layered flows,

상기 층상 흐름은 제1 용액층과 제2 용액층을 포함하며,Wherein the layered stream comprises a first solution layer and a second solution layer,

상기 제1 용액층은 전극과 인접하게 형성되고,The first solution layer is formed adjacent to the electrode,

상기 제2 용액층은 전극과 이격되게 형성되어 상기 제1 용액층의 상부 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치에 관한 것이다.And the second solution layer is formed on the upper surface of the first solution layer so as to be spaced apart from the electrode.

본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 미세유체장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서 또는 자기장 센서에 관한 것이다.
According to another exemplary aspect of the present invention, there is provided a biosensor or a magnetic field sensor including the microfluidic device.

본 발명의 여러 구현예에 따르면, 전극의 상부에 보호층을 형성하고, 상기 보호층은 시료층과의 수직 이중층으로 형성되어, 시료의 검출을 방해하지 않으면서도 시료로 인한 전극의 손상을 억제할 수 있어, 시료의 검출 효율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
According to various embodiments of the present invention, a protective layer is formed on the upper portion of the electrode, and the protective layer is formed of a vertical double layer with the sample layer, so that damage to the electrode due to the sample is prevented without interfering with the detection of the sample And exhibits a remarkable effect in improving the detection efficiency of the sample.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 수직 이중층이 형성되었을때 미세유동채널의 단면을 나타낸 모식도이다.
도 2의 a는 본 발명의 일 구현예에 따른 미세유체장치가 적용된 전기장 센서를 나타낸 이미지이며, b는 a의 센서에 사용된 전극을 확대하여 도시화한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 미세유체장치를 도시화한 것이다.
도 4는 실시예의 미세유동채널 내에 수직 이중층이 형성되는지를 확인하기 위하여 시간대전류법(chronoamperometry)을 통해 분석한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 실시예 1-1, (b)는 실시예 1-2, (c)는 실시예 1-3 및 (d)는 비교예 1을 나타낸다.
도 5는 제1, 2 용액의 총 유량이 0.02, 0.2, 10 및 50 ㎕/min으로 설정되었을 때 유량 비율에 따른 수직 이중층의 형성 여부를 분석한 결과를 나타낸 그래프로, (a)는 유량 비율에 따른 current ratio(%) 값을 나타내며, (b)는 (a)에서 나타낸 녹색 영역 부분을 확대하여 나타낸 것이다.
도 6은 실시예의 미세유동채널 내에 PBS(Phosphate-buffered saline) 용액, 주스, 또는 증류수와 주스가 수직 이중층을 형성하도록 흘려준 후에 함수발생기를 이용하여 나노갭 전극에 교류 전압을 인가하고 전극의 손상 여부를 주사전자현미경을 통해 확인한 결과를 나타낸 것으로, (a)는 PBS 용액, (b)는 주스, (c)는 증류수와 주스의 수직 이중층에 대한 실험 결과들이다.
도 7은 실시예 1-1의 미세유체장치를 이용한 금속 나노입자의 검출여부를 주사전자현미경을 통해 확인한 결과를 나타낸 이미지이다.
도 8은 비교예 2 및 실시예 2-2의 미세유체장치를 이용한 금속 나노입자의 검출여부를 주사전자현미경을 통해 확인한 결과를 나타낸 이미지로, (a)는 비교예 2를 나타내고, (b)는 실시예 2-2를 나타낸다.
도 9는 실시예의 미세유체장치를 이용하여 금속 나노입자를 능동포획한 후의 전기 신호 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 금속 나노 입자가 검출되는 방법을 도시화한 모식도이다.1 is a schematic view illustrating a cross section of a microfluidic channel when a vertical double layer is formed according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 (a) is an image showing an electric field sensor to which a microfluidic device according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 (b) is an enlarged view of an electrode used in a sensor.
3 illustrates a microfluidic device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the result of analysis by chronoamperometry in order to confirm whether a vertical double layer is formed in the microfluidic channel of the embodiment. FIG. 4 (a) 1-2, (c) show Examples 1-3 and (d) show Comparative Example 1.
FIG. 5 is a graph showing the result of analyzing whether a vertical double layer is formed according to a flow rate when the total flow rates of the first and second solutions are set at 0.02, 0.2, 10, and 50 / / min, wherein (a) (B) is an enlarged view of the green region portion shown in (a).
FIG. 6 is a graph showing the results of applying AC voltage to a nanogap electrode using a function generator after flowing a PBS (phosphate-buffered saline) solution, juice, or distilled water and juice to form a vertical double layer in the microfluidic channel of the embodiment, (A) is the PBS solution, (b) is the juice, and (c) is the experimental results for the vertical double layer of distilled water and juice.
FIG. 7 is an image showing the result of checking the detection of metal nanoparticles using the microfluidic device of Example 1-1 through a scanning electron microscope. FIG.
FIG. 8 is an image showing the result of checking the detection of metal nanoparticles using the microfluidic device of Comparative Example 2 and Example 2-2 by a scanning electron microscope, (a) showing Comparative Example 2, (b) Shows Example 2-2.
9 is a graph showing a result of measurement of electrical signal changes after active capturing of metal nanoparticles using the microfluidic device of the embodiment.
10 is a schematic diagram illustrating a method of detecting metal nanoparticles according to an embodiment of the present invention.

이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
Hereinafter, various aspects and various embodiments of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일 측면에 따르면, 미세유동채널 및 상기 채널의 일면에 노출된 전극을 포함하는 미세유체장치에 있어서,According to an aspect of the present invention, there is provided a microfluidic device including a microfluidic channel and an electrode exposed on one side of the channel,

상기 미세유동채널은 서로 다른 2개 이상의 층상 흐름을 형성하고,Wherein the microfluidic channel forms two or more different layered flows,

상기 층상 흐름은 제1 용액층과 제2 용액층을 포함하며,Wherein the layered stream comprises a first solution layer and a second solution layer,

상기 제1 용액층은 전극과 인접하게 형성되고,The first solution layer is formed adjacent to the electrode,

상기 제2 용액층은 전극과 이격되게 형성되어 상기 제1 용액층의 상부 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치가 개시된다.And the second solution layer is formed on the upper surface of the first solution layer so as to be spaced apart from the electrode.

도 2, 3는 상기 미세유체장치를 도시화한 모식도로, 이를 토대로 보다 구체적으로 설명하기로 한다.FIGS. 2 and 3 are schematic views illustrating the microfluidic device, and will be described in more detail with reference to FIG.

먼저, 도 2의 a를 살펴보면, 제1 용액이 투입되는 제1 주입구가 미세유체장치의 일면에 형성되고, 상기 제1 주입구와는 이격되게 배치되어 제2 용액이 투입되는 제2 주입구가 형성된다. 미세유동채널은 상기 제2 주입구와 수직으로 형성되며, 상기 제1, 2 주입구를 연결하여 말단에는 배출구를 형성한다. 즉, 상기 미세유동채널의 상부 면에는 제1, 2 주입구가 수직으로 연결되어 있으며, 상기 미세유동채널의 하부 면과 말단에는 2개 이상의 전극이 패턴을 이루어 형성되는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2A, a first injection port into which the first solution is injected is formed on one surface of the microfluidic device, and a second injection port, which is spaced apart from the first injection port and into which the second solution is injected, is formed . The microfluidic channel is formed perpendicularly to the second injection port, and the first and second injection ports are connected to form a discharge port at the end. That is, the first and second injection ports are vertically connected to the upper surface of the microfluidic channel, and two or more electrodes are formed on the lower surface and the end of the microfluidic channel.

도 2의 b는 상기 전극을 확대하여 나타낸 모식도로서, 상기 전극은 상기 미세유동채널의 하부 면에 일정한 간격을 두어 패턴을 형성할 수 있으며, 이외에도 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 미세유동채널의 말단에 추가로 형성된 하나 이상의 전극을 더 포함할 수 있다.FIG. 2B is an enlarged schematic view of the electrode. The electrode can form a pattern at a predetermined interval on the lower surface of the microchannel. In addition, as shown in FIG. 3, May further include at least one electrode formed in addition to the first electrode.

특히, 상기 제1 용액은 전극과 인접하게 형성되는 것으로서, 시료용액에 해당하는 제2 용액으로부터 전극이 손상되는 것을 억제하기 위한 보호용액의 역할을 한다.In particular, the first solution is formed adjacent to the electrode, and serves as a protective solution for preventing damage of the electrode from the second solution corresponding to the sample solution.

보다 상세하게는, 상기 제1 용액은 증류수, 글리세롤 및 옥탄올 중에서 선택된 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 시료 용액으로 사용되는 제2 용액과 상이한 물질로 전극을 손상시키지 않는 유체라면 모두 사용이 가능하다.More specifically, the first solution preferably includes at least one selected from distilled water, glycerol, and octanol. However, the present invention is not limited thereto, and it is possible to damage the electrode by using a material different from the second solution used as the sample solution Any fluid can be used.

상기 제2 용액은 전극과 이격되게 형성되는 것으로서, 미세유체장치를 통해 분석하고자 하는 시료용액에 해당하며, 금속 입자, 바이오 물질, 오염 물질 등을 사용할 수 있으나, 이들의 종류로 한정되는 것은 아니다.The second solution is formed to be spaced apart from the electrode. The second solution corresponds to a sample solution to be analyzed through a microfluidic device, and may include metal particles, biomaterials, pollutants, and the like, but the present invention is not limited thereto.

특히, 상기 제2 용액은 미세유동채널 내에서 제 1용액과 수직 이중층의 층류(laminar flow)를 형성하는 것을 특징으로 하는데, 이렇게 형성된 수직 이중층은 상기 제2 용액으로부터 전극을 보호하여, 전극의 손상을 억제함으로써 장치의 검출 효율을 향상시키는데 효과적인 역할을 한다.In particular, the second solution forms a laminar flow of the first solution and the vertical bilayer in the microfluidic channel, wherein the vertical bilayer thus formed protects the electrode from the second solution, Thereby improving the detection efficiency of the apparatus.

본 발명에서 언급하고 있는 '수직 이중층'이란, 두 종류의 유체 흐름을 나타내는 것으로서, 흐르고 있는 유체가 잠시 정지하였을 때 서로 분리된 층을 이루고 있는 상태를 모두 포함하며, 각 유체는 규칙적인 흐름을 갖는 층류(laminar flow)인 것을 가리킨다.The 'vertical double layer' referred to in the present invention refers to two types of fluid flow, including a state in which the fluid is separated from each other when the fluid stops temporarily, and each fluid has a regular flow Indicates a laminar flow.

즉, 상기 수직 이충층이 미세유동채널 내에 형성될 경우, 제1 용액의 흐름은 제2 용액의 흐름 아래에 위치하게 되고, 제1 용액에 의해 전극이 제2 용액으로부터 격리되며, 이때 제 1용액은 전극에 전압이 인가되어도 전극에 어떠한 영향을 주지 않는다. That is, when the vertical buffer layer is formed in the microfluidic channel, the flow of the first solution is located under the flow of the second solution, and the electrode is isolated from the second solution by the first solution, Even if a voltage is applied to the electrode, it has no influence on the electrode.

도 10에 도시화한 바와 같이, 수직 이중층이 형성된 상태에서 시료의 검출은 유전영동 힘을 이용하여 검출하게 되는데, 함수 발생기를 이용하여 전극에 전압이 인가되면 전극으로부터 일정 범위 안에 전기장이 형성된다. 이 때 채널의 상층부를 흐르고 있는 제2 용액 내의 시료와 시료용액은 고유의 유전율을 갖게되며, 이들의 유전율 차이가 전기장에 영향을 받아 시료가 전극 방향으로 끌려오는 양의 유전영동 힘이 발생한다. 따라서, 전극에 시료 입자들이 연속적으로 포획되어 갭 사이에 위치하게 됨으로써 시료의 검출이 이루어진다.As shown in FIG. 10, in the state where the vertical double layer is formed, the detection of the sample is detected using a dielectrophoretic force. When a voltage is applied to the electrode using the function generator, an electric field is formed within a certain range from the electrode. At this time, the sample and the sample solution in the second solution flowing in the upper part of the channel have inherent permittivity, and the difference in permittivity is affected by the electric field and a positive dielectrophoretic force is generated in which the sample is attracted toward the electrode. Therefore, the sample particles are continuously captured in the electrode and positioned between the gaps, thereby detecting the sample.

상기 제1 주입구는 상기 제1 용액이 투입되고, 상기 제2 주입구는 상기 제2 용액이 투입되는 것으로서, 상기 제1 주입구와 상기 제2 주입구는 서로 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.The first inlet may be filled with the first solution, the second inlet may be filled with the second solution, and the first inlet and the second inlet may be spaced apart from each other.

상기 제1, 2 주입구로부터 투입된 제1, 2 용액은 미세유동채널을 통해 이동되며, 상기 미세유동채널을 통해 이동되는 상기 제1, 2 용액은 서로 수직의 이중층을 형성한다. The first and second solutions injected from the first and second injection ports are moved through the microfluidic channel and the first and second solutions moved through the microfluidic channel form a perpendicular double layer.

이와 관련하여, 도 1은 수직 이중층이 형성된 미세유동채널의 단면을 도시화한 것으로서, 상기 도 1을 참조하면, 전극의 상부면에 제1 용액이 형성되고, 상기 제1 용액의 상부 면에 제2 용액이 형성됨에 따라, 두 용액이 혼합되지 않고 수직의 이중층으로 형성된 것을 알 수 있다. 즉, 전극이 제2 용액에 노출되지 않음에 따라 전극의 손상을 방지할 수 있다.1 is a cross-sectional view of a microfluidic channel in which a vertical double layer is formed. Referring to FIG. 1, a first solution is formed on an upper surface of an electrode, and a second solution is formed on an upper surface of the first solution. As the solution is formed, it can be seen that the two solutions are formed as a vertical double layer without mixing. That is, since the electrode is not exposed to the second solution, damage of the electrode can be prevented.

이러한 특성을 나타내는 수직 이중층은 상기 제2 주입구와 미세유동채널을 수직으로 배치하거나, 또는 상기 제2 주입구의 직경 크기를 조절하거나, 또는 상기 제1, 2 용액이 투입되는 유속 및 유량을 조절하여 형성되는 것을 특징으로 한다.The vertical double layer showing such characteristics may be formed by vertically arranging the second injection port and the microfluidic channel, adjusting the diameter of the second injection port, adjusting the flow rate and flow rate of the first and second solutions, .

보다 상세하게는, 상기 제2 주입구는 미세유동채널의 상부 면에 수직으로 형성함으로써, 제2 주입구로부터 투입되는 제2 용액과 제1 용액이 서로 혼합되어 난류(turbulent flow) 현상이 일어나지 않고, 상기 제1 용액의 상층 부에 제2 용액이 형성되도록 하는 역할을 한다. 다시 말해, 상기 제1 용액과 제2 용액은 미체유동채널 내에서 유체분자들이 불규칙적인 곡선적으로 이동하는 흐름을 갖는 것이 아니라, 유체가 흐트러지지 않고 일정하게 흐르는 규칙적인 층류(laminar flow)의 흐름을 갖는 것을 특징으로 한다.More specifically, since the second injection port is formed perpendicular to the upper surface of the microfluidic channel, the second solution injected from the second injection port and the first solution are mixed with each other to prevent turbulent flow phenomenon, And the second solution is formed in the upper layer portion of the first solution. In other words, the first solution and the second solution do not have an irregularly curved flow of fluid molecules in the microfluidic channel, but rather a flow of regular laminar flow .

또한, 상기 제2 주입구의 직경은 상기 미세유동채널의 너비(width, W)와 같은 크기로 형성되거나, 또는 상기 너비 보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 만일 상기 제2 주입구의 직경 크기가 미세유동채널의 너비 보다 크게 형성될 경우에는 수직 이중층이 형성되지 않는 문제점을 갖게 되어 바람직하지 않다.The diameter of the second injection port may be the same as the width W of the micro flow channel, or may be smaller than the width. If the diameter of the second injection port is larger than the width of the micro flow channel, a vertical double layer is not formed.

바람직하게는 상기 미세유동채널은 높이 50 ㎛ 내지 10 mm 및 너비 20 ㎛ 내지 20 mm 로 형성되고, 상기 제2 주입구는 직경이 25 ㎛ 내지 10 mm으로 형성되는 것이다.Preferably, the microfluidic channel is formed to have a height of 50 to 10 mm and a width of 20 to 20 mm, and the second injection port has a diameter of 25 to 10 mm.

이때, 상기 제1, 2 용액이 각각 투입되는 유량의 속도는 0.1 내지 500 ㎕/min인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 상기 제1, 2 용액이 수직 이중층으로 형성되지 않으므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 0.2 내지 50 ㎕/min 유량의 속도인 것으로서, 상기 범위 내에서 수직 이중층이 가장 잘 형성되는 것을 확인하였다.At this time, it is preferable that the flow rate of the first and second solutions is 0.1 to 500 μl / min, respectively. If the first and second solutions are out of the range, the first and second solutions are not formed as a vertical double layer. More preferably 0.2 to 50 μl / min flow rate, and it was confirmed that the vertical double layer was best formed within the above range.

상기 제1 용액과 제2 용액이 투입되는 유량은 50 : 50 내지 99.9 : 0.1의 부피 비율로 투입되는 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나는 경우에는 두 용액이 혼합될 우려가 있고, 시료 용액이 지나치게 적게되면 검출 효율이 급격히 저하되는 문제점을 나타내어 바람직하지 않다. The flow rate of the first solution and the second solution is preferably 50: 50 to 99.9: 0.1. If the flow rate is outside the above range, the two solutions may be mixed and the sample solution may be excessively small The detection efficiency is rapidly deteriorated, which is not preferable.

더욱 바람직하게는, 하기 조건(ⅰ)-(ⅲ)을 만족하는 것으로서, 다른 조건과는 달리 하기 조건 내에서 수직 이중층이 가장 뚜렷하게 형성되었으며, 시료의 검출 효과가 급격히 향상된 것을 확인하였다.More preferably, it satisfies the following conditions (i) - (iii), and it is confirmed that the vertical double layer is most clearly formed under the following conditions, unlike the other conditions, and the detection effect of the sample is remarkably improved.

(ⅰ) 제2 주입구는 미세유동채널의 상부 면에 수직 방향으로 형성되고, (ⅱ) 상기 미세유동채널의 높이 50 내지 200 ㎛, 너비 25 내지 500 ㎛, 길이 100 내지 5.0 × 104 ㎛로 형성되고, (ⅲ) 제2 주입구의 직경은 25 내지 500 ㎛으로 형성된 것이다.
(I) the second inlet is formed in a direction perpendicular to the upper surface of the microfluidic channel, (ii) the height of the microfluidic channel is 50 to 200 m, the width is 25 to 500 m, and the length is 100 to 5.0 x 10 4 (Iii) the diameter of the second injection port is 25 to 500 mu m.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 미세유체장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오, 또는 자기장 센서가 개시된다. 이외에도 상기 미세유체장치를 이용한 광학 센서, 전기화학 센서, 전기 센서, 화학 센서 등의 다양한 분야에 폭넓게 적용이 가능하다.
According to yet another aspect of the present invention, a bio- or magnetic-field sensor is disclosed that includes a microfluidic device. In addition, the present invention can be widely applied to various fields such as an optical sensor, an electrochemical sensor, an electric sensor, and a chemical sensor using the microfluidic device.

이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and the like, but the scope and content of the present invention can not be construed to be limited or limited by the following Examples. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It is natural that it belongs to the claims.

또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
In addition, the experimental results presented below only show representative experimental results of the embodiments and the comparative examples, and the respective effects of various embodiments of the present invention which are not explicitly described below will be specifically described in the corresponding part.

(( 제조예Manufacturing example 1: 미세유체장치의 제조) 1: Manufacture of microfluidic device)

PDMS(polydimethylsiloxane)와 경화제를 10 : 1의 질량 비율로 혼합하여 PDMS 혼합물을준비하고, 미세유동채널 패턴이 그려진 웨이퍼는 알킬 실란을 처리하여 준비하였다.The PDMS mixture was prepared by mixing PDMS (polydimethylsiloxane) and a curing agent in a mass ratio of 10: 1, and the wafer on which the microfluidic channel pattern was drawn was prepared by treating the alkylsilane.

상기 웨이퍼 상에 PDMS 혼합물을 붓고 70 ℃의 온도에서 1시간 동안 열처리하여 경화시킨 후에 경화된 PDMS를 떼어내어 소자 크기에 맞게 자르고 직경이 1mm인 펀치를 이용하여 제1, 2 주입구(inlet)과 배출구(outlet)를 형성하였다.The PDMS mixture was poured onto the wafer and cured by heating at 70 ° C. for 1 hour to remove the cured PDMS. The cured PDMS was cut to fit the device size, and the first and second inlets and outlets were cut using a punch having a diameter of 1 mm. thereby forming an outlet.

PDMS 채널과 소자 표면을 산소 플라즈마 처리(50 sccm, 100 W, 1 min)하여 상기 PDMS 채널과 소자를 붙이고 70 ℃의 온도에서 10분 동안 열처리하여 미세유체장치를 제조하였다.The PDMS channel and the device surface were oxygen plasma treated (50 sccm, 100 W, 1 min), and the PDMS channel and device were attached and heat treatment was performed at a temperature of 70 ° C for 10 minutes to fabricate a microfluidic device.

단, 상기 PDMS 채널의 높이는 200 ㎛, 너비는 100 ㎛, 길이는 2.0 ×104 ㎛으로 형성하였으며, 제1 주입구 및 제2 주입구의 직경은 1 mm가 되도록 제조하였다.
The height of the PDMS channel was 200 μm, the width was 100 μm, and the length was 2.0 × 10 4 μm. The diameter of the first inlet and the second inlet was 1 mm.

(( 제조예Manufacturing example 2: 미세유체장치의 제조) 2: Preparation of microfluidic device)

상기 제조예 1과 동일하게 실시하되, PDMS 채널의 높이는 50 ㎛이고 너비는 250 ㎛, 길이는 2.0 ×104 ㎛이며, 제1 주입구의 직경은 1 mm, 제2 주입구의 직경은 250 ㎛의 크기로 제조하였다.
The height of the PDMS channel was 50 μm, the width was 250 μm, the length was 2.0 × 10 4 μm, the diameter of the first inlet was 1 mm, the diameter of the second inlet was 250 μm .

(( 실시예Example 1-1 내지 1-3: 미세유동채널 내 수직  1-1 to 1-3: vertical in the microfluidic channel 이중층이Double layer 형성된 미세유동장치) Formed microfluidic device)

상기 제조예 1의 미세유체장치 중 미세유동채널 내에 수직 이중층을 형성하기 위하여, 하기 표 1에서 보는 바와 같이, 제1, 2 주입구에 각각 투입되는 물질의 유량을 조절하였으며, 미세유동채널 내의 나노 갭 전극 1 개를 작업전극으로 정하고, 배출구에 기준전극과 상대전극을 설치한 후, 주사기 펌프에 연결된 튜빙을 미세유동채널의 제1, 2 주입구에 각각 연결하고, 상기 제1 주입구에는 증류수를 투입하고, 상기 제2 주입구에는 ferricyanide를 주입하였다.In order to form a vertical double layer in the microfluidic channel of the microfluidic device of Production Example 1, the flow rates of the materials injected into the first and second injection ports were adjusted as shown in Table 1 below, One electrode is defined as a working electrode, and a reference electrode and a counter electrode are provided at a discharge port. Tubes connected to the syringe pump are connected to first and second injection ports of a microfluidic channel, respectively. Distilled water is introduced into the first injection port And ferricyanide was injected into the second injection port.

(( 비교예Comparative Example 1: 미세유동채널 내 수직  1: vertical in the micro flow channel 이중층이Double layer 형성되지 않은 미세유동장치) Formed microfluidic device)

상기 실시예 1-1과 동일하게 실시하되, 제1, 2 주입구에 각각 투입되는 증류수와 ferricyanide의 유량속도를 하기 표 1에서 보는 바와 같이 조절하여 주입하였다.The flow rates of distilled water and ferricyanide, which are respectively injected into the first and second injection ports, were adjusted in the same manner as in Example 1-1, as shown in Table 1 below.

증류수의 유량(㎕/min)Flow rate of distilled water (μl / min) ferricyanide의 유량(㎕/min)Flow rate of ferricyanide (μl / min) 실시예 1-1Example 1-1 88 44 실시예 1-2Examples 1-2 66 33 실시예 1-3Example 1-3 44 22 비교예 1Comparative Example 1 22 1One

(실시예 2-1: 수직 이중층이 형성된 미세유동채널을 이용한 금속 나노 입자의 검출)(Example 2-1: Detection of metal nanoparticles using a microfluidic channel in which a vertical double layer was formed)

상기 제조예 1의 미세유체장치 중 미세유동채널 내에 수직 이중층을 형성하기 위하여, 미세유동채널 내의 나노 갭 전극 1 개를 작업전극으로 정하고, 배출구에 기준전극과 상대전극을 설치한 후, 주사기 펌프에 연결된 튜빙을 미세유동채널의 제1, 2 주입구에 각각 연결하고, 제1 주입구에는 증류수를 0.195 ㎕/min 속도로 투입하고, 제2 주입구에는 150 nm의 AuNPs가 담지된 PBS 버퍼용액을 0.005 ㎕/min 속도로 투입하였다. 이때 6V 의 전압과 100 kHz의 주파수 조건 하에 2분 동안 검출하였다.
In order to form a vertical double layer in the microfluidic channel of the microfluidic device of Production Example 1, one nanogap electrode in the microfluidic channel was defined as a working electrode, a reference electrode and a counter electrode were provided at the discharge port, The connected tubing was connected to the first and second injection ports of the microfluidic channel. Distilled water was supplied at a rate of 0.195 μl / min to the first injection port. A PBS buffer solution containing 150 nm AuNPs was added to the second injection port at a rate of 0.005 μl / min. At this time, a voltage of 6 V and a frequency of 100 kHz were detected for 2 minutes.

(( 실시예Example 2-2: 수직  2-2: Vertical 이중층이Double layer 형성된 미세유동채널을 이용한 금속 나노 입자의 검출) Detection of metal nanoparticles using the formed microfluidic channel)

제조예 1 대신에 제조예 2의 미세유체장치를 사용한 것 이외에는 상기 실시예 3-1과 동일한 방법으로 실시하였다.
The procedure of Example 3-1 was repeated except that the microfluidic device of Production Example 2 was used instead of Production Example 1.

(( 비교예Comparative Example 2: 수직  2: vertical 이중층이Double layer 형성되지 않은 미세유동채널을 이용한 금속 나노 입자의 검출) Detection of Metal Nanoparticles Using Unfilled Microfluidic Channels)

상기 실시예 2와 동일하게 실시하되, 제1 주입구에 PBS 버퍼용액에 담지된 AuNPs만을 0.2 ㎕/min의 속도로 투입하여 금 나노 입자를 검출하였다.
In the same manner as in Example 2, gold nanoparticles were detected by injecting AuNPs supported in a PBS buffer solution at a rate of 0.2 l / min into the first injection port.

(시험예 1: 수직 이중층의 형성 확인)(Test Example 1: confirmation of formation of vertical double layer)

실시예 1-1 내지 1-3 및 비교예 1의 미세유동채널 내에 수직 이중층이 형성되는지를 확인하기 위하여 시간대전류법(chronoamperometry)을 통해 분석하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.In order to confirm whether a vertical double layer was formed in the microfluidic channels of Examples 1-1 to 1-3 and Comparative Example 1, analysis was performed by chronoamperometry. The results are shown in FIG.

도 4를 참조하면, (a) 내지 (c)의 경우, 미세유동채널 내에서 수직 이중층이 형성되었음을 알 수 있다. 그러나, (d)의 경우 증류수와 ferricyanide가 수직 이중층을 형성하지 않고 섞여 있는 것을 알 수 있다.
Referring to FIG. 4, in the case of (a) to (c), it can be seen that a vertical double layer is formed in the microfluidic channel. However, in (d), it can be seen that distilled water and ferricyanide are mixed without forming a vertical bilayer.

(( 시험예Test Example 2: 제1, 2 용액의 유량에 따른 수직  2: Vertical according to the flow rate of the first and second solutions 이중층의Bilayer 형성 분석) Formation analysis)

제조예 2의 미세유체장치를 이용하여 유량에 따른 수직 이중층의 형성 여부를 확인하기 위하여, 상기 미세유체장치의 제1 주입구와 제2 주입구의 총 유속을 0.02, 0.2, 10 및 50 ㎕/min으로 설정하되, 상기 제1, 2 주입구의 각 유량 비율을 조절하여 수직 이중층이 형성되는 시점을 확인하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.In order to confirm whether the vertical double layer was formed according to the flow rate by using the microfluidic device of Production Example 2, the total flow rates of the first inlet and the second inlet of the microfluidic device were set to 0.02, 0.2, 10 and 50 μl / min And the flow rates of the first and second injection ports were adjusted to determine the time at which the vertical double layer was formed. The results are shown in FIG.

도 5의 (a)는 유량 비율에 따른 current ratio 값을 나타낸 것으로, (b)는 (a)에서 나타낸 녹색 영역 부분을 확대하여 나타낸 것이다.5 (a) shows a current ratio value according to a flow rate ratio, and FIG. 5 (b) is an enlarged view of a green region portion shown in (a).

도 5를 참조하면 50 %(증류수)에서의 화살표로 표시된 부분부터 수직 이중층이 형성되는 것을 알 수 있으며, 이로부터 99.9%(증류수)에 이르기까지 수직 이중층이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 나머지 부분은 시료 용액에 해당하므로, 본 발명에서 언급하고 있는 제1 용액과 제2 용액의 비율이 50:50 내지 99.9:0.1에 이르는 구간에 수직 이중층이 형성될 수 있음을 보여주는 결과이다.
Referring to FIG. 5, it can be seen that a vertical double layer is formed from a portion indicated by an arrow in 50% (distilled water), and it is confirmed that a vertical double layer is formed up to 99.9% (distilled water). That is, since the remaining portion corresponds to the sample solution, it is a result that the vertical double layer can be formed in the range of the ratio of the first solution and the second solution mentioned in the present invention ranging from 50:50 to 99.9: 0.1.

(시험예 3: 미세유체장치의 전극 손상 여부 분석)(Test Example 3: Analysis of Damage to Electrode in Microfluidic Device)

제조예 1의 미세유동채널에 PBS(Phosphate-buffered saline) 용액, 주스, 또는 증류수와 주스가 수직 이중층을 형성하도록 흘려준 후에 함수발생기를 이용하여 나노갭 전극에 교류 전압을 인가하고 전극의 손상 여부를 주사전자현미경을 통해 확인하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.After the PBS (Phosphate-buffered saline) solution, juice, or distilled water and juice were flowed in the microfluidic channel of Production Example 1 so as to form a vertical double layer, AC voltage was applied to the nanogap electrode using a function generator, Was confirmed by a scanning electron microscope, and the results are shown in Fig.

도 6의 (a)는 PBS 버퍼용액이 흐르는 상태에서 전압이 인가된 전극의 상태를 보여주고, (b)는 주스가 흐르는 상태에서 전압이 인가된 전극의 상태를 보여주며, (c)는 증류수와 주스가 수직 이중층으로 흐르는 상태에서 전압이 인가된 전극의 상태를 보여준다. 6 (a) shows the state of the electrode to which the voltage is applied while the PBS buffer solution is flowing, (b) shows the state of the electrode to which the voltage is applied in the state where the juice flows, and (c) And the state of the electrode to which the voltage is applied in the state where the juice flows into the vertical double layer.

도 6을 참조하면, PBS 버퍼용액과 주스 모두 전극을 손상시키는 것을 알 수 있으며, 특히 주스의 경우 전극이 매우 손상된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6, it can be seen that both the PBS buffer solution and the juice damage the electrode. In particular, it can be confirmed that the electrode is very damaged in the case of juice.

반면에, 증류수와 주스가 수직 이중층으로 형성된 (c)의 경우에는 전극이 전혀 손상되지 않은 것을 알 수 있는데, 이러한 결과는 증류수가 주스와 수직 이중층을 형성함으로써 전극의 손상을 완벽하게 보호하였음을 보여주는 결과이다.
On the other hand, in the case of (c) in which the distilled water and the juice are formed in the vertical double layer, the electrode is not damaged at all. This result shows that the distilled water completely protects the electrode damage by forming the juice and the vertical double layer Results.

(시험예 4: 미세유체장치를 이용한 금속 나노입자 분석)(Test Example 4: Analysis of metal nanoparticles using a microfluidic device)

실시예 1-1, 2-2 및 비교예 2를 통해 금속 나노입자의 검출 여부를 확인하고 전기 신호의 변화를 관찰하였으며, 그 결과를 도 7 내지 9에 나타내었다.The detection of the metal nanoparticles was confirmed through Examples 1-1 and 2-2 and Comparative Example 2, and the change of the electric signal was observed. The results are shown in FIGS. 7 to 9.

도 7, 8은 금속 나노 입자의 검출여부를 확인한 결과를 나타낸 것으로, 도 7은 실시예 1-1, 도 8의 (a)는 비교예 2를 나타내고, (b)는 실시예 2-2을 나타낸다.FIGS. 7 and 8 show the results of confirming whether or not the metal nanoparticles were detected. FIG. 7 shows the results of Example 1-1, FIG. 8A shows Comparative Example 2, FIG. .

먼저, 도 7을 참조하면, 수직 이중층이 형성된 상태에서 전압을 인가하지 않았을 때 전극의 표면에서는 AuNPs가 발견되지 않았으나, 수직 이중층이 형성된 상태에서 전압이 인가되면 전극 쪽으로 AuNPs가 끌려오는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, when a voltage is not applied in a state where a vertical double layer is formed, AuNPs are not found on the surface of the electrode, but when a voltage is applied in a state where a vertical double layer is formed, AuNPs are attracted toward the electrode .

도 8을 참조하면, 수직 이중층이 형성되지 않은 비교예 2의 경우, 소자의 전극이 많이 손상된 것을 알 수 있으나, 반면에 실시예 실시예 2-2는 전극의 손상의 발견되지 않아, 이는 수직 이중층을 통해 전극을 효과적으로 보호하였음을 보여준다.Referring to FIG. 8, in Comparative Example 2 in which no vertical double layer was formed, it was found that the electrodes of the device were greatly damaged, whereas in Example 2-2, damage of the electrode was not found. Lt; RTI ID = 0.0 > electrode. ≪ / RTI >

또한, 도 9는 금속 나노입자를 능동포획한 후의 전기 신호 변화를 측정한 결과를 나타낸 것으로, 금속 나노입자가 검출된 이후에는 전류변화가 상승하는 것을 알 수 있다.
FIG. 9 shows the result of measuring the electrical signal change after active capturing of the metal nanoparticles. It can be seen that the current change increases after the metal nanoparticles are detected.

따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 전극의 상부에 보호층을 형성하고, 상기 보호층은 시료층과의 수직 이중층으로 형성되어, 시료의 검출을 방해하지 않으면서도 시료로 인한 전극의 손상을 억제할 수 있어, 시료의 검출 효율을 향상시키는데 현저한 효과를 나타낸다.
Therefore, according to various embodiments of the present invention, a protective layer is formed on the upper portion of the electrode, and the protective layer is formed as a vertical double layer with the sample layer, so that damage of the electrode due to the sample can be prevented It is possible to suppress the increase in the detection efficiency of the sample.

10; 제1 용액
20; 제2 용액
30; 전극
H: 미세유동채널의 높이(height)
W: 미세유동채널의 너비(width)10; The first solution
20; The second solution
30; electrode
H: height of micro flow channel
W: width of micro flow channel

Claims (10)

미세유동채널 및 상기 채널의 일면에 노출된 전극을 포함하는 미세유체장치에 있어서,
상기 미세유동채널은 서로 다른 2개 이상의 규칙적인 층상 흐름을 형성하고,
상기 층상 흐름은 제1 용액층과 제2 용액층을 포함하며,
상기 제1 용액층은 전극과 인접하게 형성되고,
상기 제2 용액층은 전극과 이격되게 형성되어 상기 제1 용액층의 상부에 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
A microfluidic device comprising a microfluidic channel and an electrode exposed on one side of the channel,
Wherein the microfluidic channel forms two or more regular layered flows different from each other,
Wherein the layered stream comprises a first solution layer and a second solution layer,
The first solution layer is formed adjacent to the electrode,
Wherein the second solution layer is formed on the first solution layer so as to be spaced apart from the electrode.
제1항에 있어서,
상기 미세유체장치는,
상기 제1 용액층을 형성하는 제1 용액이 투입되는 제1 주입구;
상기 제1 주입구에 이격되게 배치되어 상기 제2 용액층을 형성하는 제2 용액이 투입되는 제2 주입구;
각 주입구로부터 투입된 제1 용액과 제2 용액이 이동하며 상기 제1, 2 주입구의 하부 면에 형성되는 미세유동채널; 및
상기 미세유동채널과 인접하며 2개 이상의 전극을 갖는 전극 배열;을 포함하며,
상기 제2 주입구는 상기 미세유동채널의 상부 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
The method according to claim 1,
The microfluidic device includes:
A first injection port into which a first solution for forming the first solution layer is injected;
A second injection port spaced apart from the first injection port and into which a second solution for forming the second solution layer is injected;
A microfluidic channel in which a first solution and a second solution injected from each injection port move and are formed on a lower surface of the first and second injection ports; And
And an electrode array adjacent to the microfluidic channel and having two or more electrodes,
And the second injection port is formed on an upper surface of the microfluidic channel.
제2항에 있어서,
상기 전극 배열은 미세유동채널의 하부 면에 패턴으로 형성되거나, 또는 상기 패턴을 형성하는 전극 이외에 상기 미세유동채널의 말단에 형성된 하나 이상의 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the electrode arrangement further comprises at least one electrode formed at the end of the microfluidic channel in addition to the electrode that forms the pattern on the lower surface of the microfluidic channel or forms the pattern.
제1항에 있어서,
상기 층상 흐름은 상기 제1 용액층과 상기 제2 용액층이 수직 이중층으로 형성된 층류(laminar flow)인 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
The method according to claim 1,
Wherein the layered flow is a laminar flow in which the first solution layer and the second solution layer are formed as vertical double layers.
제4항에 있어서,
상기 수직 이중층은 상기 제1, 2 용액을 각각 0.1 내지 500 ㎕/min의 유속으로 투입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the vertical double layer is formed by injecting the first and second solutions at a flow rate of 0.1 to 500 μL / min, respectively.
제4항에 있어서,
상기 수직 이중층은 상기 제1 용액과 상기 제2 용액을 50 : 50 내지 99.9 : 0.1의 부피 비율로 투입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the vertical double layer is formed by charging the first solution and the second solution at a volume ratio of 50:50 to 99.9: 0.1.
제2항에 있어서,
상기 미세유동채널은 높이 50 ㎛ 내지 10 mm 및 너비 20 ㎛ 내지 20 mm로 형성되고,
상기 제2 주입구는 직경이 25 ㎛ 내지 10 mm으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
3. The method of claim 2,
The microfluidic channel is formed with a height of 50 to 10 mm and a width of 20 to 20 mm,
And the second injection port is formed to have a diameter of 25 to 10 mm.
제1항에 있어서,
상기 제1 용액은 증류수, 글리세롤 및 옥탄올 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 미세유체장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first solution is at least one selected from distilled water, glycerol, and octanol.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 미세유체장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서.
A biosensor comprising a microfluidic device according to any one of claims 1 to 8.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 미세유체장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 센서.9. A magnetic field sensor comprising a microfluidic device according to any one of claims 1 to 8.
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