KR100496977B1 - 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치. - Google Patents

모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치. Download PDF

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Abstract

본 발명은 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 시료주입장치에 관한 것으로, 특히 시료주입방법을 선택할 수 있는 다기능 시료주입장치에 관한 것이다. 본 발명은 한 시스템에서 두 가지 시료 주입방법을 동시에 수행가능하고, 각 4개의 단자에 입력되는 전압을 다양하게 변화시켜 분리채널로 이동하는 시료의 플러그 모양을 조절하여 분석 시료에 따라 최적화된 시료주입전압 공급이 가능하며 단자전압을 조절하여 시료의 양 조절이 가능하고, 조립이 용이하며 기존의 고전압 공급장치 1대의 비용보다 적은 비용으로 제작 가능한 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치를 제공하기 위하는 것으로, 전압 공급장치와 전압공급부에서 공급된 전압을 변환하여 상이한 다수개의 출력전압을 발생시키는 전압 발생부와 상기 전압 발생부의 상이한 다수개의 출력전압을 제어하여 각각의 출력전압을 변화시키는 제어부를 포함한다.

Description

모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치.{MULTIFUNCTION INJECTIN SYSTEM FOR A CAPILLARY ELECTROPHORESIS MICROCHIP}
본 발명은 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 시료주입장치에 관한 것으로, 하기할 종래의 시료주입방법인 개폐식시료주입방법과 집중식시료주입방법을 선택하여 사용가능하게 하는 다기능 시료주입장치에 관한 것이다.
최근 합성화학과 생명과학의 발전으로 신약개발이나 진단 등의 분야에서 분석해야 하는 표적물질의 증가를 가져오게 되었고, 이에 따라 고가의 시약이나 시료가 다량으로 필요하게 되어 극미량 분석을 통한 비용 절감의 필요성이 높아지고 있다.
극미량의 시료나 시약을 다루는 일의 비중이 증가하면서 각광받게 된 것이 실험실칩(lab-on-a-chip) 기술이다. 실험실칩은 반도체 분야에서 널리 사용되는 사진식각인쇄(photolithography)기술이나 미세 가공 기술(micromachining)을 이용하여 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 ㎠ 크기의 칩 위에 여러 가지 장치들을 집적시킨 화학 마이크로 프로세서로서, 고속, 고효율 및 저비용의 자동화된 실험이 가능하다.
실험실칩 내에서 극미량 유체를 이송하는 방법은 시료의 양이 매우 작고, 대부분의 경우 유체의 이송이 매우 작은 크기의 미세 채널에서 이루어져야 하는 이유로 기존의 유체 이송방법과는 전혀 다르다.
모세관 전기이동장치를 구현한 모세관 전기영동 마이크로 칩은 펌프나 밸브등의 유체 제어장치 없이 전기장만으로 유체의 흐름을 조절할 수 있어 장치가 매우 간단하며, 운용이 용이하고, 고속 분석이 가능하다. 상기 모세관 전기이동 장치를 구현한 실험실용 칩에서 할 수 있는 시료주입은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 두 가지 방법으로 행하여져 왔다.
도 1을 간략히 설명하면 다음과 같다. 개폐식주입방법은 도1a에 도시한바와 같이 초기에 4개의 부에 각각 완충용액주입부(1)에 HV를, 시료주입부(2)에 0.9V를, 시료배출부(3)에 0.7V를, 완충용액배출부(4)에 0V의 전압을 걸고, 도1b에 도시한바와 같이 수초동안 고전압이 나오는 완충용액주입부(1)를 차단(floating)시킴으로써 시료를 이동시킨다. 상기 HV는 고전압을 지칭하는 것으로 일반적으로 500V 내지 5kV 범위에서 시료에 따라 변화한다.
집중식주입방법은 도 2a에 도시한바와 같이 초기에 4개의 부에 각각 완충용액주입부(6)에 HV를, 시료주입부(5)에 HV를, 시료배출부(7)에 0V를, 완충용액배출부(8)에 HV의 전압을 걸고, 그 후에 도 2b에 도시한바와 같이 수초동안 각각 완충용액주입부(6)에 HV를, 시료주입부(5)에 0.7HV를, 시료배출부(7)에 0.7HV를, 완충용액배출부(8)에 0V의 전압을 인가시킴으로써 시료를 이동시킨다.
종래 시료주입장치의 회로도를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3은 개폐식주입방법장치를 위한 회로도로서, 고전압 공급장치(9)에서 발생한 고전압을 고전압 분배장치에서 완충용액주입부(1), 시료주입부(2), 시료배출부(3), 완충용액배출부(4)에서 필요로 하는 전압으로 분배되어진 후 시료 주입을 위해 완충용액주입부(1)에 연결된 고전압 릴레이(11)를 이용하여 완충용액부를 차단시킨다. 도 4의 집중식주입방법장치는 두 개의 고전압 분배장치를 제작한 후 고전압 공급장치에서 발생한 고전압을 릴레이(12)를 통해 서로 번갈아 접속하여 시료주입부(5), 완충용액주입부(6), 시료배출부(7), 완충용액배출부(8)의 전압을 변화시킨다.
종래의 시스템은 한 시스템 내에서 두 가지의 시료주입 방법을 구현 할 수 없기 때문에 분석물질에 따른 시료주입방법을 다양하게 할 수 없고, 상기 전압분배장치는 저항에 의하여 이루어져서 시스템의 자동화가 불가능하고, 저항의 오차에 따른 전압의 변화가 있을 수 있어 안정된 전압공급이 어려우며, 상기전압분배장치의 출력전압은 고전압 공급원에서 나온 전압의 총량을 초과하지 못하는 한계를 가진다.
이는 분리채널로 공급되는 시료의 양 및 시료플러그의 모양의 변화가 불가능하여 시스템의 분리능에 많은 영향을 미친다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 발명된 것으로써, 본 발명의 목적은 한 시스템에서 개폐식시료주입방법과 집중식시료주입방법을 동일한 시스템내에서 선택하여 수행가능하게 하고; 완충용액주입부, 시료주입부, 시료배출부, 완충용액배출부등 모세관 전기영동 마이트로칩의 각 부에 입력되는 전압을 다양하게 변화시켜 분리채널로 이동하는 시료의 플러그 모양을 조절하여 분석 시료에 따라 최적화된 시료주입전압 공급을 가능케 하며, 각 부의 전압을 조절하여 시료양의 조절을 가능하게 하는 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 시료가 이동하는 채널이 형성되어 있으며, 채널의 종단에 제1 내지 제4 단자를 구비하는 마이크로칩과; 상기 마이크로칩의 제1단자에 연결되는 완충용액배출부 단자와, 상기 마이크로칩의 제2단자에 연결되는 시료주입부단자와, 상기 마이크로칩의 제3단자에 연결되는 시료배출부 단자와, 상기 마이크로칩의 제4단자에 연결되는 완충용액주입부단자에 전원을 공급하는 전압발생부와; 개폐식 주입방식 및 집중식 시료주입방법에 따라, 상기 전압발생부가 제1내지 제4단자에 공급하는 전압 및 전압시간을 선택하여 제어하는 제어부를 포함하는 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 5는 채널이 형성된 마이크로칩의 평면도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 시료가 이동하는 채널이 형성된 마이크로칩은 제 1 단자(23), 제 2 단자(20), 제 3 단자(22), 제 4 단자(21)를 포함한다.
도 6은 본원발명에 따른 실시예의 회로도이다.
전압공급부(101)에서 공급되는 전원은 전압발생부(102)로 인가되고, 제어부(103)의 신호에 따라 전압발생부(102)의 완충용액배출부단자(104), 시료주입부단자(105), 시료배출부단자(106), 완충용액주입부단자(107)에는 각각 상이한 전압이 인가된다. 상기 완충용액배출부단자(104)는 상기 제 1 단자(23)에, 시료주입부단자(105)는 상기 제 2 단자(20)에, 시료배출부단자(106)는 상기 제 3 단자(22)에, 완충용액주입부단자(107)는 상기 제 4 단자(21)에 각각 연결되고, 제어부(103)에서 설정된 전압에 따라 각각의 단자에 전압들이 인가되어 시료를 주입할 수 있게 된다.
예를 들어 개폐식 주입방식을 이용하는 경우, 초기에 완충용액배출부단자(104)에는 0을, 시료주입부단자(105)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액주입부단자(107)에는 HV를 설정하고, 전압유지시간을 20초로 설정하면 20초 동안 각 단자는 상기전압을 유지하며, 그 후에는 완충용액주입부단자(107)는 플로팅을 시키고, 시료배출부단자(106)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액배출부단자(104)에는 0을 설정하고, 전압유지시간을 5초로 설정한다. 상기 HV는 고전압을 지칭하는 것으로 일반적으로 500V 내지 5kV 범위에서 시료에 따라 상이하게 설정한다. 이 과정을 반복하면 개폐식 시료주입방법을 수행할 수 있으며, 설정값은 제어기(103)에 미리 입력한다.
도 7은 본원발명의 다른 실시예의 회로도이다.
본 실시예의 작동원리는 다음과 같다.
전압공급부(101)에서 공급되는 전원은 3개의 컨버터(201, 202, 203)로 인가되고, 제어부(103)의 신호에 따라 3개의 컨버터(201, 202, 203)의 각각의 출력단에는 각각 상이한 전압이 인가된다. 상기 3개의 출력단은 완충용액배출부단자(104), 시료주입부단자(105), 시료배출부단자(106), 완충용액주입부단자(107)에 연결된다.
상기 완충용액배출부단자(104)와 완충용액주입부단자(107)는 상기3개의 컨버터의 출력단 중 1개의 출력단과 연결되며, 릴레이(110)는 상기 완충용액배출부단자(104)에 위치하여 컨버터(201)의 출력단과 접지부 중 하나를 제어신호에 따라 선택하여 완충용액배출부단자(104)에 연결시킨다. 예컨대 개폐식시료주입방식일 때는 릴레이가 (ⅱ)의 위치로 되어 완충용액배출부단자(104)의 전압은 접지가 되며, 집중식시료주입방식으로 시스템이 구동될 때는 릴레이가 (ⅰ)과 (ⅱ)의 위치로 반복하여 변환하여 완충용액배출부단자의 전압은 컨버터(201)의 출력전압과 접지상태로 반복하여 변환하게 된다.
본 실시예에 따르면, 제어부(103)에서 발생하는 신호에 따라 컨버터(201, 202, 203)가 작동하게 되고, 또한 릴레이의 작동도 결정되어 각각의 단자에 설정된 전압들이 인가되어 시료를 주입할 수 있게 된다.
예를 들어 개폐식 주입방식을 이용하는 경우, 초기에 제어부(103)에서는 릴레이를 작동시키는 신호를 내보내 완충용액배출부출력단자(104)를 접지된 상태로 만든다. 동시에 시료주입부단자(105)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액주입부단자(107)에는 HV를 설정하고, 전압유지시간을 20초로 설정하면 20초 동안 각 단자는 상기전압을 유지하며, 그 후에는 완충용액주입부단자(107)는 플로팅을 시키고, 시료배출부단자(106)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액배출부단자(104)에는 0을 설정하고, 전압유지시간을 5초로 설정하여 이와 일치하는 제어신호를 3개의 컨버터(201, 202, 203)에 인가하면 또한 5초 동안 상기 전압이 각 단자에 유지된다. 이 과정을 반복하면 개폐식 시료주입방법을 수행할 수 있으며, 설정값은 제어기(103)에 미리 입력한다.
또한 집중식시료주입방식으로 시스템이 구동될 때는 릴레이가 (ⅰ)과 (ⅱ)의 위치로 반복하여 변환하여 완충용액주입부단자(104)의 전압은 컨버터(201)의 출력전압과 접지상태로 반복하여 변환하게 된다.
더 바람직하게는 상기 컨버터들의 출력단에 커패시터를 구비하여 잡음의 영향을 제거할 수 있다.
도 8은 본원발명의 또 다른 실시예의 회로도이다.
본 실시예의 작동원리는 다음과 같다.
전압공급부(101)에서 공급되는 전원은 4개의 컨버터(301, 302, 303, 304)로 인가되고, 제어부(103)의 신호에 따라 4개의 컨버터(301, 302, 303, 304)의 4개의 출력단에는 각각의 상이한 전압이 인가되게 된다. 상기 4개의 출력단은 완충용액배출부단자(104), 시료주입부단자(105), 시료배출부단자(106), 완충용액주입부단자(107)에 연결된다.
제어부(103)에서 발생하는 신호에 따라 컨버터(301, 302, 303, 304)가 작동하게 되고, 각각의 단자에 설정된 전압들이 인가되어 시료를 주입할 수 있게 된다.
예를 들어 개폐식 주입방식을 이용하는 경우, 초기에 완충용액배출부단자(104)에는 0을, 시료주입부단자(105)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액주입부단자(107)에는 HV를 설정하고, 전압유지시간을 20초로 설정하면 20초 동안 각 단자는 상기전압을 유지하며, 그 후에는 완충용액주입부단자(107)는 플로팅을 시키고, 시료배출부단자(106)에는 0.9HV를, 시료배출부단자(106)에는 0.7HV를, 완충용액배출부단자(104)에는 0을 설정하고, 전압유지시간을 5초로 설정하여 이와 일치하는 제어신호를 4개의 컨버터(301, 302, 303, 304)에 인가하면 또한 5초 동안 상기 전압이 각 단자에 유지된다. 이 과정을 반복하면 개폐식시료주입방법을 수행할 수 있으며, 설정값은 제어기(103)에 미리 입력한다.
더 바람직하게는 상기 컨버터들의 출력단에 커패시터를 구비하여 외부환경에 의하여 발생하는 잡음의 영향을 제거할 수 있다.
한 시스템에서 두 가지 시료 주입방법을 동시에 수행가능하고, 각 단자에 입력되는 전압을 다양하게 변화시켜 분리채널로 이동하는 시료의 플러그 모양을 조절하여 분석 시료에 따라 최적화된 시료주입전압 공급이 가능하며 단자전압을 조절하여 시료양의 조절을 가능하게 하며, 조립이 용이하며 기존의 고전압 공급장치 1대의 비용보다 적은 비용으로 제작 가능한 모세관 전기용동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치를 제공하기 위하는 것이다.
도 1a는 개폐식 주입방법의 초기상태이다.
도 1b는 개폐식 주입방법의 플로팅상태이다.
도 1c는 개폐식 주입방법의 시료주입상태이다.
도 2a는 집중식 주입방법의 샘플 저장상태이다.
도 2b는 집중식 주입방법의 샘플 주입상태이다.
도 3은 개폐식 주입방법장치의 회로도이다.
도 4는 집중식 주입방법장치의 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 채널이 형성된 마이크로칩의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 실험실 칩을 위한 다기능 시료주입장치의 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예의 회로도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예의 회로도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 완충용액주입부 2 : 시료주입부
3 : 시료배출부 4 : 완충용액배출부
5 : 시료주입부 6 : 완충용액주입부
7 : 시료배출부 8 : 완충용액배출부
10 : 개폐식시료주입장치단자 11 : 고전압릴레이
13 : 집중식시료저장장치단자 14 : 집중식시료주입장치단자
101 : 전압공급부 102 : 전압발생부
103 : 제어부 104 : 완충용액배출부단자
105 : 시료주입부단자 106 : 시료배출부단자
107 : 완충용액주입부단자 110 : 릴레이
201 : 제 1 컨버터

Claims (2)

  1. 시료가 이동하는 채널이 형성되어 있으며, 채널의 종단에 제1 내지 제4 단자를 구비하는 마이크로칩과;
    상기 마이크로칩의 제1단자에 연결되는 완충용액배출부 단자와, 상기 마이크로칩의 제2단자에 연결되는 시료주입부단자와, 상기 마이크로칩의 제3단자에 연결되는 시료배출부 단자와, 상기 마이크로칩의 제4단자에 연결되는 완충용액주입부단자에 전원을 공급하는 전압발생부와;
    개폐식 주입방식 및 집중식 시료주입방법에 따라, 상기 전압발생부가 제1내지 제4단자에 공급하는 전압 및 전압시간을 선택하여 제어하는 제어부를 포함하는 모세관 전기영동 마이크로 칩을 위한 다기능 시료주입장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 발생부는 상기 전압공급원에서 인가된 전압을 변환하는 3개의 컨버터와;
    상기 3개의 컨버터의 출력단 중 어느 하나의 출력단의 전압과 접지전압을 선택적으로 상기 완충용액주입부단자에 인가하고, 상기 컨버터의 출력단과 상기 완충용액주입부단자사이에 개재되는 릴레이를 포함하고;
    상기 제어부는 3개의 컨버터를 제어하여 각각의 출력전압 및 릴레이의 작동여부를 제어하는 것을 특징으로 하는 실험실 칩을 위한 다기능 시료주입장치.
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