KR101984699B1 - 핵산 분석용 미세 유체 시스템 - Google Patents

핵산 분석용 미세 유체 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101984699B1
KR101984699B1 KR1020130008210A KR20130008210A KR101984699B1 KR 101984699 B1 KR101984699 B1 KR 101984699B1 KR 1020130008210 A KR1020130008210 A KR 1020130008210A KR 20130008210 A KR20130008210 A KR 20130008210A KR 101984699 B1 KR101984699 B1 KR 101984699B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
chamber
chambers
nucleic acid
reagent
rehydration
Prior art date
Application number
KR1020130008210A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20140095342A (ko
Inventor
박진성
남궁각
심준섭
정원석
김경호
김준호
정원종
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020130008210A priority Critical patent/KR101984699B1/ko
Priority to US14/074,590 priority patent/US9657341B2/en
Priority to EP14150193.2A priority patent/EP2759344B1/en
Publication of KR20140095342A publication Critical patent/KR20140095342A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101984699B1 publication Critical patent/KR101984699B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6844—Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686—Polymerase chain reaction [PCR]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L7/00—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices
    • B01L7/52—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples
    • B01L7/525—Heating or cooling apparatus; Heat insulating devices with provision for submitting samples to a predetermined sequence of different temperatures, e.g. for treating nucleic acid samples with physical movement of samples between temperature zones
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/08—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a stream of discrete samples flowing along a tube system, e.g. flow injection analysis
    • G01N35/085—Flow Injection Analysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
    • B01L2200/025—Align devices or objects to ensure defined positions relative to each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
    • B01L2200/028—Modular arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
    • B01L2200/0684—Venting, avoiding backpressure, avoid gas bubbles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/10—Integrating sample preparation and analysis in single entity, e.g. lab-on-a-chip concept
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0672—Integrated piercing tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0864—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices comprising only one inlet and multiple receiving wells, e.g. for separation, splitting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0867—Multiple inlets and one sample wells, e.g. mixing, dilution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0633—Valves, specific forms thereof with moving parts
    • B01L2400/0655—Valves, specific forms thereof with moving parts pinch valves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/06—Valves, specific forms thereof
    • B01L2400/0677—Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers
    • B01L2400/0683—Valves, specific forms thereof phase change valves; Meltable, freezing, dissolvable plugs; Destructible barriers mechanically breaking a wall or membrane within a channel or chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084—Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/52—Containers specially adapted for storing or dispensing a reagent
    • B01L3/527—Containers specially adapted for storing or dispensing a reagent for a plurality of reagents

Abstract

핵산 분석용 미세 유체 시스템은 검사 대상인 샘플이 주입되는 샘플 챔버, 상기 샘플로부터 핵산을 추출하기 위한 시약이 주입되는 복수의 시약 챔버, 사용된 시약이 버려지는 웨이스트 챔버가 구비된 시약 공급 장치; 상기 샘플로부터 세포를 포획하고, 포획된 세포를 파쇄하여 핵산이 함유된 세포 용해물(cell lysate)을 형성하는 바인딩-라이시스(binding-lysis) 챔버; 상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(lysate)이 분배되어 유입되어 증폭 반응 혼합물을 형성하는 복수의 리하이드레이션(rehydration) 챔버; 상기 복수의 리하이드레이션 챔버로부터 유입되는 상기 증폭 반응 혼합물에 대해 핵산 증폭 반응을 진행하는 복수의 증폭 챔버; 상기 시약 공급 장치와 연결되는 유출구 및 복수의 유입구를 구비하며, 상기 바인딩-라이시스 챔버, 리하이드레이션 챔버, 증폭 챔버간의 일체화된 유체 유동을 형성하는 유로 시스템;을 포함한다.

Description

핵산 분석용 미세 유체 시스템{Micro-fluidic system for analysis of nucleic acid}
본 개시는 세포 포획, 파괴, 핵산 추출 및 증폭을 수행하는 미세 유체 시스템에 관한 것이다.
현장 검사(Point of Care) 시대가 도래함에 따라 유전자 분석 및 체외 진단, 그리고 유전자 염기 서열 분석 등의 중요성이 부각되고 있으며, 또한 그에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.
최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다.
한편, 샘플에서 특정 DNA의 존재 여부 또는 DNA의 양을 정확히 알기 위해서는, 실제 샘플을 정제/추출한 후 측정 가능하도록 충분히 증폭하는 과정이 요구된다. 다양한 유전자 증폭 방법 중에서 예를 들어 중합효소연쇄반응(polymerase chain reaction; PCR)이 가장 널리 쓰인다.
PCR 진행을 위해서는 생물학적 샘플로부터, 세포를 포획(cell capture)하는 과정, 세포 파쇄를 통해 핵산을 추출(extraction)하는 과정, 핵산을 PCR 시약과 혼합하는 과정이 수행되어야 한다.
본 개시는 샘플로부터 세포를 포획, 포획된 세포를 파쇄하여 핵산을 추출하고 핵산 증폭 반응을 진행하는 일련의 과정을 하나의 디바이스에서 수행할 수 있는 핵산 분석용 미세 유체 시스템을 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 핵산 분석용 미세 유체 시스템은 검사 대상인 샘플이 주입되는 샘플 챔버, 상기 샘플로부터 핵산을 추출하기 위한 시약이 주입되는 복수의 시약 챔버, 사용된 시약이 버려지는 웨이스트 챔버가 구비된 시약 공급 장치; 상기 샘플로부터 세포를 포획하고, 포획된 세포를 파쇄하여 핵산이 함유된 세포 용해물(lysate)을 형성하는 곳으로, 세포 포획을 위한 다수의 입자가 배치된 바인딩-라이시스(binding-lysis) 챔버; 상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(cell lysate)이 분배되어 유입되며, 각각에 핵산 증폭 시약이 배치되어, 유입된 세포 용해물과 상기 핵산 증폭 시약을 혼합하여 증폭 반응 혼합물을 형성하는 복수의 리하이드레이션(rehydration) 챔버; 상기 복수의 리하이드레이션 챔버로부터 유입되는 상기 증폭 반응 혼합물에 대해 핵산 증폭 반응을 진행하는 복수의 핵산 증폭 챔버; 상기 시약 공급 장치와 연결되는 유출구 및 복수의 유입구를 구비하며, 상기 바이딩-라이시스 챔버, 리하이드레이션 챔버, 핵산 증폭 챔버간의 일체화된 유체 유동을 형성하는 유로 시스템;을 포함한다.
상기 복수의 시약 챔버는 라이시스 버퍼가 주입된 라이시스 버퍼 챔버와, 와싱 버퍼가 주입된 와싱 버퍼 챔버를 포함할 수 있다.
상기 샘플 챔버, 라이시스 버퍼 챔버, 와싱 버퍼 챔버의 바닥면에는 각각 외부 충격에 의해 파손되며 주입된 용액을 외부로 토출하는 파쇄용 패턴이 형성되어 있고, 상기 복수의 유입구는 상기 파쇄용 패턴에 충격을 가하는 니들(needle) 형태를 가질 수 있다.
상기 웨이스트 챔버의 바닥면에는 외부 충격에 의해 파손되는 파쇄용 패턴이 형성되어 있고, 상기 유출구는 상기 파쇄용 패턴에 충격을 가하는 니들(needle)형태를 가질 수 있다.
상기 시약 공급 장치의 라이시스 버퍼 챔버로부터 공급되는 라이시스 버퍼의 양을 정량하기 위한 하나 이상의 미터링 챔버가 더 마련될 수 있다.
상기 바인딩-라이시스 챔버에서 세포 파쇄시 발생할 수 있는 버블을 제거하기 위한 하나 이상의 버블 트랩 챔버가 더 마련될 수 있다.
상기 바인딩-라이시스 챔버에 마련된 입자는 직경이 1~1000um일 수 있고, 상기 입자의 양은 상기 입자의 양은 1~100mg일 수 있다.
상기 복수의 리하이드레이션 챔버는 각각, 분리된 두 개의 서브 챔버를 포함하며, 상기 핵산 증폭 시약이 상기 두 개의 서브 챔버에 나누어 배치될 수 있다.
상기 복수의 리하이드레이션 챔버 각각에서, 하나의 서브 챔버에는 핵산을 포함한 시료가 배치되고, 나머지 하나에는 중합 효소(enzyme)를 포함한 시약이 배치될 수 있다.
상기 핵산을 포함한 시료는 프로브(probe) 및 프라이머(primer) 중 하나 이상을 포함하는 시료일 수 있다.
상기 핵산 증폭 시약은 동결 건조된 형태일 수 있다.
상기 서브 챔버의 측면은 곡면 형상으로, 상기 유입된 핵산 용해물의 유동 경로의 폭이 중심부에서 가장 좁은 형태일 수 있다.
상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(lysate)의 양을 정량하고 이를 상기 복수의 리하이드레이션 챔버에 분배하기 위한 복수의 미터링 챔버가 더 마련될 수 있다.
상기 핵산 분석용 미세 유체 시스템은 상면에 상기 시약 공급 장치와 연결되는 상기 유입구, 유출구가 형성되고, 상기 바인딩-라이시스 챔버 공간을 형성하는 제1관통홀 및 상기 복수의 리하이드레이션 챔버의 공간을 형성하는 복수의 제2관통홀들이 형성되고, 하면에 상기 복수의 핵산 증폭 챔버 공간을 형성하기 위해 인입된 그루브 패턴이 형성된 유체 파트; 상기 유체 파트의 하면에 접합되어, 상기 바인딩-라이시스 챔버 및 복수의 리하이드레이션 챔버의 바닥면을 형성하는 것으로, 탄성이 있는 물질로 이루어진 멤브레인 파트; 상기 멤브레인의 하면에 접합되며, 상기 멤브레인의 소정 위치에 공압을 인가하기 위한 다수의 포트가 형성된 공압 파트;를 포함할 수 있다.
상기 유체 파트의 하면에는 상기 유로 시스템을 구현하는 마이크로 채널 및 상기 공압 파트에 의해 인가된 공압에 의해 마이크로 채널을 지나는 유체의 흐름을 막을 수 있는 마이크로 밸브가 형성될 수 있다.
상기 제1관통홀에 세포 포획을 위한 다수의 입자가 배치되고, 상기 제1관통홀을 덮는 커버가 구비될 수 있다.
상기 복수의 제2관통홀을 덮는 것으로, 상기 복수의 제2관통홀에 대응하는 위치에 복수의 돌출부가 형성되고, 상기 복수의 돌출부에 소정 형상으로 인입된 복수의 그루브가 형성되고, 상기 그루브에 상기 핵산 증폭 시약이 동결 건조된 상태로 배치된 리하이드레이션 커버가 구비될 수 있다.
상기 돌출부의 직경은 상기 제2관통홀의 직경보다 크게 형성되며, 상기 돌출부가 상기 제2관통홀에 끼워짐으로써 상기 그루브의 실링(sealing)이 이루어질 수 있다.
상기 복수의 제2관통홀을 덮는 것으로, 상기 복수의 제2관통홀에 대응하는 위치에 소정 형상으로 인입된 복수의 그루브가 형성되고, 상기 그루브에 상기 핵산 증폭 시약이 동결 건조된 상태로 배치된 리하이드레이션 커버가 구비될 수 있다.
상기 복수의 그루브 각각은, 서로 분리된 2개의 서브 그루브를 포함하고, 상기 핵산 증폭 시약이 상기 두 개의 서브 그루브에 나누어 배치될 수 있다.
상기 복수의 그루브 각각에서, 하나의 서브 그루브에는 핵산을 포함하는 시료가 배치되고, 나머지 하나에는 중합 효소(enzyme)을 포함한 시료가 배치될 수 있다.
상기 핵산을 포함하는 시료는 프로브(probe) 및 프라이머(primer) 중 하나 이상을 포함한 시료일 수 있다.
상기 서브 그루브의 측면은 곡면 형상이며, 중심부의 폭이 가장 좁은 형태일 수 있다.
상기 서브 그루브의 가장 좁은 폭을 형성하는 위치의 양측 모서리 외각은 30˚~90˚의 범위일 수 있다.
상기 핵산 증폭 챔버의 바닥면을 형성하는 것으로, 상기 유체 파트의 하면에 인입 형성된 그루브 패턴을 덮는 PCR 필름이 구비될 수 있다.
상기 유체 파트의 상면에는 상기 리하이드레이션 챔버에서 형성된 증폭 반응 혼합물이 상기 핵산 증폭 챔버로 이동하는 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 유체 파트의 상면으로부터 인입된 형상의 브릿지 패턴이 형성될 수 있다.
상기 브릿지 패턴은 복수의 서브 패턴을 포함하며, 상기 복수의 서브 패턴 각각은 상기 유체 파트를 관통하여 상기 멤브레인을 마주하는 홀, 상기 유체 파트를 관통하여 상기 PCR 필름을 마주하는 홀, 상기 유체 파트의 상면에서 두 홀을 연결하며 인입된 브릿지 그루브를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 유체 파트의 상면에, 상기 복수의 서브 패턴을 전체적으로 덮는 브릿지 커버가 마련될 수 있다.
상기 유체 파트의 하면에는 상기 시약 공급 장치의 라이시스 버퍼 챔버로부터 공급되는 라이시스 버퍼의 양을 정량하는 하나 이상의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 더 형성될 수 있다.
상기 유체 파트의 하면에는 상기 바인딩-라이시스 챔버에서 세포 파쇄시 발생할 수 있는 버블을 제거하는 하나 이상의 버블 트랩 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 더 형성될 수 있다.
상기 유체 파트의 하면에는 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 용해물(lysate)의 양을 정량하고 이를 상기 복수의 리하이드레이션 챔버에 분배하는 복수의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 형성될 수 있다.
상기 유체 파트의 상부에는 상기 시약 공급 장치를 장착하기 위한 가이드 파트가 더 배치될 수 있다.
상기 유체 파트는 투명한 폴리머 재질로 형성될 수 있고, 예를 들어, PC(polycarbonate), PMMA(poly methyl methacrylate), PS(Polystylene), COC(cyclic olefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘(silicone) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 멤브레인은 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘(silicone)으로 형성될 수 있다.
상기 공압 파트는 투명한 폴리머 재질로 형성될 수 있다.
상기 핵산 분석용 미세 유체 시스템은 검사하고자 하는 샘플이 주입되면, 샘플에 존재하는 세포를 포획하고, 포획된 세포에서 핵산을 추출한 후, 핵산 증폭 시약과 혼합하여 핵산 증폭 반응에 이르는 일련의 단계가 장치 내에서, 순차적으로 수행되므로, 간편하고, 정확한 검사가 가능하다.
또한, 샘플로부터 핵산 추출 후 핵산 증폭 반응 진행까지의 과정에서 발생할 수 있는 외부로부터의 오염을 방지할 수 있어 각각의 단계가 분리된 시스템에서 진행되는 경우에 비해 안정적인 검사가 가능하다.
또한, 하나의 샘플을 동일한 복수의 챔버로 나누어 PCR을 진행하는 멀티플렉스(multiplex) PCR이 가능하므로, 다양한 임상 진단의 목적으로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 미세 유체 시스템의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 미세 유체 시스템에서 수행하는 일련의 단계를 보이는 흐름도이다.
도 3은 실시예에 따른 미세 유체 시스템의 개략적인 외부 형태를 보인 사시도이다.
도 4는 도 3의 미세 유체 시스템을 이루는 구성요소를 분해하여 보인 분해 사시도이다.
도 5는 도 3의 미세 유체 시스템의 평면도이다.
도 6a는 도 3의 미세 유체 시스템의 유체 파트의 하면에 형성된 PCR 챔버 공간을 형성하기 위해 그루브 패턴을 보인다.
도 6b는 도 6a의 A-A'단면도이다.
도 7은 도 3의 미세 유체 시스템의 유체 파트의 상면에 형성된 니들 형태의 유입구, 유출구 형상을 보인다.
도 8a는 리하이드레이션 커버의 구조를 보인 평면도이다.
도 8b는 도 8a의 A-A 단면도이다.
도 8c는 도 8a의 B-B 단면도이다.
도 9a는 리하이드레이션 커버와 유체 파트가 결합된 상태를 보인 평면도이다.
도 9b는 도 9a의 A-A 단면도이다.
도 9c는 도 9b의 일부를 상세히 보인 확대도이다.
도 10a는 브릿지 커버와 유체 파트가 결합된 상태를 보인 평면도이다.
도 10b는 도 10a의 A-A 단면도이다.
도 10c는 도 10b의 일부를 상세히 보인 확대도이다.
도 11a 내지 도 11c는 시약 공급 장치가 장착되는 가이드 파트의 상세한 구조를 보인다.
도 12a 내지 도 12c는 시약 공급 장치의 외형 구조를 보인다.
도 13a 내지 도 13t는 실시예에 따른 미세 유체 시스템에서 도 2와 같은 흐름도에 따른 단계가 실행되는 과정을 유체 이동에 필요한 밸브 동작과 함께 보인 평면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 미세 유체 시스템(1)의 개략적인 구조를 보이는 블록도이고, 도 2는 도 2는 실시예에 따른 미세 유체 시스템(1)에서 수행하는 일련의 단계를 보이는 흐름도이다.
미세 유체 시스템(1)은 시약 공급 장치(50), 바이딩-라이시스 챔버(117), 리하이드레이션 챔버(R1~R7), 핵산 증폭 챔버(P1~P7) 및 시약 공급 장치(50), 바이딩-라이시스 챔버(117), 리하이드레이션 챔버(R1~R7), 핵산 증폭 챔버(P1~P7)간의 일체화된 유체 유동을 형성하는 유로 시스템(미도시)을 포함한다.
시약 공급 장치(50)는 검사 대상인 샘플, 샘플 검사를 위해 사용되는 반응 시약을 저장, 이동, 공급할 수 있는 장치로서, 샘플이 주입되는 샘플 챔버와 복수의 시약 챔버와 사용된 시약이 버려지는 웨이스트 챔버를 구비한다. 복수의 시약 챔버는 예를 들어, 세포 파쇄(cell lysis)를 위한 라이시스 버퍼(lysis buffer)가 주입된 라이시스 버퍼 챔버, 와싱 버퍼(washing buffer)가 주입된 와싱 버퍼 챔버일 수 있다.
바인딩-라이시스 챔버(117)는 세포를 포획(cell binding)하고, 이로부터 DNA를 용출(DNA elution)하는 일련의 과정이 수행되는 곳이다. 바인딩-라이시스 챔버(117)에는 세포 포획을 위한 다수의 입자가 배치되어 있다. 입자는 직경이 약 1~1000um 일 수 있고, 입자의 양은 약 1~100mg 일 수 있다. 상기 입자는 임의의 형상을 가질 수 있다. 상기 입자는 비드(bead), 구형, 평판, 기둥, 체 또는 필터, 겔, 막, 섬유, 또는 이드의 조합의 형상을 갖는 것일 수 있다. 또한, 상기 입자는 자성을 갖는 것일 수 있다. 상기 입자는 예를 들면, 유리, 실리카, 라텍스 또는 중합체성 물질로 제조될 수 있다.
샘플 챔버로부터 바이딩-라이시스 챔버(117)에 샘플이 주입되면, 바이딩-라이시스 챔버(117)에 마련된 다수의 입자에 세포가 결합된다. 상기 입자의 표면에는 세포에 결합하는 물질이 포함될 수 있고, 상기 물질은 세포에 특이적 또는 비특이적으로 결합하는 것일 수 있다. 상기 물질은 세포 표면의 물질에 특이적으로 결합하는 물질, 예를 들면, 항체 또는 리간드를 포함할 수 있다. 상기 물질은 수접촉각（water contact angle）이 70-90도의 소수성을 갖는 물질, 또는 하나이상의 아미노기를 갖는 물질일 수 있다. 상기 소수성 물질의 예는 표면이 옥타데실트리클로로실란(OTS), 트리데카플루오로테트라히드로옥틸 트리메톡시실란(DTS), 옥타데실디메틸(3-트리메톡시실릴 프로필)암모늄 클로라이드(OTC), 폴리에틸렌이민트리메톡시실란(PEIM) 등의 물질로 이루어질 것일 수 있다.
다음, 와싱 버퍼 챔버로부터 바인딩-라이시스 챔버(117)에 와싱 버퍼가 주입되어 각종 부스러기(debris)들이나 세포 포획시 사용한 버퍼등을 씻어내는 방식으로 세포가 포획된 입자가 세척되고, 예를 들어, 에어(air)와 같은 기체의 주입에 의해 입자가 건조될 수 있다.
다음, 라이시스 버퍼 챔버로부터 라이시스 버퍼가 바인딩-라이시스 챔버(117)에 주입되고, 바인딩-라이시스 챔버(117)에 외부로부터 진동을 인가하여 입자를 진동시킴으로써 세포가 파쇄되고 핵산이 흘러나온다.
리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6)에서는 바이딩-라이시스 챔버(117)에서 형성된 세포 용해물(lysate)과 핵산 증폭 시약, 예를 들어, PCR 시약이 혼합된다. 리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6)는 멀티플렉스 PCR을 위해 복수개로 구비되며, 다만, 도시된 개수에 한정되는 것은 아니다. 복수의 리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6) 각각에 바이딩-라이시스 챔버(117)에서 형성된 세포 용해물(lysate)이 분배되어 유입된다. 핵산 증폭 시약은 예를 들어, 프로브(probe), 프라이머(primer), 효소(enzyme) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 또한, 동결 건조된 형태로 리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6)에 배치될 수 있다. 상기 효소는 중합 효소를 포함할 수 있다. 리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6)는 따라서, 동결 건조된 핵산 증폭 시약과 세포 용해물(lysate)이 잘 혼합된 후 리하이드레이션(rehydration) 챔버(R1~R6)를 빠져나올 수 있는 챔버 형상을 가지게 되며, 자세한 형상에 대해서는 후술할 것이다.
핵산 증폭 챔버는 예를 들어, 복수의 PCR 챔버(P1~P6)일 수 있으며, 복수의 리하이드레이션 챔버(R1~R6)에 대응하는 복수개로 마련될 수 있다. 복수의 PCR 챔버(P1~P6) 각각에서, 복수의 리하이드레이션 챔버(R1~R6)에서 형성되어 유입된 증폭 반응 혼합물, 예를 들어, PCR 혼합물(PCR mixture)에 대해 핵산 증폭 반응을 수행한다.
이하에서, 미세 유체 시스템(1)에서 수행되는 핵산 증폭 반응으로 PCR을 예시하여, PCR 챔버, PCR 시약, PCR 혼합물과 같은 표현을 사용하여 설명할 것이나, 이들 각각은 증폭 챔버, 핵산 증폭 시약, 증폭 반응 혼합물의 예로서 기술되는 것이다. 즉, 미세 유체 시스템(1)에서는 PCR 외에 다양한 종류의 핵산 증폭 반응이 수행될 수 있다.
미세 유체 시스템(1)은 또한, 시약 공급 장치(50)로부터 바인딩-라이시스 챔버(117)로 공급되는 버퍼의 양을 정량하기 위한 하나 이상의 미터링 챔버를 포함할 수 있고, 또한, 세포 파쇄 과정 등에서 발생할 수 있는 버블을 제거하기 위한 하나 이상의 버블 트랩 챔버(bubble trap chamber)를 포함할 수 있다.
미터링 챔버는 시약 공급 장치(50)로부터 바인딩-라이시스 챔버(117)를 향하는 유로에 배치될 수 있고, 또한, 바이딩-라이시스 챔버(117)로부터 리하이드레이션 챔버(R1~R6)를 향하는 유로에 배치될 수 있다.
버블 트랩 챔버는 바이딩-라이시스 챔버(117)로부터 리하이드레이션 챔버(R1~R6)를 향하는 유로 및/또는 리하이드레이션 챔버(R1~R6)로부터 PCR 챔버(P1~P6)를 향하는 유로에 배치될 수 있다.
이하, 미세 유체 시스템(1)이 시약 공급 장치, 다수의 챔버 및 다수의 챔버간에 일체화된 유로 시스템을 구현하는 구체적인 구성을 살펴보기로 한다.
도 3은 실시예에 따른 미세 유체 시스템(1)의 개략적인 외부 형태를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 미세 유체 시스템(1)을 이루는 구성요소를 분해하여 보인 분해 사시도이다.
미세 유체 시스템(1)은 크게, 유체 파트(10), 공압 파트(20), 멤브레인 파트(30)를 포함하며, 또한, 시약 공급 장치(미도시)의 장착을 위한 가이드 파트(40)를 더 포함할 수 있다.
유체 파트(10)는 검사하고자 하는 유체의 흐름을 제어하는 각종 채널(channel), 밸브(valve), 챔버(chamber)등을 구성하기 위한 다양한 관통홀, 인입부 등의 패턴을 구비하는 것으로, 투명 플라스틱 재질로 이루어진다. 예를 들어, 투명 폴리머로서, PC(polycarbonate), PMMA(poly methyl methacrylate), PS(Polystylene), COC(cyclic olefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘(silicone) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 유체 파트(10)는 시약 공급 장치와 연결되는 유입구(110)(111)(112), 유출구(113)를 포함하며, 유입구(110)(111)(112), 유출구(113)는 시약 공급 장치의 바닥면을 파쇄하여 시약이 흘러 나올 수 있도록 니들(needle)형태를 가질 수 있다. 도 7은 니들 형태의 유입구(110)(111)(112), 유출구(113) 형상을 자세히 보인다. 유체 파트(10)는 또한, 바인딩-라이시스 챔버 공간을 형성하는 제1관통홀(H1)과, 복수의 리하이드레이션 챔버 공간을 형성하는 복수의 제2관통홀(H2)을 포함한다. 또한, 하면에, 복수의 PCR 챔버 공간을 형성하기 위해 인입 형성된 그루브 패턴(미도시)을 포함한다. 또한, 유체 파트(10)의 하면에는 유로 시스템을 구현하는 마이크로 채널 형성을 위해 인입 형성된 다수의 패턴(미도시)과, 공압 파트(20)로부터 인가된 공압에 의해 마이크로 채널을 지나는 유체의 흐름을 막을 수 있는 마이크로 밸브를 형성하기 위해 돌출된 패턴인 밸브 시트(valve seat)(미도시)가 형성된다.
멤브레인 파트(30)는 유체 파트(10)의 하면에 접합되어, 바인딩-라이시스 챔버, 복수의 리하이드레이션 챔버, 미터링 챔버, 버블 트랩 챔버 및 그 외 다양한 채널의 바닥면을 형성한다. 멤브레인 파트(20)는 탄성이 있는 물질로 이루어지며, 예를 들어, PDMS, 실리콘(silicone)으로 이루어질 수 있다.
공압 파트(20)는 유체 파트(10)에 공압을 인가하기 위한 것으로, 멤브레인 파트(30)의 하면에 접합되며, 멤브레인 파트(30)의 소정 위치에 공압을 인가하기 위한 다수의 포트가 형성되어 있다. 공압 파트(20)에서 인가되는 공압은 예를 들어, 바인딩-라이시스 챔버 내에서 세포 파쇄 과정을 위한 입자 비팅(particle beating), 예를 들어, 비드 비팅(bead beating)을 일으키고, 리하이드레이션 챔버에서 PCR 시약과 세포 용해물(cell lysate)을 혼합하는 역할을 한다. 즉, 멤브레인 파트(30)가 공압 파트(20)에 의해 인가된 공압에 따라, 진동하며 바인딩-라이시스 챔버나 리하이드레이션 챔버 내에 진동에너지를 전달한다. 또한, 공압 파트(20)에서 인가되는 공압은 유체 파트(10)가 형성하는 다수의 다수의 마이크로 밸브를 개폐(open/close)하는 역할을 하는데, 즉, 멤브레인 파트(30)는 공압 파트(20)에 의해 인가된 공압에 따라, 유체 파트(10)의 하면에 형성된 밸브 시트에 밀착되어 밸브를 닫거나, 또는 밸브 시트로부터 이격되어 밸브를 오픈한다.
유체 파트(10)에 형성된 제1관통홀(H1)에 세포 포획을 위한 다수의 입자(미도시)가 배치되고, 입자 커버(15)가 제1관통홀(H1)을 덮는다.
또한, 유체 파트(10)에 형성된 복수의 제2관통홀(H2)을 덮는 리하이드레이션 커버(14)가 마련된다. 리하이드레이션 커버(14)에는 제2관통홀(H2)에 대응하는 위치에 돌출부(145)가 형성되고, 돌출부(145) 상에는 소정 형상으로 인입된 그루브(140)가 형성되고, 그루브에 PCR 시약(미도시)이 동결 건조된 상태로 배치된다.
세포 용해물(cell lysate)이 PCR 반응을 하기 위해서는 PCR 반응에 필요한 각종 시약들이 필요한데, 프로브(probe), 프라이머(primer), 효소(enzyme) 또는 이들의 조합이 포함될 수 있다. 이러한 시약들은 액상으로 존재하게 되면 증발되거나 효소(enzyme)의 활성이 떨어지는 등의 문제가 있으므로 동결 건조된 형태로 리하이드레이션 커버(14)에 배치된다. 리하이드레이션 커버(14)에 형성된 그루브(140)는 서로 분리된 2개의 서브 그루브(141)(142)를 포함하고, PCR 시약이 두 개의 서브 그루브(141)(142)에 나누어 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 그루브 각각에서, 하나의 서브 그루브(141)에는 핵산 함유 시료, 예를 들어, 프로브(probe)와 프라이머(primer) 중 하나 이상을 포함하는 시료가 배치되고, 나머지 하나의 서브 그루브(142)에는 효소(enzyme)가 배치될 수 있다.
리하이드레이션 커버(14)의 돌출부(145)의 크기는 제2관통홀(H2)의 크기보다 조금 크게, 약 10um 정도 크게 형성될 수 있으며, 이것은 별도의 접착제를 사용하지 않고 실링(sealing)을 형성하기 위한 것이다. 접착제등을 사용할 경우 동결 건조된 시약에 문제를 일으킬 가능성이 많기 때문이다. 또한, 보다 확실한 실링을 위해 리하이드레이션 커버(14)를 탄성이 있는 재질, 예를 들어, 실리콘(silicon) 또는 러버(rubber) 재질로 형성할 수 있다.
PCR 필름(11)은 PCR 챔버의 바닥면을 형성한다. 즉, PCR 필름(11)은 유체 파트(1)의 하면에 PCR 챔버 공간을 형성하기 위해 인입 형성된 그루브 패턴(미도시)을 덮는 위치에 마련된다.
또한, 유체 파트(10)의 상면에는 리하이드레이션 챔버에서 형성된 PCR 혼합물이 PCR 챔버로 이동하는 경로를 형성하기 위한 것으로, 유체 파트(10)의 상면으로부터 인입된 형상의 브릿지 패턴(BP)이 형성되어 있다. 브릿지 패턴(BP)은 리하이드레이션 챔버에서 형성된 PCR 혼합물이 PCR 챔버로 이동할 때, 유체 파트(10)의 상면을 넘어서 유체가 흘러야 하기 때문에 필요한 채널을 구성하기 위한 것이다. 브릿지 패턴(BP)은 복수의 서브 패턴(SP)을 포함하며, 복수의 서브 패턴(SP) 각각은 유체 파트(10)를 관통하여 멤브레인 파트(30)를 마주하는 홀(h1), 유체 파트(10)를 관통하여 PCR 필름(11)을 마주하는 홀(126), 유체 파트(10)의 상면에서 두 홀(h1)(126)을 연결하며 인입된 브릿지 그루브(bg)를 포함한다. 홀(h2)은 후술하겠지만, PCR 챔버를 향하는 유입홀 또는 PCR 챔버로부터의 유출홀을 형성한다. 또한, 유체 파트(10)의 상면에, 복수의 서브 패턴(SP)을 전체적으로 덮는 브릿지 커버(12)가 마련된다. 브릿지 커버(12)에는 유체 파트(10)와의 초음파 접합을 위한, 초음파 용착산이 형성될 수 있다. 또는, 초음파 용착산이, 브릿지 커버(12)가 아닌, 유체 파트(10)에 형성될 수 있으며, 예를 들어, 두 홀(h1)(h2)과 인입된 브릿지 그룹브(bg) 주변으로 초음파 용착산이 형성될 수도 있다.
또한, 유체 파트(10)의 상면에는 벤트 채널(vent channel)(122)과 벤트 채널(122)을 덮는 벤트 커버(13)가 마련된다. 벤트 채널(122)은 시스템에서 발생할 수 있는 오류에 대비한 것으로, 예를 들어, 유체의 흐름이 정확히 감지되지 못하여 정해진 챔버를 채우고도 유체가 멈추지 않고 계속 흐르는 경우, 벤트 채널(122)을 통해 흘러나와 정해진 공간에 가두어지게 된다. 벤트 채널(122)은 도시된 바와 같이, 소정 형상으로 인입된 영역 및 이에 형성된 다수의 벤트 홀로 이루어질 수 있다.
또한, 유체 파트(10)의 하면에는 미터링 챔버, 버블 트랩 챔버 등을 형성하기 위한 다수의 인입 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 시약 공급 장치의 라이시스 버퍼 챔버로부터 공급되는 라이시스 버퍼의 양을 정량하는 하나 이상의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 형성될 수 있고, 또한, 바인딩-라이시스 챔버에서 세포 파쇄시 발생할 수 있는 버블을 제거하는 하나 이상의 버블 트랩 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 형성될 수 있고, 또한, 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(cell lysate)의 양을 정량하고 이를 복수의 리하이드레이션 챔버에 분배하는 복수의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 형성될 수 있다.
도 3과 같은 형태의 조립체를 형성하는 조립 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 유체 파트(10)를 제조하고, 유체 파트(10)의 하면에 PCR 필름(11)을 초음파 용착한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 접착제 또는 테이프를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 유체 파트(10)의 상면에 브릿지 커버(12)와 벤트 커버(13)을 초음파 용착한다. 접착제나 테이프를 사용한 접착도 가능하다.
유체 파트(10)의 하면, 즉, 멤브레인 파트(30)와 접합되는 면에, SiO2　를 약 3,000Å 로 코팅한다.
다음, 공압 파트(20)를 제조하고, 공압 파트(20)와 멤브레인 파트(30)가 접합되는 각 면을 플라즈마 처리하고, 공압 파트(20)와 멤브레인 파트(30)를 접합한다.
SiO2　코팅된 유체 파트(10)의 접합면과 멤브레인 파트(30)가 접합된 공압 파트(20)의 접합면에 플라즈마 처리하고, SiO2　코팅된 유체 파트(10)와 멤브레인(30)이 접합된 공압 파트(20)를 접합한다.
바인딩-라이시스 챔버를 형성하는 제1관통홀(H1)에 입자 주입 후 입자 커버(15)를 초음파 용착, 또는 접착제나 테이프를 사용하여 접착한다.
유입구(110)(111)(112), 유출구(113)에 각각 오 링(16)을 삽입하고, 가이드 파트(40)를 유체 파트(10) 상부에 정렬한 후 초음파 용착 또는 접착제나 테이프를 사용하여 접착한다.
시약 공급 장치는 가이드 파트(40)에 삽입되어 장착되는데, 이 때 시약 공급 장치와 유체 파트(10)간에 삽입된 오링(16)이 용액의 누설(leakage)를 방지하는 역할을 한다.
동결 건조 된 PCR 시약이 배치된 리하이드레이션 커버(14)를 유체 파트(10)에 조립한다. 　
도 5는 도 3의 미세 유체 시스템(1)의 평면도이다.
시약 공급 장치로부터 시약이 주입되는 입구는 라이시스 버퍼, 와싱 버퍼, 샘플이 각각 유입되는 유입구(110)(111)(112)와 유출구(113)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 유입구(110)(111)(112), 유출구(113)는 가이드 파트(40)의 열려 있는 방향으로부터 시약 공급 장치가 삽입될 때, 그 삽입되는 방향 쪽으로 기울어져 있어서, 니들(needle) 형상 부위를 미끄러져 넘어가며 삽입될 수 있도록 되어 있다. 또한, 유입구(110)(111)(112), 유출구(113)는 시약 공급 장치의 바닥면을 형성하는 멤브레인(membrane)을 뚫고 내부에 담겨 있는 시약이 흘러 나올 수 있도록 하는 통로를 만드는 역할을 하게 되므로 끝이 뾰족하게 솟아 있는 니들(needle) 형태이다.
미터링 챔버(114)(115)(116)는 유입구(110)을 통해 유입되는 라이시스 버퍼를 정량하기 위한 것이다. 세포 파쇄를 위한 라이시스 버퍼로는 예를 들어, NaOH가 사용될 수 있으며, 가능한 적은 부피의 라이시스 버퍼를 사용하고, PCR 챔버까지 손실없이 이동시켜야 농축 효과가 커지게 된다. 미터링 챔버(114)(115)(116)는 서로 다른 부피를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각 8 ㎕, 8 ㎕, 12 ㎕의 부피를 가질 수 있다. 미터링 챔버(114) 하나만을 사용하면 12 ㎕의 라이시스 버퍼만을 사용하게 되므로, 예를 들어, 각 4 ㎕의 부피를 가지는 6 개의 PCR 챔버(P1~P6) 중 2개의 PCR 챔버만 사용하고자 할 경우에 사용할 수 있다. 미터링 챔버(115)(116)를 2개 동시에 사용하면 20 ㎕의 라이시스 버퍼를 사용하게 되어 4개의 PCR 챔버를 사용할 수 있고, 미터링 챔버(114)(115)(116) 세 개를 동시에 사용하면 28 ㎕의 라이시스 버퍼를 사용하게 되어 6개 PCR 챔버를 모두 사용할 수 있게 된다. 어떤 조합을 사용하더라도 약 4 ㎕의 무효 체적(dead volume)이 존재하게 되어 일부 샘플이 손실되더라도 PCR 챔버를 채우는 데에는 문제가 없다. 미터링 챔버(114)(115)(116)의 개수나 각각의 부피는 예시적인 것이며, 다양하게 변경될 수 있다.
바인딩-라이시스 챔버(117)에 연결된 채널에는 바인딩-라이시스 챔버(117)에 셀 바인딩을 위해 주입되어 있는 입자들이 흘러나오지 못하도록, 채널 바닥에서부터 천정까지 틈이 약 20 ㎛인 어살(weir)이 형성될 수 있다.
버블 트랩 챔버(118)(119)(120)는 각각 부피가 약 28 ㎕인 챔이다. 이 버블 트랩 챔버(118)(119)(120)들은 멤브레인 파트(30)의 운동을 통한 세포 파쇄후 발생할 수 있는 기포를 제거하는 기능과 함께, 낮은 농도의 셀을 분석하고자 할 경우에 버퍼를 왕복시키는 기능을 갖는다. 즉, 바인딩-라이시스 챔버(117)를 중심으로 전진 방향 (버블 트랩 챔버(119) → 바인딩-라이시스 챔버(117)　→ 버블 트랩 챔버(119)) 및 후진 방향 (버블 트랩 챔버(118)→ 바인딩-라이시스 챔버(117)　→ 버블 트랩 챔버(119)) 방향으로 용출 버퍼(elution buffer)를 왕복시키는 기능을 가지고 있다. 용출 버퍼(elution buffer)로는 라이시스 버퍼와 동일한 것이 사용될 수 있으며, 라이시스 후, 추가 주입하여 용출 버퍼로 사용될 수 있다. 버퍼의 왕복 시에는 최대 28 ㎕의 부피를 모두 수용할 수 있는 부피일 수 있다. 버블 트랩 챔버(120)은 DNA 용출(elution) 과정을 모두 마친 세포 용해물(cell lysate)의 버블을 제거하여 이후 진행되는 과정에서 버블로 인한 각종 오류를 방지하는 기능을 한다. 버블 트랩 챔버(118)(119)(120)의 개수나 부피는 예시적인 것이며, 다양하게 변경될 수 있다.
벤트 채널(122)의 양측에 존재하는 두 챔버(121)는 혹시 발생할지 모르는 시스템 에러로 인하여 시약 및 샘플등을 포함하는 유체가 벤트 채널(122)을 통해 외부로 흘러 나가지 못하도록 가두어 두는 역할을 한다. 즉, PCR 챔버(P1~P6)가 정확히 채워지고, 용액의 흐름이 시스템에 의해 감지되어 정확히 멈추게 되면 벤트 채널(122)로 흘러 나오지 않지만, PCR 챔버(P1~P6)를 채우고 난 후에도 이것이 감지되지 못하고 계속 흐르게 되면 벤트 채널(122)을 따라 흘러나와 양 측의 챔버(121)로 모이게 된다.
영역(124)는 PCR 챔버(P1~P6)의 상부로써 PCR 진행에 따른 형광량의 변화를 관찰하기 위한 광학 창(optical window)이다. 매우 적은 형광량이, 가능한 많이 투과되어 나올 수 있도록 이 부분은 주변보다 더 얇게 제작되어 있다. 미터링 챔버(M1~M6)는 각각 4 ㎕씩의 부피를 가지는 챔버로서 버블 트랩 챔버(120)를 지나온 용해물(lysate)를 4 ㎕씩 각각 배분해서 보관할 수 있다. 미터링 챔버(M1~M6)에 보관된 각각의 세포 용해물(cell lysate)들은 리하이드레이션 챔버(R1~R6)로 각각 주입되게 되고, 리하이드레이션 챔버(R1~R6)에 동결 건조 되어 보관되어 있는 프로브(probe), 프라이머(primer), 엔자임(enzyme), 또는 이들의 조합과 멤브레인 파트(30)의 운동에 의해 혼합되어 PCR 혼합물(PCR mixture)이 준비된다.
미세 유체 시스템(1)을 이용한 분석 과정의 가장 마지막 단계인 PCR은 PCR 챔버(P1~P6)에서 진행된다. 리하이드레이션 챔버(R1~R6)를 통과한 PCR 혼합물(PCR mixture)는 버블 트랩 챔버(B1~B6)를 통과한 후 PCR 챔버(P1~P6)로 최종 주입된다. 4 ㎕의 PCR 혼합물은 PCR 챔버(P1~P6) 뿐 아니라, PCR 챔버(P1~P6)로 연결되는 채널 영역을 모두 기포가 없이 채우는데 사용하므로 실제 PCR에 참여하는 부피는 약 2.5 ㎕가 될 수 있다.
　도 6a는 도 4의 유체 파트(1)의 하면에 형성된, PCR 챔버 공간(P1~P6)을 형성하기 위한 그루브 패턴을 보이며, 도 6b는 도 6a의 A-A' 단면도이다.
도 6a, 6b는 편의상, 세 개의 PCR 챔버(P1~P3)만을 예시적으로 보이고 있으며, 나머지 세 개의 PCR 챔버(P4~P6)도 같은 구조를 갖는 것으로 설명한다. 각 PCR 챔버(P1~P6)에는 유입홀(inlet hole)(126), 유입 채널(inlet channel)(128), 유출홀(outlet hole)(127)이 연결되어 있다. 유입홀(126)을 통해 유입된 PCR 혼합물은 유입채널(128)을 따라 흘러 들어와서 각각의PCR　챔버(P1~P6)를 채운 후 유출홀(127)을 통해 외부로 빠져 나가게 된다. 소형화 및 형광 신호의 극대화를 위해 유입홀(126)과 유출홀(127)을 PCR 챔버(P1~P6) 기준으로 양쪽에 위치시키지 않고 동일한 쪽으로 위치시켰다. 이렇게 함으로써 챔버의 깊이를 일정 구간 확보하게 되어 더 높은 형광 신호를 얻을 수 있고, 6개의 PCR 챔버(P1~P6)를 최대한 가까이 밀착시켜 배치함으로써 PCR 챔버(P1~P6)간의 온도 편차를 줄이고자 하였다. PCR 챔버((P1~P6)의 바닥면을 형성하고 또한 효율적인 열 전달을 위해 PCR 필름(11)을 유체 파트(10)의 하면에 부착하며, 이 때, 초음파 용착을 이용할 수 있다. 초음파 용착을 위해, 약 100 ㎛ 높이의 용착산(129)이 형성될 수 있다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 용착산(129)은 유입 채널(128) 및 PCR 챔버(P1~P6)의 모서리에서 일정한 간격을 두고 형성될 수 있다.
　도 8a는 리하이드레이션 커버(14)의 구조를 보인 평면도이고, 도 8b는 도 8a의 A-A 단면도이며, 도 8c는 도 8a의 B-B 단면도이다.
리하이드레이션 커버(14)는 6개의 리하이드레이션 챔버를 형성하기 위한 것으로, 리하이드레이션 챔버 공간을 형성하는 여섯개의 관통홀에 대응하는 여섯개의 돌출부(145)를 포함한다. 각 돌출부(145)에는 인입된 그루브(140)가 형성되며, 각 그루브는 두 개의 서브 그루브(141)(142)를 포함한다. 서브 그루브(141)에는 프로브(probe), 프라이머(primer) 또는 이들의 조합을 포함한 시료가 동결 건조 되어 들어 있고, 서브 그루브(142)에는 엔자임(enzyme)을 포함한 시료가 동결 건조 되어 들어 있다. 화살표는 유체의 이동 방향을 나타낸다. 두 서브 그루브(141)(142)는 마이크로 채널(125)을 통해 연결된다. 서브 그루브(141)의 위쪽으로부터 세포 용해물(cell lysate)이 유입되어 서브 그루브(141)를 채운 후, 마이크로 채널(125)을 통과해서 서브 그루브(142)를 채우게 된다. 서브 그루브(141)(142)의 형상은 세포 용해물(cell lysate)이 서브 그루브(141)(142)를 버블없이 채우고, 멤브레인 파트의 운동을 통해 PCR 시약들과 혼합이 된 후 서브 그루브(141)(142)에 잔류물을 남기지 않고 잘 흘러나올 수 있도록 형성된다. 서브 그루브(141)(142)의 형상은 서브 그루브(141)(142) 내부 면의 표면 성질과 핵산 용해물의 용액 성질을 고려한 유체 역학적인 분석을 통해 도출될 수 있다. 도시된 바와 같이, 서브 그루브(141)(142)의 측면은 곡면 형상을 가질 수 있고, 중심부의 폭이 가장 좁은 형태일 수 있다. 서브 그루브(141)(142)에서 폭이 좁은 중심부 모서리가 형성하는 외각(θ)은 약 30˚~90˚의 범위로 형성될 수 있다.
　도 9a는 리하이드레이션 커버(14)와 유체 파트(10)가 결합된 상태를 보인 평면도이고, 도 9b는 도 9a의 A-A 단면도이며, 도 9c는 도 9b의 일부를 상세히 보인 확대도이다.
리하이드레이션 커버(14)와 유체 파트(10)를 결합시에는 별도의 접착제를 사용하지 않고, 각각을 구성하는 재질의 성질을 이용하여 실링(sealing)을 형성한다. 접착제등을 사용할 경우 동결 건조된 PCR 시약에 문제를 일으킬 가능성이 많기 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이, 리하이드레이션 커버(14)의 돌출부(145) 직경을 유체 파트(10)에서 돌출부(145)가 끼워지는 제2관통홀(H2)의 직경보다 조금 크게 형성하여 실링을 형성할 수 있다. 도9c는 완전하게 결합된 후 두 서브 그루브(141)(142)를 연결하는 마이크로 채널(125)의 위치가 나타나고 있는데, 이렇게 정확히 결합되면 유체 파트(10)와 리하이드레이션 커버(14)의 계면으로 누설(leakage)이 발생하지 않고 마이크로 채널(125)를 따라서만 용액이 이동하게 된다.
　도 10a는 브릿지 커버(12)와 유체 파트(10)가 결합된 상태를 보인 평면도이고, 도 10b는 도 10a의 A-A 단면도이며, 도 10c는 도 10b의 일부를 상세히 보인 확대도이다.
브릿지 커버(12)는 유체 파트(10)의 상면에 형성된 브릿지 패턴과 함께, 유체의 수직 이동을 가능하게 하기 위해 제시된다. 브릿지 패턴은 복수의 서브 패턴(SP)을 포함하며, 각 서브 패턴(SP)은 유체 파트(1)를 관통하여 멤브레인 파트(30)를 마주하는 홀(h1), 유체 파트(1)를 관통하여 PCR 필름(11)을 마주하는 홀(h2) 및 두 홀(h1)(h2)을 연결하며 인입된 브릿지 그루브(bg)를 포함한다. 도 10b의 단면에서, 홀(h2)은 PCR챔버를 향하는 유입 채널(128)과 연결되는 유입홀(도 6a의 126)이 된다, 유체 파트(10)의 하면에는 멤브레인 파트(30)가 부착되고, PCR 챔버의 하면은 PCR 필름(11)으로 형성되기 때문에, 멤브레인 파트(30)와 PCR 필름(11)이 연결되는 채널을 형성하기 곤란하기 때문이다. PCR 챔버로의 유체 유동을 위해, 유체 파트(10)의 버블 트랩 챔버(B1~B6)를 통과한 유체는 홀(h1)을 통해 유체 파트(10)의 상부로 이동하고, 브릿지 그루브(bg)를 따라 이동하다가 홀(h2)을 통해 PCR 챔버를 향하는 유입 채널(128)로 흘러 들어가게 된다. 브릿지 커버(12)는 초음파 용착을 통해 브릿지 패턴을 형성하는 유체 파트(10) 상부에 용착될 수 있다.
또한, 브릿지 그루브(bg)는 PCR 챔버를 모두 채우고 나오는 용액의 흐름을 감지하는 채널 역할을 하게 된다. 즉, 여기서 용액의 흐름이 감지되면, 더 이상 PCR 챔버 내부로 PCR 혼합물을 밀어 넣지 않고 중단한다.
도10c는 도 10b의 B 부분을 상세히 보이며, 멤브레인 파트(30)가 밸브 시트(130)에 붙거나 떨어짐에 의해 유체의 흐름이 개폐된다. 밸브 시트(130)는 외부의 압력이 없는 상태에서 멤브레인 파트(30)와 떨어져 있으며, 즉, 마이크로 밸브가 열린 상태가 된다. 이러한 형태는 정상 열림형 밸브(normally open type valve)를 구현한다. 이러한 구조는 외부 압력이 없는 상태에서 멤브레인 파트(30)와 밸브 시트(130)가 접촉하게 되는 정상 닫힘형(normally closed type)과 구별되는데, 정상 닫힘형의 경우, 마이크로 밸브가 오랫동안 동작하고 있지 않으면, 화학적 또는 물리적 반응에 의해 자연적으로 멤브레인 파트(30)가 밸브 시트(130)에 고착될 염려가 있고, 따라서, 마이크로 밸브를 장시간 사용하지 않은 경우, 멤브레인 파트(30)를 밸브 시트(130)로부터 떨어뜨리기 위한 초기화가 필요하다. 본 실시예에서는 정상 열림형 밸브를 사용하여 보다 간편하게 마이크로 밸브를 구현하고 있다.
PCR 챔버를 채울 때에는 B 부위의 밸브를 열어, 즉, 유체파트(30)가 밸브 시트(130)에 닫지 않게 하여, 벤트 채널(122) 쪽의 배기 경로를 형성하고, 브릿지 커버(12) 아래의 브릿지 그루브(bg)에서 용액의 흐름이 감지되어 PCR 혼합물의 유입을 중단시킬 때에는 B 부위의 밸브를 닫는다.
　도 11a 내지 도 11c는 시약 공급 장치(50)가 장착되는 가이드 파트(40)의 상세한 구조를 보이며, 도 12a 내지 도 12c는 시약 공급 장치(50)의 외형 구조를 보인다.
구조물(401)(404)의 윗면 가로축은 시약 공급 장치(50)를 삽입하는 동안에 구조물(501)(502)가 슬라이딩되며 멤브레인 파트가 아래쪽으로 눌려 뚫어지는 등의 손상을 방지하기 위한 받침대 역할을 한다. 시약 공급 장치(50)가 정확한 위치까지 삽입되면 구조물(404)의 세로축에 위치한 후크(hook)가 구조물(504)과 체결되어, 삽입된 방향으로 다시 밀려 나가지 못하게 된다. 또한, 도 12c에 도시된 바와 같이, 시약 공급 장치(50)의 하면에는 파쇄용 패턴(P)이 형성되며, 이 부분은 도 4에 도시된, 니들 형태의 유입부(110)(111)(112), 유출부(113)에 의해 파쇄되어 시약, 샘플이 유입 또는 유출된다. 파쇄용 패턴(P)이 뚫어지는 단계에서, 구조물(501)(502)(503)은 구조물(402)(403)(405)와 체결되어 시약 공급 장치(50)가 위쪽으로 들려 올라가지 못하게 한다.
　도 13a 내지 도 13t는 실시예에 따른 미세 유체 시스템(1)에서 도 2와 같은 흐름도에 따른 단계가 실행되는 과정을 유체 이동에 필요한 밸브 동작과 함께 설명하기 위한 평면도들이다.
미세 유체 시스템(1)을 이용하여, 검사 대상인 세포가 포함된 샘플로부터 세포를 포획하고, 라이시스 하여 핵산(DNA)이 함유된 세포 용해물(cell lysate)를 만든 후 PCR하여 DNA의 양을 판별하는 단계가 다음의 예시적인 과정들을 거쳐 진행될 수 있다.
도13a와 같이 미세 유체 시스템에서 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 외부의 압력을 이용하여 유입구(112)를 통해 샘플이 포함된 약1 ㎖의 시료(S)를 바이딩-라이시스 챔버(117)로 주입한다. 이 과정에서, 바인딩-라이시스 챔버(117)에 배치된 다수의 입자에 세포가 바인딩되며, 나머지 용액은 시약 공급 장치의 웨이스트 챔버로의 유출구(113) 쪽으로 흘려버린다. 이 때, 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에서 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13b와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 외부의 압력을 이용하여 0.5 ㎖의 와싱 버퍼(WB)를 주입하면서 세포와 버퍼를 웨이스트 챔버로의 유출구(113) 쪽으로 흘려 버린다. 이 때, 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에서 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13c와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 유입구(111)를 통해 공기를 주입하여 입자를 건조시킨다.
도13d와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 유입구(110)를 통해 라이시스 버퍼(LB)를 흘려 바인딩-라이시스 챔버(117)를 채우고 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 흘러 들어와 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to lquid) 이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13e와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 배기(vent )될 수 있는 경로를 만든 후 바인딩-라이시스 챔버(117)의 바닥면에 대응하는 위치 부분의 멤브레인 파트를 진동시킨다. 약, 5Hz의 진동 주기로 멤브레인 파트를 진동시켜, 바인딩-라이시스 챔버(117)내의 입자 비팅(particle beating)이 약 5분간 지속되게 하여 세포를 파쇄한다.
도13f와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 6개의 미터링 챔버(M1~M6)에 4 ㎕씩 채우고, 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 흘러 들어와 용액 감지 부위를 지나는 유체가 공기에서 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13g와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M1)에 있는 세포 용해물(cell lysate)를 리하이드레이션 챔버(R1)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13h와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M2)에 있는 세포 용해물(cell lysate)을 리하이드레이션 챔버(R2)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13i와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M3)에 있는 세포 용해물(cell lysate)을 리하이드레이션 챔버(R3)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13j와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M4)에 있는 세포 용해물(cell lysate)을 리하이드레이션 챔버(R4)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13k와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M5)에 있는 세포 용해물(cell lysate)을 리하이드레이션 챔버(R5)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기로 바뀌는 순간(liquid to air)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13l과 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 미터링 챔버(M6)에 있는 세포 용해물(cell lysate)을 리하이드레이션 챔버(R6)로 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위에 용액이 모두 흘러가고 공기(liquid to air)로 바뀌는 순간이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13m과 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열고, 리하이드레이션 챔버(R1~R6) 바닥면을 형성하는 부위의 멤브레인 파트를 진동시킨다. 이 때, 약 0.2Hz의 진동 주기로 멤브레인 파트를 진동시킬 수 있고, 이 과정에서 리하이드레이션 챔버(R1~R6) 내의 PCR 시약이 세포 용해물(cell lysate)에 녹아 혼합되어 PCR 혼합물(PCR mixture)을 형성한다.
도13n과 같이, 유입구(111)로 공기를 주입하며, 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P1)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13o와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P2)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13p와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P3)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13q와 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P4)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13r와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P5)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때, 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13s와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열어 PCR 챔버(P6)로 PCR 혼합물(PCR mixture)를 밀어 넣는다. 이 때, 이중 원(◎)으로 표시된 용액 감지 부위를 지나는 유체가 용액으로 바뀌는 순간(air to liquid)이 감지되면 멈추고 다음 과정으로 진행한다.
도13t와 같이 검정 원(●)으로 표시된 부분의 밸브를 열고, PCR 챔버(P1~P6)의 앞 단에 위치한 밸브들만 닫은 상태로 PCR을 진행한다.
이상, 설명한 미세 유체 시스템(1)을 사용하여, 검사 대상인 샘플이 시약 공급 장치로부터 복수의PCR 챔버로 분배되어 PCR진행에 이르는 과정, 즉, 세포 포획, 라이시스 및 PCR 시약과의 혼합등의 일련의 단계가 일체화된 시스템 내에서 정밀하고 재현성있게 행해질 수 있다.
이러한 본원 발명인 미세 유체 시스템은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1...미세 유체 시스템 10...유체 파트
20...공압 파트 30...멤브레인 파트
40...가이드 파트 50...시약 공급 장치
11...PCR 필름 12... 브릿지 커버
13...벤트 커버 14...리하이드레이션 커버
15...입자 커버 16...오링
110, 111, 112...유입부 113...유출구
114, 115, 116...미터링 챔버 117...바인딩-라이시스 챔버
118, 119, 120...버블 트랩 챔버 121...챔버
122...벤트 채널 125...마이크로채널
126...유입홀 127...유출홀
128...유입 채널 129...용착산
130...밸브 시트 140...그루브
141, 142...서브 그루브 145...돌출부
H1...제1관통홀 H2...제2관통홀
h1, h2...홀 bg...브릿지 그루브
BP... 브릿지 패턴 SP...서브 패턴
R1~R6...리하이드레이션 챔버 P1~P6...PCR 챔버
M1~M6...미터링 챔버

Claims (37)

  1. 검사 대상인 샘플이 주입되는 샘플 챔버, 상기 샘플로부터 핵산을 추출하기 위한 시약이 주입되는 하나 이상의 시약 챔버, 사용된 시약이 버려지는 웨이스트 챔버가 구비된 시약 공급 장치;
    상기 샘플로부터 세포를 포획하고, 포획된 세포를 파쇄하여 핵산이 함유된 세포 용해물(lysate)을 형성하는 곳으로, 세포 포획을 위한 다수의 입자가 배치된 바인딩-라이시스(binding-lysis) 챔버;
    상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(lysate)이 분배되어 유입되며, 각각에 핵산 증폭 시약이 배치되어, 유입된 세포 용해물과 상기 핵산 증폭 시약을 혼합하여 증폭 반응 혼합물을 형성하는 복수의 리하이드레이션(rehydration) 챔버;
    상기 복수의 리하이드레이션 챔버로부터 유입되는 상기 증폭 반응 혼합물에 대해 핵산 증폭 반응을 진행하는 복수의 증폭 챔버; 및
    상기 시약 공급 장치와 연결되는 유출구 및 복수의 유입구를 구비하며, 상기 바인딩-라이시스 챔버, 리하이드레이션 챔버, 증폭 챔버간의 일체화된 유체 유동을 형성하는 유로 시스템;을 포함하며,
    상기 복수의 시약 챔버는 라이시스 버퍼가 주입될 수 있는 라이시스 버퍼 챔버와, 와싱 버퍼가 주입될 수 있는 와싱 버퍼 챔버를 포함하며,
    상면에 상기 시약 공급 장치와 연결되는 상기 유입구, 유출구가 형성되고, 상기 바인딩-라이시스 챔버 공간을 형성하는 제1관통홀 및 상기 복수의 리하이드레이션 챔버의 공간을 형성하는 복수의 제2관통홀들이 형성되고, 하면에 상기 복수의 증폭 챔버 공간을 형성하기 위해 인입된 그루브 패턴이 형성된 유체 파트;
    상기 유체 파트의 하면에 접합되어, 상기 바인딩-라이시스 챔버 및 복수의 리하이드레이션 챔버의 바닥면을 형성하는 것으로, 탄성이 있는 물질로 이루어진 멤브레인 파트;
    상기 멤브레인의 하면에 접합되며, 상기 멤브레인의 소정 위치에 공압을 인가하기 위한 다수의 포트가 형성된 공압 파트;를 포함하는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 챔버, 라이시스 버퍼 챔버, 와싱 버퍼 챔버 및 웨이스트 챔버의 바닥면에는 각각 외부 충격에 의해 파손되는 파쇄용 패턴이 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유출구와 복수의 유입구는 상기 파쇄용 패턴에 충격을 가하는 니들(needle)형태를 갖는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시약 공급 장치의 라이시스 버퍼 챔버로부터 공급되는 라이시스 버퍼의 양을 정량하기 위한 하나 이상의 미터링 챔버가 더 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 바인딩-라이시스 챔버에서 세포 파쇄시 발생할 수 있는 버블을 제거하기 위한 하나 이상의 버블 트랩 챔버가 더 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바인딩-라이시스 챔버에 마련된 입자는 직경이 1~1000um인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입자의 양은 1~100mg인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 리하이드레이션 챔버는 각각, 분리된 두 개의 서브 챔버를 포함하며,
    상기 핵산 증폭 시약이 상기 두 개의 서브 챔버에 나누어 배치된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 리하이드레이션 챔버 각각에서, 하나의 서브 챔버에는 핵산을 포함한 시료가 배치되고, 나머지 하나에는 중합 효소(enzyme)를 포함한 시약이 배치된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 핵산을 포함한 시료는 프로브(probe) 및 프라이머(primer) 중 하나 이상을 포함하는 시료인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 핵산 증폭 시약은 동결 건조된 형태인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 서브 챔버의 측면은 곡면 형상으로, 상기 유입된 세포 용해물의 유동 경로의 폭이 중심부에서 가장 좁은 형태인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(lysate)의 양을 정량하고 이를 상기 복수의 리하이드레이션 챔버에 분배하기 위한 복수의 미터링 챔버가 더 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  15. 삭제
  16. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트의 하면에는 상기 유로 시스템을 구현하는 마이크로 채널 및 상기 공압 파트에 의해 인가된 공압에 의해 마이크로 채널을 지나는 유체의 흐름을 막을 수 있는 마이크로 밸브가 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1관통홀에 세포 포획을 위한 다수의 입자가 배치되고,
    상기 제1관통홀을 덮는 입자 커버가 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2관통홀을 덮는 것으로,
    상기 복수의 제2관통홀에 대응하는 위치에 복수의 돌출부가 형성되고, 상기 복수의 돌출부에 소정 형상으로 인입된 복수의 그루브가 형성되고, 상기 그루브에 상기 핵산 증폭 시약이 동결 건조된 상태로 배치된 리하이드레이션 커버가 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 돌출부의 직경은 상기 제2관통홀의 직경보다 크게 형성되며,
    상기 돌출부가 상기 제2관통홀에 끼워짐으로써 상기 그루브의 실링(sealing)이 이루어지는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 돌출부는 탄성이 있는 재질로 형성되는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 그루브 각각은, 서로 분리된 2개의 서브 그루브를 포함하고,
    상기 핵산 증폭 시약이 상기 두 개의 서브 그루브에 나누어 배치된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 복수의 그루브 각각에서, 하나의 서브 그루브에는 핵산을 포함한 시료가 배치되고, 나머지 하나에는 중합 효소를 포함한 시약이 배치된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 핵산을 포함한 시료는 프로브(probe) 및 프라이머(primer) 중 하나 이상을 포함하는 시료인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 서브 그루브의 측면은 곡면 형상이며, 중심부의 폭이 가장 좁은 형태인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 서브 그루브의 가장 좁은 폭을 형성하는 위치의 양측 모서리 외각은 30˚~90˚의 범위인 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 핵산 증폭 챔버의 바닥면을 형성하는 것으로, 상기 유체 파트의 하면에 인입 형성된 그루브 패턴을 덮는 PCR 필름이 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 유체 파트의 상면에는
    상기 리하이드레이션 챔버에서 형성된 증폭 반응 혼합물이 상기 핵산 증폭 챔버로 이동하는 경로를 형성하기 위한 것으로, 상기 유체 파트의 상면으로부터 인입된 형상의 브릿지 패턴이 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 브릿지 패턴은 복수의 서브 패턴을 포함하며,
    상기 복수의 서브 패턴 각각은
    상기 유체 파트를 관통하여 상기 멤브레인을 마주하는 홀,
    상기 유체 파트를 관통하여 상기 PCR 필름을 마주하는 홀,
    상기 유체 파트의 상면에서 두 홀을 연결하며 인입된 브릿지 그루브를 포함하여 이루어진 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 유체 파트의 상면에, 상기 복수의 서브 패턴을 전체적으로 덮는 브릿지 커버가 마련된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트의 하면에는 상기 시약 공급 장치의 라이시스 버퍼 챔버로부터 공급되는 라이시스 버퍼의 양을 정량하는 하나 이상의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 더 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트의 하면에는 상기 바인딩-라이시스 챔버에서 세포 파쇄시 발생할 수 있는 버블을 제거하는 하나 이상의 버블 트랩 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 더 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  32. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트의 하면에는 상기 바인딩-라이시스 챔버에서 형성되는 세포 용해물(lysate)의 양을 정량하고 이를 상기 복수의 리하이드레이션 챔버에 분배하는 복수의 미터링 챔버를 형성하기 위한 인입 패턴이 형성된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  33. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트의 상부에는 상기 시약 공급 장치를 장착하기 위한 가이드 파트가 더 배치된 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  34. 제1항에 있어서,
    상기 유체 파트는 투명한 폴리머 재질로 형성되는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 유체 파트는 PC(polycarbonate), PMMA(poly methyl methacrylate), PS(Polystylene), COC(cyclic olefin copolymer), PDMS(polydimethylsiloxane), 실리콘(silicone) 중 어느 하나로 형성되는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  36. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인 파트는 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 실리콘(silicone)으로 형성되는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
  37. 제1항에 있어서,
    상기 공압 파트는 투명한 폴리머 재질로 형성되는 핵산 분석용 미세 유체 시스템.
KR1020130008210A 2013-01-24 2013-01-24 핵산 분석용 미세 유체 시스템 KR101984699B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130008210A KR101984699B1 (ko) 2013-01-24 2013-01-24 핵산 분석용 미세 유체 시스템
US14/074,590 US9657341B2 (en) 2013-01-24 2013-11-07 Microfluidic system for nucleic acid analysis
EP14150193.2A EP2759344B1 (en) 2013-01-24 2014-01-06 Microfluidic System for Nucleic Acid Analysis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130008210A KR101984699B1 (ko) 2013-01-24 2013-01-24 핵산 분석용 미세 유체 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140095342A KR20140095342A (ko) 2014-08-01
KR101984699B1 true KR101984699B1 (ko) 2019-05-31

Family

ID=49885145

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130008210A KR101984699B1 (ko) 2013-01-24 2013-01-24 핵산 분석용 미세 유체 시스템

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9657341B2 (ko)
EP (1) EP2759344B1 (ko)
KR (1) KR101984699B1 (ko)

Families Citing this family (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10752949B2 (en) 2012-08-14 2020-08-25 10X Genomics, Inc. Methods and systems for processing polynucleotides
US10584381B2 (en) 2012-08-14 2020-03-10 10X Genomics, Inc. Methods and systems for processing polynucleotides
US11591637B2 (en) 2012-08-14 2023-02-28 10X Genomics, Inc. Compositions and methods for sample processing
US9388465B2 (en) 2013-02-08 2016-07-12 10X Genomics, Inc. Polynucleotide barcode generation
US9701998B2 (en) 2012-12-14 2017-07-11 10X Genomics, Inc. Methods and systems for processing polynucleotides
US10323279B2 (en) 2012-08-14 2019-06-18 10X Genomics, Inc. Methods and systems for processing polynucleotides
US10533221B2 (en) 2012-12-14 2020-01-14 10X Genomics, Inc. Methods and systems for processing polynucleotides
CN113249435A (zh) 2014-06-26 2021-08-13 10X基因组学有限公司 分析来自单个细胞或细胞群体的核酸的方法
JP6460113B2 (ja) 2014-08-29 2019-01-30 日本電気株式会社 マイクロチップ、マイクロチップ制御装置及びマイクロチップ制御システム
AU2016207023B2 (en) 2015-01-12 2019-12-05 10X Genomics, Inc. Processes and systems for preparing nucleic acid sequencing libraries and libraries prepared using same
CN115651972A (zh) 2015-02-24 2023-01-31 10X 基因组学有限公司 用于靶向核酸序列覆盖的方法
TWI591182B (zh) 2015-07-17 2017-07-11 台達電子工業股份有限公司 核酸萃取裝置
US11207681B2 (en) 2015-07-17 2021-12-28 Delta Electronics, Inc. Method for extracting nucleic acid and extraction cassette thereof
US11491482B2 (en) * 2015-07-17 2022-11-08 Delta Electronics, Inc. Method for extracting nucleic acid and extraction cassette thereof
SG11201803983UA (en) * 2015-11-19 2018-06-28 10X Genomics Inc Transformable tagging compositions, methods, and processes incorporating same
US11371094B2 (en) 2015-11-19 2022-06-28 10X Genomics, Inc. Systems and methods for nucleic acid processing using degenerate nucleotides
WO2018056584A1 (ko) 2016-09-21 2018-03-29 삼성전자 주식회사 피부 상태 측정 방법 및 이를 위한 전자 장치
WO2018065117A1 (en) * 2016-10-07 2018-04-12 Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh Cartridge, analysis system and method for testing a sample
KR101978822B1 (ko) 2017-05-16 2019-05-15 에스케이텔레콤 주식회사 카트리지를 이용한 핵산 분석 장치
KR101967236B1 (ko) 2017-05-16 2019-04-09 에스케이텔레콤 주식회사 핵산 추출용 전처리 챔버, 그를 이용한 카트리지 및 핵산 추출 방법
WO2018212496A2 (ko) 2017-05-16 2018-11-22 에스케이텔레콤 주식회사 카트리지를 이용한 핵산 분석 장치
KR101978821B1 (ko) 2017-05-16 2019-05-15 에스케이텔레콤 주식회사 카트리지를 이용한 핵산 추출 장치
KR101925079B1 (ko) 2017-05-24 2018-12-04 가천대학교 산학협력단 Dna 정제-증폭을 위한 통합형 마이크로 디바이스 및 이를 이용한 dna 정제-증폭 방법
KR101971635B1 (ko) * 2017-07-24 2019-04-24 한국과학기술원 유전자 판별칩용 정량주입장치 및 이를 이용한 유전자 정량주입방법
KR20190031873A (ko) 2017-09-18 2019-03-27 바이오뱅크 주식회사 현장검사용 전자동 유전자 검출시스템
KR20190031874A (ko) 2017-09-18 2019-03-27 바이오뱅크 주식회사 현장검사용 전자동 유전자 검출시스템을 이용한 검출방법
WO2019066363A2 (ko) * 2017-09-27 2019-04-04 고려대학교 산학협력단 타겟 물질을 추출하기 위한 추출 장치, 추출 방법 및 추출 시스템
SG11201913654QA (en) 2017-11-15 2020-01-30 10X Genomics Inc Functionalized gel beads
US10829815B2 (en) 2017-11-17 2020-11-10 10X Genomics, Inc. Methods and systems for associating physical and genetic properties of biological particles
CN108384718B (zh) * 2018-05-03 2023-08-25 清华大学 一种活体单细胞原位切割方法及装置
JP1654980S (ko) * 2019-08-30 2020-03-16
CN111774116B (zh) * 2020-08-07 2024-01-09 河南默深智工医疗科技有限公司 一种微流控检测用试剂供送装置
EP4225891A2 (en) * 2020-10-07 2023-08-16 Massachusetts Institute Of Technology Microfluidic cell culture devices
CN112345707B (zh) * 2020-11-16 2021-10-29 湖南碧臣环境能源有限公司 气体测量设备
CN112980650A (zh) * 2021-03-05 2021-06-18 江苏汇先医药技术有限公司 一种核酸提取用的立式微流控芯片及方法
CN113667598A (zh) * 2021-08-17 2021-11-19 圣湘生物科技股份有限公司 核酸检测装置及核酸检测方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090148933A1 (en) * 2006-03-15 2009-06-11 Micronics, Inc. Integrated nucleic acid assays
US20120082985A1 (en) 2007-08-09 2012-04-05 Frederic Zenhausern Sensing And Identifying Biological Samples On Microfluidic Devices

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7217542B2 (en) * 2002-10-31 2007-05-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Microfluidic system for analyzing nucleic acids
CN100565207C (zh) * 2004-10-01 2009-12-02 株式会社日立高新技术 化学分析装置
WO2006122310A2 (en) * 2005-05-11 2006-11-16 The Trustess Of The University Of Pennsylvania System for testing
US9278321B2 (en) * 2006-09-06 2016-03-08 Canon U.S. Life Sciences, Inc. Chip and cartridge design configuration for performing micro-fluidic assays
CN103173346B (zh) * 2006-11-06 2017-04-19 科隆迪亚戈有限公司 使用结合元件用于分析的装置和方法
KR101335726B1 (ko) * 2007-06-04 2013-12-04 삼성전자주식회사 면역혈청 검사 및 생화학 검사를 동시에 수행하는 디스크형미세유동장치
US8133671B2 (en) * 2007-07-13 2012-03-13 Handylab, Inc. Integrated apparatus for performing nucleic acid extraction and diagnostic testing on multiple biological samples
KR20100031454A (ko) * 2008-09-12 2010-03-22 삼성전자주식회사 포획 물질을 평가하기 위한 유닛을 포함하는 미세유동장치 및 포획물질을 평가하는 방법
KR101275246B1 (ko) 2010-12-06 2013-06-14 서경대학교산학협력단 구강질환 유발 미생물 동시 검출 방법 및 이의 키트
KR20120063162A (ko) 2010-12-07 2012-06-15 삼성전자주식회사 유전자 분석 장치 및 이를 이용한 유전자 분석 방법
KR101256989B1 (ko) 2011-01-25 2013-04-26 주식회사 서린바이오사이언스 유전자 증폭 시스템과, 유전자 증폭 시스템의 온도 조절 장치 및 온도 조절 방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090148933A1 (en) * 2006-03-15 2009-06-11 Micronics, Inc. Integrated nucleic acid assays
US20120082985A1 (en) 2007-08-09 2012-04-05 Frederic Zenhausern Sensing And Identifying Biological Samples On Microfluidic Devices

Also Published As

Publication number Publication date
US9657341B2 (en) 2017-05-23
EP2759344A2 (en) 2014-07-30
EP2759344B1 (en) 2019-06-19
US20140206073A1 (en) 2014-07-24
EP2759344A3 (en) 2017-11-22
KR20140095342A (ko) 2014-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101984699B1 (ko) 핵산 분석용 미세 유체 시스템
CN101990516B (zh) 多用试样准备系统及其在集成分析系统中的使用
CN108745429B (zh) 一种多通道快速检测微流体检测芯片
US9200315B2 (en) Reagent container for amplifying nucleic acid, method of preparing the reagent container, method of storing the reagent, and microfluidic system for nucleic acid analysis
JP6676611B2 (ja) マイクロ流体チップ、その製造方法及びそれを用いた分析装置
WO2006092959A1 (ja) マイクロ流路及びマイクロ流体チップ
US20020151078A1 (en) Microfluidics devices and methods for high throughput screening
KR100878229B1 (ko) 유체분석용 칩
EP1730489A2 (en) Crystal forming devices and systems and methods for making and using the same
CA3100263C (en) Microfluidic device and method of using it for the separation, purification and concentration of components of fluidic media
KR102046101B1 (ko) 핵산 분석용 시약 용기, 상기 시약 용기의 제조 방법, 상기 시약 저장 방법, 및 핵산 분석용 미세 유체 시스템
KR20090056980A (ko) 평면 기판에 유체 셀을 부착하기 위한 방법 및 장치
CN210522535U (zh) 一种微流控芯片
CN108136390A (zh) 用于执行试验的流体系统
KR101569836B1 (ko) 미세 유체 소자의 초기화 방법, 미세 유체 소자의 초기화 장치 및 미세 유체 소자 패키지
JPWO2007080850A1 (ja) 受動型一方弁及びマイクロ流体デバイス
JP4375101B2 (ja) 化学反応用カートリッジおよびその作製方法および化学反応用カートリッジ駆動機構
CN108043481B (zh) 一种多指标检测微流控芯片及其使用方法
JP2012215515A (ja) 円盤型分析チップ
US11740256B2 (en) System, device and methods of sample processing using semiconductor detection chips
JP5177533B2 (ja) マイクロチップ
JP5137014B2 (ja) マイクロチップ
CN211755084U (zh) 一种微流控芯片及可被密封的进样结构
CN211713056U (zh) 一种用于实时荧光核酸扩增检测的微流控芯片
US20170333899A1 (en) Microfluidic System and Method for Analyzing a Sample Solution and Method for Producing a Microfluidic System for Analyzing a Sample Solution

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant