KR101563687B1 - 표적 분자 분리를 위한 미세유동 카트리지, 분리장치, 및 이를 이용한 표적 분자 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 미세유동 카트리지는, 표적 분자를 포함하는 표적 물질을 비자성 미세입자의 표면에 포집하는 포집부와, 미세입자로부터 표적 분자를 분리하는 분리부를 포함한다. 미세유동카트리지는, 회전구동수단에 의하여 회전되는 어댑터에 장착되어 원심력에 의하여 표적 분자가 포함된 유체와 상기 미세입자를 분리한다.

Description

표적 분자 분리를 위한 미세유동 카트리지, 분리장치, 및 이를 이용한 표적 분자 분리 방법{Microfluidic cartridge for target molecule purification, molecule purification apparatus using the same, and molecule purification purification method}
원심력을 이용하여 시료로부터 표적 분자를 분리하기 위한 미세유동 카트리지, 이를 채용한 분리장치, 및 분리방법이 개시된다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 세ㅐㅇ화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 특히, 하나의 칩 형태의 장치 내에서 화학, 생물학적 반응을 통하여 시료에 대한 분석을 수행하는 기술은 상당히 유망하다. 또한, 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다.
본 발명의 일 실시예는 미세입자를 이용하여 표적 물질을 포집하고, 표적물질을 포함하는 유체와 미세입자를 원심력을 이용하여 분리하는 미세유동 카트리지, 이를 채용한 표적 분자 분리장치, 및 표적 분자 분리방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 카트리지는, 표적 분자를 포함하는 표적 물질을 비자성 미세입자의 표면에 포집하는 포집부; 상기 미세입자로부터 상기 표적 분자를 분리하는 분리부;을 포함하며, 회전구동수단에 의하여 회전되는 어댑터에 장착되어 원심력에 의하여 표적 분자가 포함된 유체와 상기 미세입자를 분리한다.
일 실시예로서, 상기 표적 물질은, DNA, RNA, 단백질, 펩티드, 항체, 호르몬을 포함하는 표적 분자와, 박테리아세포, 바이러스 세포를 포함하는 표적 세포 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 포집부는, 상기 시료가 수용되며 그 출구에 제1열림밸브가 마련된 시료 챔버; 상기 시료 챔버와 연결되며, 그 출구에 상기 미세입자를 통과시키지 않는 필터가 마련된 포집 챔버; 상기 포집 챔버의 출구와 연결되며 그 입구에 제1닫힘 밸브가 마련된 웨이스트 챔버;를 포함할 수 있다. 포집부는, 세척액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되고, 그 출구에 제2열림밸브가 마련된 세척액 챔버;를 더 구비할 수 있다. 상기 포집부는, 상기 시료와 상기 세척액이 상기 포집 챔버로 유입되지 않도록 차단하기 위한 제2닫힘밸브;를 더 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 표적 물질은 표적 세포일 수 있다. 일 실시예로서, 상기 분리부는, 상기 표적 세포의 세포막을 파쇄하는 파쇄액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되는 출구에 제3열림 밸브가 마련된 파쇄액 챔버; 상기 포집 챔버와 연결된 입구에 제4열림밸브가 마련되며, 상기 포집 챔버로부터 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 표적 물질은 상기 표적 분자일 수 있다. 상기 분리부는, 상기 미세입자로부터 상기 표적 분자를 분리하는 용리액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되는 출구에 제3열림 밸브가 마련된 파쇄액 챔버; 상기 포집 챔버와 연결된 입구에 제3열림밸브가 마련되며, 상기 포집 챔버로부터 상기 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 카트리지는, 시료가 수용되는 시료챔버; 상기 세포 파쇄용액과 용리용액 중 어느 하나가 수용되는 파쇄액/용리액 챔버; 상기 시료 챔버 및 상기 파쇄액/용리액 챔버와 연결되며, 비자성 미세입자에 의한 표적 세포/표적 분자의 포집, 상기 포적 분자와 미세입자와의 분리 작용이 일어나는 포집 챔버; 상기 포집 챔버의 출구에 마련되어 상기 미세입자를 걸러내는 필터; 상기 포집 챔버의 출구와 연결되어 상기 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함하여, 회전구동수단에 의하여 회전되는 어댑터에 장착되어 원심력에 의하여 표적 분자가 포함된 유체와 상기 미세입자를 분리한다.
일 실시예로서, 상기 미세유동 카트리지는, 상기 포집 챔버로 공급되는 세척 액이 수용되는 세척액 챔버; 상기 포집 챔버의 출구와 연결되며 상기 포집 챔버로부터 배출되는 세척액이 배출되는 웨이스트 챔버; 상기 분리물 수용챔버의 입구에 마련되어 상기 세척액의 유입을 차단하는 열림밸브; 상기 웨이스트 챔버의 입구에 마련되어 상기 표적 분자가 포함된 유체의 유입을 차단하는 닫힘밸브;를 더 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 미세유동 카트리지는, 상기 시료와 상기 세척액이 상기 포집 챔버로 유입되지 않도록 차단하기 위한 제2닫힘밸브를 더 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 미세입자는 상기 시료와 혼합되어 상기 시료 챔버에 수용될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 미세유동 카트리지는, 그 표면에 상기 미세입자가 고정되며, 상기 포집 챔버에 장착되는 미세입자 칩;을 더 구비할 수 있다..
본 발명의 일 실시예에 따른 표적분자 분리장치는, 상술한 미세유동 카트리지; 상기 미세유동 카트리지가 장착되는 하나 이상의 장착부가 마련된 어댑터; 상기 어댑터를 회전시키는 회전구동부; 상기 미세유동 카트리지의 밸브에 전자기파를 조사하는 전자기파 발생기;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표적분자 분리방법은, 상술한 미세유동 카트리지의 시료 챔버, 세척액 챔버, 및 파쇄액 챔버에 표적 세포가 포함된 시료, 세척액, 및 파쇄액을 각각 주입하는 단계; 상기 미세유동 카트리지에 비자성 미세입자를 제공하는 단계; 상기 미세유동 카트리지를 어댑터에 장착하고, 상기 어댑터를 회전시키는 단계; 상기 미세입자의 표면에 상기 표적 세포를 포집하는 단계;
상기 세척액을 상기 포집 챔버로 공급하고, 필터를 이용하여 상기 미세입자는 상기 포집 챔버에 남기고 불순물을 웨이스트 챔버로 배출하는 단계; 상기 웨이스트 챔버를 폐쇄하고, 상기 포집 챔버로 상기 파쇄액을 공급하여 상기 미세입자에 의하여 포집된 표적 세포를 파쇄하는 단계; 분리물 수용챔버를 개방하고, 상기 필터를 이용하여 상기 미세입자는 상기 포집 챔버에 남기고 상기 표적 세포로부터 분리된 상기 표적 분자를 포함하는 유체를 분리물 수용챔버로 이동시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표적분자 분리방법은, 상술한 미세유동 카트리지의 시료 챔버, 세척액 챔버, 및 용리액 챔버에 표적 분자가 포함된 시료, 세척액, 및 용리액을 각각 주입하는 단계; 상기 미세유동 카트리지에 비자성 미세입자를 제공하는 단계; 상기 미세유동 카트리지를 어댑터에 장착하고, 상기 어댑터를 회전시키는 단계; 상기 미세입자의 표면에 상기 표적 분자를 포집하는 단계; 상기 세척액을 상기 포집 챔버로 공급하고, 필터를 이용하여 상기 미세입자는 상기 포집 챔버에 남기고 불순물을 웨이스트 챔버로 배출하는 단계; 상기 웨이스트 챔버를 폐쇄하고, 상기 포집 챔버로 상기 용리액을 공급하여 상기 표적 분자를 상기 미세입자로부터 분리하는 단계; 분리물 수용챔버를 개방하고, 상기 필터를 이용하여 상기 미세입자는 상기 포집 챔버에 남기고 상기 표적 분자가 포함된 유체를 분리물 수용챔버로 이동시키는 단계;를 포함한다.
일 실시예로서, 상기 미세입자를 제공하는 단계는, 상기 시료와 상기 미세입자를 혼합하여 상기 시료 챔버에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 미세입자를 제공하는 단계는, 상기 미세입자가 고정된 미세입자 칩을 상기 포집 챔버에 장착하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 세척액 챔버 및 상기 시료 챔버와 상기 포집 챔버와의 연결을 차단하는 단계를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 원심력을 이용하여 표적 물질을 포집한 미세입자를 패킹하고, 미세입자와 표적 물질을 포함하는 유체와 분리할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동 카트리지의 일 실시예를 보이는 평면도이다. 미세유동 카트리지(100)는 다수의 챔버와 이들을 연결하는 다수의 채널, 그리고 다수의 채널을 통한 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함한다. 이러한 구조물들은, 미세유동 카트리지(100)를 형성하는 두 개의 판 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 두 개의 판은 투명한 재료로 만들어질 수 있다.
미세유동 카트리지(100)의 미세유동 구조물들은, 예를 들면, 생물학적 시료로부터 표적 분자를 포함하는 표적 물질을 미세입자의 표면에 포집(capture)하는 포집부와, 미세입자로부터 표적 분자를 분리하는 분리부로 기능적으로 구분될 수 있다.
생물학적 시료는 미생물을 포함하는 세포 현탁액, 인간의 혈액, 뇨(urine) 또는 타액일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 표적 분자는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 핵산, 단백질, 펩티드, 항체 또는 호르몬일 수 있다. 핵산은 DNA 또는 RNA일 수 있다.
도 1을 보면, 포집부는 시료 챔버(10), 포집 챔버(40), 웨이스트 챔버(60)를 포함할 수 있다. 시료 챔버(10)에는 유체 시료가 수용된다. 시료 챔버(10)는 채널(121)에 의하여 포집 챔버(40)와 연결된다. 웨이스트 쳄버(60)는 채널(122)에 의하여 포집 챔버(40)와 연결된다. 시료 챔버(10)의 출구에는 제1열림밸브(101)가 마련될 수 있다. 여기서 열림밸브(opening valve)라 함은 유체의 흐름을 차단하는 소위 폐쇄된 밸브(normally closed valve)로서, 외부의 에너지에 의하여 개방될 수 있는 밸브를 의미한다. 포집 챔버(40)의 출구에는 필터(50)가 마련된다. 필터(50)는 후술하는 미세입자는 차단하고, 유체만을 통과시키는 것으로서, 예를 들면 유리솜(glass wool)일 수 있다. 웨이스트 챔버(60)의 입구에는 제1닫힘밸브(111)가 마련될 수 있다. 여기서 닫힘밸브(closing valve)라 함은 유체의 흐름을 허용하는 소위 열린 밸브(normally open valve)로서, 외부의 에너지에 의하여 닫힐 수 있는 밸브를 의미한다.
포집부는 세척액이 수용되는 세척액 챔버(20)를 더 구비할 수 있다. 세척액 챔버(20)는 채널(102)에 의하여 채널(121)과 연결됨으로써 포집 챔버(40)와 연결된다. 세척액 챔버(20)의 출구에는 제2열림밸브(102)가 마련될 수 있다.
시료 챔버(10)와 세척액 챔버(20)에는 각각 시료와 세척액을 주입하기 위한 주입구(11)(21)가 마련될 수 있다.
미세입자는 표적 물질로서 표적 세포를 포집할 수 있다. 이 경우에는 시료로서 표적 세포가 포함된 용액(세포 현탁액, 혈액, 뇨 등)이 사용되며, 표적 세포로부터 표적 분자를 추출하기 위하여 표적 세포의 세포막을 파쇄하여야 한다. 이를 위하여 분리부는 세포막을 파쇄하기 위한 파쇄액(lysis solution)이 수용된 파쇄액 챔버(30)를 구비할 수 있다.
미세입자는 표적 물질로서 표적 분자를 포집할 수 있다. 이 경우에는 시료로서 표적 분자를 포함하는 유체가 사용되며, 파쇄가 필요치 않은 대신에 미세입자로부터 표적 분자를 분리하기 위한 용리액(elution solution)이 필요하다. 이를 위하여 분리부는 용리액이 수용된 용리액 챔버(35)를 구비할 수 있다.
이하에서, 동일한 챔버를, 파쇄액 챔버로 사용되는 경우에는 참조부호 30으로, 용리액 챔버로 사용되는 경우에는 참조부호 35로 표시한다. 파쇄액/용리액 챔버(30)(35)는 채널(124) 및 채널(121)을 통하여 포집 챔버(40)와 연결된다. 파쇄액/용리액 챔버(30)(35)의 출구에는 제3열림밸브(103)가 마련될 수 있다. 파쇄액/용리액 챔버(30)(35)에는 파쇄액/용리액을 주입하기 위한 주입구(31)가 마련될 수 있다.
분리부는 포집 챔버(40)로부터 표적 분자를 포함하는 유체가 유입되는 분리물 수용챔버(70)를 더 구비할 수 있다. 분리물 수용챔버(70)는 채널(125)에 의하여 포집 챔버(40)와 연결된다. 분리물 수용챔버(70)의 입구에는 제4열림밸브(104)가 마련될 수 있다.
참조부호 80은 파쇄액/용리액이 포집 챔버(40)에 충분히 공급될 수 있도록 소정 압력 이상의 압력에서 열리는 패시브 밸브이다.
미세입자로는 실리키 입자, 또는 무기성 산화물이 채용될 수 있다. 무기성 산화물은 예를 들면 글래스 입자, 알루미나, 지르코니아, 티타니아 등이 있다. 본 실시예의 미세유동 카트리지(100)에서는 실리카 입자를 이용하여 표적 물질을 포집한다. 미세입자는 원심력에 의하여 포집 챔버(40) 내에 패킹(packing)된다. 또, 시료챔버(10), 세척액 챔버(20), 및 패쇄액/용리액 챔버(30)(35)는 포집 챔버(40)를 중심으로 하여 웨이스트 챔버(60) 및 분리물 수용챔버(70)의 반대쪽에 위치될 수 있다. 이에 의하여 유체는 원심력에 의하여 시료챔버(10), 세척액 챔버(20), 및 패쇄액/용리액 챔버(30)(35)로부터 포집 챔버(40)를 거쳐 웨이스트 챔버(60) 및 분리물 수용챔버(70)로 이동될 수 있다.
미세입자는 혈액(혈장, 혈청), 타액, 소변 등의 생체 시료로부터 표적 물질을 포집할 수 있도록, 표적 물질과의 특이적 결합이 가능한 표면을 갖는다. 예를 들면, 미세입자의 표면은 환경, 예를 들면 산도(pH)에 따라 그 전하의 극성이 변하는 표면(CRS: charge-reversible surface)일 수 있다.
CRS를 갖는 미세입자는 양이온성 이온화 그룹(예를 들면 아민 계열)과 음이온성 이온화 그룹(예를 들면 카르복시 계열)을 동시에 가지고 있는 물질을 미세입자의 표면에 코팅함으로써 제조될 수 있다. CRS는 예를 들면 pH 5 이하에서는 양전하를 띠고 그 이상에서는 음전하를 띨 수 있다. CRS를 갖는 미세입자는 예를 들면 다음의 공정에 의하여 제조될 수 있다.
1) 실리카 입자를 100 mM의 아미노프로필트리에톡시실 란(aminopropyltriethoxysilane)에서 1시간 동안 침지한 다음 에탄올(ethanol)로 세척한다.
2) 다음으로, 실리카 입자를 N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 중의 200 mM(반복단위 기준)의 폴리(에틸렌-알트-말레산 무수물)(poly(ethylene-alt-maleic anhydride), 분자량 100,000 내지 500,000)에 1시간 동안 침지한 후, NMP와 에탄올로 세척한다.
3) 다음으로, 실리카 입자를 1-(3-아미노프로피이미다졸(3-amonopropyimidazole)/H2O, 400 mM : 600 mM)에 1시간 동안 침지한 후 에탄올로 세척한다.
또, 미세입자의 표면에는 환경, 예를 들면 산도(pH)에 따라 전기적 양성(electropositive)을 갖는 물질 또는 소수성을 갖는 물질이 코팅될 수 있다.
전기적 양성을 갖는 물질로서는 예를 들면, 아미노프로필트리에톡시실란(aminopropyltriethoxysilane), 폴리에틸렌이미트리에톡시실란(polyethyleneiminetriethoxysilane) 등의 아미로실란(aminosulane)계열의 물질이 있다.
소수성을 갖는 물질로서는 예를 들면, 옥타데실디메일(3-트리메톡시시릴프로필)암모늄(OTC: octadecyldimethyl(3-trimethoxysilylpropyl)ammonium), 트리데카플루오로테트라하이드로옥틸트리메톡시실란(DPS:tridecafluorotetrahydrooctyltrimethoxysilane ) 등이 있다.
미세입자는 시료와 함께 시료 챔버(10)에 주입될 수 있다. 또, 미세입자는 도 2에 도시된 바와 같이 칩(90)의 표면에 고정될 수 있다. 칩(90)은 포집 챔버(40)에 결합될 수 있다. 참조부호 91은 유체의 누출을 방지하기 위한 씰링부재이다.
도 3a와 도 3b는 도 1의 실시예에 채용된 제1 내지 제4열림밸브(101)(102)(103)(104)의 일 예를 보이는 단면도이다. 본 실시예의 미세유동 카트리지(100)는 외부로부터 동력 또는 에너지를 받아 능동적으로 작동하는 열림밸브가 채용될 수도 있다. 열림밸브는 전자기파 에너지를 흡수하기 전에는 도 3a에 도시된 바와 같이, 유체가 흐를 수 없도록 채널(C)을 폐쇄하고 있는, 소위 폐쇄된 밸브(normally closed valve)이다.
열림 밸브는 상온에서 고체 상태인 밸브 물질(V1)을 포함할 수 있다. 밸브물질(V)은 용융된 상태로 주입구(A)를 통하여 영역(B)에 주입되어 고화됨으로써 도 3a에 도시된 바와 같이 채널(C)을 차단한다. 밸브물질(V1)은 고온에서 용융되어 채널(C) 내의 공간으로 이동하며, 도 3b에 도시된 바와 같이 채널(C)을 개방한 채로 다시 응고된다.
외부에서 조사되는 에너지는 예를 들면 전자기파일 수 있으며, 에너지원은 레이저 빔을 조사하는 레이저 광원이거나, 가시광선 또는 적외선을 조사하는 발광소자(light emitting diode) 또는 제논램프(Xenon)일 수 있다. 특히 레이저 광원인 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 외부에너지원은 밸브 물질(V1)에 포함된 발열 입자가 흡수할 수 있는 전자기파의 파장에 따라 선택될 수 있다.
밸브물질(V1)로서는 COC(cyclic olefin copolymer), PMMA(polymethylmethacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), POM(polyoxymethylene), PFA(perfluoralkoxy), PVC(polyvinylchloride), PP(polypropylene), PET(polyethylene terephthalate), PEEK(polyetheretherketone), PA(polyamide), PSU(polysulfone), 및 PVDF(polyvinylidene fluoride) 등의 열 가소성 수지가 채용될 수 있다.
또, 밸브물질(V1)로서, 상온에서 고체 상태인 상전이 물질이 채용될 수 있다. 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 왁스는 가열되면 용융하여 액체 상태로 변하며, 부피 팽창한다. 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다. 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다.
밸브 물질(V1)에는 전자기파 에너지를 흡수하여 발열하는 다수의 미세 발열입자가 분산될 수 있다. 미세 발열입자는 대략 0.1 mm 깊이와 1 mm 폭을 갖는 미세한 채널(314)을 자유롭게 통과할 수 있게 1 nm 내지 100 ㎛ 의 직경을 갖는다. 미세 발열입자는 예컨대 레이저광 등에 의하여 전자기파 에너지가 공급되면 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 미세 발열입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수 성(疏水性) 표면 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 미세 발열입자는 Fe로 이루어진 코어와, Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)을 구비한 분자구조를 가질 수 있다. 미세 발열입자들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 보관될 수 있다. 소수성 표면구조를 갖는 미세 발열입자가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성일 수 있다. 용융된 상전이 물질에 미세 발열입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합하고, 이 혼합물질을 채널(C)에 주입하고 응고시킴으로써 채널(C)을 막을 수 있다.
미세 발열입자는 위에서 예로 든 중합체(polymer) 입자에 한정되는 것은 아니며, 퀀텀 도트(quantum dot) 또는 자성비드(magnetic bead)의 형태도 가능하다. 또한, 미세 발열입자는 예컨대, Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 또는, HfO2 와 같은 미세 금속 산화물일 수 있다. 한편, 열림밸브는 미세 발열입자를 반드시 포함하여야 하는 것은 아니며, 미세 발열입자 없이 상전이 물질만으로 이루어질 수도 있다.
도 4a와 4b는 도 1에 도시된 제1, 제2닫힘밸브(111)(112)의 일 예를 보이는 단면도이다. 본 실시예의 미세유동 카트리지(100)는 외부로부터 동력 또는 에너지를 받아 능동적으로 닫히는 닫힘밸브가 채용될 수도 있다. 닫힘밸브는 전자기파 에너지를 흡수하기 전에는 유체가 흐를 수 있도록 채널(C)을 개방하고 있는, 소위 열린 밸브(normally open valve)이다.
닫힘밸브는 채널(C)과, 채널(C)의 일 부분에 연결된 밸브챔버(VC), 및 주입구(A)를 통하여 밸브챔버(VC) 내에 충전되는 밸브물질(V2)을 포함한다. 밸브물 질(V2)은 열림밸브의 밸브물질(V1)과 동일한 물질일 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이 외부 에너지가 공급되기 전에는 밸브물질(V2)이 밸브챔버(VC) 내에 존재하기 때문에 채널(C)은 개방된 상태로 유지된다. 그러다가. 밸브물질(V2)에 외부에너지가 공급되면, 밸브물질(V2)이 용융, 팽창하면서 채널(C)로 유입되고 다시 응고되면서 채널(C)을 통한 유체의 흐름을 차단한다.
도 5는 도 1에 도시된 미세유동 카트리지(100)를 이용하여 표적 분자를 분리하기 위한 분리장치의 일 예이다. 분리장치는 어댑터(500)와 회전구동부(510)를 구비한다. 어댑터(500)는 미세유동 카트리지(100)가 장착될 수 있는 하나 이상의 장착부(501)를 구비한다. 회전구동부(510)는 유체를 미세유동 카트리지(100) 내의 소정의 위치로 이동시키기 위하여 어댑터(500)를 회전시킨다. 전자기파 발생기(520)는 예를 들면, 레이저 광을 조사한다. 전자기파 발생기(520)는 미세유동 카트리지(100)의 반경방향으로 이동될 수 있다. 회전구동부(510)는 복수의 밸브들을 전자기파 발생기(520)와 대면시키기 위하여 미세유동 카트리지(100)를 소정 위치에 정지시킨다. 회전 구동부(510)는 도면에 전부가 도시되지는 않았으나, 미세유동 카트리지(100)의 각위치(angular position)를 제어할 수 있는 모터 드라이브(motor drive) 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 모터 드라이브 장치는 스텝 모터를 이용한 것일 수도 있고, 직류 모터를 이용한 것일 수도 있다. 한편, 분석장치는 분리된 핵산을 검출하기 광학적으로 검출하기 위한 광 검출부(미도시)를 더 구비할 수도 있다. 전자기파 발생기(520)는 표적 세포의 세포막을 파괴 작업을 돕기 위하여 포집 챔버(40)에 에너지를 공급할 수도 있다.
본 발명에 따른 표적 분자 분리방법의 일 실시예로서, 미세입자를 이용하여 표적 세포를 포집하고, 표적 세포(예를 들면 박테리아 세포)를 파쇄한 후에 표적 분자(예를 들면, 핵산)를 분리하는 방법을 설명한다.
시료 챔버(10)에 미세입자와 박테리아 세포가 포함된 세포 현탁액을 주입한다. 예를 들어, 세포 현탁액으로서 박테리아 세포가 포함된 인간의 뇨(urine)와 pH3, 100 mM의 소듐 아세테이트(sodium acetate) 혼합액을 시료 챔버(10)에 주입한다. 세척액 챔버(20)에는 세척액을 주입한다. 세척액으로서, 예를 들면, pH9, 10 mM의 Tris - HCL 을 세척액 챔버(20)에 주입한다. 파쇄액 챔버(30)에는 파쇄액을 주입한다. 파쇄액으로서, 예를 들면, 0.01N의 NaOH을 파쇄액 챔버(30)에 주입한다. 미세입자의 표면은 예를 들면 상술한 극성전환이 가능한 표면(CRS) 또는 전기적 양성 또는 소수성의 표면이다.
그런 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 미세유동 카트리지(100)를 어댑터(500)에 장착시킨다. 회전구동부(510)는 어댑터(100)를 시계방향/반시계방향으로의 반복적으로 회전시켜 미세입자와 세포 현탁액을 혼합할 수 있다. 이에 의하여 시료 챔버(10) 내에서 미세입자의 표면에는 표적 세포가 포집된다.
전자기파 발생기(520)에 의하여 제1열림밸브(101)에 전자기파가 조사되면, 제1열림밸브(101)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(121)이 개방된다. 어댑터(500)를 예를 들면 4500 rpm에서 3분 동안 회전시킨다. 원심력에 의하여 미세입자가 분산된 세포 현탁액은 도 6의 화살표시(201)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 이때, 미세입자의 표면에는 박테리아 세포가 포집된 상태이다. 미세입자는 필 터(50)를 통과하지 못하므로, 박테리아 세포가 포집된 미세입자는 포집 챔버(40) 내에 패킹(packing)되고 유체만이 필터(50)를 통과한다. 채널(122)은 개방된 상태이다. 또, 채널(125)은 제4열림밸브(104)에 의하여 폐쇄된 상태이다. 따라서, 필터(50)를 통과한 유체는 도 6의 화살표시(202)와 같이 웨이스트 챔버(60)로 이동된다.
다음으로, 포집 챔버(40) 내에서 미세입자에 묻은 불순물을 제거하기 위한 과정이 수행될 수 있다. 전자기파 발생기(520)에 의하여 제2열림밸브(102)에 전자기파가 조사되면, 제2열림밸브(102)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(123)이 개방된다. 어댑터(500)를 예를 들면 3500 rpm에서 1분간 회전시킨다. 세척액 챔버(20)에 수용된 세척액은 원심력에 의하여 도 6의 화살표시(203)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 세척액에 의하여 포집 챔버(40) 내의 미세입자가 세척된다. 필터(50)를 통과한 세척액은 웨이스트 챔버(60)로 이동된다.
다음으로, 미세입자의 표면에 포집된 박테리아 세포의 세포막을 파괴하는 과정이 수행될 수 있다. 이를 위하여, 제1닫힘벨브(111)에 전자기파가 조사된다. 그러면, 제1닫힘밸브(111)의 밸브물질(V2)이 용융되어 채널(122)로 유입된다. 채널(122) 내에서 밸브물질(V2)이 고화되면, 채널(122)이 폐쇄된다. 또한, 세척액 챔버(20) 및 시료 챔버(10)로부터 불순물이 포집 챔버(40)로 유입되지 않도록 하기 위하여, 제2닫힘밸브(112)에 전자기파를 조사하여 채널(121)을 폐쇄할 수도 있다. 전자기파 발생기(520)에 의하여 제3열림밸브(103)에 전자기파가 조사되면, 제3열림밸브(103)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(124)이 개방된다. 어댑터(500)가 예 를 들면 2500 rpm에서 30초, 3500 rpm에서 30초간 회전되면, 파쇄액 챔버(30)에 수용된 파쇄액은 원심력에 의하여 도 6의 화살표시(204)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 패시브 밸브(80)는 파쇄액이 충분히 미세입자를 적실 수 있도록 돕는다. 파쇄액에 의하여 미세입자의 표면에 포집된 받ㄱ테리아 세포의 세포막이 파괴되고, 세포 내의 핵산이 노출된다.
세포 파괴를 돕기 위하여, 예를 들면, 포집 챔버(40)에 열에너지를 전달하기 위하여 전자기파를 조사하거나, 어댑터(500)를 통하여 저항가열을 수행할 수 있다. 열에너지를 전달함으로써 세포막 파쇄 효율을 증가시킬 수 있다.
다음으로, 전자기파 발생기(520)에 의하여 제4열림밸브(104)에 전자기파가 조사되면, 제4열림밸브(104)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(125)이 개방된다. 어댑터(500)가 회전되면, 포집 챔버(40)에 수용된 핵산을 포함하는 유체는 원심력에 의하여 도 6의 화살표시(205)와 같이 분리물 수용챔버(70)로 이동된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 핵산분리방법에 따르면, 비자성의 미세입자를 원심력을 이용하여 포집 챔버(40) 내에 패킹하고, 핵산을 포함하는 유체만을 분리할 수 있다.
상술한 표적 분자 분리방법에서는 미세입자를 세포현탁액과 함께 시료 챔버(10)에 주입하여 표적 분자를 분리하는 방법을 설명하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 미세입자가 고정된 칩(90)이 포집 챔버(40)에 결합된 경우에는 세포현탁액만을 시료 챔버(10)에 주입할 수 있다. 세포 현탁액이 포집 챔버(40)로 이동된 후, 표적 세포의 포집이 포집 챔버(40) 내에서 일어난다는 점을 제외하고는 상술한 표적 분자 분리방법과 동일하다.
본 발명에 따른 표적 분자 분리방법의 일 실시예로서, 미세입자를 이용하여 표적 분자(예를 들면 핵산)을 포집하고, 핵산을 미세입자로부터 분리하는 방법을 설명한다.
시료 챔버(10)에 미세입자와 핵산이 포함된 시료를 주입한다. 시료는 미세입자의 표면이 핵산을 포집할 수 있는 환경, 예를 들면 pH 5 이하의 환경을 만들어 줄 수 있는 생화학적 버퍼 용액을 포함할 수 있다. 시료로서, 예를 들면 박테리아 세포 파쇄액을 100 mM-pH 3-소디움아세테이트 용액과 혼합하여 pH 5 이하로 만든 용액을 주입한다. 세척액 챔버(20)에는 세척액, 예를 들면 pH9, 10 mM의 Tris-HCl을 주입한다. 용리액 챔버(35)에는 용리액, 예를 들면, pH9, 10 mM의 Tris-HCl-EDTA 버퍼를 주입한다. 미세입자의 표면은 예를 들면 상술한 극성전환이 가능한 표면(CRS)이다.
그런 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 미세유동 카트리지(100)를 어댑터(500)에 장착시킨다. 어댑터(500)를 시계방향/반시계방향으로 반복적으로 회전시켜 시표 챔버(10) 내에서 시료와 미세입자를 혼합시킨다. 이에 의하여, 미세입자는 시료 챔버(10) 내에서 그 표면에 핵산을 포집하게 된다.
전자기파 발생기(520)에 의하여 제1열림밸브(101)에 전자기파가 조사되면, 제1열림밸브(101)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(121)이 개방된다. 어댑터(500)가 회전되면, 원심력에 의하여 시료는 도 7의 화살표시(301)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 미세입자는 필터(50)를 통과하지 못하므로, 그 표면에 핵산이 포집된 미세입자는 포집 챔버(40) 내에 패킹(packing)되고 유체만이 필터(50)를 통과한다. 채널(122)은 개방된 상태이다. 또, 채널(125)은 제4열림밸브(104)에 의하여 폐쇄된 상태이다. 따라서, 필터(50)를 통과한 용액은 도 7의 화살표시(302)와 같이 웨이스트 챔버(60)로 이동된다.
다음으로, 포집 챔버(40) 내의 불순물을 제거하기 위한 과정이 수행될 수 있다. 전자기파 발생기(520)에 의하여 제2열림밸브(102)에 전자기파가 조사되면, 제2열림밸브(102)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(123)이 개방된다. 어댑터(500)가 회전되면, 세척액 챔버(20)에 수용된 세척액은 원심력에 의하여 도 7의 화살표시(303)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 세척액에 의하여 포집 챔버(40) 내의 미세입자가 세척된다. 필터(50)를 통과한 세척액은 웨이스트 챔버(60)로 이동된다.
다음으로, 미세입자의 표면에 포집된 핵산을 미세입자로부터 분리하는 과정이 수행될 수 있다. 이를 위하여, 제1닫힘벨브(111)에 전자기파가 조사된다. 그러면, 제1닫힘밸브(111)의 밸브물질(V2)이 용융되어 채널(122)로 유입된다. 채널(122) 내에서 밸브물질(V2)이 고화되면, 채널(122)이 폐쇄된다. 또한, 세척액 챔버(20) 및 시료 챔버(10)로부터 불순물이 포집 챔버(40)로 유입되지 않도록 하기 위하여, 제2닫힘밸브(112)에 전자기파를 조사하여 채널(121)을 폐쇄할 수도 있다. 전자기파 발생기(520)에 의하여 제3열림밸브(103)에 전자기파가 조사되면, 제3열림밸브(103)의 밸브물질(V1)이 용융되면서 채널(124)이 개방된다. 어댑터(500)가 회전되면, 용리액 챔버(35)에 수용된 용리액이 원심력에 의하여 도 7의 화살표 시(304)와 같이 포집 챔버(40)로 이동된다. 패시브 밸브(80)는 용리액이 충분히 미세입자를 적실 수 있도록 돕는다. 용리액에 의하여 미세입자의 표면의 전하의 극성이 변하고, 핵산은 미세입자로부터 분리된다.
다음으로, 전자기파 발생기(520)에 의하여 제4열림밸브(104)에 전자기파가 조사되면, 제4열림밸브(104)의 밸브물질()이 용융되면서 채널(125)이 개방된다. 어댑터(500)가 회전되면, 포집 챔버(40)에 수용된 핵산을 포함하는 유체는 원심력에 의하여 도 7의 화살표시(305)와 같이 분리물 수용챔버(70)로 이동된다. 미세입자는 필터(50)에 막혀서 포집 챔버(40) 내에 패킹된 상태로 유지된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예의 핵산분리방법에 따르면, 비자성의 미세입자를 원심력을 이용하여 포집 챔버(40) 내에 패킹하고, 핵산을 포함하는 유체만을 분리할 수 있다.
상술한 핵산분리방법에서는 미세입자를 핵산이 포함된 시료와 함께 시료 챔버(10)에 주입하여 핵산을 분리하는 방법을 설명하였으나, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 도 2에 도시된 바와 같이, 미세입자가 고정된 칩(90)이 포집 챔버(40)에 결합된 경우에는 핵산이 포함된 시료만을 시료 챔버(10)에 주입할 수 있다. 시료가 포집 챔버(40)로 이동된 후, 미세입자에 의한 핵산의 포집이 포집 챔버(40) 내에서 일어난다는 점을 제외하고는 상술한 핵산분리방법과 동일하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시 가능한 구성의 예시로서 해석되어야 한다. 따 라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니라 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동 카트리지의 일 실시예의 개략적 평면도.
도 2는 미세입자가 고정된 칩이 포집 챔버에 결합되는 상태를 도시한 개략적 단면도.
도 3a는 열림밸브의 일 예를 도시한 단면도.
도 3b는 도 3a에 도시된 열림밸브의 일 예의 개방된 상태를 도시한 단면도.
도 4a는 닫힘밸브의 일 예를 도시한 단면도.
도 4b는 도 4a에 도시된 닫힘밸브의 일 예의 폐쇄된 상태를 도시한 단면도.
도 5는 분리장치의 일 예를 도시한 개략적 사시도.
도 6은 미세입자를 이용하여 표적 세포를 포집하는 방식의 표적 분자 분리방법을 설명하는 도면.
도 7은 미세입자를 이용하여 표적 분자를 직접 포집하는 방식의 표적 분자 분리방법을 설명하는 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10......시료 챔버 20.....세척액 챔버
30......파쇄액 챔버 35......용리액 챔버
11, 21, 31......주입구 40......포집 챔버
50......필터 60......웨이스트 챔버
70......분리물 수용챔버 80......패시브 밸브
90......칩 91......씰링부재

Claims (27)

  1. 표적 물질을 비자성 미세입자의 표면에 포집하는 포집부와, 상기 미세입자로부터 상기 표적 물질을 분리하는 분리부를 포함하는 미세유동 카트리지;
    상기 미세유동 카트리지가 장착되는 하나 이상의 장착부가 마련된 어댑터;
    상기 어댑터를 회전시키는 회전구동부;를 포함하는 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표적 물질은, DNA, RNA, 단백질, 펩티드, 항체, 호르몬을 포함하는 표적 분자와, 박테리아세포, 바이러스 세포를 포함하는 표적 세포 중 어느 하나인 분리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 포집부는,
    상기 표적 물질을 포함하는 시료가 수용되며 그 출구에 제1열림밸브가 마련된 시료 챔버;
    상기 시료 챔버와 연결되며, 그 출구에 상기 미세입자를 통과시키지 않는 필터가 마련된 포집 챔버;
    상기 포집 챔버의 출구와 연결되며 그 입구에 제1닫힘 밸브가 마련된 웨이스트 챔버;를 포함하는 분리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 포집부는,
    세척액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되고, 그 출구에 제2열림밸브가 마련된 세척액 챔버;를 더 구비하는 분리 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 포집부는,
    상기 시료와 상기 세척액이 상기 포집 챔버로 유입되지 않도록 차단하기 위한 제2닫힘밸브;를 더 구비하는 분리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 표적 물질은 표적 세포인 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 분리부는,
    상기 표적 세포를 파쇄하는 파쇄액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되는 출구에 제3열림 밸브가 마련된 파쇄액 챔버;
    상기 포집 챔버와 연결된 입구에 제4열림밸브가 마련되며, 상기 포집 챔버로부터 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함하는 분리 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제5항에 있어서,
    상기 표적 물질은 상기 표적 분자인 분리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 분리부는,
    상기 미세입자로부터 상기 표적 분자를 분리하는 용리액이 수용되며, 상기 포집 챔버와 연결되는 출구에 제3열림 밸브가 마련된 용리액 챔버;
    상기 포집 챔버와 연결된 입구에 제3열림밸브가 마련되며, 상기 포집 챔버로부터 상기 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함하는 분리 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 하나 이상의 장착부를 구비하는 어댑터;
    상기 어댑터를 회전시키는 회전 구동부;
    상기 장착부에 장착되는 미세유동 카트리지;를 포함하며,
    상기 미세유동 카트리지는,
    시료가 수용되는 시료챔버;
    세포 파쇄용액과 용리용액 중 어느 하나가 수용되는 파쇄액/용리액 챔버;
    상기 시료 챔버 및 상기 파쇄액/용리액 챔버와 연결되며, 비자성 미세입자에 의한 표적 세포/표적 분자의 포집, 상기 표적 분자와 미세입자와의 분리 작용이 일어나는 포집 챔버;
    상기 미세입자가 고정되며, 상기 포집 챔버에 장착되는 미세입자 칩;
    상기 포집 챔버의 출구와 연결되어 상기 표적 분자가 포함된 유체가 유입되는 분리물 수용챔버;를 포함하는 분리 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 미세유동 카트리지는,
    상기 포집 챔버로 공급되는 세척액이 수용되는 세척액 챔버;
    상기 포집 챔버의 출구와 연결되며 상기 포집 챔버로부터 배출되는 세척액이 배출되는 웨이스트 챔버;
    상기 분리물 수용챔버의 입구에 마련되어 상기 세척액의 유입을 차단하는 열림밸브;
    상기 웨이스트 챔버의 입구에 마련되어 상기 표적 분자가 포함된 유체의 유입을 차단하는 제1닫힘밸브;를 더 구비하는 분리 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 미세유동 카트리지는,
    상기 시료와 상기 세척액이 상기 포집 챔버로 유입되지 않도록 차단하기 위한 제2닫힘밸브;를 더 구비하는 분리 장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항 내지 제7항 또는 10항 내지 제11항 또는 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세유동 카트리지의 밸브에 전자기파를 조사하는 전자기파 발생기;를 포함하는 표적 분자 분리장치.
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