KR101798428B1 - 면역 분석 장치 및 그 사용 방법 - Google Patents

Abstract

복수의 면역 분석 챔버들을 이용한 면역 분석 장치 및 그 사용 방법을 제공한다. 면역 분석 장치는 i) 제1 항체, 제2 항체 및 자성 비드가 함유된 물을 수용하는 제1 챔버, ii) 제1 챔버와 연통되며, 오일이 수용된 제2 챔버, iii) 제2 챔버와 연통되고, 물이 수용된 제3 챔버, iv) 제3 챔버와 연통되고, 오일이 수용된 제4 챔버, v) 제4 챔버와 연통되고, 물이 수용된 제5 챔버, 및 vi) 상호 이웃하는 각 챔버들의 계면에 위치하여 물과 오일의 혼합을 방지하는 혼입 방지부를 포함한다. 혼입 방지부는 상호 이격된 복수의 돌기부들을 포함하고, 복수의 돌기부들은 계면을 따라 위치한다.

Description

면역 분석 장치 및 그 사용 방법 {IMMUNOASSAY DEVICE AND METHOD FOR USING THE SAME}

본 발명은 면역 분석 장치 및 그 사용 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 복수의 면역 분석 챔버들을 이용한 면역 분석 장치 및 그 사용 방법에 관한 것이다.

면역 분석법(immunoassay)은 항원과 항체 반응을 이용하여 분석 물질을 정성 및 정량적으로 검사할 수 있는 방법으로, 각종 질병의 검사를 비롯하여 의학, 농업, 축산업, 식품, 군사, 환경 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

대표적인 예로는 분석 스트립을 플라스틱 케이스 내부에 장착한 디바이스를 사용하는 방법을 들 수 있다. 그러나 분석 스트립 등을 사용하는 경우, 스트립 패드들이 중첩되고 흡습 패드가 계속해서 검체 및 액상의 흡수를 유도하여 투입되는 검체의 양에 따라 신호차이가 생기거나 시간이 지나면서 신호가 증가한다. 따라서 검체와 혼합될 때, 혼합이 균일하지 못하여 편차가 발생할 수 있으며 정성 및 정량적 검체 분석의 정확도가 저하될 수 있다.

돌기부 구조에 의해 유체 계면을 형성하여 효율적으로 면역분석을 수행할 수 있는 면역 분석 장치를 제공하고자 한다. 또한 전술한 면역 분석 장치의 사용 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면역 분석 장치는 i) 제1 항체, 제2 항체 및 자성 비드가 함유된 물을 수용하는 제1 챔버, ii) 제1 챔버와 연통되며, 오일이 수용된 제2 챔버, iii) 제2 챔버와 연통되고, 물이 수용된 제3 챔버, iv) 제3 챔버와 연통되고, 오일이 수용된 제4 챔버, ⅴ) 제4 챔버와 연통되고, 물이 수용된 제5 챔버 및 ⅵ) 상호 이웃하는 각 챔버들의 계면에 위치하여 물과 오일의 혼합을 방지하는 혼입 방지부를 포함한다. 혼입 방지부는 i) 상호 이격된 복수의 돌기부들을 포함한다. 복수의 돌기부들은 계면을 따라 위치한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면역 분석 장치는 복수의 돌기부들 중 상호 이웃하는 돌기부들간의 거리와 계면에 평행한 복수의 돌기부들 중 하나 이상의 돌기부의 길이가 실질적으로 동일할 수 있다. 하나 이상의 돌기부의 길이는 복수의 돌기부들 중 계면과 수직으로 교차하는 방향에 평행한 또다른 하나 이상의 돌기부의 폭과 실질적으로 동일할 수 있다. 돌기부의 길이는 150㎛ 내지 250㎛일 수 있다. 길이와 폭과 수직으로 교차하는 방향에 평행한 복수의 돌기부들 중 하나 이상의 돌기부의 높이는 길이 및 폭보다 크고, 물의 높이는 돌기부의 높이보다 작을 수 있다. 복수의 돌기부들 사이의 이격 공간에 물이 위치할 수 있다. 제1 항체 및 제2 항체는 자성 비드에 바인딩되고, 제2 항체는 효소 항체일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면역 분석 장치는 i) 제1 챔버 내지 제5 챔버의 아래에 위치하여 제1 챔버 내지 제5 챔버를 지지하는 기판, ii) 제1 챔버 내지 제5 챔버를 덮고, 제1 챔버 내지 제5 챔버에 각각 대응하는 복수의 개구부들이 형성된 커버 부재를 더 포함한다. 자성 비드를 제1 챔버로부터 제5 챔버로 이동시키는 자성체를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면역 분석 장치의 사용 방법에서, i) 면역 분석 장치를 제공하는 단계, ii) 제1 챔버에 제1 항체와 반응하는 항원, 제1 항체와 결합된 자성 비드 및 제2 항체를 주입하는 단계, iii) 항원 및 제2 항체가 제1 항체와 결합된 자성 비드에 바인딩되는 단계, ⅳ) 자성체를 제1 챔버에 위치시켜 제1 항체, 제2 항체 및 항원이 부착된 자성 비드에 자력을 인가하는 단계, ⅴ) 자성체에 의해 자성 비드를 제1 챔버로부터 제5 챔버로 이동시키는 단계 및 ⅵ) 자성체를 제1 챔버로부터 제5 챔버로 이동시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 면역 분석 장치의 사용 방법에서 자성체를 제1 챔버로부터 제5 챔버로 이동시키는 단계에서, 자성 비드가 제3 챔버를 통과하면서 항원에 포함된 불순물이 제거될 수 있다. 제1 챔버 내지 제5 챔버를 덮고, 제1 챔버 내지 제5 챔버에 각각 대응하는 복수의 개구부들이 형성된 커버 부재를 더 포함하고, 면역 분석 장치를 제공하는 단계에서, 물, 오일, 항원, 제1 항체가 결합된 자성 비드 및 제2 항체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 객체는 복수의 개구부들 중 하나 이상의 개구부를 통하여 제1 챔버 내지 제5 챔버 중 하나 이상의 챔버에 주입될 수 있다.

면역 분석 장치를 이용하여 분석 절차를 단순히 하면서 분석시간을 줄일 수 있다. 그리고 낮은 항원 농도도 면역 분석이 가능하여 혈액 기반 질병을 조기에 발견할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면역 분석 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 면역 분석 장치의 면역 분석 원리의 개략적인 개념이다.
도 3은 도 2의 혼입 방지부의 개략적인 확대 평면도이다.
도 4는 도 2의 혼입 방지부의 개략적인 확대 사시도이다.
도 5는 도 2의 혼입 방지부의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예 1에 따른 혼입 방지부의 작동 상태를 나타낸 사진들이다.
도 7은 본 발명의 실험예 2의 자성 비드의 양에 따른 자성체의 이동 속도의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예 3의 단백질의 양과 이에 따라 형광 물질과 반응하는 단백질의 형광 강도의 사진 및 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실험예 4에 따른 물질 배양 시간에 따른 형광 강도의 사진 및 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실험예 5의 단백질의 양과 이에 따라 형광 물질과 반응하는 단백질의 형광 강도의 사진 및 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면역 분석 장치(100)를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 면역 분석 장치(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 면역 분석 장치 (100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 면역 분석 장치(100)는 제1 챔버(10), 제2 챔버(20), 제3 챔버(30), 제4 챔버(40), 제5 챔버(50), 혼입 방지부(60) 및 자성체(90)를 포함한다. 이외에, 면역 분석 장치(100)는 기판(70) 및 커버 부재(80)를 더 포함한다. 도 1에는 기판(70)과 커버 부재(80)를 도시하였지만 경우에 따라 생략할 수 있다.

제1 챔버(10), 제2 챔버(20), 제3 챔버(30), 제4 챔버(40) 및 제5 챔버(50)는 기판(70) 위에 위치하고 y축 방향으로 배열되어 상호 연통한다. 제1 챔버(10), 제3 챔버(30) 및 제5 챔버(50)는 물을 수용하고, 제2 챔버(20) 및 제4 챔버(40)는 오일을 수용한다. 여기서, 물과 오일은 상호 혼합되지 않는데, 물과 오일뿐만 아니라 상호 혼합되지 않는 유체는 모두 사용 가능하다. 예를 들면, 수성시약(water based reagent)과 미네랄 오일을 사용할 수 있다.

제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)는 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 제조할 수 있다. 또는, 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)를 PDMS로 코팅하여 제조할 수 있다.

종래의 면역 분석 방법은 동일한 챔버 내에서 항원과 항체 반응 과정, 세척 과정 및 효소 반응 과정을 수행하였다. 이 경우, 불순물 유입 가능성이 높고, 분석 절차가 복잡하여 분석에 소요되는 시간이 커졌다.

이와는 대조적으로, 면역 분석 장치(100)는 반응 목적에 따라 제1 챔버(10)는 항원과 항체의 반응 챔버, 제3 챔버(30)는 세척 챔버, 제5 챔버(50)는 효소 반응 챔버로서 기능하고, 제2 챔버(20)와 제4 챔버(40)는 각각 제1 챔버(10), 제3 챔버(30) 및 제5 챔버(50)의 사이에 위치하여 제1 챔버(10), 제3 챔버(30) 및 제5 챔버(50)에 수용된 물을 상호 격리하도록 오일을 수용한다. 따라서 오염 발생 가능성을 줄이고, 분석 절차를 단순화할 수 있다.

혼입 방지부(60)는 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)에 수용된 물과 오일의 계면에 위치한다. 혼입 방지부(60)는 물과 오일의 계면 사이에 형성된 돌기부들(601)(도 2에 도시, 이하 동일)을 포함한다. 혼입 방지부(60)에 의해 물과 오일이 상호 혼합되지 않고 양자간에 계면이 형성된다.

기판(70)은 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)의 아래에 위치한다. 기판(70)은 y축 방향으로 길게 뻗은 형상을 가지며 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)를 지지한다. 이와는 달리, 기판(70)에 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)를 형성하여 사용할 수도 있다. 이 경우, 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)는 기판(70)과 함께 한번에 몰딩되어 제조될 수 있다.

커버 부재(80)는 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)를 덮어서 위치한다. 커버 부재(80)는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA)로 제조할 수 있다. 커버 부재(80)는 각각의 챔버에 대응하는 복수의 개구부들(801)을 포함한다. 개구부들(801)은 원형의 형상을 가지며 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)에 대응하며 위치한다. 개구부들(801)을 통해 물을 제1 챔버(10), 제3 챔버(30) 및 제5 챔버(50)에 투입하고, 오일을 제2 챔버(20) 및 제4 챔버(40)에 투입할 수 있다. 또한 개구부(801)들을 통하여 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)에서 생성된 공기를 외부로 배출할 수 있다.

자성체(90)는 자성 비드(101)(도 2에 도시, 이하 동일)에 바인딩된 결합 물질을 안정한 상태로 유지하면서 제1 챔버(10) 내지 제5 챔버(50)를 통과시킨다. 자성체(90)로는 전자석 또는 영구 자석을 사용할 수 있다. 자성체(90)를 화살표 방향인 -y축 방향으로 이동시켜서 자성 비드(101)에 바인딩된 물질을 제1 챔버(10)로부터 제5 챔버(50)로 도 1에 도시한 바와 같이, 손으로 이동시킬 수 있다. 또한, 자성체(90)를 자동화 설비에 설치하여 스위치 조작에 의해 자동으로 이동시킬 수도 있다.

도 2는 도 1의 면역 분석 장치(100)의 면역 분석 원리를 개략적으로 나타낸다. 이하에서는 도 2를 통하여 도 1의 면역 분석 장치(100)에 수용된 물질과 반응 원리에 대해서 좀더 상세하게 설명한다.

도 2의 좌측에 확대 도시한 바와 같이 제1 챔버(10)에는 항원(103), 제1 항체(105)가 결합된 자성 비드(101) 및 제2 항체(107)가 수용될 수 있다. 예를 들면, 개구부(801)를 통하여 항원(103), 제1 항체(105)가 결합된 자성 비드(101) 및 제2 항체(107)를 제1 챔버(10)에 주입할 수 있다. 제1 챔버(10)에 주입된 물질들은 배양되어 자성 비드(101)로 바인딩된다.

여기서, 자성 비드(101)와 물질들이 바인딩 되기 위한 배양 시간은 10분 내지 30분일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 배양 시간은 20분 내지 30분일 수 있다. 만약, 배양 시간이 너무 짧으면 물질의 바인딩이 제대로 이루어지지 않아 항원을 검출하기 어려울 수 있다. 반면에, 배양 시간이 너무 길면, 검출시간에 소요되는 시간이 길어지고, 비특이적 반응이 증가하는 문제점이 있다. 따라서 자성 비드(101)와 물질들이 바인딩되기 위한 배양 시간을 전술한 범위로 조절한다.

제1 챔버(10)는 항원(103), 제1 항체(105)가 결합된 자성 비드(101) 및 제2 항체(107)가 함유된 물을 수용한다. 제1 항체(105)는 자성 비드(101)와 결합하여 있고, 제2 항체(107)는 형광 물질을 함유한 겨자무과산화효소(horseradish peroxidase, HRP)와 결합할 수 있다. 항원(103)은 중합체(oligomer)일 수 있다. 만약, 항원(103)이 단위체(monomer)인 경우, 항원이 제1 항체(105) 또는 제2 항체(107) 중 하나에 결합하므로, 동시에 형광 신호를 생성할 수 없다. 따라서 항원(103)은 중합체(oligomer)인 것이 바람직하다. 또한, 항원(103)이 중합체인 경우 항원을 비특이적으로 검출할 수 있다. 제1 챔버(10)에서는 항원과 항체가 반응한다.

다음으로, 자성체(90)(도 1에 도시, 이하 동일)를 이용하여 결합 물질을 혼입 방지부(60)를 통과시켜 제2 챔버(20)로 이동시킨다. 제2 챔버(20)는 오일을 수용한다. 제2 챔버(20)에 수용된 오일은 제1 챔버(10)의 결합 물질과 여기에 묻은 물을 분리시킨다. 종래에는 전술한 분리 작업을 위해 세정 단계를 거쳐 면역 분석을 진행하였다. 그러나 분석 절차가 복잡하여 분석에 소요되는 시간이 증대되고 불순물에 의해 오염되는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명의 제1 실시예에서는 물과 오일을 이용하여 분석 단계를 최소화함으로써 같은 시간 내에 비교적 더 많은 샘플링이 가능하며 오염 가능성을 줄일 수 있다.

그리고 자성체(90)를 이용하여 제2 챔버(20)에 수용된 결합 물질을 제3 챔버(30)로 이동시킨다. 제3 챔버(30)에는 세척 완충액(washing buffer)이 함유된 물이 수용된다. 제3 챔버(30)에서는 자성체(90)를 이용하여 제3 챔버(30)에 수용된 결합 물질을 약 1분간 약 10회 정도 회전시킬 수 있다. 이 경우, 미반응 항원 및 불순물들은 자성 비드(101)에서 분리된다.

다음으로, 자성체(90)를 이용하여 결합 물질을 제3 챔버(30)로부터 제4 챔버(40)로 이동시킨다. 제4 챔버(40)는 오일을 수용한다. 제4 챔버(40)는 전술한 제2 챔버(20)와 동일하게 제3 챔버(30)로부터 이동된 결합 물질에 묻은 물을 분리시킬 수 있다.

마지막으로, 자성체(90)를 이용하여 결합 물질을 제4 챔버(40)로부터 제5 챔버(50)로 이동시킨다. 제5 챔버(50)에는 화학 발광 기질이 함유된 오일을 수용 한다. 도 2의 우측에 확대 도시한 바와 같이, 제5 챔버(50)에서는 화학 발광 기질과 제2 항체(107)와 결합된 HRP효소가 반응 한다. 따라서 제5 챔버(50)에 수용된 결합 물질을 형광 현미경으로 투사하면 화학 발광 기질과 HRP의 극대화된 효소 반응을 확인하여 검출된 항원의 양을 확인할 수 있다.

도 2의 면역 분석 장치(100)는 항원과 항체의 반응이 자성 비드(101)를 통해 일어난다. 따라서 항원과 항체의 반응 표면적이 크고 항원과 항체 사이의 반응이 비교적 자유롭게 일어날 수 있다. 즉, 종래의 바닥면을 이용한 면역분석 방법과 비교시, 낮은 농도의 항원 및 항체를 이용하더라도 항원을 쉽게 검출할 수 있다. 그 결과, 항원 및 항체에 소요되는 비용을 절약할 수 있다. 그리고 혈액에 저농도로 존재하는 알츠하이머병(alzheimer's disease), 류마티스 관절염, 다발성 골수종 및 신장암 등을 잘 감지할 수 있으므로 병을 조기에 진단하여 대처할 수 있다.

도 3은 도 2의 혼입 방지부(60)를 확대하여 그 평면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 3에는 도시하지 않았지만, 도 3의 양측에는 각각 챔버들이 위치하고, 혼입 방지부(60)는 챔버들 사이에 위치한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 혼입 방지부(60)는 물과 오일을 상호 분리시키는 돌기부들(601)을 포함한다. 돌기부들(601)은 물과 오일의 계면을 따라 위치한다. 혼입 방지부(60)가 존재하지 않는 경우, 오일의 밀도가 물보다 낮기 때문에 오일과 물 사이에서 발생하는 표면 장력이 자성 비드(101) 또는 칩을 움직일 때 발생하는 외부 방해 힘에 저항하기 어렵다. 즉, 표면 장력은 오일과 물 사이의 안정적인 계면 형성을 위해 외부 방해 힘보다 더 커야 한다. 따라서, 계면에 돌기부(601)를 형성하여 계면에서의 유효 반지름을 작게 함으로써 표면장력으로 인한 복원력을 좀더 크게 하여 계면을 안정적으로 형성한다.

y축 방향과 평행한 돌기부들(601)의 세로폭 길이(d1)는 x축 방향과 평행한 돌기부(601)의 가로폭 길이(d2)와 같을 수 있다. 여기서, 가로폭 길이(d2)는 돌기부601)의 계면과 수직으로 교차하는 방향과 평행하고, 세로폭 길이(d1)는 계면과 평행하다. 돌기부(601)의 세로폭 길이(d1)와 돌기부(601)의 가로폭 길이(d2)는 150㎛ 내지 250㎛일 수 있다. 세로폭 길이(d1)와 가로폭 길이(d2)가 너무 작은 경우, 물과 오일의 접촉 면적이 커져서 계면이 잘 형성되지 않을 수 있다. 또한, 세로폭 길이(d1)와 가로폭 길이(d2)가 너무 작은 경우, 결합 물질을 통과시키기가 어려울 수 있다. 좀더 바람직하게는, 세로폭 길이(d1)와 가로폭 길이(d2)는 각각 200㎛일 수 있다.

한편, 돌기부들(601)의 세로폭 길이(d1)는 돌기부들(601)의 이격 거리(d3)와 같다. 마이크로 단위의 시스템에서 흐르는 유체는 그 체적에 비해 표면적이 넓고 관성보다 표면 장력의 영향력이 훨씬 크다. 즉, 큰 표면 장력을 안정적으로 유지해야 유체의 흐름을 일정하게 형성할 수 있다. 따라서 돌기부들(601)의 가로폭 길이(d2), 세로폭 길이(d1) 및 돌기부들(601)의 이격 거리(d3)를 모두 동일하게 형성하여 물과 오일 사이의 표면 장력을 안정적으로 형성한다. 그 결과, 물과 오일의 계면이 견고하여 불순물이 잘 제거되므로 항원 검출량을 높일 수 있다.

도 4는 도 2의 혼입 방지부(60)를 확대하여 개략적으로 나타낸다. 도 4에서 좌측에는 오일이 위치하고, 우측에는 물이 위치하며, 혼입 방지부(60)는 물에 잠겨 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 돌기부(601)는 물과 오일의 계면에 위치하고, 그 일측은 물과 접하고 그 타측은 오일과 접한다. 돌기부들(601) 사이의 이격 공간에는 물이 위치한다. 돌기부(601)는 직육면체 형상을 가진다. 이와는 다른 형상, 예를 들면 원기둥 및 다면체의 형상을 가지는 돌기부와 비교시, 직육면체 형상의 돌기부(601)가 일직선상으로 이루어진 계면을 가장 안정적으로 유지시킬 수 있다.

돌기부(601)의 높이(h1)는 돌기부(601)의 가로폭 길이(d2)보다 크며, 250㎛ 내지 350㎛일 수 있다. 좀더 바람직하게는, 돌기부(601)의 높이(h1)는 300㎛일 수 있다. 돌기부(601)에 접한 물의 높이(h2)는 돌기부(601)의 높이(h1)보다 작다. 만약, 물의 높이(h2)가 돌기부(601)의 높이(h1) 이상인 경우, 돌기부(601)를 넘을 수 있어서 물과 오일의 계면이 안정적으로 형성되지 않을 수 있다.

도 5는 도 2의 혼입 방지부(60)의 작동 상태를 개략적으로 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 5의 (a) 내지 (c)는 결합 물질이 혼입 방지부(60)를 통과하는 상태를 개략적으로 나타낸다.

먼저, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 자성체(90)(도 1에 도시, 이하 동일)를 이용하여 자성 비드(101)에 바인딩되어 형성된 결합 물질을 돌기부(601) 앞으로 이동시킨다. 다음으로, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 자성체(90)의 자력에 의해 결합 물질이 돌기부(601)를 통과하여 물이 수용된 챔버에서 오일이 수용된 챔버로 이동한다. 그 결과, 도 5의 (c)에서는 결합 물질이 돌기부(601)에 의해 물로부터 분리되어 오일이 수용된 챔버로 이동하면서 흩어졌다가 다시 합쳐진다. 한편, 도 5에는 도시하지 않았지만, 결합 물질이 오일이 수용된 챔버에서 물이 수용된 챔버로 이동하는 경우, 결합 물질은 오일로부터 분리되어 돌기부(601)를 통과하고, 물에서 다시 합쳐친다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예 1

PDMS를 사용하여 도 2와 동일한 구조를 가지는 면역 측정 장치를 제조하였다. 먼저, PDMS로 된 기판에 제1 챔버, 제2 챔버, 제3 챔버, 제4 챔버 및 제5 챔버를 몰딩 성형하여 일체로 제조하였다. 그리고 PMMA로 된 커버 부재로 제1 챔버 내지 제5 챔버를 덮었다. 챔버에 수용되는 물질은 항원, 제1 항체가 결합된 비드 및 제2 항체를 포함하였다. 항원은 중합체이며, 제1 항체는 전술한 항원과 반응하는 항체였다. 그리고 제2 항체는 HRP 효소와 결합하였다. 비드 표면에 결합된 제1 항체에 항원이 결합하였고, 제2 항체가 차례로 결합하였다. 그리고 자성체를 이용하여 바인딩된 결합 물질을 제1 챔버로부터 제5 챔버까지 차례로 이동시켰다. 이외의 나머지 실험 과정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있으므로, 그 상세한 설명을 생략한다.

실험예 1의 실험결과

도 6은 본 발명의 실험예 1에 따른 혼입 방지부의 작동 상태의 사진들을 나타낸다. 즉, 도 6은 제1 챔버에서 바인딩된 결합 물질이 물에서 오일로, 오일에서 물로 이동하는 모습을 5단계로 나누어 촬영한 사진을 나타낸다. 도 6의 (a)에는 결합 물질이 물에서 오일로 이동하는 상태를 나타내고, 도 6의 (b)에는 결합 물질이 오일에서 물로 이동하는 상태를 나타낸다. 즉, 자성체를 이용하여 결합 물질을 물에서 오일로 이동시키거나 오일에서 물로 이동시키는 경우, 결합 물질이 혼합 방지부를 통과하는 상태를 단계별로 확대하여 촬영하였다.

먼저, 도 6의 (a)는 결합 물질이 물에서 오일로 이동하는 상태를 나타낸다. 도 6의 (a)에서 (i)는 자성체로 결합 물질을 이동시키기 전이고, (ⅱ)는 자성 비드를 중심으로 바인딩된 결합 물질이 자성체에 의해 모이는 모습을 나타낸다. (ⅲ)는 결합 물질이 자성체에 의해 혼입 방지부로 이동하는 상태를 나타내고, (ⅳ)는 결합 물질이 혼입 방지부를 통과하는 상태를 나타내며, (v)는 결합 물질이 혼입 방지부를 통과하면서 흩어지는 상태를 나타낸다. 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이, 결합 물질은 혼입 방지부를 통과하면서 흩어졌다.

도 6의 (b)는 결합 물질이 오일에서 물로 이동하는 상태를 나타낸다. 도 6의 (b)에서 (i)는 자성체로 결합 물질을 이동시키기 전이고, (ⅱ)는 자성 비드를 중심으로 바인딩된 결합 물질이 자성체에 의해 모이는 모습을 나타낸다. (ⅲ)는 결합 물질이 자성체에 의해 혼입 방지부로 이동하는 상태를 나타내고, (ⅳ)는 결합 물질이 혼입 방지부를 통과하는 상태를 나타내며, (v)는 결합 물질이 혼입 방지부를 통과하는 상태를 나타낸다. (iv) 및 (v)에 나타낸 바와 같이, 결합 물질은 혼입 방지부를 통과하면서 흩어지지 않았다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 결합 물질은 혼입 방지부를 통과하면서 물에서 오일로 이동하거나 오일에서 물로 이동하는 경우 흩어짐과 모임을 반복한다. 이러한 과정이 반복되면서 결합 물질에 포함된 불순물들이 쉽게 제거될 수 있다. 따라서 면역 분석을 효율적으로 진행할 수 있었으며 항원과 항체의 오염을 방지할 수 있었다.

실험예 2

실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되 자성체의 이동 속도와 자성 비드의 양을 조절하였다. 그리고 이에 따라 결합 물질과 자성 비드의 결합 상태를 측정하였다.

실험예 2의 실험결과

도 7은 본 발명의 실험예 2의 자성 비드의 양에 따른 자성체의 이동 속도의 그래프를 나타낸다. 도 7에서 원은 자성 비드가 잘 추출되는 상태를 나타내고, 세모는 자성 비드가 부분적으로 추출되는 상태를 나타내며, 엑스는 자성체가 이탈된 상태를 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이, 자성체의 이동 속도와 자성 비드의 양에 따라 결합 물질과 자성 비드와의 결합 상태가 가변되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 자성 비드의 양이 4㎍ 이상이 되어야 결합 상태가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 자성체 속도는 자성 비드의 양에 따라 달라진다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 자성 비드의 양이 약 1㎍ 내지 2㎍인 경우, 자성체의 이동 속도는 약 0.1mm/s이고, 자성 비드의 양이 약 4㎍인 경우, 자성체의 이동 속도는 약 0.2 mm/s 내지 0.8mm/s, 자성 비드의 양이 약 8㎍인 경우, 자성체의 이동 속도는 약 0.2 mm/s 내지 1.0mm/s, 자성 비드의 양이 약 16㎍인 경우, 자성체의 이동 속도를 약 0.3mm/s 내지 2.5mm/s로 설정해야 자성 비드와 결합 물질과의 결합 상태를 양호하게 유지할 수 있었다.

실험예 3

실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되 제5 챔버를 형광 현미경으로 관찰하였다. 제5 챔버에는 항원, 제1 항체가 결합된 자성 비드 및 제2 항체가 수용되었다. 여기서, HRP효소와 결합된 제2 항체는 제5 챔버에 수용된 화학 발광 기질과 반응하면서 형광 반응이 나타났다. 그리고 형광 반응을 형광 현미경으로 관찰하여 형광 물질과 반응하는 단백질의 형광 강도와 단백질의 양을 측정하였다.

실험예 3의 실험결과

도 8은 본 발명의 실험예 3의 단백질의 양과 이에 따라 형광 물질과 반응하는 단백질의 형광 강도의 사진 및 그래프를 나타낸다. 여기서, 도 8의 (a)에는 형광 현미경을 통해 관찰한 제5 챔버의 사진을 나타내고, 도 8의 (b)에는 단백질의 양과 이에 따라 화학 발광 기질과 반응하는 단백질의 형광 강도의 그래프를 나타낸다.

도 8의 (a)에 도시한 바와 같이, 현광 현미경을 통해 제5 챔버를 관찰하는 경우, 제5 챔버에 수용된 결합 물질의 HRP의 효소 반응을 확인할 수 있었다. 그 결과, 검출된 단백질의 양이 많을수록 좀더 붉은색이 많아진 것을 알 수 있었다. 그리고 도 8의 (b)에 도시한 바와 같이, HRP 효소와 반응하는 단백질의 양과 비례하여 형광 강도가 증가하는 것을 수치상으로 확인할 수 있었다. 도 8의 (b)의 그래프의 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.

따라서, 제5 챔버에서의 형광 강도가 높은 경우, 조사 대상이 되는 항원의 양이 많다는 것을 확인할 수 있었다. 이와는 반대로, 제5 챔버에서의 형광 강도가 낮은 경우, 다시 동일한 실험을 반복하여 원하는 양의 항원을 추출할 수 있었다.

실험예 4

실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되 제1 챔버에 주입된 결합 물질들의 배양 시간에 따라 제5 챔버에서 관찰되는 형광 강도를 측정하였다. 여기서, 배양 시간은 제1 항체가 결합된 자성 비드에 항원 및 제2 항체를 바인딩하기 위한 시간을 의미한다.

실험예 4의 실험결과

도 9는 본 발명의 실험예 4에 따른 물질 배양 시간과 형광 강도에 따른 사진과 그래프를 나타낸다. 여기서, 도 9의 (a)에는 형광 현미경을 통해 관찰한 제5 챔버의 사진으로서 negative는 항체를 의미하고, positive는 항원을 의미한다. 또한, 도 9의 (b)에는 물질 배양 시간과 형광 강도에 따른 그래프를 나타낸다.

먼저, 도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 챔버에서 결합 물질의 배양 시간이 길수록 제5 챔버에서 높은 형광 강도가 측정되는 것을 알 수 있었다. HRP 효소는 항체와는 반응하지 않으므로, negative 부분은 형광 물질이 나타나지 않았다. positive의 경우 시간에 따라 형광강도가 증가하며 30분 이상이 되면 형광 강도가 포화되는 것을 알 수 있었다.

한편, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, HRP 효소와 반응하는 물질의 형광 강도는 물질의 배양 시간과 비례하는 것을 수치로 확인할 수 있었다. negative 는 배양 시간에 따라 비특이적 반응이 커지므로 형광 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. positive 형광 강도는 배양 시간에 따라 커지며 30분 이상이 될 경우에는 포화 상태에 도달했다. 그리고 자성체를 원형으로 돌려 자성 비드를 운동시켜 물질의 배양 반응을 돕는 mixing을 수행한 positive 형광 강도는 mixing을 수행하지 않은 positive 형광 강도와 비교시, 같은 배양시간에 비해 좀더 큰 형광 강도를 얻을 수 있었다. 한편, 그래프의 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.

따라서, 실험예 4를 통하여 최적의 형광 강도를 얻기 위한 제1 챔버에서의 결합 물질의 배양 시간은 20분 내지 30분이 바람직하다는 것을 알 수 있었다. 또한 mixing을 수행하는 것이 물질의 배양 반응을 도와 배양 시간에 따른 형광 강도를 좀더 효율적이라는 것을 알 수 있었다.

실험예 5

실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되 제5 챔버에 수용된 단백질 샘플과 또다른 제5 챔버에 수용된 인간의 혈청 샘플을 각각 형광 현미경으로 관찰하였다. 그리고 형광 반응을 형광 현미경으로 관찰하여 형광 물질과 반응하는 단백질 샘플 및 혈청 샘플의 형광 강도와 단백질의 양을 측정하였다.

실험예 5의 실험결과

도 10은 본 발명의 실험예 5의 단백질 샘플 및 혈청 샘플의 양과 이에 따라 형광 물질과 반응하는 단백질 샘플의 형광 강도의 사진 및 그래프를 나타낸다. 여기서, 도 10의 (a)에는 형광 현미경을 통해 관찰한 제5 챔버의 사진을 나타내고, 도 10의 (b)에는 단백질 샘플의 양과 이에 따라 화학 발광 기질과 반응하는 단백질 샘플의 형광 강도의 그래프를 나타낸다. 그리고 도 10의 (c)에는 인간의 혈청 샘플로 실험하여 형광 현미경을 통해 관찰한 제5 챔버의 사진을 나타내고, 도 10의 (d)에는 혈청 샘플의 단백질의 양과 이에 따라 화학 발광 기질과 반응하는 혈청 샘플의 형광 강도의 그래프를 나타낸다.

도 10의 (a) 및 (c)에 도시한 바와 같이, 현광 현미경을 통해 제5 챔버를 관찰하는 경우, 제5 챔버에 수용된 결합 물질의 HRP의 효소 반응을 확인하여 검출된 단백질의 양이 많을수록 좀더 붉은색이 많아진 것을 확인할 수 있었다. 그리고 도 10의 (b) 및 (d)에 도시한 바와 같이, HRP 효소와 반응하는 단백질의 양과 비례하여 형광 강도가 증가하는 것을 수치상으로 확인할 수 있었다. 또한 도 10의 (b) 및 (d)를 통해 단백질 샘플의 실험값과 인간의 혈청 샘플의 실험값을 상호 비교할 수 있었다. 도 10의 (b) 및 (d)의 그래프의 오차 막대는 표준 편차를 나타낸다.

따라서, 형광 강도가 높은 경우 조사 대상이 되는 항원의 양이 많다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 단백질 샘플의 실험값이 인간의 혈청 샘플의 실험 값과 유사한 것을 확인 할 수 있었다. 즉, 본 발명의 면역 분석 장치는 인간의 혈청에 포함된 항원과 항체를 잘 검출함으로써 실제 면역 분석에서 활용 가능 하다는 것을 확인 할 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 제1 챔버
20. 제2 챔버
30. 제3 챔버
40. 제4 챔버
50. 제5 챔버
60. 혼입 방지부
70. 기판
80. 커버 부재
90. 자성체
101. 자성 비드
103. 항원
105. 제1 항체
107. 제2 항체
601. 돌기부
801. 개구부

Claims (12)

1. 제1 항체, 제2 항체 및 자성 비드가 함유된 물을 수용하는 제1 챔버;
   상기 제1 챔버와 연통되며, 오일이 수용된 제2 챔버;
   상기 제2 챔버와 연통되고, 상기 물이 수용된 제3 챔버;
   상기 제3 챔버와 연통되고, 상기 오일이 수용된 제4 챔버;
   상기 제4 챔버와 연통되고, 상기 물이 수용된 제5 챔버; 및
   상호 이웃하는 상기 각 챔버들의 계면에 위치하여 상기 물과 상기 오일의 혼합을 방지하는 혼입 방지부;
   를 포함하고,
   상기 혼입 방지부는 상호 이격된 복수의 돌기부들을 포함하고, 상기 복수의 돌기부들은 상기 계면을 따라 위치하며, 상호 이웃하는 돌기부들간의 거리와 상기 계면에 평행한 상기 복수의 돌기부들 중 하나 이상의 돌기부의 길이가 실질적으로 동일한 면역 분석 장치.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 하나 이상의 돌기부의 길이는 상기 복수의 돌기부들 중 상기 계면과 수직으로 교차하는 방향에 평행한 또다른 하나 이상의 돌기부의 폭과 실질적으로 동일한 면역 분석 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 돌기부의 길이는 150㎛ 내지 250㎛인 면역 분석 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 길이와 상기 폭과 수직으로 교차하는 방향에 평행한 상기 복수의 돌기부들 중 하나 이상의 돌기부의 높이는 상기 길이 및 상기 폭보다 크고, 상기 물의 높이는 상기 돌기부의 높이보다 작은 면역 분석 장치.
6. 제1항에서,
   상기 복수의 돌기부들 사이의 이격 공간에 상기 물이 위치하는 면역 분석 장치.
7. 제1항에서,
   상기 제1 항체 및 상기 제2 항체는 상기 자성 비드에 바인딩되고, 상기 제2 항체는 효소 항체인 면역 분석 장치.
8. 제1항에서,
   상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버의 아래에 위치하여 상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버를 지지하는 기판, 및
   상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버를 덮고, 상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버에 각각 대응하는 복수의 개구부들이 형성된 커버 부재
   를 더 포함하는 면역 분석 장치.
9. 제1항에서,
   상기 자성 비드를 상기 제1 챔버로부터 상기 제5 챔버로 이동시키는 자성체를 더 포함하는 면역 분석 장치.
10. 제9항에 따른 면역 분석 장치의 사용 방법으로서,
    상기 면역 분석 장치를 제공하는 단계,
    상기 제1 챔버에 상기 제1 항체와 반응하는 항원, 상기 제1 항체와 결합된 상기 자성 비드 및 상기 제2 항체를 주입하는 단계,
    상기 항원 및 상기 제2 항체가 상기 제1 항체와 결합된 상기 자성 비드에 바인딩되는 단계,
    상기 자성체를 상기 제1 챔버에 위치시켜 상기 제1 항체, 상기 제2 항체 및 상기 항원이 부착된 상기 자성 비드에 자력을 인가하는 단계,
    상기 자성체에 의해 상기 자성 비드를 상기 제1 챔버로부터 상기 제5 챔버로 이동시키는 단계, 및
    상기 자성체를 상기 제1 챔버로부터 상기 제5 챔버로 이동시키는 단계
    를 포함하는 면역 분석 장치의 사용 방법.
11. 제10항에서,
    상기 자성체를 상기 제1 챔버로부터 상기 제5 챔버로 이동시키는 단계에서, 상기 자성 비드가 상기 제3 챔버를 통과하면서 상기 항원에 포함된 불순물이 제거되는 면역 분석 장치의 사용 방법.
12. 제10항에서,
    상기 면역 분석 장치는 상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버를 덮고, 상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버에 각각 대응하는 복수의 개구부들이 형성된 커버 부재를 더 포함하고,
    상기 면역 분석 장치를 제공하는 단계에서, 상기 물, 상기 오일, 상기 항원, 상기 제1 항체가 결합된 상기 자성 비드 및 제2 항체로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 객체는 상기 복수의 개구부들 중 하나 이상의 개구부를 통하여 상기 제1 챔버 내지 상기 제5 챔버 중 하나 이상의 챔버에 주입되는 면역 분석 장치의 사용 방법.
    

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