PUA mesh를 가지는 자기영동 기반 미세유체 칩의 설계 및 제작에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 기존의 미세 유체 칩과 다르게 새로운 방식으로, 폴리머 특징과 매우 용이한 소프트 MEMS 공정을 이용하여 미세유체역학∙ 전자기학적으로 간단한 지배 방정식 모델을 따르는 자기영동 (magnetophoresis) 기반의 마이크로 비드 분리 및 형광 검출 (fluorescent detection)이 가능한 슬릿 모양 (slit shape)의 망 형태(mesh-type) 폴리우레탄 아크릴 막 (polyurethane acrylate membrane, PUA)을 가지는 기하학적으로 자유로운 구조의 다층 미세 유체 칩 (multilayer microfluidic chip)을 제안 및 설계하였고 제작 완료 후 실험을 하여 유의미한 결과를 얻었다. 암표지자의 면역검증법을 위한 마이크로 비드 라벨로써 자성 비드가 갖는 유리한 특징을 고려하여 외부 영구자석으로 인한 자기영동 기반 분리 및 비드의 형광 검출을 위한 미세유체 칩을 설계 및 제작을 위하여, FITC 필터에 발광하는 노란 형광 표지가 표면 처리된 직경 25 μm 크기의 상자성 마이크로 비드와 TRITC 필터에 반응하는 붉은 형광 표지가 표면 처리된 직경 16 μm 크기의 자성 비드의 고순도 분리 및 검출 실험을 진행하였고 이를 고려하여 총 3개의 층으로 이루어진 PDMS 미세 유체 채널과 PDMS 3층과 2층 채널 사이의 비드 분리 부에서 선 폭이 20 μm 인 슬릿 모양의 망 형태 폴리우레탄 아크릴 막 한 개와 PDMS 2층과 1층 채널 사이의 좌우 비드 검출 부에서 선 폭이 12 μm 인 슬릿 모양의 망 형태 폴리우레탄 아크릴 막 2개를 MEMS 공정으로 제작하였다. 나아가 폴리우레탄 아크릴 막의 유체 저항을 줄여 높은 효율의 서로 다른 크기의 마이크로 비드를 분리 및 검출하기 위해 망 형태 막의 기하학적 모양을 슬릿 모양으로 설계하였으며 이때의 전체 미세 유체 칩의 기하학적인 모양을 갖고 미세유체학적 고찰과 분석 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 하였다. 나아가 분리부에서의 외부 자석에 대한 전자기학적인 고찰과 분석 그리고 컴퓨터 계산을 하였다. 16 μm 크기의 자성 입자와 25 μm 크기의 비자성 입자를 3층 미세 유체 채널에 주입하면 마이크로 비드 중 크기가 작은 마이크로 비드는 외부 자석의 자기력을 받아 치수가 20 μm인 폴리우레탄 아크릴 막을 통과하여 2충 미세 유체 채널에 흐르게 되고 크기가 큰 마이크로 비드는 치수가 20 μm인 폴리우레탄 아크릴 막을 통과하지 못하고 3층 미세 유체 채널을 흐르다. 나아가 2층으로 흐르는 크기가 작은 비드는 좌측 1층 미세 유체 채널 위의 치수가 12 μm 인 폴리우레탄 아크릴 막 위에 2차원 일렬로 정열 되고 3층에 흐르던 크기가 큰 마이크로 비드는 2층 미세 유체 채널에 통과 1층 미세 유체 채널 위에 치수가 12 μm 인 폴리우레탄 아크릴 막 위에 2차원 정렬되어 현미경을 통해 형광으로 측정 검출 되었다. 103 #/ml 농도의 마이크로 비드 샘플을 110 Pa의 압력으로 다층 미세유체 칩의 입구에 주입 하여 분리 부에서 외부 네오디움 자석이 만드는 외부 자기장으로 인해 분리되어, 실험 결과 검출 부 왼쪽에서는 99.8%의 분리 순도로 자성 마이크로 비드가 검출이 되었으며 검출 부 오른쪽에서는 87.5%의 분리 순도로 비자성 마이크로 비드가 검출이 되었다. 본 논문에서 개발된 PUA mesh를 가지는 미세유체 칩은 자기영동 이용한 암표지자 분리 및 검출의 방법에 효과적으로 적용될 수 있다.