KR100573926B1 - 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종미소입자 분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미소유로 내에 3차원 광학적 에너지 준위를 이용하여 연속적으로 다종 미소입자를 분리하는 장치에 관한 것이다.

이 다종 미소입자 분리기는 미소입자 혼합물이 주입되는 입구 미소유로와; 상기 입구 미소유로를 통해 주입된 미소입자 혼합물의 분리구역에 3차원 광학적 에너지 준위를 분포시켜 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 광학적 특성에 따라 종류별로 분리되도록 하는 다수의 광원들과; 상기 다수의 광원들에 의해 종류별로 분리된 미소입자들이 배출되는 출구 미소유로를 포함한 것을 특징으로 한다.

미소입자, 광원, 광학적 에너지준위

Description

3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기 {Continuous multi-cell sorting device using 3D optical potential in micro channel}

도 1a와 도 1b는 본 발명의 한 실시예에 따른 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기의 구성도,

도 2는 다수의 광원들에 의해 생성된 3차원 광학적 에너지 준위를 도시한 도면,

도 3은 다수의 광원들의 배치도,

도 4는 도 1에 도시된 다종 미소입자 분리기의 입구 미소유로에 유입 압력을 가하는 상태를 도시한 도면,

도 5는 도 1에 도시된 다종 미소입자 분리기의 3차원 광학적 에너지 준위 분포 구역의 폭이 유체 흐름에 따라 달라지는 상태를 도시한 도면,

도 6은 다수의 광원들의 전력을 조절한 상태를 도시한 도면,

도 7은 유체 흐름에 따라 광원들간 간격 및 광원들의 분포를 조정한 상태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

11 : 유체입력수단 12 : 입구 미소유로

13 : 광원들 17 : 출구 미소유로

18 : 유체출력수단

본 발명은 미소유로에서 다종(多種) 미소입자를 분리하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미소유로 내에 3차원 광학적 에너지 준위를 이용하여 연속적인 다종 미소입자를 분리하는 장치에 관한 것이다.

생물학이나 의학에서 질병을 진단하거나 질병에 따른 세포의 변형을 연구하는 데에 다종 미소입자 분리기를 사용한다. 한 예로서, 인체에서 백혈구에 관련한 질병들이나 면역 반응을 연구할 경우, 백혈구 샘플을 서로 다른 기능을 하는 5종류의 부분 모집단(subpopulation)들로 분리하면, 인체의 특이한 변화가 있을 때 부분 모집단의 증가 혹은 감소하는 양을 쉽게 판별하여 백혈구에 관련된 연구에 이용할 수 있다.

생화학적 미소입자 분석기로서, 종래에는 분리하고자 하는 생화학적 미소입자의 표면에 형광(fluorescence)이나 자기표식(magnetic label)을 부착하고, 이들 표식에 의해 발생하는 차이를 이용하여 생화학적 미소입자를 분석하는 방식이 제안되었다. 그러나, 이 방식은 분리하고자 하는 미소입자에 표식을 부착하는 시료의 전처리 과정이 추가되고, 분리하고자 하는 목적에 따라 이들 표식들을 제거해야만 하는 경우에는 사용이 불가능하거나 번거로운 작업이 추가되는 문제점이 있다.

다른 종래기술로서, 유전영동(dielectrophoresis) 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기가 있다. 유전영동이란 불균일한 교류 전기장 속에서 생화학적 미소입자와 그 생화학적 미소입자를 둘러싼 용액 사이의 상대적인 전기분극성(electrical polarizability) 차이에 의한 미소입자들의 이동을 말한다. 유전영동에 의해 입자가 받는 힘은, 전기영동(electrophoresis)과는 달리 입자의 표면 전하상태와는 무관하게 미소입자의 내부 구성 물질과 용액의 전도도, 그리고 인가 전기장의 주파수 함수이기 때문에 다양한 생화학적 미소입자 혼합물의 분리에 적용될 수 있다. 더욱이, 유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기는 생화학적 미소입자의 표면에 표식을 부착하는 과정이 필요없고, 분석기 제작도 종래의 집적화된 생물학적 분석기와 호환성을 가지기 때문에 분석기의 다른 구성요소들과의 집적이 용이한 장점이 있다.

유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기의 한 종래기술로서, R. Pethig와 G. Hendricus가 제안한 방식은 미소펌프와 밸브의 제어에 의한 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름이 불연속적인 분리방식이다. 이러한 불연속적인 분리방식은 부가적인 미소유체요소들의 집적화가 추가로 필요하고, 고속처리(high throughput)를 위해서는 전극 면적이 증가되어야 하는 문제점이 있다.

유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기의 다른 종래기술로서, A. Pohl이 제안한 방식은 원통형 전극을 이용하여 연속적인 생화학적 미소입자 혼합물 을 분리하는 방식이다. 이 방식은 원통형 전극의 특성상 미소가공법을 사용한 소형화와 집적화가 불가능하고, 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전기장의 구배가 작기 때문에 충분한 분리를 위해서는 유로를 길게 하거나 전압을 높여 주어야 하는 문제점이 있다.

종래의 미소입자 분석기는 샘플을 주입하고 일정 시간이 지난 후에 분리가 가능하며, 일단 샘플이 주입된 후에 다시 주입하기까지 시간 간격이 있기 때문에 연속적인 분리기로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 백혈구의 부분 모집단을 분리하는 미소입자 분석기는 자기 미소입자를 표식화하여 항체와의 결합 유무에 따라 분리한다. 하지만, 종래의 미소입자 분석기는 표식화와 같은 샘플의 전처리과정이 필요하고, 표식화를 할 수 없는 샘플일 경우에는 분리가 불가능한 문제점이 있다. 즉, 표식화 작업에 의해 분리기의 응용범위가 국한되며, 샘플 표식화 작업이 불연속적인 작업이기 때문에 연속적인 분리가 불가능한 문제점이 있다.

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 미소유로 내에 다수의 광원을 설치하여 3차원 광학적 준위를 형성함으로써, 다양한 종류의 미소입자를 분리하는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다종 미소입자 분리기는, 미소입자 혼합물이 주입되는 입구 미소유로와;

상기 입구 미소유로를 통해 주입된 미소입자 혼합물의 분리구역에 3차원 광학적 에너지 준위를 분포시켜 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 광학적 특성에 따라 종류별로 분리되도록 하는 다수의 광원들과;

상기 다수의 광원들에 의해 종류별로 분리된 미소입자들이 배출되는 출구 미소유로를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1a와 도 1b는 본 발명의 한 실시예에 따른 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기의 구성도이다.

이 다종 미소입자 분리기는 다양한 종류의 미소입자들이 혼합된 미소입자 혼합물을 분사하는 유체입력수단(11)과, 유체입력수단(11)로부터 분사된 미소입자 혼합물이 통과하는 입구 미소유로(12)와, 입구 미소유로(12)로 입력된 미소입자 혼합물을 분리하기 위한 광을 송출하여 3차원 광학적 에너지 준위를 형성하는 다수의 광원들(13)과, 3차원 광학적 에너지 준위에 의해 분리된 미소입자들이 출력되는 다수의 출구 미소유로(17)와, 상기 출구 미소유로를 통해 송출되는 미소입자들을 출력하는 유체출력수단(18)을 포함한다.

유체입력수단(11)에는 다양한 종류의 미소입자들이 혼합되어 있으며, 이 미 소입자 혼합물은 미소유로(12)를 통과하여 3차원 광학적 에너지 준위가 분포된 영역으로 유입된다. 이 3차원 광학적 에너지 준위는 다수의 광원들(13)에 의해 형성되며, 미소입자 혼합물이 3차원 광학적 에너지 준위가 분포된 영역을 통과하면 미소입자 혼합물에 포함된 미소입자들의 광학적 특성에 따라 각 미소입자들이 분리된다. 3차원 광학적 에너지 준위가 분포된 영역을 통과한 각 미소입자들은 출구 미소유로(17)를 통해 유체출력수단(18)으로 송출된다.

다수의 광원들(13)은 광원의 에너지 준위를 모두 동일한 크기로 구성하거나, 다른 크기로 구성할 수 있으며, 다수의 광원들(13)에 의해 생성된 3차원 광학적 에너지 준위가 도 2에 도시되어 있다. 도 2의 (a)는 다수의 광원들(13)의 모든 광원의 에너지 준위가 모두 동일한 구성이고, 도 2의 (b)는 다수의 광원들(13)의 에너지 준위가 다른 상태의 구성이다. 에너지 준위의 크기는 어레이가 위치한 면과 수직한 방향으로의 높이를 의미하는데, 해당 방향으로의 높이가 높으면 에너지 준위가 큰 것이고 해당 방향으로의 높이가 낮으면 에너지 준위가 작은 것이다.

이와 같이 3차원 광학적 에너지 준위가 분포된 영역을 서로 다른 종류의 미소입자들이 포함된 미소입자 혼합물이 통과하면, 각 미소입자들이 가지고 있는 광학적 특성(광 상대 굴절률)의 차이로 인해 각 종류의 미소입자들은 같은 위치에서라도 다른 크기의 힘을 받는다. 결과적으로 각 종류의 미소입자들에 가해지는 광압의 크기와 방향이 서로 다르게 되어 각 종류마다의 흐름이 조절된다.

미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 특징에 따라 다수의 광원들(13)의 배치를 변화시킬 수 있다. 도 3은 다수의 광원들(13)의 광원 배치도이다. 다양한 종류의 미소입자들의 크기가 전체적으로 작을 경우에는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 광원들 간의 간격을 줄여서, 다수의 광원이 미소입자들에게 효과적으로 영향을 줄 수 있도록 한다. 또한, 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 종류가 많을 경우에는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 광원의 수를 늘리는데, 이로써 에너지 준위를 형성하는 면적이 넓어져서 분리되는 간격을 넓힐 수 있다. 또한, 미소입자간 광학적 특성(광 상대 굴절률)의 차이가 적은 경우에는 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이 유체가 흐르는 방향으로 광원의 분포를 늘려서 긴 범위 내에서 누적된 힘이 미소입자에 영향을 주도록 한다.

도 4는 도 1에 도시된 다종 미소입자 분리기의 입구 미소유로에 유입 압력을 가하는 상태를 도시한 도면이다. 입구 미소유로로 입력되는 미소입자 혼합물에 유입압력(21)을 가하면, 유체가 흐르는 방향으로 유동압력(22, 23)의 크기가 달라진다. 이럴 경우 미소입자가 위치한 위치에 따라 미소입자에 가해지는 유동압력이 다르기 때문에, 미소입자에 가해지는 광압이 차이가 나며, 이로 인해 미소입자의 흐름이 조절된다.

도 5는 도 1에 도시된 다종 미소입자 분리기의 3차원 광학적 에너지 준위 분포 구역의 폭이 유체 흐름방향에 따라 달라지는 상태를 도시한 도면이다. 입구 미소유로로 입력되는 미소입자 혼합물의 흐름방향에 따라 3차원 광학적 에너지 준위 분포 구역(24)의 폭을 변화시키면 해당 구역(24)의 폭이 변함에 따라 유동 압력에 의한 힘이 달라지고, 이를 이용하여 미소입자 종류의 수 또는 그 광학적 특성에 따라 3차원 광학적 에너지 준위 분포가 위치한 곳에서의 유체의 흐름을 조절할 수 있 다.

도 6은 다수의 광원들의 전력을 조정한 상태를 도시한 도면이다. 다수의 광원들(13a, 13b, 13c)의 전력을 상, 중, 하로 조정하여 3차원 광학적 에너지 준위 분포를 변화시키면, 서로 다른 종류의 미소입자에 가해지는 광압의 방향과 크기가 조절되며, 이로 인해 미소입자들을 그 종류별로 보다 용이하게 분리할 수 있다.

도 7은 유체 흐름에 따라 광원들간 간격 및 분포된 개수를 조정한 상태를 도시한 도면이다. 즉, 유체의 흐름방향으로 점차적으로 광원들의 개수를 더 많이 분포시킨 상태를 도시한다.

본 발명은 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이 3차원 광학적 에너지 준위를 분포시키는 광원들의 수와 배치를 조정할 수 있으며, 각 광원들의 전력을 조정하여 3차원 광학적 에너지 준위 분포를 변화시킬 수 있다.

미소입자 혼합물은 3차원 광학적 에너지 준위 분포 영역을 통과하면서 각 종류별로 분리되고, 분리된 각 종류별 미소입자들은 출구 미소유로를 통해 분리 배출된다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 미소입자 고유의 광학적 특성과 형태와 크기와 같은 물리적인 특성을 이용하여 다양한 종류의 미소입자들을 그 종류별로 분리하기 때문에 전처리 과정이 필요하지 않으며, 연속적인 분리가 가능한 효과가 있다. 또한, 전체 시스템이 모두 미소유로로 구성되어 있기 때문에 소형화가 가능하고 기존의 집적화된 시스템과의 집적이 용이한 이점이 있다.

Claims (8)

1. 미소입자 혼합물이 주입되는 입구 미소유로와;

   상기 입구 미소유로를 통해 주입된 미소입자 혼합물의 분리구역에 3차원 광학적 에너지 준위를 분포시켜 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 광학적 특성에 따라 종류별로 분리되도록 하는 다수의 광원들과;

   상기 다수의 광원들에 의해 종류별로 분리된 미소입자들이 배출되는 출구 미소유로를 포함한 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 입구 미소유로에서 상기 분리구역으로 주입되는 상기 미소입자 혼합물에 유입압력을 가하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 미소입자 혼합물의 흐름방향에 따라 상기 분리구역의 폭을 변화시키는 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광원들의 전력은 모두 동일한 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 광원들은 상기 분리구역에 2차원 배열로 배치된 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 크기에 따라 상기 광원들간의 사이 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 종류의 개수에 따라 상기 광원들의 개수를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 미소입자 혼합물을 구성하는 미소입자들의 광학적 특성의 차이에 따라 상기 미소입자 혼합물의 흐름방향으로 분포된 광원들의 개수를 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 광학적 에너지 준위를 이용한 연속적인 다종 미소입자 분리기.

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