KR100790889B1 - 전기 투석 장치 및 이를 이용한 전기 투석 방법 - Google Patents
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Abstract
전기 투석 장치 및 이를 이용한 전기 투석 방법이 개시된다. 개시된 전기 투석 장치는, 제1 투석막 및 제2 투석막이 마련되고 그 사이에 시료가 채워지는 시료 챔버; 애노드가 마련되고 상기 애노드 및 제1 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 애노드 챔버; 캐소드가 마련되고 상기 캐소드 및 제2 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 캐소드 챔버; 를 구비하며, 상기 애노드 및 캐소드에 전압이 인가되면 상기 시료의 이온 물질이 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버로 이동되는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 본 발명의 시료 챔버의 착탈 상태를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 I-I' 절단면을 도시한 단면도.
도 3은 도 1의 II-II' 절단면을 도시한 단면도.
도 4는 시료의 이온 물질이 챔버액으로 이동됨에 따라 챔버액의 전기 분해된 상태를 도시한 설명도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...시료 챔버 110...제1 투석막
120...제2 투석막 150...투석창
200...하우징 201...슬롯(slot)
205...이온 물질 210...애노드 챔버
211...애노드(anode) 220...캐소드 챔버
221...캐소드(cathode) 252...챔버액 인렛(inlet)
253...챔버액 아웃렛(outlet) 260...에어 공급구
261...기포 262...에어 인렛(air inlet)
263...에어 아웃렛(air outlet) 300...제어 수단
310...센서부 320...제어부
330...펌프 400...투석 방해층
C1...제1 챔버액 C2...제2 챔버액
본 발명은 전기 투석 장치 및 이를 이용한 전기 투석 방법에 관한 것이다.
일반적으로 유전자 증폭 방법(PCR : Polymerase Chain Reaction)은 인위적으로 유전자를 증폭하는 방법이다. PCR의 개요는 DNA의 이중나선을 연속적으로 분리시켜 생긴 단일 가닥을 새로운 이중 나선을 만드는 원본으로 사용하기 위하여 열에 안정한 DNA 중합효소로 가열 및 냉각을 반복하는 것이다. 우선 DNA에 열을 가하여 2개의 사슬로 나눈다. 이것에 프라이머(primer)라고 하는 짧은 DNA를 추가하여 냉각하면 프라이머가 DNA에 결합하게 된다. 이것에 DNA 폴리머라아제(Polymerase)라는 효소를 더하면 프라이머 부분이 출발점이 되어 DNA가 복제된다. 이것을 수십 회 반복하면 짧은 시간에 DNA는 수십억 배로 불어난다.
일반적으로 인체에 관한 PCR에서 체액(body fluid)이 PCR 시료(sample)가 된다. 그러나 체액에 존재하는 PCR 저해 물질(PCR inhibitor)은 PCR 효율을 크게 떨어뜨린다. PCR 저해 물질의 예로서 염(salt)과 적혈구(RBC : red blood cell)가 대표적이다. 상기 염으로서 염화나트륨(NaCl), 황산화나트륨(Na2So4) 등이 있다. PCR 시료가 되는 혈액(blood)이나 소변(Urine)에는 염이나 혈구가 높은 농도로 존재한다.
예를 들어 패혈증 환자의 혈액에서 패혈증의 원인이 되는 박테리아의 DNA를 증폭하거나 검출하고자 하는 표적 DNA로 삼을 때, 상기 표적 DNA를 효과적으로 증폭하거나 검출하기 위하여 일반적으로 표적 DNA를 시료로부터 분리하는 것이 필요하다. 시료 중의 PCR 저해 물질(PCR inhibitor)을 제거하기 위함이다.
PCR 저해 물질로 인하여, 희석되지 않은 혈액을 PCR 시료로 직접 사용하는데 한계가 있다. 희석되지 않은 전혈(whole blood)에는 PCR 저해 물질이 너무 많이 함유되어 있기 때문이다. 일반적으로, 혈액을 총 반응액 중 약 2% 이상 포함하는 경우 PCR 효율이 떨어진다.
이를 극복하는 방법으로, 적혈구를 선택적으로 파괴하는 방법을 들 수 있다. 미국특허 제4,407,942호에는 암모늄클로라이드를 이용하여 적혈구를 선택적으로 파괴하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 표적 DNA를 제외하고 나머지 PCR 저해 물질만을 제거하는 종래의 방법은 매우 복잡하고 많은 단계와 시간을 필요로 하며, 표적 DNA 분리 과정에서 시료의 오염이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 전혈에 대한 디렉트 PCR을 간편하게 수행할 수 있도록 PCR 저해 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 장치 및 방법의 개발이 필요하다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 필요성을 감안한 것으로, 전혈을 이용한 디렉트 PCR을 수행할 때 PCR 저해 물질로 인한 낮은 PCR 효율을 개선할 수 있는 전기 투석 장치 및 전기 투석 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전기 투석 장치는,
제1 투석막 및 제2 투석막이 마련되고 그 사이에 시료가 채워지는 시료 챔버;
애노드가 마련되고 상기 애노드 및 제1 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 애노드 챔버;
캐소드가 마련되고 상기 캐소드 및 제2 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 캐소드 챔버; 를 구비하며, 상기 애노드 및 캐소드에 전압이 인가되면 상기 시료의 이온 물질이 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버로 이동되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 투석막은 분자량 컷-오프 막이다. 여기서, 상기 분자량 컷-오프 막은, 셀로판 막, 셀룰로즈 막, 폴리에테르술폰(PES) 막, 폴리술폰(PS) 막 및 폴리비닐디플루오라이드(PVDF) 막 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
일 실시예로서, 상기 챔버액은 순수(deionized water)이다.
그리고, 상기 전기 투석 장치는 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 이온 농도를 기준 이온 농도 미만으로 제어하는 제어 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
일 실시예로서, 상기 제어 수단은 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 중에서 그 내부의 이온 농도가 상기 기준 이온 농도 이상인 챔버에 대하여 그 내부의 챔버 액 전부를 새로운 것으로 교체한다.
여기서, 상기 기준 이온 농도는 상기 시료 챔버 내부의 이온 농도보다 작은 값인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제어 수단은 상기 이온 농도를 감지하는 센서부와 상기 챔버액을 공급/배출하는 펌프를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 센서부는 상기 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 시료 챔버 내부의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 상기 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 시료 챔버 내부의 이온 농도를 감지하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전기 투석 장치는, 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 챔버액을 유동시키는 믹싱 수단을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 믹싱 수단은, 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부에 기포를 발생시키는 것이 바람직하다. 여기서 상기 애노드 및 캐소드는 상기 제1 및 제2 투석막 주변의 챔버액이 원활하게 유동될 수 있는 한도 내에서 이격 거리가 최소로 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 상기 시료 챔버는 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 사이로 착탈되는 사각통 형상을 갖는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 전기 투석 장치는,
챔버액이 채워지는 하우징;
상기 하우징 내부에 서로 이격 배치되며 전기장을 형성하는 애노드 및 캐소드;
시료가 채워지는 투석막을 구비하며 상기 하우징에 착탈되는 시료 챔버;
상기 투석막은 상기 챔버액과 시료를 구획하는 벽을 형성하며, 상기 시료에 포함된 이온 물질이 상기 투석막을 통과하여 상기 챔버액으로 상기 전기장에 의하여 이동되는 것을 특징으로 한다. 상기 투석막은 분자량 컷-오프 막이 바람직하며, 상기 챔버액은 순수(deionized water)인 것이 바람직하다.
일 실시예로서, 상기 전기 투석 장치는 상기 챔버액의 이온 농도가 기준 이온 농도보다 적도록 제어하는 제어 수단을 더 구비한다. 상기 제어 수단은 상기 챔버액의 이온 농도가 상기 시료의 기준 이온 농도보다 같거나 크면 상기 챔버액을 새것으로 한번에 교환하는 것이 바람직하다. 상기 기준 이온 농도는 상기 시료의 이온 농도보다 작은 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제어 수단은 상기 챔버액 및 시료의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 상기 이온 농도를 감지하는 것이 좋다.
일 실시예로서, 상기 전기 투석 장치는 기포를 발생시킴으로써 상기 챔버액을 유동시키는 믹싱 수단을 더 구비한다.
일 실시예로서, 상기 시료 챔버는 사각통 형상이며 상기 투석막은 상기 시료 챔버의 양 측벽이 된다.
한편, 본 발명에 따른 전기 투석 장치는 전기장을 형성하는 애노드와 캐소드 사이에 제1 챔버액, 제1 투석막, 시료, 제2 투석막, 제2 챔버액이 순차적으로 배열되고, 상기 시료에 포함된 이온 물질이 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액으로 투석되며, 상기 제1 및 제2 투석막은 분자량 컷-오프 막인 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 전기 투석 장치는 상기 제1 및 제2 챔버액 중 상기 시 료의 기준 이온 농도보다 같거나 큰 이온 농도를 갖는 챔버액을 새것으로 한번에 교환하는 제어 수단을 더 구비한다.
일 실시예로서, 상기 전기 투석 장치는 상기 제1 및 제2 투석막과 상기 제1 및 제2 챔버액이 마주 닿는 경계에 형성된 투석 방해층을 기포 발생에 의하여 제거하는 믹싱 수단을 더 구비한다.
일 실시예로서, 상기 애노드 및 캐소드는 최소로 이격된다.
그리고, 본 발명에 따른 전기 투석 방법은 전기장을 형성하는 애노드와 캐소드 사이에 제1 챔버액, 제1 투석막, 시료, 제2 투석막, 제2 챔버액을 순차적으로 배열하고, 상기 시료에 포함된 이온 물질을 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액으로 투석시키며, 분자량 컷-오프 막을 상기 제1 및 제2 투석막으로서 구비하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 챔버액 중 상기 시료의 기준 이온 농도보다 같거나 큰 이온 농도를 갖는 챔버액은 새것으로 한번에 교환한다.
일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 챔버액을 기포 발생에 의하여 유동시킨다.
일 실시예로서, 상기 애노드 및 캐소드를 최소로 이격시킴으로써 상기 전기장의 세기를 최대로 한다.
일 실시예로서, 상기 제1 및 제2 투석막과 그 사이에 채워지는 시료는 일체형 카트리지 형태로서 상기 제1 및 제2 챔버액 사이에 착탈된다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 첨부도면에 도시된 바에 국한되지 않고, 동일한 발명의 범주내에서 다양하게 변형될 수 있음을 밝혀둔다.
전혈을 희석하지 않고 디렉트 PCR하는 경우 많은 혈구 및 염이 PCR 저해 물질로 작용하므로, 매우 낮은 농도의 혈액만 PCR 가능하다. 그러나 본 발명에 따르면 전혈을 투석하여 시료로 사용함으로써 높은 농도의 혈액도 디렉트 PCR이 가능하다.
그 이유는 다음과 같다. 체액에는 많은 종류의 염(용액에 녹으면 이온화되므로 이하에서 '이온 물질'은 이온화된 염을 지칭한다.)이 존재하며 특히 소변과 혈액에는 염이 높은 농도로 존재한다. 혈액을 전기 투석하여 혈액 내의 염을 제거하면 PCR저해 물질 중 많은 부분을 차지하는 적혈구가 삼투압에 의하여 파괴된다. 즉, 염을 전기 투석함으로써 염은 물론 혈구와 같은 PCR 저해 물질이 대부분 제거되므로 전혈을 PCR시료로 이용할 수 있음은 물론 PCR효율이 크게 증대된다.
체액을 일반적인 방법으로 투석하면 많은 시간이 소모된다. 본 발명에서는 체액을 단순 투석하지 않고 체액에 전기장을 가하여 전기 투석함으로써 투석에 소비되는 시간을 획기적으로 줄인다.
도 1을 참조하면 본 발명의 시료 챔버(100)가 도시된다. 시료 챔버(100) 내부에는 시료가 채워지며 제1 투석막(110) 및 제2 투석막(120)이 시료의 외벽을 형성한다. 시료 챔버(100)는 사각통 형상을 갖고, 전기 투석 이전의 시료를 포함한 상태로 하우징(200)에 장착되며 시료의 전기 투석이 완료되면 하우징(200)에서 분리된다. 시료 챔버(100)의 착탈을 위하여 하우징(200)에 슬롯(201)이 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 시료 챔버(100)의 양 측벽에는 투석막(110,120)이 챔버액과 대면될 수 있도록 투석창(150)이 마련되는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명에서는 챔버액 내부에 기포를 발생시켜 챔버액을 유동시킴으로써 투석 효율을 개선한다. 이를 위하여 하우징(200) 내부에 공기를 공급하는 에어 공급구(260)가 마련된다.
도 2는 도 1의 I-I' 절단면을 도시한 단면도이고 도 3은 도 1의 II-II' 절단면을 도시한 단면도이다. 도 2 및 도 3을 함께 참조하면 본 발명의 전기 투석 장치는, 하우징(200), 시료 챔버(100), 제어 수단(300)과 믹싱 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
하우징(200)은 전기 투석 장치의 외장을 이룬다. 시료 챔버(100)의 양측으로 하우징(200) 내부에 애노드 챔버(210) 및 캐소드 챔버(220)가 형성된다. 애노드 챔버(210)에는 애노드(211)가 마련되고 제1 챔버액(C1)이 채워진다. 제1 챔버액(C1)은 시료 챔버(100)의 제1 투석막(110)을 사이에 두고 시료와 대면된다. 캐소드 챔버(220)에는 캐소드(221)가 마련되고 제2 챔버액(C2)이 채워진다. 제2 챔버액(C2)은 제2 투석막(120)을 사이에 두고 시료와 대면된다. 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)은 그 성분을 달리할 수도 있으나 동일한 성분을 갖는 것이 바람직하며, 이온이 제거된 순수(deionized water)를 사용하는 것이 투석 효율 향상을 위하여 바람직하다. 애노드(211)에 양전압이 인가되고 캐소드(221)에 음전압이 인가되면 전기장이 형성되고 상기 전기장에 의하여 시료의 이온 물질(205)이 애노드 챔버(210) 및 캐소드 챔버(220)로 이동되면서 시료의 염이 투석된다.
도 4는 시료의 이온 물질(205)이 챔버액으로 이동됨에 따라 챔버액이 전기 분해된 상태를 도시한 설명도이다. 이를 참조하면 전기장을 형성하는 애노드(211)와 캐소드(221) 사이에 제1 챔버액(C1), 제1 투석막(110), 시료, 제2 투석막(120), 제2 챔버액(C2)이 순차적으로 배열되고, 상기 시료에 포함된 이온 물질(205)이 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)으로 투석된다. 양의 극성을 갖는 이온 물질(205a)은 음 전압이 인가되는 캐소드(221)를 향하여 이동되고 음의 극성을 갖는 이온 물질(205b)은 양 전압이 인가되는 애노드(211)를 향하여 이동된다.
시료에 포함된 이온 물질(205)이 챔버액으로 이동되면 챔버액은 초기의 순수(D.I. water) 상태에서 이온을 포함한 상태로 되며 물이 전기 분해되면서 수소 이온(H+) 및 수산화 이온(OH-)의 양이 증가된다. 수소 이온(H+) 및 수산화 이온(OH-)을 포함한 챔버액의 이온 농도가 시료의 이온 농도 이상이 되면 시료 쪽으로 이온 물질(205)이 다시 이동하여 시료의 이온 농도가 오히려 증가될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 양이온 또는 음이온을 선택적으로 차단하는 이온 교환막(Ion exchange membrane)을 투석막(110,120)으로 이용할 수 있지만 이온 교환막은 값이 비싼 단점이 있다.
일 실시예로서, 값이 싼 분자량 컷-오프 막(molecular-weight cutoff membrane)을 투석막(110,120)으로 사용하고 제어 수단(300)을 이용하여 챔버액의 이온 농도를 기준 이온 농도보다 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 분자량 컷-오프 막은 농도 차이에 의하여 소정의 분자량보다 작은 물질을 선택적으로 통과시키는 것으로서 자세한 사항은 당업자에게 공지된 것이므로 설명을 생략한다. 분자량 컷-오프 막의 예를 들면 셀로판 막, 셀룰로즈 막, 폴리에테르술폰(PES) 막, 폴리술 폰(PS) 막 및 폴리비닐디플루오라이드(PVDF) 막 등이 있다. 투석되는 분자가 이온인 경우, 분자량 컷-오프 막은 이온의 극성을 따지지 않으므로 이온 교환막보다 더 쉽게 이온 물질(205)을 통과시킬 수 있다.
시료에서 빠져나간 이온 물질(205)은 챔버액(C1,C2)의 이온 농도를 증가시키므로 투석막(110,120)을 경계로 양측의 농도 차이가 감소되고 투석 효율이 줄어든다. 아울러 챔버액의 전기 분해가 촉진되어 많은 열이 발생하므로 챔버액 또는 시료의 열적 파괴가 문제된다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 애노드 챔버(210) 및 캐소드 챔버(220) 내부의 이온 농도를 기준 이온 농도 미만으로 제어하는 제어 수단(300)이 마련된다.
이때 애노드 챔버(210) 및 캐소드 챔버(220) 내부의 이온 량은 기하급수적으로 증가하기 때문에 이온 농도가 기준 이온 농도을 초과하면 기존의 챔버액을 모두 제거하고 새로운 것으로 전량 교체하는 것이 바람직하다. 상기 기준 이온 농도는 시료 챔버(100) 내부의 이온 농도보다 더 작은 값으로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 제어 수단이 제어 한계값으로 삼는 기준 이온 농도는 시료의 이온 농도보다 작은 것이 바람직하다. 제어 수단(300)은 챔버액의 이온 농도가 기준 이온 농도보다 같거나 크면 기존의 챔버액을 새 것으로 한번에 교환한다.
일 실시예로서, 제어 수단(300)은 챔버액 및 시료의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 챔버액 및 시료의 이온 농도를 감지한다. 따라서, 제어 수단(300)은 이온 농도를 감지하는 센서부(310)와, 상기 챔버액을 공급/배출하는 펌프(330)와, 상기 센서부(310) 및 펌프(330)의 동작을 제어하는 제어부(320)를 구비 한다. 센서부(310)는 상기 애노드 챔버(210), 캐소드 챔버(220) 및 시료 챔버(100) 내부에 각각 마련되며 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 이온 농도를 측정할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 투석막(110,120)과 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)이 마주 닿는 경계에는 시료에서 이동된 이온 물질(205)의 밀도가 상대적으로 높은 투석 방해층(400)이 형성된다. 상기 투석 방해층(400)을 제거하기 위하여 믹싱 수단이 더 구비되는 것이 바람직하다. 믹싱 수단은 기포(261)를 발생시킴으로써 투석 방해층(400)을 제거하고 챔버액의 유동을 증가시키며 계면적을 증가시킨다. 그 결과 이온의 확산 속도와 이온 교환 속도를 증대시킨다.
만약 챔버액을 믹싱하는 교반기를 설치한는 실시예를 가정하면, 교반기의 설치 공간으로 인하여 애노드(211) 및 캐소드(221)의 이격 거리가 늘어나는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명에서는 기포(261)를 발생시킴으로써 챔버액을 믹싱한다. 따라서, 애노드(211) 및 캐소드(221)의 이격 거리(D)를 최소화시킬 수 있으므로 동일 전압 대비 전기장의 세기를 최대로 할 수 있어서 투석 효율이 향상된다. 그 결과, 애노드(211) 및 캐소드(221)는 제1 및 제2 투석막(110,120) 주변의 챔버액이 원활하게 유동될 수 있는 한도 내에서 이격 거리(D)가 최소가 되도록 배치된다.
다시 도 3을 참조하면 애노드 챔버(210)의 단면이 도시된다. 도시되지는 않았지만 캐소드 챔버(220)의 구성도 도 3에 도시된 애노드 챔버(210)의 구성과 동일하다.
제어 수단(300)의 일 실시예로서, 하우징(200)에는 챔버액을 공급하는 챔버 액 인렛(252)과 이온 농도가 증가된 챔버액을 외부로 배출하는 챔버액 아웃렛(253)이 마련된다. 제어부(320)는 센서부(310)에서 측정된 전기 저항 또는 전기 전도도를 기준으로 펌프(330)의 구동을 제어하여 챔버액을 공급/배출한다.
믹싱 수단의 일 실시예로서, 하우징(200)에는 에어의 통로가 되는 에어 공급구(260)와, 챔버액에 기포(261)를 공급하는 에어 인렛(262)과, 상기 기포(261)를 외부로 방출하는 에어 아웃렛(263)이 마련된다.
이하에는 상기 전기 투석 장치를 이용한 전기 투석 방법을 설명한다. 본 발명의 전기 투석 방법은 전기장을 형성하는 애노드(211)와 캐소드(221) 사이에 제1 챔버액(C1), 제1 투석막(110), 시료, 제2 투석막(120), 제2 챔버액(C2)을 순차적으로 배열하고, 상기 시료에 포함된 이온 물질(205)을 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)으로 투석시키는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 및 제2 투석막(110,120)으로서 분자량 컷-오프 막이 사용되는 것이 바람직하다. 제1 챔버액(C1)은 애노드 챔버(210) 내부에 채워지는 챔버액이고 제2 챔버액(C2)은 캐소드 챔버(220) 내부에 채워지는 챔버액이다.
시료 챔버(100)는 제1 및 제2 투석막(110,120)과 그 사이에 채워지는 시료로 이루어지며, 일체형 카트리지 형태로서 하우징(200)에 마련된 슬롯(201)을 통하여 제1 및 제2 챔버액(C1,C2) 사이에 착탈된다.
제어 수단(300)은 제1 챔버액(C1)의 이온 농도가 기준 이온 농도 이상이면 제1 챔버액(C1)을 모두 새것으로 교체하고, 제2 챔버액(C2)의 이온 농도가 기준 이온 농도 이상이면 제2 챔버액(C2)을 모두 새것으로 교체한다. 제1 및 제2 챔버 액(C1,C2) 모두의 이온 농도가 기준 이온 농도 이상이면 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)을 모두 새것으로 교체한다.
다음에는 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명의 전기 투석 장치를 이용한 전기 투석 실험예를 설명한다.
한편, 본 발명과 비교를 위하여 10ml의 시료를 순수 2 리터에 담그는 한편 마그네틱 바(magnetic bar)를 회전시켜 순수를 유동시키고, 1시간 간격으로 순수를 교환하며 시료에 대한 염 제거율을 측정하였다. 이때 전기장은 인가되지 않으며 단순히 농도 차이에 의한 투석만을 실시하였다. 실험 결과, 염 제거율은 5분 경과시 4.8%, 30분 경과시 25.6%, 60분 경과시 38.3%, 120분 경과시 55%, 720분 경과시 90.2%로 측정되었다.
본 발명의 전기 투석 장치를 이용한 제1 실험예에서 전기장만 걸어주고 챔버액은 교환하지 않았다. 시료의 양은 10ml이고, 애노드(211) 및 캐소드(221)에 가해지는 전압은 30V이며, 제1 및 제2 투석막(110,120)으로 셀로판 막이 사용되고, 챔버액으로 순수가 사용되며, 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)은 각각 80ml이다. 제1 실험예에서 제어 수단(300)은 구비되지 않으므로 제1 및 제2 챔버액(C1,C2)은 이온 농도와 상관없이 새것으로 교환되지 않는다. 실험 결과, 염의 제거율은 1분 경과시 24.7%, 2분 경과시 30.2%, 3분 경과시 34.4%로 측정되었다. 전기 투석을 3분 실시한 시료의 염 제거율(34.4%)은 전기장을 가하지 않은 일반 투석을 60분 실시한 경우의 염 제거율(38.3%)과 비슷하다. 순수의 사용량(160ml)도 일반 투석(2리터)보다 훨씬 적다. 그러나 전기 투석을 3분 이상 수행시 전기 분해가 심하게 발생하므로 챔버액의 온도 상승 및 이온 물질(205)이 시료 측으로 재유입되는 문제점이 발생된다.
본 발명의 전기 투석 장치를 이용한 제2 실험예에서 전기장을 걸어주는 한편, 챔버액을 교환하였다. 나머지 실험 조건은 제1 실험예와 동일하다. 챔버액에 이온 물질(205)이 증가되면 챔버액의 전기 저항이 감소되고 전기 전도도가 증가된다. 제2 실험예에서 센서부(310)로 측정한 챔버액의 전기 저항이 750Ω 이하이면 챔버액을 전부 새것으로 교체하였다. 애노드 챔버(210) 및 캐소드 챔버(220) 중에서 이온 농도가 기준 이온 농도 이상인 챔버에 대하여 챔버액 전부를 새로운 것으로 교체하는 경우에, 제2 실험예에서 상기 기준 이온 농도는 750Ω에 대응하는 이온 농도가 된다. 제2 실험예에서 전기 투석을 3분 실시한 시료의 염 제거율은 53%로 증가됨을 알 수 있었다.
본 발명의 전기 투석 장치를 이용한 제3 실시예에서 전기장을 걸어주는 한편, 챔버액을 교환하고, 챔버액 내부에 기포(261)를 발생시켰다. 나머지 실험 조건은 제2 실험예와 동일하게 하였다. 제3 실험예에서 전기 투석을 3분 실시한 시료의 염 제거율은 75.5%로 증가됨을 알 수 있었다.
즉, 동일한 전압 및 동일한 투석 시간에 대한 염 제거율은, 전기장만 가해주는 경우 34.4%이고, 제어 수단(300)을 추가하여 챔버액을 교환한 경우 53%이며, 믹싱 수단을 추가하여 투석 방해층(400)을 제거한 경우 75.5%로 투석 효율이 획기적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명의 전기 투석 장치를 이용한 제4 실험예에서 실험 조건을 제3 실험예 와 동일하게 하되, 가해주는 전압을 50V로 증가시키고, 전압 인가 시간을 5분으로 증가시키며, 챔버액의 전기 저항이 1666Ω이하이면 챔버액을 전부 새 것으로 교체하였다. 제4 실험예에서 상기 기준 이온 농도는 1666Ω에 대응하는 이온 농도가 된다. 제4 실험예는, 제3 실험예에 비하여 전기장의 세기가 증가되고, 전압 인가 시간이 증가되며, 상기 기준 이온 농도가 더 낮게 설정되므로 챔버액을 더욱 원활하게 교체하는 실험 조건이다. 실험 결과, 시료로 소변을 사용하는 경우 5분 이내에 99.9% 이상의 염을 제거할 수 있고, 전혈을 사용하는 경우 5분 이내에 80% 이상의 염을 제거할 수 있음이 측정되었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 전기 투석 장치 및 전기 투석 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 분자량 컷-오프 막과 전기장을 이용하여 전기 투석함으로써 이온 교환막을 이용한 일반 투석에 비하여 투석 효율이 증가되고, 혈액의 희석 없이 전혈을 PCR시료로 사용할 수 있다.
둘째, 제어 수단에 의하여 소정 농도에 이르기 전에 챔버액을 교환함으로써 이온 농도 구배에 따른 확산 속도가 증가되므로 시료에 포함된 염을 빠른 시간에 제거할 수 있다. 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부에 발생한 수소 이온(H+) 및 수산화 이온(OH-)을 줄일 수 있으므로 이를 방지하기 위한 비싼 이온 교환막을 사용할 필요가 없다. 그리고 이온 농도 구배를 극대화할 수 있어서 높은 효율로 염을 제거할 수 있다.
세째, 기포를 이용한 믹싱 수단을 구비하여 투석막 주변의 유동(flux)과 계면적을 증가시킴으로써, 투석막 계면의 투석 방해층 두께를 줄이고 확산 속도를 높여 이온 교환 속도가 증가된다. 전극 간의 거리가 가까우면서 동시에 믹싱 효율이 증가되므로 동일 전압에서 전기장의 세기를 증가시킬 수 있다.
네째, 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 시료 챔버 내부의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정하여 챔버액을 교환함으로써, 최적의 교환 시기에 최소의 챔버액을 교환하므로 챔버액의 사용량을 줄일 수 있다. 전기 분해에 의하여 발생한 이온이 시료 쪽으로 재유입되는 것을 방지할 수 있다.
다섯째, 챔버액의 교환시 일부를 연속적으로 교환하는 것이 아니라 전부를 한꺼번에 교환함으로써, 기하 급수적으로 증가하는 전기 분해 물질이 순식간에 제거되어 이온 농도 구배를 극대화시킬 수 있다. 챔버액의 전기 분해를 억제하므로 전기 분해시 발생하는 열을 근본적으로 줄일 수 있어서 투석 효율 향상 및 시료의 파괴를 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
Claims (30)
- 제1 투석막 및 제2 투석막이 마련되고 그 사이에 시료가 채워지는 시료 챔버;애노드가 마련되고 상기 애노드 및 제1 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 애노드 챔버;캐소드가 마련되고 상기 캐소드 및 제2 투석막 사이에 챔버액이 채워지는 캐소드 챔버; 및,상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 챔버액을 유동시키는 믹싱 수단;를 구비하며,상기 애노드 및 캐소드에 전압이 인가되면 상기 시료의 이온 물질이 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버로 이동되도록 구성되고,상기 시료 챔버는 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 사이에 착탈되는 사각통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제2 투석막은 분자량 컷-오프 막인 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제2항에 있어서,상기 분자량 컷-오프 막은 셀로판 막, 셀룰로즈 막, 폴리에테르술폰(PES) 막, 폴리술폰(PS) 막 및 폴리비닐디플루오라이드(PVDF) 막 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제1항에 있어서,상기 챔버액은 순수(deionized water)인 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제4항에 있어서,상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부의 이온 농도를 기준 이온 농도 미만으로 제어하는 제어 수단; 을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제5항에 있어서,상기 제어 수단은,상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 중에서 이온 농도가 상기 기준 이온 농도 이상인 챔버에 대하여, 챔버액 전부를 새로운 것으로 교체하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제6항에 있어서,상기 기준 이온 농도는 상기 시료 챔버 내부의 이온 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제7항에 있어서,상기 제어 수단은,상기 이온 농도를 감지하는 센서부와, 상기 챔버액을 공급/배출하는 펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제8항에 있어서,상기 센서부는,상기 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 시료 챔버 내부의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 상기 애노드 챔버, 캐소드 챔버 및 시료 챔버 내부의 이온 농도를 감지하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 믹싱 수단은,상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버 내부에 기포를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제11항에 있어서,상기 애노드 및 캐소드는,상기 제1 및 제2 투석막 주변의 챔버액이 원활하게 유동되는 한도 내에서, 이격 거리가 최소로 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 삭제
- 챔버액이 채워지는 하우징;상기 하우징 내부에 서로 이격 배치되며 전기장을 형성하는 애노드 및 캐소드;투석막 사이에 시료가 채워지고 상기 하우징에 착탈되는 시료 챔버; 및,기포를 발생시킴으로써 상기 챔버액을 유동시키는 믹싱 수단;을 구비하며,상기 투석막은 상기 챔버액과 시료를 구획하는 벽을 형성하며, 상기 시료에 포함된 이온 물질이 상기 전기장에 의하여 상기 투석막을 통과하여 상기 챔버액으로 이동되는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제14항에 있어서,상기 투석막은 분자량 컷-오프 막인 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제15항에 있어서,상기 챔버액은 순수(deionized water)인 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제16항에 있어서,상기 챔버액의 이온 농도가 기준 이온 농도 미만이 되도록 제어하는 제어 수단; 을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제17항에 있어서,상기 제어 수단은,상기 챔버액의 이온 농도가 상기 기준 이온 농도보다 같거나 크면 상기 챔버액을 새것으로 한번에 교환하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제18항에 있어서,상기 제어 수단은,상기 챔버액 및 시료의 전기 저항 또는 전기 전도도를 측정함으로써 상기 이온 농도를 감지하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 삭제
- 제14항에 있어서,상기 시료 챔버는 사각통 형상이며 상기 투석막은 상기 시료 챔버의 양 측벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 삭제
- 삭제
- 전기장을 형성하는 애노드와 캐소드; 및, 상기 애노드와 캐소드 사이에 순차적으로 배열된 제1 챔버액, 제1 투석막, 시료, 제2 투석막, 및 제2 챔버액;을 구비하고,상기 제1 및 제2 투석막은 분자량 컷-오프 막이고, 상기 시료에 포함된 이온 물질이 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액으로 투석되며,상기 제1 및 제2 챔버액 중에서 기준 이온 농도보다 같거나 큰 이온 농도를 갖는 챔버액을 새것으로 한번에 교환하는 제어 수단; 및,상기 제1 및 제2 투석막과 상기 제1 및 제2 챔버액이 마주 닿는 경계에 형성된 투석 방해층을 제거하도록 기포를 발생시키는 믹싱 수단;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 제24항에 있어서,상기 애노드 및 캐소드는 최소로 이격되는 것을 특징으로 하는 전기 투석 장치.
- 삭제
- 삭제
- 전기장을 형성하는 애노드와 캐소드 사이에 제1 챔버액, 분자량 컷-오프 막인 제1 투석막, 시료, 분자량 컷-오프 막인 제2 투석막, 제2 챔버액을 순차적으로 배열하고,상기 시료에 포함된 이온 물질을 상기 전기장에 의하여 상기 제1 및 제2 챔버액으로 투석시키고, ,상기 제1 및 제2 챔버액 중에서 기준 이온 농도보다 같거나 큰 이온 농도를 갖는 챔버액을 새것으로 한번에 교환하고,상기 제1 및 제2 챔버액을 유동시키는 기포를 발생하는 것을 특징으로 하는 전기 투석 방법.
- 제28항에 있어서,상기 전기장의 세기를 최대로 하기 위하여 상기 애노드 및 캐소드를 최소로 이격시키는 것을 특징으로 하는 전기 투석 방법.
- 제29항에 있어서,상기 제1 및 제2 투석막과 그 사이에 채워지는 시료는 일체형 카트리지 형태로서 상기 제1 및 제2 챔버액 사이에 착탈되는 것을 특징으로 하는 전기 투석 방법.
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