KR101224231B1 - 미세입자 분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (+) 전극판과 (-) 전극판이 일정한 거리로 이격되어 시료가 지나는 채널을 형성하며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 발생된 자기장에 의해 상기 채널을 지나는 상기 시료에서 미세입자를 분리하는 장치로서, 상기 (+) 전극판 상에 상기 채널의 바닥에 대하여 일정 간극을 갖고 상기 채널과 일정 각도로 교차하여 배치되는 전극 이동로; 상기 전극 이동로 상에서 이동 가능하게 배치되고 상기 (+) 전극판을 통해 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 이동전극; 상기 전극 이동로의 일단으로 공기를 공급할 수 있도록 연결되는 압축 공기 탱크; 및 상기 전극 이동로와 상기 시료의 이동 경로를 격리하는 격벽; 을 포함하는 미세입자 분리장치를 제공한다.
본 발명은, 시료의 이동 방향에 대하여 직각 방향으로 이동할 수 있도록 배치된 이동전극에 의해 시료에서 특정 미세입자를 분리할 수 있다.

Description

미세입자 분리장치{Apparatus for separating micro particles}
본 발명은 미세입자 분리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도성 액체에 의해 이루어지고 시료가 이동하는 채널의 바닥에 일정 간극과 일정 간격으로 배치되는 전극 이동로 상에 배치되는 이동전극에서 발생되는 자기장에 의해 미세 입자를 분리할 수 있는 미세입자 분리장치에 관한 것이다.
최근 미세 가공 기술의 발전에 따라 미세 입자의 농축, 조립 및 분리를 위한 미세 전자 소자를 제작하여 생물, 화학, 신소재 분야에 응용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 미세 전자 소자에서는 미소 입자나 단백질, 세포, 박테리아 등을 정밀하게 구동하거나 분리하기 위해 전기영동(electrophoresis), 유전영동(dielectrophoresis), 전기삼투(electro-osmosis) 등의 다양한 전기동역학적 원리(electrokinetics)를 주로 이용할 수 있다.
여기서 유전영동이란, 교류 전기장 내에서 유전체가 전자기 유도현상에 의해 분극화(polarization)되고, 이것에 의해 힘을 받아 움직이는 현상이다. 상기 유전영동의 성질은 유체의 종류, 미세입자 및 분자의 종류, 교류전압의 주파수 등에 따라 달라질 수 있다.
대기, 수질 또는 토양 등으로부터 얻은 시료 중의 미생물을 분석하는 경우에, 분석하고자 하는 시료 내에 먼지 등이 존재한다면, 이들 먼지가 분석 시 노이즈로 작용하게 된다. 따라서, 시료 중 미생물 분석 결과의 신뢰도를 저하시킬 수 있다.
특히, 상기 시료 내에 여러 종의 미생물 및 다른 유기 또는 무기 입자들이 혼재하는 경우, 검출 전에 미생물을 분리하여야 특정 미생물에 대한 정량 분석이 가능하다.
따라서, 미생물 및 먼지 등 여러 종류의 미세입자가 혼재되어 있는 시료 중에서 특정 미세입자를 용이하게 분리할 수 있는 장치의 개발이 요구된다.
또한, 시료에서 분리된 특정 미세입자는 원하는 영역으로 이동시켜 입자에 대한 분석 작업이 수행되어야 하지만, 분리된 입자를 필요로 하는 위치로 이동시키기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 시료가 이동하는 채널의 바닥에 일정 간극과 일정 각도로 배치되는 전도성 액체를 이용하는 이동전극에 의해 시료에서 특정 유전자와 같은 미세입자를 분리할 수 있고 분리된 유전자를 필요한 위치로 이동시킬 수 있는 미세입자 분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, (+) 전극판과 (-) 전극판이 일정한 거리로 이격되어 시료가 지나는 채널을 형성하며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 발생된 자기장에 의해 상기 채널을 지나는 상기 시료에서 미세입자를 분리하는 장치로서, 상기 (+) 전극판 상에 상기 채널의 바닥에 대하여 일정 간극을 갖고 상기 채널과 일정 각도로 교차하여 배치되는 전극 이동로; 상기 전극 이동로 상에서 이동 가능하게 배치되고 상기 (+) 전극판을 통해 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 이동전극; 상기 전극 이동로의 공압을 조절하여 상기 이동전극을 이송시키는 전극 이송부; 및 상기 전극 이동로와 상기 시료의 이동 경로를 격리하는 격벽; 을 포함하는 미세입자 분리장치를 제공한다.
상기 전극 이동로는 상기 (+) 전극판 양측으로 절연부를 일정 거리로 이격시켜 배치하여 형성될 수 있다.
상기 절연부의 재질은 SU-8을 포함할 수 있다.
상기 (+) 전극판과 상기 (-) 전극판의 재질은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함할 수 있다.
상기 이동전극은 전도성 액체를 포함할 수 있다.
상기 격벽은 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 격벽의 두께는 10 내지 200 ㎛ 일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 시료가 이동하는 채널의 바닥에 일정 간극과 일정 각도로 배치되는 이동전극에 의해 시료에서 특정 유전자와 같은 미세입자를 분리할 수 있고 분리된 유전자를 필요한 위치로 이동시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 분리장치의 구성을 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 미세입자 분리장치의 구성을 개념적으로 나타내는 분해사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 미세입자 분리장치의 동작 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 분리장치의 구성을 개념적으로 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 미세입자 분리장치의 구성을 개념적으로 나타내는 분해사시도이다.
도면은 본 발명을 구성하는 구성요소들의 배치 상태를 나타내는 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 미세입자 분리장치(100)는 기본적으로 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)이 서로 소정의 간격으로 이격되어 설치되고, (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20) 사이의 공간은 시료가 통과하는 채널(channel)(30)을 형성한다.
여기서, 채널(30)은 시료의 유량 등을 고려하여 적절한 폭, 길이 등이 결정 될 수 있다. 채널(30)의 폭은 200㎛ 내지 2mm, 그 길이는 5mm 내지 20mm가 되도록 형성될 수 있지만, 여건에 따라 다양하게 변화할 수 있다.
(+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 이격 간격, 즉 채널(30)의 폭은 스페이서(spacer)(40)에 의해 유지될 수 있다. 스페이서(40)는 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 사이에 복수개로 배치되어 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)를 지지하면서 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 이격 간격을 유지한다. 복수개로 배치되는 스페이서(40)는 동일한 규격으로 형성된다.
본 실시예에서, 스페이서(40)는 (+) 전극판(10) 상의 후술하는 절연판(50) 상에 배치되어 (-) 전극판(20)을 지지하지만, (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)을 직접 지지하도록 배치될 수도 있다. 또한, 스페이서(40)는 원형 로드 형태로 형성되어 있으나, (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 이격 간격을 일정하게 유지할 수 있다면 다른 형태로 형성될 수 있다.
스페이서(40)의 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 중합체를 포함할 수 있다.
(+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)에는 외부 전원의 전원선이 연결되어, 전원이 인가될 수 있다. (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 재질은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함한다.
(-) 전극판(20)의 일단측으로는 여러 종류의 미세입자가 포함되어 있는 시료가 유입되는 시료 유입구(22)가 형성된다. 그리고, (-) 전극판(20)의 타단측으로는 입자가 분리된 후 나머지 시료가 유출되는 시료 유출구(24)가 형성된다.
여기서, 시료는 고분자성 미세입자, 금속 나노 입자, 반도체 나노 입자, 단백질, DNA 등의 생체분자, 유전자, 분자가 결합된 미세입자 등 다양한 물질을 포함하는 말이다. 특히, 시료는 이러한 물질들이 증류수, 세포 배양용 배지, PBS 버퍼 등 다양한 액체 방울 속에 존재하도록 제조된 것이다.
시료에 포함된 미세입자는 유전영동(Dielectrophoresis, DEP) 현상에 따라, (+) DEP, (-) DEP 및 DEP 특성이 없는 (제로) DEP 로 구분할 수 있다.
일반적으로, 유전성을 띤 액체 내의 입자는 비균일 전기장에 놓이는 경우에 현탁 매질과의 상대적인 유전 특성 차이에 따라 고밀도 전기장 또는 저밀도 전기장의 방향으로 이동하게 되는 DEP 현상을 나타내게 된다.
(+) DEP 인 경우 입자는 고밀도 전기장으로 이동하게 되고, (-) DEP 인 경우 입자는 저밀도 전기장으로 이동하게 되며, DEP 특성이 없는 (제로) DEP 인 경우는 유전영동의 힘을 받지 않는다. DEP 특성은 매질 및 입자의 유전적 특성 및 인가되는 전원의 주파수에 따라 변하게 되는 입자의 고유한 성질이다.
여기서, 시료 유입구(22)를 통해 유입된 시료가 누출되지 않고 시료 유출구(24)로 유출될 수 있도록 하기 위해, 격판(42)이 배치될 수 있다. 격판(42)은 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)의 둘레를 따라 배치되어 그 내측으로 소정의 공간이 이루어지도록 한다. 이때, 복수개로 배치된 스페이서(40)는 격판(42)이 제공하는 공간 내에 배치될 수 있다. 격판(42)의 높이는 스페이서(40)의 높이에 대응하는 것이 바람직하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세입자 분리장치(100)는 전극 이동로(110), 이동전극(120), 압축 공기 탱크(130) 및 격벽(140)을 포함한다.
전극 이동로(110)는 후술하는 이동전극(120)이 이동하는 경로를 형성한다. 전극 이동로(110)는 (+) 전극판(10) 상의 양측으로 배치되는 절연판(50) 간의 이격 공간에 형성된다. 전극 이동로(110)는 후술하는 이동전극(120)이 지나갈 수 있는 정도의 폭으로 형성된다. 절연판(50)은 소정의 두께를 갖는 절연재인 SU-8로 제작된다.
이때, 전극 이동로(110)는 시료의 이동 방향 즉, 시료가 이동하는 채널(30)에 대하여 소정의 각도로서 교차하는 방향으로 형성된다. 본 실시예에서는 전극 이동로(110)는 채널(30)에 대하여 직각 방향이고, 시료의 이동 방향에 교차하지 않는 방향 즉, Z 방향으로 형성됨을 알 수 있다. 전극 이동로(110)가 절연판(50)에 의해 형성되는 것은 미세입자의 분리를 효율적으로 하기 위해, (+) 전극판(10)을 통해 인가되는 전원이 이동전극(120)을 통해서만 자기장이 형성될 수 있도록 하기 위함이다.
전극 이동로(110)는 채널(30)의 바닥에 대하여 일정한 간극을 갖는 상태로 배치된다. 전극 이동로(110)가 채널(30)의 바닥에 대하여 갖는 간극은 후술하는 격벽(140)에 의해 유지될 수 있다.
이동전극(120)은 전극 이동로(110) 상에서 이동하며 (+) 전극판(10)을 통해 인가되는 전원을 공급받아 채널(30)에 자기장을 형성하여, 채널(30)을 지나는 시료에서 미세 입자를 한다. 이때, 이동전극(120)에 인가되는 전원의 전압은 500V 내외인 것이 바람직하다. 여기서, 이동전극(120)은 전도성 액체로 이루어질 수 있다. 전도성 액체는 액상의 형태로 존재하고 전원이 도통할 수 있는 액체로서, 대표적인 재질로서 수은(Mercury)이 포함된다. 수은은 상온에서 액체 상태로 존재하는 금속으로서, 표면장력이 매우 커서 구 형태로 존재한다. 전도성 액체로는 수은, EGaIn(Eutectic Galium Indium), PBS(Phosphate Buffered Saline) 등이 있다.
전극 이동로(110) 상에서의 이동전극(120)의 이동은 외부에서 공급되는 공압에 의해 이루어진다. 이를 위해, 압축 공기 탱크(130)가 공기 공급관(132)에 의해 전극 이동로(110)의 일단으로 연결된다. 압축 공기 탱크(130)는 전극 이동로(110)로 공급되는 공압을 제어하여 전극 이동로(110) 상에서 이동전극(120)이 이동하며 위치가 변화되도록 한다. 압축 공기 탱크(130)에서 출력되는 공압에 따라 이동전극(120)은 전극 이동로(110) 상에서의 위치가 이동하게 되고, 이에 의해 이동전극(120)은 채널(30)을 지나는 시료에서 특정 미세입자를 분리한 후, 이를 필요로 하는 위치로 이동시킬 수 있다.
압축 공기 탱크(130)에서 공압의 공급이 감소되거나 정지되면 이동전극(120)은 원래의 위치로 복귀한다.
이를 위해, 압축 공기 탱크(130)에 연결되는 공기 공급관(132) 상에는 레귤레이터(미도시)가 연결 될 수 있다. 또한, 레귤레이터의 동작 정도는 별도의 제어부(미도시)에 의해 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 전극 이송을 위한 공압을 공급하기 위해 압축 공기 탱크가 사용되고 있으나, 전극을 이송시킬 수 있다면 다른 구성 요소 예를 들어, 시린지 펌프(Syringe Pump)의 사용이 가능하다.
한편, 채널(30)을 통과하는 시료와 전극 이동로(110) 상의 이동전극(120)이 서로 간섭하는 것을 방지하기 위하여 격벽(140)이 배치된다.
격벽(140)은 전극 이동로(110) 상에 배치되어 전극 이동로(110)와 채널(30)이 분리되도록 한다. 여기서, 격벽(140)은 채널(30)을 지나는 시료에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있어야 하고, 이동전극(120)에서 발생되는 자기장의 전달에 방해가 되지 않아야 한다. 이를 위해 격벽(140)의 재질은 실리콘을 포함할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
사용자는 미도시된 전원 장치를 동작시켜 (+) 전극판(10)과 (-) 전극판(20)에 대하여 전원을 공급한다. (+) 전극판(10)으로 공급되는 전원은 수은으로 이루어진 이동전극(120)으로 인가된다. 이때, 액적으로 인가되는 전원의 전압은 대략 500V 이다.
(+) 전극판(10)을 통해 인가되는 전원에 의해 이동전극(120)에서는 소정의 자기장이 발생된다.
한편, (-) 전극판(20) 일측의 시료 유입구(22)로는 시료가 유입되고, 유입된 시료는 채널(30)을 통해 이동하고 이후 시료 유출구(24) 측으로 유출된다.
시료가 채널(30) 상에서 이동하는 도중, 이동전극(120)에서 발생되는 자기장에 의해 시료에 포함되어 있는 입자가 분리될 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 미세입자 분리장치의 동작 상태의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 이동전극(120)에 의해 채널(30) 내에 자기장이 발생되었음을 알 수 있다. 이동전극(120)에서 멀어질수록 자기장의 전압이 낮아지고 붉은색에서 청색으로 변화됨을 알 수 있다.
또한, 이동전극(120)에서 발생된 자기장에 의해 미세입자들이 이동전극(120) 측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 미세입자들의 이동은 시료에서 입자가 분리됨을 나타낸다. 그리고, 미세입자들의 DEP 특성에 따라 입자의 분리 정도가 변화될 수 있으므로, 이동전극(120)에 인가되는 전원에 의해 자기장이 발생된다.
한편, 채널(30)은 전극 이동로(110)과 직각으로 교차하는 방향으로 형성되어 있고, 서로 간의 크기 차이가 있으므로, 채널(30) 내에서의 미세 입자의 분리를 용이하게 하기 위해 전극 이동로(110) 상에서 이동전극(120)의 위치를 가변하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 압축 공기 탱크(130)는 공기 공급관(132)를 통해 전극 이동로(110)로 공기를 공급한다. 공급되는 공기의 공압에 의해 전극 이동로(110) 상에서의 이동전극(120)의 위치가 변화된다. 또한, 공기 공급관(132)을 통해 인가되는 공압을 제거하면 이동전극(120)은 원래의 위치로 복귀한다.
상기와 같이 구성된 본 발명은, 시료의 이동 방향에 대하여 직각 방향으로 배치된 전극 이동로 상에서 이동하는 이동전극에 의해 채널을 지나는 시료에서 특정 유전자와 같은 미세입자를 분리할 수 있고 분리된 유전자를 필요로 하는 장소로 이동시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 미세입자 분리장치
110: 전극 이동로
120: 이동전극
130: 압축 공기 탱크
140: 격벽

Claims (7)

  1. (+) 전극판과 (-) 전극판이 일정한 거리로 이격되어 시료가 지나는 채널을 형성하며, 외부에서 인가되는 전원에 의해 발생된 자기장에 의해 상기 채널을 지나는 상기 시료에 포함되어 있는 미세입자를 분리하는 장치로서,
    상기 (+) 전극판 상에 형성되는 전극 이동로;
    상기 전극 이동로 상에서 이동 가능하게 배치되고 상기 (+) 전극판을 통해 전원을 인가받아 자기장을 발생시키는 이동전극;
    상기 전극 이동로의 공압을 조절하여 상기 이동전극을 이송시키는 전극 이송부; 및
    상기 전극 이동로와 상기 시료의 이동 경로를 격리하는 격벽; 을 포함하는 미세입자 분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 이동로는 상기 (+) 전극판 양측으로 절연부를 일정 거리로 이격시켜 배치하여 형성되는 미세입자 분리장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연부의 재질은 SU-8을 포함하는 미세입자 분리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (+) 전극판과 상기 (-) 전극판의 재질은 ITO(Indium Tin Oxide)를 포함하는 미세입자 분리장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이동전극은 전도성 액체를 포함하는 미세입자 분리장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 격벽은 실리콘을 포함하는 미세입자 분리장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 격벽의 두께는 10 내지 200 ㎛ 인 미세입자 분리장치.
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KR20060091021A (ko) * 2005-02-12 2006-08-17 삼성전자주식회사 나노 내지 마이크로 크기의 포어가 형성되어 있는 막을 포함하는 미세유동장치 및 그를 이용하여 분극성 물질을 분리하는 방법
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KR20090056574A (ko) * 2007-11-30 2009-06-03 삼성전자주식회사 미세입자 분리 장치 및 이의 제작 방법

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