탐지 용액에 반응하는 생물 표본의 진단을 위한 미세유체학적 장치의 설계, 모사 및 제작
Design, Simulation and Fabrication of Polydimethylsiloxane Microfluidic Device for the Simple Diagnosis of Bio-Sample with a Probe Solution
- 주제(키워드) Microfluidics , Biosensor , PDMS
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 신치범
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학부
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000009663
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Miniaturized systems based on microfluidics principles are widely used in biotechnology. The microfluidic systems provide various chemical and medical applications such as DNA analysis, chemical reactions of small volumes, etc. In a case of the diagnosis for the biologically relevant diseases, it is quite difficult to obtain a sufficient amount of bio-sample due to the high price and the scarcity of a sample. Thus, the miniaturization of reaction system is an essential factor to overcome the limitation, because the miniaturized devices in the micro-scale do not need a large amount of reagents. By the scale-down to the micro scale, it is possible to detect the results derived from the reaction between two reagents (i.e., the probe solution and bio-sample), with drops in only a few hundred of micro liters. The geometries of microchips were designed based on the principles of microfluidics. And the geometries were drawn by using the AutoCAD2006, the commercial computer-aided design software, in two or three dimensions. The computational domain was discretized by a meshing tool, GAMBIT 2.1. Finally, the meshed geometries were used to simulate the flow in microchips with Fluent 6.1 regarded as the reliable simulation software. The simulation results provided the crucial information related to mixing performance of microchips. Based on the simulation results, the microchips were fabricated with PDMS(Polydimethylsiloxane) through the sequences of the mixing, curing, surface treatment and bonding. The PDMS has various merits to be selected in production of analyzing devices for biological materials. The nontoxic, inert, nonflammable and optically clear features are representative merits of PDMS. However, the hydrophobic surface of hardened PDMS is a limitation for using hydrophilic liquids, such as buffer solution and pure water. To overcome the limitation, the surface structure modified by the HEMA(Hydroxyethyl methacrylate) treatment and exposure to oxygen plasma. The flow in the microfluidic device is driven by the capillary force and there is no need of additional equipments such as micro-pumps or electric power suppliers on the completed chips. To obtain satisfactory results in experiments with ultimate target materials, the preliminary tests with hydrophilic ink were conducted and the results of tests were expected to show whether the fabricated micro devices did work or not in the naked eye. The results can be a basis of the feasibility of the simple diagnosis for small amounts of bio-sample.
more초록/요약
미세 유체이론에 기초한 소형화 된 시스템들은 최근에 바이오테크놀로지 분야에서 많이 사용되고 있다. 그러한 미세 유체 시스템은 DNA분석이나 극소 체적의 화학반응 등의 예와 같이 화학 및 의학 분야에서 다양하게 응용된다. 생물학적 질병을 진단하기 위한 경우, 희소성이 있는 고가의 생물표본을 다량으로 보유하는 것은 매우 어려운 일이다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서는 반응시스템의 소형화는 필수적인 요소인데, 그 이유는 마이크로 단위의 소형 장치들은 많은 양의 반응물들을 필요로 하지 않기 때문이다. 마이크로 단위로의 소형화를 통해서 수 백 마이크로 리터의 반응물들 간의 반응(예, 탐지용액과 생물표본간의 반응)을 감지할 수 있다. 마이크로 칩의 형상은 미세 유체 이론과 미세 유체 시스템과 관련된 참고 문헌들을 기반으로 설계되었다. 도면은 상용 컴퓨터 설계 프로그램인 AutoCAD2006을 이용하여 2,3차원으로 제작하였다. 제작된 도면은 GAMBIT 2.1을 사용하여 격자 형성을 하였고, 최종적으로 격자가 형성된 도면은 Fluent 6.1 프로그램을 사용하여 전산모사를 시행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 마이크로 칩의 제작에 있어서 혼합 및 반응 성능과 관련된 중요한 요소들에 관한 정보를 제공해 주었다. 시뮬레이션 결과를 기반으로, PDMS(Poly-dimethylsiloxane)을 사용하여 마이크로 칩을 제작하였다. 혼합, 경화, 표면처리 및 접착의 단계를 거쳐서 제작과정이 진행되었다. PDMS는 생물학적 분석을 하는데 있어서 다양한 장점을 갖고 있기 때문에 제작 원료로 선정되었다. 무독성, 비활성, 비가연성 그리고 광학적으로 투명한 특성들이 PDMS의 대표적인 장점들이다. 그러나 경화된 PDMS 표면은 소수성을 지니므로 완충용액과 물과 같은 친수성 용액을 사용하는데 있어서는 많은 제약이 따른다. 그러한 제약을 극복하고자 HEMA(Hydroxyethyl methacrylate) 및 산소 플라즈마 처리를 통해서 표면 개질을 시행하였다. 미세 유체 장치에서의 유체 흐름은 모세관 현상에 의한 힘에 의해서 유도되며, 마이크로 펌프나 전기력과 같은 추가적인 장치 설계를 배제하였다. 실제 실험을 하기 이전에, 칩의 정상적인 작동여부를 알기 위해서 수성 잉크를 사용하여 사전 검사를 진행하였다. 최종적으로 제작된 마이크로 칩을 이용한 실험을 통해서, 소량의 생물 표본을 간편하게 진단할 수 있는 지에 대한 가능성을 입증하였다.
more목차
Acknowledgement
Abstract
Table of Contents
List of Figures
Chapter 1 Introduction
1.1 Microfluidic System
1.2 Detection with Nano Probe Solution
1.3 Research Goal
Chapter 2 Design and Simulation of Microfluidic devices
2.1 Conception of Geometries
2.2 Drawing and Mesh Generation
2.3 Simulation Process
Chapter 3 Fabrication of Microchips
3.1 Materials in Fabrication
3.2 Fabrication Process
3.3 Surface Modification
Chapter 4 Results and Discussions
4.1 Preliminary Test with Microchips
4.2 Experiments of Detection with NPs
Chapter 5 Conclusion
References
Abstract in Korean
