KR101049204B1 - 광산란력을 이용한 입자 분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광산란력을 이용한 입자 분리장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광원의 광산란력을 이용하여 입자를 분리방법을 개선하여 연속적이면서도 장치의 구성이 간단한 광산란력을 이용한 입자 분리장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이에 따라 광산란력을 이용할 경우 광구배력을 이용하는 경우보다 입자에 작용하는 에너지 밀도가 낮아지기 때문에 입자의 손상을 방지할 수 있고, 장치의 구성이 간단해지기 때문에 랩온어칩 기술과 쉽게 접목할 수 있다.
본 발명은 광산란력을 이용한 입자 및 세포 분리장치 및 그 방법은 입자의 크기뿐만 아니라 크기가 같은 입자라 하더라도 입자의 광학적 특성인 굴절률에 따라서도 분리가 가능하여 세포, 혈장, 혈액 및 암세포 등의 분리도 가능하다.
광원, 광산란력, 레이저, 입자, 세포, 분리

Description

광산란력을 이용한 입자 분리장치{An apparatus for particles and cells separator using scattering force}
본 발명의 광산란력을 이용한 입자 분리장치 및 그 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 광원의 광산란력을 이용하여 입자를 분리방법을 개선하여 연속적이면서도 장치의 구성이 간단한 광산란력을 이용한 입자 분리장치에 관한 것이다.
기존의 입자 분리 방법은 크게 전기영동법, 유동저항법, 광력을 이용한 방법 등으로 나눌 수 있다. 전기영동법은 전기장 세기 변화에 따른 입자의 거동 특성을 이용한 방법으로 입자의 전기적 특성에 따른 주위 매질의 전기적 특성도 달라져야 한다는 점과 강한 전기장에 의해 세포가 손상될 수 있다는 문제점이 있다.
유동저항법은 유로의 형태를 복잡하게 하여 입자를 크기에 따라 분리할 수 있는 방법으로 유로의 막힘 현상과 유동에 의해 야기되는 전단 응력으로 인해 세포가 손상될 수 있는 문제점이 있다.
광력을 이용한 입자 분리법은 위의 문제점들을 해결할 수 있는 방법이다. 도 1과 같이, 광력은 광의 세기 구배방향으로 작용하는 광구배력과 광의 진행방향으로 작용하는 광산란력 두가지 성분이 있다. 기존의 광력을 이용한 방법은 주로 광구배력을 이용한 광집게 원리를 이용한다.
전술한 광집게의 원리는 도 2a 및 도 2b에서 보여준다. 광집게는 현미경의 대물렌즈와 같은 배율이 큰 렌즈를 이용하여 광을 강하게 집속시켜 초점 부근의 큰 광세기 구배를 이용하여 입자를 포획하는 것을 말한다.
이러한 광구배력을 이용한 방법은 하나의 입자를 조작하기는 쉬우나 입자를 분리할 경우 여러 입자를 동시에 분리하기 위해 광 홀로그래피와 같은 복잡한 장치가 요구된다. 또한, 강한 광의 집속으로 인해 세포가 손상될 수 있는 문제점도 가진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 광산란력을 이용한 광 크로마토그래피 기술이 도 3과 같이 개발되었다. 광 크로마토그래피는 입자의 흐름에 반대 방향으로 광을 조사하여 광산란력과 유체 저항력이 같아지는 지점에 입자를 멈추는 기술이다.
전술한 광산란력과 유체 저항력은 입자의 크기에 의존하기 때문에 입자를 분리할 수 있고, 광구배력을 이용한 방법과 달리 여러 입자를 동시에 분리할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만, 광 크로마토그래피에서 분리된 입자는 두 힘이 평형을 이루는 지점에 정체되어 있기 때문에 연속적인 분리가 어렵다.
따라서, 본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 광력을 이용한 입자 분리의 장점을 유지하면서 기존의 광집게의 원리를 이용한 방법의 단점을 보완하는데 그 목적이 있다.
둘째, 본 발명은 입자 분리장치를 이용하여 연속적으로 서로 다른 크기의 입자를 분리하는데 그 목적이 있다.
셋째, 본 발명은 입자 분리장치는 연속적으로 동일한 크기를 가지는 입자라도 입자의 광학적 특성에 따라 분리하는데 그 목적이 있다.
넷째, 본 발명은 입자 분리장치의 구성을 단순하게 구성하여 랩온어칩 기술에 쉽게 접목할 수 있는 자가진단 의료기기를 제공하는데 그 목적이 있다.
다섯째, 본 발명은 의료기기로 사용할 수 있는 입자 분리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술수단은 다음과 같다.
광원을 제공하는 레이저; 레이저 일측에 형성한 연결기; 연결기 일측에 형성되어 광산란력을 갖는 광원을 제공하는 광섬유; 및 광섬유 일측으로 형성되는 입자가 이동하는 유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
유로는 실린지 펌프를 이용하여 입자를 일측방향으로 소정속도로 이동시키 고; 유로는 중앙 측면에 입자가 이동하는 방향의 수직방향으로 광섬유의 레이저광이 조사되게 형성하며; 입자는 세포, 혈장, 혈액 및 암세포 중 어느 하나를 포함하며; 광원은 레이저로 발진 가능한 파장대의 레이저빔인 것을 특징으로 한다.
광원의 광산란력을 이용하여 입자를 분리하는 것을 특징으로 한다.
입자의 흐름에 수직인 방향으로 광산란력을 조사하여 입자의 변위를 일으키고; 입자의 분리거리는 수학식
Figure 112009011864485-pat00001
에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, zr은 분리거리, no는 주위 매질의 굴절률, P는 레이저 출력, μ는 주위 매질의 점성, U는 유체의 이동속도, c는 자유공간에서 빛의 속도, dp는 입자의 직경, ω는 광의 폭의 반경, K(m)은 입자의 굴절률에 따른 함수 및 m은 입자의 굴절률과 주위 매질의 굴절률 비이다
입자의 광산란력에 의한 분리거리를 이용하여 입자의 크기를 측정하고; 입자의 크기가 동일할 경우 입자들의 광학적 특성인 굴절률에 따라 따라 서로 다른 분리거리를 갖는 입자의 광학적 특성을 측정하며; 입자는 세포, 혈장, 혈액 및 암세포 중 어느 하나이며; 광원은 레이저로 발진 가능한 모든 파장대의 레이저빔인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 광원의 광산란력을 이용한 입자 분리의 장점을 유지하면서 광집게의 원리를 이용한 방법의 단점을 보완하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명에 따른 입자 분리장치는 연속적으로 서로 다른 크기의 입자를 분리할 뿐만 아니라, 입자의 크기를 측정할 수 있는 효과가 있다.
셋째 본 발명에 따른 입자 분리장치는 연속적으로 동일한 크기를 가지는 입자라도 입자의 광학적 특성인 굴절률에 따라 분리가 가능한 효과가 있다.
넷째 본 발명에 따른 입자 분리장치는 구성이 단순하여 랩온어칩 기술에 쉽게 접목할 수 있어 자가진단 의료기기로 사용되는 효과가 있다.
다섯째, 본 발명은 의료기기로 사용할 수 있어 의료진단시스템에서 암세포진단 및 실시간 혈액 모니터링 등에 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
<본 발명에 따른 구성>
도 4는 본 발명에 따른 광산란력을 이용한 입자 분리장치를 도시한 구성도이다. 도 4에 도시한 바와 같이 본 발명은 레이저(1), 연결기(2), 광섬유(3) 및 유로(4)로 이루어진다. 이때 레이저(1)는 광섬유(3)에 광원을 제공한다.
연결기(2)는 레이저(1) 일측에 형성한다. 이때 연결기(2)는 레이저(1)에서 제공된 광원을 광섬유(3)에 전달하는 역할을 한다.
광섬유(3)는 연결기(2) 일측에 형성한다. 이때 광섬유(3)는 광원을 유로(4)에 조사하여 입자(7)를 분리하는 광산란력을 제공하는 것으로 광섬유(3)는 유로(4)의 중앙 측면에 형성한다.
유로(4)는 광섬유(3) 일측에 형성한다. 이때 유로(4)는 광섬유(3)의 광원이 조사되는 방향인 광원의 조사영역(5)과 유로(4)의 입자(7)가 흐르는 방향(6)이 서로 교차하도록 형성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 광원의 광산란력에 의해 이동하는 입자(7)를 분리하기 위함이다.
여기서, 입자(7)는 세포, 혈장, 혈액 및 암세포 등을 말한다.
<본 발명의 구성에 따른 작용상태>
레이저(1)에서 발생한 광원은 레이저(1)와 광섬유(3)를 연결하는 연결기(2)를 통하여 유로(4)에 조사하도록 하였다. 이때 유로(4)를 통해 입자의 흐름이 생기면 입자는 일정한 방향으로 이동하면서 광원의 조사영역을 지나면서 광산란력을 받게 된다.
이러한 광산란력을 받은 입자는 광산란력에 의해 원래 이동 방향에 수직 방향으로 위치를 변위하게 된다. 이때, 원래 이동방향 속도는 일정한 유체 공급으로 인해 변하지 않게 된다. 따라서 입자는 수직으로 변위하면서 원래 이동방향으로 이동하게 된다.
입자는 수직으로 변위한 이후 입자가 광원의 조사영역을 벗어나게 되면 광산란력에 의한 분리거리를 유지한 상태로 다시 원래 방향과 같은 일정한 방향으로 분 리된 채로 흐르게 된다.
전술한 분리거리를 이론적으로 나타내면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112009011864485-pat00002
여기서, z r은 분리거리, no는 주위 매질의 굴절률, P는 레이저 출력, μ는 주위 매질의 점성, U는 유체의 이동속도, c는 자유공간에서 빛의 속도, dp는 입자의 직경, ω는 광의 폭의 반경, K(m)은 입자의 굴절률에 따른 함수, m은 입자의 굴절률과 주위 매질의 굴절률 비를 나타낸다.
위 수학식 1에서 보는 바와 같이, 동종의 입자의 경우 K(m)이 같아지기 때문에 입자의 직경에 따라 분리거리가 달라진다. 또한, 입자의 크기가 같더라도 이종일 경우 K(m)이 달라지기 때문에 분리거리가 달라진다.
<본 발명에 따른 실험예 >
(발명에 따른 입자의 크기에 따른 분리거리 측정예 )
도 5에 도시한 바와 같이, 입자의 크기에 따른 분리거리 측정예를 설명하면 입자의 크기에 따른 분리거리 측정을 위해 기존의 광리소그래피 방법을 이용하여 PDMS 마이크로 채널을 제작하였다. 이때 유로는 마이크로 채널을 이용하고 그 폭과 깊이는 각각 210㎛와 100㎛이다. 또한, 입자는 크기가 정해진 PSL 표준입자를 사용한다.
전술한 측정예에서 입자의 직경은 2, 5, 10 μm인 세 종류를 사용한다. 이때 광원으로는 Nd-YAG 레이저를 사용하고, 레이저의 파장은 532nm이고 연속 발진형태이며 레이저 출력은 1 W, 폭의 반경은 40 μm이다.
전술한 마이크로 채널 내에서 입자는 물에 부유되어 이동할 수 있게 하였으며 전체 유속은 실린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 제어한다.
이와 같은 측정방법에 따른 결과는 도 5는 실험 결과를 나타내고 있다. 따라서 입자의 크기가 클수록 분리거리는 증가하여 세 종류의 입자가 분리될 수 있음을 보여준다.
이와 함께 입자간의 분리거리는 유속을 감소할수록 커지기 때문에 분리 분해능을 유속을 조절함으로써 가변시킬 수 있음을 보여준다.
이상의 본 실험에서 사용된 입자의 크기는 생물세포의 크기와 유사하기 때문에 혈액세포를 비롯한 많은 생물세포의 분리에도 적용할 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이 실험결과에서 알 수 있듯이 입자의 크기에 따라 광산란력에 의한 분리거리가 달라짐을 알 수 있으므로, 광산란력을 이용하여 입자의 크기를 측정할 수 있다.
전술한 분리실험예에 비추어 보았을 때, 본 발명의 구성 및 원리를 이용할 경우 입자의 크기를 측정하는 장치로도 변형이 가능하다.
(본 발명에 따른 입자의 광학적 특성에 따른 분리실험예 )
도 6에 도시한 바와 같이, 입자의 광학적 특성에 따른 분리 특성을 알아보기 위해 분리실험예를 설명하면, 같은 직경 5㎛로 동일한 크기를 가지는 PSL, PMMA, Silica 표준입자를 사용한다. 이때 이들 입자는 물리적인 크기는 동일하나 굴절이 서로 다르다.
광원의 종류에 따라 PSL, PMMA, Silica의 굴절률은 각각 1.59, 1.49, 1.43이다. 이에 따른 결과는 도 6의 실험결과에서 보여준다. 따라서 입자들의 물리적인 크기가 동일함에도 불구하고 분리거리가 서로 다른 것을 알 수 있다.
이 결과는 정상세포와 암세포가 동일한 크기를 가지지만 굴절률이 다르다는 점을 이용할 경우 정상세포로부터 암세포를 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 실험결과에서 알 수 있듯이 입자는 광원의 종류에 따라 입자의 분리거리가 달라짐을 알 수 있으므로, 입자의 광학적 특성을 측정할 수 있다.
전술한 분리실험예에 비추어 보았을 때, 본 발명의 구성 및 원리를 이용할 경우 입자의 광학적 특성을 측정하는 장치로도 변형이 가능하다.
입자의 광학적 특성이란, 전술한 입자들의 굴절률을 뜻한다.
이상과 같은 본 발명은 광산란력을 이용하여 입자 및 세포를 분리할 수 있는 방법을 제시하는 것으로, 기존의 광구배력을 이용한 방법에 비해 입자에 작용하는 에너지 밀도를 낮추어 입자의 손상을 낮출 수 있고, 연속적인 입자 분리가 가능하여 혈액세포, 암세포 분리에 적용될 수 있으며 랩온어칩 기술과 함께 자가진단 의 료기기로 활용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 광구배력과 광산란력의 기초원리를 도시한 개략도.
도 2a, 도 2b는 종래의 광집게의 원리를 도시한 개략도.
도 3은 종래의 광 크로마토그래피의 원리를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 광산란력을 이용한 입자 분리장치를 도시한 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 동종 입자에 대한 유속 및 입자 크기에 따른 분리거리를 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 동일 크기 이종입자에 대한 유속에 따른 분리거리를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 레이저 2: 연결기
3: 광섬유 4: 유로

Claims (12)

  1. 광원을 제공하는 레이저;
    상기 레이저 일측에 형성한 연결기;
    상기 연결기 일측에 형성되어 광산란력을 갖는 광원을 제공하는 광섬유; 및
    상기 광섬유 일측으로 형성되어 입자가 이동하는 유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란력을 이용한 입자 분리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유로는 실린지 펌프를 이용하여 입자를 일측방향으로 소정속도로 이동시키는 것을 특징으로 하는 광산란력을 이용한 입자 분리장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 유로는 중앙 측면에 입자가 이동하는 방향의 수직방향으로 광섬유의 레이저광이 조사되게 형성한 것을 특징으로 하는 광산란력을 이용한 입자 분리장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 입자는 세포, 혈장, 혈액 및 암세포 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산란력을 이용한 입자 분리장치.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    상기 광원은 레이저로 발진 가능한 모든 파장대의 레이저빔인 것을 특징으로 하는 광산란력을 이용한 입자 분리장치.
  6. 삭제
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