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KR101290834B1 - Methode of single channel ion concentration polarization and bio molecule concentration device - Google Patents

Methode of single channel ion concentration polarization and bio molecule concentration device Download PDF

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KR101290834B1
KR101290834B1 KR1020110077877A KR20110077877A KR101290834B1 KR 101290834 B1 KR101290834 B1 KR 101290834B1 KR 1020110077877 A KR1020110077877 A KR 1020110077877A KR 20110077877 A KR20110077877 A KR 20110077877A KR 101290834 B1 KR101290834 B1 KR 101290834B1
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South Korea
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polarization
microchannel
solid electrolyte
ions
concentration polarization
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Inventor
김태성
김민석
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국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

이온이 유동(flow)하며, 바닥부를 구비하는 단일 마이크로 채널에 전기장을 인가하면, 이온의 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑(pumping)하는 분극유닛을 통해 단일로 형성된 마이크로 채널을 분극유닛을 이용하여 이온을 분극 및 집적할 수 있는 농도분극장치 및 이를 이용한 바이오물질 집적방법이 개시된다. When ions flow and an electric field is applied to a single microchannel having a bottom, a polarization unit is used to form a single microchannel through a polarization unit that selectively pumps positively charged ions of ions toward the negative electrode. A concentration polarization apparatus capable of polarizing and accumulating ions and a biomaterial accumulation method using the same are disclosed.

Description

단일 채널 농도분극 방법 및 바이오물질 집적장치 {METHODE OF SINGLE CHANNEL ION CONCENTRATION POLARIZATION AND BIO MOLECULE CONCENTRATION DEVICE}Single channel concentration polarization method and biomaterial integration device {METHODE OF SINGLE CHANNEL ION CONCENTRATION POLARIZATION AND BIO MOLECULE CONCENTRATION DEVICE}

본 발명은 농도분극장치 및 이를 이용한 농도분극방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 채널을 이용하여 바이오 물질을 전기적으로 분리 및 집적시키는 농도분극장치 및 이를 이용한 농도분극방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a concentration polarization apparatus and a concentration polarization method using the same, and more particularly, to a concentration polarization apparatus for electrically separating and integrating a biomaterial using a microchannel and a concentration polarization method using the same.

일반적으로 바이오 물질을 집적하고자 할 때, 다수의 마이크로 채널을 나노채널 또는 나노공극과 연결하여, 그 연결되는 부분 근처에서 발생하는 이온 농도분극(Ion concentration polarization) 현상을 이용한다. In general, when a biomaterial is to be integrated, a plurality of microchannels are connected to nanochannels or nanopores, and ion concentration polarization phenomenon occurring near the connecting portion is used.

상기 농도분극현상은 나노채널 및 나노공극이 가지는 제타 포텐셜(Zeta potential)에 의해 크기와 방향이 결정되고, 전하를 띄는 표면 제타 포텐셜의 영향 범위 보다 나노채널의 특성 길이가 작을 경우 제타 포텐셜 영향 범위의 두께가 중첩된다. 이때, 제타 포텐셜 영향 범위 두께가 중첩되면서 바이오 물질의 양전하 이온 및 음전하 이온의 선택적인 고속 이동을 유발하게 된다. 상기 농도분극현상에 의하여 처음 인가된 바이오 물질의 농도보다 고농도로 바이오 물질을 집적할 수 있기 때문에 상기 농도분극현상은 바이오 물질을 연구하는데 필요한 기술이다. The concentration polarization is determined by the zeta potential of the nanochannel and the nanopore, and the size and direction of the concentration are smaller than the influence of the surface zeta potential. The thickness overlaps. At this time, the zeta potential influence range thickness overlaps, causing selective high-speed movement of positive and negative charge ions of the biomaterial. The concentration polarization phenomenon is a technique required to study biomaterials because it is possible to accumulate biomaterials at a higher concentration than the concentration of the biomaterial first applied by the concentration polarization phenomenon.

하지만, 상기 농도분극현상을 발생시키기 위해서는 적어도 하나 이상의 마이크로 채널이 나노채널과 연결되어 있어야 하기 때문에 장치가 복잡해지게 된다. However, in order to generate the concentration polarization phenomenon, the device is complicated because at least one microchannel must be connected to the nanochannel.

나아가 나노채널을 정교하게 제작하기 위한 고가의 장비와 숙련된 기술이 요구될 뿐 아니라 복잡한 삼차원적인 형상의 제작에는 한계가 있다.
In addition, expensive equipment and skilled techniques for precisely manufacturing nanochannels are required, and there are limitations in the production of complex three-dimensional shapes.

본 발명은 단일 마이크로 채널과 나노공극이 형성된 분극유닛을 이용하여 단일채널 내의 이온농도분극 현상을 설명할 수 있으며, 단일 마이크로 채널을 사용하기 때문에 분극장치의 제작이 간단해질 뿐 아니라, 분극장치에 인가되는 전극의 개수가 감소하여 실험장치가 간단해질 수 있는 농도분극장치 및 이를 이용한 농도분극방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention can explain the ion concentration polarization phenomenon in a single channel by using a polarization unit formed with a single microchannel and nanopores, and since the single microchannel is used, the production of the polarizer is simplified and applied to the polarizer. It is an object of the present invention to provide a concentration polarization apparatus and a concentration polarization method using the same, by which the number of electrodes to be reduced can be simplified.

본 발명의 실시예에 따르는 농도분극장치는, 이온이 유동(Flow)하며, 바닥부를 구비하는 단일 마이크로 채널과, 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하기 위하여 양전극과 음전극을 포함하는 전극 및 상기 마이크로 채널에 인가된 전기장에 의해 상기 이온의 양전하 이온을 선택적으로 상기 음전극 방향으로 이동시키는 분극유닛을 포함하는데, 상기 분극유닛은 상기 마이크로 채널의 일부분이 개방되어 유체유동이 허용되도록, 상기 마이크로 채널의 바닥부 표면에만 패터닝되어 형성되는 것이 특징이다.According to an embodiment of the present invention, a concentration polarization device includes a single microchannel in which ions flow, a bottom portion, an electrode including a positive electrode and a negative electrode to apply an electric field to the microchannel, and a microchannel. And a polarization unit for selectively moving positively charged ions of the ions toward the negative electrode by an applied electric field, wherein the polarization unit has a surface of the bottom of the microchannel such that a portion of the microchannel is opened to allow fluid flow. It is characterized by being formed only patterned.

상기와 같은 구성에 의하여 이온의 농도분극 현상을 설명하기 위하여 단일 채널을 이용하기 때문에 농도분극장치의 구조가 간단해질 수 있다. With the above configuration, the structure of the concentration polarization apparatus can be simplified because a single channel is used to explain the concentration polarization phenomenon of ions.

상기 분극유닛은 고체 상태에서 이온의 이동에 의하여 전류를 통할 수 있는 이온 선택적 고체전해질이 될 수 있다. 예시적으로 고체전해질로는 나피온(C7HF13O5S C2F4), 아사히막 등이 될 수 있다. The polarization unit may be an ion-selective solid electrolyte capable of passing current by the movement of ions in the solid state. For example, the solid electrolyte may be Nafion (C 7 HF 13 O 5 SC 2 F 4 ), an Asahi membrane, and the like.

이러한 분극유닛은 상기 마이크로 채널의 일부분이 개방되어 유체유동이 허용되도록, 바닥부 표면에만 패터닝을 통해 형성할 수 있으며, 고체전해질 용액을 바닥부 표면에만 제공한 뒤 이를 증발시켜 패터닝을 하거나, 제공된 고체전해질 용액 표면에 양각의 마이크로 패턴을 프린트하는 등의 방법을 통해 형성할 수 있다. Such a polarizing unit may be formed by patterning only the bottom surface so that a part of the microchannel is opened to allow fluid flow, and the solid electrolyte solution is provided only on the bottom surface and then evaporated to pattern the solid or provided solid. It can be formed through a method such as printing an embossed micro pattern on the surface of the electrolyte solution.

한편, 상기 분극유닛은 다수의 나노공극이 구비될 수 있다. 상기와 같이 형성된 나노공극에 의하여 다수의 마이크로 채널을 나노채널로 연결하지 않고도 바이오 물질의 전하를 분리 및 집적할 수 있다. On the other hand, the polarization unit may be provided with a plurality of nanopores. The nanopores formed as described above may separate and accumulate charges of a biomaterial without connecting a plurality of microchannels to nanochannels.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 농도분극방법에 따르면, a) 바닥부가 구비된 단일 마이크로 채널에 공급되는 이온을 분극시키기 위해 상기 마이크로 채널의 일부분이 개방되어 유체유동이 허용되도록, 고체전해질로 상기 바닥부에만 패터닝되어, 다수의 나노공극이 구비되는 분극유닛을 형성하는 단계; (b) 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하는 단계; (c) 상기 분극유닛에 의해 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑하는 단계; (d) 상기 마이크로 채널의 양전극 방향에는 음전하 이온이 집적되고, 상기 마이크로 채널의 음전극 방향에는 양전하 이온이 집적되는 단계; 및 (e) 상기 분극유닛에 의한 이온분극 현상에 의해 전하를 띄는 바이오물질을 집적하는 단계를 포함한다. On the other hand, according to the concentration polarization method according to an embodiment of the present invention, a) a portion of the micro-channel is opened to polarize the ions supplied to the single micro-channel having a bottom portion to allow the fluid flow, the solid electrolyte Patterning only a bottom portion to form a polarization unit having a plurality of nanopores; (b) applying an electric field to the microchannel; (c) selectively pumping positively charged ions toward the negative electrode by the polarization unit; (d) negatively charged ions are integrated in the positive electrode direction of the microchannel and positively charged ions are integrated in the negative electrode direction of the microchannel; And (e) accumulating the biomaterial charged by the ion polarization phenomenon by the polarization unit.

상기 방법에 의하여 보다 간소화된 방법으로 바이오 물질의 전하를 분리 및 집적할 수 있게 된다. By this method, the charge of the biomaterial can be separated and accumulated in a more simplified manner.

상기 (a)단계에서, 분극유닛은 고체전해질로 바닥부에 패터닝될 수 있다. In the step (a), the polarizing unit may be patterned on the bottom part with a solid electrolyte.

이때, 분극유닛을 형성하는 방법으로, (ⅰ) 상기 바닥부 상에 상기 고체전해질 용액을 제공하는 단계; (ⅱ) 상기 고체전해질 용액을 증발시키는 단계; 및 (ⅲ) 상기 고체전해질 표면에 패턴을 형성시키는 단계;를 통해 형성할 수 있다. At this time, by a method of forming a polarizing unit, (iii) providing the solid electrolyte solution on the bottom; (Ii) evaporating the solid electrolyte solution; And (iii) forming a pattern on the surface of the solid electrolyte.

또한 다르게는 ㈀ 상기 바닥부 상에 상기 고체전해질 용액을 도포하는 단계; 및 ㈁ 상기 고체전해질 용액 표면에 양각의 마이크로 패턴을 프린팅하는 단계;를 통해 분극유닛을 형성할 수 있다. Alternatively iii) applying the solid electrolyte solution on the bottom; And ㈁ printing an embossed micro pattern on the surface of the solid electrolyte solution.

이때, 상기 고체전해질은 나피온(C7HF13O5S C2F4), 아사히막 등이 될 수 있으며, 상기와 같은 방법으로 분극유닛이 형성됨에 따라 분극유닛의 이온 농도분극 현상을 휘발성과 점성이 강한 고체전해질에 패터닝을 용이하게 할 수 있게 된다.
In this case, the solid electrolyte may be Nafion (C 7 HF 13 O 5 SC 2 F 4 ), Asahi membrane, etc., as the polarization unit is formed in the same manner as described above, the ion concentration polarization phenomenon of the polarization unit is volatile and Patterning can be facilitated to a viscous solid electrolyte.

본 발명에 따른 농도분극장치 및 이를 이용한 농도분극방법은 다음과 같은 효과를 가진다.The concentration polarization device and the concentration polarization method using the same according to the present invention have the following effects.

첫째, 단일 마이크로 채널을 이용하여 이온의 농도분극 현상을 설명할 수 있기 때문에 농도분극장치의 디바이스가 간단해질 수 있으며, 향후 병렬적인 처리에 용이해질 수 있다. First, since the concentration polarization phenomenon of ions can be described using a single microchannel, the device of the concentration polarization apparatus can be simplified, and can be facilitated in parallel processing in the future.

둘째, 마이크로 채널의 바닥부 상에 나노공극이 구비된 분극유닛을 형성함으로써, 별도의 나노채널이 요구되지 않게 된다.
Second, by forming a polarization unit having nanopores on the bottom of the microchannel, a separate nanochannel is not required.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 농도분극현상을 설명한 개략도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 측단면 및 상면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치를 통해 농도분극현상을 설명한 실험 데이터이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 농도분극방법을 도시한 순서도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 분극유닛 형성방법을 설명한 순서도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a concentration polarization phenomenon of a concentration polarization device according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view and a top view of the concentration polarization apparatus according to the embodiment of the present invention.
3 is experimental data illustrating concentration polarization through a concentration polarization apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a concentration polarization method according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are flowcharts illustrating a method of forming a polarization unit of a concentration polarization device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configuration shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical idea of the present invention. It should be understood that there may be one variation.

도면을 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치는 이온을 양전하 이온과 음전하 이온으로 분리 및 집적하고 이를 이용하여 바이오 물질을 집적하기 위한 장치를 예를 들어 설명하지만, 바이오 물질 이외에도 특정 물질의 양전하 이온과 음전하 이온을 분리 및 집적할 수 있음은 물론이다. Prior to explaining the drawings, the concentration polarization apparatus according to the embodiment of the present invention describes an apparatus for separating and accumulating ions into positive and negative charge ions and using the same to accumulate biomaterials, for example. Of course, the positive and negative charge ions of a particular material can be separated and integrated.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 농도분극현상을 설명한 개략도이며, 도 2은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 측면 및 상면을 도시한 도면이다. 1 is a schematic diagram illustrating a concentration polarization phenomenon of a concentration polarization apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view showing the side and top of the concentration polarization apparatus according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면 본 발명에 따른 농도분극장치(100)는 마이크로 채널(120)과, 전극(140)과, 분극유닛(160)을 포함한다. Referring to the drawings, the concentration polarization apparatus 100 according to the present invention includes a micro channel 120, an electrode 140, and a polarization unit 160.

본 발명에 따른 농도분극장치(100)의 마이크로 채널(120)은 바이오 물질의 이온이 유동(Flow)할 수 있으며, 단일 채널로 형성될 수 있다. 이때, 상기 마이크로 채널(120)의 바닥부를 구비할 수 있으며, 상기 바닥부는 글래스, 합성수지 또는 글래스를 코팅한 금속판 등이 될 수 있다. 이하 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 바닥부가 글래스로 형성된 예를 들기로 하며, 바닥부의 재질에 의하여 본 발명이 제한되거나 한정되지는 않는다. 상기와 같이 형성된 바닥부는 전기장을 인가하면 분극유닛(160)을 통하여 양전하를 띄는 이온이 빠른 속도로 음전극 쪽으로 이동할 수 있게 한다. The microchannel 120 of the concentration polarization apparatus 100 according to the present invention may flow ions of biomaterials and may be formed as a single channel. In this case, a bottom portion of the micro channel 120 may be provided, and the bottom portion may be glass, a synthetic resin, or a metal plate coated with glass. In the following embodiments of the present invention, for convenience of description, the bottom part is made of glass, and the present invention is not limited or limited by the material of the bottom part. The bottom portion formed as described above allows the positively charged ions to move to the negative electrode at high speed through the polarization unit 160.

상기 전극(140)은 마이크로 채널(120)에 전기장을 인가할 수 있도록 양전극(142)과 음전극(144)을 포함할 수 있다. 상기 전극(140)에서 마이크로 채널(120)로 전기장을 인가하면, 마이크로 채널(120) 내의 바이오 물질 및 전하들이 유동할 수 있게 된다. The electrode 140 may include a positive electrode 142 and a negative electrode 144 to apply an electric field to the microchannel 120. When an electric field is applied from the electrode 140 to the micro channel 120, biomaterials and charges in the micro channel 120 may flow.

상기 분극유닛(160)은 마이크로 채널(120)에 인가된 전기장에 의해 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑(Pumping)하는 방법으로 이동시킬 수 있다. 이를 위하여 분극유닛(160)은 고체전해질로 형성될 수 있으며, 분극유닛(160)은 글래스(125) 표면에만 패터닝되는 방법으로 형성될 수 있다. 상기 분극유닛(160)은 예시적으로 나피온(C7HF13O5S C2F4 ), 아사히막 등이 될 수 있지만 이하 설명의 편의상 본 발명의 분극유닛(160)은 나피온으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. The polarization unit 160 may be moved by a method of selectively pumping positively charged ions toward the negative electrode by an electric field applied to the microchannel 120. To this end, the polarization unit 160 may be formed of a solid electrolyte, and the polarization unit 160 may be formed by patterning only the surface of the glass 125. The polarization unit 160 may be, for example, Nafion (C 7 HF 13 O 5 SC 2 F 4 ), Asahi membrane, etc. For convenience of description below, the polarization unit 160 of the present invention is formed of Nafion It will be described with an example.

상기 분극유닛(160)은 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑할 수 있도록 복수의 나노공극이 형성될 수 있다. 상기 나노공극은 마이크로 채널(120)의 양전극(142)과 음전극(144) 사이에서 양전극(142) 부근에는 음전하 이온을 고갈시키고, 음전극(144) 부근에는 음전하 이온이 농후하게 하는 역할을 한다. The polarization unit 160 may be formed with a plurality of nanopores to selectively pump positive charge ions in the negative electrode direction. The nanopores serve to deplete negatively charged ions near the positive electrode 142 between the positive electrode 142 and the negative electrode 144 of the microchannel 120, and to enrich the negatively charged ions near the negative electrode 144.

즉, 마이크로 채널(120)의 표면 전하에 의해 채널을 이루는 글래스(125)와 분극유닛(160)의 경계면에는 전기적 이중층이 형성될 수 있다. 이때, 전극(140)에서 마이크로 채널(120)로 전기장을 인가하면, 글래스(125) 표면 근처의 전기적 중성이 붕괴될 수 있고, 전극(140)에서 인가되는 전기장 특성에 따라 바이오 물질의 전하가 특정방향으로 이동하는 벌크 유동이 발생하게 된다. That is, an electrical double layer may be formed on the interface between the glass 125 and the polarization unit 160 constituting the channel by the surface charge of the microchannel 120. In this case, when an electric field is applied from the electrode 140 to the microchannel 120, the electric neutrality near the surface of the glass 125 may collapse, and the charge of the biomaterial is specified according to the electric field characteristic applied from the electrode 140. Bulk flow in the direction occurs.

예를 들어 글래스(125)의 경우 글래스(125) 표면은 음전하를 띄고 있기 때문에 글래스와 분극유닛(160)이 접하는 부분에는 양전하 이온이 농후하게 된다. 이때, 전극(140)에서 전기장을 인가하면 양전하 이온들은 환원전극으로 정전기적 이동을 할 수 있고, 이러한 정전기적 이동이 유체에 전단응력을 가하게 되어 이온의 유동이 발생할 수 있게 된다. For example, in the case of the glass 125, since the surface of the glass 125 has a negative charge, positively charged ions are concentrated in a portion where the glass and the polarization unit 160 are in contact with each other. At this time, when an electric field is applied from the electrode 140, the positively charged ions may move electrostatically to the reduction electrode, and the electrostatic movement exerts a shear stress on the fluid, thereby causing the flow of ions.

여기서 상기 전기장 특성이란, 양전극과 음전극의 위치를 의미하며, 본 발명의 실시예에서는 양전극(144)이 좌측에 위치하고 음전극(142)이 우측에 위치하여 전하가 좌측에서 우측으로 이동하는 예를 들기로 한다. Here, the electric field characteristic means the positions of the positive electrode and the negative electrode, and in the embodiment of the present invention, the positive electrode 144 is located on the left side and the negative electrode 142 is located on the right side. do.

한편, 상기와 같이 양전하 이온이 음전극(144) 방향으로 이동하게 되면, 분극유닛(160)의 어느 일측에는 양전하 이온과 음전하 이온이 집적되어 있는 영역인 전하집적영역(124)이 형성될 수 있다. On the other hand, when the positive charge ions are moved toward the negative electrode 144 as described above, the charge accumulation region 124, which is a region in which the positive charge ions and the negative charge ions are integrated, may be formed on one side of the polarization unit 160.

상기 전하집적영역(124)은 분극유닛(160)의 양 측에 형성될 수 있으며, 분극유닛(160)의 좌측에는 음전하 이온이 집적될 수 있고, 우측에는 양전하 이온이 집적되는 영역이라고 할 수 있다. 즉, 전하가 양전극(142)에서 음전극(144) 방향으로 이동하는 동안, 양전하 이온은 양전극(142)에서 음전극(144)으로 펌핑되지만 음전하 이온은 양전극(142) 방향으로 펌핑되지 못하고 집적될 수 있다. 또한, 양전하 이온이 음전극(144) 방향으로 펌핑되면, 순간적으로 양전하 이온이 분극유닛(160) 우측에 집적될 수 있다. The charge accumulation region 124 may be formed at both sides of the polarization unit 160. The negative charge ions may be accumulated on the left side of the polarization unit 160 and the positive charge ions may be accumulated on the right side of the polarization unit 160. . That is, while charge moves from the positive electrode 142 to the negative electrode 144, positively charged ions may be pumped from the positive electrode 142 to the negative electrode 144, but negatively charged ions may be accumulated without being pumped toward the positive electrode 142. . In addition, when positively charged ions are pumped toward the negative electrode 144, positively charged ions may be instantly accumulated on the right side of the polarization unit 160.

상기 전하집적영역(124)은 시간이 지날수록 집적되는 이온의 수가 증가할 수 있다. 이는 이온 농도분극 시간이 증가할수록 마이크로 채널(120)을 유동하는 이온의 수가 증가하기 때문이다. The charge accumulation region 124 may increase in the number of ions accumulated over time. This is because the number of ions flowing in the microchannel 120 increases as the ion concentration polarization time increases.

여기서, 전하집적영역(124)과 분극유닛(160) 사이에는 이온고갈영역(126)이 형성될 수 있다. 상기 이온고갈영역(126)은 분극유닛(160)을 중심으로 좌측 또는 우측에 형성될 수 있는데 바람직하게는 이온의 이동 경로에 대응되어 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 양전하 이온이 좌측에서 우측으로 이동하는 예를 들어 설명하고 있기 때문에 이온고갈영역(126)이 분극유닛(160)의 좌측에 형성되는 예를 들지만 이온고갈영역(126)의 형성위치에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다. Here, an ion depletion region 126 may be formed between the charge accumulation region 124 and the polarization unit 160. The ion depletion region 126 may be formed on the left side or the right side of the polarization unit 160. Preferably, the ion depletion region 126 may be formed to correspond to the movement path of the ions. In the embodiment of the present invention, since the positively charged ions move from left to right, the ion depletion region 126 is formed on the left side of the polarization unit 160, but the ion depletion region 126 is formed. The present invention is not limited by location.

상기 이온고갈영역(126)은 분극유닛(160)에서 양전하 이온을 음전극(144) 방향으로 펌핑하는 힘에 의하여 분극유닛(160) 주변의 양전하 이온이 분극유닛(160) 부근에 잔재되지 못하는 영역이며, 상기 이온고갈영역(126)의 유무에 따라 양전하 이온이 음전극(144) 방향으로 펌핑되는지 유무를 확인할 수 있고, 양전하 이온의 이동 방향을 알 수 있다. The ion depletion region 126 is a region in which the positive charge ions around the polarization unit 160 do not remain near the polarization unit 160 by a force that pumps positive charge ions in the polarization unit 160 toward the negative electrode 144. According to the presence or absence of the ion depletion region 126, it is possible to confirm whether positive charge ions are pumped toward the negative electrode 144, and the movement direction of the positive charge ions can be known.

상기 농도분극장치(100)에 의하여 단일 마이크로 채널(120)을 분극유닛(160)을 이용하여 이온을 분극 및 집적할 수 있기 때문에 단일 채널에서 형성되는 농도 분극현상을 설명할 수 있게 된다. 또한, 상기와 같이 단일 채널을 이용하여 농도 분극을 설명할 수 있기 때문에 농도분극을 위한 디바이스 제작이 용이해질 뿐 아니라 향후 장치의 병렬적인 처리에도 용이해질 수 있다. Since the concentration polarization device 100 can polarize and accumulate ions using the polarization unit 160 in the single microchannel 120, the concentration polarization phenomenon formed in the single channel can be described. In addition, since the concentration polarization can be described using the single channel as described above, the device for the concentration polarization can be easily manufactured, and the parallel processing of the apparatus can be facilitated in the future.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치를 통해 농도분극현상을 설명한 실험 데이터이다.3 is experimental data illustrating a concentration polarization phenomenon through the concentration polarization device according to the embodiment of the present invention.

도 3의 실험데이터 (a)에 도시된 바와 같이 상기 농도분극장치(100)의 마이크로 채널(120)에 전기장을 인가하면 인가된 전기장에 의해 양전하 이온이 음전극(144) 방향으로 이동하게 된다. As shown in the experimental data (a) of FIG. 3, when an electric field is applied to the microchannel 120 of the concentration polarization apparatus 100, positively charged ions move toward the negative electrode 144 by the applied electric field.

이때, 일정시간이 지나면 음전하 이온은 분극유닛(160)과 정전기적 상호작용에 의해 분극유닛(160)을 통과하지 못하고 집적될 수 있다. 여기서, 분극유닛(160)과 음전하 이온이 집적되는 영역 사이에는 분극유닛(160)이 양전하 이온을 펌핑하는 힘에 의해 이온이 거의 존재하지 않은 이온고갈영역(126)이 형성될 수 있는데, 상기 이온고갈영역(126)은 농도분극 현상이 발생하는 시간이 증가할수록 그 너비가 증가하게 된다. 상기와 같이 이온고갈영역(126)의 너비가 증가할수록 양전하 이온이 음전극(144) 방향으로 계속해서 이동 중이라고 할 수 있다.In this case, after a certain time, the negative charge ions may be accumulated without passing through the polarization unit 160 by electrostatic interaction with the polarization unit 160. Here, between the polarization unit 160 and the region where the negatively charged ions are accumulated, an ion depletion region 126 in which ions are hardly present may be formed by a force that the polarizing unit 160 pumps positively charged ions. The depletion region 126 increases in width as the concentration polarization time increases. As described above, it can be said that as the width of the ion depletion region 126 increases, positively charged ions continue to move toward the negative electrode 144.

또한, 도 3의 실험데이터 (b)는 시간당 25V/cm 의 일정한 전기장을 마이크로 채널(120)에 인가할 경우 바이오 물질의 초기농도 1 pM (10-12 M) 에서 수 μM (10-6 M) 까지 시간에 따라 바이오 물질이 집적되는 변화율을 도시하고 있다. 상기 도면에 의하면, 입자의 초기농도에 관계없이 시간당 집적되는 이온의 양은 벌크유체에 의한 바이오 물질의 전달에 의해 좌우되므로 거의 일정하게 증가하고 있음을 알 수 있다. In addition, experimental data (b) of FIG. 3 shows that when a constant electric field of 25 V / cm per hour is applied to the microchannel 120, the initial concentration of the biomaterial is 1 pM (10 -12 M) to several μM (10 -6 M). It shows the rate at which biomaterials accumulate over time. According to the figure, it can be seen that the amount of ions accumulated per hour regardless of the initial concentration of the particles increases almost constant since it depends on the transfer of the biomaterial by the bulk fluid.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 농도분극방법을 도시한 순서도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 농도분극장치의 분극유닛 형성방법을 설명한 순서도이다. 4 is a flowchart illustrating a concentration polarization method according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are flowcharts illustrating a method of forming a polarization unit of a concentration polarization apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 설명하기에 앞서, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Before describing the drawings, the same or equivalent components as those described above are given the same or equivalent reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 농도분극방법은, 글래스(glass)로 형성된 바닥부가 구비된 단일 마이크로 채널에 공급되는 이온을 분극시키기 위한 다수의 나노공극이 구비되는 분극유닛을 형성하는 단계(S410), 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하는 단계(S420), 상기 분극유닛에 의해 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑하는 단계(S430), 상기 마이크로 채널의 양전극 방향에는 음전하 이온이 집적되고, 상기 마이크로 채널의 음전극 방향에는 양전하 이온이 집적되는 단계(S440) 및 형성된 이온분극 현상에 의해 전하를 띄는 바이오물질을 집적하는 단계(S450)를 포함한다. Referring to the drawings, the concentration polarization method according to an embodiment of the present invention, forming a polarization unit having a plurality of nano-pores for polarizing ions supplied to a single micro channel having a bottom portion formed of glass (glass) Step (S410), the step of applying an electric field to the microchannel (S420), the step of selectively pumping positive charge ions in the negative electrode direction by the polarization unit (S430), negative charge ions are integrated in the positive electrode direction of the microchannel In the negative electrode direction of the microchannel, positive charge ions are accumulated (S440) and biomaterials charged by the formed ion polarization phenomenon (S450).

상기 분극유닛을 형성하는 단계(S410)에서, 상기 분극유닛(160)은 고체전해질로 제공될 수 있으며, 글래스(125)에 패터닝되어 형성될 수 있다. 상기 고체전해질은 예시적으로 나피온(C7HF13O5S), 아사히막 등이 될 수 있지만 이하 설명의 편의상 본 발명의 분극유닛(160)은 나피온으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다. In the forming of the polarization unit (S410), the polarization unit 160 may be provided as a solid electrolyte, and may be formed by patterning the glass 125. The solid electrolyte may be, for example, Nafion (C7HF13O5S), an Asahi membrane, etc., but for convenience of description, the polarization unit 160 of the present invention will be described with an example formed of Nafion.

이때, 분극유닛을 형성하는 단계(S410)는 예를 들어, 상기 글래스 상에 상기 고체전해질 용액을 제공하는 단계(S413), 상기 고체전해질 용액을 증발시키는 단계(S415) 및 상기 고체전해질 표면에 패턴을 형성시키는 단계(S417)를 포함할 수 있다. At this time, the step of forming the polarizing unit (S410), for example, providing the solid electrolyte solution on the glass (S413), evaporating the solid electrolyte solution (S415) and the pattern on the surface of the solid electrolyte It may comprise the step (S417).

상기 고체전해질 용액이 용해되어 있는 용액은 휘발성과 점성이 강하기 때문에 미세 패터닝이 쉽지 않다. 이러한 고체전해질 용액을 마이크로 채널(120)에 제공한 뒤 고체전해질 용액을 가이드 하고 이를 다시 핫플레이트를 이용해 용액을 증발시키면 고체전해질 용액이 고체상태가 되어 패턴을 쉽게 형성할 수 있다. The solution in which the solid electrolyte solution is dissolved is not easily patterned because of its high volatility and viscosity. When the solid electrolyte solution is provided to the micro channel 120, the solid electrolyte solution is guided, and the solution is evaporated again using a hot plate, so that the solid electrolyte solution becomes a solid state, thereby easily forming a pattern.

예시적으로, 글래스(125) 상에 나피온 용액을 도포한 후 PDMS(Polydimethylsiloxane)을 이용하여 성형 가공한다. 성형 가공된 나피온 용액은 핫플레트에 일정시간 노출시켜 고체화할 수 있고, 고체화된 나피온은 패터닝 작업을 통해 분극유닛(160)으로 형성될 수 있다. For example, the Nafion solution is coated on the glass 125 and then molded using PDMS (Polydimethylsiloxane). The molded Nafion solution may be solidified by being exposed to a hot plate for a predetermined time, and the solidified Nafion may be formed into the polarization unit 160 through a patterning operation.

한편, 이와 다르게 분극유닛을 형성하는 단계(S410)는 상기 글래스 상에 상기 고체전해질 용액을 도포하는 단계(S412) 및 상기 고체전해질 용액 표면에 양각의 마이크로 패턴을 프린팅하는 단계(S414)를 포함할 수 있다. On the other hand, alternatively forming the polarizing unit (S410) includes the step of applying the solid electrolyte solution on the glass (S412) and the step of printing an embossed micro pattern on the surface of the solid electrolyte solution (S414) Can be.

예를 들어, 글래스(125) 표면에 나피온 용액을 도포한 후, PDMS를 이용하여 성형, 패터닝하는 작업을 수행한다. 패터닝이 완료되면 나피온 용액을 핫플레이트에 일정시간 노출시켜 고체화하면 분극유닛(160)이 될 수 있다. For example, after applying Nafion solution on the surface of the glass 125, the molding and patterning is performed using PDMS. When the patterning is completed, the Nafion solution may be exposed to the hot plate for a predetermined time to solidify the polarization unit 160.

상기와 같이 분극유닛(160)이 형성되면, 전극(140)을 이용하여 마이크로 채널(120)에 전기장을 인가할 수 있다(S420). 마이크로 채널(120)에 전해질이 채워지면 마이크로 채널(120)의 글래스(125)와 분극유닛(160)의 표면에 전기적 이중층이 형성될 수 있다.When the polarization unit 160 is formed as described above, an electric field may be applied to the microchannel 120 using the electrode 140 (S420). When the electrolyte is filled in the microchannel 120, an electrical double layer may be formed on the surface of the glass 125 and the polarization unit 160 of the microchannel 120.

상기와 같이 글래스(125)와 분극유닛(160)의 경계면에 전기적 이중층이 형성되면, 분극유닛(160)은 양전하 이온을 선택적으로 음전극(144) 방향으로 펌핑할 수 있다(S430). 이때, 분극유닛(160)에 형성된 나노공극에 의하여 마이크로 채널(120)의 양전극(142)과 음전극(144) 사이에서 양전극(142) 부근에는 음전하 이온을 고갈시키고, 음전극(144) 부근에는 음전하 이온이 농후하게 하여 이온의 분리 및 집적이 가능해질 수 있으며(S440), 상기의 이온분극 현상에 의하여 전하를 띄는 바이오물질이 집적될 수 있다(S450). When the electrical double layer is formed on the interface between the glass 125 and the polarization unit 160 as described above, the polarization unit 160 may selectively pump positive charge ions toward the negative electrode 144 (S430). At this time, the negative electrode 142 is depleted in the vicinity of the positive electrode 142 between the positive electrode 142 and the negative electrode 144 of the microchannel 120 by the nano-pores formed in the polarization unit 160, the negative charge ions near the negative electrode 144 This enrichment may enable separation and accumulation of ions (S440), and biomaterials having charges may be accumulated by the ion polarization phenomenon (S450).

상기와 같이 농도분극방법에 의하여 단일로 형성된 마이크로 채널(120)을 분극유닛(160)을 이용하여 이온을 분극 및 집적할 수 있기 때문에 단일 채널에서 형성되는 농도 분극현상을 설명할 수 있게 된다. 또한, 상기와 같이 단일 채널을 이용하여 농도 분극을 설명할 수 있기 대문에 농도 분극을 위한 디바이스 제작이 용이해질 뿐 아니라 향후 장치의 병렬적인 처리에도 용이해질 수 있다. As described above, since the polarization unit 160 may polarize and accumulate ions in the microchannel 120 formed by the concentration polarization method, the concentration polarization phenomenon formed in the single channel may be described. In addition, since the concentration polarization can be described using the single channel as described above, the device for the concentration polarization can be easily manufactured, and the parallel processing of the apparatus can be facilitated in the future.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 농도분극장치 120: 마이크로 채널
125: 글래스 124: 전하집적영역
126: 이온고갈영역 140: 전극
142: 양전극 144: 음전극
160: 분극장치100: concentration polarizer 120: micro channel
125: glass 124: charge accumulation region
126: ion depletion region 140: electrode
142: positive electrode 144: negative electrode
160: polarizer

Claims (10)

이온이 유동(Flow)하며, 바닥부를 구비하는 단일 마이크로 채널과, 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하기 위하여 양전극과 음전극을 포함하는 전극 및 상기 마이크로 채널에 인가된 전기장에 의해 상기 이온의 양전하 이온을 선택적으로 상기 음전극 방향으로 이동시키는 분극유닛을 포함하는 농도분극장치를 구성함에 있어서,
상기 분극유닛은
상기 마이크로 채널의 일부분이 개방되어 유체유동이 허용되도록, 상기 마이크로 채널의 바닥부 표면에만 패터닝되어 형성되는 것을 특징으로 하는 농도분극장치.
The positive flow of ions is selectively selected by a single microchannel having a bottom, an electrode including a positive electrode and a negative electrode to apply an electric field to the microchannel, and an electric field applied to the microchannel. In constructing a concentration polarization apparatus including a polarization unit to move in the negative electrode direction by
The polarization unit
And patterning only the bottom surface of the microchannel so that a portion of the microchannel is opened to allow fluid flow.
청구항 1에 있어서,
상기 분극유닛은 고체전해질인 것을 특징으로 하는 농도분극장치.
The method according to claim 1,
The polarization unit is a concentration polarization device, characterized in that the solid electrolyte.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 분극유닛은 다수의 나노공극이 구비되는 것을 특징으로 하는 농도분극장치.
The method according to claim 1,
The polarization unit is a concentration polarization device, characterized in that provided with a plurality of nanopores.
청구항 2에 있어서,
상기 고체전해질은 나피온(C7HF13O5S· C2F4)인 것을 특징으로 하는 농도분극장치.
The method according to claim 2,
The solid electrolyte is Nafion (C 7 HF 13 O 5 S · C 2 F 4 ) The concentration polarization device, characterized in that.
(a) 바닥부가 구비된 단일 마이크로 채널에 공급되는 이온을 분극시키기 위해 상기 마이크로 채널의 일부분이 개방되어 유체유동이 허용되도록, 고체전해질로 상기 바닥부에만 패터닝되어, 다수의 나노공극이 구비되는 분극유닛을 형성하는 단계;
(b) 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하는 단계;
(c) 상기 분극유닛에 의해 양전하 이온을 선택적으로 음전극 방향으로 펌핑하는 단계;
(d) 상기 마이크로 채널의 양전극 방향에는 음전하 이온이 집적되고, 상기 마이크로 채널의 음전극 방향에는 양전하 이온이 집적되는 단계; 및
(e) 상기 분극유닛에 의한 이온분극 현상에 의해 전하를 띄는 바이오물질을 집적하는 단계;
를 포함하는 농도분극방법.
(a) Polarization with a plurality of nanopores, patterned only at the bottom with solid electrolyte so that a portion of the microchannel is open to allow fluid flow to polarize ions supplied to a single microchannel having a bottom. Forming a unit;
(b) applying an electric field to the microchannel;
(c) selectively pumping positively charged ions toward the negative electrode by the polarization unit;
(d) negatively charged ions are integrated in the positive electrode direction of the microchannel and positively charged ions are integrated in the negative electrode direction of the microchannel; And
(e) accumulating biomaterials charged by ion polarization by the polarization unit;
Concentration polarization method comprising a.
삭제delete 청구항 6에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(ⅰ) 상기 바닥부 상에만 상기 고체전해질 용액을 제공하는 단계;
(ⅱ) 상기 고체전해질 용액을 증발시키는 단계; 및
(ⅲ) 상기 고체전해질 표면에 패턴을 형성시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도분극방법.
The method of claim 6,
The step (a)
(Iii) providing the solid electrolyte solution only on the bottom;
(Ii) evaporating the solid electrolyte solution; And
(Iii) forming a pattern on the surface of the solid electrolyte; Concentration polarization method comprising a.
청구항 6에 있어서,
상기 (a) 단계는,
㈀ 상기 바닥부 상에만 상기 고체전해질 용액을 도포하는 단계; 및
㈁ 상기 고체전해질 용액 표면에 양각의 마이크로 패턴을 프린팅하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 농도분극방법.
The method of claim 6,
The step (a)
(B) applying said solid electrolyte solution only on said bottom; And
양 printing an embossed micro pattern on the surface of the solid electrolyte solution; Concentration polarization method comprising a.
청구항 8 및 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체전해질 용액은 나피온(C7HF13O5S· C2F4)인 것을 특징으로 하는 농도분극방법.The method according to any one of claims 8 and 9,
The solid electrolyte solution is Nafion (C 7 HF 13 O 5 S · C 2 F 4 ) The concentration polarization method, characterized in that.
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