KR20140068758A - 미세 유체칩을 이용한 나노입자 분리 및 이를 이용한 생체물질분석방법 - Google Patents

미세 유체칩을 이용한 나노입자 분리 및 이를 이용한 생체물질분석방법 Download PDF

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강호만
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Abstract

본 발명은 미세 유체칩을 이용한 나노입자의 분리 및 이를 이용하는 생체물질분석방법에 관한 발명이다.
본 발명에 따른 미세 유체칩은 보다 민감하고 정밀하게 분석 대상을 검출하는 효과가 있으며, 상기 본 발명에 따른 미세 유체칩을 이용하여 생체물질분석방법을 통해 분석을 실시하면 본 발명과 같은 나노입자 분리홀을 이용하여 크기에 따른 나노입자의 분리가 가능하므로 신뢰성 높은 생체물질의 분석이 가능하다. 결과적으로 본 발명에 따른 미세 유체칩은 분리하려는 나노입자의 크기에 맞는 맞춤형 나노입자 분리홀을 제작한 후, 이를 이용하여 생체물질분석의 신뢰도를 크게 높일 수 있는 발명에 관한 것으로서, 미세 유체 공학 및 미세 유체 시스템을 통한 분석의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.

Description

미세 유체칩을 이용한 나노입자 분리 및 이를 이용한 생체물질분석방법{Nanoparticle separation using microfluidic chip and biomaterial assay method using the same}
본 발명은 미세 유체칩을 이용한 나노입자 분리 및 이를 이용한 생체물질분석방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 분석하고자 하는 물질을 보다 민감하고 신뢰성 있게 검출해 내는 미세 유체칩을 이용한 나노입자 분리 및 이를 이용한 생체물질분석방법에 관한 것이다.
인간 게놈 프로젝트가 완료되고 포스트게놈 시대가 도래함에 따라 쏟아져 나오는 많은 양의 바이오 정보는 기존의 실험실 분석 시스템으로는 그 신속한 처리가 어려운 실정이다. 이러한 추세에 따라 생명현상의 규명과 신약 개발 및 진단을 위한 생물학적 검출 시스템은 미세 유체 공학의 기반 위에서 발전하고 있다.
이러한 미세 유체 공학을 기반으로 실현된 랩온어칩(Lab-on-a-chip) 등의 미세 유체칩은 보다 적은 양으로 빠른 시간에 정확하고 편리하게 시료를 분석하는 것이 우수한 성능을 좌우하는 핵심이며, 이러한 성능을 보다 우수하게 달성하기 위한 연구 개발이 현재 다각적으로 진행 중 이다.
하지만, 이러한 미세 유체칩은 주입되는 시료 및 반응물의 크기가 마이크로나 나노 크기여서 민감한 검출이 어렵고, 미세 유체칩 내에서 반응하지 않고 남은 물질을 효과적으로 걸러내지 못했으며, 반응물과 미반응물이 혼재하여 민감하고 신뢰성 높은 분석 결과를 제공하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분석하려는 대상을 보다 민감하고 정밀하게 검출하여 신뢰성 높은 분석 결과를 도출하는 미세 유체칩 및 이를 이용한 생체물질분석방법을 제공하는 것이다. 특히 나노입자의 통과가 가능한 나노크기의 구멍으로서 본 발명에 따른 나노입자 분리홀을 이용하여 크기에 따른 나노입자의 분리가 가능하므로 신뢰성 높은 미세 유체칩 및 이를 이용한 생체물질분석방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 미세 유체칩은 시료 주입부, 유동용액 주입부 및 유동채널로 이루어지며,
상기 유동채널은 반응부, 분리부 및 배출부가 순차적으로 위치하여 이루어진 것으로서, 상기 분리부는 하나 이상의 나노입자 분리홀이 포함된 분리막을 포함한다.
또한 상기 유동채널의 분리부는 유동채널의 하층이 오목한 홈으로 이루어져 있으며, 상기 오목한 홈은 상기 분리막으로 덮혀 있는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분리막의 상부면은 상기 유동채널의 상층으로부터 연장된 격벽과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 격벽은 상기 주입부를 향하는 분리막의 전단과 상기 배출부를 향하는 분리막의 후단을 제외한 분리막의 중단과 접촉하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 나노입자 분리홀의 크기는 100nm~1000nm인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 분리막의 표면은 질화규소 막 위에 산화규소 막이 위치하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 나노입자 분리홀의 표면은 산화규소 막으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유동채널의 반응부와 분리부 사이에 자기력 인가부가 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자기력 인가부와 분리부 사이에 미반응시료를 배출시키는 미반응시료 배출부가 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 생체물질검출방법은 1) 제 1항에 따른 미세 유체칩의 유동채널에 시료와 유동용액을 주입하는 단계, 2) 상기 주입된 시료가 반응부에서 반응하여 반응물을 형성하는 단계, 3) 상기 반응물은 상기 유동채널의 분리부에 존재하는 하나 이상의 나노입자 분리홀을 통과하지 못하고 검출되는 단계, 및 4) 상기 검출된 반응물을 분석하는 단계를 포함하여 본 발명에 따른 상기 미세 유체칩을 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 1)단계의 시료로 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브를 주입하며, 상기 2)단계의 반응물의 형성은 상기 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브가 반응하여 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 자성 나노입자와 결합된 수용체와 상기 프로브와 결합된 수용체가 상기 생체물질을 인식하여 형성된 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 2)단계와 상기 3)단계 사이에는 상기 자성 나노입자와 상기 자성나노입자-생체물질-프로브 복합체가 자기력 인가부에 의해 고정되어 수집되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 고정되어 수집되는 단계 이후에 상기 자기력 인가부에 의해 고정되지 않는 미반응시료를 미반응시료 배출부를 통해 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 미반응시료 배출 단계 이후에 상기 자기력 인가부의 자기력 인가를 중단하여 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 상기 유동채널의 주입부에서 배출부 쪽으로 다시 이동시키는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 상기 유동채널의 주입부에서 배출부 쪽으로 이동 한 후 상기 자성 나노입자는 상기 나노입자 분리홀을 통과하지만, 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 나노입자 분리홀을 통과하지 못하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 미세 유체칩용 분리막의 제조방법은 1) 실리콘 또는 이를 포함하는 기판에 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)을 통하여 질화규소 막을 형성하는 단계, 2) 상기 1)단계 후 1~3㎛ 크기의 분리홀을 형성하는 단계, 및 3) 상기 형성된 분리홀을 포함한 기판에 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)을 통하여 산화규소 막을 형성하는 단계를 포함한다.
또한 상기 3)단계의 산화규소 막을 형성하기 위한 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)은 분리홀의 크기가 100nm~1000nm가 될 때까지 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 미세 유체칩은 보다 민감하고 정밀하게 분석 대상을 검출하는 효과가 있으며, 상기 본 발명에 따른 미세 유체칩을 이용하여 생체물질분석방법을 통해 분석을 실시하면 본 발명과 같은 나노입자 분리홀을 이용하여 크기에 따른 나노입자의 분리가 가능하므로 신뢰성 높은 생체물질의 분석이 가능하다. 결과적으로 본 발명에 따른 미세 유체칩은 분리하려는 나노입자에 맞는 맞춤형 나노입자 분리홀을 제작한 후 이를 이용하면 생체물질분석의 신뢰도를 크게 높일 수 있는 발명에 관한 것으로서, 미세 유체 공학 및 미세 유체 시스템을 통한 분석의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 미세 유체칩의 전체적인 평면도(a) 및 단면도(b)를 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 나노입자 분리홀의 주변부를 나타낸 그림 및 산화규소 막의 형성 전 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 화학기상증착에 따라 나노입자 분리홀의 크기 변화를 나타낸 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 1에서 화학기상증착에 따른 나노입자 분리홀의 크기 변화 사진 및 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 일실시예 중 하나로서 500nm 크기를 갖도록 제작된 나노입자 분리홀을 보여주는 사진이다.
도 6은 본 발명에 있어서, 복수의 나노입자 분리홀을 복수의 그룹으로 제작한 미세 유체칩의 경우 관측되는 나노입자 분리홀의 주사전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 2에 따른 미세 유체칩의 전체적인 평면도(a) 및 단면도(b)를 나타내는 그림이다.
도 8은 실시예 2에 따른 미세 유체칩을 사용하여 형광물질로 표지된 나노입자를 분리하는 예시를 나타낸 사진이다.
도 9는 실시예 2의 분리막에서 상기 나노입자 분리홀이 복수개의 선형 복수개의 나노입자 분리홀 집단으로 형성되어 제작된 미세 유체칩의 바람직한 예시를 나타낸 사진이다.
도 10은 실시예 2에 따른 미세 유체칩을 사용하여 나노입자를 분리한 결과를 나타낸 SEM 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예와 같은 250nm 크기의 나노입자 분리홀을 가진 미세유체칩에 의해 300nm 크기의 나노입자가 분리되는 것을 보여주는 사진이다.
도 12는 실시예 1(a) 및 실시예 2(b)에 따른 미세유체칩을 제작한 후 각각의 나노입자 분리홀의 직경을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 자성 나노입자, 프로브 및 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 간단히 나타낸 그림이다.
이에 본 발명자들은 신뢰성 높은 분석 결과를 제공하는 미세 유체칩을 개발하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 미세 유체칩 및 이를 이용한 생체물질분석방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
구체적으로 본 발명에 따른 미세 유체칩은 시료 주입부(110), 유동용액 주입부(120) 및 유동채널(130)로 이루어지며, 상기 유동채널은 반응부(140), 분리부(150) 및 배출부(160)가 순차적으로 위치하여 이루어진 것으로서, 상기 분리부(150)는 하나 이상의 나노입자 분리홀(170)이 포함된 분리막(180)을 포함할 수 있다.
일반적으로 상기 미세 유체칩은 분석을 수행하기 위한 반응물을 얼마나 민감하고 정확하게 검출하느냐가 분석의 신뢰도를 좌우하는 핵심이라고 할 수 있으며, 본 발명은 상기 하나 이상의 나노입자 분리홀(170)이 포함된 분리막(180)에 의해 보다 민감하고 정확한 분석을 가능하게 할 수 있다.
상기 유동채널(130)의 분리부(150)는 바람직하게는 유동채널(130)의 하층(230)이 오목한 홈으로 이루어져 있으며, 상기 오목한 홈은 상기 분리막(180)으로 덮혀 있을 수 있다.
또한 상기 분리막의 상부면은 바람직하게는 상기 유동채널(130)의 상층(220)으로부터 연장된 격벽(190)과 접촉할 수 있다.
또한 상기 격벽(190)은 상기 주입부(110, 120)를 향하는 분리막(180)의 전단과 상기 배출부(160)를 향하는 분리막(180)의 후단을 제외한 분리막(180)의 중단과 접촉할 수 있다.
상기 유동채널의 분리부(150)는 바람직하게는 시료간에 반응하여 형성된 반응물과 미반응시료를 분리해 낼 수 있으며, 상기 미반응시료는 바람직하게는 자성 나노입자(Magnetic nano particle, MNP)일 수 있다.
상기 분리부를 통한 반응물과 미반응시료의 분리는 상기 분리막(180)의 나노입자 분리홀(170)을 통해 분리해 낼 수 있다.
상기 분리막(180)의 나노입자 분리홀은 그 크기가 상기 미반응시료로서 상기 자성 나노입자(Magnetic nano particle, MNP)를 통과시킬 수 있는 크기면 크게 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 100nm~1000nm인 것이 바람직한데, 그 직경이 100nm미만이면 유동용액의 흐름이 원활하지 못하며, 상기 미반응시료로서 자성 나노입자가 상기 나노입자 분리홀을 통과하기 어렵게 되어 바람직하지 못하다.
또한 상기 나노입자 분리홀의 크기가 1000nm를 초과하면 시료 간의 반응한 반응물도 상기 자성 나노입자와 함께 상기 나노입자 분리홀을 통과할 수 있어 바람직하지 않다.
또한 상기 나노입자 분리홀의 형태 및 구조는 나노입자를 통과시키지 않으면서 분리할 수 있는 것이라면 특별한 제한이 없지만, 바람직하게는 원형의 나노홀 뿐만 아니라 얇고 긴 직사각형 구조의 나노슬릿이 포함될 수 있다.
한편 상기 분리막은 특별한 제한이 있는 것은 아니지만 바람직하게는 복수개의 나노입자 분리홀을 포함하는 복수개의 선형 나노입자 분리홀 집단이 지그재그 형태로 배열되어 이루어지는 것일 수 있다. 이렇게 지그재그 형태로 배열되는 경우 상기 분리막의 제조 과정에서 상기 나노입자 분리홀의 직경이 보다 작은 크기로 형성될 수 있다. 이렇게 나노입자 분리홀의 크기를 작게 형성하게 되면 보다 정교한 나노입자의 분리가 가능하게 된다.
상기 분리막(180)의 재질은 상기 유동채널(130)에서 상기 유동용액의 흐름을 방해하지 않으면서 상기 자성 나노입자를 통과시킬 수 있는 것이면 특별한 제한이 없지만, 바람직하게는 실리콘 또는 이를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 실리콘 또는 이를 포함하는 기판은 표면에 질화규소 막 및 산화규소 막이 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 통하여 형성된 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 질화규소 막 위에 산화규소 막이 순차적으로 형성된 것일 수 있다.
또한 상기 나노입자 분리홀(170)의 표면은 바람직하게는 산화규소 막이 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 통하여 형성된 것일 수 있다.
상기 화학기상증착에 의해 상기 나노입자 분리홀의 크기인 100nm~1000nm 사이에서 다양한 크기의 나노입자 분리홀의 제작이 가능하다. 그리하여 상기 나노입자 분리홀의 크기를 분리하려는 나노입자의 크기보다 작은 크기이면서 자성 나노입자보다는 큰 크기로 제작하게 되면 크기가 상대적으로 작은 자성 나노입자는 나노입자 분리홀을 통과하게 되면서 크기가 상대적으로 큰 상기 나노입자만의 선택적 분리가 가능할 수 있다.
상기 유동채널(130)의 재료는 유동용액의 흐름을 방해하지 않는 고분자 물질이면 특별한 제한 없이 사용할 수 있지만, 상기 고분자 물질은 바람직하게는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PMDS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate; PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리사이클릭 올레핀(polycyclic olefin), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리우레탄(polyurethane)으로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질일 수 있다. 또한 상기 유동채널(130)의 하층(230) 중 상기 분리부(150)에 위치하는 유동채널의 하층(230)은 실리콘 또는 유리가 사용되거나 상기 고분자 물질과 함께 포함될 수 있다.
상기 시료 주입부(110)에는 반응 및 상기 반응에 필요한 물질이면 특별한 제한 없이 주입될 수 있지만, 바람직하게는 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질이 주입될 수 있으며, 상기 생체물질에는 바람직하게는 항원 또는 바이오마커일 수 있다.
상기 시료 주입부(110)를 통해 주입된 시료는 반응을 끝낸 시료가 주입될 수도 있지만, 바람직하게는 상기 반응부(140)에서 반응할 수 있다.
상기 반응부(140)에서 형성된 반응물은 바람직하게는 상기 자성 나노입자에 결합된 수용체와 상기 프로브에 결합된 수용체가 상기 생체물질을 인식하여 형성된 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체일 수 있다.
상기 유동채널의 반응부(140)와 분리부(150) 사이에는 바람직하게는 자기력 인가부(200)가 위치할 수 있다.
상기 자기력 인가부(200)는 바람직하게는 인가된 자기력에 의해 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 수집할 수 있다.
상기 유동채널(130)은 상기 자기력 인가부(200)에 의해 수집되지 않은 나머지 미반응시료를 배출할 수 있는 미반응시료 배출부(210)가 상기 자기력 인가부(200)와 상기 분리부(150) 사이에 위치할 수 있다.
상기 미반응시료 배출을 위한 유체흐름을 제어하기 위해서는 공기압 밸브 등 마이크로 밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 미반응시료 배출부(210)를 통해 미반응시료가 배출되고 나면 상기 자기력 인가부(200)에 의해 수집되었던 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 자기력의 인가 중단에 의해 다시 상기 유동채널(130)을 통해 분리부(150)쪽으로 이동할 수 있다.
상기 분리부(150) 쪽으로 이동한 후 상기 분리막(180)에 의해 분리가 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 상기 분리막(180)의 나노입자 분리홀(170)의 경우 상기 자성 나노입자는 나노입자 분리홀보다 크기가 작기 때문에 통과할 수 있지만, 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 나노입자 분리홀보다 크기가 커서 이를 통과할 수 없다. 즉, 자성 나노입자와 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 나노입자 분리홀에 의해 크기에 따른 선택적 분리가 가능할 수 있다.
이를 통해 상기 하나 이상의 나노입자 분리홀이 포함된 분리막(180)에 의해 순도 높은 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체의 검출이 가능 할 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 미세 유체칩을 이용하여 순도 높은 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 검출해 내고 이를 통해 상기 생체물질을 분석하게 되면 보다 정확하고 민감하며 신뢰성 높은 분석을 달성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 생체물질분석방법은 1)상기 미세 유체칩의 유동채널에 시료와 유동용액을 주입하는 단계, 2)상기 주입된 시료가 반응부에서 반응하여 반응물을 형성하는 단계, 3)상기 반응물은 상기 유동채널 내에 존재하는 하나 이상의 나노입자 분리홀을 통과하지 못하고 검출되는 단계, 및 4)상기 검출된 반응물을 분석하는 단계를 포함하여 상기 미세 유체칩을 통해 이루어질 수 있다.
상기 주입되는 시료로는 미세 유체칩 안에서 반응하여 생체물질을 검출할 수 있는 반응대상물이면 특별한 제한 없이 주입될 수 있지만, 바람직하게는 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브일 수 있다. 또한 상기 반응물의 형성은 바람직하게는 상기 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브가 반응하여 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 형성할 수 있다.
상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 자성 나노입자와 결합된 수용체와 상기 프로브와 결합된 수용체가 상기 생체물질을 인식하여 형성될 수 있다.
상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 바람직하게는 상기 유동채널의 분리부에 존재하는 하나 이상의 나노입자 분리홀보다 큰 크기로 인해 이를 통과하지 못하고 검출 될 수 있다.
상기 2)단계와 3)단계 사이에는 바람직하게는 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 자기력 인가부에 의해 고정되어 수집되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 자기력 인가부에 자기력을 인가하게 되면 상기 자성 나노입자와 상기 자기력 간에 인력에 의해 상기 자성 나노입자 및 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 고정될 수 있다.
상기 자기력 인가부에 의한 고정 단계를 더 포함하게 되면 상기 자성 나노입자 및 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 제외한 미반응시료를 먼저 유동채널을 통해 이동시킬수 있다.
상기 자기력 인가부에 의해 고정되지 않아 먼저 이동한 미반응시료는 미반응시료 배출부를 통해 배출하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 미반응시료를 미반응시료 배출부를 통해 먼저 배출하게 되면, 바람직하게는 보다 순도 높은 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체의 검출이 가능하여 분석의 신뢰도를 높일 수 있다.
상기 미반응시료가 미반응시료 배출부를 통해 배출된 후 바람직하게는 상기 자기력의 인가를 중단할 수 있다. 상기 자기력의 인가를 중단하게 되면 상기 자기력 인가부에 수집되었던 자성 나노입자 및 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 상기 유동채널의 배출부 방향으로 다시 이동하게 된다.
상기 유동채널을 통해 이동한 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 분리부에서 상기 나노입자 분리홀이 포함된 분리막에 의해 분리 될 수 있다. 이때 상기 분리는 바람직하게는 상기 자성 나노입자는 상기 나노입자 분리홀에 비해 크기가 작으므로 이를 통과하게 되며, 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 나노입자 분리홀보다 크기가 커서 이를 통과하지 못해 분리 될 수 있다. 즉, 자성 나노입자와 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체의 크기가 서로 다르며, 이러한 크기 차이를 통해 상기 나노입자 분리홀에서 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체만의 선택적 분리가 가능하다.
상기 나노입자 분리홀의 크기는 바람직하게는 100nm~1000nm일 수 있으며, 상기 자성 나노입자의 크기는 바람직하게는 상기 나노입자 분리홀보다 작으면서 더욱 바람직하게는 30~500nm일 수 있다. 또한 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체의 크기는 바람직하게는 상기 나노입자 분리홀보다 크면서 더욱 바람직하게는 200~1500nm일 수 있다. 그러므로 상기 자성 나노입자는 상기 나노입자 분리홀에 비해 그 크기가 작아 쉽게 통과할 수 있으며, 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브는 그 크기가 상기 나노입자 분리홀보다 크기 때문에 상기 나노입자 분리홀을 통과할 수 없다.
결국 상기 나노입자 분리홀이 포함된 분리막은 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 순도 높게 따로이 분리해 내며 이를 통해 보다 정확한 생체물질의 분석이 가능하다.
상기 나노입자 분리홀을 통과하지 못하고 검출된 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 가지고 생체물질분석을 실시할 수 있다. 또한 상기 분석의 방법은 당업계에 적용되는 공지의 분석 방법이 모두 적용될 수 있으며, 바람직하게는 라만 분광법에 의한 분석일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 상기 나노입자 분리홀이 포함된 미세 유체칩용 분리막의 제조방법은 1) 실리콘 또는 이를 포함하는 기판에 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 통하여 질화규소 막을 형성하는 단계, 2) 상기 1)단계 후 1~3㎛ 크기의 분리홀을 형성하는 단계, 3)상기 형성된 분리홀을 포함한 기판에 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)을 통하여 산화규소 막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3)단계의 산화규소 막을 형성하기 위한 화학기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition)은 분리홀의 크기가 100~1000nm가 될 때까지 화학기상증착 할 수 있다. 상기 분리홀의 크기가 100nm미만이 되도록 화학기상증착하면 자성 나노입자를 효과적으로 통과시키지 못해 바람직하지 않으며, 상기 분리홀의 크기가 1000nm를 초과하도록 화학기상증착되면 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 통과될 수 있어 바람직하지 않다.
이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
< 실시예 1: 250 nm 나노입자 분리홀을 가진 미세 유체칩의 제작>
시료 주입부, 유동용액 주입부, 유동채널, 반응부, 분리부 및 배출부를 가진 미세 유체칩에서 나노입자 분리홀을 유동채널의 하부면에 위치시켜 미세 유체칩을 제조하였다. 이러한 나노입자 분리홀은 실리콘 기판 위에 화학기상증착(CVD) 공정으로 실리콘 기판 위에 질화규소 막을 500nm ~ 1000nm 두께로 형성한다. 이러한 기판에 복수의 나노입자 분리홀을 제작하기 위하여 사진 식각 공정으로 2.5 um 크기의 복수의 마이크로 홀을 패터닝하고 플라즈마 식각을 통해 실리콘 기판의 질화규소 막을 식각한다. 이후, 유동채널의 하부면을 제작하기 위하여 질화규소 막 식각으로 드러난 실리콘 기판을 비등방성 식각을 통하여서 3~5 um 식각한다. 이후, 실리콘 기판 식각액인 TMAH, KOH용액 속에서 다시 한번 식각하여서 유동채널의 하부면을 완성한다. 마지막으로 2.5 um크기의 복수의 마이크로홀을 나노 크기의 분리홀로 크기를 줄이기 위하여 화학기상증착(CVD) 공정을 이용하여서 실리콘 기판 산화규소 막을 형성한다. 실리콘 기판 산화규소 막이 형성됨에 따라서 2.5um 지름의 마이크로 홀의 크기는 줄어들며, 막의 두께를 조절하여서 복수의 나노입자 분리홀의 직경이 250nm가 되도록 공정한다.
또한 유동홀의 상부면은 폴리디메틸실록산(PDMS) 재질을 이용하여서 몰딩방법으로 제작하며, 유동홀의 하부면 및 나노입자 분리홀에 산소플라즈마 처리를 통해 산화시키고 양면을 접합하였으며, 미세 유체칩에 자기력 인가부와 미반응물 배출부를 추가로 설치하여 최종 미세 유체칩을 완성하였다.
하기 도 1은 본 실시예 1따른 미세 유체칩의 전체적인 평면도(a) 및 단면도(b)를 나타내는 그림이다.
또한 하기 도 2는 본 실시예 1에 따른 미세 유체칩에 있어서, 상기 나노입자 분리홀의 주변부를 확대하여 나타낸 그림으로서, 유동채널의 상층 PDMS 면의 아래에 상기 나노입자 분리홀이 위치하는 것을 나타내되, 상기 나노입자 분리홀의 위치를 보다 상세히 묘사하기 위해 나노입자 분리홀을 입체적으로 이격하여 나타낸 그림을 나타내며(도 2a), 또한 상기 실리콘 기판의 질화규소 막을 식각한 후 아직 실리콘 기판 산화규소 막을 형성하기 이전에 기판 위의 2.5㎛ 분리홀의 배치를 보여주는 주사전자 현미경 사진(도 2b)이며, 또한 상기 나노입자 분리홀을 통해 입자의 크기가 작은 나노입자만이 상기 나노입자 분리홀을 통과하게 되는 원리를 나타내는 그림(도 2c)이며, 또한 복수의 나노입자 분리홀을 복수의 그룹으로 제작한 미세 유체칩의 세로 단면도(도 2d)와 가로 단면도(도 2e)를 나타낸 그림이다.
또한 하기 도 3은 실리콘 질화규소 막의 기판을 식각하여 실리콘 기판의 산화규소 막으로 증착하기 전 분리홀의 크기가 2.5㎛였다가 실리콘 산화규소 막 형성을 통하여 575nm까지 크기가 작아져 나노입자 분리홀이 형성되는 양상을 나타내는 주사전자 현미경 사진이다.
또한 도 4는 실리콘 기판의 산화규소 막 증착 전후로 나눠 나노입자 분리홀을 보다 정밀하게 관측한 주사전자 현미경 사진(도 4a)과 증착을 통해 변화하는 나노입자 분리홀의 직경 변화 양상을 그래프로 나타낸 그림(도 4b)이다.
또한 하기 도 5는 본 발명의 실시예인 250nm와는 달리 500nm의 나노입자 분리홀을 가진 미세유체칩을 제작하여 관측한 주사전자 현미경 사진이다. 즉, 하기 도 5는 본 발명에 따른 미세유체칩에 있어서, 화학기상증착(CVD)을 통하여 실시예와 다른 크기의 나노입자 투과홀을 보여주는 사진이며, 이는 결국 화학기상증착을 통한 다양한 크기의 나노입자 투과홀의 제작이 가능함을 보여준다. 그러므로 하기 도 5에 의한 500nm 크기의 나노입자 투과홀을 가진 미세유체칩도 본 발명의 바람직한 일실시예 중 하나에 해당한다.
또한 하기 도 6은 복수의 나노입자 분리홀을 복수의 그룹으로 제작한 미세 유체칩의 경우 관측되는 나노입자 분리홀의 주사전자 현미경 사진이다.
상기 도 6과 같이 복수의 나노입자 분리홀을 복수의 그룹으로 하여 미세 유체칩을 제작하게 되면, 보다 빠르고 효율적으로 분석을 수행할 수 있어 바람직하다.
< 실시예 2: 복수개의 나노입자 분리홀이 복수개의 선형 나노입자 분리홀 집단으로 형성되고, 이러한 집단이 지그재그 형태로 배열되게 제작된 분리막을 포함 하 는 미세 유체칩의 제작>
한편 상기 복수개의 나노입자 분리홀이 복수개의 선형 나노입자 분리홀 집단으로 형성되고, 이러한 집단이 지그재그 형태로 배열되게 분리막을 제작한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여 미세 유체칩을 제작하였다. 이때 상기 플라즈마 식각은 상기 마이크로 홀이 선형으로 복수개의 집단을 이루어 배열될 수 있도록 수행하였다.
하기 도 7은 본 실시예 2에 따른 미세 유체칩의 전체적인 평면도(a) 및 단면도(b)를 나타내는 그림이다.
또한 하기 도 8은 본 실시예 2에 따른 미세 유체칩을 사용하여 형광물질로 표지된 나노입자를 분리하는 예시를 나타낸 사진이다.
또한 하기 도 9는 상기 분리막에서 상기 나노입자 분리홀이 복수개의 선형 복수개의 나노입자 분리홀 집단으로 형성되어 제작된 미세 유체칩의 바람직한 예시를 나타낸 사진이다.
또한 하기 도 10은 본 실시예 2에 따른 미세 유체칩을 사용하여 나노입자를 분리한 결과를 나타낸 SEM 사진이다.
실험예 :
< 실험예 1: 실시예의 미세유체칩을 이용하여 크기 차이에 따른 선택적 나노입자의 수득>
상기 실시예 1의 250nm 크기의 복수 나노입자 분리홀을 가진 미세 유체칩에 300nm 크기를 가진 나노입자를 통과시켜 그 통과 여부를 측정하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 11에 나타냈다.
하기 도 11에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따라 제작된 250nm 크기의 나노입자 분리홀을 가진 미세유체칩에는 300nm 크기의 나노입자가 상기 나노입자 분리홀을 통과하지 못하고 걸러지게 됨을 확인할 수 있었다.
이를 통해 본 발명에 따른 미세유체칩은 나노입자 분리홀과 나노입자 간의 크기 차이가 비록 50nm에 불과하지만, 정교하고 민감하게 300nm크기의 나노입자를 통과시키지 않고 걸러내게 됨을 확인할 수 있었다.
이러한 실험 결과를 통해 분석하려는 물질 보다는 작은 크기의 나노입자 분리홀을 제작한 후, 이러한 나노입자 분리홀을 포함하는 본 발명에 따른 미세유체칩을 제작하고, 이를 통해 분석하려는 물질을 분석하게 되면, 보다 높은 신뢰도와 민감도를 가진 분석이 가능함을 확인할 수 있었다.
< 실험예 2: 실시예 1 및 실시예 2의 미세유체칩에서 나노입자 분리홀의 직경 비교>
상기 실시예 1 및 실시예 2에 따른 미세유체칩을 제작한 후 각각의 나노입자 분리홀의 직경을 측정하였다. 이를 측정한 결과는 하기 도 12와 같다.
상기 도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이 증착의 양에 따른 나노입자 분리홀의 직경이 실시예 2(도 12b)에 따른 경우가 현저히 작아 실시예 1(도 12a)의 경우보다 정교한 나노입자 분리가 가능함을 확인하였다.
한편 도 13은 본 발명에서 시료의 바람직한 예시 중 하나인 자성 나노입자, 프로브 및 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 간략하게 나타낸 그림이다.
결국 상기 실험예의 결과와 같이 본 발명에 따른 나노입자 분리홀을 보유한 미세 유체칩은 보다 민감한 반응물의 검출 및 수득을 가능하게 하여 신뢰성 높은 분석 결과를 제공하는 미세 유체칩에 관한 발명임을 확인할 수 있었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
110. 시료 주입부.
120. 유동용액 주입부.
130. 유동채널.
140. 반응부.
150. 분리부.
160. 배출부.
170. 나노입자 분리홀.
180. 분리막.
190. 격벽.
200. 자기력 인가부.
210. 미반응시료 배출부.
220. 유동채널 상부.
230. 유동채널 하부.

Claims (19)

  1. 시료 주입부, 유동용액 주입부 및 유동채널로 이루어지며,
    상기 유동채널은 반응부, 분리부 및 배출부가 순차적으로 위치하여 이루어진 것으로서,
    상기 분리부는 하나 이상의 나노입자 분리홀이 포함된 분리막을 포함하는 미세 유체칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유동채널의 분리부는 유동채널의 하층이 오목한 홈으로 이루어져 있으며, 상기 오목한 홈은 상기 분리막으로 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 복수개의 나노입자 분리홀을 포함하는 복수개의 선형 나노입자 분리홀 집단이 지그재그 형태로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세유체칩.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 분리막의 상부면은 상기 유동채널의 상층으로부터 연장된 격벽과 접촉하는 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 주입부를 향하는 분리막의 전단과 상기 배출부를 향하는 분리막의 후단을 제외한 분리막의 중단과 접촉하는 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 나노입자 분리홀의 크기는 100nm~1000nm인 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막의 표면은 질화규소 막 위에 산화규소 막이 위치하여 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 나노입자 분리홀의 표면은 산화규소 막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 유동채널의 반응부와 분리부 사이에 자기력 인가부가 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 자기력 인가부와 분리부 사이에 미반응시료를 배출시키는 미반응시료 배출부가 위치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세 유체칩.
  11. 1) 제 1항에 따른 미세 유체칩의 유동채널에 시료와 유동용액을 주입하는 단계;
    2) 상기 주입된 시료가 반응부에서 반응하여 반응물을 형성하는 단계;
    3) 상기 반응물은 상기 유동채널의 분리부에 존재하는 하나 이상의 나노입자 분리홀을 통과하지 못하고 검출되는 단계; 및
    4) 상기 검출된 반응물을 분석하는 단계;
    를 포함하여 제 1항에 따른 미세 유체칩을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 1)단계의 시료로 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브를 주입하며, 상기 2)단계의 반응물의 형성은 상기 자성 나노입자, 생체물질 및 프로브가 반응하여 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 형성하는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 자성 나노입자와 결합된 수용체와 상기 프로브와 결합된 수용체가 상기 생체물질을 인식하여 형성된 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체인 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  14. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 2)단계와 상기 3)단계 사이에는 상기 자성 나노입자와 상기 자성나노입자-생체물질-프로브 복합체가 자기력 인가부에 의해 고정되어 수집되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 고정되어 수집되는 단계 이후에 상기 자기력 인가부에 의해 고정되지 않는 미반응시료를 미반응시료 배출부를 통해 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 미반응시료 배출 단계 이후에 상기 자기력 인가부의 자기력 인가를 중단하여 상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체를 상기 유동채널의 주입부에서 배출부 쪽으로 다시 이동시키는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 자성 나노입자와 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체가 상기 유동채널의 주입부에서 배출부 쪽으로 이동 한 후 상기 자성 나노입자는 제 10항에 따른 상기 나노입자 분리홀을 통과하지만, 상기 자성 나노입자-생체물질-프로브 복합체는 상기 나노입자 분리홀을 통과하지 못하는 것을 특징으로 하는 생체물질분석방법.
  18. 1) 실리콘 또는 이를 포함하는 기판에 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)을 통하여 질화규소 막을 형성하는 단계;
    2) 상기 1)단계 후 1~3㎛ 크기의 분리홀을 형성하는 단계; 및
    3) 상기 형성된 분리홀을 포함한 기판에 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)을 통하여 산화규소 막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 제 1항에 따른 나노입자 분리홀이 포함된 미세 유체칩용 분리막의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 3)단계의 산화규소 막을 형성하기 위한 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)은 분리홀의 크기가 100nm~1,000nm가 될 때까지 화학기상증착(CVD, chemical vapor deposition)하는 것을 특징으로 하는 제 1항에 따른 나노입자 분리홀이 포함된 미세 유체칩용 분리막의 제조방법.

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