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유압식과 공압식 마이크로인젝터, 압력을 정하나 부피를 정하나
바늘 뒤에서 시료를 미는 것이 다르다. 공압식은 공기로, 유압식은 기름으로 민다. 공기는 잘 눌리고 기름은 거의 눌리지 않는다. 그래서 공압식은 압력을 정하고, 나가는 부피는 바늘 끝이 정한다. 유압식은 부피를 정하고, 민 만큼 나간다.
마이크로인젝터(미세주입기)는 유리 바늘로 세포나 배아에 nL(10⁻⁹ L)에서 fL(10⁻¹⁵ L)의 액체를 넣는 장치다. 손으로는 밀 수 없는 양이라, 공압식은 압력과 시간으로, 유압식은 피스톤이 민 부피로 양을 맞춘다. 유압식을 모터로 밀고 관을 없앤 것이 용적식(Nanoject)이다.
출처: 사양: Eppendorf 2017 브로슈어 p.11·p.12 · 용적식: Drummond Nanoject III 매뉴얼
직접 해보기
바늘 바꿔 보기
두 인젝터를 끝 10 µm 바늘에서 1.0 nL로 맞춰 두었다. 바늘 끝과 시료를 바꿔 보자.
-
공압식
정한 것: 주입압과 주입 시간
- 나간 부피0.73 nL (방울 112 µm)
- 바늘 뒤 압력×1.00 그대로
1.0 nL로 되돌리려면 방울을 재고 주입 시간을 ×1.37로
-
유압식(용적식)
정한 것: 플런저가 미는 부피
- 나간 부피1.00 nL (방울 124 µm)
- 바늘 뒤 압력×1.37
바늘이 바뀌어도 다시 맞출 것이 없다
끝이 9 µm로 10% 작아지자, 공압식은 0.73 nL(27% 적게)를 내보낸다. 용적식은 1.00 nL 그대로이고, 바늘 뒤 압력이 1.37배가 된다.
방울은 광유 위에 쏜 모습이고, 점선 원이 1.0 nL(124 µm)다. 끝을 원뿔로 보면 흐름은 끝 반지름의 세제곱에 비례하고 점도에 반비례한다. 그래서 공압식이 다시 맞출 주입 시간과 용적식에 걸리는 압력은 같은 배수로 바뀐다.
출처: 세제곱 법칙: 이 페이지의 계산(하겐–푸아죄유, 덩어리 모델로 확인) · 끝 크기에 크게 좌우된다: WPI μPUMP 매뉴얼 p.16 · 세포 현탁액의 점도가 고르지 않다: Ding 외 2024(2배는 가정)
01 공기와 기름
공기는 눌리고 기름은 거의 안 눌린다
부피 탄성률은 1기압의 공기가 약 0.1 MPa, 광유 계열 작동유가 약 1.4~1.7 GPa다. 공기가 1만 배 넘게 잘 눌린다.
손으로 돌리는 인젝터로 100 hPa를 만들려면, 갇힌 공기 10 mL는 미세 손잡이 15바퀴(천천히 돌릴 때), 기름은 약 0.1바퀴가 든다.
그래서 공기는 밀어서 만든 압력을 담아 두고, 바늘 끝은 그 압력에 맞춰 흘려보낸다. 기름은 압력을 거의 담지 않아, 민 부피가 바늘 끝으로 나간다.
출처: 작동유의 압축성: Casey(Machinery Lubrication), Gholizadeh 외 2011 · 손잡이: CellTram 4r 사양(Eppendorf 2017 p.11)으로 이 페이지의 계산
02 공압식
압력과 시간을 정한다
압력원에서 조절기 둘(주입압·보정압)과 밸브를 거쳐, 공기가 바늘 속 시료를 바로 민다.
- 정하는 것
- 주입압과 주입 시간. FemtoJet은 압력 5~6,000 hPa, 시간 0.01 s 단위다.
- 맞추는 일
- 방울 보정. 바늘을 바꿀 때마다 광유 위에 쏜 방울의 지름으로 부피를 잰다(V = πd³/6, 124 µm가 1 nL). 쏘지 않는 동안에는 보정압을 걸어 배양액이 바늘로 빨려 들지 않게 한다.
- 한계
- 아주 짧은 주입. 밸브가 반응하는 데 6~10 ms가 걸려, WPI는 주입 시간을 10~15 ms 밑으로 두지 말라고 쓴다.
- 켜는 법
- 발판, TTL, RS-232. 로봇과 묶기 쉽다.
숫자로 보면
짧은 펄스는 흐름이 최대에 이르기 전에 끊긴다. 그래도 압력이 늦게 오르는 것만으로는 양이 줄지 않는다. 늦게 오른 만큼 늦게 내려가서다. 양이 모자라는 것은 밸브가 열릴 때 닫힐 때보다 늦을 때다. 열림 6 ms, 닫힘 2 ms로 가정하면 10 ms 펄스는 60%만 나간다.
WPI 매뉴얼은 끝이 몇 % 작아지면 흐름이 열 배까지 달라질 수 있다고 쓴다. 끝의 모양만으로는 끝이 44~68% 작아져야 열 배다. 주입압이 넘어야 할 문턱 가까이 있으면 된다. 기름 속으로 방울을 내려면 끝에서 물-기름 경계의 압력을 넘어야 한다(끝 10 µm에 20 kPa). 주입압이 이 문턱의 1.1배면, 끝이 8% 작아질 때 흐름이 열 배 준다.
출처: 구조와 사양: Eppendorf 2017 p.6·p.12, WPI μPUMP 매뉴얼 p.1·p.10·p.14·p.17 · 방울 보정: Yuan·Sun 2009, μPUMP 매뉴얼 p.22 · 짧은 펄스: Forman 외 2017 · 펄스의 양, 문턱: 이 페이지의 계산(밸브의 지연은 가정)
03 유압식
부피를 정한다
자동화한 유압식이 용적식이다. 모터와 나사가 철사 플런저를 밀고, 플런저가 바늘 속 기름을 바로 민다. 관이 없어, 권하는 바늘에서는 민 부피가 1 ms 안에 바늘 끝으로 나간다.
- 정하는 것
- 플런저가 미는 부피. Nanoject III는 0.6~999.9 nL를 0.1 nL 단위로 넣는다(플런저 0.55 µm).
- 맞추는 일
- 기름 채우기. 바늘 뒤를 광유나 실리콘유로 채우고 공기 방울을 뺀다. 공기 방울이 있으면 정확히 넣지 못한다. 방울 보정은 필요 없다.
- 한계
- 적은 양과 가는 끝. 0.6 nL보다 적게는 못 넣고, 끝 10~30 µm를 권한다.
- 켜는 법
- 발판, TTL. 자동 주입에도 쓴다.
손으로 돌리는 기름 인젝터
손잡이로 피스톤을 밀어 기름 관을 거쳐 민다(CellTram 4r Oil, Narishige IM-21). 관이 부풀어, 가는 ICSI 바늘에서는 민 부피가 다 나가는 데 13~32분이 걸린다. 그래서 같은 손놀림에 큰 압력을 내는 도구에 가깝다.
손 기름 인젝터의 짜임
출처: Nanoject III 브로슈어와 매뉴얼 p.6~9·p.14 · 켜는 법: Forman 외 2017 표 S1 · 자동 주입: Guo 외 2024 · 손 기름 인젝터: Eppendorf 2017 p.11, Narishige IM-21 · 나가는 시간: 이 페이지의 계산(관의 탄성은 가정)
04 쓰임
압력을 정하는 일, 부피를 정하는 일
공압식: 같은 양을 많은 개체에
- 제브라피시 배아: 1세포기에 mRNA나 모폴리노 1~3 nL. 자동 시스템은 분당 15개를 넣었다.
- 제브라피시 치어 이종이식: 로봇이 암세포를 넣는다.
- 부착 세포, 예쁜꼬마선충, 초파리: fL~100 pL(FemtoJet 4i, 끝 안지름 0.5 µm).
- 생쥐 전핵 주입, 신경 조직의 약물 분사.
바늘 하나로 같은 주입을 되풀이하니, 그 바늘만 맞추면 된다.
유압식: 세포 하나, 또는 정한 부피
- ICSI, 핵치환, ES 세포 주입, 생검: 정자나 핵, 세포 하나를 바늘 안에서 빨아들이고, 세우고, 내보낸다. 주입과 탈핵에는 기름식을 쓴다.
- 식물 세포: 높은 압력이 필요하다(손 기름 인젝터는 20,000 hPa).
- 정한 nL를 되풀이: 제브라피시 자동 주입에 Nanoject III를 쓴 예가 있다.
잡는 쪽(홀딩 피펫)은 공기로 충분하다. 제조사의 작업대도 잡는 쪽에 공기 인젝터를 둔다. 공기는 작은 압력을 곱게 맞추고 담아 두어, 붙잡는 힘이 일정하다.
출처: 제브라피시 배아: Yuan·Sun 2009, Wang 외 2007 · 이종이식: Ding 외 2024 · 부착 세포·선충·초파리와 작업대: Eppendorf 2017 p.7·p.12 · 전핵 주입: Liu 외 2013 · 약물 분사: Forman 외 2017 · ICSI와 핵치환: Ogura 2017, Eppendorf 2017 p.7·p.11 · 식물 세포: Eppendorf 2017 p.8·p.11 · 용적식 자동 주입: Guo 외 2024 · 잡는 쪽: Ogura 2017, Eppendorf 2017 p.7
정리
압력을 정하나, 부피를 정하나
| 공압식 | 유압식 | |
|---|---|---|
| 미는 것 | 공기 | 기름 |
| 정하는 것 | 압력과 시간 | 민 부피 |
| 바늘이 바뀌면 | 부피가 바뀐다 | 걸리는 압력이 바뀐다 |
| 맞추는 일 | 바늘마다 방울 보정 | 기름 채우기, 공기 방울 빼기 |
| 가장 적은 양 | fL | 0.6 nL(용적식) |
| 최대 압력 | 6,000 hPa 안팎 | 20,000 hPa(손 기름 인젝터) |
| 켜는 법 | 발판, TTL, RS-232 | 손, 용적식은 발판과 TTL |
| 쓰임 | 같은 양을 많은 개체에 | 세포 하나, 정한 nL |
| 대표 장비 | FemtoJet 4i/4x, WPI μPUMP·PV820, Narishige IM-401 | CellTram 4r Oil, Narishige IM-21, Nanoject III |
오해기름 인젝터가 공기 인젝터보다 늘 더 정밀하다.
실제로는정하는 것이 다르다. 손잡이를 0.5° 돌릴 때 기름은 약 150 Pa, 공기는 1~10 Pa가 바뀐다. 기름은 큰 압력을 빨리 내고, 공기는 작은 압력을 곱게 맞춘다. 정한 부피를 그대로 내는 것은 관이 없는 용적식이다.
확인됨 · 가설 · 모름
- 확인됨구조와 사양은 제조사 자료(Eppendorf, WPI, Drummond, Narishige)와, 쓰임은 논문과 절차와 대조했다. 세제곱 법칙, 손잡이의 압력, 나가는 시간, 문턱은 따로 만든 덩어리 모델로 계산했다.
- 가설관의 탄성과 바늘의 원뿔 각(손 기름 인젝터가 내보내는 시간이 여기에 달린다), 밸브가 열리고 닫히는 시간, 세포 현탁액의 점도 2배, WPI의 "몇 %에 열 배"가 문턱 가까이의 경우라는 해석, 04의 까닭 둘(바늘 하나만 맞추면 된다, 공기가 붙잡는 힘을 일정하게 한다).
- 모름제브라피시 배아와 치어 안쪽의 압력. 공압식과 유압식의 정확도를 같은 조건에서 견준 연구는 찾지 못했다.
출처: 사양: Eppendorf 2017 p.11·p.12, Drummond Nanoject III · 손잡이와 나가는 시간: 이 페이지의 계산
질문
자주 묻는 질문
마이크로인젝터는 무엇을 하나?
유리 바늘 안의 액체를 밀고 당겨, 세포나 배아에 nL에서 fL의 용액이나 세포를 넣는 장치다. 바늘을 옮기는 매니퓰레이터와 함께 쓴다. 공기로 미는 공압식과 기름으로 미는 유압식이 있다.
공압식과 유압식 마이크로인젝터는 어떻게 다른가?
공압식은 조절한 공기 압력을 정한 시간만큼 걸어 시료를 민다. 나가는 부피는 바늘 끝 크기, 점도, 받는 쪽 압력에 따라 변한다. 유압식은 피스톤이나 플런저가 기름을 밀어, 민 부피만큼 바늘 끝의 시료를 움직인다.
보정압(compensation pressure)은 왜 거나?
주입 사이에 거는 낮은 양압이다. 바늘 속 공기-시료 경계의 표면 장력이 배양액을 바늘로 끌어들이는 것을 막는다(WPI μPUMP 매뉴얼). 필요한 압력은 바늘 끝이 아니라 경계가 있는 곳의 안지름이 정한다. 안지름 0.5 µm에서 약 80 psi, 0.5 mm에서 0.08 psi다.
미세주입량은 어떻게 맞추나?
광유 위에 시료 방울을 쏘아 지름 d를 재고 V = πd³/6으로 부피를 구한다. 지름 124 µm가 1 nL다(WPI μPUMP 매뉴얼). 공압식은 바늘을 바꿀 때마다 이 방울 보정으로 주입 시간이나 압력을 다시 맞춘다.
세포 안의 압력이 주입량을 바꾸나?
주입압이 낮을 때 그렇다. 배양 세포 두 종(RT4, T24)의 안쪽 압력은 평균 341 Pa와 405 Pa였다. 1 kPa로 넣자 실제 부피가 열린 배지에서 맞춘 것보다 20~35% 적었다(Wang X 외 2018). 주입압이 100 kPa(약 15 psi)면 이 몫은 0.3~0.4%다(이 페이지의 계산).
Nanoject 같은 용적식 인젝터는 어떻게 작동하나?
모터가 철사 플런저를 기름을 채운 유리 바늘 속으로 정한 거리만큼 밀어, 그만큼의 시료를 끝으로 내보낸다. Nanoject III는 0.6~999.9 nL를 0.1 nL 단위로 넣는다(Drummond). 부피를 플런저가 정해 바늘마다 방울을 재지 않아도 된다.
ICSI에는 왜 기름식 인젝터를 쓰나?
정자나 핵 하나를 바늘 안에서 빨아들이고, 세우고, 내보내야 해서다. 주입과 탈핵에는 기름식을 쓰고, 잡는 쪽은 공기식이어도 된다(Ogura 2017). 기름 인젝터는 같은 손놀림에 압력이 공기 인젝터의 16~160배로 바뀐다(이 페이지의 계산).
FemtoJet 4i와 4x는 어떻게 다른가?
둘 다 주입압, 보정압, 주입 시간을 정하는 전자식 공압 인젝터다. 4i는 압축기를 품고 fL~100 pL의 연속 주입에 권한다. 4x는 바깥 압력원을 쓰고 1 µL까지의 부피와 긴 주입 연속(예쁜꼬마선충, 이른 물고기 배아, 개구리 난모세포)에 권한다(Eppendorf 2017 p.12).
더 보기
- Eppendorf, Smooth Operator: 미세조작기와 인젝터 브로슈어 (2017)
- WPI, µPUMP 매뉴얼 (2024)
- Drummond, Nanoject III 매뉴얼 (2023)
- Forman 외, Openspritzer: an open hardware pressure ejection system (Scientific Reports, 2017)
- Wang X 외, Effect of Cell Inner Pressure on Deposition Volume in Microinjection (Langmuir, 2018)
- Wang W 외, A Fully Automated Robotic System for Microinjection of Zebrafish Embryos (PLoS ONE, 2007)
- Yuan, Sun, Microinjection of mRNA and Morpholino Antisense Oligonucleotides in Zebrafish Embryos (JoVE, 2009)
- Ding 외, Automated microinjection for zebrafish xenograft models (bioRxiv, 2024)
- Liu 외, Pronuclear Microinjection and Oviduct Transfer Procedures for Transgenic Mouse Production (2013)
- Ogura, Cloning Mice (Cold Spring Harbor Protocols, 2017)
- Guo 외, Design of an automated robotic microinjection system for batch injection of zebrafish embryos and larvae (2024)
- Gholizadeh 외, Fluid Bulk Modulus: A Literature Survey (International Journal of Fluid Power, 2011)
- Casey, In Search of the Perfect Hydraulic Fluid – Part II (Machinery Lubrication)
- 계산: 공기·기름·관의 압축성과 바늘 끝의 저항을 넣은 덩어리 모델(파이썬)로 이 페이지의 숫자와 직접 해보기를 확인했다. 관의 탄성과 바늘의 원뿔 각은 가정이다.