KR101867823B1 - 진단센서의 패턴구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종이에 유기혼합물을 인쇄하여 패턴을 형성하는 진단센서의 패턴구조에 관한 것으로, 더 상세하게는 제1물질과 제2물질이 서로 다른 유체흐름에 의해 시간차로 진단영역에 전달되고, 진단영역에서는 선행 공급된 제1물질의 방해없이 제2물질의 반응을 유도할 수 있는 등 2종류의 물질을 시간차에 의해 전달하여 서로 간섭없이 반응하여 검출 및 진단이 이루어지도록 하는 진단센서의 패턴구조에 관한 것이다.

Description

진단센서의 패턴구조{Pattern Structure of Diagnostic Sensor}

본 발명은 종이에 유기혼합물을 인쇄하여 패턴을 형성하는 진단센서의 패턴구조에 관한 것으로, 더 상세하게는 제1물질과 제2물질이 서로 다른 유체흐름에 의해 시간차로 진단영역에 전달되고, 진단영역에서는 선행 공급된 제1물질의 방해없이 제2물질의 반응을 유도할 수 있는 등 2종류의 물질을 시간차에 의해 전달하여 서로 간섭없이 반응하여 검출 및 진단이 이루어지도록 하는 진단센서의 패턴구조에 관한 것이다.

최근 의학과 의용공학의 발전에 힘입어, 다양한 질병의 원인 및 치료방법들이 소개됨은 물론, 각종 질병에 대하여 보다 정확한 진단이 가능해지고 있으며, 보다 효과적이고 안전한 치료방법들이 개발되어, 질병의 치료율이 높아지고 있는 추세이다.

그럼에도 불구하고, 이러한 질병의 진단 및 치료는 주로 병원 등에서 이루어지게 되는 바, 진단을 받고자 하는 진단대상자의 경우, 직접 병원 등을 방문하지 않고서는 질병의 진찰 및 진단 자체가 아예 불가능한 문제점이 있었으며, 이로 인하여, 진단대상자나 환자의 입장에서는 값비싼 검사비 및 치료비를 전적으로 부담해야 하는 어려움이 따랐다.

최근 들어, 전자산업 및 유무선통신망의 발전으로 인하여, 상기와 같은 문제점과 어려움을 해결하기 위한 노력의 일환으로 원격 의료(Telemedicin) 시스템이 소개되고 있다. 이러한 원격 의료 시스템은 직접 병원 등을 방문하지 않고서 원격지에서 비교적 저렴한 비용으로 진단대상자 또는 환자가 진단을 받을 수 있는 방식이지만, 아직까지는 대부분 외형적인 이상 등에 대한 진단만이 이루어지고 있으며, 그 진단 방법 또한 매우 제한적일 수 밖에 없어, 정확한 진단이 행해지기에는 많은 어려움이 따랐다.

특히, 생명에 위협이 될 정도로 문제가 될 수 있는 질병(예: 각종 암, AIDS 등)은 대게 병원균 등의 항원에 의해 감염 및 발병하게 되는데, 이러한 질병의 경우 신속한 진단의 선행이 요구되는 바, 각종 항원을 비롯한 바이오 물질을 진단할 수 있는 장치의 개발이 시급한 실정이다.

이에, 전문지식이나 복잡한 과정이 요구되지 않고 사용이 간편하며 수행시간이 짧은 면역분석 장치로서, 멤브레인을 사용한 바이오센서가 사용되고 있다. 이러한 바이오센서를 이용한 분석 장치는 일반적으로 세공성 멤브레인을 감응단백질의 고정화모체로 사용하는 면역 크로마토그래픽 방법을 적용할 수 있다. 분석물질이 포함된 시료를 멤브레인 스트립 하단으로부터 흡수시키면 세공을 통한 모세관현상에 의해 분석물질은 고정화된 감응단백질 층으로 운반되어 고체표면에서 항원과 항체간의 부착반응이 야기되고 비결합된 성분들은 유체 흐름에 의해 분리된다. 이와 같은 원리에 기초한 멤브레인 스트립 면역 크로마토그래피 기술은 유체의 측면흐름(lateral flow)을 이용하여 반응성분들의 물질전달을 가속시킴으로써 분석물질의 측정 신속성과 단지 시료 첨가만으로 진단수행이 완료될 수 있다.

최근 이러한 바이오센서는 멤브레인 위에 왁스, 파라핀 등으로 채널 등을 프린팅하여 제작하는 연구가 진행되고 있으나, 이는 멤브레인 상에 다중 패턴을 형성할시 온도와 압력에 영향 및 유체의 흐름에 의해 영향을 받아 검출 신뢰도가 떨어지는 문제가 있다.

한국공개특허 특2002-0078032호(2002.10.18.공개; 이하 '선행문헌1'이라 함)에서는 '비임신 진단키트 및 이를 이용한 동물의 비임신 진단방법'을 제시하였다. 상기 선행문헌1의 진단키트는, 다공이 형성된 박막형 페이퍼의 한쪽 말단부에 프로게스테론-소혈청알부민 결합체(progesterone-BSA conjugate)가 코팅되어 있고, 다른 한쪽 말단부에 대조선으로 면역글로불린지(IgG)를 고정시킨 분석 스트립; 및 항 프로게스테론 면역글로불린지-금 라벨 접합체(anti-progesterone IgG-gold conjugate)로 구성되었다. 상기 선행문헌1은 시료투입위치에 반응물질을 미리 혼합한 시료를 투입하여 모세관현상에 의해 시료가 진행되면서 프로게스테론-소혈청알부민 결합체인 진단선을 통과하면서 반응이 이루어져 발색이 이루어지게 함으로써 진단이 이루어지도록 한 것이나, 시료에 다양한 반응물질을 혼합하여 진단선에서의 진단반응이 이루어지므로, 물질간 간섭에 의해 검출감도가 낮아지거나 비특위적 반응이 발생되어 진단오류가 발생될 수 있다.

한국등록특허 제10-1412777호(2014.06.20.공개; 이하 '선행문헌2'이라 함)에서는 '다성분 동시 정량 분석용 측방 유동 디바이스'를 제시하였다. 상기 선행문헌2의 측방유동 디바이스는, 분석하고자 하는 유체 샘플을 수용하는 샘플 패드(sample pad); 상기 샘플 패드와 접촉하여 배치되며, 상기 유체 샘플 내에 포함된 서로 다른 타켓 분석물과 결합하는 제 1 바인더가 코팅된 나노스피어(nanosphere)를 포함하는 접합체 패드(conjugate pad); 및 상기 접합체 패드와 접촉하여 배치되며, 상기 유체 샘플이 유동할 수 있는 분지된 채널 패턴이 형성된 패턴 시트(patterned sheet)를 포함하되, 상기 채널 패턴은 종이 재질의 베이스 부재(base member) 상에 잉크젯 프린팅 방식을 이용하여 패턴 물질을 분사하여 형성된다. 상기 선행문헌2는 채널 패턴이 1개의 채널에서 3개의 채널로 분기되는 형태의 채널을 제시하여 유체샘플이 1개의 채널로 진행하면서 다수개로 분기되어 진행하고, 각 분기된 채널에는 서로 다른 반응물질을 도포하여 한번에 다수개의 진단이 가능하게 하는 것으로, 물질간 간섭에 의해 검출감도가 낮아지거나 비특위적 반응이 발생되어 진단오류가 발생되는 단점은 해소하지 못하였다.

한국공개특허 특2002-0078032호(2002.10.18.공개) : 비임신 진단키트 및 이를 이용한 동물의 비임신 진단방법 한국등록특허 제10-1412777호(2014.06.20.공개) : 다성분 동시 정량 분석용 측방 유동 디바이스

이에 본 발명의 진단센서의 패턴구조는,

종이에 유기물질을 프린트하는 바이오센서인 진단센서 분야에서 검출에 의한 진단영역에 전달되는 타겟물질이 포함된 시료나, 신호증폭물질을 포함하는 다수의 반응물질을 시간차에 의해 전달되도록 하여 반응시 다른 물질에 의한 간섭없이 각각의 반응이 충실하게 이루어지도록 하여 검출감도를 향상시킬 수 있는 패턴구조의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 진단센서의 패턴구조는,

종이에 인쇄기술을 이용하여 채널을 형성한 진단센서의 패턴구조에 있어서, 상하 방향으로 길게 형성되어 하부에서 상부로 유체가 유동되도록 하고, 하부의 단부에는 시료를 투입하는 시료투입영역이 형성되고, 상부의 단부에는 검출물질이 코팅되는 진단영역이 형성되며, 중간부분에는 다른 채널과 연결되는 교차영역이 형성된 메인채널과; 상기 메인채널의 일측에 나란히 형성되되, 주이동영역인 지연유동영역과 상기 지연유동영역 하단과 이격되어 버퍼가 투입되는 버퍼투입영역을 분리구성하고, 지연패드로 두 영역을 연결해 버퍼가 메인채널로 전달되는 시간이 지연되도록 하고, 상부는 메인채널 방향으로 꺾인 제1절곡부가 형성되어 상단이 메인채널의 교차영역에 연통되는 합류부가 형성된 지연채널과; 상기 메인채널의 양측 중 지연채널과 대향되는 측면에 나란히 형성되되, 하부는 메인채널 방향으로 꺾인 제2절곡부가 형성되어 하단이 메인채널의 교차영역에 연통되는 분리부가 형성된 분리채널;을 포함하여 구성된다.

상기 제1절곡부와 제2절곡부는 절곡된 부분이 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 메인채널폭은 3~4mm로 형성하고, 상기 지연채널은 제1절곡부와 합류부 사이의 길이를 3~4mm로 형성하고, 상기 분리채널은 제2절곡부와 분리부 사이의 길이를 1~2mm로 형성할 수 있다.

또한, 상기 지연채널은 제1절곡부와 합류부 사이의 길이가 지연채널 폭의 1~1.5배 길이로 형성하고, 상기 분리채널은 제2절곡부와 분리부 사이의 길이가 메인채널폭의 0.3~0.5배 길이로 형성되는 것을 간격으로 메인채널과 이격될 수 있다.

또한, 상기 메인채널의 교차영역은 분리부를 합류부 상부에 위치시키되, 상기 분리부는 합류부를 형성하는 지연채널의 연장된 부분과 교차되는 지점으로부터 형성될 수 있다.

또한, 상기 지연채널의 제1절곡부에서 합류부 사이부분과, 상기 분리채널의 분리부와 제2절곡부 사이 부분은 메인채널과 직교되는 방향으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 분리채널의 분리부는 하단에는 합류부가 시작되는 지점과 대향되는 지점으로부터 제2절곡부가 시작되는 지점까지 확관된 확관부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 지연채널은 제1절곡부에서 합류부 방향으로 상향경사를 갖도록 형성하고, 상기 분리채널은 분리부에서 제2절곡부 방향으로 상향경사를 갖도록 형성할 수 있다.

또한, 상기 메인채널과 연통된 지연채널의 상부벽에는 메인채널 중심 방향으로 돌출된 돌출부를 더 형성하여 지연채널에서 합류하는 유체를 메인채널 중심방향으로 더 내입되어 유동되도록 할 수 있다.

또한, 상기 메인채널은 교차영역에서 하단까지의 길이를 2~5mm로 형성해 시료투입영역을 제거하고, 메인채널 하단에 접합패드를 일부분 겹치도록 안치하여 시료투입영역을 대체하도록 할 수 있다.

또한, 상기 메인채널은 교차영역과 진단영역 사이에서 교차영역과 근접한 부분에 채널을 분리시키는 분리영역을 더 형성하고, 접합패드에 의해 분리영역의 상하부가 연결되도록 할 수 있다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 진단센서의 패턴구조는,

패턴구조를 변경하여 시료와 반응물질이 시간차를 갖으면서 검출영역에 전달되도록 함으로써 타겟물질의 고정화과정과 고정화된 타겟물질과 반응하여 발광 또는 발색이 이루어지는 검출과정이 분리하여 이루어지게 한 것이다.

이는 시료와 반응물질을 동시에 검출영역에 전달하여 각 물질간 간섭에 의해 검출감도가 낮아지는 기존 패턴구조의 단점을 시간차 공급으로 개선시킴으로써 검출감도를 향상시킬 수 있고, 다양한 물질을 순차적으로 분리공급이 가능함으로 혼합공급에 의해 발생되는 비특위적 반응을 최소화하여 정확하고 정밀한 진단이 이루어질 수 있는 패턴구조의 제공이 가능하게 되었다.

도 1 내지 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패턴구조를 도시한 평면도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 패턴구조를 나타낸 평면도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 패턴에 따른 유체흐름 과정을 나타낸 사진.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 지연패드의 유속과 유량을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 선정된 지연패드의 유속과 유량을 반복 실험한 결과를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 형광물질을 이용하여 디자인과 시간차이에 의한 유체흐름과정을 측정한 사진.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프린팅에 의해 패턴구조를 도시한 평면도이다.

참조한 바와같이 본 발명에 따른 패턴구조(10)는 종이에 인쇄기술에 의해 유기용매를 코팅하여 형성하는 것으로, 스크린 프린팅 등 다양한 방법에 의해 제작될 수 있다. 이때 사용되는 종이로는 유체를 유동시키는 다양한 종류가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 NC멤브레인(Nitrocellulose membrane; 'MILLIPORE'사 제품 )-Based(75, 95, 120, 180, 240)s 에서 선택하여 사용한다.

제작된 패턴구조(10)는 시료투입영역(21)과 진단영역(22)이 형성된 메인채널(20)과, 유체를 일정시간 지연시킨 다음 메인채널에 합류시키는 지연채널(30)과, 메인채널의 유동물질을 분리진행시키는 분리채널(40)을 포함하여 구성된다.

상기 메인채널(20)은 상하 길이방향으로 길게 형성된 형태로 일측에는 시료투입영역(21)을 형성하고 대향되는 타측 단부에는 진단영역(22)을 형성하여 유체가 시료투입영역에서 진단영역으로 유동되도록 한다. 본 발명의 도 1에서는 메인채널의 하측 단부에 검색타겟이 포함된 시료를 투입하는 시료투입영역(21)을 형성하고, 대향되는 상측 단부에 검출물질이 코팅되는 진단영역(22)을 형성하여 유체가 하부에서 상부방향으로 유동하도록 한다. 또한, 상기 메인채널(20)은 시료투입영역(21)으로 투입된 시료가 모세관 현상으로 상부로 유동되는 구간 중 중간부분에 교차영역(23)이 형성되어 다른 채널과 연통되도록 한다. 상기 교차영역(23)에서는 다른 채널로부터 유체를 유입받거나, 메인채널 내의 유체를 분리하여 배출시킨다.

상기 지연채널(30)은, 메인채널의 하부 측면에 나란히 배치되는 것으로, 버퍼가 투입되는 하단의 버퍼투입영역(32)은 지연채널의 주이동영역인 지연유동영역(31)으로부터 분리되어 구성된다. 상기 지연채널(30)의 버퍼투입영역(32)과 지연유동영역(31)은 별도의 지연패드(50)를 이용하여 연결시킴으로써 버퍼투입영역(32)으로 투입된 버퍼가 지연패드(50)를 통과하면서 유동시간이 증가되고 최종적으로는 시간차를 갖고 메인채널(20)에 합류하게 된다.

이러한 지연채널(30)은 상부가 메인채널 방향으로 꺾인 제1절곡부(33)가 형성되고, 지연채널의 상단이 메인채널의 교차영역(23)과 연통된다. 상기 지연채널과 메인채널의 연통부분을 합류부(34)라 한다.

다음으로 상기 분리채널(40)은, 메인채널의 상부와 나란히 배치되고, 하부는 제2절곡부(41)에 의해 메인채널 방향으로 꺾이고, 하단은 메인채널의 교차영역(23)과 연통된다. 상기 연통된 부분을 분리부(42)라 한다.

이러한 분리채널(40)은 메인채널(20)의 일측에 형성되되 지연채널이 형성된 방향과 대향되는 방향에 위치하여 후술되는 지연채널(30)로부터 유체가 메인채널로 유입되면 메인채널(20)을 통해 유동하던 유체가 분리채널(40)로 밀려나 분리되어 진행되도록 한다.

상기한 바와같이 제1절곡부(33)와 제2절곡부(41)는 도 2를 참조한 바와같이 유체가 유동되는 방향을 전환하는 과정에서 유속이 저하되는 것을 최소화하기 위해 곡면으로 형성하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 메인채널(20)과 지연채널(30) 및 분리채널(40)은 도면의 상하로 형성된 부분으로 각 3~5mm의 폭으로 형성하고, 상기 지연채널(30)의 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이는 1.5~2.5mm의 폭으로 형성하고, 상기 분리채널(40)의 제2절곡부(41)와 분리부(42)사이는 1.5~2.5mm의 폭으로 형성한다.

상기 메인채널과 지연채널 및 분리채널의 폭은 3mm 이하로 형성하면 유동되는 속도가 증가되어 시료 투입후 반응개시까지의 시간이 짧아 분리된 환경에서의 2단 반응을 시행하기 어려우며, 각 채널의 폭이 5mm 이상으로 형성하면 투입된 시료 및 용액이 채널을 따라 진단영역까지 전달되기 위해서 큰 용량을 요구하고 있으므로, 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지연채널(30)은 버퍼투입영역(32)을 통해 공급된 유체가 상부방향으로 유동하다가 제1절곡부(33)에서 메인채널(20) 방향으로 진행이 꺾인 다음 메인채널로 합류가 이루어지는데, 수직으로 배열된 메인채널과 지연채널 사이의 이격간격인 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이 길이는 메인채널 폭에 대해 0.5~1배의 길이로 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대 메인채널폭이 4mm로 형성하면, 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이 길이는 3~4mm 범위로 형성한다. 상기 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이의 길이가 3mm 이하의 길이로 형성되면 지연채널(30)에서 유동되는 유체가 합류부(34)를 통해 안정적인 수평층류로 전달되지 못하여 지연채널로 유동되는 유체와 메인채널로 유동되는 유체간 혼합이 발생될 수 있고, 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이의 길이가 4mm 이상으로 형성할 경우에는 안정적인 층류 상태로 메인채널로 유입이 가능하나 채널구조 자체의 폭방향 사이즈를 증가시키는 단점이 있으므로, 제1절곡부와 합류부 사이의 길이는 3~4mm의 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 지연채널(30)은 합류부(34)와 제1절곡부(33) 사이의 채널구간 폭을 제1절곡부(33)와 지연채널(30) 하단 사이의 채널구간폭보다 작은 폭으로 형성하여 메인채널로 합류하는 유체의 미는 힘을 더욱 증대시킬 수 있다. 예컨대 합류부(34)와 제1절곡부(33) 사이의 폭은 1.5~2.5mm로 형성하여 메인채널로 합류하는 유체의 유속을 증가시켜 합류하는 유체가 기존 메인채널을 주도적으로 흐르던 유체를 일측으로 밀어내는 힘이 증가하도록 한다. 이 때 1.5mm 이하로 형성할 경우 메인채널을 유동하는 유체의 유속과 합류부를 통해 유입하는 유체의 유속차이가 커서 미는 것이 아닌 혼합이 이루어지는 문제점이 있고, 2.5mm 이상으로 형성할 경우에는 합류부로 유입되는 유체의 유속이 낮아 기존 메인채널을 유동하는 유체를 미는 힘이 낮아지므로 상기 범위로 폭을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 분리채널(40)은 수직으로 배열된 메인채널과 분리체널 사이의 이격간격인 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이를 메인채널 폭에 대해 0.3~0.5배의 길이로 형성할 수 있다. 예컨대 메인채널 폭이 3~5mm인 4mm 내외일 경우 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이는 1~2mm로 형성할 수 있다. 상기 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이가 1mm 이하일 경우에는 메인채널(20)로 공급된 시료 유체가 상부로 이동되면서 분리채널(40)로 배출되는 량이 증가되어 메인채널 상부에 위치하는 진단영역(22)으로의 시료가 유동되는 량이 줄어드는 단점이 있다. 또한, 메인채널(20)을 유동하는 유체는 합류부(34)에서 배출되는 지연채널의 유체에 의해 분리부(42) 방향으로 밀려나 상향유동에서 대각선 방향으로의 유동이 이루어져 분리부를 통해 분리채널(40)로 분리하여 진행 된다. 이때 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이가 2mm 이상으로 길게 형성되면 대각선 방향으로 유동되는 유체는 분리채널 벽에 부딪친 다음 수평방향으로의 유동이 이루어지므로 분리부 내부로 유입되는 과정에서 상당한 저항이 발생된다. 이러한 저항은 분리부로 진입하는 유체로도 전달되어 유체의 진입을 일부 방해함으로 상당량은 분리채널로 분리되지 않고 메인채널을 따라 지연채널에서 합류된 유체와 함께 유동되어 진단에 영향을 미치게 되므로, 상기 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이는 1~2mm 범위내로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 분리채널(40)의 분리부(42)와 제2절곡부(41) 사이의 폭은 메인채널의 폭에 대해 0.5~1.5배 비율로 형성하며, 메인채널이 3~5mm인 4mm 내외의 폭으로 형성함으로 제2절곡부와 분리부 사이의 폭은 2~6mm의 폭으로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 제2절곡부와 분리부 사이의 폭이 2mm 이하로 형성될 경우 메인채널에서 흐르는 유체가 지연채널에서 합류된 유체에 의해 밀려나서 분리부로 전량 유입되기 어려우며, 6mm 이상으로 형성할 경우에는 지연채널에서 유체가 합류하지 않아도 메인채널로 유동되는 유체가 분리채널로 진행되는 량이 증가되어 분석물질을 포함하는 시료의 투입량을 다량 요구함으로 상기 범위로 형성하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 메인채널(20)의 교차영역(23)에 형성된 지연채널의 합류부(34)와 분리채널의 분리부(42)는 상하 이격된 위치에 위치되도록 한다.

즉, 메인채널(20)의 유체는 하부에서 상부로 유입되고, 합류부(34)에서 유입된 유체에 의해 밀려나 분리부(42)로 분리배출되어야 함으로, 유체의 이동방향에 따라 먼저 합류부(34)가 메인채널(20)과 연통되어 형성되고, 합류부보다 상부에 분리부(42)가 연통되도록 함으로써 함류부쪽에 위치한 메인채널의 유체가 분리부 쪽인 대각선 방향으로 이동하여 분리배출이 이루어지도록 한 것이다.

이때 상기 분리부(42)의 형성위치는 메인채널 측벽 중 합류부(34)의 상부측을 수평으로 연장했을 때의 교차되는 지점으로부터 분리부가 형성되도록 하여 메인채널의 수직유동유체와 합류부에서의 수평유동유체가 동일한 유속으로 부딪쳐 이동될 때 수직유동유체가 대각선 방향으로 이동하여 분리부로 분리배출이 이루어지도록 한다.

이와같이 상기 지연채널(30)의 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이부분과, 상기 분리채널(40)의 분리부(42)와 제2절곡부(41) 사이 부분은 메인채널(20)과 직교되는 방향으로 형성하여, 합류부에서 수평으로 유입되는 유체가 메인채널을 상향이동하는 유체를 측면으로 미는 힘을 최대로 높일 수 있다.

여기서 도 3을 참조한 바와같이 상기 분리채널의 분리부(42) 하단에는 확관이 이루어진 확관부(43)가 형성되도록 하여, 합류부에서 유입된 유체에 밀린 메인채널의 이동유체가 용이하게 분리채널로 유입되도록 할 수 있다. 상기 확관부(43)는 합류부(34)가 시작되는 지점과 대향되는 면으로부터 제2절곡부(41)가 시작되는 부분까지 확관이 이루어지도록 하여 합류부로부터의 유체밀림이 시작되는 위치부터 확관이 이루어지게 할 수 있다.

아울러 도 4를 참조한 바와같이 상기 지연채널의 제1절곡부(33)과 합류부(34) 사이와, 상기 분리채널의 분리부(42)와 제2절곡부(41) 사이는 상향경사를 갖도록 형성할 수 있다.

즉, 메인채널(20)을 유동하는 유체는 하부에서 상부로 유동이 이루어지므로, 합류부(34)를 통한 지연채널으로부터의 유체 유입으로 메인채널을 유동하는 유체의 유속이 저하되는 것을 최소화하기 위해 수직이 아닌 경사방향으로 합류가 이루어지게 할 수 있다. 이 때 상기 메인채널과 형성하는 상향경사 각도로는 측면 밀림을 발생시킬 수 있는 30ㅀ 이상의 각도로 형성하며, 합류에 의한 유속의 급격한 저하를 방지하도록 60ㅀ 이하로 형성할 수 있다.

이와같이 합류부를 형성하는 지연채널 부위를 경사지게 형성하면 지연채널에서 배출되는 유체에 의해 메인채널을 상향통과하는 유체가 측면으로 밀리는 정도가 낮아짐으로, 분리부에서의 분리배출이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다.

따라서, 도 5를 참조한 바와같이 지연채널(30)은 합류부(34)를 형성하는 상부벽이 메인채널 방향으로 일정폭 돌출된 돌출부(35)를 더 형성하여, 지연채널에서 합류하는 유체가 메인채널 중심방향으로 더 내입되도록 하여 메인채널로 유동되는 기존 유체가 측면으로 충분히 밀려나게 할 수 있다. 상기 돌출부(35)는 메인채널 폭의 0.2~0.4배 비율로 돌출된다. 상기 0.2배 이하로 돌출되면 메인채널 중심방향으로 내입되는 정도가 낮아 돌출부를 형성하는 정도가 낮고, 0.4배 이상으로 돌출시키면 과도한 돌출에 의해 합류부를 통해 메인채널로 유입된 유체가 메인채널의 하부에서 상부로 수직유동하는 유체와 혼합되는 문제점이 발생될 수 있으므로 돌출부는 상기 범위내로 돌출시키는 것이 바람직하다.

도 6을 참조한 바와같이 메인채널에 대한 시료투입을 별도의 접합패드(Conjugate pad : 60)에 의해 제공되도록 하여 시료투입영역을 제거하고, 메인채널(20) 하단으로부터 지연채널(30) 합류부(34)까지의 길이를 짧게 형성하였다. 이와같이 메인채널의 교차영역(23) 하부를 짧게 형성하면 메인채널 하단에 겹쳐서 안치되는 접합패드(60)를 통해 투입되는 유체가 교차영역(23)을 진입하는 시간을 단축시켜 지연채널(30)로부터 유체가 합류되는 시점까지의 시간간격을 더욱 증대시킬 수 있다.

일예로 상기 메인채널(20)과 지연채널(30) 및 분리채널(40)에서 수직방향으로 배열된 폭은 4mm로 형성하고, 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이의 지연채널 폭은 2mm로 형성하고, 분리부(42)는 45ㅀ의 경사를 갖는 확관부(43; 합류부 하부와 대향되는 메인채널 내벽면으로부터 제2절곡부 시작지점까지 연결된 부분)가 더 형성되어 유입부분의 폭을 증가시켰다.

또한, 메인채널(20)은 하단에서 합류부(34) 시작지점까지 3mm로 형성하고, 지연채널(30)도 제1절곡부(33)가 시작된 부분부터 하부로 3mm 지점을 버퍼투입영역(32)과 분리되도록 이격시켰고, 이격폭은 1mm로 하였다. 상기 버퍼투입영역은 상하 5.5mm의 길이로 형성하여 투입되는 용액을 충분하게 흡수할 수 있도록 한다.

여기서 상기 메인채널 하단에 접착되는 접착패드(60; Conjugate pad)와 지연채널의 버퍼투입영역(32)과 지연유동영역(31)을 연결하는 지연패드(50; Delayed release pad)는 메인채널의 폭과 동일한 폭과 길이를 갖는 정사각형으로 형성할 수 있다.

또한, 접착패드와 지연패드로 비대칭멤브레인(Asymmetric Membrane; PALL 사 제품)을 사용할 경우에는 길이를 다소 증가시켜 여러 침전물의 필터링역할을 동시에 수행하게 할 수 있다. 예컨대 메인채널(20) 폭을 4mm로 형성하고, 접착패드(60)와 지연패드(50)를 비대칭멤브레인으로 사용하면 접착패드와 지연패드 각각은 폭은 4mm 로 형성하고 길이는 4.5mm로 형성하여 사용할 수 있다. 여기서 상기 비대칭멤브레인은 혈장 및 침전물의 필터링을 위해서는 PALL사 제품 중 "Vivid GX, Vivid GR, Vivid GF"을 선택하여 사용할 수 있고, 반응물의 흐름속도를 조절 및 침전물의 필터링을 위해서는 PALL사 제품 중 "포어(pore) 사이즈가 0.45㎛, 0.8㎛, 8㎛ 인 비대칭 슈퍼 미크론 폴리설폰(Asymmetric super micron polysulfone; MMM)"을 선택하는 등 사용목적에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.

또한, 상기 분리채널(40)은 제2절곡부(41)가 형성된 지점에서 상단까지 21mm 로 형성하여 교차영역(23)에서 지연채널(30)로부터 유입된 유체에 의해 밀려난 유체가 유입되어 충분히 진행될 수 있게 하였다.

또한, 상기 메인채널은 상단이 분리채널과 동일한 수평상에 위치하도록 연장되어 교차영역을 통과한 유체의 유동거리를 증가시킬 수 있다.

이러한 메인채널(20)은 도 7을 참조한 바와 같이 교차영역(23)과 상단 사이에 분리영역(24)을 더 형성할 수 있다.

상기 분리영역(24)은 검출이 이루어지는 진단영역(22) 하부에 위치하여 추가로 안치되는 접착패드(60)에 의해 상하 이격된 채널이 연결되도록 한다. 상기 이격은 1mm 내외로 형성되며, 분리부(42)로부터 상부로 4~5mm 지점에 형성하여 교차영역(23)을 통과한 유체가 접착패드(60)에 의해 상부의 진단영역(22)으로 유동되게 할 수 있다.

이와같이 채널 유동구간에 지연패드(50)나 접착패드(60)를 추가 구성하는 것은 투입되는 시료 또는 완충용액에 포함되어 있는 침전물 또는 진행과정에서 발생된 침전물을 필터링하여 제거하여 진단영역에서의 검출감도를 증가시키거나, 유체의 유동속도를 조절하기 위한 것이다.

따라서, 상기 분리영역은 도 6의 패턴에 적용한 도 7 패턴 이외에 도 1 내지 5에도 적용하여 상기 효과를 제공할 수 있다.

또한, 도 7에 기재된 사이즈는 본 발명의 실시예 중 하나에 대한 것으로, 도시된 사이즈 뿐만 아니라 각 사이즈를 -20 ~ +20%의 범위로 변경하여 실시하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다 할 것이다.

실시예

실험예1) 패턴구조에 대한 유체흐름 측정

도 8은 NC(니트로 셀룰로스)멤브레인에 유기화합물을 프린트하여 다양한 패턴구조를 나타낸 도면이다.

(A)는 메인채널과 지연채널 및 분리채널에서 수직배치된 부분은 4mm의 폭을 갖도록 하였고, 서로 4mm로 이격되도록 배치하였다. 또한, 제1절곡부와 합류부 사이와 제2절곡부와 분리부 사이는 2mm 폭으로 하였고, 제1절곡부에서 제2절곡부로 45ㅀ로 상향경사를 갖도록 형성하였다.

(B)는 (A)와 동일하게 채널패턴을 형성하되 제2절곡부와 분리부 사이의 분리채널 폭을 메인채널과 동일한 4mm폭으로 형성하였다.

(C)는 (A)와 동일하게 채널패턴을 형성하되, 수직배치된 분리채널과 메인채널 사이의 간격을 1.5mm로 설정하였고, 제2절곡부의 외각을 곡면으로 형성하였다. 또한, 합류부에는 메인채널의 중심 방향으로 메인채널폭의 1.5mm로 돌출된 돌출부를 형성하였다.

(D)는 메인채널과 지연채널 및 분리채널에서 수직배치된 부분은 4mm의 폭을 갖도록 하였고, 메인채널에 대해 분리채널은 1.5mm로 이격시키고, 지연채널은 4mm로 이격시켰다. 또한, 제1절곡부와 합류부 사이와 제2절곡부와 분리부 사이는 2mm 폭으로 하였고, 수평배치하여 메인채널과 교차되도록 하였다. 또한, 분리부 하부에는 확관부를 형성하여 분리채널로 유입되는 부분을 확관시켰다.

지연채널의 버퍼투입영역과 지연유동영역을 연결하는 지연패드로는 포어 사이즈가 0.8㎛인 비대칭 슈퍼 미크론 폴리설폰(Asymmetric super micron polysulfone)을 사용하였다.

유체흐름을 파악하기 위해 메인채널에는 시료투입영역 상부에 식용색소 blue와 1%(v/v) 계면활성제(제품명 : fitzgerald 사의 surfactant 10G)를 도포한 후 건조하였고, 지연채널에는 지연패드에 식용색소 red와 1%(v/v) 계면활성제(제품명 : fitzgerald 사의 surfactant 10G)를 도포한 다음 건조시켰다.

메인채널의 시료투입영역과 지연채널의 버퍼투입영역에 각각 1 X PBS(Phosphate Buffered Saline)를 투입하여 유체가 상측으로 유동되도록 하였다.

도 9은 도 8의 A, B, C, D 패턴에 따른 유체흐름 과정을 단계적으로 나타낸 사진이다.

4가지 패턴 모두 메인채널의 유체가 먼저 주도적으로 흘러 메인채널 상부의 진단영역으로 진행하였고, 일전시간 지연 후 지연패널의 유체가 메인채널로 공급되어 기존 메인패널 유체를 일측으로 밀어내어 유체 유동이 이루어졌다.

이때 A패턴과 B패턴의 경우에는 지연채널의 red유체(식용색소 red가 혼합된 유체)가 메인채널의 blue유체(식용색소 blue가 혼합된 유체)를 미는 힘이 약해서 blue유체 일부가 같이 진단영역으로 흘러가는 것을 확인할 수 있다.

C패턴과 D패턴의 경우에는 지연채널에서 유입된 red유체가 메인채널의 blue유체를 측면으로 충분히 밀어내어 blue유체가 분리채널로만 유동됨을 알 수 있으며, D패턴에서 가장 좋은 효과가 나타났다.

이와같이 4가지 패턴 모두 지연채널에서 유입된 유체에 의해 메인채널로 흐르는 유체가 분리채널로 70~100%까지 밀려나서 분리진행 됨을 알 수 있었다.

실험예2) 비대칭멤브레인(Asymmetric Membrane)의 유동측정

지연패드로 사용되는 비대칭멤브레인으로 PALL사 제품에서 Vivid 중 GX, GR, GF를 선정하였고, 비대칭 슈퍼 미크론 폴리설폰(Asymmetric super micron polysulfone) 중 포어사이즈가 0.45, 0.8, 8 인 것을 선정하여 각각 GR, GX, GF, 0.45, 0.8, 8 으로 나타내었다.

선정된 각 비대칭멤브레인에는 실험예1의 D패턴을 적용하되, 추가적으로 메인채널에서 교차영역 하부를 3mm의 길이를 갖도록하여 도 6의 형태를 갖도록 하였고, 메인채널 하단은 접착패드를 일부분 겹치게 안치되도록 하였고, 접착패드는 지연패드와 동일한 제품을 사용하였다.

메인채널 하단의 접착패드는, 10ug/ml STA-650(Dylight 사의 형광염료)와 10KDa 1%(v/v) 농도의 PVP(Polyvinylpyrrolidone), 0.5%(v/v) 계면활성제(제품명 : fitzgerald 사의 surfactant 10G)를 1 X PBS(phosphate buffered saline) 버퍼에 희석하여 10ul의 볼륨으로 37ㅀC에서 건조하였다.

지연채널의 지연패드는, 10ug/ml STA-550(Dylight 사의 형광염료)와 10KDa 1%(v/v) 농도의 PVP(Polyvinylpyrrolidone), 0.5%(v/v) 계면활성제(제품명 : fitzgerald 사의 surfactant 10G)를 1 X PBS(phosphate buffered saline) 버퍼에 희석하여 10ul의 볼륨으로 37ㅀC에서 건조하였다.

메인채널 하단에 안치된 접착패드와, 지연채널의 버퍼투입영역에는 1 X PBS 버퍼를 사용하여 투입하고, 1 min 간격으로 지연패드로부터 형광염료가 흘러나오는 시간(DP flow)과 지연채널에서 유입된 유체에 의해 메인채널을 유동하는 유체가 분리채널로 밀려나는 시간(Ratio)을 측정하여 도 10에 나타내었다.

도10을 참조한 바와같이 지연패드의 비대칭멤브레인으로는 가장 늦게 형광염료가 흘러나온 GF와 0.45를 선택하였고, 둘 중 메인채널을 유동하는 기존 유체를 분리채널로 모두 밀러내는 시간이 10분 미만으로 나타난 GF를 최종 선정하였다.

선정된 GF 비대칭멤브레인을 대상으로 지연패드로부터 형광염료가 흘러나오는 시간(DP flow)과 지연채널에서 유입된 유체에 의해 메인채널을 유동하는 유체가 분리채널로 밀려나는 시간(Ratio)을 수회 반복 실험하여 도 11에 나타내었다.

반복실험시 5회 모두 유사한 측정값이 나타남을 알 수 있어 최종적으로 지연패드로 사용할 비대칭멤브레인으로 GF를 선정하였다.

실험예3) 패턴의 유체흐름 확인

도 6의 패턴구조에 지연패드와 접착패드로 비대칭멤브레인 GF를 사용하였고, 나머지는 실험예2와 동일한 조건으로 실험하여 1분 간격으로 유체흐름을 측정해 도 12에 나타내었다.

참조한 바와같이 메인채널은 먼저 접착패드의 유체가 주도적으로 유동하여 상부의 진단영역으로 유동되고, 2분이 경과된 시점부터 지연패드를 통과한 유체가 메인채널의 측면으로부터 유입되면서 메인채널을 주도적으로 유동하던 유체가 일측으로 밀려나기 시작하였다. 일측으로 밀려난 접착패드를 통과한 유체는 분리채널로 분리되어 진행하고, 11분이 경과된 시점에서는 메인채널의 상부 진단영역에는 지연채널에서 유입된 유체만 전달되고, 접착패드를 통과한 유체는 분리채널로 분리되어 유동되는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 진단영역에 서로 다른 물질을 순차적으로 공급해야 정확한 검출이 가능한 진단방법에 적용하여 간편한 진단이 가능하게 할 수 있다.

10 : 패턴구조
20 : 메인채널
21 : 시료투입영역 22 : 진단영역
23 : 교차영역 24 : 분리영역
30 : 지연채널
31 : 지연유동영역 32 : 버퍼투입영역
33 : 제1절곡부 34 : 합류부
35 : 돌출부
40 : 분리채널
41 : 제2절곡부 42 : 분리부
43 : 확관부
50 : 지연패드
60 : 접착패드

Claims (10)

1. 종이에 인쇄기술을 이용하여 채널을 형성한 진단센서의 패턴구조에 있어서,
   상하 방향으로 길게 형성되어 하부에서 상부로 유체가 유동되도록 하고, 하부의 단부에는 시료를 투입하는 시료투입영역(21)이 형성되고, 상부의 단부에는 검출물질이 코팅되는 진단영역(22)이 형성되며, 중간부분에는 다른 채널과 연결되는 교차영역(23)이 형성된 메인채널(20)과;
   상기 메인채널의 일측에 나란히 형성되되, 주이동영역인 지연유동영역(31)과 상기 지연유동영역 하단과 이격되어 버퍼가 투입되는 버퍼투입영역(32)을 분리구성하고, 지연패드(50)로 두 영역을 연결해 버퍼가 메인채널로 전달되는 시간이 지연되도록 하고, 상부는 메인채널 방향으로 곡면으로 꺾인 제1절곡부(33)가 형성되어 상단이 메인채널의 교차영역에 연통되는 합류부(34)를 갖는 지연채널(30)과;
   상기 메인채널의 양측 중 지연채널과 대향되는 측면에 나란히 형성되되, 하부는 메인채널 방향으로 곡면으로 꺾인 제2절곡부(41)가 형성되어, 하단이 메인채널의 교차영역에 연통되는 분리부(42)를 갖는 분리채널(40);을 포함하여 구성되되,
   상기 메인채널폭은 3~4mm이고,
   상기 지연채널(30)은 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이의 길이가 3~4mm이고,
   상기 분리채널(40)은 제2절곡부(41)와 분리부(42) 사이의 길이가 1~2mm로 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 메인채널의 교차영역(23)은 분리부(42)를 합류부(34) 상부에 위치시키되, 상기 분리부는 합류부를 형성하는 지연채널(30)의 연장된 부분과 교차되는 지점으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴구조.
5. 제4항에 있어서,
   상기 지연채널(30)의 제1절곡부(33)와 합류부(34) 사이부분과, 상기 분리채널(40)의 분리부(42)와 제2절곡부(41) 사이 부분은 메인채널과 직교되는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴구조.
6. 제5항에 있어서,
   상기 분리채널(40)의 분리부(42) 하단에는 합류부(34)가 시작되는 지점과 대향되는 지점으로부터 제2절곡부(41)가 시작되는 지점까지 확관된 확관부(43)가 형성되는 것을 특징으로 하는 패턴구조.
7. 제4항에 있어서,
   상기 지연채널(30)은 제1절곡부(33)에서 합류부(34) 방향으로 상향경사를 갖도록 형성하고,
   상기 분리채널(40)은 분리부(42)에서 제2절곡부(41) 방향으로 상향경사를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 패턴구조.
8. 제4항에 있어서,
   상기 메인채널(20)과 연통된 지연채널(30)의 상부벽에는 메인채널 중심 방향으로 돌출된 돌출부(35)를 더 형성하여 지연채널에서 합류하는 유체를 메인채널 중심방향으로 내입되어 유동되도록 한 것을 특징으로 하는 패턴구조.
9. 제4항에 있어서,
   상기 메인채널(20)은 교차영역에서 하단까지의 길이를 2~5mm로 형성해 시료투입영역을 제거하고, 메인채널 하단에 접합패드(60)를 일부분 겹치도록 안치하여 시료투입영역을 대체하도록 한 것을 특징으로 하는 패턴구조.
10. 제4항에 있어서,
    상기 메인채널(20)은 교차영역(23)과 진단영역(22) 사이에서 교차영역과 근접한 부분에 채널을 분리시키는 분리영역(24)을 더 형성하고, 접합패드(60)에 의해 분리영역의 상하부가 연결되도록 한 것을 특징으로 하는 패턴구조.
    
    

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