KR101391862B1

KR101391862B1 - 혈액 분리를 위한 칩을 구비한 진단 기구

Info

Publication number: KR101391862B1
Application number: KR1020120045805A
Authority: KR
Inventors: 조병호; 조용호; 박상희
Original assignee: 조병호; (주) 마이크로프랜드
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2014-05-07
Also published as: KR20130122457A; WO2013165042A1

Abstract

본 발명은 기판; 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 전처리 유입로; 상기 기판 하부에 형성되며 상기 전처리 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 초음파 진동자; 상기 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 분기 노드; 및 상기 분기된 혈액을 출력하는 전처리 유출로를 포함하는 혈액 분리를 위한 칩을 제공하며, 이때 상기 초음파 진동자 및 상기 분기 노드는 분리하고자 하는 혈장의 정제 정도에 따라서 가감될 수 있다.

Description

혈액 분리를 위한 칩을 구비한 진단 기구{DIAGNOSIS DEVICE EQUIPPED WITH A CHIP FOR SEPARATING BLOOD}

본 발명은 혈액 분리를 위한 칩 및 이를 구비한 진단 기구에 관한 것으로, 특히, 카트리지 형태로 이용될 수 있는 휴대형 진단 기구를 구성하기 위한 것이다.

NT(nanotechnology), BT(Biotechnology), IT(Information technology) 기술이 융합된 나노-IT 융합 의학 기술의 최근 발전에 따라, 언제 어느 곳에서나 휴대가 가능하여 개인질병을 조기에 진단하고, 맞춤형 치료가 가능한 의료시스템 개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 개인의 생체특성을 반영하는 유전자, 단백질, 대사산물, 체성분 등의 변화를 측정하여 질병의 예방, 진단, 치료효능 예측 등을 가능하게 하는 의료 서비스를 제공할 수 있는 휴대용 나노바이오센서 기술은 현재 의료용 진단분야에서 응용성이 매우 커 개발 필요성이 크게 증대되었다. 이를 위해 나노기술을 이용해 기존 바이오센서의 한계를 극복하고 높은 안정성 및 선택성을 가지며 신속성 및 초고감도성 등의 동작특성이 향상된 극소형 나노바이오센서의 필요성이 절실하게 되었다. 그러나, 현재 사용되고 있는 바이오센서로는 자가 임신진단 키트(Kit)와 혈당 측정 키트 정도에 불과하고 정량적 분석을 간단하면서도 높은 감도로 보여주는 센서는 상용화가 거의 되지 못하고 있는 실정이다.

한편, 서구화된 식생활의 변화로 전립선 질환의 발생율이 과거보다 현저히 높아졌을 뿐만 아니라, 노년기에 주로 발생하던 것이 청,장년기에 빈번히 발생하고 있으며 이러한 전립선 질환에 의해 불임의 위험성이 높아져 일반인의 관심이 높아지고 있다. 전립선암은 현재 미국 남성이 암으로 사망하는 원인 중에 두 번째로 큰 비중을 차지하고 있으며 우리나라의 경우에도 중앙 암 등록본부에 따르면 전립선암은 현재 장기별 남성암 발생 등록분율(登錄分率)에서 5위인데, 증가 속도가 워낙 빨라서 앞으로 우리나라 남성에게 가장 흔한 암이 될 것으로 예상되어 진다 밝혔다. 전립선암의 발생 초기에 전립선 내에만 국한된 국소성 전립선암의 경우에는 조기 발견 시 10년 생존율이 80% 이상으로 치료 효과도 좋아 적절한 조기 검진 방법이 수립된다면 의료비 절감 대책은 물론 건강한 삶을 영위 할 수 있게 하는 복지 정책에도 크게 기여할 수 있게 된다. 현재 전립선암을 가장 정확히 진단할 수 있는 방법은 조금이라도 전립선 특이항원 (prostate-specific antigen; PSA² ⁾)이 이상한 사람은 무조건 조직검사를 하는 것이나, 전립선 조직검사는 불편할 뿐 아니라, 비용도 비싸고 환자가 불쾌감을 느끼게 되어 암의 가능성이 낮은 사람은 조직검사를 피할 수 있는 기준 필요하다. 혈청 PSA의 경우 혈액 속에 미량의 농도인 4 ng/ml 이상 존재할 때 전립선암을 의심할 수 있는데 Total PSA와 Free PSA 양의 정량화(Ratio of Free PSA to Total PSA)를 통해 전립선암의 판별이 가능하게 되는데 이는 Free PSA가 낮을 때는 암의 가능성이 높다고 추측할 수 있다. 따라서, 전립선암에 대한 조기 발견에 있어서, 상술한 나노바이오센서의 필요성이 더욱 크다고 할 것이다.

이와 같이, 한 방울의 혈액 내의 혈청을 이용한 후천성 면역 결핍증, 암 질환 및 간 수치 검사 등과 같은 질병 검사를 빠르고 정확하게 수행할 수 있도록 함으로써 질환의 조기 발견, 치료 및 모니터링에 이용 가능하며 전립선 질환의 경우 혈액 순환계로 질환과 연관성이 있는 단백질을 방출하므로, 혈액 내 연관 단백질을 빠르고 간편하고 정확하게 분석할 수 있는 기술은 전립선암의 조기 진단 및 상태 분석, 그리고 치료에 획기적인 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 특히, 전립선암 수술 후 추적검사 또는 전립선 관련 질환에 대해 (혈당 수치 모니터링과 같이) 가정(또는 일반병원)에서 간편하게 PSA (total PSA & free PSA) 수치를 지속적으로 모니터링 하는 것에 대한 요구가 증가할 것으로 판단된다.

상술한 휴대용 나노바이오센서 기술을 응용한 의료용 진단에 있어, 소량의 셈플로 진단 효율 및 정확도를 높이기 위해, 진단 대상이 되는 혈액의 성분을 분리하여 필요한 성분 만을 나노바이오센서를 이용한 검사에 사용할 것이 바람직하다.

본 발명은 나노바이오센서 기술을 이용하여 휴대용 진단 기구에 사용될 수 있는 혈액 분리를 위한 전처리 칩을 제공하고자 한다.

또는, 본 발명은 나노바이오센서 기술을 이용하여 휴대용 진단 기구에 사용될 수 있는 진단용 카트리지를 제공하고자 한다.

본 발명은 나노바이오센서 기술을 이용하여 간편하고도 정확하게 혈액을 진단할 수 있는 진단 기구를 제공하고자 한다.

이상과 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판; 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 전처리 유입로; 상기 기판 하부에 형성되며 상기 전처리 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 초음파 진동자; 상기 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 분기 노드; 및 상기 분기된 혈액을 출력하는 전처리 유출로를 포함하는 혈액 분리를 위한 칩을 제공한다.

이때, 상기 초음파 진동자 및 상기 분기 노드는 분리하고자 하는 혈장의 정제 정도에 따라서 가감될 수 있다.

또한, 상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제1 초음파 진동자; 상기 제1 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제1 분기 노드; 상기 제1 분기 노드에 의해 분기되어 흐르는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제2 초음파 진동자; 및 상기 제2 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제2 분기 노드를 포함하도록 이루어질 수 있다.

이때, 상기 기판은, 실리콘 기판이며, 상기 유입로와 상기 제1 분기 노드, 상기 제2 분기 노드는, 상기 기판과 상기 기판을 덮고 있는 유리판 사이에 형성된 홈의 형태를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 초음파 진동자 또는 상기 제2 초음파 진동자는, 2MHz의 초음파 진동을 발생시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 초음파 진동자 또는 상기 제2 초음파 진동자는, 상기 기판 하면에 부착된 압전 소자를 포함하도록 할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 기판과, 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 전처리 유입로와, 상기 기판 하부에 형성되며 상기 전처리 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 초음파 진동자와, 상기 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 분기 노드와, 상기 분기된 혈액을 출력하는 전처리 유출로를 포함하는 전처리 칩; 및 상기 전처리 유출로에서 혈액을 입력받는 센서 유입로와, 검사를 위해 흐르는 혈액과 접하는 전극과, 검사 항목에 대한 타깃 분자와 화학 결합될 수 있도록 상기 전극에 부착된 프로브 분자와, 상기 전극과 FET기능을 형성하기 위한 레퍼런스 전극과, 검사를 완료한 혈액을 외부로 유출하는 센서 유출로를 포함하는 센서 칩을 포함하는 진단 카트리지를 제공한다.

이때, 상기 전처리 칩은, 상기 전처리 유입로로 유입되는 혈액을 접수하기 위한 혈액 투입구를 더 포함하고, 상기 센서 칩은, 외부 펌핑 수단으로 검사 완료된 혈액이 유출될 수 있는 제1 펌프 연결로와, 상기 외부 펌핑 수단에서 유출되는 회수 혈액을 접수하는 제2 펌프 연결로를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 센서 칩은, 상기 회수 혈액을 저장하기 위한 저장고를 더 포함하도록 할 수 있다.

또한, 상기 전처리 칩은, 2개 이상의 초음파 진동자 또는 2개 이상의 진동 노드를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 프로브 분자는 실리콘 나노와이어를 통해 상기 전극에 부착되도록 할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 실시예는, 검사를 위한 혈액을 입력받아 초음파를 인가하여 상기 혈액을 성분 분리하여 유출하는 전처리 칩; 상기 전처리 칩에서 유출되는 성분 분리된 혈액에 함유되어 있는 타깃 분자의 검출에 따른 전기적 신호를 출력하는 센서 칩; 상기 검사를 위한 혈액이 상기 전처리 칩 및 센서 칩에 형성된 유로를 따라 흐르게 하는 펌핑 수단; 및 상기 전처리 칩, 센서 칩 및 펌핑 수단을 제어하여 혈액 검사를 수행한 결과를 출력하는 제어 수단을 포함하는 진단 기구를 제공한다.

이때, 상기 전처리 칩은, 기판; 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 유입로; 상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제1 초음파 진동자; 상기 제1 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제1 분기 노드; 상기 제1 분기 노드에 의해 분기되어 흐르는 혈액에 초음파 진동을 부여하는제2 초음파 진동자; 상기 제2 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제2 분기 노드; 및 상기 분기된 혈액을 출력하는 유출로를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 센서 칩은, 상기 전처리 칩에서 혈액을 입력받는 센서 유입로와, 검사를 위해 흐르는 혈액과 접하는 전극과, 검사 항목에 대한 타깃 분자와 화학 결합될 수 있도록 상기 전극에 부착된 프로브 분자와, 상기 전극과 FET기능을 형성하기 위한 레퍼런스 전극과, 검사를 완료한 혈액을 외부로 유출하는 센서 유출로를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 전처리 칩과 상기 센서 칩은, 단일 유로에 의해 서로 연결된 일체형 카트리지를 형성하도록 이루어질 수 있다.

또한, 상기 펌핑 수단 및 상기 제어 수단은, 상기 혈액 검사 수행 결과 및 혈액 검사에 대한 안내를 시각적으로 표시하는 디스플레이와 함께, 상기 카트리지를 결합시킬 수 있는 리더기를 구성하도록 할 수 있다.

상기 구성에 따른 본 발명의 전처리 칩을 실시하면, 나노바이오센서를 이용한 검사 이전에 간편하게 혈액 분리를 하여, 검사 정확도를 높일 수 있는 이점이 있다.

상기 구성에 따른 본 발명의 진단용 카트리지 및/또는 진단 기구를 실시하면, 나노바이오센서 기술을 응용하여 간편하게 진단을 수행할 수 있는 이점이 있다.

도 1a 및 1b에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 혈액 분리를 위한 전처리 칩의 구조를 도시한 도면
도 2a는 가상 혈액이 분기 노드를 흐를 때를 초음파 진동을 가하지 않은 상태를 도시한 영상.
도 2b는 가상 혈액이 분기 노드를 흐를 때를 초음파 진동을 가한 상태를 도시한 영상.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진단 카트리지를 도시한 도면.
도 4a는 진단 카트리지와 리더기가 결합되기 전을 도시한 도면.
도 4b는 진단 카트리지가 리더기에 결합된 것을 도시한 도면.
도 5a는 진단 카트리지가 리더기에 결합될 때의 연결 관계를 나타낸 단면.
도 5b는 전처리 칩과 센서 칩이 일체형으로 제작된 형태의 진단 카트리지의 구조를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 리더기의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 리더기를 이용하여 혈액 검사를 수행하는 과정을 개시한 도면.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 1a 및 1b에 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 혈액 분리를 위한 전처리 칩은, 기판; 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 유입로(120); 상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로(120)를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제1 초음파 진동자(130); 상기 제1 초음파 진동자(130)에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제1 분기 노드(140); 상기 제1 분기 노드(140)에 의해 분기되어 흐르는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제2 초음파 진동자(160); 상기 제2 초음파 진동자(160)에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제2 분기 노드(170); 및 상기 분기된 혈액을 출력하는 유출로(182)를 포함할 수 있다.

상기 기판은 실리콘 기판 재질로서, 반도체 칩 제작 공정으로 적용이 가능한 것이 바람직하다.

상기 기판 상면에 형성된 홈의 형태로 상기 유입로(120), 제1 분기 노드(140), 제 2 분기 노드(170) 및 상기 유출로(182)가 일종의 유로들로서 구현될 수 있으며, 상기 홈을 흐르는 혈액이 유로 밖으로 넘치지 않고 사용자가 혈액의 흐름을 볼 수 있도록 상기 기판 상부에 유리판을 배치할 수 있다. 이에 따라, 상기 유입로(120)와 상기 제1 분기 노드(140), 상기 제2 분기 노드(170)는, 상기 기판과 상기 기판을 덮고 있는 유리판 사이에 형성된 홈에 의한 유로들이 될 수 있다.

상기 제1 초음파 진동자(130) 및/또는 상기 제2 초음파 진동자(160)는, 상기 실리콘 기판 하면에 접착제로 부착된 압전 소자로 구현될 수 있다.

상기 압전 소자에 초음파 주파수를 가지는 전압 신호를 인가함으로써, 상기 압전 소자의 압전 동작에 의한 초음파 진동이 발생한다. 상기 압전 소자는 상기 기판에 부착되어 있으므로, 상기 압전 소자에 의해 발생된 초음파 진동은 상기 기판에 전달된다. 상기 기판에서 상기 압전 소자에 가까운 부분이 상기 초음파 진동이 강하게 전달받으므로, 상기 압전 소자 상부에 형성된 유로에 존재하는 혈액에 효과적으로 상기 초음파 진동이 가해진다.

상기 제1 초음파 진동자(130)는 상기 유입로(120)의 아래에 위치하여, 상기 유입로(120)를 흐르는 혈액에 초음파를 인가하고, 상기 제2 초음파 진동자(160)는 상기 제1 분기 노드(140)에 의해 분기되어 흐르는 분기 유로들(152, 154, 156) 중 하나(152)의 아래에 위치하여, 상기 분리 유로(152)에 흐르는 혈액에 초음파를 인가할 수 있다.

상기 제1 초음파 진동자(130)에 의해 초음파가 가해진 혈액은 상기 제1 분기 노드(140)로 흘러가고, 상기 제2 초음파 진동자(160)에 의해 초음파가 가해진 혈액은 상기 제2 분기 노드(170)에 흘러간다.

상기 제1 분기 노드(140) 및/또는 제2 분기 노드(170)는 하나의 노드 유입로와 노드에서 분기된 3개의 분기 유로를 구비할 수 있다.

상기 유입로(120), 제1 분기 노드(140) 및 제2 분기 노드(170)가 형성하는 유로 구조는, 음향 파의 압력 교점을 유로 내에 원하는 위치에 발생시켜 혈액내 세포를 보다 쉽게 분리하여 고농도의 혈장을 얻을 수 있는 다층 유로 구조 디자인을 가진다.

바람직하게, 상기 제1 초음파 및/또는 제2 초음파에 의해 혈액에 포함된 혈구 성분이 유로의 벽쪽으로 몰리도록 상기 제1/제2 초음파 진동자의 배치 위치, 진동 주파수 및 진동 진폭 중 하나 이상을 결정할 수 있다.

후술할 도 2a,b에 의한 현상에 따르면, 상기 제1 초음파 진동자 또는 상기 제2 초음파 진동자는, 2MHz의 초음파 진동을 발생시키는 것이 바람직하다.

상기 초음파 진동에 의해 혈구 성분이 유로의 벽쪽에서 몰린 혈액의 흐름이, 상기 제1 분기 노드 또는 제2 분기 노드를 지나면, 노드 유입로와 동일한 방향의 분기로(메인 분기로)로는 혈장 성분이 빠져 나가고, 노드 유입로와 방향이 다른 분기로(서브 분기로)로는 혈구 성분들이 빠져나가는데, 이에 따라 효과적으로 혈액에서 혈장 성분만을 추출할 수 있다.

본 실시예의 혈액 분리를 위한 전처리 칩은 2개의 초음파 진동자 - 분기 노드 블록을 구비하는데, 이는 혈액 분리 효과를 증진시키기 위한 것이다. 구현에 따라, 2개의 초음파 진동자 - 분기 노드 블록의 구체적인 구비 형태는 다양할 수 있다.

예컨대, 상기 제1 초음파 진동자(130) - 제1 분기 노드(140)로는 비교적 입자가 큰 혈구들을 분리하고, 상기 제2 초음파 진동자(160) - 제2 분기 노드(170)로는 비교적 입자가 작은 혈액 성분들을 분리할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 분기 노드(140)와 제2 분기 노드(170)는, 각 서브 분기로의 단면적 및/또는 메인 분기로와의 각도를 서로 다르게 형성할 수 있다.

또는, 다른 예로서, 상기 1 초음파 진동자(130) - 제1 분기 노드(140)로는 혈구 등 혈액 성분들이 서로 뭉치지 않고 이격되도록 하고, 상기 제2 초음파 진동자(160) - 제2 분기 노드(170)로 혈장 추출을 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 분기 노드(140)와 제2 분기 노드(170)는, 각 서브 분기로와 메인 분기로의 단면적 비율을 서로 다르게 형성할 수 있으며, 상기 제1 초음파 진동자(130) 및 상기 제2 초음파 진동자(160)의 진동 주파수를 서로 다르게 형성할 수 있다.

또한, 상기 초음파 진동자 및 상기 분기 노드는 분리하고자 하는 혈장의 정제 정도에 따라서 그 수를 늘리거나 줄일 수 있다.

도 2a 및 2b는 6 마이크론 크기의 폴리스티렌 가상 혈구(마이크로 비드)를 포함한 가상 혈액이 분기 노드를 흐를 때를 도시한 것으로, 상기 가상 혈액에 초음파 진동을 가하지 않으면 도 2a와 같이 특별한 변화가 없으나, 2MHz의 초음파 진동을 가하면 도 2b와 같이 가상 혈구가 중심부로 몰리는 것을 알 수 있다.

도 3a 내지 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진단 카트리지를 도시한다.

도시한 진단 카트리지는, 크게 혈액을 전처리 하기 위한 혈액의 성분 분리를 위한 전처리 칩(101) 및 성분 분리된 혈액에 대한 검사를 수행하는 센서 칩(200)으로 이루어지며, 별도의 리더기에 장착된 상태에서 혈액에 대한 검사를 수행할 수 있으며, 혈액에 대한 검사가 완료되면 상기 리더기에서 탈착될 수 있다.

도시한 진단 카트리지는, 기판과, 상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 전처리 유입로(121)와, 상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로(121)를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 초음파 진동자(131)와, 상기 초음파 진동자(131)에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 분기 노드(141)와, 상기 분기된 혈액을 출력하는 전처리 유출로를 포함하는 전처리 칩(101); 및 상기 전처리 유출로에서 혈액을 입력받는 센서 유입로와, 검사를 위해 흐르는 혈액과 접하는 전극과, 검사 항목에 대한 타깃 분자와 화학 결합될 수 있도록 상기 전극에 부착된 프로브 분자와, 상기 전극과 전기적 특성을 형성하기 위한 레퍼런스 전극과, 검사를 완료한 혈액을 외부로 유출하는 센서 유출로를 포함하는 센서 칩(200)을 포함할 수 있다.

상기 전처리 칩(101)은, '초음파 진동자 - 분기 노드 블록'에 의해 검사를 위한 혈액의 성분을 분리하는데, 상기 '초음파 진동자 - 분기 노드 블록'을, 하나만 구비하거나, 도 1a에 도시한 바와 같이 2개를 구비하거나, 3개 이상을 구비할 수 있다.

상기 전처리 칩(101)은 상기 초음파 진동자를 구동하기 위한 전압 신호를 입력받기 위한 전기적 접촉 단자들을 구비할 수 있다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 상기 센서 칩(200)은, 전극에 연결된 실리콘 나노와이어에 부착된 프로브 분자(aptamer)가, 상기 전처리 칩(101)에서 추출된 혈장(plasma)에 포함된 타깃 분자(marker)와 결합되는 방식으로 진단을 수행할 수 있다.

상기 전극의 전압을 상기 레퍼런스 전극의 전압과 비교하여 센싱값을 산출할 수 있다. 예컨대, 상기 프로브 분자에 타깃 분자가 결합되었을 때, 상기 전극의 전압이 상기 레퍼런스 전극의 전압보다 낮고, 상기 프로브 분자에 타깃 분자가 결합되지 않았을 때, 상기 전극의 전압이 상기 레퍼런스 전극의 전압보다 높을 수 있다.

여기서, 나노와이어에 대한 항체 고정 및 분석. 나노와이어에 대한 항체 고정은 sol-gel을 이용하여 고정한 다음 항원과 반응시킬 수 있다. Sol-gel 기능성 폴리머 고정 방법은 고정물질의 선택에 있어 굉장히 광범위하며, 특히, 고정물질의 안정성이 탁월한 장점을 가진다. 또한, 기능성 폴리머가 형성하는 나노크기의 포집체 내에서 활성형 상태로 특별한 부가적 장치(affinity tag, ligand, chemical bonding 등) 없이 존재함에 따라 3차원 형태의 고기능 마이크로 어레이 형성이 가능한 장점이 있다.

예컨대, 나노와이어 상에 항체 고정을 위해 1차 선별 과정에서 선택된 tPSA, fPSA 특이 항체를 sol-gel 방법을 이용하여 고정한 다음 항원에 대한 반응성을 형광스케너로 분석하고, 이를 통해 항원-항체 반응과 항체 대신 사용한 핵산 마커 반응에서 나오는 전기적 신호 및 민감도 비교하는 방식으로 전립성 질환에 대한 검사를 수행할 수 있다.

상기 센서 칩(200)은 상기 전극 및 레퍼런스 전극의 전압값을 외부로 전달하기 위한 전기적 접촉 단자를 구비할 수 있다.

상기 센서 칩(200)은, 두 가지 물질을 검출하기 위해 감지 칩 부분이 두 개의 유로로 나뉘도록 구현할 수 있다. 또는, 세 가지 이상의 물질을 검출하기 위해 감지 칩 부분이 세 개 이상의 유로로 나뉘도록 구현할 수 있다.

구현에 따라, 상기 센서 칩(200)은, 진단 신호 감도를 개선하기 위해 압타머 프루브 분자(aptamer, 타깃 분자에 결합하는 특징을 가짐)가 부착된 나노 와이어와 레퍼런스 나노 와이어를 동 배열하는 구조(예: 현수형 3차원 나노와이어 어레이)를 사용할 수 있다.

구현에 따라, 상기 센서 칩(200)은, 진단 신호 검출의 기초 로직인 FET를 구성하기 위한 레퍼런스 전극을 부착할 수 있다.

구현에 따라, 상기 센서 칩(200)은, 진단 신호 검출의 기초 로직인 FET를 구성하기 위한 레퍼런스 전극을 감지 칩 나노와이어와 동 배열할 수 있다.

구현에 따라, 상기 센서 칩(200)은, 진단 신호 감도를 개선하기 위해 압타머가 부착된 나노와이어와 레퍼런스 나노와이어, 그리고 레퍼런스 전극을 동 배열하는 구조를 사용할 수 있다.

구현에 따라 상기 진단 카트리지는, 검사가 완료되어 회수되는 혈액을 저장하기 위한 저장고를 더 포함할 수 있다. 상기 저장고는 상기 센서 칩(200)에 구비하는 것이 바람직하다.

본 실시예의 진단 카트리지가 상기 저장고를 구비하면, 상기 진단 카트리지에서 정보를 독출하는 리더기에서 검사가 완료된 혈액을 폐기하는데 부담을 덜어줄 뿐만 아니라, 동일한 환자의 다른 검사에 저장고에 저장된 혈액을 이용토록 하는 이점이 있다.

또한, 분석하고자 하는 시료와 전처리 칩, 감지 칩, 회수 저장고 등의 펌프를 제외한 구성이 일회용 카트리지에 한정 구성되는 것은, 다른 분석을 하고자 할 때 이전 검사 조건에 영향을 거의 받지 않는다는 이점이 있다.

도 3c는 본 실시예에 따른 진단 카트리지의 외관을 도시한 것이다. 상기 진단 카트리지는 상기 전처리 유입로(121)로 유입되는 혈액을 접수하기 위한 혈액 투입구(111), 상기 센서 유출로의 말단으로서 외부 펌핑 수단(상기 리더기에 구비될 수 있음)으로 검사 완료된 혈액이 유출될 수 있는 제1 펌프 연결로(270), 및 상기 저장고와 연결된 혈액 접수 수단으로서, 상기 외부 펌핑 수단에서 유출되는 저장용 회수 혈액을 접수하는 제2 펌프 연결로(280)를 구비할 수 있다.

본 실시예의 진단 카트리지는 리더기와 연결된 상태에서 진단을 수행할 수 있다. 도 4a는 상기 진단 카드리지와 리더기(500)가 결합되기 전을 도시한 것이며, 도 4b는 상기 진단 카트리지가 리더기(500)에 결합된 것을 도시한 것이다.

상기 결합된 리더기와 진단 카트리지는 하나의 진단 기구를 이루는데, 이 경우, 상기 진단 기구는, 검사를 위한 혈액을 입력받아 초음파를 인가하여 상기 혈액을 성분 분리하여 유출하는 전처리 칩(101); 상기 전처리 칩에서 유출되는 성분 분리된 혈액에 함유되어 있는 타깃 분자의 검출에 따른 전기적 신호를 출력하는 센서 칩(200); 상기 검사를 위한 혈액이 상기 전처리 칩 및 센서 칩에 형성된 유로를 따라 흐르게 하는 펌핑 수단(pump); 및 상기 전처리 칩(101), 센서 칩(200) 및 펌핑 수단(pump)을 제어하여 혈액 검사를 수행한 결과를 출력하는 제어 수단을 포함할 수 있다.

상기 전처리 칩(101)의 전처리 유출로와 상기 센서 칩(200)의 센서 유입로는 서로 연결되어 있으며, 도 5a 및 5b의 "C" 영역으로 도시한 바와 같이, 단일 유로를 형성할 수 있다. 예컨대, 진단 카트리지를 구성하는 전처리 칩(101) 및 센서 칩(200)의 두 개의 유로의 길이를 맞추고, 유로 내 유체 압력을 균일하게 맞추기 위해 단일 구성으로 유로를 제작할 수 있다. 단일 구성 유로 제작을 위한 보다 구체적인 제조 방법의 하나로서, 여러 개의 작은 조각을 연결하는 것이 아니라 한 장의 웨이퍼에서 마스크를 사용하여 상기 두 개의 유로 조건을 맞추도록 구현할 수 있다.

상기와 같은 구성에서 검사용 혈액은, 상기 제1 펌프 연결로(270)에 연결된 펌프 수단(pump)의 흡입 압력에 의해, 상기 혈액 투입구(111)에 투입되어 상기 전처리 칩(101)을 경유한 후, 상기 전처리 유출로 - 센서 유입로(C)를 통해, 상기 센서 칩(200)으로 흐르고, 상기 제1 펌프 연결로(270)에서 상기 펌프 수단(pump)으로 흘러간 혈액은 다시 제2 펌프 연결로(280)를 통해 상기 저장고에 최종적으로 저장될 수 있다.

구현에 따라, 상기 저장고에 저장되는 혈액의 형태는 다양할 수 있다. 예컨대, 음향파를 이용한 진단키트 카트리지 내에서 혈액을 분리하고 분리되는 물질을 카트리지 내 저장고로 회수하거나, 또는, 음향파를 이용한 진단키트 카트리지 내에서 혈액을 분리하고 검사하고자 하는 물질을 다시 카트리지 내 저장고로 회수하거나, 또는, 분리된 혈액 성분들을 다시 합쳐서 상기 저장고로 회수할 수 있다.

도 6은 상술한 리더기의 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 7은 도 6의 리더기를 이용하여 혈액 검사를 수행하는 과정을 개시한 것이다.

상기 리더기(500)는 상기 혈액 검사 수행 결과 및 혈액 검사에 대한 안내를 시각적으로 표시하는 디스플레이(LCD)를 구비할 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 사상에 따른 진단 기구를 사용하여 혈액 셈플을 검사할 때, 진단 카트리지(진단 키트)의 리더기와의 결합 과정, 사전 클리닝 과정, waste(검사사 완료된 혈액 셈플) 제거 과정, 진단 카트리지의 제거 과정 등의 부수적 과정들이 수행됨을 알 수 있다.

상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

100, 101 : 전처리 칩
120 : 유입로
130 : 제1 초음파 진동자
140 : 제1 분기 노드
160 : 제2 초음파 진동자
170 : 제2 분기 노드
200 : 센서 칩
500 : 리더기

Claims

검사를 위한 혈액을 입력받아 초음파를 인가하여 상기 혈액을 성분 분리하여 유출하는 전처리 칩;
상기 전처리 칩에서 유출되는 성분 분리된 혈액에 함유되어 있는 타깃 분자의 검출에 따른 전기적 신호를 출력하는 센서 칩;
상기 검사를 위한 혈액이 상기 전처리 칩 및 센서 칩에 형성된 유로를 따라 흐르게 하는 펌핑 수단; 및
상기 전처리 칩, 센서 칩 및 펌핑 수단을 제어하여 혈액 검사를 수행한 결과를 출력하는 제어 수단을 포함하되,
상기 전처리 칩은, 기판과,
상기 기판 상부에 형성되며 검사를 위한 혈액이 유입되는 유입로와,
상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 초음파 진동자와,
상기 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 분기 노드와,
상기 분기된 혈액을 출력하는 유출로를 포함하며,
상기 센서 칩은, 상기 전처리 칩에서 혈액을 입력받는 센서 유입로와,
검사를 위해 흐르는 혈액과 접하는 전극과,
검사 항목에 대한 타깃 분자와 화학 결합될 수 있도록 상기 전극에 부착된 프로브 분자와,
상기 전극과 FET 기능을 형성하기 위한 레퍼런스 전극과,
검사를 완료한 혈액을 외부로 유출하는 센서 유출로를 포함하며,
상기 전처리 칩과 상기 센서 칩은, 단일 유로에 의해 서로 연결된 일체형 카트리지를 형성하고,
상기 펌핑 수단 및 상기 제어 수단은, 상기 혈액 검사 수행 결과 및 혈액 검사에 대한 안내를 시각적으로 표시하는 디스플레이와 함께, 상기 카트리지를 결합시킬 수 있는 리더기를 구성하는 것
을 특징으로 하는 진단 기구.
제 1 항에 있어서, 상기 초음파 진동자 및 상기 분기 노드는
분리하고자 하는 혈장의 정제 정도에 따라서 가감되는 진단 기구.
제 1 항에 있어서,
상기 기판 하부에 형성되며 상기 유입로를 지나는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제1 초음파 진동자;
상기 제1 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제1 분기 노드;
상기 제1 분기 노드에 의해 분기되어 흐르는 혈액에 초음파 진동을 부여하는 제2 초음파 진동자; 및
상기 제2 초음파 진동자에 의한 초음파 진동을 부여받은 혈액 흐름을 분기하기 위한 제2 분기 노드를 포함하는 진단 기구.
제 3 항에 있어서,
상기 기판은, 실리콘 기판이며,
상기 유입로와 상기 제1 분기 노드, 상기 제2 분기 노드는, 상기 기판과 상기 기판을 덮고 있는 유리판 사이에 형성된 홈의 형태를 가지는 진단 기구.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 초음파 진동자 또는 상기 제2 초음파 진동자는,
2MHz의 초음파 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 진단 기구.
제 3 항에 있어서,
상기 제1 초음파 진동자 또는 상기 제2 초음파 진동자는, 상기 기판 하면에 부착된 압전 소자를 포함하는 진단 기구.
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제 1 항에 있어서,
상기 전처리 칩은, 상기 유입로로 유입되는 혈액을 접수하기 위한 혈액 투입구를 더 포함하고,
상기 센서 칩은, 상기 펌핑 수단으로 검사 완료된 혈액이 유출될 수 있는 제1 펌프 연결로와, 상기 펌핑 수단에서 유출되는 회수 혈액을 접수하는 제2 펌프 연결로를 더 포함하는 진단 기구.
제 8 항에 있어서,
상기 센서 칩은, 상기 회수 혈액을 저장하기 위한 저장고를 더 포함하는 진단 기구.
제 1 항에 있어서,
상기 전처리 칩은, 2개 이상의 초음파 진동자 또는 2개 이상의 진동 노드를 구비하는 진단 기구.
제 1 항에 있어서,
상기 프로브 분자는 실리콘 나노와이어를 통해 상기 전극에 부착된 것을 특징으로 하는 진단 기구.
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