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문제 정의
- 본 논문을 통해 PDMS 미세유체 칩 위에 발광 레이저빔을 마이크로채널에 집광하여 작은 검출 체적을 갖게끔 하는 PDMS 마이크로렌즈를 집적화하였다. 이는 그림 1과 같이 레이저를 이용한 다양한 광학 검출 시스템에 적용 가능하다.
- 박사께 고마움을 표시하고자 합니다. 설계 및 공정에 많은 도움을 준 정용원 박사과 김진석 박사에게 고마움을 표시하고자 합니다.
- 측정에 많은 도움을 준 서울대학교 자연과학대학 화학부 BioAnalytical Chemistry Lab의 정두수 교수님과 최기환 박사께 고마움을 표시하고자 합니다. 설계 및 공정에 많은 도움을 준 정용원 박사과 김진석 박사에게 고마움을 표시하고자 합니다.
제안 방법
- 58 印n의 높이를 갖는 마이크로렌즈를 위해 33 /jm의 높이를 갖는 포토레지스트 패턴을 AZ-4620을 이용하여 제작하였으며, 핫플레이트를 이용해 180℃ 에서 60초 동안 리플로우하여 그림 3과 같은 프로파일을 갖는 포토레지스트 몰드를 얻을 수 있었다.
- PDMS 마이크로렌즈는 PDMS 몰드를 이용해 복제 몰딩되었으며, PDMS 몰드는 리플로우를 통해 제작된 포토레지스트 몰드를 이용해 제작되었다. 포토레지스트 리플로우를 통한 마이크로렌즈 제작은 열을 받은 포토레지스트가 표면장력에 의해 구면형태를 갖게 되는 원리를 이용한 방법으로, 간단하고 저렴하여 일반적으로 많이 이용된다国 이때 마이크로렌즈의 초점거리는 포토레지스트 패턴의 높이로 쉽게 조절 가능하다図
- 또한 PDMS 마이크로렌즈를 이용함으로써 기존의 PDMS 미세유체 칩에 쉽게 집적하여 사용 가능하며, 광학적인 특성이 우수하여 광을 이용한 다양한 응용에 사용 가능할 것으로 기대된다. PDMS 마이크로렌즈의 효율은 적혈구를 이용하여 광 산란 검출 방식을 통한 세포 검출 실험을 통해 검증하였다. 마이크로렌즈를 이용하여 검출 신호 세기가 배경 신호보다 뚜렷히 나타났으며, 신호대잡음비의 향상을 얻을 수 있었다.
- PDMS 미세유체 칩을 도립현미경 위에 올려놓고, 레이저는 488 nm 파장을 갖는 아르곤 레이저를 사용하였으며, 광증배관을 이용하여 광 산란 세기를 측정하였다. 광증배관은 2차 방출 전자를 증폭시켜 빠른 응답속도로 높은 감도를 가지며 광 세기를 측정할 수 있는 장치이다.
- 레이저 광 산란 등 광학적 검출방식을 이용한 세포검출을 위한 PDMS 마이크로렌즈를 포토레지스트 리플로우 및 PDMS 몰딩 기술을 이용하여 성공적으로 제작하였다. PDMS 마이크로렌즈는 750 印n 지름, 4 mm 초점거리를 가지며, PDMS 미세유체 칩 위에 간단히 정렬 부착하여 사용 가능하다.
- 2 mm의 곡률반경, 750 四1의 지름, 58 “m의 높이의 PDMS 마이크로렌즈를 설계하였다. 마이크로렌즈의 초점거리는 집적하려는 미세유체 칩과 마이크로렌즈 기판의 두께의 합, 즉 마이크로렌즈에서 채널까지의 거리인 4 mm를 감안하였으며, 마이크로렌즈의 지름은 핀홀을 통해 입사되는 레이저의 직경 사이즈인 0.5 mm 를 감안하여 설계하였다.
- 마지막으로 PDMS 몰드를 이용해 볼록한 형상의 최종 PDMS 마이크로렌즈를 제작하였다. PDMS 몰드를 제작했던 방식대로 진행되었으며, 이때 이미 경화된 PDMS와 액상의 PDMS 사이에는 결합이 일어나지 않기 때문에 PDMS 몰드로부터 최종 PDMS 마이크로렌즈를 떼어낼 수 있다.
- 미세유체 칩 및 마이크로렌즈의 제작방법은 마이크로렌즈를 통한 레이저 형광 여기 검출 효과 향상을 보인 이전 연구 결과에서 소개한 바 있다田 488 nm 파장의 레이저를 4 mm 초점거리를 가지며 채널 내에 집광되게끔 1.2 mm의 곡률반경, 750 四1의 지름, 58 “m의 높이의 PDMS 마이크로렌즈를 설계하였다. 마이크로렌즈의 초점거리는 집적하려는 미세유체 칩과 마이크로렌즈 기판의 두께의 합, 즉 마이크로렌즈에서 채널까지의 거리인 4 mm를 감안하였으며, 마이크로렌즈의 지름은 핀홀을 통해 입사되는 레이저의 직경 사이즈인 0.
- 시린지 펌프 (Harvard Apparatus)를 통해 샘플을 일정 속도로 주입하였으며, 시린지펌프의 속도와 샘플 농도를 조절하여 초당 2개 정도의 샘플주파수를 갖게끔 하였다.
- 이어서 포토레지스트 몰드를 이용해 오목한 형상의 PDMS 몰드를 제작하였다. PDMS로는 Dow Coming Sylgard 184 silicone을 사용하였으며, PDMS는 공정이 쉽고 전이 시 치수 정확도가 정확하다.
- 중요한 역할을 한다. 제작된 PDMS 마이크로렌즈의 효율을 검증하기 위하여 마이크로렌즈의 유무에 따른 채널에서의 검출 성능을 실험을 통해 확인하였다. 세포 검출 장치 설치는 그림 6에 보이는 바와 같다.
- 제작된 미세유체 칩 위에 제작한 PDMS 마이크로렌즈를 간단히 올려놓아 사용할 수 있게끔 평면 볼록렌즈로 설계하였다.
대상 데이터
- 몰드를 제작하였다. PDMS로는 Dow Coming Sylgard 184 silicone을 사용하였으며, PDMS는 공정이 쉽고 전이 시 치수 정확도가 정확하다. PDMS 몰드는 주제와 경화제를 질량비 10:1로 혼합하고 10, 000 Pa 진공챔버에서 기포를 제거한 후 포토레지스트 마이크로렌즈 패턴이 있는 실리콘 웨이퍼에 붓고 경화 후 떼어내어 제작되었다.
- 미세유체 칩은 일반적인 T-채널 형태로 제작하였으며, 채널의 깊이, 길이, 너비는 각각 30 /m, 35 mm, 100 “m이다. 제작된 미세유체 칩 위에 제작한 PDMS 마이크로렌즈를 간단히 올려놓아 사용할 수 있게끔 평면 볼록렌즈로 설계하였다.
- 세포 샘플로는 적혈구를 사용하였다. 적혈구는 채혈 후 반복 원심분리를 통해 분리하였으며 인산완충식염수(phosphate buffered saline) 용액에 희석하여 사용하였다.
이론/모형
- 이 방식은 임상혈액진단, 세균 분석 및 임상의학 등 생물의학 및 산업용으로 널리 사용되고 있다[3]. 광학 유세포분석 검출 방식은 레이저 형광 여기법과 레이저 광 산란 효과를 이용한다. 각각의 세포 또는 입자들이 레이저빔을 통과할 때 발생되는 형광 또는 산란 신호를 기록하게 된다.
성능/효과
- 이는 그림 1과 같이 레이저를 이용한 다양한 광학 검출 시스템에 적용 가능하다. PDMS 마이크로렌즈는 재사용 가능하며, PDMS 미세유체 칩 위에 집적화되어 레이저 광원과 검출기의 정렬을 손쉽게 할 수 있게 도와주며, 레이저 광 산란 검출 방식의 감도를 증가시켜 준다.
- 측정한 결과를 그림 5에서 볼 수 있다. 각각의 곡률반경이 1.2 mm와 1.23 mm로 우수한 치수 정확도를 가지며 제작되었음을 확인할 수 있다.
- 통해 제작되었다. 마이크로렌즈를 위해 PDMS를 사용하였으며, PDMS는 유연한 폴리머로 광학 특성이 좋으며, 가격이 저렴하고, 계면자유에너지가 낮아 몰딩이 용이하며, 표면 처리가 쉽고 PDMS 칩과의 접합력이 좋다는 장점을 가지고 있다.
- PDMS 마이크로렌즈의 효율은 적혈구를 이용하여 광 산란 검출 방식을 통한 세포 검출 실험을 통해 검증하였다. 마이크로렌즈를 이용하여 검출 신호 세기가 배경 신호보다 뚜렷히 나타났으며, 신호대잡음비의 향상을 얻을 수 있었다. 소개된 PDMS 제작방법 및 웅용을 통해 쉬운 광학 장치 정렬, 높은 신호 세기 및 높은 신호대잡음비 등의 이점을 얻을 수 있었다.
- 마이크로렌즈를 이용하여 검출 신호 세기가 배경 신호보다 뚜렷히 나타났으며, 신호대잡음비의 향상을 얻을 수 있었다. 소개된 PDMS 제작방법 및 웅용을 통해 쉬운 광학 장치 정렬, 높은 신호 세기 및 높은 신호대잡음비 등의 이점을 얻을 수 있었다. 더 나아가 미세광학 구성요소가 집적화된 랩온어칩 시스템에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 그러나 이때 적혈구의 모양은 정확히 구형이 아니며, 샘플이 채널의 중앙에 정확히 흐르지 않기 때문에, 검출 신호로부터 세포의 크기를 정확히 판정하기는 어려우며 신호 세기가 불규칙하다. 하지만, 본 실험을 통해 제작된 마이크로렌즈의 이용만으로 간단히 레이저를 집광하여 검출 신호를 크게 향상시켜 감도 및 신호대잡음비를 높일 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 기존에 제작되어 있는 PDMS 미세유체 칩 위에 간편히 올려놓음으로써 레이저 정렬 및 집광이 되어 검출성능을 향상시킬 수 있는 PDMS 마이크로렌즈를 제작하였으며, 광학적 검출 방식을 이용한 시스템의 칩에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 보인다. 실제 적혈구를 채널을 통해 흘리고, 형광 물질 표면 처리 등이 필요 없이 단순히 레이저 산란 세기를 측정하여 검출이 가능하며, 이에 마이크로렌즈의 응용 가능성을 보였다.
- 소개된 PDMS 제작방법 및 웅용을 통해 쉬운 광학 장치 정렬, 높은 신호 세기 및 높은 신호대잡음비 등의 이점을 얻을 수 있었다. 더 나아가 미세광학 구성요소가 집적화된 랩온어칩 시스템에 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 마이크로렌즈의 초점거리는 포토레지스트 패턴의 높이를 통해 쉽게 조절 가능하며, PDMS 몰딩 기술을 통해 높은 치수 정확도를 갖게끔 쉽게 제작 가능하다. 또한 PDMS 마이크로렌즈를 이용함으로써 기존의 PDMS 미세유체 칩에 쉽게 집적하여 사용 가능하며, 광학적인 특성이 우수하여 광을 이용한 다양한 응용에 사용 가능할 것으로 기대된다. PDMS 마이크로렌즈의 효율은 적혈구를 이용하여 광 산란 검출 방식을 통한 세포 검출 실험을 통해 검증하였다.
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