KR20100091879A

KR20100091879A - 개방형 그루브 채널 칩

Info

Publication number: KR20100091879A
Application number: KR1020090104256A
Authority: KR
Inventors: 허대성
Original assignee: 주식회사 나노엔텍
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-08-19
Also published as: WO2010093151A2; US20110286887A1; WO2010093151A3; KR101048858B1; EP2397850A2

Abstract

본 발명은 개방형 그루브 채널 칩에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 본체 상판(11), 본체 하판(12), 분석시료가 투입되는 투입부(14), 분석시료가 배출되는 배출부(13), 분석시료가 흐르는 마이크로 채널(15) 및 상기 마이크로 채널(15)의 일 단면이 외부로 노출되도록 본체에 형성된 개방부(16)를 포함하는 개방형 그루브 채널 칩에 대한 것이다.

마이크로 채널, 멀티 채널, 개방형

Description

개방형 그루브 채널 칩{Open Type Groove Channel Chip}

유체시료의 분석은 화학 및 생명공학 분야, 제약 및 의료 분야, 체외 진단(In vitro diagnostics) 분야 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 특히 시료의 분리, 정제, 혼합, 표지화, 분석 및 세정 등 실험실에서 수행되는 다양한 실험 과정들을 미세유체역학 기술 등을 이용하여 미세 칩 상에서 구현하는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술이나 병원이나 연구실에서 행해지는 혈액, 체액 등의 복잡한 정밀 검사를 현장에서 개인이 직접 손쉽게 할 수 있는 진단 도구, 즉 POCT(point of care testing) 분야와 같이 소형화되고 휴대성이 높은 분석 장비에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

또한, 특정 단백질을 가지는 세포의 분포를 알아보기 위한 유세포 분석기( Flow cytometry)에 대한 이용 및 연구도 활발히 이루어지고 있는데, 이는 유체공학적, 광학적, 전자적 기술들을 종합하여 빠른 시간 내에 각각 세포들의 생리학 및 생화학적 분석 등을 세포크기, 세포내부조성정도, 형광 색소에 의한 세포기능 인지 등의 기능을 이용하여 파악하는 기술이다.

이러한 유세포 분석기는 형광염색소(Fluorescent dye)와 단클론 항체(Monoclonal antibodies)를 통해 하나의 세포가 갖는 "면역상태"를 파악하고, 그에 따른 여러 면역질환에 관한 연구를 가능하게 하고, 세포 혹은 핵내 DNA양 분석을 통해 악성종양의 성격을 파악한 후 진단이나 치료의 과정을 설정하고, 그 예후를 살펴보는데 큰 도움을 주고 있다. 그 밖에 염색체 연구, 망상혈구측정, 세포내 칼슘 측정, 미생물의 검사 등에도 이용되며, 그 적용범위가 더욱 넓어지고 있는 실정이다.

이처럼 유체 시료를 이용한 다양한 진단 장비들은 미세유체역학, 미세유체조작과 같은 관련 기술들을 이용하며, 소형 모터 또는 모세관 현상 등을 구동력으로 사용하여 유체 시료가 칩 내부에 형성된 미세채널을 통하여 이동하게 함으로써 작동된다.

그러나, 수십 마이크로 미만 크기의 미세한 폐쇄 채널을 제조함에 있어서, 채널의 모서리 부분을 손실 없이 일정하게 가공하는 것은 용이하지 않으며, 이는 대량 생산시 규격 및 품질 관리 등에 문제를 일으킬 수 있다. 또한 이러한 채널 구조의 미세한 오차는 유체 흐름을 방해하여, 일관성 없는 분석 결과를 초래하게 된다.

특히, 저농도의 입자를 탐지하거나, 시료 내의 레어셀(rare cell)이나 박테리아 등을 카운트(count)하는 데 있어서 적합한 다수의 마이크로 채널 (multichannel)을 가진 그루브 채널 칩에 있어서, 제작 기술의 한계상 채널들의 상판과 하판의 완벽한 밀착이 어려워 인접한 다수의 마이크로 채널들 사이에 일정한 틈이 생길 수 밖에 없고, 이로 인해 분석 시료가 옆으로 세거나 모세관력 (capillary source)이 저하되어 분석 시료가 제대로 흐르지 않는 등의 문제가 발생한다.

또한, 기존의 마이크로 채널을 가진 그루브 채널 칩들은 채널이 폐쇄된 구조로 되어 있어 본체의 투명성을 유지하기 위해 재질 선택에 제한이 있었고 채널을 통과하는 분석 시료의 탐지에도 제한이 있었다.

한편, 미세채널을 따라 흐르는 미량의 유체를 이해하기 위한 실험은 매우 작은 스케일로 인해 계측이 쉽지 않을 뿐 아니라 측정을 하더라도 계측기의 감도가 매우 좋아야 하므로 고가의 장비가 요구되었다.

또한, 소형분석시스템에서 광학측정 시 효율을 높이기 위해서 측정면의 빛 손실을 줄이는 것이 중요하다. 혈액, 세포 등의 관찰대상은 미세 채널을 따라 이동하며 광학장치를 통해 측정되는데 이때 빛의 손실이 발생하였다.

이에, 본 발명자는 유체 흐름에 대한 미세 채널의 구조의 영향을 최소화하고, 특히 멀티 마이크로 채널에서 인접한 다수의 채널들 사이에 분석 시료의 샘 현상이나 모세관력 저하 현상을 없앨 수 있을 뿐만 아니라 재질 선택이나 분석 시료 의 탐지 방법 등에 대한 제한을 최소화할 수 있는 개방형 그루브 채널 칩을 발명하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 유체 흐름에 대한 미세 채널의 구조의 영향을 최소화하고, 특히 멀티 마이크로 채널에서 인접한 다수의 채널들 사이에 분석 시료의 샘 현상이나 모세관력 저하 현상을 없앨 수 있는 그루브 채널 칩을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 재질 선택이나 분석 시료의 탐지 방법 등에 대한 제한을 최소화할 수 있는 그루브 채널 칩을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 본체 상판(11), 본체 하판(12), 분석시료가 투입되는 투입부(14), 분석시료가 배출되는 배출부(13), 분석시료가 흐르는 마이크로 채널(15) 및 상기 마이크로 채널(15)의 일 단면이 외부로 노출되도록 본체에 형성된 개방부(16)를 포함하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 개방부(16)가 본체 상판(11) 또는 하판(12)에 위치하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 개방부(16)에 마이크로 채널을 통과하는 분석시료의 광학적 신호를 감지하기 위한 광학 센서(Optical Sensor)가 위치하는 것을 특 징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 마이크로 채널(15)이 다채널(multi-channel) 형태인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 마이크로 채널(15)이 유속을 조절하기 위하여 플라즈마(plasma) 표면 개질 또는 화학적 표면 개질에 의하여 표면 처리된 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 마이크로 채널(15)의 채널 깊이가 1 ~ 500 ㎛이고 또는 상기 마이크로 채널(15)의 채널 너비가 1 ~ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 투입부(14)에서 분석 시료의 라벨링(labelling) 반응 또는 분석 시료의 항원-항체 특이 반응(specific reaction)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 배출부(13)가 마이크로 채널(15)을 통과한 분석시료가 모이게 되는 확장부(21) 또는 마이크로 채널(15)을 통과한 분석시료가 방사 형태로 뻗어나가는 다채널부(22)를 가지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

상기 본 발명의 목적은 상기 배출부(13)에 마이크로 채널을 통과한 분석 시료를 탐지하기 위한 탐지부(31) 또는 상기 탐지부에 분석 시료를 탐지하기 위한 센서(32)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩을 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 개방형 그루브 채널 칩은 표면이 처리된 개방형 미세채널에서 외부 구동력 없이 모세관 유동이 발생하여 샘플 용액이 채널을 따라 흐르게 함으로써, 펌프와 같은 외부 동력원을 필요로 하지 않을 뿐 아니라 기판에 의한 광손실을 감소시키며 여러 채널에서 동시에 샘플 검출이 가능해진다는 장점을 가진다.

또한, 유체 흐름에 대한 미세 채널의 구조의 영향을 최소화하고, 특히 멀티 마이크로 채널에서 인접한 다수의 채널들 사이에 분석 시료의 샘 현상이나 모세관력 저하 현상을 없앨 수 있어 저농도의 입자를 탐지하거나 시료 내의 레어셀이나 박테리아 등을 카운트하는 데 있어서 적합하다.

또한, 그루브 채널 칩의 전체 제조 과정을 용이하고 단순하게 만들어 주며, 마이크로 채널의 일단면이 외부로 노출됨으로 인해 채널 칩의 재질 선택이나 분석 시료의 탐지 방법 등에 대한 제한을 최소화할 수 있다.

또한, 채널 제작 시 표면처리를 통한 접촉각의 조절과 채널 형상의 변화를 통하여 다양한 샘플을 이용한 소형분석 시스템 제작에 활용될 수 있다.

이하, 본 발명의 그루브 채널 칩을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴본다.

도 1, 2는 본 발명의 그루브 채널 칩의 사시도와 정면 투영도이고, 도 3은 본 발명의 그루브 채널 칩 상판의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 그루브 채널 칩의 개방부에서 관찰한 유체 내 형광 표지된 입자의 흐름을 찍은 사진이다.

도 5는 본 발명의 그루브 채널 칩의 멀티 마이크로 채널을 확대한 도면이고, 도 6은 실시예 1에서 제조된 채널 칩에 지름 6㎛ 형광 입자가 포함된 샘플 용액 20㎕를 넣고 채널 유동을 따라 이동하는 입자들을 촬영한 사진이며, 도 7은 실시예 1에서 제조된 채널 칩에 입자추적기법을 사용하여 시간에 따라 측정한 입자 속도를 나타낸 그래프이다.

도 8은 상판이 있는 단일채널과 상판이 없는 단일채널에 대한 전산유체역학해석을 수행하여 각 채널에서 형성된 메니스커스를 비교하여 나타낸 비교 도면이며, 도 9는 상판이 없는 단일채널에 대한 전산유체역학해석을 수행하여 채널에 형성되는 메니스커스의 진행과정을 보여주는 도면이다.

도 10, 11은 플라즈마 표면처리 전과 후의 플라스틱 칩의 유체 접촉각을 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명의 그루브 채널 칩의 배출부 모양의 일 실시예이고, 도 13은 본 발명의 그루브 채널 칩의 배출부 모양의 또 다른 일 실시예이다.

본 발명의 플로우 셀은 본체 상판(11), 본체 하판(12), 분석시료가 투입되는 투입부(14), 분석시료가 배출되는 배출부(13), 분석시료가 흐르는 마이크로 채널(15) 및 상기 마이크로 채널(15)의 일 단면이 외부로 노출되도록 본체에 형성된 개방부(16)로 이루어진다.

분석시료가 투입구를 통하여 셀 내부로 유입되면 투입부(14)를 지나면서 원하는 저농도의 입자를 탐지(detection)하거나 레어셀(rare cell) 또는 박테리 아(bacteria) 등을 카운트(count)하기 위하여 반응 시약 등과 반응할 수 있다.

일반적으로, 원하는 물질의 탐지를 위하여 형광 물질 등을 이용한 분석 시료의 라벨링(labelling) 반응 또는 항원-항체 반응 등을 이용한 분석 시료의 특이 반응(specific reaction) 등이 투입부(14)에서 이루어질 수 있다.

즉, DNA 또는 RNA 압타머(aptamer)의 혼성화 반응(hybridization)을 이용하거나 단백질의 항원-항체 특이 반응(specification) 등을 이용하여 추후 센서 등 다양한 탐지 수단을 통하여 원하는 물질만을 선별적으로 확인할 수 있다.

표지된 분석 시료는 마이크로 채널(15)을 통과하게 되는데 이때 마이크로 채널의 일 단면이 외부로 노출되도록 본체에 개방부(16)가 형성되게 된다. 도 4는 개방부에서 관찰한 유체 내의 형광 표지된 입자의 흐름을 개방부에서 관찰한 사진으로서, 이와 같이 상기 개방부(16)를 통해 형광 표지 등 육안으로 확인 가능한 표지들은 직접 확인할 수도 있으며, 또한 개방부에 광학 센서를 설치하여 탐지할 수도 있다. 또한, 필요에 따라 탐지를 위하여 마이크로 채널(15)에 비드(bead)나 탐지 입자 등을 일정하게 배치할 수도 있다.

탐지 결과, 개방형 마이크로 채널은 구조적인 특징으로 인하여 폐쇄형 마이크로 채널을 사용할 때보다 약 10 ~ 15% 정도의 광학적 탐지 효율의 상승 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 개방부(16)는 필요에 따라 본체 상판(11) 또는 본체 하판(12)에 위치하도록 만들 수 있다.

또한, 개방형 마이크로 채널을 사용함으로써, 마이크로 채널의 상판과 하판 사이의 불완전한 결합으로 인하여 유체가 상판과 하판의 틈을 통하여 새는 현상 등 을 제거할 수가 있다.

또한, 도 5에서와 같이 채널 부분에 다수의 마이크로 채널(multi channel)이 형성되어 사용되는 경우, 폐쇄된 마이크로 채널을 사용하여 멀티채널을 형성하는 경우보다 유체가 인접한 마이크로 채널들로 새는 현상이나 이로 인한 모세관력의 저하 현상 등을 효과적으로 줄일 수 있다. 이때, 마이크로 채널들의 깊이는 1 ~ 500 ㎛ 범위인 것이 바람직하며, 마이크로 채널들의 너비는 1 ~ 500 ㎛범위인 것이 바람직하다.

한편, 마이크로 채널의 플라스틱 재질은 개방형의 구조로 인하여 투명, 불투명 재질 모두 가능하며, 구체적으로 PS(polystyrene), PC(polycarbonate) 또는 PMMA(polymethylmethacrylate) 등 일반적으로 사용 가능한 모든 플라스틱 재질이 사용될 수 있으며, 유속(flow rate)를 조절하고 모세관력을 유지하기 위하여 플라스틱 표면을 플라즈마 처리공정이나 화학적 처리 공정 등으로 표면 개질(modification)시킬 수 있다.

표면 개질 효과를 지속적으로 유지하기 위하여 표면을 플라즈마 처리공정을 통해 개질시키는 것이 바람직하며, 이때 더욱 지속저인 표면 개질 효과를 위하여 PS(polystyrene)를 사용하는 것이 바람직하다. 플라스틱 칩의 표면 접촉각을 약 10°이하가 되도록 처리하여 개방형 미세 다채널을 준비할 수 있다.

이하의 실시예 1 내지 4에서는 개방형 미세 채널 칩 제조 및 상기 채널을 이용한 유체의 흐름을 살펴보고, 이를 전산유체역학 유동해석을 통하여 분석해 보았다. 또한, 표면을 개질 처리한 개방형 미세채널의 제조 과정을 살펴본다.

[ 실시예 1] 개방형 그루브 채널의 제조 및 채널 유동의 측정

실리콘웨이퍼 위에 감광제를 채널의 높이만큼 도포한 후, 감광제 위에 포토마스크를 놓고 자외선을 쬐어주어 원하는 형상의 모양을 만들었다. 그 위에 전류가

통하는 금속물질을 얇게 증착시키는 과정을 거치는데 니켈도금 조를 사용해 사출에 사용할 스템퍼를 제작하였다. 도금한 스템퍼는 평탄화 공정을 통해 두께를 일정하게 만들었다.

그 후, 다이싱 공정을 통해 사출장비의 금형에 맞도록 도금된 스템퍼를 재단한 후 사출장비의 금형에 장착한다. 사출기를 통해 샘플 용액 20㎕를 수용할 수 있는 주입부가 있고, 폭 20㎛, 길이50㎜, 높이 20㎛인 채널이 병렬로 놓여있는 개방형 사각 단면 플라스틱 미세채널을 만들었다.

주입부에 지름 6㎛ 형광 입자가 포함된 샘플 용액 20㎕를 넣고 채널 유동을 따라 이동하는 입자들을 촬영하여 도 6에 나타내었다. 형광현미경(IX71, Olympus)과 저조도용 ICCD 카메라(Dicam-Pro, PCO)를 사용하여 해상도 1280 × 024 pixels, 프레임 속도 5.44Hz,노출시간 60㎳ 조건에서 얻은 영상을 입자추적기법으로 분석하여 유동속도를 측정하였다.

도 7은 채널 입구에 샘플을 주입한 후 입자추적기법을 사용하여 시간에 따라 측정한 입자 속도를 나타낸 것으로서, 초기에는 속도가 급격히 감소하다가 이후 완만하게 감소하는 경향을 보이며, 유동이 안정되면서 0.4~0.6㎜/s의 속도 분포를 보이는 것을 알 수 있다.

주입한 20㎕의 샘플용액이 채널을 따라 출구를 향해 이동하고 시간이 지나면 채널 말단부에 모인 용액의 양이 대부분을 차지하게 된다. 샘플용액의 이동으로 인해 모세관력의 방향이 바뀌게 되면 출구에 모여 있던 용액이 다시 출구방향으로 이동하게 된다.

[ 실시예 2] 전산유체역학 유동해석

상용 S/W인 Fluent를 이용하여 전산유체역학 해석을 수행하였다. 상판 개방형 사각단면 단일 미세채널 격자를 만들어 입구에서 물을 주입한 이후, 시간에 따른 상태를 보기 위해 비정상 유동으로 해석하였고 기체와 액체가 섞이지 않도록 VOF(volume of fluid) 모델을 사용하였다.

입구에서 물이 들어오며 그때의 압력은 Ichikawa 등이 제안한 Young의 관계식을 바탕으로 사각채널의 계면에서의 압력차를 이용하여 하기식 (1)과 같이 계산하였다.(Ichikawa, N. etc., 2004, "Interface Motion of Capillary-driven Flow in Rectangular Microchannel," J. Colloid Interface Sci ., Vol. 280, No. 1, pp. 155~164.)

(1)

ω는 채널의 너비, h는 채널의 높이, σ는 물의 표면장력, θ는 접촉각이며 상기 식(1)을 이용하여 계산된 압력이 물이 유입될 때의 초기조건이 된다. 상판이 없기 때문에 채널 윗면과 출구는 대기와 같은 상태이며 10^-5s의 시간간격으로 계산 하였다.

너비와 높이가 20㎛, 길이가 50㎜인 실제 실험에 사용되었던 채널과 같은 크기와 형태를 갖는 채널을 기준으로, 크기는 같지만 상판이 있는 채널, 상판이 없으며 너비와 높이가 각각 10㎛, 40㎛인 채널의 유동을 비교 분석하였다.

입자추적 속도측정 실험에 사용되었던 채널과 같은 크기의 단면을 가지는 상판이 있는 단일채널과 상판이 없는 단일채널에 대한 전산유체역학해석을 수행하여 각 채널에서 형성된 메니스커스를 도 8에 비교하여 나타내었다.

상판이 있고 너비와 높이가 각각 20㎛인 채널에서는 수직단면의 중심을 기준으로 X, Y축으로 대칭을 이루어 액체가 이동하며, 상판이 없는 채널에서는 액체가 아래의 두 모서리에서 가장 먼저 이동하는 것을 확인하였다. 상판의 유무와 관계없이 사각채널에서 액체는 모서리에서 가장 빠르게 이동한다.

상판이 있는 채널에서는 중심부와 모서리의 액체속도 차이가 크지 않은 반면, 상판이 없는 채널에서는 윗면에서 표면과의 젖음현상이 일어나지 않기 때문에도 9에서 확인할 수 있듯이 모서리 부분의 속도와 중심부의 속도 차이가 시간이 지날수록 증가한다. 다시 말하면 모서리를 따라 이동하는 물의 메니스커스의 끝은 가장 빠른 속도로 채널을 타고 흐르나 액체가 채널을 채우며 이동하는 속도와는 차이가 있음을 의미한다.

앞서 입자추적 속도측정 실험에서 계측한 형광입자의 속도는 메니스커스 끝의 이동속도가 아닌 액체가 채워지는 속도와 비교되어야 하므로 이를 하기 표 1에 정리하였으며, 채널 상판의 유무는 전체적인 유동 속도에도 영향을 미치는데 상판 이 있을 때 상판이 없는 경우보다 메니스커스의 채널 끝 도달시간이 10배 정도 짧게 나타나는 것을 알 수 있었다.

채널 단면의 크기가 액체의 이동현상에 미치는 영향을 확인하고자 채널의 종횡비와 채널길이를 일정하게 유지하고 채널의 너비와 높이를 각각 10㎛, 20㎛, 40㎛로 크기를 달리한 채널에서 유동을 비교하여 상기 표 1에 표시하였다.

상판이 없는 채널의 바닥면에서 액체는 출구 방향으로 V자 형태를 보이며, 액체가 채널을 채우는 위치를 V자의 골로 보고 일정한 시간이 지났을 때 채널별 액체의 위치와 평균속도를 비교하였다.

채널의 너비와 높이(㎛)	5초 동안 총 움직인 거리(㎜)	물의 평균 속도(㎜/s)
10	0.81	0.16
20	2.00	0.4
40	2.35	0.47

표 1에 나타난 바와 같이 전산유체역학을 통해 일정 시간이 흐른 뒤 채널을 채우는 물의 메니스커스 위치는 단면의 크기가 10~40㎛ 범위에서 채널의 크기가 증가할수록 빨리 이동하는 것을 확인하였다. 채널의 크기가 20㎛일 때와 40㎛일 때의 이동속도는 큰 차이를 보이지 않으나 10㎛일 때는 50% 이상 감소하는 경향을 볼 수 있다.

모든 채널에서 전체적인 메니스커스의 모양은 비슷하게 나타나지만 물의 추진력에서 차이를 보임을 확인할 수 있었다. 일반적으로 쉽게 볼 수 있는 거시적인 모세관현상은 작은 모세관일수록 물이 관을 따라 올라가거나 내려가는 높이가 증가한다. 즉 액체기둥의 높이는 반지름에 반비례한다.

그러나 채널의크기가 매우 작고 미량의 액체가 이동하게 되는 경우, 즉 중력의 영향이 미미한 경우는 현상이 달라진다. 수백 ㎛ 이하의 지름을 갖는 원형관의 경우 모세관의 지름이 클수록 이동거리가 길다는 것은 Washburn과 Kim 등이 제시한 바 있다.(Washburn, E. W., 1921, "The Dynamics of Capillary Flow," Phys . Rev ., Vol. 17, No. 3, pp. 273~283., Kim, E. and Whitesides, G. M., 1997, "Imbibition and Flow of Wetting Liquids in Noncircular Capillaries," J. Phys . Chem.. B, Vol. 101, No. 6, pp. 855~863.)

거시적 단위와 미시적 단위의 경계선 사이로 유체의 운동을 지배하는 힘이 다르며, 본 연구를 통해 상판이 없는 사각단면 채널의 경우 수십 ㎛ 범위에서는 채널의 크기가 클수록 물의 추진력이 커지는 범위에 있다는 사실을 전산유체역학을 통해 확인하였다.

[ 실시예 3] 진공 Plasma 처리 공정을 통한 그루브 채널 칩의 제조 방법

1) 플라스틱 칩 세척 과정

개방형 채널(open channel)을 가지는 플라스틱 칩을 울트라소닉 세척기(ultrasonic cleaner)에 소량의 detergent를 첨가한 후 3 분 동안 세척한 후, 세척된 플라스틱 칩을 D.I(deionized water) 샤워시켰다. 그리고 나서, 플라스틱 칩을 울트라소닉 세척기에 넣고 10분 동안 세척한 후, 다시 D.I(deionized water) 샤워시켰다. 그 후, 플라스틱 칩을 오븐에서 건조하여 물기를 제거하였다.

2)진공 Oxygen Plasma 처리 공정

RF 파워, 플라즈마(plasma) 처리 장비 챔버(chamber) 내의 산소 유입량 및 Plasma 처리 시간을 하기 표 2과 같은 조건으로 맞추었다.

RF 파워	350 W
O₂ 유입량	150 sccm
처리 시간	300 sec

플라즈마 시스템 내의 챔버에 1) 단계에서 세척한 칩을 넣어주었다. 상기 공정 조건에 맞추어진 플라즈마 시스템을 작동시켜 플라즈마 처리(plasma treatment)를 하였다. 플라즈마 처리가 끝나면 칩을 꺼내어 슬라이드 박스 안에 넣어 보관하였다.

3) 표면처리 후 접촉각 측정 결과

도면 10에서 볼 수 있듯이, 표면처리 전에는 플라스틱 칩의 유체 접촉각이 87.7°였으나, 도면 11에서 볼 수 있듯이, 표면처리 후 플라스틱 칩의 유체 접촉각이 7.6°인 것을 알 수 있었다. 이와 같이, 플라스틱 칩의 표면 접촉각을 약 10°이하로 처리하여 개방형 다채널(multi open micro-channel)을 준비하였다.

[실시예 4] 화학적인 표면 처리 방법을 통한 그루브 채널 칩의 제조

화학적 표면처리가 된 플라스틱 칩은 계면활성제를 플라스틱 칩 표면에 코팅한 후 완전히 건조시켜 준비하였다. 실시예 3에서와 같이 코팅된 플라스틱 칩 표면의 유체 접촉각이 10°이하로 처리하여 개방형 다채널(multi open micro-channel)을 준비할 수 있었다.

상기 실시예와 같은 방법으로 제조된 마이크로 채널을 통과한 분석 시료는 배출부(13)로 유입되게 되는데, 이때 배출부(13)에는 도 12에서 볼 수 있듯이, 마이크로 채널(15)을 통과한 분석시료가 모이게 되는 확장부(21)를 가질 수 있으며, 또한 상기 배출부는 확장부로 유입된 유체를 다시 방사 형태로 뻗어나가게 하는 다채널부(22)를 가질 수 있다.

이때, 개방된 마이크로 채널의 3면 구조를 통과하던 유체가 폐쇄된 확장부로 유입되면서 전체적으로 모세관력이 증가하게 되고 이는 유체가 그루브 채널 칩을 일정한 속도로 일정 시간 흐르도록 하는 원동력이 될 수 있다.

또한, 도 13에서 볼 수 있듯이, 배출부에는 마이크로 채널을 통과한 분석 시료를 탐지하기 위한 탐지부(31)가 추가로 포함할 수도 있으며, 이때 상기 탐지부에 분석 시료를 탐지하기 위한 센서(32)를 추가로 포함할 수도 있다. 이때, 상기 센서는 탐지부 내의 광학적 신호를 감지하는 광학 센서(Optical Sensor) 또는 탐지부 내의 전기화학적 신호를 감지하는 전기화학 센서(Electrochemical Sensor) 등이 사용될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 표면이 처리된 개방형 미세채널에서 외부 구동력 없이 모세관 유동이 발생하여 샘플 용액이 채널을 따라 흐르게 된다. 이러한 개방형 미세채널이 광학검출 방식의 초소형 분석기에 활용될 경우, 펌프와 같은 외부 동력원을 필요로 하지 않을 뿐 아니라 기판에 의한 광손실을 감소시키며 여러 채널에서 동시에 샘플 검출이 가능해진다는 장점을 가진다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

도 1, 2는 본 발명의 그루브 채널 칩의 사시도와 정면 투영도이다.

도 3은 본 발명의 그루브 채널 칩 상판의 사시도이다.

도 4는 본 발명의 그루브 채널 칩의 개방부에서 관찰한 유체 내 형광 표지된 입자의 흐름을 찍은 사진이다.

도 5는 본 발명의 그루브 채널 칩의 멀티 마이크로 채널을 확대한 도면이다.

도 6은 실시예 1에서 제조된 채널 칩에 지름 6㎛ 형광 입자가 포함된 샘플 용액 20㎕를 넣고 채널 유동을 따라 이동하는 입자들을 촬영한 사진이다.

도 7은 실시예 1에서 제조된 채널 칩에 입자추적기법을 사용하여 시간에 따라 측정한 입자 속도를 나타낸 그래프이다.

도 8은 상판이 있는 단일채널과 상판이 없는 단일채널에 대한 전산유체역학해석을 수행하여 각 채널에서 형성된 메니스커스를 비교하여 나타낸 비교 도면이다.

도 9는 상판이 없는 단일채널에 대한 전산유체역학해석을 수행하여 채널에 형성되는 메니스커스의 진행과정을 보여주는 도면이다.

도 10, 11은 플라즈마 표면처리 전과 후의 플라스틱 칩의 유체 접촉각을 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명의 그루브 채널 칩의 배출부 모양의 일 실시예이다.

도 13은 본 발명의 그루브 채널 칩의 배출부 모양의 또 다른 일 실시예이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

11: 본체 상판 12: 본체 하판

13: 배출부 14: 투입부

15: 마이크로 채널 16: 개방부

21: 확장부 22: 방사형태의 다채널부

31: 탐지부 32: 센서

Claims

본체 상판(11), 본체 하판(12), 분석시료가 투입되는 투입부(14), 분석시료가 배출되는 배출부(13), 분석시료가 흐르는 마이크로 채널(15) 및 상기 마이크로 채널(15)의 일 단면이 외부로 노출되도록 본체에 형성된 개방부(16)를 포함하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 개방부(16)가 본체 상판(11)에 위치하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 개방부(16)가 본체 하판(12)에 위치하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 개방부(16)에 마이크로 채널을 통과하는 분석시료의 광학적 신호를 감지하기 위한 광학 센서(Optical Sensor)가 위치하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 채널(15)이 다채널(multi-channel) 형태인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 채널(15)이 유속을 조절하기 위하여 표면 처리된 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 6항에 있어서, 상기 표면 처리가 플라즈마(plasma) 표면 개질에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 7항에 있어서, 상기 그루브 채널 칩의 재질이 PS(polystyrene)인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 6항에 있어서, 상기 표면 처리가 화학적 표면 개질(chemical reforming of the surface)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 채널(15)의 채널 깊이가 1 ~ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 채널(15)의 채널 너비가 1 ~ 500 ㎛인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 마이크로 채널(15)에 비드(bead)가 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 투입부(14)에서 분석 시료의 라벨링(labelling) 반응이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 투입부(14)에서 분석 시료의 항원-항체 특이 반응(specific reaction)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 투입부(14)에서 DNA 또는 RNA 압타머(aptamer)의 혼성화 반응(hybridization)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 배출부(13)가 마이크로 채널(15)을 통과한 분석시료가 모이게 되는 확장부(21)를 가지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 배출부(13)가 마이크로 채널(15)을 통과한 분석시료가 방사 형태로 뻗어나가는 방사 형태의 다채널부(22)를 가지는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 1항에 있어서, 상기 배출부(13)에 마이크로 채널을 통과한 분석 시료를 탐지하기 위한 탐지부(31)가 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 18항에 있어서, 상기 탐지부(31)에 분석 시료를 탐지하기 위한 센서(32)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 19항에 있어서, 상기 센서(32)가 탐지부(31) 내의 광학적 신호를 감지하는 광학 센서(Optical Sensor)인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.
청구항 제 19항에 있어서, 상기 센서(32)가 탐지부(31) 내의 전기화학적 신호를 감지하는 전기화학 센서(Electrochemical Sensor)인 것을 특징으로 하는 개방형 그루브 채널 칩.