KR101284725B1 - 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템 - Google Patents

유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유전특성을 이용한 고속 입자분리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자를 방사상으로 분류한 후 입자의 유전특성을 이용하여 특정입자를 분리할 수 있다. 또한, 수직 채널과 유량 조절기를 통해 고가의 미세 유체조절펌프(microsyringe pump)의 도움없이 고속/고효율의 입자를 분리할 수 있는 방법을 제공한다.
또한, 고속/고효율(high throughput/high efficiency)의 분리 시스템을 구현하기 위해 방사상으로 구현된 다중 채널과 마이크로 칩(microchip)이 이용되었다. 이는 다중 채널을 통해 채널 내 유입되는 입자의 양을 증가시켜 단위 시간당 처리량(throughput rate)을 향상시키기 위함이고, 또한 마이크로 칩을 통해 입자의 유전특성에 따른 분리 효율을 증가시키기 위함이다.
이를 위해 본 발명은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하는 분류부와; 상기 분류부에서 분류된 입자를 비균일 전기장 내에서 입자의 크기 및 유전특성에 따라 특정입자를 편향시켜 입자를 분리시키는 분리부와; 상기 분리부에서 배출된 편향된 입자와 편향되지 않은 입자를 별도로 수거하는 수거부를 구비한다.

Description

유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템{System for high throughput particle separation using dielectrophoresis and the same method}
본 발명은 유전특성(전도도 및 유전율)을 이용하여 고속으로 입자를 분리하는 입자분리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입자의 유전특성에 기반을 둔 유전영동력(Dielectrophoresis)을 이용하여 입자를 고속으로 분리하되, 슬릿(slit) 형태의 전극 어레이(slit-type electrode array)에 의해 비균일 전기장을 형성하고 수직 채널(vertical channel)과 유량 조절기(flow regulator)를 이용하여 시스템 내 유동 제어를 통해 특정 입자를 고속으로 분리할 수 있도록 한 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 유전영동법은 세포를 분리해 내는 기술 중의 하나로서 비균일 전기장 내에서 세포의 유전적 특성을 이용하여 세포를 분리해 내는 기술이다.
여기서 유전영동력은 인가된 전기장의 전압과 주파수, 입자와 유체의 전기 전도도 및 유전율에 따라 달라진다. 이러한 유전 영동법을 이용한 대부분의 미세유체 시스템들은 입자들을 이동시켜주는 고가의 미세 유체조절 펌프(microsyringe pump)와 통합되어야 사용이 가능하고, 미세 유체 채널을 통해 세포가 이송되는 과정에서 채널을 막는 문제가 발생한다. 또한 그 과정에서 다량의 세포가 채널 또는 입구에 잔존하여 실제 분리후 세포의 회수율이 부족한 단점이 있다.
상기 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 본 출원인이 출원한 특허공개 제2010-53866호에 개시되었다. 상기 고속 입자분리 시스템은 비균일 전기장을 발생하는 전극 어레이를 입자의 경로 상에 외팔보 형태로 배치하여 중력방향으로 이동하는 입자를 편향시켜 고속으로 분리하는 시스템이다.
상기 고속 입자분리 시스템은 전극 어레이를 중력방향으로 배치시켜 고가의 미세 유체 조절 펌프를 사용하지 않고도 다량의 입자를 고속으로 분리할 수 있지만, 전극이 일축으로만 형성된 외팔보 형태로 이루어져 외팔보 앞쪽으로 흘러들어가는 입자의 경우 유전영동력에 노출되지 않고 특정입자가 외팔보와 외벽 사이의 미세한 틈으로 빠져 분리 효율이 감소하는 문제점이 있다.
또한, 세포 분리가 이루어지는 채널이 1개로 구성되어 단위시간당 분리되는 세포의 개수(throughput)가 많지 않다는 문제점이 있다.
1. 대한민국 공개특허 공개번호 10-2010-0053866호
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서,
본 발명이 해결하려는 과제는 유입되는 입자를 방사상으로 분류하여 특정입자를 분리시키므로 공간활용도를 높여 분리효율과 동시에 단위시간당 분리량(through put)을 향상시킨 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 전극 어레이가 랜드를 중심으로 암이 방사상으로 연장되고 암의 단부에 전극이 형성되므로 모든 전극이 일체로 형성되어 동시에 착탈할 수 있도록 된 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 수거부의 하부에 유량조절기가 설치되어 분리부에 유량을 조절하기 위한 별도의 수단이 필요 없으므로 더욱 콤팩트하게 구현할 수 있는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템에 있어서, 유입되는 입자를 방사상으로 분류하여 분리하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공한다.
여기서 상기 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하는 분류부; 상기 분류부의 하부에 형성되어 상기 분류부에서 분류된 입자를 비균일 전기장 내에서 입자의 크기 및 유전특성에 따라 특정입자를 편향시켜 입자를 분리시키는 분리부; 상기 분리부에서 배출된 편향된 입자와 편향되지 않은 입자를 별도로 수거하는 수거부;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 분리부는 상부에 상기 분류부에서 분류된 입자가 자중에 의해 흘러갈 수 있도록 경사면이 복수개 형성되고 상기 경사면에 비균일 전기장에 의해서 편향되는 입자와 편향되지 않는 입자가 별도로 배출되는 출구가 형성되는 분리모듈; 상기 경사면에 안착되어 전기장을 발생시키는 전극 어레이;로 이루어지는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공한다.
아울러 상기 전극 어레이는 중앙에 랜드가 형성되고 상기 랜드를 중심으로 방사상으로 암이 형성되며 상기 암의 단부에 전극이 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 단부에 형성된 전극은 서로 다른 극성의 전극이 교차하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 수거부에 유량조절기가 설치된 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 제공한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하여 특정입자를 분리시키므로 고속/고효율의 분리 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 전극 어레이가 랜드를 중심으로 암이 방사상으로 연장되고 암의 단부에 전극이 형성되므로 모든 전극이 일체로 형성되어 동시에 착탈할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 수거부의 하부에 유량조절기가 설치되어 분리부에 유량을 조절하기 위한 별도의 수단이 필요 없으므로 더욱 콤팩트하게 구비된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 나타내는 부분절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 나타내는 분리 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템의 전극 어레이가 설치된 상태를 나타내는 요부 상세도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템의 전극 어레이를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템의 입자가 분리되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스을 나타내는 분해사시도이다.
이하 본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하여 분리하는 것을 특징으로 한다.
여기서 유입되는 입자를 방사상으로 분류하여 분리하기 위한 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하는 분류부(10), 상기 분류된 입자를 비균일 전기장 내에서 입자의 크기 및 유전특성에 따라 특정입자를 편향시켜 입자를 분리시키는 분리부(20) 및 상기 분리부(20)에서 배출된 편향된 입자와 편향되지 않은 입자를 별도로 수거하는 수거부(30)를 포함한다. 여기서 상기 분류부(10)와 상기 분리부(20)는 이물질의 침투를 방지하기 위하여 상부케이싱(40)과 하부케이싱(44)에 의해서 외부와 차단되도록 구비된다.
상기 분류부(10)는 유입되는 입자를 분류할 수 있도록 중앙을 중심으로 산(10a)과 골(10b)이 형성된다. 따라서 중앙으로 입자가 유입되면 유입된 입자는 각 골(10b)을 따라 흘러가게 된다. 여기서 상기 분류부(10)의 상부에 형성된 상부케이싱(40)은 상기 분류부(10)의 상방을 차단하도록 형성되고 중앙에는 상기 분류부(10)의 중앙에 입자를 주입할 수 있는 주입구(42)가 형성되어 있다. 상기 분류부(10)의 하부는 후술하는 상기 분리부(20)의 상부에 형성된 경사면(22a)과 대응하는 형상을 갖도록 이루어지는 것이 바람직하다. 아울러 상기 상부케이싱(40)은 입자를 공급하기 위한 파우치(60)가 연통되도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 분리부(20)는 상기 분류부(10)의 하부에 형성되며 상부에 전극 어레이(24)를 안착시킬수 있도록 경사면(22a)이 복수개 형성된 분리 모듈(22), 상기 분리 모듈(22)과 대응하는 형상을 갖는 내부 하우징(23)으로 이루어진다.
상기 분리 모듈(22)은 경사면(22a)에 복수개의 배출구(22b, 22c)가 형성되는 데, 상기 배출구(22b, 22c)는 경사면(22a)을 따라 흘러가는 입자 중 비균일 전기장에 의해서 편향되지 않는 입자가 배출되는 제1배출구(22b), 상기 경사면(22a)을 따라 흘러가는 입자 중 비균일 전기장에 의해서 편향되는 입자가 배출되는 제2배출구(22c)로 이루어진다.
상기 전극 어레이(24)는 중앙에 랜드(24a)가 형성되고 상기 랜드(24a)를 중심으로 방사상으로 전극(24b)이 형성되며 상기 전극(24b)의 단부에 슬릿 형태의 채널(24c)이 형성된다. 상기 랜드(24a)는 상기 분류부(10) 하부의 중심과 상기 분리 모듈(22)의 상부 중심 사이에 삽입된다. 또한 상기 전극(24b)은 상기 랜드(24b)를 중심으로 방사상으로 형성되며 상기 분리 모듈(22)의 경사면(22a)에 안착되어 상기 경사면(22a)을 따라 연장된다. 상기 전극 어레이(24)는 미세 전극 및 채널 구현에 용이한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 통해 제작되어 콤팩트한 전극 어레이(24)를 구현할 수 있다. 여기서 상기 전극 어레이(24)의 기재(basic material)는 유연성이 우수한 폴리머계열인 에폭시 기반인 SU-8로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한 상기 전극(24c)은 열전도도 및 전도성이 우수한 Cr/Au 재질로 제작하는 것이 바람직하다.
여기서 제2배출구(22c)를 통과한 입자는 수거부(30) 외부의 채널을 통해 하부 케이싱(44) 밖으로 수거되고, 편향되지 않는 입자는 슬릿 형태의 채널(24c) 아래 제1배출구(22b)를 통과하여 수거부(30)로 낙하하게 된다.
또한, 상기 하부케이싱(44)의 하부에는 유량조절기(50)가 설치된다. 따라서 배출되는 유량이 제어되므로 주입구(42)를 통하여 분류부(10)의 상부로 유입되는 입자의 유량이 조절된다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 입자분리 시스템을 이용하여 입자를 분리하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 분리하고자 하는 입자가 수용된 파우치(60)를 상부케이싱(40)의 상부에 거치하고, 주입구(42)를 통하여 분류부(10)의 정상에 입자를 주입한다.
상기 주입구(42)를 통하여 분류부(10)의 정상에 유입된 입자는 분류부(10)의 골(10b)을 따라 분산되어 자중과 중력에 의해 유도된 유량에 의해 이동하게 된다.
상기 골(10b)을 따라 낙하하는 입자는 경사면(22a)을 따라 이동하게 되고, 경사면(22a)을 따라 이동하는 입자는 비균일 전기장에 의해 편향되는 입자와 편향되지 않는 입자로 분리되어 각각 다른 배출구(22b, 22c)를 통하여 낙하하게 된다. 여기서 상기 분류부(10)의 골(10b)을 통하여 유입되는 입자 중 편향되지 않는 입자는 비균일 전기장의 영역을 지나도 전기영동력을 받지 않으므로 그대로 낙하하여 제1배출구(22b)를 통하여 낙하하게 되고, 편향되는 입자는 비균일 전기장의 영역을 지날 때 전기영동력에 의해 편향되어 제2배출구(22c)로 낙하하게 된다. 여기서 제2배출구(22c)를 통과한 입자는 수거부(30) 외주면의 채널을 통해 외부로 배출되고, 편향되지 않는 입자는 슬릿 형태의 채널(24c) 아래 제1배출구(22b)를 통과하여 수거부(30)에 수용된다.
이때 하부 케이싱(44)에 유량조절기(50)가 설치되어 있어서 배출되는 유량을 조절할 수 있으므로 분류부(10)로 투입되는 입자의 양을 조절할 수 있다.
이하 본 발명의 다른 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템은 도 6에 도시된 바와 같이 유입되는 입자를 4개의 채널로 분류하여 슬릿(slit) 형태의 전극에서 발생하는 유전영동력을 이용하여 분리하는 것을 특징으로 한다.
여기서 유입되는 입자를 분류하여 분리하기 위한 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 네 방향으로 분류하는 분류 채널(72a)과 상기 분류된 입자를 비균일 전기장 내에서 입자의 크기 및 유전특성에 따라 특정입자를 편향시켜 입자를 분리시키는 슬릿(slit) 형태의 전극 어레이(74)와 편향된 입자를 외부로 배출시키는 분리 채널(72b)로 이루어지는 분리부(70)로 이루어진다. 유전영동력에 영향을 받지 않는 입자는 슬릿 형태의 전극 내 형성된 다중 채널(74a)을 통해 수거부(80)로 낙하한다. 반면, 유전영동력에 의해 편향된 입자는 분리 채널(72b)을 통해 하부케이싱(94) 외부로 배출된다.
상기 분리부(70)는 단면이 장방형으로 이루어짐에 따라 상기 분리부(70)와 끼워지는 수거부(80)의 단면 또한 장방형으로 이루어진다. 여기서 상기 분리부(70)는 이물질의 침투를 방지하기 위하여 상부케이싱(90)과 하부케이싱(94)에 의해서 외부와 차단되도록 구비된다. 여기서 상부 케이싱(90)은 전극 어레이에 신호를 전달할 수 있도록 신호 발생기(function generator)와 연결된 연결부(connector)(90a)를 포함한다.
상기 분리부(70)는 슬릿(slit) 형태의 전극 어레이(74)를 안착시킬 수 있도록 경사면(72c)이 각 변으로 연장되도록 형성된다. 상기 경사면(72c)에는 분리 채널(72b)이 형성되는 데, 상기 분리 채널(72b)은 경사면(72c)과 연결되어 입자 중 비균일 전기장에 의해서 편향된 입자가 하부케이싱(94) 외부로 배출된다.
상기 전극 어레이(74)는 슬릿(slit) 형태의 다중 채널(74a)이 형성되어 있고 채널 사이 극이 다른 전극 어레이가 교차된 형태로 형성되어 비균일 전기장을 발생시키는 역할을 하는 것이 바람직하다. 상기 전극 어레이(74)는 미세 전극 및 채널 구현에 용이한 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 공정을 통해 제작되어 콤팩트한 전극 어레이(74)를 구현할 수 있다. 여기서 상기 전극 어레이(74)의 기재(basic material)는 다중 채널(74a)이 용이한 실리콘(silicon) 기반으로 제작하는 것이 바람직하다. 또한 상기 전극(74b)은 열전도도 및 전도성이 우수한 Cr/Au 재질로 제작하는 것이 바람직하다.
상기 수거부(80)는 편향되지 않은 입자를 수집한다. 여기서 상기 수거부(80)는 편향되지 않은 입자가 전극 어레이 내 형성된 다중 채널(74a)를 통과한 뒤 수용하도록 구비되었다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고속 입자분리 시스템을 이용하여 입자를 분리하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
주입된 입자는 분류 채널(72a)을 따라 분류되어 자중과 중력에 의해 유도된 유량에 의해 이동하게 된다.
상기 분류 채널(72a)을 따라 낙하하는 입자는 경사면(72c)의 위 전극 어레이(74)에 의해 발생된 비균일 전기장에 의해 편향되는 입자와 편향되지 않는 입자로 분리되어 편향된 입자는 분리 채널(72b)을 통해 하부케이싱(94) 외부로 배출되고 편향되지 않은 입자는 전극 어레이(74)) 내 다중 채널(74a)를 통해 수거부(80)로 수집된다.
10 : 분류부 20, 70 : 분리부
22 : 분리 모듈 23 : 내부 하우징
24, 74 : 전극 어레이 30, 80 : 수거부
40, 90 : 상부케이싱 44, 94 : 하부케이싱
50 : 유량조절기 60 : 파우치

Claims (7)

  1. 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템에 있어서,
    유입되는 입자를 방사상으로 분류하고, 슬릿 형태의 전극 어레이를 이용하여 비균일 전기장을 형성한 후, 상기 입자의 유전특성에 따라 입자를 분리하여 단위시간당 입자 분리량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 입자를 고속으로 분리하기 위하여, 유량 조절기를 통해 유동 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고속 입자분리 시스템은 유입되는 입자를 방사상으로 분류하는 분류부;
    상기 분류부에서 분류된 입자를 비균일 전기장 내에서 입자의 크기 및 유전특성에 따라 특정입자를 편향시켜 입자를 분리시키는 분리부;
    상기 분리부에서 배출된 편향된 입자와 편향되지 않은 입자를 별도로 수거하는 수거부;
    를 포함하는 것을 특징을 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 분리부는 상부에 상기 분류부에서 분류된 입자가 자중에 의해 흘러갈 수 있도록 경사면이 복수개 형성되고 상기 경사면에 비균일 전기장에 의해서 편향되는 입자와 편향되지 않는 입자가 별도로 배출되는 출구가 형성되는 분리모듈;
    상기 경사면에 안착되어 전기장을 발생시키는 전극 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전극 어레이는 중앙에 랜드가 형성되고 상기 랜드를 중심으로 방사상으로 전극이 형성되며, 상기 전극의 단부에 슬릿 형태의 채널이 형성되는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극 어레이는 슬릿 형태의 다중 채널이 형성되고, 채널 사이 극이 다른 전극 어레이가 교차된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 수거부의 하부에 유량조절기가 설치되는 것을 특징으로 하는 유전영동력을 이용한 고속 입자분리 시스템.
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