KR101698508B1 - 세포 감별 계수기 및 세포 감별 계수 방법 - Google Patents

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Abstract

특정 세포를 감별하고 그 개체수를 세는 센서 기술에 관한 것으로서, 세포 감별 계수기는 센서 몸체와 센서부를 포함한다. 센서 몸체는 미세 유체 채널을 가지며, 센서부는 센서 몸체에서 미세 유체 채널과 교차하도록 형성된 금속선과, 금속선을 덮는 절연막과, 금속선에 교류 전류를 인가하는 교류 전원과, 금속선에 연결된 교류 전압 측정기를 포함한다. 미세 유체 채널에 금속 나노입자들이 부착된 감지 대상 세포를 포함하는 액체 시료가 흐를 때, 센서부는 액체 시료의 열적 특성 변화를 감지하여 감지 대상 세포를 감별 및 계수한다.

Description

세포 감별 계수기 및 세포 감별 계수 방법 {SELECTIVE CELL COUNTER AND METHOD FOR SELECTIVE CELL COUNTING}
본 발명은 세포 감별 계수기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특정 세포를 감별하고 그 개체수를 세는 센서 기술에 관한 것이다.
단일 세포 분석 기술은 개체군에서 관찰이 불가능한 세포의 활동이나 형태 및 특성 감별을 위한 핵심 기술로서, 생물학 분야에서 세포 반응 및 조작을 위한 기반 기술로서 수요가 높을 뿐 아니라 의학적인 측면에서 암 세포와 정상 세포의 감별을 통한 암 진단 기술 등으로도 활용이 가능하다. 또한, 식품공학적으로 대장균의 감별을 통한 식품 안전성 분석에도 활용 가능할 것으로 기대된다.
형광이용 세포분류기(fluorescence-activated cell sorter, FACS)는 현재 보편적으로 사용되는 세포의 크기 분류(cell sizing), 계수(cell counting), 감별(recognition) 기법이나, 시스템 구성이 복잡하고 유지 관리가 어려우며, 분석을 위한 여러 단계의 전처리 과정이 요구되고, 비용이 고가인 단점이 있다.
전술한 단점을 극복하기 위해 근래 들어 멤스(MEMS, micro electro-mechanical system)/넴스(NEMS, nano electro-mechanical system) 기술을 기반으로 하는 미세 유체칩에서 세포를 분석하기 위한 연구가 시도되고 학계에 발표되었으나, 실용화 가능한 수준의 단일 세포 감별 기술은 보고된 바 없다.
본 발명은 MEMS/NEMS 기술을 기반으로 하는 미세 유체칩 센서에 있어서, 높은 선택성으로 감지 대상 세포를 감별 및 계수하고, 단일 세포 수준의 높은 감도를 확보하며, 쉬운 사용법과 낮은 검출 오차를 제공할 수 있는 세포 감별 계수기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기는 센서 몸체와 센서부를 포함한다. 센서 몸체는 미세 유체 채널을 가지며, 센서부는 센서 몸체에서 미세 유체 채널과 교차하도록 형성된 금속선과, 금속선을 덮는 절연막과, 금속선에 교류 전류를 인가하는 교류 전원과, 금속선에 연결된 교류 전압 측정기를 포함한다. 미세 유체 채널에 금속 나노입자들이 부착된 감지 대상 세포를 포함하는 액체 시료가 흐를 때, 센서부는 액체 시료의 열적 특성 변화를 감지하여 감지 대상 세포를 감별 및 계수한다.
금속선은 교류 전류에 의해 주울 열을 발생시킬 수 있고, 교류 전압 측정기는 액체 시료의 열적 특성 변화에 따른 금속선의 온도 변화를 측정할 수 있다.
센서부는, 금속선의 양단에 연결된 제1 전극 및 제2 전극과, 제1 전극 및 제2 전극과 이격되며 금속선의 양단에 연결된 제3 전극 및 제4 전극을 더 포함할 수 있다. 교류 전원은 제1 전극 및 제2 전극에 연결될 수 있고, 교류 전압 측정기는 제3 전극 및 제4 전극에 연결될 수 있다.
교류 전압 측정기는 3ω 주파수(ω: 인가 주파수)의 교류 전위를 측정할 수 있고, 교류 전압 측정기에 연결된 계산 로직은 교류 전위 측정값을 이용하여 금속선의 저항 특성 변화를 구하고, 금속선의 온도-저항 계수를 이용하여 금속선의 온도 변화를 역추산할 수 있다.
금속선은 1:50 이상의 종횡비를 가질 수 있고, 무한히 얇은 열선으로 이상화될 수 있으며, 열선의 끝단 효과는 무시할 수 있다. 미세 유체 채널의 단면적은 감지 대상 세포 단면적의 2배 이상일 수 있으며, 절연막의 두께는 10nm 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수 방법은, 감지 대상 세포에 세포 반응부를 이용하여 금속 나노입자들을 부착하는 제1 단계와, 센서 몸체에 금속선을 포함하는 센서부를 형성하고, 금속선에 교류 전류를 인가하여 주울 열을 발생시키는 제2 단계와, 금속선과 교차하도록 센서 몸체에 형성된 미세 유체 채널에 감지 대상 세포를 포함한 액체 시료를 흘리는 제3 단계와, 액체 시료의 열적 특성 변화로 인한 금속선의 온도 변화를 측정함으로써 감지 대상 세포를 감별 및 계수하는 제4 단계를 포함한다.
세포 반응부는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펜토오스핵산(PNA), 압타머(aptamer), 및 항체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속선에 연결된 교류 전압 측정기는 3ω 주파수(ω: 인가 주파수)의 교류 전위를 측정할 수 있고, 교류 전압 측정기에 연결된 계산 로직은 교류 전위 측정값을 이용하여 금속선의 저항 특성 변화를 구하고, 금속선의 온도-저항 계수를 이용하여 금속선의 온도 변화를 역추산할 수 있다.
본 발명에 의한 세포 감별 계수기는 MEMS/NEMS 기술을 기반으로 하는 미세 유체칩 센서로서, 높은 선택성으로 감지 대상 세포를 감별 및 계수할 수 있고, 단일 세포 수준의 높은 감도를 확보할 수 있다. 또한, 쉬운 사용법과 낮은 검출 오차를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기의 개략 사시도이다.
도 2a는 도 1에 도시한 세포 감별 계수기의 부분 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기에서 사용되는 감지 대상 세포의 개요도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기의 작동 원리를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기의 개략 사시도이고, 도 2a는 도 1에 도시한 세포 감별 계수기의 부분 평면도이며, 도 2b는 도 2a의 부분 확대도이다.
도 1 내지 도 2b를 참고하면, 본 실시예의 세포 감별 계수기(100)는 미세 유체칩 센서이며, 미세 유체 채널(10)을 가지는 센서 몸체(20)와, 센서 몸체(20)에 형성된 센서부(30)를 포함한다. 센서 몸체(20)는 예를 들어 기판(21)과, 기판(21) 위에 고정되며 미세 유체 채널(10)을 형성하는 채널 몰드(22)를 포함할 수 있다.
센서부(30)는 미세 유체 채널(10)에 감지 대상 세포를 포함한 액체 시료가 흐를 때 감지 대상 세포를 감별 및 계수하는 기능을 한다. 센서부(30)는 미세 유체 채널(10)과 교차하도록 형성된 금속선(31)과, 금속선(31)을 덮는 절연막(32)과, 금속선(31)에 연결된 교류 전원(33)과, 금속선(31)에 연결된 교류 전압 측정기(34) 및 계산 로직(35)을 포함한다.
기판(21)은 평탄한 표면을 가진다. 금속선(31)은 기판(21) 위에서 제1 방향(x 방향)과 나란하게 형성되고, 금속선(31)의 양단에 제1 전극(41)과 제2 전극(42)이 연결된다. 제1 및 제2 전극(41, 42)은 교류 전원(33)과 연결되어 금속선(31)으로 교류 전류를 인가하고, 금속선(31)은 인가 전류에 의해 주울 발열한다.
금속선(31)은 얇은 열선으로 이루어진다. 예를 들어, 금속선(31)의 길이를 L1이라 하고, 금속선의 폭을 W1이라 하면, 금속선(31)의 종횡비(L1/W1)는 50 이상일 수 있다. 금속선(31)은 무한히 얇은 열선(infinite narrow line heater)으로 이상화될 수 있으며, 열선의 끝단 효과(end effect)는 무시할 수 있다. 금속선(31)의 열은 절연막(32)을 통해 액체 시료로 빠져 나가며, 이때 열이 빠져 나가는 정도는 액체 시료의 열적 특성에 의해 결정된다.
채널 몰드(22)는 기판(21) 위에 고정되며, 금속선(31)과 교차하는 제2 방향(y축 방향)과 나란한 미세 유체 채널(10)을 형성한다. 미세 유체 채널(10)은 액체 시료가 흐르는 직선 채널로서, 그 폭(W2)은 금속선(31)의 길이(L1)보다 크고, 그 길이는 기판(21)의 제2 방향(y 방향) 길이와 같거나 작을 수 있다.
이때 미세 유체 채널(10)의 단면적은 감지 대상 세포 단면적의 2배 이상이어야 한다. 기판(21)과 채널 몰드(22)는 열 전도도가 물과 유사하거나 낮은 물질, 예를 들어 실리콘, 단열 유리, 폴리이미드, 아크릴 등으로 형성될 수 있다.
절연막(32)은 금속선(31)을 덮어 금속선(31)이 미세 유체 채널(10)에 노출되지 않도록 한다. 금속선(31)의 열은 절연막(32)에 의해 액체 시료로 전달되나, 금속선(31)에 인가된 전류는 절연막(32)에 의해 액체 시료로 흐르지 못하고 차단된다. 절연막(32)은 10nm 이상의 두께로 형성될 수 있고, 금속선(31)을 충분히 덮는 크기, 예를 들어 미세 유체 채널(10)보다 큰 폭으로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기에서 사용되는 감지 대상 세포의 개요도이다.
도 3을 참고하면, 감지 대상 세포(200)의 표면 또는 내부에 금속 나노입자(201)가 선택적으로 부착된다. 금속 나노입자(201)는 감지 대상 세포(200)의 열 전도도를 크게 높이는 기능을 하며, 세포 반응부(202)를 이용하여 감지 대상 세포(200)에 선택적으로 흡착된다.
세포 반응부(202)는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펜토오스핵산(PNA), 압타머(aptamer), 및 항체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속 나노입자(201)의 주 목적은 감지 대상 세포(200)의 열 전도도 향상이므로, 금속 나노입자(201)는 감지 대상 세포(200)와 열적 특성이 확연히 차이나는 물질, 예를 들어 금, 은, 산화철 등을 포함할 수 있다.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 미세 유체 채널(10)에는 금속 나노입자가 선택적으로 부착된 감지 대상 세포를 포함한 액체 시료가 이동한다. 액체 시료에는 감지 대상 세포와 반응하지 않은 금속 나노입자들과, 감지 대상 세포와 다른 종류의 세포들이 함께 포함되어 있다.
액체 시료 중 감지 대상 세포에 다수의 금속 나노입자들이 집중적으로 부착되어 있으므로, 금속 나노입자들의 높은 열 전도도로 인해 감지 대상 세포의 유효 열 전도도는 주변 액체 시료에 비해 크게 높다. 따라서 감지 대상 세포가 금속선(31) 위를 지날 때 금속선(31)의 온도가 변한다.
센서부(30)는 액체 시료가 미세 유체 채널(10)을 이동하는 과정에서, 액체 시료의 열 전도도 변화에 따른 금속선(31)의 온도 변화를 측정함으로써 감지 대상 세포를 감별하고 계수한다.
금속선(31)의 양단에 제3 전극(43)과 제4 전극(44)이 연결되며, 교류 전압 측정기(34)는 제3 전극(43) 및 제4 전극(44)에 연결된다. 제3 전극(43)은 제1 전극(41)과 이격되고, 제4 전극(44)은 제2 전극(42)과 이격된다. 교류 전압 측정기(34)는 금속선(31)의 온도 변화에 의한 교류 전압 신호의 교란을 감지한다.
도 1과 도 2에서는 금속선(31)과 제1 및 제2 전극(41, 42) 사이에 직선형 배선이 위치하고, 금속선(31)과 제3 및 제4 전극(43, 44) 사이에 니은(ㄴ)자형 배선이 위치하는 경우를 도시하였으나, 배선 구조는 도시한 예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 금속선(31)과 제1 내지 제4 전극(41, 42, 43, 44) 사이 각각에 사선형 배선이 위치할 수도 있다.
교류 전류를 이용하여 금속선(31) 상부의 액체 시료를 감별하는 원리는 다음과 같다.
제1 및 제2 전극(41, 42)을 통해 금속선(31)에 인가된 ω 주파수의 교류 전류는 2ω 주파수의 주울 열(joule heating)을 발생시킨다. 금속선(31)에서 발생한 열로 인해 금속선(31)의 온도 역시 2ω 주파수로 진동하며, 이때 온도의 진폭은 주변 신호의 열전도 특성에 의해 결정되므로 금속선(31)의 온도를 계측함으로써 액체 시료의 열적 특성을 감별할 수 있다.
금속선(31)의 온도는 다음과 같은 방법으로 구할 수 있다.
온도-저항 관계에서 온도의 변화와 저항의 변화는 선형적 관계를 가지므로, 금속선(31)의 저항 역시 2ω 주파수로 진동한다. 옴의 법칙에 의해 금속선(31)의 전압은 3ω 주파수로 진동하며, 이 전압을 교류 전압 측정기(34)에서 계측한다. 계산 로직(35)은 계측된 교류 전압으로부터 금속선(31)의 저항을 구한 다음, 금속선(31)의 온도-저항 계수(Temperature Coefficient of Resistance, TCR)를 이용하여 온도를 역추산한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수기의 작동 원리를 나타낸 개략도이다.
도 4를 참고하면, 액체 시료에는 금속 나노입자들(201)이 선택적으로 부착된 감지 대상 세포(200)와, 감지 대상이 아닌 다른 세포(도시하지 않음)와, 감지 대상 세포(200)에 부착되지 않은 금속 나노입자들(201)이 혼재한다. 다수의 금속 나노입자(201)가 집중적으로 부착된 감지 대상 세포(200)는 액체 시료 내 다른 물질 대비 높은 열 특이성을 나타낸다.
감지 대상 세포(200)가 금속선(31) 위를 지날 때, 액체 시료의 열 전도도 변화로 인해 금속선(31)의 저항 특성이 변한다. 교류 전압 측정기(34)(도 2a 참조)는 3ω 주파수(ω: 인가 주파수)의 교류 전위를 측정하며, 계산 로직(35)은 측정값을 이용하여 금속선(31)의 저항 특성 변화를 구할 수 있다. 그리고 금속선(31)의 온도-저항 계수(TCR)를 이용하여 온도를 역추산함으로써 액체 시료의 열적 특성 변화를 감지할 수 있다.
이와 같이 본 실시예의 세포 감별 계수기(100)는 미세 유체 채널(10)을 흐르는 액체 시료에 대해 실시간으로 열적 특성을 측정할 수 있고, 신호 변화를 측정하여 감지 대상 세포(200)를 계수할 수 있다. 즉 신호의 변화 수를 계수함으로써 감지 대상 세포(200)의 개수를 선별적으로 파악할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 감별 계수 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 세포 감별 계수 방법은 감지 대상 세포에 세포 반응부를 이용하여 금속 나노입자들을 부착하는 제1 단계(S10)와, 센서 몸체에 금속선을 포함하는 센서부를 형성하고 금속선에 교류 전류를 인가하여 주울 열을 발생시키는 제2 단계(S20)와, 금속선과 교차하도록 센서 몸체에 형성된 미세 유체 채널에 감지 대상 세포를 포함한 액체 시료를 흘리는 제3 단계(S30)와, 액체 시료의 열적 특성 변화로 인한 금속선의 온도 변화를 측정함으로써 감지 대상 세포를 감별 및 계수하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
제1 단계(S10)에서, 세포 반응부(202)는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펜토오스핵산(PNA), 압타머(aptamer), 및 항체 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 금속 나노입자(201)는 감지 대상 세포(200)와 열적 특성이 확연히 차이나는 물질, 예를 들어 금, 은, 산화철 등을 포함할 수 있다.
제2 단계(S20)에서, 금속선(31)은 교류 전원(33)과 연결된 제1 및 제2 전극(41, 42)을 통해 교류 전류를 인가받으며, 주울 발열한다. 금속선(31)의 종횡비는 1:50 이상이고, 금속선(31)은 무한히 얇은 열선으로 이상화될 수 있다.
제3 단계(S30)에서, 미세 유체 채널(10)은 금속선(31)과 교차하는 직선 채널로 이루어지며, 채널 몰드(22)에 의해 형성될 수 있다. 미세 유체 채널(10)의 단면적은 감지 대상 세포(200) 단면적의 2배 이상이다. 기판(21)과 채널 몰드(22)는 열 전도도가 물과 유사한 물질로 형성될 수 있다.
제4 단계(S40)에서, 금속선(31)의 양단에 제3 전극(43) 및 제4 전극(44)이 연결되고, 교류 전압 측정기(34)는 제3 및 제4 전극(43, 44)에 연결된다.
다수의 금속 나노입자(201)가 집중적으로 부착된 감지 대상 세포(200)는 액체 시료 내 다른 물질 대비 높은 열 특이성을 나타낸다. 금속 나노입자들(201)로 인해 감지 대상 세포(200)의 유효 열 전도도는 주변 액체 시료에 비해 크게 높으므로, 감지 대상 세포가 금속선(31) 위를 지날 때, 금속선(31)의 저항 특성이 변한다.교류 전압 측정기(34)는 3ω 주파수의 교류 전위를 측정하고, 교류 전압 측정기(34)에 연결된 계산 로직(35)은 이 측정값을 이용하여 금속선(31)의 저항 특성 변화를 구하며, 금속선(31)의 온도-저항 계수(TCR)를 이용하여 온도를 역추산함으로써 액체 시료의 열적 특성을 실시간으로 감지한다. 또한, 열적 특성 변화의 수를 계수함으로써 감지 대상 세포(200)의 개수를 선별적으로 파악할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 세포 감별 계수기 10: 미세 유체 채널
20: 센서 몸체 21: 기판
22: 채널 몰드 30: 센서부
31: 금속선 32: 절연막
33: 교류 전원 34: 교류 전압 측정기
35: 계산 로직 41, 42: 제1, 제2 전극
43, 44: 제3, 제4 전극 200: 감지 대상 세포
201: 금속 나노입자 202: 세포 반응부

Claims (10)

  1. 미세 유체 채널을 가지는 센서 몸체, 및
    상기 센서 몸체에서 상기 미세 유체 채널과 교차하도록 형성된 금속선과, 금속선을 덮는 절연막과, 금속선에 교류 전류를 인가하는 교류 전원과, 금속선에 연결된 교류 전압 측정기를 포함하는 센서부
    를 포함하며,
    상기 미세 유체 채널에 금속 나노입자들이 부착된 감지 대상 세포를 포함하는 액체 시료가 흐를 때, 상기 센서부는 액체 시료의 열적 특성 변화를 감지하여 상기 감지 대상 세포를 감별 및 계수하는 세포 감별 계수기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속선은 교류 전류에 의해 주울 열을 발생시키고,
    상기 교류 전압 측정기는 상기 액체 시료의 열적 특성 변화에 따른 상기 금속선의 온도 변화를 측정하는 세포 감별 계수기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 금속선의 양단에 연결된 제1 전극 및 제2 전극과,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 이격되며 상기 금속선의 양단에 연결된 제3 전극 및 제4 전극
    을 더 포함하는 세포 감별 계수기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 교류 전원은 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 연결되고,
    상기 교류 전압 측정기는 상기 제3 전극 및 상기 제4 전극에 연결되는 세포 감별 계수기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 교류 전압 측정기는 3ω 주파수(ω: 인가 주파수)의 교류 전압을 측정하고,
    상기 교류 전압 측정기에 연결된 계산 로직은 상기 교류 전압 측정값을 이용하여 상기 금속선의 저항 특성 변화를 구하고, 상기 금속선의 온도-저항 계수를 이용하여 상기 금속선의 온도 변화를 역추산하는 세포 감별 계수기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속선은 1:50 이상의 종횡비를 가지는 세포 감별 계수기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세 유체 채널의 단면적은 상기 감지 대상 세포 단면적의 2배 이상이고,
    상기 절연막의 두께는 10nm 이상인 세포 감별 계수기.
  8. 감지 대상 세포에 세포 반응부를 이용하여 금속 나노입자들을 부착하는 제1 단계,
    센서 몸체에 금속선을 포함하는 센서부를 형성하고, 금속선에 교류 전류를 인가하여 주울 열을 발생시키는 제2 단계,
    상기 금속선과 교차하도록 상기 센서 몸체에 형성된 미세 유체 채널에 상기 감지 대상 세포를 포함한 액체 시료를 흘리는 제3 단계, 및
    상기 액체 시료의 열적 특성 변화로 인한 상기 금속선의 온도 변화를 측정함으로써 상기 감지 대상 세포를 감별 및 계수하는 제4 단계
    를 포함하는 세포 감별 계수 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세포 반응부는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 펜토오스핵산(PNA), 압타머(aptamer), 및 항체로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 세포 감별 계수 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속선에 연결된 교류 전압 측정기는 3ω 주파수(ω: 인가 주파수)의 교류 전압을 측정하며,
    상기 교류 전압 측정기에 연결된 계산 로직은 상기 교류 전압 측정값을 이용하여 상기 금속선의 저항 특성 변화를 구하고, 상기 금속선의 온도-저항 계수를 이용하여 상기 금속선의 온도 변화를 역추산하는 세포 감별 계수 방법.
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