KR100647320B1 - 혈청 분리용 마이크로 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 관한 것으로서, 마이크로 장치 내에 소정의 챔버 및 채널이 구비되어 있어, 혈액을 마이크로 장치 내에 형성되어 있는 채널에 주입시키고 원심분리를 수행하면 그 주입된 혈액 중의 혈청과 혈구가 서로 다른 챔버에 분포되어 혈액으로부터 혈청을 분리할 수 있는 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공한다.

Description

혈청 분리용 마이크로 장치{Microsystem for separating serum from blood}
도 1a는 본 발명에 따른 U 자형 채널을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치의 단면도이다.
도 1b는 본 발명에 따른, 주사용 바늘 (6)을 더 포함하는 U 자형 채널을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치의 단면도이다.
도 1c는 본 발명에 따른, 혈청 추출용 채널이 원뿔형인 U 자형 채널을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치의 단면도 및 평면도를 함께 나타내었다.
도 2는 본 발명에 따른 U 자형 채널을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치를 시험관에 장착시킨 경우의 단면도이다.
도 3a는 도 1c에 해당하는 혈청 분리용 마이크로 장치에 혈액 주입 후 대기압 하에서의 혈액 분포 양상을 나타낸 단면도이다.
도 3b는 도 3a와 같이 혈액이 주입된 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리를 수행한 다음의 혈액 분포 양상을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른, U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리기로 작동시키는 양상 및 혈청이 분리되는 원리를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치가 기판의 형태로 이루어진 일 구현예의 종단면도를 나타낸 것이다
도 5b는 본 발명에 따른 U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치가 기판의 형태로 이루어진 일 구현예의 횡단면도를 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명에 따른, 혈청 유출용 채널 (3a)을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치의 단면도이다.
도 6b는 본 발명에 따른, 주사용 바늘 (6)을 더 포함하는, 혈청 유출용 채널 (3a)을 구비한 혈청 분리용 마이크로 장치의 단면도이다.
도 7a는 도 6b에 해당하는 혈청 분리용 마이크로 장치에 혈액 주입 후 대기압 하에서의 혈액 분포 양상을 나타낸 단면도이다.
도 7b는 도 7a와 같이 혈액이 주입된 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리를 수행할 때 전혈로부터 분리된 혈청이 혈청 유출용 채널 (3a)로 유출되어 혈청 수집용 공간 (8a)에 분포되는 상태를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 측면에 따른, 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 투시 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 평면도이다.
도 10a는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 레이어 적층부의 투시 단면도이다.
도 10b는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 레이어 적층부의 측면 투시 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 레이어 적층부에 구비되는 각각의 레이어의 단면도를 모두 나타낸 것이다.
도 12a는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 혈청 정량 추출용 레이어의 단면도이다.
도 12b는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 혼합물 배출용 레이어의 단면도이다.
도 12c는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 PCR 반응물 정량 유출용 레이어의 단면도이다.
도 13a는 본 발명에 따른 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치에 혈액 및 PCR 반응물을 주입 시, 대기압 하에서 혈액 및 PCR 반응물이 분포하는 양상을 나타낸 단면도이다.
도 13b는 혈액 및 PCR 반응물이 주입된, 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치를 제 1 원심분리한 후에 혈액 및 PCR 반응물이 분포하는 양상을 나타낸 단면도이다.
도 13c는 도 13b의 제 1 원심분리가 수행된 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치를 제 2 원심분리를 수행한 후에 혈액 및 PCR 반응물이 분포하는 양상을 나타낸 단면도이다.
도 13d는 도 13c의 원심분리 상태에서 제 2 원심분리를 더욱 수행하여 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물이 혈청 및 PCR 반응물 혼합 챔버로부터 혼합물 수집용 용기부로 거의 유입되는 경우의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 혈액 주입용 채널 1a: 혈액 주입용 채널
2: 혈액 수송용 채널
3: 혈청 채취용 채널 3a: 혈청 유출용 채널
4: 혈구 저장 챔버 4a: 혈구 저장 챔버
5: 관통 채널
6: 주사용 바늘 6a: 주사용 바늘
7: 방향표시부
8a: 혈청 수집용 공간
8c: 혈청 및 PCR 반응물 수집용 공간
9: 시험관
9a: 공기 배출용 채널 9c: 공기 배출용 채널
10: 혈청 정량 추출용 레이어 11: 혈액 주입용 채널
12: 혈청 챔버 13: 혈구 챔버
14: 공기 배출용 채널 15: 혈청 추출용 채널
16: 오버플라우 채널 17: 주사용 바늘
18: 공기 배출용 채널 20: 혼합물 배출용 레이어
21: 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버
22: 혼합물 배출용 채널
30: PCR 반응물 정량 유출용 레이어
31: PCR 반응물 주입용 채널 32: PCR 반응물 저장 챔버
33: PCR 반응물 정량 챔버 34: 밸브 채널
35: PCR 반응물 오버플라우 챔버 36: PCR 반응물 이송 채널
37: 공기 배출용 채널
A: 마이크로 채널부 B: 혈청 수집용 용기부
C: 레이어 적층부 D: 혼합물 수집용 용기부
T: 시험관
θ: 혈청 분리용 마이크로 장치의 종축과 원심분리기의 중심축 간의 각도
r1: 혈구 저장 챔버로부터 원심분리 중심까지의 거리
r2: 혈청 채취용 채널로부터 원심분리 중심까지의 거리
v1: 원심분리 시 혈구 저장 챔버 (4)에서의 속도
v2: 원심분리 시 혈청 채취용 채널 (3)에서의 속도
본 발명은 혈청을 분리하기 위한 마이크로 장치 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원심분리를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 관한 것이다.
혈액 검사는 수많은 질병을 진단하는데 널리 필수적으로 사용되는 방법이다. 혈액은 수많은 미생물의 감염이 이루어지는 경로이기도 하며, 감염 질환 이외의 질병을 진단할 수 있는 물질 등이 분포하기 때문에, 혈액 검사는 질병을 진단하는데 있어 매우 중요한 방법이다.
상기와 같은 특정 질병을 진단할 수 있는 미생물, 항원, 항체, 또는 표지 물질 등은 혈액의 액체 성분인 혈청에 분포하기 때문에 혈액검사를 위해 혈액으로부터 혈청을 분리하는 단계가 필수적인 경우가 대부분이다.
또한, 공항에서의 출입국 검역소에서의 질병 진단 또는 헌혈자의 질병진단 등과 같은 장소에서는 그 장소에서 즉시 매우 빠른 속도로 피검자의 질병여부를 확인하는 것이 중요하다. 또한, 그러한 장소에서는 대다수의 사람을 대상으로 질병여부를 판명하여야 하기 때문에 피검자의 협조를 용이하게 구하기 위해서는 피검자의 불편이 가장 적은 방법으로 검사가 이루어지는 것이 중요하다. 피검자의 불편이 적기 위해서는 질병을 검사하기 위한 혈액의 채취량이 적은 것이 바람직하며, 가능한 통증이 적으면서 통증 지속시간이 짧아야 할 것이다.
혈액을 분리하기 위한 장치로서, 미국특허 US 6,063,589에는 CD 플랫폼(platform) 형태의 마이크로 장치가 개시되어 있다. 이러한 CD 플랫폼 형태의 마이크로 장치는, 마이크로 플랫폼 상에 새겨진 마이크로 채널을 통해 유체를 이동시키기 위해, 플랫폼을 회전시킴으로써 발생되는 구심력을 이용한다. 상기 마이크로 플랫폼 상에 새겨진 마이크로 채널 구조물은 미세 유로가 여러 갈래로 나뉘어져 있고 곳곳에 저항 챔버(ballast cahamber), 범람 챔버(overflow chamber), 분리 챔버(separation chamber), 데칸트 챔버(decant chamber) 등이 위치하며, 이러한 챔버들은 상기 미세유로에 의해 연결되어 있는 매우 복잡한 채널 구조를 갖는다. 또한, 상기 CD 플랫폼 상에 새겨지는 상기 마이크로 채널 구조물은 CD 플랫폼의 중심부 방향으로 여러 개 위치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 CD 플랫폼 마이크로 장치는 상혈액을 다른 도구를 이용하여 채취한 뒤 주입하여 사용해야 하는 마이크로 장치으로서 마이크로 장치 자체로 혈액을 직접 취할 수 없는 문제점을 가지고 있다.
더욱이 이와 같이 상기 CD 플랫폼은 상기한 바와 같이 혈액을 간접적인 방법을 통해 취하기 때문에 CD 플랫폼을 이용하여 혈액 성분을 분리하기 위해서는 상대적으로 많은 양의 혈액이 필요하다.
또한, 상기 CD 플랫폼을 회전시키기 위해서는 통상의 원심분리기가 아닌 특별히 제작된 원심분리 장치가 필요하여 설비 이용의 측면에 있어서 비경제적인 문제가 발생한다.
상기와 같은 문제점 이외에도, 상기 CD 플랫폼은 거기에 형성되는 마이크로 채널 구조물이 매우 복잡한 형태를 갖고 있어, CD 플랫폼의 제작 측면에 있어서도 용이하지 못하며 제작비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
본원 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본원발명은 목적은 매우 단순한 구조의 마이크로 채널을 가지면서도 원하고자 하는 혈청분리의 효과는 효율적으로 얻을 수 있는, 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본원발명의 목적은 수 마이크로리터의 극소량의 단위로도 혈액의 분리가 가능하도록 하기 위해, 혈액의 채취와 혈액으로부터의 혈청의 분리가 하나의 마이크로 장치에서 이루어지는 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 정량의 혈액으로부터 혈청의 분리, PCR 반응물의 정량, 그리고 그 혈청 및 PCR 반응물의 혼합이 하나의 마이크로 장치에서 이루어지는 정량의 혈청 및 정량의 PCR 반응물의 혼합을 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 관한 것으로서, 마이크로 장치 내에 소정의 챔버 및 채널이 구비되어 있어, 혈액을 마이크로 장치 내에 형성되어 있는 채널에 주입시키고 원심분리를 수행하면 그 주입된 혈액 중의 혈청과 혈구가 서로 다른 챔버에 분포되어 혈액으로부터 혈청을 분리할 수 있는 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공한다.
그리하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은
원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 있어서,
외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
상기 혈액 주입용 채널에 연결된 혈액 수송용 채널, 및
상기 혈액 수송용 채널에 연결되고, 상기 주입된 혈액이 대기압 하에서 상행 하여 분포하며, 원심분리 시 혈액 중에 존재하는 혈청이 분포하는 부분인 혈청 채취용 채널을 포함하고,
상기 혈액 주입용 채널, 혈액 수송용 채널, 및 혈청 채취용 채널이 함께 순차적으로 U 자형을 이루는 U 자형 채널부; 및
상기 혈액 수송용 채널과 관통 채널에 의해 관통되는 혈구 저장 챔버를 구비하며,
상기 혈구 수송용 채널과 혈구 저장 챔버를 관통시키는 관통 채널은 상기 혈구 저장 챔버의 폭보다 작아, 대기압 하에서 주입된 혈액이 혈구 저장 챔버로는 유입되지 않고 혈액 주입용 채널, 혈액 수송용 채널, 및 혈청 추출용 채널에 위치하고, 원심분리에 의해 혈구가 혈구 저장 챔버로 유입되고 혈청은 혈청 추출용 채널로 본포되는 것을 특징으로 하는, 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공한다.
상기 혈액 주입용 채널은 그 채널 자체가 외부와 소통될 수도 있으나, 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되는 것이 바람직하다.
상기 혈청 채취용 채널은 하단보다 상단의 폭이 더 큰 원뿔 형태이 형태일 수도 있다.
상기 혈구 저장 챔버는 혈청 채취용 챔버 및 관통 채널과 일직선상에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 혈청 분리용 마이크로 장치는 튜브 형태 또는 평평한 기판의 형태일 수 있으나, 상기 조건의 U자형 채널부 및 혈구 저장 챔버를 구비하기만 하면 어떠한 형태도 가능하다. 그 중에서도 상기 혈청 분리용 마이크로 장치는 튜브 형태가 바람하다.
상기 혈청 분리용 마이크로 장치가 평평한 기판의 형태일 경우에는, 그 혈액 주입용 채널 및 혈청 분리용 채널이 기판 내부에 기판의 평면과 평행하게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은
원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 있어서,
외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
상기 혈액 주입용 채널에 연속적으로 동일한 방향으로 연결되며 상기 혈액 주입용 채널의 폭 보다 큰 폭을 가지며, 대기압 하에서 주입된 혈액을 보유하고 원심분리 시 혈액 중의 혈구를 보유하기 위한 혈구 저장 챔버,
상기 혈구 저장 챔버와 연결되어 외부와 소통되는 공기 배출용 채널, 및
상기 혈액 주입용 채널과 연결되어 원심 분리시 혈청이 유출되는 혈청 유출용 채널을 포함하는 마이크로 채널부; 및
상기 마이크로 채널부의 둘레와 접하고, 마이크로 채널부의 하단과는 혈청 수집용 공간을 갖는 혈청 수집용 용기부를 구비하며,
상기 마이크로 채널부의 혈청 유출용 채널이 상기 혈청 수집용 용기부로 소통되어 있어, 원심분리 시 분리된 혈청이 혈청 유출용 채널을 통해 유출되어 상기 혈청 수집용 용기로 수집되는 것을 특징으로 하는, 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공한다.
상기 혈액 주입용 채널은 그 채널 자체가 외부와 소통될 수도 있으나, 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되는 것이 바람직하다.
상기 혈청 분리용 마이크로 장치는 튜브 형태 또는 평평한 기판의 형태일 수 있으나, 상기 조건의 마이크로 채널부 및 혈청 수집용 용기부를 구비하기만 하면 어떠한 형태도 가능하다. 그 중에서도 상기 혈청 분리용 마이크로 장치는 튜브 형태가 바람하다.
상기 혈청 분리용 마이크로 장치가 평평한 기판의 형태일 경우에는, 그 혈액 주입용 채널 및 혈청 유출용 채널이 기판 내부에 기판의 평면과 평행하게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은
원심분리 시 일정량의 혈액으로부터 혈청을 추출하는 혈청 정량 추출용 레이어,
원심분리 시 PCR 반응 혼합물을 일정량 칭량하여 유출시키는 PCR 반응물 정량 유출용 레이어, 및
상기 혈청 정량 추출용 레이어로부터 추출된 혈청 및 상기 PCR 반응물 정량 유출용 레이어로부터 유출된 PCR 반응물을 수용하기 위한 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버, 및 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버로부터 혈청 및 PCR 반응물을 혼합시키면서 배출시키기 위한 혼합물 이송 채널을 구비하는, 혼합물 배출용 레이어를 포함하고,
상기 혈청 정량 추출용 레이어, 혼합물 배출용 레이어, 및 PCR 반응물 정량 유출용 레이어의 순서로 겹쳐져 이루어지는, 레이어 적층부; 및
상기 레이어 적층부의 둘레와 접하고, 레이어 적층부의 하단과는 혼합물 수집용 공간을 가지며, 상기 혼합물 배출용 레이어로부터 배출된 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물을 수집하는, 혼합물 수집용 용기부를 구비하는, 2 단계의 원심분리에 의해 정량의 혈청 및 정량의 PCR 반응 혼합물의 혼합을 위한 마이크로 장치를 제공한다.
상기 혈청 정량 추출용 레이어는
외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
혈액 주입용 채널에 연결되고 제 1 원심분리 시 혈청이 분포하는 혈청 챔버,
혈청 챔버의 일측 하단으로부터 연장되고 혈청 챔버보다 작은 폭을 갖는, 제 1 원심분리 시 혈구가 분포하는 혈구 챔버,
상기 혈구 챔버와 연결되어 외부와 소통되는 공기 배출용 채널,
혈청 챔버의 타측 하단에 연결되어, 제 2 원심분리 시 혈청 챔버의 혈청을 상기 혼합물 배출용 레이어의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버에 제공하는 혈청 추출용 채널, 및
상기 혈청 챔버의 타측 상단에 연결되며, 제 1 원심분리 시 혈청 챔버 및 혈구 챔버로부터 과량의 혈액이 유입되는 혈액 오버플라우 챔버를 구비할 수 있다.
상기 혈청 정량 추출용 레이어의 혈액 주입용 채널은 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되도록 할 수 있다. 또한, 상 기 혈액 오버플라우 챔버는 외부와 소통되는 공기 배출용 채널에 연결될 수 있다.
상기 PCR 반응물 정량 유출용 레이어는
PCR 반응물을 주입하기 위한 PCR 반응물 주입용 채널,
PCR 반응물 주입용 채널에 연결되고, 주입된 PCR 반응물이 대기압 하에서 유입되어 분포하는 PCR 반응물 저장 챔버,
PCR 반응물 저장 챔버의 하방에 위치하고, 제 1 원심분리 시 PCR 반응물이 유입되는 PCR 반응물 정량 챔버,
PCR 반응물 저장 챔버 및 PCR 반응물 정량 챔버를 연결하고, 대기압하에서는 PCR 반응물이 유입되지 않는 밸브 채널,
PCR 반응물 저장 챔버의 측면에 연결되고, 제 1 원심분리 시 과량의 PCR 반응물이 유입되는 PCR 반응물 오버플라우 챔버,
PCR 반응물 정량 챔버의 하단에 연결되어 제 2 원심분리 시 PCR 반응물 정량 챔버의 PCR 반응물을 상기 혼합물 배출용 레이어의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버에 제공하는 PCR 반응물 이송 채널을 구비할 수 있다.
상기 PCR 반응물 오버플라우 챔버는 외부와 소통되는 공기 배출용 채널에 연결될 수 있다.
상기 혼합물 배출용 레이어에 구비되는 혼합물 이송 채널은 PCR 반응물 및 혈청을 혼합하면서 혈청 및 PCR 반응물 수집용 용기부에 제공하는데 유리한 어떠한 형태도 가능하며, 바람직하게는 일정 간격을 두고 좌우로 반복하여 꺽여지는 형태를 갖는다.
상기 혈청 및 PCR 반응물 혼합을 위한 마이크로 장치의 혼합물 수집용 용기부는 시험관 형태인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적 및 이점은 하기 설명에 의해 보다 명확하게 나타날 것이다. 그러나, 첨부한 도면에 나타낸 구현예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 도면에 나타난 구현예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 구현예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치를 도 1a에 나타내었다.
도 1에 나타낸 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈액 주입용 채널 (1), 혈액 수송용 채널 (2), 및 혈청 채취용 채널 (3)이 순차적으로 U 자형을 이루는 U 자형의 채널, 및 그 U 자형의 채널 중의 혈액 수송용 채널 (2)의 중심부와 관통 채널 (5)에 의해 관통되는 혈구 저장 챔버 (4)를 구비한다. U 자형의 채널과 혈구 저장 챔버 (4)를 관통시키는 관통 채널 (5)은 혈구 저장 챔버 (4)의 폭보다 작은 폭을 가져 혈구저장 챔버 내의 공기압으로 인해, 대기압 하에서 혈액을 혈액 주입용 채널 (1)에 주입시킬 때 혈액이 관통 채널 (5) 및 혈구 저장 챔버 (4)로는 유입되지 않고, 혈액 주입용 채널 (1), 혈액 수용용 채널 (2), 및 혈청 채취용 채널 (3)에 걸쳐 채워지게 된다.
혈청 분리용 마이크로 장치 내의 각종 채널 및 혈구저장 챔버의 크기는 특별히 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 크기를 조정하여 제작될 수 있다. 주사용 바늘 (6)은 33G의 주사용 바늘까지 사용할 수 있으며, 혈액 유입용 채널 (1)은 길이 5-35 mm, 너비 0.1-3 mm, 두께 0.01-5 mm 일 수 있다. 혈액 수송용 채널 (2)는 길이 0.2-5 mm, 너비 0.1-3 mm, 두께 0.01-5 mm 일 수 있다. 그리고, 혈액 수송용 채널 (2)은 혈액 채취용 채널 (1)과 30 내지 150도의 각도를 형성할 수 있다. 혈청 추출용 채널 (3)은 길이 0.1-35 mm, 너비 0.1-3 mm, 두께 0.01-5 mm 일 수 있다. 혈구 저장 챔버 (4)는 상기 혈액 주입용 채널 (1), 혈액 수송용 채널 (2), 혈청 채취용 채널 (3)의 전체의 부피의 약 30 ~ 90 % 의 부피를 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 60%의 부피를 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치는, 피검자로부터 별도로 혈액을 채취하여 혈액 주입용 채널 (1)에 주입시키는 형태인 도 1a과 같은 형태를 가질 수도 있으나, 바람직하게는 도 1b 및 도 1c에 나타낸 바와 같이 혈액 주입용 채널 (1)을 주사용 바늘 (6)에 의해 외부와 연결되도록 한 형태일 수도 있다. 주사용 바늘 (6)은 모세관 현상에 의해 직접 환자로부터 혈액을 채취할 수 있어, 다른 별도의 도구 없이 혈청 분리용 마이크로 장치에 의해 직접 혈액을 채취할 수 있으며, 채취된 혈액은 저절로 혈액 주입용 채널 (1)에 주입되어 별도의 혈액 주입 과정이 없이도 혈액 주입용 채널 (1)에 혈액의 도입이 가능하다. 따라서, 도 1b에 나타낸 구현예와 같이 주사용 바늘을 혈액 주입용 채널에 연결시킴으로써 혈액의 채취가 간편하고, 혈청의 주입 시간도 감소되며, 외부로 샘플이 노출됨으로써 발생될 수 있는 오염의 우려를 줄일 수 있다. 또한, 채취된 혈액을 다른 용기를 거치지 않고 직접 혈청 분리용 장치에 도입할 수 있어서 상대적으로 적은 양의 혈액을 채취하는 것이 가능하다. 따라서, 시간의 절약 및 혈액 채취량의 감소가 가능하여 피검자의 불편을 덜 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치는 바람직하게는 도 1c에 나타낸 바와 같은 형태를 가질 수도 있다. 도 1c에 나타낸 혈청분리용 마이크로 장치는, 혈청 채취용 채널 (3)이 혈액 수송용 채널 (2)과의 연결부보다 혈청 채취용 채널 (3)의 상단의 폭이 넓은 원뿔 형태를 갖는다. 이러한 형태를 갖게 되면, 원심분리에 의해 혈청이 분리된 후 혈청을 혈청 채취용 채널 (3)에서 채취할 때 마이크로 피펫 팁 등의 도구를 이용하여 혈청을 채취하는 것이 더욱 용이해지는 이점이 있다. 또한, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 혈구 저장 챔버 (4)는 혈청 채취용 채널 (3) 및 관통 채널 (5)과 일직선상에 위치하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 혈구 저장 챔버 (4)는 혈청 채취용 채널 (3) 및 관통 채널 (5)과 일직선상에 위치하는 경우가 혈구 저장 챔버 (4)가 중앙에 존재하는 경우에 비해, 원심분리 시 혈액 수송용 채널 (2)의 바닥면에 존재하는 혈청의 양이 더 적어져, 채취할 수 혈청의 양이 많아질 수 있는 장점이 있기 때문이다. 또한, 도 1c에 나타낸 바와 같이, 혈청 분리용 마이크로 장치는, 그 상단에 혈액 주입용 채널 (1) 또는 주사용 바늘 (6) 및 혈청 채취용 채널 (3)과 일직선상에 위치하는 방향표시부 (7)를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 방향표시부 (7)는 원심분리 시 원심분리기에 본 발명의 마이크로 장치를 위치시키는 방향을 제시해주어 편리하게 사용할 수 있도록 하는데 도움이 된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 도 1c의 혈청 분리용 장치를 이용하여 혈청을 분리하는 방법 및 그 원리를 설명하면 다음과 같다.
도 1c의 혈청 분리용 마이크로 장치는 그 자체를 그대로 사용할 수도 있으나, 도 2에 나타낸 바와 같이 시험관 (9)에 장착시킨 후에 혈청을 분리하는데 사용될 수 있다. 혈청 분리용 마이크로 장치의 주사용 바늘 (6)를 피검자의 혈액 채취부에 꽂아 혈액을 채취하여 혈액 주입용 채널 (1)에 도입시킨다. 도 1a와 같이 주사용 바늘이 구비되지 않은 혈청 분리용 마이크로 장치는 별도로 채취된 혈액을 혈액 주입용 채널 (1)에 도입시킨다. 주입된 혈액은 혈액 주입용 채널 (1), 혈액 수송용 채널 (2), 및 혈청 채취용 채널 (3)에 걸쳐서 분포하게 되며, 이때 혈액은 관통 채널 (5) 및 혈구 저장 챔버 (4)에는 분포하지 않는다. 이러한 혈청 분리용 마이크로 장치 내에서의 혈액 주입 후 대기압 하에서의 혈액 분포 양상을 도 3a에 나타내었다.
도 3a에 나타낸 바와 같이, 혈액이 주입된 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈청의 분리를 위해 원심분리기를 이용하여 원심분리를 수행한다. 도 1a 내지 1c에 나타낸 바와 같은 혈청 분리용 마이크로 장치는 시험관 형태이므로 통상적으로 실험실에서 사용되는 원심분리기를 이용하여 원심분리를 수행할 수 있다. U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리기로 작동시키는 양상을 도 4에 나타내었다. 도 4에는 혈청 분리용 마이크로 장치의 혈구 저장 챔버 (5) 및 혈청 채취용 채널 (3)에서의 원심분리기 중심으로부터의 거리를 각각 r1 및 r2로 나타내었으며, 혈청 분리용 마이크로 장치의 종축과 원심분리기의 중심축 간의 각도를 θ로 나타내었다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본원발명의 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈청 채취용 채널로부터 원심분리기의 중심축 간의 거리 r2이 혈구 저장 챔버로부터 원심분리기의 중심축간의 거리 r1보다 작다. 따라서, 원심분리기의 작동으로 원심분리가 이루어지면 혈청 채취용 채널 (3)에서의 속도 v2보다 혈구 저장 챔버에서의 속도 v1이 더 크다. 이러한 속도의 차이로 인해, 혈액 중의 밀도가 많이 나가는 성분인 혈구는 속도가 상대적으로 빠른 혈구 저장 챔버 (4)로 분포하게 되고, 밀도가 낮은 혈액 성분인 혈청은 속도가 상대적으로 낮은 혈청 채취용 채널 (3)에 분포하게 되어, 혈액 중의 혈청의 분리가 이루어진다. 이와 같이, U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리기에서 원심분리를 수행한 다음의 혈액의 분포는 도 3b에 나타낸 바와 같다. 도 3b에 나타낸 바와 같이, 혈액중의 혈청이 혈구와 분리되어 혈청 채취용 채널에 분포되어 있으므로, 혈청 채취용 채널 (3)으로부터 혈청을 취해 혈청을 분석할 수 있다.
본원발명의 혈청 분리용 마이크로 장치를 도 4에 나타낸 바와 같이 θ의 각도를 두고 원심분리를 수행하는 것은 r1 및 r2 의 크기 차이가 θ의 각도가 커질수록 커지고 그로 인해 v1 및 v2의 속도차도 커져 혈청의 분리가 보다 효율적으로 이루어 질 수 있기 때문이다. 그러나, θ의 각도가 너무 커지면 혈청 분리용 채널 (3) 뿐만 아니라 혈액 주입용 채널 (1)에도 혈청이 분포되는 문제가 있다. 혈액 주입용 채널 (1)에 혈청이 분포하게 되면, 혈액 주입 시 혈액 주입용 채널 (1)에 묻어 있는 전혈에 의해 분리된 혈청이 오염되는 문제가 있으며, 특히 도 1b와 같이 주사용 바늘이 장착되어 있는 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈청의 채취가 곤란해지는 문제점이 있다.
또한, θ의 각도가 0인 경우에도 r1 및 r2 간에는 차이가 있어 혈청의 분리가 일어날 수 있다. 분리된 혈청이 주로 혈청 채취용 채널 (3)에 분포하면서 혈청의 분리가 효율적으로 이루어지기 위한, 원심분리기의 중심축 및 혈청 분리용 마이크로 장치 종축 간의 각도 θ의 바람직한 범위는 0 ~ 90 도이다.
본원발명의 일 구현예에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 시험관의 형태를 가질 수도 있으나, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이 기판의 형태를 가질 수도 있다. 그러나, 이러한 경우에는 평평한 형태의 기판을 원심분리 하기 위해서는 통상적으로 실험실에서 사용되는 원심분리기를 이용할 수 없고, 기판을 작동시킬 수 있는 원심분리기를 제작하여야 할 것이다.
기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈액 주입용 채널(1) 및 혈청 채취용 채널 (3)이 기판의 평면과 평행하게 형성되어야 한다. 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치에서, U 자형 채널부 및 혈구 저장 챔버의 배치 방법의 일 구현예를 각각 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
도 5a는 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치의 종단면도를 나타낸 것이고, 도 5b는 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치의 횡단면도를 나타낸 것이다. 즉, 기판 형태의 원심분리기는 혈액 주입용 채널(1) 및 혈청 채취용 채널 (3)이 기판의 평면과 평행하게 형성되기만 하면, 어떠한 방향으로도 가능하다. 이러한 기판 형태의 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치는 도 1a 내지 도 1c와 같은 시험관 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치과 사용될 수 있는 원심분리기만 다를 뿐, 혈액 중의 혈청 분리의 원리 및 혈청 분리 방법은 동일하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치를 도 6a에 나타내었다. 도 6a에 나타낸 혈청 분리용 마이크로 장치는 원심 분리 후에 혈청 유출용 채널 (3a) 및 혈청 수집용 용기 (B)를 포함하여, 원심분리 시 혈청의 분리와 혈청의 수집이 동시에 이루어질 수 있는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 도 6a에 나타낸 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈액 주입용 채널 (1a), 혈구 저장 챔버 (4a), 공기 배출 채널 (9a), 및 혈청 유출용 채널 (3a)을 포함하는 마이크로 채널부 (A); 및
상기 마이크로 채널부 (A)의 둘레와 접하고, 마이크로 채널부의 하단과는 혈청 수집용 공간 (8)을 형성하는 혈청 수집용 용기부 (B)를 구비한다.
도 6a에 나타낸 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈청 유출용 채널 (3a)가 혈액 주입용 채널 (1a)로부터 분지되어 상기 혈청 수집용 용기부 (B)에 의해 형성되어 있는 혈청 수집용 공간 (8a)과 소통되어 있어, 원심분리 시 분리된 혈청이 혈청 유출용 채널 (3a)로 유출되어 상기 혈청 수집용 용기부 (B)로 수집된다. 공기 배출용 채널 (7)은 혈구 저장 챔버 (4a)에 존재하는 공기를 외부로 배출시킬 수 있어, 혈액을 혈액 주입용 채널 (1a)를 통해 주입하여 혈액이 혈구 저장 챔버 (4a) 쪽으로 유입될 때 혈액의 이동을 보다 원활하게 할 수 있다.
도 6a에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치의 마이크로 채널부 (A)에 형성되어 있는 각종 채널 및 혈구 저장 챔버의 크기는 특별히 한정된 것은 아니며, 필요에 따라 크기를 조정하여 제작될 수 있다. 주사용 바늘 (6a)은 33G의 주사용 바늘까지 사용할 수 있으며, 혈액 주입용 채널 (1a)은 길이 (5~35) mm, 너비 (0.1~3) mm, 두께 (0.01~5) mm 일 수 있다. 혈구 저장 챔버 (4a)는 길이 (5~35 mm) mm, 너비 (0.1~10) mm, 두께 (0.01~5) mm 일 수 있다. 그리고, 공기 배출용 채널 (9a)은 너비 0.01~1 mm, 두께 0.01~1 mm일 수 있다. 혈청 유출용 채널 (3a)는 너비 0.01~1 mm, 두께 0.01~1 mm일 수 있으며, 혈구 저장 챔버 (4a)의 하단으로부터 30 내지 90%에 위치할 수 있다.
도 6a에서 혈청 수집용 용기부 (B)는 마이크로 채널부 (A)에서 혈청 유출용 채널 (3a)로부터 유출되는 혈청을 수집하기 위한 것으로서, 도 6a에 나타낸 바와 같이 마이크로 채널부의 상부를 제외한 전체를 둘러싸는 형태로서 혈청 수집용 공간 (8a)을 형성할 수도 있으나, 분리되어 유출된 혈청을 손실시키지 않고 수집할 수 있는 혈청 수집용 공간 (8a)을 형성할 수 있기만 한다면 마이크로 채널부의 전체를 둘러싸는 형태가 아닐 수도 있으며, 어떠한 형태도 가능하다. 다만, 혈청 수집용 공간 (8a)은 원하는 분석을 위해 필요한 혈청의 부피보다 더 큰 부피를 갖는 공간이어야 할 것이다.
도 6a와 같은 본 발명의 혈청 분리용 마이크로 장치는 도 6a에 나타낸 바와 같이 피검자로부터 별도의 혈액을 채취하여, 혈액 주입용 채널 (1a)에 주입시키는 형태를 가질 수도 있으나, 바람직하게는 도 6b에 나타낸 바와 같이 혈액 주입용 채널 (1a)을 주사용 바늘 (6a)에 의해 외부와 연결되도록 한 형태일 수도 있다. 주사용 바늘 (6a)은 모세관 현상에 의해 직접 환자로부터 혈액을 채취할 수 있어, 다른 별도의 도구 없이 혈청 분리용 마이크로 장치에 의해 직접 혈액을 채취할 수 있으며, 채취된 혈액은 저절로 혈액 주입용 채널 (1a)에 주입되어 별도의 혈액 주입 과정이 없이도 혈액 주입용 채널 (1a)에 혈액의 도입이 가능하다. 따라서, 도 6b에 나타낸 구현예와 같이 주사용 바늘을 혈액 주입용 채널에 연결 시킴으로써 혈액의 채취가 간편하고, 혈청의 주입 시간도 감소되며, 외부로 샘플이 노출됨으로써 발생될 수 있는 오염의 우려가 적다. 또한, 채취된 혈액을 직접 다른 용기를 거치지 않고 직접 혈청 분리용 장치에 도입할 수 있어서 상대적으로 적은 양의 혈액을 채취하는 것이 가능하다. 따라서, 시간의 절약 및 혈액 채취량의 감소가 가능하여 피검자의 불편을 덜 수 있는 장점이 있다.
상기 도 6a 및 도 6b에 해당하는 본 발명의 혈청 분리용 마이크로 장치의 일구현예를 이용하여 혈청을 분리하는 방법 및 원리를 설명하면 다음과 같다.
혈청 분리용 마이크로 장치의 주사용 바늘 (6a)를 피검자의 혈액 채취부에 꽂아 혈액을 채취하여 혈액 주입용 채널 (1a)에 도입시킨다. 도 6a와 같이 주사용 바늘이 구비되지 않은 혈청 분리용 마이크로 장치는 별도로 채취된 혈액을 혈액 주입용 채널 (1a)에 도입시킨다. 주입된 혈액은 혈액 주입용 채널 (1a)를 따라 혈구 저장 챔버 (4a)내에 분포하게 된다. 혈액을 혈액 주입용 채널 (1a)에 도입시켜 혈구 저장 챔버 (4a)에 분포되는 형태를 도 7a 에 나타내었다.
도 7a와 같이 혈액이 주입된 혈청 분리용 마이크로 장치를 혈청의 분리를 위해 원심분리기를 이용하여 원심분리를 수행한다. 도 6a 및 6b에 나타낸 바와 같은 혈청 분리용 마이크로 장치는 튜브형태이므로 통상적으로 실험실에서 사용되는 원심분리기를 이용하여 원심분리를 수행할 수 있다. 이러한 경우 앞서 설명한 U 자형 채널을 갖는 혈청 분리용 마이크로 장치의 경우와 같이 혈구 저장 챔버 (4a)로부터 원심분리기의 중심축까지의 거리가 혈청 유출 채널 (3a)로부터 원심분리기 중심축까지의 거리보다 멀어지게 되어 원심분리 시 혈액 중의 혈구는 혈구 저장 챔버 (4a)로 몰리게 되고, 혈청은 혈구와 분리되어 혈구 저장 챔버의 상부로 거슬러 올라가 혈청 유출 채널 (3a)로 혈청이 유출되어 혈청 수집용 공간 (8a)로 혈청의 수집이 이루어진다. 이와 같이, 실험실에서 통상적으로 이용되는 원심분리기를 이용함으로써, 혈청 분리용 마이크로 장치의 혈구 저장 챔버 (4a)로부터 원심분리기의 중심축까지의 거리가 혈청 유출 채널 (3a)로부터 원심분리기 중심축까지의 거리보다 멀어지게끔 경사를 두어 원심분리를 수행할 수도 있으나, 원심분리기의 중심축과 혈청 분리용 마이크로 장치의 종축이 평형하게 원심분리를 수행할 수도 있다. 한편, 원심분리기의 중심축과 혈청 분리용 마이크로 장치의 종축이 이루는 각도가 90도인 경우에는 혈액이 원심분리 전에 유출될 우려가 있어 바람직하지 않다.
이러한 도 6a 및 도 6b에 해당하는 혈청 분리용 마이크로 장치를 원심분리를 수행할 때 혈청이 혈청 유출용 채널 (3a)로 유출되어 혈청 수집용 공간 (8a)으로 수집되는 양상을 도 7b에 나타내었다. 혈청 수집용 공간 (8a)에 수집되는 혈청의 양은 도 6a 및 6b의 마이크로 채널부의 채널의 크기, 원심분리의 속도 및 시간, 원심분리 시 혈청 분리용 마이크로 장치가 원심분리기의 중심축과 이루는 각도에 의해 조절할 수 있다. 채널의 크기가 클수록, 원심분리의 속도 및 시간이 클수록 유출되는 혈청의 양은 어느 정도까지 증가할 것이다.
상기 혈청 수집용 공간 (8a)에 수집된 혈청은 혈청 분석을 위한 장치에 직접적으로 연결되어 혈청의 분석에 사용될 수 있다.
상기 혈액 유출용 채널을 포함하는 혈청 분리용 마이크로 장치는 도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이 시험관 형태를 가질 수도 있으나, 기판의 형태를 가질 수도 있다. 그러나, 이러한 경우에는 평평한 형태의 기판을 원심분리 하기 위해서는 통상적으로 실험실에서 사용되는 원심분리기를 이용할 수 없고, 기판을 작동시킬 수 있는 원심분리기를 제작하여야 할 것이다. 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치는 혈액 주입용 채널(1a) 및 혈청 유출용 채널 (3a)가 기판의 평면과 평행하게 형성되어야 한다. 이러한 기판 형태의 기판 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치는 도 6a 내지 6b의 튜브 형태의 혈청 분리용 마이크로 장치과 사용될 수 있는 원심분리기만 다를 뿐, 혈액 중의 혈청 분리의 원리 및 혈청 분리 방법은 동일하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 혈청 분리용 마이크로 장치를 도 8에 나타내었다. 도 8은 마이크로 장치의 단면도로서 일부 요소를 필요에 따라 투시도로서 나타내었다.
도 8에 나타낸 마이크로 장치는 단순히 혈청 분리용 마이크로 장치만을 구비하는 것이 아니라, 혈청 분리용 마이크로 장치 이외에 PCR 반응물을 정량적으로 배출할 수 있는 마이크로 장치를 결부시키고, 그러한 각각의 마이크로 장치으로부터 얻어지는 혈청 및 PCR 반응물을 혼합하기 위한 마이크로 장치를 더욱 부가한 장치가다. 그리하여, 도 8에 나타낸 마이크로 장치를 이용하면 채취된 혈액으로부터의 혈청을 분리하는 단계와 그 혈청을 PCR 반응물과 혼합하는 단계를 하나의 마이크로 장치에서 수행할 수 있다.
즉, 도 8에 나타낸 마이크로 장치는 혈청 및 PCR 반응물의 혼합을 위한 마이크로 장치으로서 크게 레이어 적층부 (C) 및 혼합물 수집용 용기부 (D)로 구성된다. 혼합물 수집용 용기부는 레이어 적층부의 둘레와 접하며, 레이어 적층부의 하단과는 혼합물 수집용 공간(8c)를 이루는 형태로 레이어 적층부 (C)와 결합되어 있다.
레이어 적층부 (C)는 도 8에 나타낸 바와 같이, 혈청 정량 추출용 레이어 (10), 혼합물 배출용 레이어 (20), 및 PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)를 포함하며, 상기 3 개의 레이어가 순서대로 겹쳐져 이루어진다. 레이어 적층부 (C)의 평면도 (9), 단면도(도 10a), 및 측단면도(도 10b)를 도 10에 나타내었다. 또한, 레이어 적층부의 혈청 정량 추출용 레이어 (10), 혼합물 배출용 레이어 (20), 및 PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)의 단면도를 도 11에 나타내었다.
레이어 적층부 (C)의 각각의 레이어에 대해, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 혈청 정량 추출용 레이어의 단면도를 도 12a에 나타내었다. 혈청 정량 추출용 레이어는 혈액 주입용 채널 (11), 혈청 챔버 (12), 혈구 챔버 (13), 공기 배출용 채널 (14), 혈청 추출용 채널 (15), 및 오버플라우 채널 (16)을 구비한다.
혈청 챔버 (12)는 혈액 주입용 채널 (11)에 연결되어 있으며, 대기압 하에서 혈액이 유입되어 제 1 원심 분리 시 혈청이 분포하는 부위이다. 혈청 챔버의 일측 하단으로는 혈구 챔버 (13)가 연결되어 있으며, 타측 하단으로는 혈청 추출용 채널 (15)가 연결되어 있다. 혈구 챔버는 대기압 하에서 혈액이 유입되어 제 1 원심분리 시 혈구가 분포되는 부위이다. 혈구 챔버에는 주입된 혈액이 잘 유입될 수 있도록, 공기 배출용 채널 (14)가 연결되어 외부과 소통되어 있다. 혈청 추출용 채널 (15)은, 제 1 원심분리 시 혈청 챔버에 분포된 혈청이 제 2 원심분리시 혈청 추출용 채널 (15)로 유입되어 상기 혼합물 배출용 레이어 (20)의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)에 제공하는 역할을 한다. 혈청 챔버 (12)의 타측 상단에는 혈액 오버플라우 챔버 (16)가 연결되어 있으며, 제 1 원심분리 시 혈청 챔버 및 혈구 챔버로부터 혈액 오버플라우 챔버 (16)로 과량의 혈액이 유입되어, 정량의 혈액으로부터 혈청의 추출이 이루어진다.
혈액 주입용 채널 (11)은 바람직하게는 주사용 바늘 (17)에 의해 외부와 연결된다. 주사용 바늘 (6)은 모세관 현상에 의해 직접 환자로부터 혈액을 채취할 수 있어, 다른 별도의 도구 없이 혈청 분리용 레이어에 직접 혈액을 채취할 수 있으며, 채취된 혈액은 모세관 현상에 의해 저절로 혈액 주입용 채널 (11)로 주입되어 별도의 혈액 주입과정 없이도 혈액 주입용 채널 (11)에 혈액의 도입이 가능하다. 따라서, 혈액의 채취가 간편하고, 혈액의 주입시간도 감소되며, 외부로 샘플이 노출됨으로써 발생될 수 있는 오염의 우려가 적다. 또한, 채취된 혈액을 직접 다른 용기를 거치지 않고 직접 혈청 분리용 장치에 도입할 수 있어서, 상대적으로 적은 양의 혈액을 채취하는 것이 가능하다. 따라서, 시간의 절약 및 혈액 채취량의 감소가 가능하여 피검자의 불편을 덜 수 있는 장점이 있다.
상기 오버플라우 챔버 (16)은 외부와 소통되는 공기배출 채널 (18)에 연결될 수 있다. 공기 배출용 채널 (18)에 의해 오버플라우 챔버 (16) 내의 공기가 외부로 배출될 수 있어, 제 1 원심분리 시 과량의 혈액이 오버플라우 챔버 (16)로 유입되는 것을 보다 원활하게 할 수 있다.
레이어 적층부의 또 다른 요소인 PCR 반응물 정량 유출용 레이어의 단면도를 도 12c에 나타내었다.
PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)는 PCR 반응물 주입용 채널 (31), PCR 반응물 저장 챔버 (32), PCR 반응물 정량 챔버 (33), PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35), 밸브 채널 (34), PCR 반응물 이송 채널 (36)을 구비한다.
PCR 반응물 주입용 채널 (31)에는 PCR 저장 챔버 (32)가 연결되어 있다. PCR 반응물 저장 챔버 (32)는 PCR 반응물 주입용 채널로부터 유입된 PCR 반응물이 대기압 하에서 분포되는 부위이다. PCR 반응물 저장 챔버 (32)는 밸브 채널 (34) 에 의해 PCR 반응물 저장 챔버 (32)의 하방으로 PCR 반응물 정량 챔버 (33)와 연결되어 있다. 대기압 하에서 PCR 반응물 저장 챔버 (32)에 분포하는 PCR 반응물은 대기압 하에서는 밸브 채널 (34)로 유입되지 않으며, 제 1 원심분리 조건 하에서 밸브 채널 (34)로 PCR 반응물이 유입되어 PCR 정량 챔버 (33)으로 PCR 반응물이 제공된다.
PCR 반응물 저장 챔버 (32)의 측면에는 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)가 연결되어 있으며, 대기압 하에서 PCR 반응물 저장 챔버 (32)에 분포하는 PCR 반응물이 제 1 원심 분리시 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)로 유입된다.
PCR 반응물 정량 챔버 (33)의 하단에는 PCR 반응물 이송 채널 (36)이 연결되어 있으며, PCR 반응물 정량 챔버 (33)에 존재하는 PCR 반응물은 제 1 원심분리 시에는 PCR 반응물 이송 채널 (36)으로 유입되지 않으며, 제 1 원심분리조건 보다 더 큰 속도의 제 2 원심분리 조건 하에서 PCR 반응물 정량 챔버 (33)에 존재하는 PCR 반응물이 PCR 반응물 이송 채널 (36)으로 유입된다.
이러한 PCR 반응물 이송 채널 (36)은 상기 혼합물 배출용 레이어 (20)의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)에 연결되어, 정량된 PCR 반응물을 PCR 반응물 정량 챔버 (33)으로부터 혼합물 배출용 레이어의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)에 제공한다.
상기 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)은 외부와 소통되는 공기배출 채널 (37)에 연결될 수 있다. 공기 배출용 채널 (37)에 의해 오버플라우 챔버 (35) 내의 공기가 외부로 배출될 수 있어, 제 1 원심분리 시 과량의 PCR 반응물이 오버플 라우 챔버 (35)로 유입되는 것을 보다 원활하게 할 수 있다.
레이어 적층부의 또 다른 구성 요소인 혼합물 유출용 레이어 (20)의 단면도를 도 12b에 나타내었다.
혼합물 유출용 레이어 (20)는 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21) 및 혼합물 이송 채널 (22)를 구비한다. 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)은 제 2 원심분리 시 혈청 정량 추출용 레이어의 혈청 추출용 채널 (15)로부터 혈청이, PCR 반응물 정량 유출용 레이어의 PCR 반응물 이송 채널 (36)로부터 PCR 반응물이 유입되어 혼합되는 부위이다.
혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)의 하단에는 혼합물 이송채널 (22)가 연결되어 있으며, 혼합물 이송 채널 (22)는 레이어 적층부와 혼합물 수집용 용기부 사이에 형성되어 있는 혼합물 수집용 공간 (8c)와 소통되어 있다. 그리하여, 제 2 원심분리 조건 하에서 PCR 반응물 수용 챔버 (21)에 모여진 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물이 혼합물 이송 채널 (22)를 따라 혼합물 수집용 공간 (8c)로 배출되어, 목적하는 정량의 혈청 및 정량의 PCR 반응물의 혼합물이 혼합물 수집용 용기부 (D)에 얻어지게 된다. 상기 혼합물 이송 채널 (22)의 형태는 혈청 및 PCR 반응물의 혼합을 보다 촉진시킬 수 있는 형태인 것이 바람직하며, 예를 들어 도 12b에 나타낸 바와 같이, 일정 간격을 두고 좌우로 반복하여 꺽여지는 형태의 채널이 바람직하다.
도 8에 나타낸 혈청 및 PCR 반응물의 혼합을 위한 마이크로 장치를 이용하여 혈청을 분리하고, 정량의 PCR 반응물과 혼합물을 형성하는 방법 및 원리를 설명하면 다음과 같다.
도 13a 내지 13d에 도 9의 마이크로 장치를 이용하여 정량의 혈청이 분리되고 정량의 PCR 반응물이 그 혈청과 혼합되는 과정을, 각각의 챔버 및 채널 내에 물질이 분포되는 양상을 표시함으로써 나타내었다.
우선, 도 9의 마이크로 장치에서 주사용 바늘을 피검자의 손가락 등의 피부에 찌르면 소량의 혈액이 모세관 현상에 의해 혈청 챔버 (12) 및 혈구 챔버 (13)에 채워진다. 이때, 공기 배출용 채널 (14)를 통해 공기가 빠져나가 혈액이 혈청 챔버 (12) 및 혈구 챔버 (13)에 원활하게 채워진다(도 13a의 혈청 정량 추출용 레이어).
그런 다음, PCR 반응물을 PCR 반응물 주입용 채널 (31)에 넣는다. 그러면, PCR 반응물은 PCR 반응물 주입용 채널 (31)을 통해 PCR 반응물 저장용 챔버 (32)에 분포하게 된다. PCR 반응물 저장용 챔버 (32)에 분포하는 PCR 반응물은 대기압 하에서는 PCR 반응물 정량 챔버 (33) 및 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)의 공기압에 의해 밸브채널 (34) 또는 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)로 유입되지 않는다(도 13a의 PCR 반응물 정량 유출용 레이어).
그리하여, 혈액 및 PCR 반응물이 채워진 마이크로 장치를 1,000 내지 5,000 rpm으로 10 내지 100 rpm/s의 가속도로 제 1 원심분리를 수행한다. 제 1 원심분리의 속도 및 가속도는 혈청 정량 추출용 레이어 (10)에 있어서는 혈액이 오버플라우 채널 (16, 35)로 유출될 수 있으면서, 혈청 추출용 채널 (15)로 유출될 수 없는 속도 및 가속도여야 한다. 또한, PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)에서는 PCR 반응물 저장 챔버 (32)에 존재하는 PCR 반응물이 PCR 반응물 오버플라우 채널 (35) 및 PCR 반응물 정량 챔버 (33)으로 유출될 수 있으면서, PCR 반응물 이송 채널 (36)으로는 유출될 수 없는 속도여야 한다. 원심분리기는 실험실에서 통상적으로 이용되는 원심분리기를 이용할 수 있다. 원심분리 조건은 마이크로 장치의 레이어 적층부에 생생되어 있는 채널 및 챔버의 크기 등에 따라 달라질 수 있다. 제 1 원심분리를 수행한 후의 각각의 레이어에서의 혈액 및 PCR 반응물의 분포를 도 13b에 나타내었다.
혈청 정량 추출용 레이어 (10)의 혈청 챔버 (12) 및 혈구 챔버에 존재하던 혈액은, 제 1 원심분리 시 과량의 혈액이 혈액 오버플라우 채널 (16)로 유출됨으로써 혈청 챔버 (12) 및 혈구 챔버 (13)에서는 10 nl 내지 100 ul의 정량의 혈액이 확보되고, 이 정량의 혈액은 원심분리에 의해 혈청은 혈청 챔버 (12)에, 혈구 세포는 혈구 챔버 (13)에 분포하게 된다. 제 1 원심분리 조건 하에서는 혈청 챔버 (12)에 분포하는 혈청이 혈청 추출용 채널 (15)로 유출되지 않는다(도 13b의 혈청 정량 추출용 레이어). 한편, PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)에서는, 제 1 원심분리 시, PCR 반응물 저장 챔버 (32)에 존재하던 PCR 반응물중 과량의 PCR 반응물이 PCR 반응물 오버플라우 챔버 (35)로 유출되고, PCR 반응물 정량 챔버 (33)으로 유출된다(도 13b의 PCR 반응물 정량 유출용 레이어). 이와 같이, PCR 반응물 정량 챔버 (33)으로 유입된 반응물은 PCR 반응물 정량 챔버 (33)의 부피에 해당하는 양만큼 정량되어, 이후의 제 2 원심분리 시 PCR 반응물 이송채널 (36)으로 이동하게 된다.
제 1 원심분리를 수행한 후에는, 제 1 원심분리의 속도보다 더 높은 속도로 제 2 원심분리를 수행한다. 즉, 제 2 원심분리는 5,000 rpm을 초과하는 속도로 수행한다. 이러한 제 2 원심분리를 수행하게 되면, 혈청 정량 추출용 레이어 (10)에서는 혈청 챔버 (12)에 존재하던 정량의 분리된 혈청이 혈청 추출용 채널 (15)을 따라 혼합물 배출용 레이어 (20)의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)로 유출된다. 또한, PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)에서는, PCR 반응물 정량 챔버 (33)에 존재하던 정량된 PCR 반응물이 PCR 반응물 이송 채널 (36)을 통해 혼합물 배출용 레이어 (20)의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)로 유출된다(도 13c). 그리하여, 제 2 원심분리의 진행에 따라 정량된 혈청과 정량된 PCR 반응물이 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21)로 완전히 유입되고, 혼합물 배출용 레이어 (20)의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버 (21) 내의 혼합물은, 레이어 적층부 (C)와 혼합물 수집용 용기부 (D) 사이에 존재하는 혼합물 수집용 공간 (8c)으로 배출된다(도 13d). 그리하여, 최종적으로 혼합물 수집용 용기부 (D)에는 정량의 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물이 수집되는 것이다. 혼합물 중의 혈청과 PCR 반응물의 비율은 혈청 정량 추출용 레이어 (10)의 혈청 추출용 채널 (15) 및 PCR 반응물 정량 유출용 레이어 (30)의 PCR 반응물 이송 채널 (36)의 구조를 변경함으로써 조절할 수 있다.
혼합물 수집용 용기부 (D)에 수집된 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물은 혈청의 검사를 위해 이후에 PCR 반응을 편리하게 수행할 수 있다.
상기 설명한 본 발명의 모든 마이크로 장치에서, 용기부를 제외한 각종 챔버 및 채널이 형성되어 있는 부분은 임의의 열가소성 물질에 의해 당업계에 공지되어 있는 통상적인 방법에 의해 제조될 수 있으며, 그러한 예로는 폴리(디메틸실록산)(PDMS), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 아세토니트릴-부타디엔-스티렌(ABA), 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 시클로-올레핀 코폴리머(COC) 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면 매우 단순한 구조의 마이크로 채널을 가지면서도 소량의 혈액으로 원하고자 하는 혈청분리의 효과는 효율적으로 얻을 수 있으며, 혈액의 채취, 혈청의 분리, 및 분리된 혈청의 수집이 하나의 마이크로 장치에서 이루어질 수 있는 혈청 분리용 마이크로 장치를 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 혈청의 분리 및 그 혈청을 검사하기 위한 PCR 반응물의 정량적 혼합이 하나의 마이크로 장치에서 이루어지는 혈청 및 PCR 반응물의 혼합을 위한 마이크로 장치를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 있어서,
    외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
    상기 혈액 주입용 채널에 연결된 혈액 수송용 채널, 및
    상기 혈액 수송용 채널에 연결되고, 상기 주입된 혈액이 대기압 하에서 상행하여 분포하며, 원심분리 시 혈액 중에 존재하는 혈청이 분포하는 부분인 혈청 채취용 채널을 포함하고,
    상기 혈액 주입용 채널, 혈액 수송용 채널, 및 혈청 채취용 채널이 함께 순차적으로 U 자형을 이루는 U 자형 채널부; 및
    상기 혈액 수송용 채널과 관통 채널에 의해 관통되는 혈구 저장 챔버를 구비하며,
    상기 혈구 수송용 채널과 혈구 저장 챔버를 관통시키는 관통 채널은 상기 혈구 저장 챔버의 폭보다 작아, 대기압 하에서 주입된 혈액이 혈구 저장 챔버로는 유입되지 않고 혈액 주입용 채널, 혈액 수송용 채널, 및 혈청 추출용 채널에 위치하고, 원심분리에 의해 혈구가 혈구 저장 챔버로 유입되고 혈청은 혈청 추출용 채널에 본포되는 것을 특징으로 하는, 혈청 분리용 마이크로 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혈액 주입용 채널은 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되는 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 혈청 채취용 채널은, 하단보다 상단의 폭이 더 큰 원뿔 형태인 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 혈구 저장 챔버는 혈청 채취용 챔버 및 관통 채널과 일직선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 장치의 외형은 시험관 형태인 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 장치는 그 혈액 주입용 채널 및 혈청 분리용 채널이 기판 내부에 기판의 평면과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  7. 원심분리기를 이용하여 혈액 중의 혈청을 분리하기 위한 혈청 분리용 마이크로 장치에 있어서,
    외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
    상기 혈액 주입용 채널에 연속적으로 동일한 방향으로 연결되며 상기 혈액 주입용 채널의 폭 보다 큰 폭을 가지며, 대기압 하에서 주입된 혈액을 보유하고 원심분리 시 혈액 중의 혈구를 보유하기 위한 혈구 저장 챔버,
    상기 혈구 저장 챔버와 연결되어 외부와 소통되는 공기 배출용 채널, 및
    상기 혈액 주입용 채널과 연결되어 원심 분리시 혈청이 유출되는 혈청 유출용 채널을 포함하는 마이크로 채널부; 및
    상기 마이크로 채널부의 둘레와 접하고, 마이크로 채널부의 하단과는 혈청 수집용 공간을 갖는 혈청 수집용 용기부를 구비하며,
    상기 마이크로 채널부의 혈청 유출용 채널이 상기 혈청 수집용 용기부로 소통되어 있어, 원심분리 시 분리된 혈청이 혈청 유출용 채널을 통해 유출되어 상기 혈청 수집용 용기로 수집되는 것을 특징으로 하는, 혈청 분리용 마이크로 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 혈액 주입용 채널은 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되는 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 혈청 수집용 용기부는 시험관 형태인 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 마이크로 장치는 그 혈액 주입용 채널 및 혈청 유출용 채널이 기판 내부에 기판의 평면과 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 혈청 분리용 마이크로 장치
  11. 원심분리 시 일정량의 혈액으로부터 혈청을 추출하는 혈청 정량 추출용 레이어,
    원심분리 시 PCR 반응 혼합물을 일정량 칭량하여 유출시키는 PCR 반응물 정량 유출용 레이어, 및
    상기 혈청 정량 추출용 레이어로부터 추출된 혈청 및 상기 PCR 반응물 정량 유출용 레이어로부터 유출된 PCR 반응물을 수용하기 위한 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버, 및 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버로부터 혈청 및 PCR 반응물을 혼합시키면서 배출시키기 위한 혼합물 이송 채널을 구비하는, 혼합물 배출용 레이어를 포함하고,
    상기 혈청 정량 추출용 레이어, 혼합물 배출용 레이어, 및 PCR 반응 정량 유출용 레이어의 순서로 겹쳐져 이루어지는, 레이어 적층부; 및
    상기 레이어 적층부의 둘레와 접하고, 레이어 적층부의 하단과는 혼합물 수집용 공간을 가지며, 상기 혼합물 배출용 레이어로부터 배출된 혈청 및 PCR 반응물의 혼합물을 수집하는, 혼합물 수집용 용기부를 구비하는, 2 단계의 원심분리에 의해 정량의 혈청 및 정량의 PCR 반응 혼합물의 혼합을 위한 마이크로 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 혈청 정량 추출용 레이어는
    외부로부터 혈액을 주입하기 위한 혈액 주입용 채널,
    혈액 주입용 채널에 연결되고 제 1 원심분리 시 혈청이 분포하는 혈청 챔버,
    혈청 챔버의 일측 하단으로부터 연장되고 혈청 챔버보다 작은 폭을 갖는, 제 1 원심분리 시 혈구가 분포하는 혈구 챔버,
    상기 혈구 챔버와 연결되어 외부와 소통되는 공기 배출용 채널,
    혈청 챔버의 타측 하단에 연결되어, 제 2 원심분리 시 혈청 챔버의 혈청을 상기 혼합물 배출용 레이어의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버에 제공하는 혈청 추출용 채널, 및
    상기 혈청 챔버의 타측 상단에 연결되며, 제 1 원심분리 시 혈청 챔버 및 혈구 챔버로부터 과량의 혈액이 유입되는 혈액 오버플라우 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 혈액 주입용 채널은 모세관 현상에 의해 혈액을 채취할 수 있는 주사용 바늘에 의해 외부와 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 혈액 오버플라우 챔버는 외부와 소통되는 공기 배출용 채널에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 PCR 반응물 정량 유출용 레이어는
    PCR 반응물을 주입하기 위한 PCR 반응물 주입용 채널,
    PCR 반응물 주입용 채널에 연결되고, 주입된 PCR 반응물이 대기압 하에서 유입되어 분포하는 PCR 반응물 저장 챔버,
    PCR 반응물 저장 챔버의 하방에 위치하고, 제 1 원심분리 시 PCR 반응물이 유입되는 PCR 반응물 정량 챔버,
    PCR 반응물 저장 챔버의 측면에 연결되고, 제 1 원심분리 시 과량의 PCR 반응물이 유입되는 PCR 반응물 오버플라우 챔버,
    PCR 반응물 저장 챔버 및 PCR 반응물 정량 챔버를 연결하고, 대기압하에서는 PCR 반응물이 유입되지 않는 밸브 채널,
    PCR 반응물 정량 챔버의 하단에 연결되어 제 2 원심분리 시 PCR 반응물 정량 챔버의 PCR 반응물을 상기 혼합물 배출용 레이어의 혈청 및 PCR 반응물 수용 챔버에 제공하는 PCR 반응물 이송 채널을 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 PCR 반응물 오버플라우 챔버는 외부와 소통되는 공기 배출용 채널에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  17. 제 11 항에 있어서, 혼합물 배출용 레이어에 구비되는 혼합물 이송 채널은 일정 간격을 두고 좌우로 반복하여 꺽여지는 형태의 채널인 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
  18. 제 11 항에 있어서, 상기 혼합물 수집용 용기부는 시험관 형태인 것을 특징으로 하는 마이크로 장치.
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