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문제 정의
- 본 논문에서는 감지부와 미세 펌프를 일체화한 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기의 제작과 비드(bead) 계수 실험 결과를 소개하였다. 단, 세포를 사용하기 어려운 여건으로 인해 지름 70~100 pm 인 Sephadex G-25 비드 (Amersham Pharmacia Biotech, UK)를 대신 사용하였 T.
- 본 연구의 특징인 높은 에너지 효율과 부합하면서도 채널의 폭을 가변적으로 제어할 수 있는 방법이 필요하며, 가스를 생성하고 팽창시 키는 방법을 연구하고 있다.(2°)
제안 방법
- 채널 제작을 위해, base 와 curing agent 를 10:1 (w/w)로 섞은 다음 진공 챔버에서 가스를 제거한 후, 몰드에 1 mm 두께로 붓고 오븐 (65 °C)에서 5 시간 동안 경화시켰다. 경화 시간 동안 수평을 유지해서 액체상태의 PDMS 가 흐르는 것을 방지하고 일정한 두께의 채널을 제작하였다. PDMS 의 두 께가 얇을수록 빛 투과성이 좋아지지만, 과산화수소수와 비드를 주입할 때 막이 찢어지거나 저장부 (reservoir) 윗부분의 굽힘이 일어나 접합 시 바닥면에 닿게 되는 문제가 있어서 1 mm 이상의 두께가 적절하였다.
- 3(b)]하여 비드가 미세 창위로 지나가도록 하였다. 몰드 제작을 위해, 실리콘 웨이퍼 위에 SU-8 50 (Microchem, USA) 음성 감광재를 100 pm 높이로 스핀 코팅하고 핫 플레이트를 이옹해서 65/95 °C 에서 10/30 분간 베이크 하였다. .
- 자외선 노광량을 500 mJ/cm2 로 하였고 다시 65/95 °C 에서 3/10 분간 베이크 한 후 10 분간 현상하여 몰드를 완성하였다. 몰드와 PDMS 와의 분리를 쉽게 하기 위해 trimethylsilane (DC(R) 9-5170, Dow Coming, USA)을 진공 챔버에 몰드와 함께 24 시간 동안 두어 표면에 이형막이 증착되도록 하였다.
- 미세 펌프는 과산화수소수를 이산화망간으로 분해시켜 발생한 산소 가스의 팽창으로 구동 되며, 7 pl 의 과산화수소수로 30 (11 의 비드 샘플을 수송하였다. 미세 채널 속의 비드가 질화 실리콘막으로 형성한 미세창을 지나면서 광원으로부터 포토트랜지스터로 조사되는 빛을 가리자, 비드의 크기(70〜 100 pun)에 비례하는 신호가 펄스(〜22 mV) 의 형태로 측정되었고, 펄스의 크기별 수를 분석해서 비드의 상대 크기별 수를 유추할 수 있었디..
- 미세 채널은 몰드 성형법을 이용해서 빛 투과성이 우수한 PDMS(Sylgardl84, Dow Coming, USA)로 제작하였다. 미세 창과 정렬되는 부분은 약 본 연구를 통해 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기를 제작하였고, 비드를 이용한 계수 실험을 수행하였다. 미세 펌프는 과산화수소수를 이산화망간으로 분해시켜 발생한 산소 가스의 팽창으로 구동 되며, 7 pl 의 과산화수소수로 30 (11 의 비드 샘플을 수송하였다.
- 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기의 비드 계수 실험에 앞서, 세포 계수와 수송 기능을 각각 테스트 하였다. 측정 회로는 Fig.
- 세포 계수 테스트를 위해, peristaltic 펌 프(LKBP- 1, Pharmacia, Sweden) 로 70 ~ 100 pm 크기의 Sephadex G-25비드 샘플을 약 1 i戒/h 의 유량으로 수송하면서 신호를 측정하였다. 광원은 950 nm 파장의 적외선 다이오드(SI3311-H, AUK, Korea)를 세포 수송 테스트를 위해, 과산화수소수 (30 % (w/w))를 주사기로 미세 히터 윗부분의 저장 공간 에 주입한 후, 물을 주입구 (inlet)를 이용해서 세포 저장부로 주입하였다. 과산화수소수를 미세 히 터로 직접 가열[Fig.
- 세포의 감지를 위해, 빛을 미세창을 통해 포토 트랜지스터로 조사시키고 세포가 미세 창위를 지나면서 빛을 가릴 때, 포토트랜지스터로 구성된 회로에 흐르는 전류의 변화량을 전압으로 변환하여 측정한다. 전압의 크기는 세포의 크기에 비례 하므로 세포의 크기별 계수가 가능하다.
- 예비 실험의 결과를 이용해서, 산소 미세 펌프로 비드를 수송하고 포토트랜지스터로 비드를 감지하여, 비드를 계수하는 실험을 수행하였다.
- 우선, 과산화수소수 7 山 를 미세 히터 위 공간에 주사기로 주입한 후, 비드는 de-ionized water 와 약 1:30 (v/v)로 섞어서 30 卩1 의 샘플을 저장부에 주사기로 주입하였다. 미세 히터를 가열해서 촉매 반응을 개시하였고 발생한 산소 가스가 팽창되면서 저장부 내의 비드를 채널을 따라 수송 하였 다.
- 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기의 비드 계수 실험에 앞서, 세포 계수와 수송 기능을 각각 테스트 하였다. 측정 회로는 Fig. 4 와 같고, 포토트랜지스터(ST-1KLA, Kodenshi, Korea), 역방향 전압, 저항, 그리고 오실로스코프 (DL1540C, Yokogawa, Japan)로 구성 하였다.
- 8em;"> 부피의 과산화수소수 저장 공간을 형성하였다. 패터닝 면적의 크기와 에칭 시간은 실리콘 층의 두께 고려해서 결정하였고 미세 창의 크기는 실험에 이용할 비드의 크기를 고려해서 제작되었다.
대상 데이터
- 2 cm2 면적과 1 mm 두께를 가지는 글래스 기판 위에 제 작되었다. 150/3000 A 두께로 Cr/Au 막을 열증착하고, 리프트-오프 공정으로 30 gm 선폭으로 패터닝 하여, 240 C의 미세 히터를 제작하였다. Spin-on- glass (SOG)를 0.
- 2 는 미세 세포 계수기 제작을 위한 공정도를 나타낸다. 공정은 미세창 (A), 미세 히터 (B), 그리고 미세 채널 (C) 각 부분을 제작한 후 조립에 의해 완성하는 순서로 구성되었으며 제작된 미세 세포 계수기는 Fig. 3 과 같다. 각 부분의 제작과 조립 과정을 다음에 기술하였다.
- 광원으로는 10, lx 밝기의 fiber optic illuminator (LS- F150HSR, Koeraoptron, Korea) 를 사용하였고 빛의 포커싱을 위해 현미경의 배율을 390 배로 하였다. 인가된 역방향 전압은 9Y 저항은 lkQ이었다.
- 세포 계수 테스트를 위해, peristaltic 펌 프(LKBP- 1, Pharmacia, Sweden) 로 70 ~ 100 pm 크기의 Sephadex G-25비드 샘플을 약 1 i戒/h 의 유량으로 수송하면서 신호를 측정하였다. 광원은 950 nm 파장의 적외선 다이오드(SI3311-H, AUK, Korea)를 사용하였고 포토트랜지스터에 인가된 역방향 전압은 3 V, 저항은 1 kfl 이었다. 최대 약 10 mV 크기의 신호가 Fig.
- 본 연구를 통해 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기를 제작하였고, 비드를 이용한 계수 실험을 수행하였다. 미세 펌프는 과산화수소수를 이산화망간으로 분해시켜 발생한 산소 가스의 팽창으로 구동 되며, 7 pl 의 과산화수소수로 30 (11 의 비드 샘플을 수송하였다. 미세 채널 속의 비드가 질화 실리콘막으로 형성한 미세창을 지나면서 광원으로부터 포토트랜지스터로 조사되는 빛을 가리자, 비드의 크기(70〜 100 pun)에 비례하는 신호가 펄스(〜22 mV) 의 형태로 측정되었고, 펄스의 크기별 수를 분석해서 비드의 상대 크기별 수를 유추할 수 있었디.
- 1 에 개략적으로 나 타내었다. 미세 펌프는 미세 히터(microheater), 촉 매인 이산화망간(MnO, , 과산화수소수(H2O2, 30 % (w/w)), 그리고 미세 채널로 구성하였고, 세포 감 지부는 광원 (collimated light), 미세창 (microwindow), 그리고 포토트랜지스터 (photo transistor) 로 구성하였다.
- 미세 히터는 빛의 투과를 위해서 2.2 X 2.2 cm2 면적과 1 mm 두께를 가지는 글래스 기판 위에 제 작되었다. 150/3000 A 두께로 Cr/Au 막을 열증착하고, 리프트-오프 공정으로 30 gm 선폭으로 패터닝 하여, 240 C의 미세 히터를 제작하였다.
- 우선, 과산화수소수 7 山 를 미세 히터 위 공간에 주사기로 주입한 후, 비드는 de-ionized water 와 약 1:30 (v/v)로 섞어서 30 卩1 의 샘플을 저장부에 주사기로 주입하였다. 미세 히터를 가열해서 촉매 반응을 개시하였고 발생한 산소 가스가 팽창되면서 저장부 내의 비드를 채널을 따라 수송 하였 다.[Fig.
- 빛의 투과성을 높이기 위해서 채널은 투명한 폴리머 재질인 polydimethylsiIoxane(PDMS)으로 제작하고, 미세 히터는 글래스 기판 위에 제작한다. 미세창은 실리콘 층을 에칭하여 생성한 두께 1.5 pm 의 질화 실리콘막으로 제작한다.
- 광원으로는 발광소자(LED)를 사용하거나 감도를 높이기 위해 광섬유(optical fiber)를 사용하는 illuminator 를 현미경에 부착하여 포커싱한다. 빛의 투과성을 높이기 위해서 채널은 투명한 폴리머 재질인 polydimethylsiIoxane(PDMS)으로 제작하고, 미세 히터는 글래스 기판 위에 제작한다. 미세창은 실리콘 층을 에칭하여 생성한 두께 1.
- 3(c)]. 파라핀은 열에 의해 부피 팽 창이 일어나고@ 질화 실리콘막에 닿게 되면 PDMS 와 접합성이 나빠져서 누수의 원인이 되므 로 소량의 이산화망간과 파라핀을 사용하였다.
성능/효과
- 경화 시간 동안 수평을 유지해서 액체상태의 PDMS 가 흐르는 것을 방지하고 일정한 두께의 채널을 제작하였다. PDMS 의 두 께가 얇을수록 빛 투과성이 좋아지지만, 과산화수소수와 비드를 주입할 때 막이 찢어지거나 저장부 (reservoir) 윗부분의 굽힘이 일어나 접합 시 바닥면에 닿게 되는 문제가 있어서 1 mm 이상의 두께가 적절하였다.
- 본 연구를 응용한 세포 분류는, 세포의 크기가 다르고 동일한 종류이거나, 크기가 같고 종류가 다른 경우에 적합한 것으로 판단된다.
- 본 연구에 의한 산소 미세 펌프가 내장된 미세 세포 계수기는, 미세 채널과 미세 펌프의 동시 공정이 가능하고, 수송 과정의 에너지 효율이 높으며, 포토트랜지스터를 사용한 간단한 회로로 세포 감지가 가능하므로, 제작과 사용이 쉬운 장점이 있다. 비드의 크기에 해당하는 펄스의 threshold 값을 이용해서 크기별로 분류 (sorting) 하는 연구와, 감지부인 미세창 위로 비드가 지나가도록 하는 포커싱 연구가 진행 중이다.
- 8 의 펄스의 시간 간격이 균등하지 않게 나타났다. 비드의 이송 속도는 과산화수소수의 농도, 이산화망간과의 접촉 면적, 그리고 저장 공간 내의 비드 분산 정도 등에 의해 결정되며, 반응 시간이 길어질수록 과산화수소수의 농도 감소로 인해 속도는 감소하였다.
- 메탄올이 휘발한 후 오븐 (70。(2)에서 24 시간 이상 두어 접합을 하였다. 상온에서 72 시간 이상 접합 상태를 유지하는 경우 누수 방지에 효과적이었다.
- 8em;">전압은 3 V, 저항은 1 kfl 이었다. 최대 약 10 mV 크기의 신호가 Fig. 5와 같이 측정되었으며, 이로부터 빛이 PDMS 채널, 유체, ■질화 실리콘막, 그리고 글래스 기판을 지나서 포토트랜지스터로 전달되며, 비드 계수에 적용 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 직접 가열하는 경우, 전류의 공급을 조절함에 따라 산소 발생을 조절할 수 있었지만, 전류를 계속 공급해야 하고 실험 도중 히터가 단선되는 문제가 있었다. 미세 히터의 선폭 30 nm 보다 작은 크기의 산소 가스 버블(bubble)이 히터 위에 생성 되는 것이 관찰[Fig. 6(a)]되었으며, 이 방법은 미세한 크기의 가스 버블 생성에 응용될 수 있을 것으로 판단된다.
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