KR101231373B1

KR101231373B1 - 세포 분해, 피씨알에 기반한 디엔에이 증폭 및 디엔에이 검출이 가능한 집적 장치

Info

Publication number: KR101231373B1
Application number: KR1020110013303A
Authority: KR
Inventors: 김용상; 장유철; 쿠말 자 샌딥
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2013-02-07
Also published as: KR20120093624A

Abstract

DNA 검출 장치가 개시된다. 개시된 DNA 검출 장치는 순차적으로 연결되는 제1 미세 채널, 제2 미세 채널 및 제3 미세 채널을 포함하는 미세 채널부; 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에 양의 전압 또는 음의 전압을 인가하여 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하는 세포를 DNA로 분해하기 위한 분해부; 상기 제2 미세 채널의 복수의 부분을 가열하여 상기 제2 미세 채널을 통해 이동하는 상기 DNA를 증폭하기 위한 증폭부; 및 상기 제3 미세 채널을 통해 이동하는 상기 증폭된 DNA에 대해 산화/환원 반응을 수행하고, 상기 산화/환원 반응에 의해 출력되는 전기적 신호를 이용하여 상기 증폭된 DNA를 검출하는 검출부를 포함한다. 본 발명에 따른 DNA 검출 장치는 단순한 구조를 가지고, 검출 시간이 짧으며, 자동화 및 소형화가 가능한 장점이 있다.

Description

세포 분해, 피씨알에 기반한 디엔에이 증폭 및 디엔에이 검출이 가능한 집적 장치{INTEGRATED DEVICE CAPABLE OF CELL LYSIS, DNA AMPLIFICATION BASED ON PCR AND DNA DETECTION}

본 발명의 실시예들은 DNA 검출 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 더욱 상세하게는 단순한 구조를 가지고, 검출 시간이 짧으며, 자동화 및 소형화가 가능한 DNA 검출 장치에 관한 것이다.

일반적으로 세포로부터 DNA를 검출하는 과정은 크게 세포 분해 과정, DNA 증폭 과정 및 DNA 검출 과정을 순차적으로 수행하여 수행될 수 있다.

여기서, 종래의 세포 분해 과정은 물리적 방법(Physics Methods)과 화학적 방법(Chemical Methods)으로 크게 분류될 수 있다.

보다 상세하게, 종래의 물리적 세포 분해 기법으로는 회전하는 칼날을 이용하여 간이나 근육과 같은 크고 복잡한 기관(tissue)들을 분쇄하는 Mechanical Disruption 기법, 작은 크기의 세포를 좁은 공간에 강제로 통과시켜 용해시키는 Liquid Homogenization 기법, 높은 진동수를 가지는 초음파를 이용하여 세포들을 진동시켜 폭파하는 Sonication 기법 등이 있다. 또한, 화학적 방법으로는 Lysozyme, EDTA(EthyleneDiamine TetraAcetate), Glucose 등의 물질(Agent)을 이용하여 세포벽(Cell Wall)을 파괴하는 방법 또는 SDS(Sodium Dodecyl Sulphate)와 같은 물질을 이용하여 세포막(Cell Membrane)을 파괴하는 방법 등이 있다.

또한, 세포 분해 과정을 통해 추출되는 DNA를 증폭하기 위한 DNA 증폭 과정으로 중합요소 연쇄 반응(PCR: Polymerase Chain Reaction)이 주로 사용되었다.

보다 상세하게, 중합효소 연쇄 반응은 95°C의 열을 이용하여 두 가닥의 DNA를 분리하고(열변성(Denaturation) 과정), 온도를 낮추어(40°C 내지 50°C) 시발체(primer)를 증폭을 원하는 서열 말단에 결합(Annealing)하며(결합 과정), 다시 열을 약간 올려서(70°C) DNA를 합성함으로써 중합 반응(Polymerization or Extension)을 일으켜 DNA의 증폭을 수행한다. 이러한, 열변성 과정, 결합 과정 및 중합 반응 과정은 수 차례 반복되며, 이에 따라 DNA가 증폭된다. 중합효소 연쇄 반응을 1회 수행하는 경우, 유전 물질은 2배로 증폭되므로, 중합효소 연쇄 반응의 반복에 의해 기하급수적으로 DNA를 증폭할 수 있다.

그리고, 종래의 DNA 검출 과정은 마이너스 전하를 갖는 증폭된 DNA에 전기장을 가하여 이동시키면서 증폭된 DNA의 전하량 내지 분자량의 차이에 따른 이동도의 차를 검출하여 DNA를 분석하는 전기영동법(Electrophoresis)이 주로 사용되었다.

그런데, 상기한 종래의 세포 분해 방법들은 큰 규모의 고가 장비를 필요로 할 뿐만 아니라 세포 분해 과정의 복잡성으로 인해 세포를 분해하는데 소요되는 시간이 길며, 자동화 및 소형화가 어렵다는 단점이 있었다. 또한, 상기한 종래의 DNA 증폭 방법인 중합효소 연쇄 반응 기법은 크고 무거운 장비를 이용하여야 하는 바 실험 장소의 제약이 있었으며, 시료의 반응을 직접 확인할 수 없으므로 반응 후 이를 확인하기 위해 별도의 장비를 사용해야 하였으며, 중합효소 연쇄 반응이 수행되는데 소요되는 시간이 길다는 단점이 있었다.

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서는 단순한 구조를 가지고, 검출 시간이 짧으며, 자동화 및 소형화가 가능한 DNA 검출 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 다른 목적들은 하기의 실시예를 통해 당업자에 의해 도출될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 순차적으로 연결되는 제1 미세 채널, 제2 미세 채널 및 제3 미세 채널을 포함하는 미세 채널부; 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에 양의 전압 또는 음의 전압을 인가하여 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하는 세포를 DNA로 분해하기 위한 분해부; 상기 제2 미세 채널의 복수의 부분을 가열하여 상기 제2 미세 채널을 통해 이동하는 상기 DNA를 증폭하기 위한 증폭부; 및 상기 제3 미세 채널을 통해 이동하는 상기 증폭된 DNA에 대해 산화/환원 반응을 수행하고, 상기 산화/환원 반응에 의해 출력되는 전기적 신호를 이용하여 상기 증폭된 DNA를 검출하는 검출부를 포함하는 DNA 검출 장치가 제공된다.

상기 분해부는 상기 제1 미세 채널과 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며, 양의 전압이 인가되는 하나 이상의 제1 전극; 및 상기 제1 미세 채널과 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며, 음의 전압이 인가되는 하나 이상의 제2 전극을 포함할 수 있다.

상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극은 서로 번갈아 가면서 상기 제1 미세 채널과 오버랩되도록 위치할 수 있다.

상기 세포는 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하면서 상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극을 통해 양의 전압 및 음의 전압을 번갈아 인가받음으로써 상기 DNA로 분해될 수 있다.

상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극은 상기 세포와 반응하지 않는 금속 재질일 수 있다.

상기 DNA 검출 장치는 상기 제1 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및 상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극이 형성되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 미세 채널은 미앤더(meander) 형상을 가질 수 있다.

상기 양의 전압의 크기 및 상기 음의 전압의 크기 중에서 적어도 하나는 상기 세포의 두께에 따라 조절 가능하다.

상기 증폭부는 상기 제2 미세 채널의 복수의 부분을 가열하기 위한 복수의 ITO(Iindium Tin Oxide) 박막을 포함하고, 상기 복수의 ITO 박막에 의해 가열되는 온도는 서로 다를 수 있다.

상기 DNA 검출 장치는 상기 제2 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및 상기 적어도 하나의 ITO 박막이 형성되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.

상기 제2 미세 채널은 미앤더 형상을 가질 수 있다.

상기 증폭된 DNA는 복수개이고, 상기 복수개의 증폭된 DNA는 서로 다른 길이를 가지며, 상기 복수개의 증폭된 DNA는 서로 다른 시점에서 상기 제3 미세 채널을 통해 이동하여 서로 다른 시점에서 상기 전기적 신호를 출력할 수 있다.

상기 증폭된 DNA는 전기장의 인가에 따라 이동하고, 상기 검출부는 상기 전기장을 인가하기 위하여 음의 전압이 인가되는 제3 전극 및 양의 전압이 인가되는 제4 전극; 상기 증폭된 DNA와 산화/환원 반응을 수행하여 상기 전기적 신호를 출력하기 위한 복수의 검출 전극을 포함할 수 있다.

상기 복수의 검출 전극은 접지로서 동작하는 접지 전극; 및 상기 증폭된 DNA와 산화/환원 반응이 일어나는 반응 전극을 포함할 수 있다.

상기 DNA 검출 장치는 상기 제3 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및 상기 제3 전극, 상기 제4 전극 및 상기 복수의 검출 전극이 형성되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 기판; 상기 제1 기판과 접합되는 제2 기판; 상기 제1 기판의 일면에 형성되고, 세포, 상기 세포로부터 분해된 DNA, 및 상기 DNA를 증폭한 증폭 DNA의 이동 통로를 제공하는 순차적으로 연결된 제1 미세 채널, 제2 미세 채널 및 제3 미세 채널을 포함하는 미세 채널부; 상기 제2 기판의 일면에 형성되고, 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며 양의 전압이 인가되는 하나 이상의 제1 전극, 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며 음의 전압이 인가되는 하나 이상의 제2 전극, 상기 제3 미세 채널의 입사구에 위치하며 음의 전압이 인가되는 제3 전극, 상기 제3 미세 채널의 출사구에 위치하며 양의 전압이 인가되는 제4 전극, 및 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 위치하는 복수의 검출 전극을 포함하는 전극부; 및 상기 제2 기판의 타면에 형성되고, 상기 제2 미세 채널의 적어도 일부분을 가열하기 위한 하나 이상의 ITO 박막이 형성되는 가열부를 포함하는 DNA 검출 장치가 제공된다.

본 발명에 따른 DNA 검출 장치는 단순한 구조를 가지고, 검출 시간이 짧으며, 자동화 및 소형화가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제1 기판의 일면을 도시한 도면이다.
도 3은 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제2 기판의 일면을 도시한 도면이다.
도 4는 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제2 기판의 타면을 도시한 도면이다.
도 5는 포토리소그래피의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 복수의 증폭된 DNA 별로 서로 다른 시점에서 전기적 신호가 출력되는 일례를 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치의 개략적인 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제1 기판의 일면을 도시한 도면이고, 도 3은 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제2 기판의 일면을 도시한 도면이고, 도 4는 상기의 DNA 검출 장치에 포함되는 제2 기판의 타면을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치(100)는 제1 기판(110), 제2 기판(120), 미세 채널부(130), 분해부(140), 증폭부(150), 및 검출부(160)를 포함할 수 있다. 이하, 각 구성 요소 별로 그 기능을 상술하기로 한다.

제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 DNA 검출 장치(100)의 다른 구성 요소들이 형성될 공간을 제공한다. 일례로서, 제1 기판(110)은 실리콘 재질의 기판(실리콘 기판)일 수 있으며, 보다 상세하게 제1 기판(110) 내지 제3 기판(130)은 무독성의 폴리다이메틸실록산(PDMS: polydimethylsiloxane) 재질을 가질 수 있다. 또한, 제2 기판(120)은 유리 재질의 기판(유리 기판)일 수 있다.

미세 채널부(130)는 순차적으로 연결되는 제1 미세 채널(131), 제2 미세 채널(132), 및 제3 미세 채널(133)을 포함한다. 즉, 제1 미세 채널(131)의 출사구(OUT)는 제2 미세 채널(132)의 입사구(IN)와 연결되고, 제2 미세 채널(132)의 출사구(OUT)는 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)와 연결된다.

이러한 제1 미세 채널(131)의 입사구(IN)로는 세포가 유입되며, 유입된 세포는 제1 미세 채널(131) 및 제2 미세 채널(132)을 이동하면서 후술하는 분해부(140) 및 증폭부(150)에 의해 분해/증폭되어 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)로 유입된다. 그리고, 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)로 유입된 증폭된 DNA는 후술하는 검출부(160)에 의해 검출된다. 다시 말해, 제1 미세 채널(131) 내지 제3 미세 채널(133)을 포함하는 미세 채널부(130)는 세포, 분해된 DNA, 상기 분해된 DNA를 증폭한 증폭 DNA의 이동 통로를 제공한다.

이러한 미세 채널부(130)는 앞서 설명한 제1 기판(110)의 일면에 형성될 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세 채널부(130)는 포토리소그래피(photolithography) 기법을 통해 기판(110) 상에 형성될 수 있다.

포토리소그래피 기법은 특정 화학약품(일례로, 포토 레지스터(Photo Resist))이 빛을 받으면 화학 반응을 일으켜서 성질이 변화하는 원리를 이용하여, 얻고자 하는 패턴의 마스크(mask)를 통해 빛을 선택적으로 특정 화학 약품에 조사함으로써 마스크의 패턴과 동일한 패턴을 기판에 형성시키는 공정을 의미한다.

일례로서, 미세 채널부(130)는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 네거티브 리소그래피(Negative Lithography) 기법을 통해 제1 기판(110) 상에 형성될 수도 있고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 포지티브 리소그래피(Positive Lithography) 기법을 통해 제1 기판(110) 상에 형성될 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 미세 채널(131) 및 제2 미세 채널(132)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 미앤더(Meander) 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 제1 미세 채널(131) 및 제2 미세 채널(132)을 미앤더 형상으로 제작하는 경우, 충분한 세포 이동 길이를 확보함과 동시에 좁은 면적 상에 제1 미세 채널(131) 및 제2 미세 채널(132)를 형성시킬 수 있게 되므로, DNA 검출 장치(100)의 소형화가 용이해진다.

분해부(140)는 제1 미세 채널(131)의 복수의 부분에 양의 전압 또는 음의 전압을 인가하여 제1 미세 채널(131)을 통해 이동하는 세포를 DNA로 분해한다. 이를 위해, 분해부(140)는 양의 전압이 인가되는 하나 이상의 제1 전극(141) 및 음의 전압이 인가되는 하나 이상의 제2 전극(142)을 포함한다.

또한, 하나 이상의 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 미세 채널(131)과 오버랩되도록 위치하여 제1 미세 채널(131)의 복수의 부분에 양의 전압 및 음의 전압을 인가한다. 따라서, 제1 미세 채널(131)을 통해 이동하는 세포는 양의 전압 및 음의 저압을 인가받아 전기적으로 분해된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 양의 전압 및 음의 전압은 5V 이상 10V 이하의 비교적 낮은 크기의 직류 전압 값을 가질 수 있다. 이 경우, 양이 전압의 크기 및 음의 전압의 크기는 분해하고자 하는 세포의 두께(내지 세포막의 두께)에 따라 조절 가능한바, 다양한 종류의 세포 분해가 가능하게 된다. 일례로, 분해하고자 하는 세포가 두께가 비교적 얇은 동물 세포인 경우 양의 전압의 크기 및 음의 전압의 크기는 5V로 설정될 수 있고, 분해하고자 하는 세포가 두께가 비교적 두꺼운 식물 세포인 경우 양의 전압의 크기 및 음의 전압의 크기는 10V로 설정될 수 있다.

이 때, 제1 전극(141)과 제2 전극(142)이 제1 미세 채널(131)을 따라 이동하는 세포와 반응하는 경우, 세포 분해가 용이하게 수행될 수 없게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 제1 전극(141) 중 적어도 하나 및 하나 이상의 제2 전극(142) 중 적어도 하나(바람직하게는 모든 제1 전극(141) 및 제2 전극(142))는 세포와 반응하지 않는 금속 재질일 수 있다. 일례로, 상기의 금속은 금 재질일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 제1 전극(141) 및 하나 이상의 제2 전극(142)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 서로 번갈아 가면서 제1 미세 채널(141)과 오버랩되도록 위치할 수 있다. 이 경우, 제1 미세 채널(131)을 통해 이동하는 세포는 하나 이상의 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)에 의해 양의 전압과 음의 전압을 번갈아 가면서 인가받게 되고, 세포 분해를 위해 필요한 수산화 라디칼(Hydroxyl Radical) 이온의 전기화학적 발생에 필요한 전기장을 낮출 수 있게 되므로, 보다 용이한 세포의 전기적 분해가 가능하게 된다.

한편, 하나 이상의 제1 전극(141) 및 하나 이상의 제2 전극(142)는 제2 기판(120)의 일면 상에 형성될 수 있다. 일례로서, 제2 기판(120)이 유리 기판인 경우, 포지티브 포토레지스트를 이용하여 유리 기판에 전극 패턴을 형성한 후, 타이타늄(Titanium)과 금을 순차적으로 증착시킴으로써 제1 전극(140) 및 제2 전극(142)을 형성시킬 수 있다.

증폭부(내지 가열부)(150)는 제2 미세 채널(142)의 복수의 부분을 가열하여 제2 미세 채널을 통해 이동하는 DNA(다시 말해, 분해부(140)에 의해 분해된 DNA)를 증폭한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 증폭부(150)는 제2 미세 채널(142)의 복수의 부분을 가열하기 위한 복수의 ITO(Iindium Tin Oxide) 박막(151, 152, 153)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 4에서는 3개의 ITO 박막을 포함하는 증폭부(150)의 일례를 도시하고 있다.

이 때, 앞서 설명한 바와 같이 중합효소 연쇄 반응을 구성하는 열변성 과정, 결합 과정 및 중합 반응 과정에서의 가열 온도는 서로 상이하므로, 이와 같은 중합효소 연쇄 반응을 일으키기 위해 복수의 ITO 박막(151, 152, 153)의 가열 온도는 서로 다르도록 설정될 수 있다.

일례로서, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 증폭부(150)가 3개의 ITO 박막(151, 152, 153)을 포함하는 경우, 제1 ITO 박막(151)은 열결합 반응을 수행할 수 있도록 90°C 이상의 열을 가하도록 설정되고, 제2 ITO 박막(152)는 결합 반응을 수행할 수 있도록 40°C 내지 50°C의 열을 가하도록 설정되며, 제3 ITO 박막(153)은 중합 반응을 수행할 수 있도록 70°C의 열을 가하도록 설정될 수 있다.

이에 따라 제2 미세 채널(142)를 구성하는 미앤더 라인의 수와 비례하여 중합효소 연쇄 반응이 반복적으로 수행될 수 있게 된다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 DNA 검출 장치(100)는 미앤더 형상의 제2 미세 채널(142)를 통해 작은 면적 상에 증폭부(150)를 구성할 수 있게 되고, 이에 의해 DNA 검출 장치(100)는 소형화가 가능해 진다.

한편, 복수의 ITO 박막(151, 152, 153)은 제2 기판(120)의 타면(즉, 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)이 형성된 면의 반대면) 상에 형성될 수 있다.

검출부(160)는 제3 미세 채널(133)을 통해 이동하는 증폭된 DNA(다시 말해, 증폭부(150)에서 증폭된 DNA)에 대해 산화/환원 반응을 수행하고, 상기 산화/환원 반응에 의해 출력되는 전기적 신호를 이용하여 증폭된 DNA를 검출한다.

이 때, 증폭된 DNA는 일반적으로 마이너스 전하를 띄므로, 증폭된 DNA는 전기 영동(electrophoresis) 현상에 의해 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)로부터 제3 미세 채널(133)의 출사구(OUT)로 이동될 수 있다.

이를 위해, 검출부(160)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)에 위치하며 음의 전압이 인가되는 제3 전극(161) 및 제3 미세 채널(133)의 출사구(OUT)에 위치하며 양의 전압이 인가되는 제4 전극(162)을 포함할 수 있다.

또한, 검출부(160)는 증폭된 DNA와 산화/환원 반응을 수행하기 위하여 복수의 검출 전극(163 내지 168)을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 검출 전극(163 내지 168)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 제3 전극(161)과 제4 전극(152) 사이에 위치할 수 있다.

보다 상세하게, 복수의 검출 전극(163 내지 168)은 접지로서 동작하는 접지 전극(163, 164, 165) 및 증폭된 DNA와 산화/환원 반응이 일어나는 반응 전극(Working Electrode)(166) 및 증폭된 DNA의 이동상(Mobile Phase)의 전기전도성 변화를 상호하기 위한 카운터 전극(Counter Electrode)(167) 및 기준 전극(Reference Electrode)(168)을 포함할 수 있다.

한편, 제3 전극(161), 제4 전극(162), 및 복수의 검출 전극(163 내지 168) 역시 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 전극(141) 및 제2 전극(142)과 함께 제2 기판(120)의 일면 상에 형성될 수 있다. 다시 말해, DNA 검출 장치(100)에 포함되는 모든 전극들(제1 전극(141), 제2 전극(142), 제3 전극(161), 제4 전극(162), 및 복수의 검출 전극(163 내지 168))을 포함하는 전극부는 제2 기판(120)의 일면 상에 형성될 수 있다. 이 경우에도 제3 전극(161), 제4 전극(162), 및 복수의 검출 전극(163 내지 168)은 포지티브 포토레지스트를 이용하여 유리 재질의 제2 기판(120)에 전극 패턴을 형성한 후, 타이타늄(Titanium)과 금을 순차적으로 증착시킴으로써 형성될 수 있다.

요컨대, 증폭된 DNA는 제3 전극(161) 및 제4 전극(162)에 의해 형성되는 전기장에 의해 제3 미세 채널(133)의 입사구(IN)에서 출사구(OUT)로 이동하되, 이동 시 반응 전극(166)과의 사이에서 산화/환원 반응이 발생하게 되며, 이에 의해 복수의 검출 전극(163 내지 168)은 증폭된 DNA에 의해 특유의 peak를 가지는 전기적 신호를 출력한다.

한편, 증폭부(150)에서 증폭에 의해, 제2 미세 채널(132)의 출사구(OUT)에서 유출되는 복수의 증폭된 DNA는 서로 다른 길이, 분자량 및 전하량을 가지게 되고, 이에 의해 복수의 증폭된 DNA는 서로 다른 시점에서 제3 미세 채널(133)을 통해 이동한다(보다 상세하게, 제2 미세 채널(132)의 출사구(OUT)에서의 유출 순서는 증폭된 DNA의 길이가 짧을수록 빨라진다). 따라서, 검출부(160)는 복수의 증폭된 DNA 별로 서로 다른 시점에서 전기적 신호를 출력(즉, 짧은 길이의 순서대로 전기적 신호를 출력)한다.

도 6에서는 복수의 증폭된 DNA 별로 서로 다른 시점에서 전기적 신호가 출력되는 일례를 도시하고 있다. 여기서, 가장 좌측에 표시된 Peak와 대응되는 증폭된 DNA의 길이가 가장 짧고, 가증 우측에 표시된 Peak와 대응되는 증폭된 DNA의 길이가 가장 길다.

그리고, 도 6의 좌측에는 겔 전기영동(Gel Electrophoresis)에 의한 DNA 검출 결과(610)가 도시되어 있는데, 사용자는 겔 전기 영동에 의한 DNA 검출 결과와 전기적 신호가 출력되는 시점을 비교하여 증폭된 DNA를 검출(분석)할 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 산화/환원 반응에 의한 전기적 신호의 검출 개수(14개)가 겔 전기영동에 의한 DNA 검출 개수(12개) 보다 2개 더 많을 것을 확인할 수 있다. 이는 산화/환원에 의한 DNA 검출의 sensitivity가 더 높음을 의미한다.

이상에서 설명한 DNA 검출 장치(100)은 종래 기술과 비교하여 아래와 같은 장점을 가진다.

1. DNA 검출의 편의성 증대

본 발명에 따른 DNA 검출 장치(100)는 한번의 동작으로 복수회의 중합효소 연쇄 반응을 일으킬 수 있는 편리함이 있다.

또한, 본 발명에 따른 DNA 검출 장치(100)는 순차적으로 연결된 미세 채널부(130)를 세포 분해, 증폭, 및 검출을 한번에 수행할 수 있으므로, 부가적인 장비가 필요하지 않으며, 사용자의 부가적인 행위도 필요하지 않게 된다. 따라서, 사용자가 손으로 수행하던 실험과정들이 모두 배제되어 사용자 편의성이 증대된다.

2. 소모 시간의 절약

종래의 세포 분해의 경우, 일반적으로 하루 이상의 시간이 소모되며, 중합효소 연쇄 반응 역시 하루 이상의 시간이 소모된다. 그러나, 본 발명에 따른 DNA 검출 장치(100)의 경우, 실험 결과 46분(유속 속도: 5ul/min 기준)안에 세포 분해 및 증폭을 수행할 수 있는 것으로 측정되었다.

3. 화학 물질의 불사용

앞서 설명한 바와 같이, 화학적 방법에 따른 세포 분해 방법은 다양한 화학 물질이 필요하지만, 본 발명에 따른 DNA 검출 장치(100)는 전기적으로 세포를 분해하므로, 부가적인 화학 물질이 불필요한 장점이 있다.

4. Asceptic Operation 의 가능

생물학적 실험에서는 초고도의 purity가 가장 큰 관건인데, 본 발명에 따른 DNA 검출 장치(100)는 사용자의 수동적인 행위 없이 세포 분해 및 증폭이 가능하므로, 오염(Contamination)의 위험성이 없으며 극도의 깨끗한 환경에서 반응이 가능하다는 장점이 있다.

5. 낮은 전력 소모

5V 내지 10V의 전압을 통해 세포를 전기적으로 분해할 수 있고, 중합효소 연쇄 반응의 경우, 1.8W의 전력만으로 가장 높은 온도의 열을 가할 수 있으므로, 세포 분해 및 증폭에 소모되는 전력 양을 줄일 수 있다. 이에 따라 DNA 검출 장치(100)를 휴대용으로 제작할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: DNA 검출 장치 110: 제1 기판
120: 제2 기판 130: 미세 채널부
131: 제1 미세 채널 132: 제2 미세 채널
133: 제3 미세 채널 140: 분해부
141: 제1 전극 142: 제2 전극
150: 증폭부 151: 제1 ITO 박막
152: 제2 ITO 박막 153: 제3 ITO 박막
160: 검출부 161: 제3 전극
162: 제4 전극 163 내지 168: 검출 전극

Claims

순차적으로 연결되는 제1 미세 채널, 제2 미세 채널 및 제3 미세 채널을 포함하는 미세 채널부;
상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에 양의 전압 또는 음의 전압을 인가하여 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하는 세포를 DNA로 분해하기 위한 분해부;
상기 제2 미세 채널의 복수의 부분을 가열하여 상기 제2 미세 채널을 통해 이동하는 상기 DNA를 증폭하기 위한 증폭부; 및
상기 제3 미세 채널을 통해 이동하는 상기 증폭된 DNA에 대해 산화/환원 반응을 수행하고, 상기 산화/환원 반응에 의해 출력되는 전기적 신호를 이용하여 상기 증폭된 DNA를 검출하는 검출부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 분해부는
상기 제1 미세 채널과 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며, 양의 전압이 인가되는 하나 이상의 제1 전극; 및
상기 제1 미세 채널과 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며, 음의 전압이 인가되는 하나 이상의 제2 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극은 서로 번갈아 가면서 상기 제1 미세 채널과 오버랩되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제3항에 있어서,
상기 세포는 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하면서 상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극을 통해 양의 전압 및 음의 전압을 번갈아 인가받음으로써 상기 DNA로 분해되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극은 상기 세포와 반응하지 않는 금속 재질인 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및
상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극이 형성되는 제2 기판
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 미세 채널은 미앤더(meander) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 양의 전압의 크기 및 상기 음의 전압의 크기 중에서 적어도 하나는 상기 세포의 두께에 따라 조절 가능한 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 증폭부는
상기 제2 미세 채널의 복수의 부분을 가열하기 위한 복수의 ITO(Iindium Tin Oxide) 박막을 포함하고, 상기 복수의 ITO 박막에 의해 가열되는 온도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및
상기 적어도 하나의 ITO 박막이 형성되는 제2 기판
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제9항에 있어서,
상기 제2 미세 채널은 미앤더 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 증폭된 DNA는 복수개이고, 상기 복수개의 증폭된 DNA는 서로 다른 길이를 가지며, 상기 복수개의 증폭된 DNA는 서로 다른 시점에서 상기 제3 미세 채널을 통해 이동하여 서로 다른 시점에서 상기 전기적 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 증폭된 DNA는 전기장의 인가에 따라 이동하고,
상기 검출부는
상기 전기장을 인가하기 위하여 음의 전압이 인가되는 제3 전극 및 양의 전압이 인가되는 제4 전극;
상기 증폭된 DNA와 산화/환원 반응을 수행하여 상기 전기적 신호를 출력하기 위한 복수의 검출 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제13항에 있어서,
상기 복수의 검출 전극은
접지로서 동작하는 접지 전극; 및
상기 증폭된 DNA와 산화/환원 반응이 일어나는 반응 전극
을 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제13항에 있어서,
상기 제3 미세 채널이 형성되는 제1 기판; 및
상기 제3 전극, 상기 제4 전극 및 상기 복수의 검출 전극이 형성되는 제2 기판
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제1 기판;
상기 제1 기판과 접합되는 제2 기판;
상기 제1 기판의 일면에 형성되고, 세포, 상기 세포로부터 분해된 DNA, 및 상기 DNA를 증폭한 증폭 DNA의 이동 통로를 제공하는 순차적으로 연결된 제1 미세 채널, 제2 미세 채널 및 제3 미세 채널을 포함하는 미세 채널부;
상기 제2 기판의 일면에 형성되고, 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며 양의 전압이 인가되는 하나 이상의 제1 전극, 상기 제1 미세 채널의 복수의 부분에서 오버랩되도록 위치하며 음의 전압이 인가되는 하나 이상의 제2 전극, 상기 제3 미세 채널의 입사구에 위치하며 음의 전압이 인가되는 제3 전극, 상기 제3 미세 채널의 출사구에 위치하며 양의 전압이 인가되는 제4 전극, 및 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 위치하는 복수의 검출 전극을 포함하는 전극부; 및
상기 제2 기판의 타면에 형성되고, 상기 제2 미세 채널의 적어도 일부분을 가열하기 위한 하나 이상의 ITO 박막이 형성되는 가열부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제16항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극은 서로 번갈아 가면서 상기 제1 미세 채널과 오버랩되도록 위치하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제17항에 있어서,
상기 제1 미세 채널의 입사구로는 세포가 유입되고,
상기 세포는 상기 제1 미세 채널을 통해 이동하면서 상기 하나 이상의 제1 전극 및 상기 하나 이상의 제2 전극을 통해 양의 전압 및 음의 전압을 번갈아 인가받음으로써 DNA로 분해되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제16항에 있어서,
상기 제2 미세 채널의 입사구로는 상기 분해된 DNA가 유입되고,
상기 분해된 DNA는 상기 하나 이상의 ITO 박막에 의해 가열되어 증폭되는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제16항에 있어서,
상기 제3 미세 채널의 입사구로는 상기 증폭 DNA가 유입되고,
상기 복수의 검출 전극 중 일부는 상기 증폭 DNA와 산화/환원 반응을 수행하여 전기적 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.
제16항에 있어서,
상기 제1 미세 채널 및 상기 제2 미세 채널은 미앤더 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 DNA 검출 장치.