[논문]광 픽업 방식 형광스캐너를 이용한 미소유체 특성 분석

임빛; 김재현; 이승엽; 박정열

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.12.1102

[국내논문] 광 픽업 방식 형광스캐너를 이용한 미소유체 특성 분석
Characterization of Microfluidic Channels using DVD Pick-up Fluorescent Scanner 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.12 = no.279, 2008년, pp.1102 - 1106

임빛 (서강대학교 대학원 기계공학과) , 김재현 (서강대학교 대학원 기계공학과) , 이승엽 (서강대학교 기계공학과) , 박정열 (서강대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Microfluidics deals with the behavior, precise control and manipulation of fluids at a micro scale. It has become increasingly prevalent in various applications such as biomedical applications (diagnostics, therapeutics, and cell/tissue engineering), inkjet head, and fuel cells etc. The issue of inspection and characterization of microfluidics has emerged as a major consideration in design, fabrication, and detection of microfluidic devices. In this paper, we characterize a diffusion based mixing in Y-microchannel using a fluorescent optical scanner based on a DVD pick-up module, which is widely used in optical storages. Using fluorescent dye, we measure the fluorescent intensity that represents the mixing patterns in Y-microchannel. We also compare these experimental results with computational fluid dynamics (CFD) simulation ones. It is shown that the proposed optical scanner can be used as an alternative measurement system with high performance and cost-effectiveness, compared to conventional optical tools such as epifluorescent microscopes using high resolution CCD camera and confocal microscopes with photomultiplier (PMT) detectors.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이는 형광 강도가 인가되는 빛의 세기 및 형광물질의 양에 선형적으로 비례하게 되기 때문이다. 따라서 이러한 성질을 이용하여, 마이크로 채널 내에서 형광 세기의 구배(gradient)가 생성되도록 하고, 이러한 형광신호의 변화를 광학스캐너로 측정함으로써 마이크로 채널 내의 유동특성을 분석할 수 있는 것이다. 본 연구에서는 Cy5.
본 논문에서는 PC 나 노트북에 쓰이는 DVD 픽업 장치를 활용한 광학 스캐너를 이용하여 기존의 고가의 형광 현미경이나 공초점 현미경에 의존했던 미세 유동에 대한 분석을 수행할 수 있음을 보였다. 형광염료를 Y-자 모양의 미소 채널에 첨가하여 미소유체의 mixing 패턴을 관측하고 이에 대한 형광 신호를 정량적으로 분석하였다.
본 연구에서는 PC나 노트북 등에 장착되는 DVD 광픽업(DVD optical pick-up)에 기반한 광학스캐너를 이용하여 마이크로 채널 내의 유동 분석의 정량화가 가능함을 보인다. 선행연구로서 광학저장장치를 이용하여 DNA 칩을 검출하는 결과들이 보고 되었다.

가설 설정

USA)을 이용하여 수행함으로써 Y 채널 내의 다른 농도를 갖는 두 미소유체 사이의 농도구배를 정량적으로 표현할 수 있었다. 수치해석 시마이크로 채널 안의 유체는 비압축성 정상상태이며, 뉴톤 유체, 완전발달 유동이라고 가정하였고, 벽면의 탄성은 고려하지 않았으며, 고착 경계조건(no-slip wall condition)을 사용하여 해석하였다. 실험 시에 사용된 형광염료 Dylight 680가 주로 에스테르(ester)로 이루어져 있기 때문에, 에스테르의 확산 계수를 형광염료의 확산계수 (D = 0.

제안 방법

컴팩트디스크(CD) 기술이 기존의 DNA 스캐너 기술에 필적할만한 성능을 보일 수 있으며,⁽⁸⁾ CD disk를 이용하여 DNA 분석이 가능한 랩온어칩(lab on a chip) 시스템이 선보였다.^(9,10) 이 논문에서는 Y 형태의 마이크로 채널 내의 확산에 의한 유체 패턴의 변화를 소형이면서 저가의 상업적으로 쓰이고 있는 DVD 픽업 모듈을 사용하여^(11,12) 정량적으로 측정하고, 이를 다중물리기반의 전산유체해석을 이용하여 그 결과를 비교하고자 한다. 또한, 현재 보급되어 있는 공초점 현미경과의 성능 비교를 통해 제안된 시스템이 가격경쟁력이 있으면서도 기존의 고가 장비를 대체할 수 있음을 보인다.
650nm 파장의 적색 레이저 다이오드와 532nm의 녹색레이저 다이오드를 사용하여, 보통 형광분석에서 사용되는 Cy3과 Cy5 두 가지를 검출할 수 있도록 하였으며, 정밀한 x-y 선형 스테이지가 분석대상을 1μm의 분해능으로 제어할 수 있도록 되어 있다.
, USA)을 사용하여 형광분석을 수행하였다. 광전자 증배관을 통한 형광신호의 분석은 이미지 데이터를 이용하여 Image J (NIH, USA) 프로그램을 사용하여 그 세기를 정량적으로 분석하였다. 마이크로 실린지 펌프는 유량/유속을 모두 제어할 수 있는 정밀한 New Era Pump Systems사의 NE-1000 제품을 사용하였다.
광학 스캐너를 이용한 미소유체의 유동 분석을 위하여 소프트 리소그래피(soft lithography)를 이용하여 제작하였다. Fig.
2는 Y 채널과 마이크로 채널 제작과정의 개략도를 보여준다. 먼저, CAD 프로그램을 이용하여, 마이크로 채널을 설계하고, 이를 필름형태의 마스크로 제작한다. 음성감광제인 SU-8 (MicroChem Inc.
따라서 이러한 성질을 이용하여, 마이크로 채널 내에서 형광 세기의 구배(gradient)가 생성되도록 하고, 이러한 형광신호의 변화를 광학스캐너로 측정함으로써 마이크로 채널 내의 유동특성을 분석할 수 있는 것이다. 본 연구에서는 Cy5.5에 해당하는 Dylight 680 (Thermo Fisher Scientific Inc., USA)을 사용하여 형광분석을 수행하였다. 광전자 증배관을 통한 형광신호의 분석은 이미지 데이터를 이용하여 Image J (NIH, USA) 프로그램을 사용하여 그 세기를 정량적으로 분석하였다.
실험 시에 사용된 형광염료 Dylight 680가 주로 에스테르(ester)로 이루어져 있기 때문에, 에스테르의 확산 계수를 형광염료의 확산계수 (D = 0.84×10-5cm2/s) 로 사용하여 농도구배를 구하였다.
앞 절에서 소개된 광학스캐너에 제작된 미소유체 시스템을 장착한 후, 형광 염료를 마이크로 실린지 펌프를 사용하여 마이크로 채널 내에 흘려주어, 채널내의 mixing 패턴을 분석한다. 광학 스캐너는 데이터가 있고 없는 1과 0으로만 분석하는 것이 아니라 형광농도에 따른 강도의 세기 변화 또한 측정이 가능하다.
앞 절에서 제작된 Y-채널 (폭 500 μm, 높이 50μm 길이 30 mm)을 이용하여, 한쪽에는 Dylight 680 형광염료를 흘려주고 다른 한쪽에는 DI water를 같은 속도로 흘려주어 섞임 구간에서 두 유체가 만나 확산에 의한 혼합이 이루어 지도록 하였다.
먼저, CAD 프로그램을 이용하여, 마이크로 채널을 설계하고, 이를 필름형태의 마스크로 제작한다. 음성감광제인 SU-8 (MicroChem Inc. USA) 을 실리콘 웨이퍼에 스핀코팅한 후에 오븐을 이용하여 소프트 베이킹하였다. 그리고, SU-8 층에 UV 노광(expose) 후에 후감광베이킹(post exposure baking)한 후 현상용액(developer)에 담궈서, UV에 노광되지 않은 SU-8을 식각한 후에, 이소프로필 알코올(isoprophyl alcohol, IPA)을 사용하여 세척한다.
이를 10μm 의 해상도로 전체적인 윤곽을 검출하고 혼합이 이루어 지는 영역에 1μm의 해상도로 확대해서 검출 하였다.
제안된 광학 스캐너의 성능이 기존 미소유체시스템의 형광분석에서 사용되는 형광 현미경 또는 공초점 현미경의 성능과 비교될 수 있는지 검증하기 위해서, 레이저 발광 방식이며, 본 연구에서 사용하는 광전자 증배관과 동일한 회사제품(Hamamatsu)을 사용하는 공초점 현미경(Carl Zeiss, German)과의 성능비교를 하였다. 일반적으로 두 광학 시스템의 비교는 광학배율의 차이, 광경로의 차이, 핀홀(pinhole)의 존재유무 등에 의해 직접적인 성능 비교는 어려우나, 본 연구에서는 성능의 수치적 비교를 위해, 새로운 성능지수(quality factor)를 다음과 같이 정의하고 두 장치의 성능을 산술적으로 비교해 보았다
실험 결과와 시뮬레이션의 비교에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 제안된 DVD 광픽업 방식의 광학스캐너가 미소유체의 패턴 및 유동의 정량적 분석에 적용될 수 있음을 보였다. 제안된 광학 스캐너의 성능이 기존 미소유체시스템의 형광분석에서 사용되는 형광 현미경 또는 공초점 현미경의 성능과 비교될 수 있는지 검증하기 위해서, 레이저 발광 방식이며, 본 연구에서 사용하는 광전자 증배관과 동일한 회사제품(Hamamatsu)을 사용하는 공초점 현미경(Carl Zeiss, German)과의 성능비교를 하였다. 일반적으로 두 광학 시스템의 비교는 광학배율의 차이, 광경로의 차이, 핀홀(pinhole)의 존재유무 등에 의해 직접적인 성능 비교는 어려우나, 본 연구에서는 성능의 수치적 비교를 위해, 새로운 성능지수(quality factor)를 다음과 같이 정의하고 두 장치의 성능을 산술적으로 비교해 보았다
그리고, SU-8 층에 UV 노광(expose) 후에 후감광베이킹(post exposure baking)한 후 현상용액(developer)에 담궈서, UV에 노광되지 않은 SU-8을 식각한 후에, 이소프로필 알코올(isoprophyl alcohol, IPA)을 사용하여 세척한다. 제작된 SU-8이 올려져 있는 실리콘 웨이퍼 위에 윤활제(tridecafluoro)를 진공 도포한 후에 Polydimethylsiloxane(PDMS)와 경화제를 10:1로 혼합한 후에 SU8 몰드 위에 도포하였다. PDMS가 도포된 몰드를베이킹 한 후, 몰드와 PDMS를 분리하였다.
본 논문에서는 PC 나 노트북에 쓰이는 DVD 픽업 장치를 활용한 광학 스캐너를 이용하여 기존의 고가의 형광 현미경이나 공초점 현미경에 의존했던 미세 유동에 대한 분석을 수행할 수 있음을 보였다. 형광염료를 Y-자 모양의 미소 채널에 첨가하여 미소유체의 mixing 패턴을 관측하고 이에 대한 형광 신호를 정량적으로 분석하였다. 이 결과를 다중물리기반의 전산유체해석을 통한 수치적 결과와의 비교를 통해 신뢰성 있는 형광 분석결과 임을 검증하였다.

대상 데이터

광전자 증배관을 통한 형광신호의 분석은 이미지 데이터를 이용하여 Image J (NIH, USA) 프로그램을 사용하여 그 세기를 정량적으로 분석하였다. 마이크로 실린지 펌프는 유량/유속을 모두 제어할 수 있는 정밀한 New Era Pump Systems사의 NE-1000 제품을 사용하였다.

데이터처리

형광염료를 Y-자 모양의 미소 채널에 첨가하여 미소유체의 mixing 패턴을 관측하고 이에 대한 형광 신호를 정량적으로 분석하였다. 이 결과를 다중물리기반의 전산유체해석을 통한 수치적 결과와의 비교를 통해 신뢰성 있는 형광 분석결과 임을 검증하였다. 또한 상용화 되어 있는 공초점 현미경과의 성능 비교를 위해 성능지수 (Q = NA ×Sensitivity)를 도입하여 제안된 광학 스캐너가 형광 검출결과에 있어서 가격경쟁력이 있으면서 기존 시스템을 대체할만한 성능을 갖고 있음을 보였다.

성능/효과

또한 상용화 되어 있는 공초점 현미경과의 성능 비교를 위해 성능지수 (Q = NA ×Sensitivity)를 도입하여 제안된 광학 스캐너가 형광 검출결과에 있어서 가격경쟁력이 있으면서 기존 시스템을 대체할만한 성능을 갖고 있음을 보였다.
^(9,10) 이 논문에서는 Y 형태의 마이크로 채널 내의 확산에 의한 유체 패턴의 변화를 소형이면서 저가의 상업적으로 쓰이고 있는 DVD 픽업 모듈을 사용하여^(11,12) 정량적으로 측정하고, 이를 다중물리기반의 전산유체해석을 이용하여 그 결과를 비교하고자 한다. 또한, 현재 보급되어 있는 공초점 현미경과의 성능 비교를 통해 제안된 시스템이 가격경쟁력이 있으면서도 기존의 고가 장비를 대체할 수 있음을 보인다.
층류유동 기반의 미소유체에서의 확산문제는 이론적으로나 실험적으로 잘 알려진 문제로서, 특히 두 가지 다른 농도의 미소유체를 Y 채널에 인가하였을 때 채널 내 두 유체의 경계면에서 확산효과에만 의존한 mixing 패턴에 대한 연구는 그 대표적인 사례이다. 본 연구에서는 Navier-Stokes 방정식과 convection-diffusion 방정식에 기반한 농도확산 효과를 동시에 고려한 다중물리 수치해석을 FEM Lab(Comsol Inc. USA)을 이용하여 수행함으로써 Y 채널 내의 다른 농도를 갖는 두 미소유체 사이의 농도구배를 정량적으로 표현할 수 있었다. 수치해석 시마이크로 채널 안의 유체는 비압축성 정상상태이며, 뉴톤 유체, 완전발달 유동이라고 가정하였고, 벽면의 탄성은 고려하지 않았으며, 고착 경계조건(no-slip wall condition)을 사용하여 해석하였다.
실험 결과와 시뮬레이션의 비교에서 볼 수 있듯이 본 연구에서 제안된 DVD 광픽업 방식의 광학스캐너가 미소유체의 패턴 및 유동의 정량적 분석에 적용될 수 있음을 보였다. 제안된 광학 스캐너의 성능이 기존 미소유체시스템의 형광분석에서 사용되는 형광 현미경 또는 공초점 현미경의 성능과 비교될 수 있는지 검증하기 위해서, 레이저 발광 방식이며, 본 연구에서 사용하는 광전자 증배관과 동일한 회사제품(Hamamatsu)을 사용하는 공초점 현미경(Carl Zeiss, German)과의 성능비교를 하였다.
이러한 수치적인 농도 구배와 실험상에서 구현한 Y 채널에서의 형광세기에 대한 구배가 일치하는 결과를 보임으로써, 제안된 형광스캐너를 사용하면, 마이크로 채널 내에서의 mixing 패턴을 정량적으로 표현할 수 있음을 보였다.

후속연구

와 같은 산업계에도 많이 응용되고 있다. 미소유체시스템은 작은 크기로 인해적은 시료(analyte)의 소모 및 제작비용의 절감, 빠른 응답시간과 같은 장점을 지니고 있어서,⁽⁶⁾ 앞으로도 계속적인 연구가 이루어지리라 예상된다. 이러한 미소유체시스템에 있어서, 미소유체의 정량적인 측정이 설계, 제작 및 검출에 있어서 중요한 변수가 된다.
또한 상용화 되어 있는 공초점 현미경과의 성능 비교를 위해 성능지수 (Q = NA ×Sensitivity)를 도입하여 제안된 광학 스캐너가 형광 검출결과에 있어서 가격경쟁력이 있으면서 기존 시스템을 대체할만한 성능을 갖고 있음을 보였다. 이러한 시스템은 차후 차세대 광학저장장치인 블루레이(Blu-ray)나 HD-DVD 등이 상용화 된다면 이를 적용하여 나노급의 형광 분석이 가능해지리라 예상된다. 제안된 시스템은 차후 flow cytometry, particle image velocimetry (PIV), 단백질 형광분석 등의 미소유체 응용분야에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 레이저의 반사를 이용한 미소 구조물의 위상 분석에도 응용될 수 있다.
이러한 시스템은 차후 차세대 광학저장장치인 블루레이(Blu-ray)나 HD-DVD 등이 상용화 된다면 이를 적용하여 나노급의 형광 분석이 가능해지리라 예상된다. 제안된 시스템은 차후 flow cytometry, particle image velocimetry (PIV), 단백질 형광분석 등의 미소유체 응용분야에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 레이저의 반사를 이용한 미소 구조물의 위상 분석에도 응용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 제안된 DVD 광픽업을 이용한 광학 스캐너가 형광농도에 따른 강도의 세기 변화 또한 측정이 가능한 이유는 무엇인가?	광학 스캐너는 데이터가 있고 없는 1 과 0 으로만 분석하는 것이 아니라 형광농도에 따른 강도의 세기 변화 또한 측정이 가능하다. 이는 형광 강도가 인가되는 빛의 세기 및 형광물질의 양에 선형적으로 비례하게 되기 때문이다. 따라서 이러한 성질을 이용하여, 마이크로 채널 내에서 형광 세기의 구배(gradient)가 생성되도록 하고, 이러한 형광신호의 변화를 광학스캐너로 측정함으로써 마이크로 채널 내의 유동특성을 분석할 수 있는 것이다.
	미소유체시스템의 장점은 무엇인가?	미소유체시스템(microfludics)은 진단(diagnostics), 치료(therapeutics), 세포 및 조직공학(cell/tissue engineering)과 같은 의공학 응용(1~3) 외에도 잉크젯 헤드,(4) 연료전지(5)와 같은 산업계에도 많이 응용되고 있다. 미소유체시스템은 작은 크기로 인해적은 시료(analyte)의 소모 및 제작비용의 절감, 빠른 응답시간과 같은 장점을 지니고 있어서,(6) 앞으로도 계속적인 연구가 이루어지리라 예상된다. 이러한 미소유체시스템에 있어서, 미소유체의 정량적인 측정이 설계, 제작 및 검출에 있어서 중요한 변수가 된다.
	미소유체시스템은 어디에 응용되고 있는가?	미소유체시스템(microfludics)은 진단(diagnostics), 치료(therapeutics), 세포 및 조직공학(cell/tissue engineering)과 같은 의공학 응용(1~3) 외에도 잉크젯 헤드,(4) 연료전지(5)와 같은 산업계에도 많이 응용되고 있다. 미소유체시스템은 작은 크기로 인해적은 시료(analyte)의 소모 및 제작비용의 절감, 빠른 응답시간과 같은 장점을 지니고 있어서,(6) 앞으로도 계속적인 연구가 이루어지리라 예상된다.

참고문헌 (12)

Brivio, M., Verboom, W. and Reinhoudt, D. N., 2006, "Miniaturized continuous flow reaction vessels: influence on chemical reactions," Lab on a Chip, Vol. 6, pp. 329-344

상세보기
Dittrich, P. S. and Manz, A., 2006, "Lab-on-a-chip: microfluidics in drug discovery," Nature Reviews Drug Discovery, Vol. 5, pp. 210-218

상세보기
Reyes, D. R., Iossifidis, D., Auroux, P.-A. and Manz, A., 2002, "Micro Total Analysis Systems. 1. Introduction,Theory, and Technology," Analytical Chemistry, Vol. 74, pp. 2623-2636

상세보기
Petersen, K. E., 1979, "Fabrication of an integrated, planar silicon ink-jet structure," IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-26, pp. 1918-1920

상세보기
Yamazaki, Y., 2004, "Application of MEMS technology to micro fuel cells," Electrochimica Acta, Vol. 50, pp. 663？666

상세보기
Becker, H. and Locascio, L. E., 2002, "Polymer microfluidic devices," Talanta, Vol. 56, pp. 267-287

상세보기
Kuswandi, B., Nuriman, Huskens, J. and Verboom, W., 2007, "Optical sensing systems for microfluidic devices: A review," Analytica Chimica Acta, Vol. 601, pp. 141？155

상세보기
Perraut, F., Lagrange, A., Poteau, P., Peyssonneaux, O., Puget, P., McGall, G., Menou, L., Gonzalez, R., Labeye, P. and Ginot, F., 2002, "A new generation of scanners for DNA chips," Biosensors & Bioelectronics, Vol. 17, pp. 803-813

상세보기
Matsuim T. and Shimonura, T., 2006, "DVD opticalhead with fluorescent detection," Optical data storage topical meeting, pp. 103-105
Kido, H., Maquieira, A. and Hammock, B. D., 2000, "Disc-based immunoassay microarrays," Analytica Chimica Acta, Vol. 411, pp. 1-11

상세보기
Kim, K., Lee, S.-Y., Lee, S. H., Kim, S. and Jeong, S. G.., 2007, "A new DNA chip detection mechanism using optical pick-up actuator," Microsystem Technologies, Vol. 13, pp. 1359-1369

상세보기
Kim, K., Lee, S.-Y., Kim, S. and Jeong, S. G.., 2008, " DNA microarray scanner with a DVD pick-up head," Current Applied Physics, Vol. 8, pp. 687-691

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증