고유량제어를위한미세유체
미세유체는 마이크로 채널을 통해 유체를 연구하는 과학이자 유체가 흐르거나 갇혀 있는 챔버와 채널을 포함하는 초소형 장치를 사용하여 소량(10-6~10-12L)의 유체를 처리하거나 조작하는 시스템 기술입니다.
미세유체는어떻게작동하나요?
미세유체는 작은부피와공간을사용하여매우정밀한유체제어를 다룹니다. 미세유체 칩은 미세채널이 성형되거나 패턴화된 미세유체 연구에 사용되는 장치입니다. 마이크로채널은유체가서로다른채널을통과하여 한 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있도록 연결됩니다. 이 네트워크는 입구 및 출구 포트를 통해 외부 환경과 연결됩니다. 액체또는가스는수동방식또는외부능동시스템(압력컨트롤러, 시린지펌프또는연동펌프)을사용하여미세유체칩에서주입, 관리또는제거됩니다.
채널은 일반적으로 5~500μm 범위의 다양한 내경을 가질 수 있으며, 해당 네트워크는 사용될 응용분야와 수행될 분석에 맞게 특별히 설계되어야 합니다. 따라서 미세유체칩을사용하면일반적으로실험실전체가필요한여러기능을하나의마이크로크기장치에통합할 수 있습니다.
미세유체 칩 예시
마이크로미터단위에서유체에는어떤변화가일어나나요?
마이크로미터 단위에서는 유체의 거동이 변화하고 빠른열전달, 표면대부피비율증가, 층류, 확산혼합가능성 등 여러 가지 이점을 제공합니다. 또한 미세유체는 시료및시약소비를크게줄이고 실험시간을단축하며 응용분야의전반적인비용을절감합니다.
마이크로전자 기술의 발전과 트랜지스터의 소형화 덕분에 이 개념은 “랩온어칩”(LoC) 원리와 “마이크로 전체 분석 시스템”(μTAS) 도입을 통해 생의학 및 화학 분야로 전환되었습니다. 미세유체 칩의 초기 사례 중 하나로, 1979년 S. Terry 등은 가스 크로마토그래프의 기능을 소형화한 실리콘 웨이퍼 칩을 개발했습니다. 이 선구적인 연구 이후 미세유체는폭발적인성장을거듭하여학계연구자와산업계모두에게없어서는안될도구가되었습니다.
미세유체의 발전
미세유체의장점은무엇입니까?
미세유체의장점 [1]
미세유체과관련된핵심개념은일반적으로실험실전체가필요한간단한마이크로크기의시스템작동에통합하는것입니다. 현재 미세유체시스템에서기존의스케일업은멀티플렉싱으로대체되고있는데, 이는 장치의 크기가 작아져 배합에서 생산까지 걸리는 시간을 획기적으로 단축할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 미세유체기술은분석목적뿐만아니라공정산업, 특히정밀화학, 식품, 환경, 제약분야의대규모제조에도채택되고있습니다. 최근 몇 년 동안 미세유체 장치는 생화학 및 분자 생물학 응용분야에서 분석 도구로 광범위하게 채택되었습니다.
미세유체시스템은또한우수한데이터품질과향상된매개변수제어기능을제공하여 성능을 유지하면서 프로세스를 자동화할 수 있습니다. 미세유체 시스템은 약간의 시료 처리만으로 시료를 처리하고 분석할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 미세유체칩과유체처리시스템을 정교하게 연결하여 통합된 자동화를 통해 사용자가낮은수준의전문지식으로많은기능을필요로할때다단계반응을생성할 수 있도록 합니다.
예를 들어, 미세유체는기존방식에비해수질분석의감도가향상되어 더 낮은 농도의 오염 물질을 감지할 수 있습니다. 분석 시간이 크게 줄어들어 실시간 모니터링을 가능하게 하고 매우 적은 양의 시료를 사용함으로써 효율성을 높이고 물 낭비를 방지합니다.
또한 미세유체기술은고품질의세심한규제를받는의료제품에대한수요를충족하기때문에향후나노의약품제조 및 치료제와 진단의 투여에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
미세유체의이러한이점을활용하는방법.
미세유체에서는마이크로미터단위의다양한유량제어기술에대한숙달이 미세유체 실험의 성공적인 수행을 위해 점점 더 중요해지고 있습니다. 예를 들어, 시스템에 적용되는 유속은 생성된 액적의 크기를 정의하거나 세포에 특정 전단 응력을 발생시켜 세포의 성장, 공간 조직 및 단백질 분비에 영향을 미치는 등 강력하고 재현 가능한 데이터를 생성하려면 유량매개변수에대한정밀한제어가필요합니다. 시스템에 적용되는 유량의 오차는 다산성 액적, 불안정한 시스템, 세포 손상, 더 일반적으로는 실험의 실패로 이어질 수 있습니다. 따라서모든미세유체시스템에서는완벽하고안정적인유량제어가필수적입니다.
미세유체에서유량을전달하는데가장많이사용되는시스템은무엇인가요?
시린지펌프
시린지펌프는소량주입에적합하지만, 특히매우낮은유속에서는압력펌프보다정밀도가떨어집니다. 다양한 품질과 가격대의 제품이 시중에 나와 있습니다.
미세유체 유량 제어에서 시린지 펌프는 스테퍼 모터에 의해 작동되는 기계 시스템을 기반으로 하며, 이는 시린지를 정밀한 비율로 밀어내어 다양한 유량 범위를 가능하게 합니다. 그러나 기계식작동은특히기포, 점성이있는액체및준수튜브가있는경우유량맥동을생성하고응답및침전시간이길어질수있습니다. 또한 시스템 내의 실제 유량은 모니터링되지 않으므로 누출, 막힘 또는 잘못된 설정으로 인해 유량 주문에 도달하지 못할 경우 결과 편향이 발생할 수 있습니다. 압력도제어되지않으며, 마이크로 시스템이 막히면 압력이 손상 수준까지 상승할 수 있습니다. 이 텍스트는 특히 미세입자를 사용할 때 정기적으로 막힘을 점검하고 실험을 자동화할 때 기술의 잠재적 한계를 인식할 것을 사용자에게 조언합니다.
시린지 펌프 반응 시간 그래프
연동펌프
연동 펌핑은 유연한 튜브의 압축과 이완을 기반으로 합니다. 회전하는 롤러가 펌프 내부에 장착된 튜브를 따라 지나가면서 압축하여 튜브에 진공을 만들고 유체를 끌어당깁니다. 이 유체 작동 방식은 미세유체 실험실에서 사용될 수 있으며 비용이 비교적 저렴합니다.
미세유체유량제어에서, 연동펌핑은유체재순환뿐만아니라대량의유량과높은유속을처리하는데적합한옵션입니다. 그러나튜브의압축은유량에펄스를유도하므로유량정밀도가중요한대부분의미세유체응용분야에는적합하지않습니다. 또한 튜브 손상을 방지하기 위해 플렉시블 튜브를 정기적으로 교체해야 합니다.
압력컨트롤러솔루션
압력 구동식 유량 컨트롤러에 의한 유체 작동은 시료가 들어 있는 저장소를 가압하여 미세유체 장치에 빠르게 주입하는 것으로 구성됩니다. 이 저장소의 크기는 1.5/2ml Eppendorf 튜브부터 15/50ml Falcon 바이알, 심지어 수백 밀리리터의 대형 병에 이르기까지 매우 다양합니다.
미세유체 유량 제어를 위해 제어된 가스 압력이 유체를 밀어내고, 이 유체는 저장소 배출구를 통해 흐르게 됩니다. 가스압력컨트롤러가제공하는탁월한조절기능덕분에이러한시스템은나노리터/분미만에서수십밀리리터/분까지매우안정적인유량을달성할수있습니다.
Fluigent의 MFCS와 FLOW EZ 압력 컨트롤러
Fluigent는 7×10-3bar의낮은분해능을제공하는 MFCS-EZ™ 및 LineUp™ 압력구동컨트롤러를선보입니다. 예를 들어, 모든시리즈는최저 100ms의안정화시간과 0.03% 풀스케일(압력센서분해능)의분해능, 측정값에대한 0.1% CV의안정성을제공합니다.
유량 센서를 압력 컨트롤러와 결합하면 사용자가 직접 유량을 제어할 수 있습니다. 압력은 Fluigent의 Oxygen과같은강력한알고리즘을통해조정됩니다. 또한 압력 컨트롤러에 연결된 밸브를 통해 유체 재순환이 가능합니다.
압력펌프의또다른장점은사용자가단하나의압력채널로여러개의저장소에압력을가할수있다는것입니다. 따라서 여러 솔루션을 순차적으로 주입하려는 경우 설정 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 압력기반유량컨트롤러는매개변수(크기, 혼합, 유량등)에대한높은수준의제어및정밀도가요구되는응용분야에사용됩니다. 액적 생성, ddPCR, 세포 배양 및 세포 관류, 장기 온칩 연구, 나노 입자 합성, 마이크로캡슐, 마이크로비드와 관련된 실험에서 탁월한 결과를 제공합니다.
Reference
1- Bahnemann, J.; Grünberge, A. Microfluidics in Biotechnology: Overview and Status Quo. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology book series, 2022, ABE,volume 179.