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문제 정의
- 효과적인 액적의 합류는 합류 챔버 내에서 액적의 유속이 큰 폭으로 감소하거나 정체할수록 유리하다. 따라서 액적 주변을 흐르는 유체의 압력을 조절하기 위해 미세기둥의 개수에 따른 영향을 살펴보았다. 식 (1)에서 알 수 있듯이 미세기둥의 개수 n이 증가할수록 액적 주변을 흐르는 유체의 압력 ΔPH는 감소한다.
- 본 연구에서는 보다 효과적인 액적의 합류를 이루기 위해서 합류 챔버의 구조에 대하여 연구를 하였다. 미세밸브(microvalve) 시스템을 도입하여 액적의 부피, 생성되는 시간, 액적을 구성하는 샘플의 종류를 프로그램화하여 조작했을 뿐만 아니라, 한 미세유체 칩 내부에서 구조가 서로 다른 4개의 합류 챔버를 개별적으로 스크리닝(screening)하였다.
- 인접한 액적 간에 더 효과적인 합류를 수행하기 위해서 합류 챔버의 구조에 대한 연구를 수행하였다. 액적 간의 합류에 크게 영향을 주는 두 가지 요소는 액적 주변의 유체의 압력과 액적 내부 라플라스 압력의 차이의 경쟁관계로서, 액적 주변의 유체의 압력보다 액적 내부 라플라스 압력이 더 클 때에는 액적의 유속이 급격히 감소하거나 정체하는 경향을 보였고, 이와 반대의 경우에는 액적의 모양이 변형되어 합류 챔버를 빠져나가는 경향을 보임을 식과 실험을 통해 증명하였다.
제안 방법
- 3). 각각의 조건에서 액적의 이동거리를 0.3초 간격으로 추적(tracking)하여 액적의 유속의 감속, 정체 현상을 관찰하였다. 액적은 주 유로를 따라 36 μL/min의 유속으로 흘러오다가 합류 챔버에 진입함에 따라 급격히 감소한다.
- 본 연구에서 사용된 미세유체 칩은 정밀한 유체 조작 및 자동화를 위하여 미세밸브기술이 사용된다. 따라서 본 미세유체 칩은 유체가 흐르는 유체층과 유체의 흐름을 미세밸브를 이용하여 조작하는 조작층, 두 층으로 구성된다(Fig. 1A). 미세유체 칩의 제작 과정상 미세 밸브가 위치한 두 층의 미세유로 사이에는 10 μm의 얇은 막이 형성된다.
- 액적 간의 합류에 크게 영향을 주는 두 가지 요소는 액적 주변의 유체의 압력과 액적 내부 라플라스 압력의 차이의 경쟁관계로서, 액적 주변의 유체의 압력보다 액적 내부 라플라스 압력이 더 클 때에는 액적의 유속이 급격히 감소하거나 정체하는 경향을 보였고, 이와 반대의 경우에는 액적의 모양이 변형되어 합류 챔버를 빠져나가는 경향을 보임을 식과 실험을 통해 증명하였다. 먼저 액적 주변의 유체의 압력을 조정하기 위해서 미세기둥의 개수에 대한 고찰을 했으며, 액적 내부의 라플라스 압력의 차를 조정하기 위해서 미세기둥 간에 이루고 있는 각도에 대한 고찰을 하였다. 액적의 유속을 급격히 감속시키는 것에는 미세기둥 간에 개수가 각도보다 더 큰 영향을 주었으며, 액적의 정체를 이루기 위해서는 미세기둥 간의 각도가 더 큰 영향을 주었음을 입증하였다.
- 본 연구에서는 보다 효과적인 액적의 합류를 이루기 위해서 합류 챔버의 구조에 대하여 연구를 하였다. 미세밸브(microvalve) 시스템을 도입하여 액적의 부피, 생성되는 시간, 액적을 구성하는 샘플의 종류를 프로그램화하여 조작했을 뿐만 아니라, 한 미세유체 칩 내부에서 구조가 서로 다른 4개의 합류 챔버를 개별적으로 스크리닝(screening)하였다. 합류 챔버 내 미세기둥의 구조 및 배치를 변경함으로써 액적 주변을 흐르는 유체의 압력과, 액적 내부 라플라스(Laplace) 압력을 조정했고 이를 통하여 성공적으로 액적의 정체 및 합류를 이룰 수 있다.
- 액적 내부의 라플라스 압력이 주변을 흐르는 유체의 압력보다 크게 되면 액적은 미세기둥 구조 사이에서 감속 또는 정체하고, 액적 내부의 라플라스 압력이 주변을 흐르는 유체의 압력보다 작아지면 액적은 모양이 변형되어 미세기둥 구조 사이를 빠져나간다. 본 연구에서는 보다 효과적인 합류를 위하여 미세기둥의 개수와 미세기둥 상호간에 위치한 각도를 바꿔줌으로써 액적 주변을 흐르는 유체의 압력과, 액적 내부 라플라스 압력을 조절했고, 그에 대한 영향을 살펴보았다(Fig. 2B).
- 실험을 통해 얻은 조건들 중 7개의 미세기둥 개수를 갖고 일정하게 미세기둥 간의 각도 7.5°로 형성된 디자인과, 미세기둥 간의 각도가 0º 이나 맨 끝에 급격한 각도 차이를 주어 목을 형성시킨 디자인에서 증류수와 검정 잉크 솔루션을 이용하여 액적 간의 합류 실험을 수행했다(Fig. 5).
- 따라서 시스템의 처리량과 효율적인 합류를 위해서는 액적을 정체시켜 체류시간과 독립적으로 조작할 수 있어야 한다. 앞선 실험에서는 미세기둥의 개수로 액적 주변을 흐르는 유체의 압력을 조정했다면, Fig. 4의 실험에서는 미세기둥의 개수를 7개로 유지한 채 미세기둥의 각도 및 배치를 조정하여 액적 내부의 라플라스 압력을 상승시키고 미세기둥 구조 내부에서 정체시켜 보고자 하였다. 식 (2)에서 알 수 있듯, 미세기둥 구조간의 각도가 0º에서 20º사이의 범위에서는 각도가 증가할수록 액적 내부의 라플라스 압력이 상승한다.
- 액적 내부의 라플라스 압력을 일정하게 유지시켜주기 위하여 액적의 부피는 40 pL, 미세기둥들 간의 각도를 10º로 고정시킨 채 각 열의 미세기둥의 개수를 5, 6, 7개로 증가시켰다 (Fig. 3).
- 여러 구조를 띈 합류 챔버의 디자인 중 액적 간의 합류 효율이 가장 높은 디자인을 스크리닝 해내었고, 더 나아가 미세유체 시스템 기반의 합류 챔버에서 생물학적 실험이 수행 가능함을 입증하기 위하여 효소실험을 수행하였다(Fig. 6). Fluorescein di(β-D-Galactopyranoside) (FDG) solution은 PBS 버퍼에 150 mM을 사용하였고, β-Galactosidase는 PBS 버퍼에 400 unit/ml로 사용되었다.
- 5). 증류수와 검정 잉크를 2초의 간격으로 액적을 생성하여 지정된 합류 챔버로 이동시킨 후 액적 간의 합류가 일어나는지 관측하였다. 평균 유속 따라 24 μL/min의 조건에서 7.
- 본 논문의 광학 및 형광 이미지는 형광 현미경(Nikon eclipse TE2000-u, Nikon, Japan)과 CCD 카메라(Coolsnap, Roper Science, USA)로 촬영되었다. 촬영된 이미지는 Image-pro plus(Media cybernetics, CA, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 평균 유속 따라 24 μL/min의 조건에서 7.5º의 각도를 갖은 디자인에서는 체류시간이 2.6초이므로 액적 간 생성하는 간격을 0.5초에서 2.5초까지 0.5초 단위로 체류시간 보다 짧게 설정하여 실험하였다.
대상 데이터
- 각 층의 마스터 몰드는 실리콘 웨이퍼와 SU-8으로 전형적인 포토리소그래피공정을 이용하여 15 μm 높이로 제작한다.
- 미세유체 칩을 제작하기 위하여 SU-8 3025 감광제와 현상제 용액은 Microchem(MA, USA)에서 구매했고 Poly(dimethylsiloxane)(PDMS)은 Dow Corning sylgard 184를 구입하여 사용하였다. 액적을 형성하기 위하여 연속상인 Mineral oil, Sorbitan mono-oleate(Span 80)은 Sigma-Aldrich chemicals(MO, USA)에서 구매했고 분산상으로는 증류수와 검정 잉크(Peace, Korea)를 사용하였다.
- 질소 가스의 압력은 레귤레이터를 통하여 조정한다. 본 논문에서는 연속상, 분산상, 미세밸브가 각각 0.15 MPa, 0.075 MPa, 0.6 MPa의 압력이 사용된다.
- 본 논문의 광학 및 형광 이미지는 형광 현미경(Nikon eclipse TE2000-u, Nikon, Japan)과 CCD 카메라(Coolsnap, Roper Science, USA)로 촬영되었다. 촬영된 이미지는 Image-pro plus(Media cybernetics, CA, USA)를 이용하여 분석하였다.
- 미세유체 칩은 전형적인 다중층 소프트리소그래피(multilayer softlithography) 기술을 통하여 제작한다. 본 연구에서 사용된 미세유체 칩은 유체가 흐르는 유체 층, 유체의 흐름을 미세밸브를 이용하여 조작하는 조작 층으로 총 2층으로 구성된다. 각 층의 마스터 몰드는 실리콘 웨이퍼와 SU-8으로 전형적인 포토리소그래피공정을 이용하여 15 μm 높이로 제작한다.
- 액적의 부피는 액적 생성 밸브가 여닫히는 시간으로 조작하며, 인접한 액적들 사이의 거리는 액적 생성 밸브의 작동 대기시간으로 조작한다[22]. 본 연구에서는 액적을 형성하기 위하여 연속상으로 0.5 wt% Span 80이 함유된 미네랄 오일(mineral oil)과 분산상으로 수용액 샘플들을 사용하였다.
- 미세유체 칩을 제작하기 위하여 SU-8 3025 감광제와 현상제 용액은 Microchem(MA, USA)에서 구매했고 Poly(dimethylsiloxane)(PDMS)은 Dow Corning sylgard 184를 구입하여 사용하였다. 액적을 형성하기 위하여 연속상인 Mineral oil, Sorbitan mono-oleate(Span 80)은 Sigma-Aldrich chemicals(MO, USA)에서 구매했고 분산상으로는 증류수와 검정 잉크(Peace, Korea)를 사용하였다. 효소 반응을 위해서 Fluorescein di(β-D-Galactopyranoside)(FDG)와 β-Galactosidase는 Sigma-Aldrich chemicals(MO, USA)에서 구매하였다.
- 효소 반응을 위해서 Fluorescein di(β-D-Galactopyranoside)(FDG)와 β-Galactosidase는 Sigma-Aldrich chemicals(MO, USA)에서 구매하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 미세유체 칩은 정밀한 유체 조작 및 자동화를 위하여 미세밸브기술이 사용된다. 따라서 본 미세유체 칩은 유체가 흐르는 유체층과 유체의 흐름을 미세밸브를 이용하여 조작하는 조작층, 두 층으로 구성된다(Fig.
성능/효과
- 각도가 7.5º인 조건과 같이 체류시간에 의존한 합류의 경우, 두 액적 간의 동기화가 필요한 반면, 끝부분만 급격히 각도를 상승시킨 목을 형성한 경우는 체류시간과 독립적으로 합류를 수행할 수 있어 시스템의 조작이 더 편리하고 정밀해짐을 증명하였다.
- 그에 반해 목이 형성된 0º 디자인에서는 액적을 정체시킬 수 있어 체류시간을 고려하지 않아도 되므로 0.5~2.5초 사이의 전 범위에서 액적 간의 합류가 발생됨을 관찰하였다(Fig. 5B).
- 액적의 유속을 급격히 감속시키는 것에는 미세기둥 간에 개수가 각도보다 더 큰 영향을 주었으며, 액적의 정체를 이루기 위해서는 미세기둥 간의 각도가 더 큰 영향을 주었음을 입증하였다. 또한 최적화된 합류 챔버의 디자인에서 효소 반응 실험을 수행함으로써 본 시스템의 생물학적 반응을 수행할 수 있음을 증명하였다. 본 연구에서는 서로 동일한 부피를 갖는 액적들을 1대 1의 비율로 합류를 시킨 데이터만을 보였으나, 생성시키는 액적의 부피를 액적 생성 모듈에서 서로 다르게 하여 합류된 액적의 조성을 조절할 수 있으며, 한번에 합류시키는 액적의 개수의 증가시킬 수 있다.
- 또한 최적화된 합류 챔버의 디자인에서 효소 반응 실험을 수행함으로써 본 시스템의 생물학적 반응을 수행할 수 있음을 증명하였다. 본 연구에서는 서로 동일한 부피를 갖는 액적들을 1대 1의 비율로 합류를 시킨 데이터만을 보였으나, 생성시키는 액적의 부피를 액적 생성 모듈에서 서로 다르게 하여 합류된 액적의 조성을 조절할 수 있으며, 한번에 합류시키는 액적의 개수의 증가시킬 수 있다. 또한 합류 챔버의 조작이 간편하고 안정적인 특성으로 희석기(dilutor)나 분류기(sorter)와 같은 다른 미세유체 시스템을 결합하기 용이하다.
- 인접한 액적 간에 더 효과적인 합류를 수행하기 위해서 합류 챔버의 구조에 대한 연구를 수행하였다. 액적 간의 합류에 크게 영향을 주는 두 가지 요소는 액적 주변의 유체의 압력과 액적 내부 라플라스 압력의 차이의 경쟁관계로서, 액적 주변의 유체의 압력보다 액적 내부 라플라스 압력이 더 클 때에는 액적의 유속이 급격히 감소하거나 정체하는 경향을 보였고, 이와 반대의 경우에는 액적의 모양이 변형되어 합류 챔버를 빠져나가는 경향을 보임을 식과 실험을 통해 증명하였다. 먼저 액적 주변의 유체의 압력을 조정하기 위해서 미세기둥의 개수에 대한 고찰을 했으며, 액적 내부의 라플라스 압력의 차를 조정하기 위해서 미세기둥 간에 이루고 있는 각도에 대한 고찰을 하였다.
- 먼저 액적 주변의 유체의 압력을 조정하기 위해서 미세기둥의 개수에 대한 고찰을 했으며, 액적 내부의 라플라스 압력의 차를 조정하기 위해서 미세기둥 간에 이루고 있는 각도에 대한 고찰을 하였다. 액적의 유속을 급격히 감속시키는 것에는 미세기둥 간에 개수가 각도보다 더 큰 영향을 주었으며, 액적의 정체를 이루기 위해서는 미세기둥 간의 각도가 더 큰 영향을 주었음을 입증하였다. 또한 최적화된 합류 챔버의 디자인에서 효소 반응 실험을 수행함으로써 본 시스템의 생물학적 반응을 수행할 수 있음을 증명하였다.
- 5B). 액적이 정체가 되므로 액적의 체류시간은 무한대로 길어질 수 있으나, 이후에 유입되는 액적과 합류가 되면 2초 이내에 합류챔버를 빠져나감을 관찰함으로써 시스템의 처리량 또한 높게 유지할 수 있음을 입증하였다. 각도가 7.
- 5초부터 형광이 포화(saturation) 상태에 도달하였다. 이로서 본 합류 챔버에서 생물학적 실험이 수행 가능함을 입증하였다.
- 하지만 0º 이나 목이 형성되어 맨 끝에 급격한 각도의 차이를 주는 구조에서는 액적이 2.1초 이후로 정체하여 뒤이어 생성된 액적이 합류되기 전까지 1분 이상 정체됨을 확인하였다.
- 6A). 합류 전 후의 각각의 시간대에서 형광 세기(intensity)를 측정한 결과 3.5초부터 형광이 포화(saturation) 상태에 도달하였다. 이로서 본 합류 챔버에서 생물학적 실험이 수행 가능함을 입증하였다.
후속연구
- 또한 합류 챔버의 조작이 간편하고 안정적인 특성으로 희석기(dilutor)나 분류기(sorter)와 같은 다른 미세유체 시스템을 결합하기 용이하다. 따라서 다음연구과제로서보다 더 다재다능한 미세유체 시스템을 개발하는데 합류 챔버가 큰 부분을 차지하고 있고 본 기술이 생화학적 분석 및 합성, 고속대량 스크리닝(high throughput screening)등의 분야에 널리 사용될 것으로 예상한다.
- 이후에 발표된 미세기둥 구조물을 이용하여 합류를 유도하는 이후의 연구에서는 액적의 유속 감소 및 운동의 방향성을 조절할 수는 있으나 액적의 정체를 이루지는 못했다[20]. 따라서 액적을 정체시켜 액적 간의 합류를 더 효과적으로 이루기 위해서 앞서 연구되었던 액적과 합류 챔버의 부피 비, 시스템의 전체 평균 유속 외에 또 다른 요소들에 대한 연구가 필요하다.
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