KR100700093B1 - 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴장치 - Google Patents
레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 관해 개시한다. 개시된 본 발명은, 시료 도입구가 형성되어 있어 상기 시료 도입구를 통해 시료와 상기 자성 비드를 수용하는 세포 용해 칩; 상기 칩을 고정하여 소정 방향으로 진동력을 부여하는 진동부; 상기 칩에 레이저를 공급하는 레이저 발생부; 및 상기 진동부 및 레이저 발생부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함한다
본 발명에 의하면, 저가의 레이저 다이오드를 이용하여 소형화가 가능하고, 밧데리만으로 구동이 가능한 독립 시스템을 구축함으로써 휴대가 가능한 효과가 있다. 또한, 세포 용해 칩을 레이저광의 조사방향과 수직으로 진동하도록 하는 홀더 구조를 구비하여 별도의 확산렌즈 등을 사용하지 않고서도 저 용량의 레이저를 활용하여 넓은 광 조사면적을 확보하고 세포 용해 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 외형을 나타낸 도면이고, 도 1b는 진동부 개방상태에서의 외형도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 내부 구성을 나타낸 단면 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 용해 칩의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3b는 그 실제 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 용해 칩에 레이저가 조사되는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드에서 공급되는 레이저의 지향성을 레이저 출력에 따른 조사각으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 6의 레이저의 조사 거리에 따른 빔 프로파일을 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 작동을 설명하기 위한 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 의해 용해된 대장균(E.coli)으로부터 방출된 DNA를 농도별로 PCR 분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 9의 PCR 분석한 결과를 콘트롤 상태와 보일링 상태에서의 PCR 분석 결과와 비교하여 상대적으로 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 의해 용해된 대장균의 배양액을 콜로니 계수한 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 세포 또는 바이러스 파괴 장치
110 : 본체 120 : 세포 용해 칩
130 : 진동부 131 : 진동모터
132 : 홀더 133 : 샤프트
134 : 스프링 140 : 레이저 발생부
141 : 레이저 다이오드 142 : 히트싱크(heat sink)
143 : 온도센서 150 : 제어부
160 : 냉각팬 170 : 구동전원
180 : 보조 메모리 190 : A/D 컨버터
본 발명은 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 세포 또는 바이러스를 신속하게 용해시켜 DNA를 효과적으로 추출할 수 있도록 한 휴대용 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 특정 병원균의 분자학적 진단은 4 단계, 즉 세포 용해(lysis), DNA 분리, DNA 증폭 및 DNA 검출로 이루어진다.
DNA 증폭에는 중합효소 연쇄반응(PCR), 리가제 연쇄반응(Ligase Chain Reaction), 가닥 이동 증폭(stranded-displacement amplification), 핵산 기재 증폭, 복구 연쇄반응(repair chain reaction), 헬리카제 연쇄반응, QB 복제효소 증폭, 및 연결 활성화된 전사가 포함된다.
세포로부터 DNA를 분리하는 방법은 DNA를 결합하는 경향을 갖는 물질을 이용하여 수행된다. DNA의 분리를 위한 물질의 예는 실리카, 유리섬유, 음이온교환수지, 및 자성 비드 등이 있다.(Rudi, K. 등, Biotechniqures 22, 506-511 (1997); 및 Deggerdal, A. 등, Biotechniqures 22, 554-557 (1997)).
세포 용해는 통상적으로 기계적, 화학적, 열적, 전기적, 초음파 및 마이크로웨이브 방법으로 수행된다 (Michael T. Taylor 등, Anal. Chem., 73, 492-496 (2001)).
화학적 방법은 세포를 파괴하고 DNA를 방출하기 위해 용해제를 이용한다. 카오트로픽 시약(chaotropic reagent)을 이용한 세포 추출물의 부가적인 처리 단계가 단백질을 변성시키기 위해 필요하다. 화학적 용해 방법의 단점은 세포를 파괴하기 위해 거친 화학물질을 이용한다는 것이다. 이들은 연속적으로 수행되는 PCR반응을 방해할 수 있기 때문에, PCR반응 전에 DNA를 정제하는 것이 불가피하다. 상기 화학적 방법은 노동 집약적이고, 시간을 요구하고, 비싼 소모품을 요구하며, 종종 DNA 회수 수율이 낮다는 문제점이 있다. 열적 방법은 반복된 동결/융해 사이클이 관여되나, 종종 세포 내의 많은 구조물을 파괴할 수 없다는 단점이 있다.
가열은 세포벽 또는 세포막을 파괴하는 대안적인 방법이다. 간단한 가열의 단점은 방출된 DNA 에 부착될 수 있는 단백질을 변성시킨다는 것이다. 이들은 DNA 증폭을 방해할 수 있다. 물리적인 방법은 부피가 크고, 비싼 압력 장치를 이용하는데, 이는 LOC (Lab-on-a-Chip) 적용에 적합하지 않다.
초음파처리는 대안적인 물리적 방법인데, 일반적으로 초음파 수조에 위치한 챔버 내에 세포 용액 또는 현탁액을 담아 수행된다. 그러나, 초음파 파괴는 세포 용해에 있어 많은 단점을 가진다. 우선, 초음파의 에너지 분포는 균일하지 않다. 초음파 에너지의 불균일한 분포는 또한 일관성 없는 결과를 초래한다. 두번째로, 초음파 수조는 용기에 에너지를 집중시키지 못하므로, 세포의 파괴를 완성하는데 종종 수 분이 소요된다. 마지막으로, 초음파 방법은 인간 귀에 불쾌한 소리를 발생시킨다.
레이저는 세포를 파괴하는데 많은 장점을 가지며, LOC 에 잘 적용될 수 있다 (Huaina Li 등, Anal Chem, 73, 4625-4631 (2001)). 미국 특허 공개공보 2003/96429 A1 에는 레이저 유도된 세포 용해 시스템이 개시되어 있다. 그러나 레 이저만을 이용했을 때 세포를 효과적으로 용해하지 못하였다. 투명도가 높은 용액에 대장균을 넣고 실험한 결과, 레이저만을 조사한 경우에 낮은 세포 용해 효율을 보이고 있음을 확인하였는데, 150초 동안 레이저를 조사한 후의 DNA 농도는 3.77ng/ul 이었으나, 95℃에서 5분 동안 끓인 후의 DNA 농도는 6.15ng/ul 이었다. 이는 레이저 에너지가 효과적으로 세포에 전달되지 않았기 때문이다.
더욱이 이와 같은 종래의 레이저 세포 용해 시스템은 크기가 큰 레이저 발생 장치 및 수렴렌즈 등을 구비하여 장비 제조비용이 높고 휴대가 불가능한 문제점이 있었다. 이를 개선하기 위해 저 용량의 레이저 발생장치를 이용하는 기술을 시도할 수 있으나, 이 경우에도 용해 대상 세포 또는 바이러스의 반응 면적에 비해 광 조사 면적이 작아 균일하고 효율적인 세포 용해 단계를 수행할 수 없는 문제점이 상존한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저가의 레이저 다이오드를 이용한 세포 파괴 기술을 활용하여 소형의 휴대가 가능한 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 세포 용해 칩을 레이저광의 조사방향과 수직으로 진동하도록 하는 홀더 구조를 구비하여 별도의 확산렌즈 등을 사용하지 않고서도 저 용량의 레이저를 활용하여 넓은 광 조사면적을 확보하도록 한 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저와 자성 비드를 함께 사용하여 진동시킴으로써 세포 또는 바이러스를 신속하고 효율적으로 파괴할 수 있는 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치는, 시료 도입구가 형성되어 있어 상기 시료 도입구를 통해 시료와 자성 비드를 수용하는 세포 용해 칩; 상기 칩을 고정하여 소정 방향으로 진동력을 부여하는 진동부; 상기 칩에 레이저를 공급하는 레이저 발생부; 및 상기 진동부 및 레이저 발생부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 진동부는, 진동모터; 상기 진동모터를 내설하고, 상기 칩을 고정하여 진동력을 전달하는 홀더; 상기 홀더를 상기 진동부에 이동 가능하도록 연결하는 샤프트; 및 상기 샤프트에 삽입되어 상기 홀더의 움직임을 탄성 제한하는 스프링;을 포함한다.
상기 진동모터의 진동방향은 레이저의 조사방향과 수직인 것이 바람직하다.
상기 레이저 발생부는 광원으로 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 다이오드에서 공급되는 레이저는 수직과 수평 방향 발산 각도가 서로 다른 것이 바람직하다.
상기 레이저 발생부는 레이저 가동에 의해 발생한 열을 흡수하여 분산시키는 히트싱크를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 발생부는 레이저 가동에 의해 발생되는 온도를 감지하여 감지된 온도 데이터를 상기 제어부에 전달하는 온도센서를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 레이저 발생부의 일측에는 상기 제어부에 의해 구동되어 장치 내부에서 발생된 열을 공냉시키는 냉각팬이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 세포 용해 칩은, 상단으로 개방된 반응 챔버가 중앙부에 형성된 칩 바디부; 상기 칩 바디부의 상단에 부착되어 상기 반응 챔버를 밀폐시키고, 상기 반응 챔버 내에 레이저가 통과되도록 하며, 시료의 도입구 및 출구가 상기 반응 챔버를 향해 관통되도록 형성된 칩 커버부를 포함한다.
상기 반응 챔버는 상기 레이저 공급부에 의해 공급되는 레이저의 조사 면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
상기 제어부는 상기 레이저 다이오드 및 상기 구동모터를 지정시간 동안 가동할 수 있도록 하는 타이머를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포 또는 바이러스 파괴 장치는, 상기 레이저 가동에 필요한 각종 인수값을 저장하여 상기 제어부에 인가하는 보조 메모리를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 보조 메모리는 EEPROM, UVEPROM, 및 플래쉬 메모리 중 하나인 것이 바람직하다.
상기 진동부 및 레이저 발생부의 구동전원으로 밧데리를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 외형을 나타낸 도면이고, 도 1b는 진동부 개방상태에서의 외형도이다. 도 2는 도 1a에 도시된 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 내부 구성을 나타낸 단면 사시도이다.
도 1a 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치(100)는, 시료와 자성 비드(magnetic beads)를 수용하는 세포 용해 칩(120)과, 본체(110)로부터 개방 가능하도록 힌지 결합되고 상기 칩(120)을 고정하여 소정 방향으로 진동력을 부여하는 진동부(130)와, 상기 칩(120)에 레이저를 공급하는 레이저 발생부(140), 및 상기 진동부(130) 및 레이저 발생부(140)의 구동을 제어하는 제어부(150)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 발생부(140)는, 광원으로 사용되는 레이저 다이오드(LASER diode)(141)와, 레이저 가동에 의해 발생한 열을 흡수하여 분산시키는 히트싱크(heat sink)(142)와, 상기 히트싱크(142) 일측에 부착되어 레이저 가동에 의해 가열된 온도를 감지하는 온도센서(143)를 포함한다.
상기 레이저 발생부(140)의 일측에는 장치 내부에서 발생된 열을 공냉시키는 냉각팬(160)이 설치되고, 상기 진동부(130)의 하단에는 장치에 전력을 공급하는 구동전원(170)이, 바람직하게는 밧데리(battery)의 형태로 교체 가능하도록 장착된다.
상기 본체(110)의 상면부에는 장치 구동에 필요한 스위치(110a)가 마련되고, 전면부에는 장치 구동 상태를 표시하는 LED 램프(110b)가 장착된다.
이와 같은 일련의 구성에 의해 본 발명은 독립 구동 및 휴대가 가능한 세포 또는 바이러스 파괴 시스템을 구현하게 된다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 용해 칩의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3b는 그 실제 사진이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 용해 칩(120)은, 상단으로 개방된 반응 챔버(121a)가 중앙부에 형성된 칩 바디부(121)와, 상기 칩 바디부(121)의 상단에 부착되어 상기 반응 챔버(121a)의 상단부를 밀폐시키고 시료의 도입구(122a) 및 출구(122b)가 상기 반응 챔버(121a)를 향해 관통되도록 형성된 칩 커버부(122) 를 포함하여 구성된다.
상기 칩 바디부(121)의 재질은 유리, 중합체, 실리콘을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 100℃ 이상에서 견딜 수 있는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 만들 수 있다. 칩 바디부(121)의 내부는 챔버(121a)의 기포 발생을 억제하기 위해 Sigmacoat를 이용하여 코팅함으로써 소수성 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
상기 칩 커버부(122)는 상기 칩 바디부(121)의 상단에 부착되어 상기 반응 챔버(121a)의 상단부를 밀폐시키고, 시료의 도입구(122a) 및 출구(122b)가 상기 반응 챔버(121a)를 향해 관통되도록 형성된다. 상기 칩 커버부(122)는 상기 칩 내에 레이저를 통과시켜주도록 투과율 90% 이상의 재질이 적합하며, 유리, 중합체, 인듐주석산화물(ITO) 유리를 포함할 수 있다. 상기 조건에 가장 적합한 유리로 Pyrex 7740을 채용하는 것이 바람직하다. 레이저의 투과율을 증가시키기 위해 상기 칩 커버부(122)에 레이저의 반사방지 코팅을 하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성의 상기 세포 용해 칩(120)에는, 시료 도입구(122a)를 통해 시료와 자성 비드(magnetic beads)(미도시)가 혼합되어 투입된다.
상기 자성 비드는 레이저광을 흡수하여 열 및 운동에너지를 세포에 전달한다. 레이저에 의해 가열된 자성 비드는 간접적으로는 수용액의 온도를 올리며, 직접적으로는 가열되어 뜨거워진 자성 비드가 세포와 직접 접촉하면서 세포 표면을 파괴하게 된다.
상기 자성 비드의 크기는 50nm ~ 1,000㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 1㎛ ~ 50㎛ 이다. 이는 자성 비드의 크기가 50nm 미만이면 불충분한 물리적, 기계적 충격의 문제가 있고, 1,000㎛를 초과하면 LOC 에 효과적인 크기 제한의 문제가 생기기 때문이다. 상기 자성 비드는 자성을 띠는 것이면 어느 것이라도 가능하고, 특히 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 의 금속 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 자성 비드의 표면은 중합체, 유기 물질, 규소, 또는 유리에 강자성체를 띠는 금속으로 코팅될 수 있으며, 그 표면이 DNA가 붙지 않는 구조인 음전하를 띠는 구조로 되어 있는 것이 연속된 정제 공정을 위해 바람직하다.
상술한 구성의 세포 용해 칩(120)은 진동부(130)에 의해 고정되어 레이저의 조사 방향과 수직으로 진동력을 전달받게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동부의 구성을 나타낸 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 진동부(130)는 도 4에 도시된 바와 같이, 진동모터(131)와, 상기 진동모터(131)를 내설하고 상기 칩(120)을 고정하여 진동력을 전달하는 홀더(132)와, 상기 홀더(132)를 외부 프레임(135)에 이동 가능하도록 연결하는 샤프트(133)와, 상기 샤프트(133)에 삽입되어 상기 홀더(132)의 움직임을 탄성 제한하는 스프링(134)을 포함한다.
상기 진동모터(131)는 레이저 조사방향과 수직을 이루도록 진동하며, 그 진동력은 상기 샤프트(133)에 삽입된 스프링(134)에 의해 탄성 제한됨으로써 상기 진동모터(131)의 상단에 안착된 칩을 상기 샤프트(133) 축 방향으로 직선 왕복운동시키게 된다. 이때, 진폭은 진동모터(131)의 구동전압과 상기 스프링(134)의 스프링 상수에 의해 결정되게 된다.
상기 홀더(132)의 일측에는 칩 토출 핀(132a)이 수직으로 삽입되어 설치된다. 이는 반응이 완료된 후 상기 홀더(132) 상면에 안착된 칩을 효율적으로 제거하기 위해 사용되는 것으로, 손가락에 의해 가압되어 반대쪽(칩 안착면)으로 돌출됨으로써 상기 홀더(132)와 상기 칩을 이격시키게 된다.
레이저는 상기 샤프트(133) 축 방향과 수직으로 상기 칩(120) 상에 조사되고, 상술한 칩(120)의 왕복 운동에 의해 레이저광은 상기 반응 챔버(121a)에 수용된 시료에 넓고 고르게 조사되게 된다. 또한, 칩(120)에 전달된 진동은 반응 챔버(121a) 내부의 시료와 자성 비드를 효율적으로 섞어주는 역할을 하는 동시에, 레이저에 노출되지 않은 부위의 세포 등을 중앙의 조사부위로 이동시키는 기능을 하게 된다.
이와 같은 구성의 상기 진동부(130)는 상기 본체(110)에 힌지 결합되어 칩(120)의 교체를 위해 본체(110)로부터 회전 개방될 수 있으며(도 1b 참조), 세포 용해 과정 수행시에는 폐쇄되어 후크(136)와 판 스프링(137)에 의해 상기 본체(110)에 고정 결합된다. 이는 진동에 의해 레이저 가동중에 진동부(130)가 임의로 개방되는 것을 방지하기 위함이다. 한편, 이러한 진동부(130)의 개폐 과정은 내부 구동수단에 의해 자동으로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 용해 칩에 레이저가 조사되는 모습을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드에서 공급되는 레이저의 지향성을 레이저 출력에 따른 조사각으로 나타낸 그래프이며, 도 7은 도 6의 레이저의 조사 거리에 따른 빔 프로파일을 나타낸 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 사용되는 레이저의 출력은 세포를 파괴하는 충분한 에너지 전달을 위해 연속파동(CW) 방식의 경우 100mW 이상, 펄스 방식의 경우 3mJ/펄스 이상을 전달해 주어야 한다. 그런데, 이러한 조건을 만족하는 동시에 밧데리에 의해 구현될 수 있는 소형 세포 파괴 장치를 구현하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드(141)는 약 1W급의 레이저 출력을 가지는 것이 바람직하다.
상기 레이저 다이오드(141)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 홀더(132) 상단에 안착된 세포 용해 칩(120)을 소정거리를 두고 조사함으로써 세포 또는 바이러스를 파괴할 수 있는 출력의 광 에너지를 전달하게 된다. 이때, 상기 레이저 다이오드(141)로부터 전사되는 레이저는 양 축으로 서로 다른 발산 각도를 지니는 것이 바람직하다. 이는 채널 형태의 상기 반응 챔버(121a)에 조사되는 면적을 최대로 확보하기 위함이다.
본 발명의 일 실시예에 적합한 레이저 다이오드(141)의 조사 특성은 도 6의 지향성 그래프에 의해 확인할 수 있다. 즉, FWHM(Full Width at Half Maximum) 기준의 레이저 파워에서, 수평(parallel) 방향으로는 8°, 수직(vertical) 방향으로는 32°의 전사 각도를 지니게 된다.
FWHM 기준의 레이저 파워에서 상기 레이저 다이오드(141)의 실제 조사 거리에 따른 조사면적의 상대적 비교는 도 7의 빔 프로파일(beam profile)에 의해 확인할 수 있다. 그에 의할 때 본 발명의 일 실시예에서 실험치로 채택한 6mm의 조사거리에서는 2.89mm2의 조사면적을 지니게 되어, 15mm2 넓이의 반응 챔버(121a)를 구비한 세포 용해 칩(120)을 채택할 경우 약 19% 정도의 직접 조사면적을 확보하게 된다.
이때, 상기 홀더(132)를 상술한 원리에 의해 진동시켜 상기 칩(120)의 이동거리를 ±0.8mm로 조절하게 되면 레이저광이 조사되는 면적은 15mm2 넓이의 반응 챔버(121a)의 약 56%를 커버하게 됨으로써, 진동이 없는 경우에 비해 약 3배 가량 조사면적이 증가되는 효과가 달성된다.
이하, 도 8의 블록도를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치의 작동을 상세히 설명하면 다음과 같다.
제어부(150)는 소정의 입력수단에 의해 레이저 다이오드(141)와 진동모터(131) 및 냉각팬(160)을 지정시간 동안 동작시키도록 프로그램되고, 스위치(110a)에 의해 입력된 프로그램을 수행하게 된다. 이를 위해 별도의 타이머(미도시)를 내부적으로 구비하는 것이 바람직하다.
상기 제어부(150)에서 전류 제어 신호를 송출하여 구동전원(170)을 통해 전류를 공급함으로써 설정된 광량만큼 상기 레이저 다이오드(141)로부터 레이저가 전사되도록 한다. 히트싱크(142)는 레이저 가동에 의해 상승되는 열을 흡수·분산하여 저감시킨다. 상기 히트싱크(142)의 일측에 부착된 온도센서(143)는 발열에 의한 상승 온도를 측정하여 해당 온도값을 A/D 컨버터(190)를 통해 디지털 신호로 변환하여 상기 제어부(150)에 송출한다.
동시에 상기 레이저 다이오드(141)에 흐르는 전류 및 전압값은 상기 A/D 컨버터(190)를 통해 디지털 신호로 변환되어 상기 제어부(150)에 송출된다.
상기 제어부(150)에서는 모니터 신호로 입력된 레이저 다이오드(141)의 전류 및 전압값을 초기 설정값과 비교하여 레이저 다이오드(141)가 소정시간 동안 일정 광량을 유지하도록 제어하는 동시에, 입력된 온도 데이터를 근거로 냉각팬(160)을 구동하고 설정된 소정의 온도 한계치를 초과할 경우 레이저 광량을 비상 제어하게 된다. 또한, 상기 제어부(150)에서는 설정값에 의해 진동 모터의 작동 및 진폭을 제어한다.
한편, 상기 제어부(150)는 별도의 보조 메모리(180)를 구비하여 설정값 (setting data)과 측정값(calibration data) 등을 전원 오프(off) 상태에서도 저장하게 된다. 이때 상기 보조 메모리(180)는 프로그래밍이 가능하며 읽을 수만 있는 메모리로 전기적 신호에 의해 지울 수 있는 EEPROM (Electrically Erasable PROM)을 사용하는 것이 비용절감 및 간편성의 면에서 바람직하며, UVEPROM이나 플래쉬 메모리를 사용하는 것도 가능하다.
장치를 작동하기 위해 필요한 각종 인수값은 컴퓨터에 의해 유선 또는 무선 통신망을 이용하여 입력되고, 상기 보조 메모리(180) 바람직하게는 EEPROM에 저장되어 전원의 오프 상태에서도 유지되어, 컴퓨터와의 연결을 끊은 후에도 독립적인 구동이 가능하게 된다.
한편, 상기 냉각팬(160)의 구동조건은 상술한 바와 같이 히트싱크(142)의 온도값에 근거하여 구동이 제어될 수도 있으나, 구동조건을 임의로 변경하여 스위칭에 의해 항상 구동되거나, 레이저 가동시에만 구동되도록 하는 것도 가능하다.
실험예
1 : 레이저에 의한 세포 용해 효율
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치(100)에 의한 세포 용해 효율을 알아보기 위하여 그람음성 세균인 대장균(E.coli)을 농도별(2×104, 2×103, 2×102, 2×10 세포/㎕)로 분류하여 PCR 분석을 실시하였다. 레이저 파워는 0.8W이고, 레이저 조사 시간은 40초이며, 조사 거리는 6mm이다. 투입된 자성 비드의 농도는 107 beads/㎕이고, 비드 사이즈는 1㎛ 이다. 대조군 중 콘트롤(control)은 대장균 세포를 13,200rpm에서 5분 동안 원심분리(centrifuge) 후 상등액만을 취해서 PCR 한 것이며, 보일링(boiling)은 대장균 세포를 95℃에서 5분 동안 끓인 후에 방출된 DNA를 이용하여 PCR 한 것이다.
도 9는 상기 조건에서 용해된 대장균(E.coli)으로부터 방출된 DNA를 농도별로 PCR 분석한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 9의 결과를 콘트롤 상태와 보일링 상태에서의 PCR 분석 결과와 비교하여 상대적으로 나타낸 그래프이다. 이때 막대기는 증폭된 DNA 농도의 Cp(Cross Point) 값을 나타내고, 오차 막대기는 3회 반복시의 표준 편차를 나타낸다.
도 9 및 도 10에 의할 때, 본 발명장치(100)를 이용하여 레이저에 의해 세포를 용해한 효율은 농도 변화량에 비례하여 일정하게 증가하게 되며, 어떠한 농도상태에서도 보일링이나 콘트롤에 비해 세포 용해 효율이 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명장치(100)에 의하면 저 출력(0.8W)의 레이저 파워를 이용하면서도 세포 농도에 무관하게 그람음성 세균을 포함한 각종 세포들을 효율적으로 용해할 수 있음을 알 수 있다.
실험예
2 : 레이저에 조사에 따른 세포의
생존능
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치(100)에 의한 레이저 조사 후의 세포의 생존능을 알아보기 위하여 그람음성 세균인 대장균(E.coli)을 레이저로 용해하여 Petrifilm(3M 제조, E.coli/Coliform Count plate)에서 12시간 이상 배양한 후 콜로니(colony) 계수하 였다. 배양액의 농도는 105 세포/㎕이다. 레이저 파워는 1.0W 이하이고, 조사 시간은 40초이며, 조사 거리는 6mm이다. 투입된 자성 비드의 농도는 107 beads/㎕이고, 비드 사이즈는 1㎛이다.
도 11은 상기 조건에서 용해된 대장균의 배양액을 콜로니 계수한 결과를 나타낸 그래프이다. 진동(vibration)은 상기 진동 모터를 가동하였을 때를 나타내고, 오차 막대기는 3회 반복시의 표준 편차를 나타낸다.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 레이저 파워를 0.4W 이상 증가시키고 칩(120)을 진동하였을 경우 세포의 콜로니 수치가 급격히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 즉, 레이저 조사만 이루어진 경우에 비해 진동모터(131)를 사용하였을 경우 더 낮은 레이저 파워에서 세포가 더욱 신속히 파괴되어 죽는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것인바, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 의하면, 저가의 레이저 다이오드를 이용하여 소형화가 가능하고, 밧데리만으로 구동이 가능한 독립 시스템을 구축함으로써 휴대가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 세포 용해 칩을 레이저광의 조사방향과 수직으로 진동하도록 하는 홀더 구조를 구비하여 별도의 확산렌즈 등을 사용하지 않고서도 저 용량의 레이저를 활용하여 넓은 광 조사면적을 확보하고 세포 용해 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 레이저와 자성 비드를 함께 사용하여 진동시킴으로써 세포 또는 바이러스를 신속하고 효율적으로 파괴할 수 있는 효과가 있다.
Claims (14)
- 레이저 및 자성 비드를 이용한 세포 또는 바이러스 파괴 장치에 있어서,시료 도입구가 형성되어 있어 상기 시료 도입구를 통해 시료와 자성 비드를 수용하는 세포 용해 칩;상기 칩을 고정하여 소정 방향으로 진동력을 부여하는 진동부;상기 칩에 레이저를 공급하는 레이저 발생부; 및상기 진동부 및 레이저 발생부의 구동을 제어하는 제어부;를 포함하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 진동부는,진동모터;상기 진동모터를 내설하고, 상기 칩을 고정하여 진동력을 전달하는 홀더;상기 홀더를 상기 진동부에 이동 가능하도록 연결하는 샤프트; 및상기 샤프트에 삽입되어 상기 홀더의 움직임을 탄성 제한하는 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 2항에 있어서,상기 진동모터의 진동방향은 레이저의 조사방향과 수직인 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저 발생부는 광원으로 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 4항에 있어서,상기 레이저 다이오드에서 공급되는 레이저는 수직과 수평 방향 발산 각도가 서로 다른 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저 발생부는 레이저 가동에 의해 발생한 열을 흡수하여 분산시키는 히트싱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저 발생부는 레이저 가동에 의해 발생되는 온도를 감지하여 감지된 온도 데이터를 상기 제어부에 전달하는 온도센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저 발생부의 일측에는 상기 제어부에 의해 구동되어 장치 내부에서 발생된 열을 공냉시키는 냉각팬이 설치되는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상단으로 개방된 반응 챔버가 중앙부에 형성된 칩 바디부;상기 칩 바디부의 상단에 부착되어 상기 반응 챔버의 상단부를 밀폐시키고, 상기 반응 챔버 내에 레이저가 통과되도록 하며, 시료의 도입구 및 출구가 상기 반응 챔버를 향해 관통되도록 형성된 칩 커버부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 9항에 있어서,상기 반응 챔버는 상기 레이저 공급부에 의해 공급되는 레이저의 조사 면적 보다 넓은 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 제어부는 상기 레이저 다이오드 및 상기 구동모터를 지정시간 동안 가동할 수 있도록 하는 타이머를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 레이저 가동에 필요한 각종 인수값을 저장하여 상기 제어부에 인가하는 보조 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 12항에 있어서,상기 보조 메모리는 EEPROM, UVEPROM, 및 플래쉬 메모리 중 하나인 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
- 제 1항에 있어서,상기 진동부 및 레이저 발생부의 구동전원으로 밧데리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 또는 바이러스 파괴 장치.
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