KR102151648B1 - 미세유체 접속 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 특히 종래 시료 반응에 사용되던 96-well을 이용한 반응 실험보다 훨씬 소량의 시료만으로도 더욱 신속하게 반응 관찰을 가능하게 하는 미세유체 접속 장치에 관한 것으로서, 미세한 관 형태의 미세 튜브와, 미세 튜브에 충전된 시료들을 유동시키거나 또는 정지시키는 유체 이동 유닛으로 이루어지는 미세 밸브와, 판 형태의 플레이트와, 상기 미세 튜브를 통하여 공급받는 시료들 간의 화학반응이 발생되며 화학반응이 관측되는 관측 창이 형성되며 플레이트 상면에 설치되는 반응 존과, 반응 존을 미세 튜브와 연결시키는 공급 관과, 반응 존으로부터 반응물을 배출시키는 배출 관으로 이루어지는 반응 플레이트 로 구성됨으로써, 종래의 ELISA 수행에 사용되던 96-well plate 보다 훨씬 신속하게 항체면역반응 분석이 이루어질 수 있으면서도, 극미량의 시료로도 분석이 가능하여 소요되는 비용도 훨씬 저렴하고, 복수의 반응 과정이 중간 세척을 포함하여 자동으로 수행되어 실험자의 노고가 감소될뿐만 아니라 긴급한 면역반응 실험이 현장에서 즉석에서 이루어짐으로써 의료 시스템 및 의료기술의 비약적인 향상이 가능한 미세유체 접속 장치를 제공하고자 한다.

Description

미세유체 접속 장치{Microfluidic adapter}
본 발명은 극미량의 유체로 유체 화학 반응 관찰을 가능하게 하는 접속 장치에 관한 것으로, 특히 종래 시료 반응에 사용되던 96-well을 이용한 반응 실험보다 훨씬 소량의 시료만으로도 더욱 신속하게 반응 관찰을 가능하게 하는 미세유체 접속 장치에 관한 것이다.
효소면역분석법(Enzyme-linked immunosorbent assay, 이하 "ELISA"라 칭함)는 효소를 표식자로 하여 항원항체반응(抗原抗體反應)을 이용한 항원(抗原) 또는 항체 량(抗體 量) 측정 방법을 말한다.
ELISA는 임상 의료 분야나 환경 또는 음식 오염 감시분야 등에서 피분석물 내부의 항원/항체에 대한 정량적 조사를 실시하기 위한 분석 도구로 광범위하게 이용된다. ELISA는 간단한 공정으로 이루어지고, 고도의 민감도와 선택성과 아울러 효율적인 다중 분석 툴이다.
종래의 ELISA에서는 96개의 시료 비커 또는 튜브가 96개의 삽입 홀이 형성된 플레이트에 종횡으로 빽빽하게 삽입되어 이루어지는 96-well plate가 이용되어 공정이 수행되며, 비교적 장시간이 소요된 후에 색채로 판독 가능한 자료가 제공된다. 그리고 소요되는 시료의 양은 비커 또는 튜브를 일정 수위만큼 채울 수 있는 양이어야 하므로, 특히 고가의 시료의 경우 공정 수행에 상당한 비용이 소요된다. 따라서 현장에서의 즉석 진단이 필요한 경우에는 장시간이 소요되는 문제와 비용 문제로 인해 적용되기 힘든 문제가 있다.
종래의 ELISA에서는 96-well plate가 활용되고, 단일 항원을 그 단일 항원에 대한 특이 항체에 결합시키는 기초적인 면역학 개념을 바탕으로 하므로, 여러 단계를 거쳐야 하는 면역 분석법이 수행되기 위해서는 반응물 중 필요한 성분을 제외한 나머지 물질을 각 반응 단계마다 세척시켜야 하고, 각 반응 단계마다 시약을 피펫으로 운반 및 투입하는 공정이 필요하며, 육안으로 관찰될 수 있는 정도의 양의 시료가 반응하기 위해서 장시간이 소요된다.
하지만 항체면역반응의 경우 연구소의 학술적 실험뿐만 아니라 광범위한 병원 현장의 시급한 처방을 위해서 광범위하게 이용되고 있으므로 시급한 치료를 위해서는 신속하게 수행될 필요가 있다. 그러나 종래 ELISA 공정은 상당한 시간과 비용 및 노력이 소요되므로 현장 의료의 요구에 부응하지 못하여 제때 정확한 진단을 통한 치료를 받지 못하는 경우가 너무 많다.
ELISA로 이루어지는 반응 과정은 도 1에 도시된 바와 같이 포획 항체가 고정화된 기판에 혈액 혹은 혈장 등의 측정 샘플을 공급하고, 샘플에 존재하는 목표로 하는 항원이 포획 항체에 결합되는 과정과, 포획 항체-항원 결합체에 다시 표식자가 연결된 항체를 샌드위치 형태로 결합시키는 과정 및, 효소기질을 마지막으로 결합시키는 과정으로 이루어진다. 이때 각 반응 단계마다 항원 또는 항체 등의 시료를 주입시키고 장시간 반응을 기다려야 하고, 각 반응 중간에는 불필요한 반응물들을 세척해서 제거시키는 과정도 필요하다. 따라서 한 번의 면역반응에 막대한 시간이 소요될 수밖에 없으며, 종래의 96-well 플레이트가 사용될 경우 반응이 가시적으로 판별될 수 있기 위해 고가의 시료가 상당량이 사용되어 상당한 비용이 소요된다.
따라서 종래의 ELISA 수행에 사용되던 96-well plate 보다 훨씬 신속하게 항체면역반응 분석이 이루어질 수 있으면서도, 극미량의 시료로도 분석이 가능하여 소요되는 비용도 훨씬 저렴하고, 복수의 반응 과정이 중간 세척을 포함하여 자동으로 수행되어 실험자의 노고가 감소될 수 있는 반응 장치에 대한 기술이 요청된다.
특허등록공보 제10-1515020호(공고일자: 2015. 04. 24)
이에 본 발명은 종래의 ELISA 수행에 사용되던 96-well plate 보다 훨씬 신속하게 항체면역반응 분석이 이루어질 수 있으면서도, 극미량의 시료로도 분석이 가능하여 소요되는 비용도 훨씬 저렴하고, 복수의 반응 과정이 중간 세척을 포함하여 자동으로 수행되어 실험자의 노고가 감소될 수 있는 미세유체 접속 장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 미세유체 접속 장치는 미세한 관 형태의 미세 튜브와, 미세 튜브에 충전된 시료들을 유동시키거나 또는 정지시키는 유체 이동 유닛으로 이루어지는 미세 밸브와, 판 형태의 플레이트와, 상기 미세 튜브를 통하여 공급받는 시료들 간의 화학반응이 발생되며 화학반응이 관측되는 관측 창이 형성되며 플레이트 상면에 설치되는 반응 존과, 반응 존을 미세 튜브와 연결시키는 공급 관과, 반응 존으로부터 반응물을 배출시키는 배출 관으로 이루어지는 반응 플레이트 로 구성된다.
여기서 상기 반응 존은 플레이트 상면에 설치되는 기둥 형태의 시약 승강 칼럼의 상단에 형성되고, 공급 관과 배출 관이 각각 반응 존과 연결되는 부위는 시약 승강 칼럼에 수직 방향으로 길게 내장된다.
상기 반응 존은 바람직하게는 시약 승강 칼럼의 상면에 일정한 면적으로 형성되고, 반응 존은 시약 승강 칼럼의 상부를 밀폐시키는 밀폐 커버로 보호되며, 상기 관측 창은 밀폐 커버의 중심에 형성된다.
여기서 상기 시약 승강 칼럼과 반응 존 및 밀폐 커버는 바람직하게는 플레이트 상면에 복수개가 나란하게 형성되고, 미세 튜브는 시약 승강 칼럼의 개수에 대응되게 복수개가 설치된다.
이 경우 상기 미세 밸브는 바람직하게는 판 형태의 몸체와, 몸체에 서로 평행하게 내장되는 복수개의 상기 미세 튜브와, 미세 튜브가 내장된 지점의 길이 방향의 일부 구간 상부에 설치되는 복수개의 범퍼와, 단면이 원형인 막대 형태의 부재로서 길이방향이 범퍼와 교차되게 범퍼 상부에 설치되어 범퍼 상부를 따라 구르면서 이동하여 복수개의 범퍼를 동시에 가압시키는 가압 롤러 바 및, 가압 롤러 바 또는 몸체를 미세 튜브 방향을 따라 가변시키는 구동 유닛으로 구성되며, 상기 몸체는 내부에 복수개의 미세 채널이 서로 평행하게 형성되고, 미세 튜브는 미세 채널에 내장되며, 몸체와 범퍼는 탄성재질로 이루어져, 가압 롤러 바 또는 몸체 중 어느 하나가 구동 유닛으로 인해 가변되면, 가압 롤러 바가 범퍼 상부를 따라 구르면서 범퍼를 가압시킴으로써 범퍼와 미세 채널 및 미세 튜브가 가압 롤러 바로 인해 압착되어 형성된 압착 지점의 이동으로 미세 튜브에 내장된 시료를 이동시킨다.
이때 상기 미세 채널의 상부에는 바람직하게는 범퍼가 단절되는 구간인 압력 해제 구간이 형성되되, 압력 해제 구간은 복수개의 미세 채널 마다 서로 어긋나게 형성되고, 범퍼 상부를 구르는 가압 롤러 바가 압력 해제 구간 상부에 도달하면 미세 튜브 및 미세 채널의 압착이 해제되되, 상기 배출 관에 설치되어, 가압 롤러 바가 압력 해제 구간 상부에 도달할 때 압력 해제 구간 하부의 미세 튜브에 충전된 복수의 시료를 흡입시켜 상기 반응 존 방향으로 복수의 시료를 이송시키는 흡입 펌프;를 더 포함한다.
또한 상기 압력 해제 구간은 바람직하게는 가압 롤러 바가 구르면서 진행될 때 복수개의 미세 채널 중 어느 한쪽 끝의 미세 채널부터 다른 쪽 끝의 미세 채널 까지 순차적으로 가압 롤러 바와 만나도록 형성된다.
그리고 바람직하게는 상기 복수개의 반응 존 마다 하나씩 마련된 배출 관은 모두 하나의 상기 배출 홀에 연결되며, 상기 흡입 펌프는 하나의 배출 홀에 연결되게 설치된다.
한편 상기 미세 밸브는 바람직하게는 몸체 하부에 설치되는 베이스와, 베이스의 양 측에 고정 설치되고 베어링이 내부에 설치되어 상기 가압 롤러 바의 양 단에 결합되어 가압 롤러 바가 회전 가능하게 고정시키는 회전지지 브라켓과, 베어링과 가압 롤러 바 사이로 미세 밸브를 전진 또는 후진시키는 리니어 모터를 더 포함한다.
본 발명에 따른 미세유체 접속 장치는 종래의 ELISA 수행에 사용되던 96-well plate 보다 훨씬 신속하게 항체면역반응 분석이 이루어질 수 있으면서도, 극미량의 시료로도 분석이 가능하여 소요되는 비용도 훨씬 저렴하고, 복수의 반응 과정이 중간 세척을 포함하여 자동으로 수행되어 실험자의 노고가 감소될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 반응장치로 수행되는 면역반응의 개념도,
도 2a는 본 발명에 따른 반응장치의 개략적인 사시도,
도 2b는 도 2a에서 시약 승강 칼럼의 확대 사시도,
도 3a는 도 2b의 측 단면도,
도 3b는 도 3a의 분해도,
도 3c는 도 3a의 변형 실시예를 나타낸 측 단면도,
도 4는 도 2a에서 반응 플레이트의 사진,
도 5는 도 2a에서 미세 밸브의 부분 평면도,
도 6a는 도 5에서 채널 상부 범퍼의 원리를 나타내는 정단면도,
도 6b는 채널 상부 범퍼의 변형 실시예를 나타내는 사시도,
도 7은 도 2a에서 미세 펌프의 전체 구성을 나타내는 사진,
도 8은 도 7의 미세 펌프의 작동 순서를 나타내는 사진,
도 9는 cTnI의 7가지 농도에 대한 색상 차이를 나타내는 사진,
도 10은 투입되는 시료의 양과 반응 시간의 관계 그래프,
도 11은 도 9의 사진들 각각을 투입 시료 양과 cTnI 농도로 나타낸 그래프,
도 12는 투입되는 시료의 양과 농도의 관계 그래프,
도 13은 본 발명에 따른 ELISA와 종래 ELISA 공정의 비교 표,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 미세유체 접속 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 반응 플레이트(10)로 구성된다.
반응 플레이트(10)는 판 형태의 플레이트(11)와, 미세 튜브(24)를 통하여 공급받는 시료들 간의 화학반응이 발생되며 화학반응이 관측되는 관측 창이 형성되며 플레이트 상면에 설치되는 반응 존(15)과, 반응 존(15)을 미세 튜브(24)와 연결시키는 공급 관(13)과, 반응 존(15)으로부터 반응물을 배출시키는 배출 관(14)으로 이루어진다.
여기서 플레이트(11)의 상면에는 기둥 형태의 시약 승강 칼럼(12)이 설치되고 반응 존(15)은 시약 승강 칼럼(12)의 상단에 형성된다. 공급 관(13)과 배출 관(14)은 각각 시약 승강 칼럼(12)의 상단에 형성되는 반응 존(15)과 연결되기 위해 시약 승강 칼럼(12)에 수직 방향으로 길게 내장된다.
시약 승강 칼럼(12)은 도 2a에 도시된 바와 같이 기둥 형태로 제작되므로 종래의 생체 면역 반응 실험에 사용되는 96-well plate에 빽빽하게 삽입되는 비이커 또는 미세 비커와 동일한 형태이다. 따라서 종래의 96-well plate를 처리하기 위하여 제작된 오븐이나 사이클러 등 각종 96-well plate를 이용한 분석실험에 필요한 장비와 함께 사용될 수 있다.
하지만 시약 승강 칼럼(12)은 반응 존(15)이 최상단에 설치되어 시약 승강 칼럼(12)의 상면에 형성된 얇은 부피의 공간에서만 반응이 진행되므로, 종래의 96-well plate보다 소요되는 시약 및 피 측정물의 양은 현저하게 감소되어 극히 소량의 시약 또는 피 측정물만 있어도 종래의 96-well plate에서 목표로 하는 분석 실험이 충분히 진행 가능하다.
또한 시약 승강 칼럼(12)은 최상단에 반응 존(15)이 형성되고 그 아래의 내부 공간은 반응 존(15)에 시약 또는 피 측정물을 공급하는 공급 관(13)과 반응 존(15)으로부터 반응물을 배출시키는 배출 관(14)이 수직 방향으로 내장되므로, 소요되는 시료의 양은 극히 적더라도 반응이 일어나는 지점은 가장 관측이 용이한 최상단 부위인 반응 존(15)에 배치되어 종래의 96-well plate에 비해 오히려 반응 관측이 더 용이한 효과가 있다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 용이한 관측을 위해 시약 승강 칼럼(12)의 최상단에 형성된 반응 존(15)의 상부에는 관측 창이 형성된다. 다만 도 2a 및 2b에서는 관측 창이 투명하여 보이진 않으나 반응 존(15) 상부에는 관측 창이 있다. 특히 관측 창은 시약 승강 칼럼(12)의 상부를 밀폐시키는 밀폐 커버(16)의 상면 중심에 형성된다.
밀폐 커버(16)는 반응 존(15)을 포함하여 시약 승강 칼럼(12) 상부를 도 2b에 도시된 바와 같이 밀폐시킨다. 밀폐 커버(16)는 특히 탈착 가능하게 시약 승강 칼럼(12)에 결합됨으로써, 만약 긴급하게 반응물의 채취가 필요한 경우 밀폐 커버(16)를 시약 승강 칼럼(12)에서 분리시켜 반응 존(15)에서 직접 채취가 가능하다. 또한 반응 존(15)의 소독 및 정밀 세척이 필요한 경우에도 밀폐 커버(16)를 시약 승강 칼럼(12)으로부터 벗겨 냄으로써 소독이나 세척이 가능하다. 이때 종래의 96-well plate를 세척시키기 위해 통상적으로 사용되는 전문 장비로 세척하는 것도 가능하다.
반응 존(15)은 밀폐 커버(16)의 내부 천정과 시약 승강 칼럼(12)의 상면이 만나는 지점에 형성된다. 반응 존(15)으로 형성되는 공간은 구체적으로는 도 3a에 도시된 넓적한 6각형 형태와 같이 일정한 형태를 가지는 패턴이 시약 승강 칼럼(12)의 상면에 가공되어 형성되는 공간이다. 따라서 밀폐 커버(16)가 시약 승강 칼럼(12)의 상면에 결합될 때 상기 가공된 패턴 형태의 공간이 바로 반응 존(15)이 되는 것이다.
이때 밀폐 커버(16)의 내부 천정, 즉 관측 창의 저면에는 포획 항체가 고정된다. 포획 항체의 고정은 통상적인 면역 반응 실험에 사용되는 96well의 경우에 일정한 포획 항체가 well 내부에 고정되어 시판되는 경우와 동일하다.
종래의 96well은 서로 나란하게 연결되어 제작되는 8개의 well로 이루어지는 well 열이 12 열이 모여서 이루어진다. 이때 8개의 well 열이 바로 도 2a에 도시된 서로 연결된 8개의 밀폐 커버(16)로 활용될 수 있다.
특히 도 2a에 도시된 시판되는 8개의 well로 이루어지는 밀폐 커버(16)는 시판될 때 이미 포획 항체가 내부 천정에 고정된 상태이므로 본 발명에서는 별도로 밀폐 커버를 제작하거나 제작된 밀폐 커버에 별도로 포획 항체를 고정하는 작업을 할 필요 없이 곧바로 시판되는 96well을 본 발명에서의 밀폐 커버(16)로 활용할 수 있다.
이렇게 시판되는 8개의 well로 이루어진 밀폐 커버(16)를 8개의 시약 승강 칼럼(12) 상부에 결합시키면, 8개의 well로 인해 시약 승강 칼럼(12) 상면이 밀폐되면서 반응 존(15)이 밀폐된 상태로 되어 포획 항체로 항원-항체 반응을 실시할 수 있는 상태가 된다.
반응 존(15)은 도 2b 및 도 3a에 도시된 바와 같이 공급 관(13)으로부터 시료 또는 피 측정물을 공급받고, 배출 관(14)을 통하여 반응 후에 남는 물질 또는 중간 세척 후 세척물을 배출시킨다. 반응 존(15)은 도 3a에는 육면체 형태의 평면 형상으로 도시되어 있으나 반응 존(15)의 형태에 특별한 제한은 없으며 도 2b에서와 같이 원형으로 형성될 수도 있다. 반응 존(15)은 일정한 면적을 가지지만 관측 창과 반응 존(15) 사이의 간격, 즉 반응 존(15)을 이루는 공간의 높이 자체는 극히 미세하므로 극히 소량의 시료 또는 피 측정물 만으로도 반응의 수행이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 미세유체 반응 장치는 반응에 필요한 시료 양이 극히 적어, 값비싼 시료의 경우에도 소량만 있으면 되므로 종래에 비해 비용이 대폭 절감되는 효과가 있다.
공급 관(13)과 배출 관(14)은 도 2b 및 도 3a에 도시된 바와 같이 각각 주입 홀(17)과 배출 홀(18a)에 연결된다. 주입 홀(17)과 배출 홀(18a)은 도 2b에 도시된 바와 같이 단순한 구멍의 형태일 수도 있고, 또는 도 2a 또는 도 3a에 도시된 바와 같이 플레이트(11) 상부로 돌출된 짧은 관을 더 포함할 수도 있다.
공급 관(13)과 배출 관(14)은 도 2b 및 도 3a에 도시된 바와 같이 시약 승강 칼럼(12)의 하단에서부터 주입 홀(17) 또는 배출 홀(18a)까지의 구간에는 플레이트(11)에 수평 방향으로 내장된다.
참고로 시약 승강 칼럼(12)은 도 3c에 도시된 바와 같이 플레이트(11)의 저면에 형성될 수도 있다. 이때 주입 홀(17) 및 배출 홀(18a)은 플레이트(11)의 상면에 설치된다. 이러한 배치는 종래의 96well이 밀폐 커버로 이용될 수 있기 때문이며, 96well에 유동성 물질이 내장된 경우에는 도 3c와 같은 결합 및 배치로 반응 관찰이 이루어진다.
플레이트(11)는 저렴하면서 내 화학성이 좋은 재질이라면 어떤 것이든 선택 가능하다. 플레이트(11)의 재질로서는 예를 들어 PDMS(폴리메틸실록산, Polydimethylsiloxane)와 같이 투명도가 좋고 내구성이 매우 강하면서도 가공성이 좋은 재질일 수 있다.
플레이트(11)는 두 개의 판(111,112)이 겹쳐진 형태로 제작될 수 있다. 이때 공급 관(13)과 배출 관(14)의 수평 방향 부위는 플레이트(11)를 구성하는 두 개의 판, 즉 상부 플레이트(111)와 하부 플레이트(112) 사이에 삽입되거나, 또는 상부 플레이트(111)와 하부 플레이트(112)가 서로 접하는 부위에 수평 방향의 홈이 상부 플레이트(111)의 저면 또는 하부 플레이트(112)의 상면에 형성되는 형태로 공급 관(13)과 배출 관(14)이 형성될 수도 있다.
그리고 반응 플레이트(10)에는 시료를 반응 플레이트(10)로 공급시키는 미세 밸브(20)가 연결될 수 있다.
미세 밸브(20)에는 미세한 관 형태의 미세 튜브(24)가 내장되며, 미세 튜브(24)에 시료가 충전될 경우 시료를 이동시키는 유체 이동 유닛이 설치된다. 미세 밸브(20)에 대해서는 이하에서 도 5 내지 도 8을 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.
본 발명에서는 도 2a에 도시된 실시예에서와 같이 시약 승강 칼럼(12)이 플레이트(11) 상면에 복수개가 나란하게 배치된다. 따라서 통상의 96-well plate에서처럼 복수의 관련된 반응 실험이 동시에 진행될 수 있다. 이때 미세 밸브(20)와 반응 플레이트(10)를 연결시키는 미세 튜브(24) 또한 도 2a에 도시된 것처럼 시약 승강 칼럼(12)의 개수에 대응되게 복수개가 각각 하나의 시약 승강 칼럼(12)에 하나씩 연결된다.
미세 밸브(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 판 형태의 몸체(21)와, 몸체(21)에 서로 평행하게 내장되는 복수개의 미세 튜브(24)와, 미세 튜브(24)가 내장된 지점의 길이 방향의 일부 구간 상부에 설치되는 복수개의 범퍼(22)와, 단면이 원형인 막대 형태의 부재로서 길이방향이 범퍼(22)와 교차되게 범퍼(22) 상부에 설치되어 범퍼(22) 상부를 따라 구르면서 이동하여 복수개의 범퍼(22)를 동시에 가압시키는 가압 롤러 바(25) 및, 가압 롤러 바(25) 또는 몸체(21)를 미세 튜브(24) 방향을 따라 가변시키는 구동 유닛(미도시)으로 구성된다.
도 6a에 도시된 실시예에 따르면, 미세 튜브(24)가 내장되는 몸체(21)는 상판(212)과 하판(211)이 겹쳐진 형태로 제작되어 형성될 수 있다. 여기서 미세 채널(241)은 상판(212)의 저면에 형성되고, 상판(212)은 탄성 재질로 형성됨으로써, 미세 채널(241) 상부의 범퍼(22)가 압력을 받을 경우 상판(212)을 통하여 압력이 전달되어 미세 채널(241)이 도 6a의 우측에 도시된 도면과 같이 납작하게 변형된다. 미세 채널(241)이 압력을 받아 납작해지면 결국 미세 채널(241)에 내장된 미세 튜브(24)도 도 6a에서와 같이 납작하게 변형되어 막히게 된다. 여기서 미세 튜브(24)가 납작하게 되는 지점을 이하에서 '압착 지점'이라 칭하기로 한다.
상기 '압착 지점'은 가압 롤러 바(25)의 수직 하부에 형성되므로, 가압 롤러 바(25)가 범퍼 상부를 따라 이동하면 압착 지점도 가압 롤러 바(25)와 함께 이동된다. 다만 여기서 이동되는 주체는 가압 롤러 바(25) 일수도 있고 또는 가압 롤러 바(25)는 제자리에서 회전만 되고 미세 튜브(24)가 내장된 몸체(21) 자체가 이동될 수도 있다. 이동의 방향은 미세 튜브(24)의 길이방향을 따라 형성된 범퍼(22)의 길이 방향이다.
범퍼(22)는 도 5 및 도 6a에 도시된 바와 같이 가압 롤러 바(25)의 압력을 미세 튜브(24)로 전달시켜 미세 튜브(24)의 일 지점을 밀폐시키는 작용을 한다. 미세 튜브(24)의 밀폐가 바로 상기 압착 지점에서 발생되며, 압착 지점으로 인해 미세 튜브(24) 내부에 충전된 시약 또는 피 측정물은 가압 롤러 바(25)와 몸체(21)가 서로 정지되어 있을 때에는 이동되지 않는다.
다만 가압 롤러 바(25) 또는 몸체(21) 중 어느 하나가 이동될 때만 미세 튜브(24) 내부에 충전된 시료 또는 피 측정물(이하 '시료 등'이라 칭하기로 한다.)이 이동된다면, 미세한 시료 등의 이동거리 조절이 오로지 가압 롤러 바(25)에만 의존되므로, 도 5에서와 같이 복수개의 미세 튜브(24)가 서로 평행하게 배치되고, 각각의 미세 튜브(24) 마다 내부에서 이동되는 시료 등의 도달 시점이 다르도록 미세 튜브(24) 내부에서 시료 등이 원하는 반응 시점에 대응되게 서로 다른 지점에 충전되더라도 이동 중의 오차로 인해 각 미세 튜브(24) 마다 내부의 시료 등의 이동 속도나 순서가 달라질 수 있다.
따라서 본 발명에서는 각각의 미세 튜브(24)에 충전된 시료 등이 실험 계획에 따른 순서대로 순차적으로 반응 존(15)까지 도달되기 위해 압력 해제 구간(23)과 흡입 펌프(30)가 마련된다.
압력 해제 구간(23)은 도 5에 도시된 바와 같이 범퍼(22)가 단절된 구간이다. 범퍼(22)가 단절된 구간은 도 6a의 오른쪽에 도시된 도면에서 알 수 있듯이 상부에서 가압 롤러 바(25)가 눌러도 미세 채널(241)과 미세 튜브(24)는 압력을 받지 않아 찌그러지지 않는다. 따라서 미세 튜브(24)의 어느 한 쪽에서 공기를 불어 넣거나 흡입시키면 그에 따라 시료 등이 이동될 수 있는 상태에 놓인다.
흡입 펌프(30)는 도 2a에 도시된 바와 같이 반응 플레이트(10)에 형성된 배출 홀(18a)에 연결된다. 배출 홀(18a)은 반응 플레이트(10)에 하나가 형성되고, 복수개의 반응 존(15) 마다 연결되어 반응 존(15)으로부터 반응 잔류물을 배출시키는 복수개의 배출 관(18b)은 모두 하나의 배출 홀(18a)에 연결된다. 왜냐하면 복수개의 배출 관(18b)마다 흡입 펌프(30)가 설치된다면 비용도 상승할 뿐만 아니라 복수개의 흡입 펌프(30)를 제어시켜 각 반응 존(15)에 도달되는 시료 등의 속도를 조절시켜야 한다면 흡입 펌프(30)를 순차적으로 제어시키는 컨트롤 시스템도 필요하게 되어 이에 소요되는 비용도 상승하기 때문이다.
따라서 본 발명에서는 하나의 배출 홀(18a)에 하나의 흡입 펌프(30)가 마련됨과 아울러 범퍼(22)에는 원하는 반응 순서에 따라 순차적으로 압력 해제 구간(23)을 형성된다. 그리고 가압 롤러 바(25)와 몸체(21) 간의 상대 운동이 일어날 때 어느 하나의 미세 튜브(24) 상부에 형성된 압력 해제 구간(23)과 가압 롤러 바(25)가 만나게 되면 그 미세 튜브(24)는 압력이 해제된 상태가 된다. 여기서 흡입펌프(30)가 가동될 때 압력이 해제된 미세 튜브(24) 내에서만 시료 등이 이동된다.
압력 해제 구간(23)은 또한 원하는 반응 순서에 맞게 순차적으로 형성된다. 도 5에서 알 수 있듯이 흡입 펌프(30)가 설치됨으로 인해, 가압 롤러 바(25)의 진행 과정에서 압력 해제 구간(23)을 만나는 순서대로 그 압력 해제 구간(23)과 연결된 반응 존(15)에서 반응이 진행된다.
도 6a를 참조하면, 압력 해제 구간(23)이 형성된 상태의 미세 튜브(24) 외에 다른 미세 튜브(24)는 모두 가압 롤러 바(25)로 인해 압착된 상태이고, 가압 롤러 바(25) 하부에 압력 해제 구간(23)이 위치한 미세 튜브(24)만이 개방된 상태이므로 흡입 펌프(30)가 가동되면 개방된 미세 튜브(24)에서만 시료 등이 이동되어 반응 존(15)으로 진입된다.
또한 흡입 펌프(30)가 설치됨으로써, 가압 롤러 바(25)가 여러 번 이동하여 시료 등을 밀어내지 않더라도 시료 등은 가압 롤러 바(25)가 압력 해제 구간(23) 상부에 위치하는 순간 한 번에 바로 흡입력으로 인해 반응 존(15)까지 도달된다. 따라서 흡입 펌프(30)와 압력 해제 구간(23)의 상호작용으로 인해 반응 분석 공정 전체가 신속하게 진행될 수 있다.
한편, 흡입 펌프(30)의 가동으로 시료 등이 반응 존(15)을 향하여 이동하는 경우, 둘 이상의 일련의 반응이 하나의 반응 존(15)에서 일어나려면 어느 하나의 반응 후에 필요한 물질 외의 잔류물들은 배출될 필요가 있다. 따라서 도 3a에 도시된 바와 같이 제1시약(a-1)과 제2시약(a-2) 및 제3시약(a-3) 사이에는 각각 제1세척액(b-1)과 제2세척액(b-2)이 충전되어 반응 존(15)을 세척시켜 다음 반응이 준비될 수 있다. 하나의 장소에서 이러한 일련의 반응이 일어나는 예로써 앞서 배경기술 란에서 도 1을 참조하여 설명된 ELISA를 들 수 있다. 이 경우 최초 항체는 반응 존(15)에 사전에 코팅 되고, 제1시약(a-1)은 표적 항원이고, 제2시약(a-2)은 샌드위치 형태로 결합되는 제2항체이며, 제3시약(a-3)은 효소기질이 된다.
이러한 일련의 반응은 종래 96-well plate에서 비커의 바닥에서 발생되므로 상당량의 고가의 시료가 소요됨에도 오히려 관측은 더 힘든 문제가 있으나, 본 발명에서는 극히 소량의 시료로도 최적의 관측 위치에서 반응 관찰이 가능하다.
그리고 실험의 필요에 따라 압력 해제 구간(23)의 위치가 각 미세 채널(24) 간에 변경되거나 조정될 필요가 있는 경우가 있을 수 있다. 이런 경우를 대비하여 도 6b에 도시된 바와 같이 원하는 구간에 압력 해제 구간(23)이 형성될 수 있도록 범퍼(22)가 상판(212)과 분리되게 별도로 제작되고, 범퍼(22)가 일정한 길이로 모듈 형태로 제작되며, 범퍼(22)가 탈착 가능하게 고정시키는 범퍼 파지 돌기(29)가 상판(212) 상면에 형성될 수 있다.
범퍼 파지 돌기(29)는 도 6b와 같이 범퍼(22) 길이방향의 한쪽 단부와 나머지 단부를 고정시키는 형태로 설치될 수 있다. 여기서 범퍼 파지 돌기(29) 역시 탄성 재질로 형성된다. 따라서 가압 롤러 바(25)가 통과할 때 범퍼 파지 돌기(29)로 인해 범퍼(22)의 수축이 방해되지 않고 범퍼(22)와 범퍼 파지 돌기(29)가 함께 압착될 수 있다.
가압 롤러 바(25)가 범퍼(22) 상부를 따라 이동하면서 범퍼(22)를 가압시키는 과정은 가압 롤러 바(25) 자체가 범퍼(22)의 길이 방향을 따라 이동되면서 이루어질 수도 있고, 또는 미세 밸브(20)를 구성하는 몸체(21) 자체가 이동되고 이때 가압 롤러 바(25)는 제자리에 고정되어 회전만 될 수도 있다.
도 7에 표현된 실시예는 범퍼(22)는 제자리에서 회전되고 몸체(21)가 가변되는 형태이다. 이러한 작용을 위해 미세 밸브(20)는 몸체(21) 하부에 설치되는 베이스(28)와, 베이스(28)의 양 측에 고정 설치되고 베어링(미도시)이 내부에 설치되어 가압 롤러 바(25)의 양 단에 결합되어 가압 롤러 바(25)를 회전 가능하게 고정시키는 회전지지 브라켓(26)과, 베어링과 가압 롤러 바(25) 사이로 몸체(21)를 전진 또는 후진시키는 리니어 모터(27)를 더 포함한다. 이 경우 미세 밸브(20)를 구성하는 몸체(21)와 반응 플레이트(10)가 함께 고정 결합되어 가변되면, 미세 튜브(24) 길이가 필요 이상으로 길게 제작되지 않더라도 미세 튜브(24)가 장력을 받음으로 인해 주입 홀(17)에서 뽑히면서 주입 홀(17)로부터 이탈되는 현상이 방지될 수 있다.
이와 같이 구성됨으로써, 리니어 모터(27)가 단 한번 몸체(21)를 당기는 동작을 하는 과정에서 각 반응 존(15) 마다 일련의 복수의 반응이 모두 수행되고, 반응 존(15) 간에는 서로 순차적으로 원하는 순서대로 반응이 모두 진행되어 완료될 수 있다. 이때 리니어 모터(27)는 어느 하나의 압력 해제 구간(23)에 가압 롤러 바(25)가 위치할 경우 정지하고, 그때부터 흡입 펌프(30)가 압력 해제 구간(23)이 개방된 미세 튜브(24)를 통하여 시료(a-1,a-2,a-3) 및 세척액(b-1,b-2)을 순차적으로 흡입하여, 압력 해제 구간(23) 상부에 가압 롤러 바(25)가 위치하는 바로 그 미세 튜브(24)와 연결된 반응 존(15)에서 순차적인 반응을 모두 수행시키고, 이 시간 동안 리니어 모터(27)의 동작은 정지된다.
이러한 과정이 도 8의 사진에 나타나 있다. 도 8에서 반응은 (a)(b)(c)(d)(e)(f)의 순서로 진행된다.
한편, 반응이 명확하게 진행되는 데에 소요되는 시료의 양은 도 9의 사진에 표현되어 있다. 도 9에서 제시된 여덟 개의 사진은 반응 존(15)을 상부에서 촬영한 것으로서, 각 사진들은 서로 다른 시료 양을 투여 했을 때의 반응 정도가 색상의 진하기로 나타나는 장면이다.
도 9의 사진은 심장 트로포닌 I(cTnI) 단백질을 정량적으로 검출하는 실제 ELISA 절차와 동일한 절차의 반응이 본 발명에 따른 미세유체 반응 장치에서 수행되는 경우의 반응 존의 색상 변화이다. 여기서 최초 항체는 반응 존(15)에 코팅 된 상태이고, 여기에 1차적으로 15μl cTnI 항원(cTnI 단백질, Enzo Biosemic, USA)과, 45μl 세척 용액과, 15μl HRP 기질과 결합된 2차 항체가 차례로 통과되면서 항원 결합 반응, 세척, 2차 항체 결합 반응의 순서로 반응이 진행된다.
이 경우 15μl cTnI 항원에서 cTnI의 농도를 여덟 가지로 달리 했을 경우의 색상 변화가 도 9에 나타난 것이다. 이때 97.5 pg/mL 농도에서 이미 뚜렷한 검출 반응이 관측되고, 390 pg/mL 농도 이상의 농도에서는 cTnI의 농도를 높이더라도 색상이 동일하여, 뚜렷한 반응 관찰을 원하는 경우이더라도 3a90 pg/mL 농도의 cTnI만 있으면 성공적인 실험 공정이 수행 가능한 것을 알 수 있다.
한편 도 10의 그래프는 효소기질의 반응 시간과, 생성되는 반응물의 양을 일련의 점으로 표현하고 있다. 도 10에서 알 수 있듯이 어느 시점까지는 반응 시간이 길어질수록 생성되는 반응물의 양이 증가되다가 어느 시점 이후부터는 시간이 더 흘러도 생성되는 반응물의 양은 동일함을 알 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 소요되는 시료 등의 양이 작을수록 소요되는 반응 시간도 짧음을 알 수 있다.
도 11 및 도 12에 표현된 그래프는 cTnI의 농도에 따른 생성물의 양을 나타낸 것으로서, 앞서 도 9에서 제시된 사진에 대응되는 그래프이다. cTnI의 농도가 높아짐에 따른 생성물의 양은 선형적 관계에 있음을 알 수 있다. 그러나 뚜렷한 반응 결과물을 얻을 수 있는 농도는 앞서 본 바와 같이 97.5 pg/mL이므로 그 이상으로 cTnI의 농도를 높일 필요는 없게 된다.
도 13에서 제시된 표는 종래의 96-well plate를 사용한 ELISA 반응 공정과 본 발명에 따른 미세유체 반응 장치를 사용할 경우의 ELISA 반응 공정에서 소요되는 시료의 양과 소요되는 반응 시간을 비교하여 나타낸 자료이다. 가장 왼쪽의 데이터가 본 발명에 따른 경우의 소요 양과 시간이며, 종래에 비해 본 발명에서 소요되는 시료의 양과 반응 시간이 월등히 적은 것을 알 수 있다.
이때까지 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 극히 미세한 높이로 형성된 반응 구간으로 인하여 미세한 양의 시료로도 면역반응 검사가 가능하므로 소요되는 비용과 시간이 비약적으로 감소된다. 또한 흡입 펌프와 압력 해제 구간의 상호 작용으로 인해 복수개의 채널이 각자 독립적으로 그리고 순차적으로 반응 가능하며, 하나의 반응 존에서 일련의 반응 마다 매번 스포이드로 시약을 공급하거나 반응과 반응 사이에 미세 비커를 세척하는 등의 준비과정을 수행해야 하는 일체의 절차 없이 자동으로 간편하게 수행된다. 따라서 장시간 집중해서 면역 반응 시험을 수행하는 노고가 필요 없어지고 또한 전체 반응 공정에 소요되는 시간도 더욱 단축된다.
따라서 본 발명에 따른 검사 장치는 시급한 검사가 필요한 위급 상황에서도 현장에서 즉석으로 검사 수행이 가능하여 의료 서비스의 비약적인 질적 향상이 가능한 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
a-1 : 제1시약 a-2 : 제2시약
a-3 : 제3시약 b-1 : 제1세척액
b-2 : 제2세척액 S : 모듈 길이
10 : 반응 플레이트 11 : 플레이트
12 : 시약 승강 칼럼 13 : 공급 관
14 : 배출 관 15 : 반응 존
16 : 밀폐 커버 17 : 주입 홀
18a : 배출 홀 18b : 배출 튜브
20 : 미세 밸브 21 : 몸체
22 : 범퍼 23 : 압력 해제 구간
24 : 미세 튜브 25 : 가압 롤러 바
26 : 회전지지 브라켓 27 : 리니어 모터
28 : 베이스 29 : 범퍼 파지 돌기
30 : 흡입 펌프 111 : 상부 플레이트
112 : 하부 플레이트 211 : 하판
212 : 상판 241 : 미세 채널
272 : 모터 지지판 282 : 몸체 안내 레일

Claims (10)

  1. 판 형태의 플레이트와, 플레이트의 소정 부위에 설치되는 미세 챔버로서 내부로 공급되는 시료들 간의 화학반응이 관측되는 관측 창이 형성되는 반응 존과, 반응 존에 연결되어 반응 존으로 시약을 공급시키는 공급 관과, 반응 존으로부터 반응물을 배출시키는 배출 관으로 이루어지는 반응 플레이트; 로 구성되되,
    상기 플레이트의 일면에는 공급 관과 배출 관이 내부에 수직 방향으로 길게 내장되어 시약이 승강되는 기둥 형태의 시약 승강 칼럼이 형성되고, 상기 반응 존은 시약 승강 칼럼의 단부에 형성되며, 상기 공급 관과 배출 관은 반응 존과 연결되고,
    상기 시약 승강 칼럼에는 탈착 가능한 밀폐 커버가 결합되어 상기 반응 존은 밀폐 커버의 내면으로 인해 밀폐된 공간으로 형성되고, 밀폐 커버의 내면에는 고정화된 포획 항체가 구비되는 미세유체 접속 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시약 승강 칼럼과 반응 존 및 밀폐 커버는 플레이트 상면에 복수개가 나란하게 형성되고, 미세 튜브는 시약 승강 칼럼의 개수에 대응되게 복수개가 설치되는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    복수개가 나란하게 형성되는 상기 밀폐 커버는 종래 나란하게 연결 제작된 8개의 well이 12열이 모여 구성되는 통상의 96well에서, 96well을 구성하는 상기 12열 중 하나의 열인 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    미세한 관 형태의 미세 튜브와, 미세 튜브에 충전된 시료들을 유동시키거나 또는 정지시키는 유체 이동 유닛으로 이루어지며, 미세 튜브가 상기 공급 관과 연결되어, 미세 튜브로부터 공급 관으로 시약을 공급시키도록 구성되는 미세 밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 미세 밸브는 판 형태의 몸체와, 몸체에 서로 평행하게 내장되는 복수개의 상기 미세 튜브와, 미세 튜브가 내장된 지점의 길이 방향의 일부 구간 상부에 설치되는 복수개의 범퍼와, 단면이 원형인 막대 형태의 부재로서 길이방향이 범퍼와 교차되게 범퍼 상부에 설치되어 범퍼 상부를 따라 구르면서 이동하여 복수개의 범퍼를 동시에 가압시키는 가압 롤러 바 및, 가압 롤러 바 또는 몸체를 미세 튜브 방향을 따라 가변시키는 구동 유닛으로 구성되며,
    상기 몸체는 내부에 복수개의 미세 채널이 서로 평행하게 형성되고, 미세 튜브는 미세 채널에 내장되며, 몸체와 범퍼는 탄성재질로 이루어져, 가압 롤러 바 또는 몸체 중 어느 하나가 구동 유닛으로 인해 가변되면, 가압 롤러 바가 범퍼 상부를 따라 구르면서 범퍼를 가압시킴으로써 범퍼와 미세 채널 및 미세 튜브가 가압 롤러 바로 인해 압착되어 형성된 압착 지점의 이동으로 미세 튜브에 내장된 시료를 이동시키는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 미세 채널의 상부에는 범퍼가 단절되는 구간인 압력 해제 구간이 형성되되, 압력 해제 구간은 복수개의 미세 채널 마다 서로 어긋나게 형성되고, 범퍼 상부를 구르는 가압 롤러 바가 압력 해제 구간 상부에 도달하면 미세 튜브 및 미세 채널의 압착이 해제되되,
    상기 배출 관에 설치되어, 가압 롤러 바가 압력 해제 구간 상부에 도달할 때 압력 해제 구간 하부의 미세 튜브에 충전된 복수의 시료를 흡입시켜 상기 반응 존 방향으로 복수의 시료를 이송시키는 흡입 펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력 해제 구간은 가압 롤러 바가 구르면서 진행될 때 복수개의 미세 채널 중 어느 한쪽 끝의 미세 채널부터 다른 쪽 끝의 미세 채널 까지 순차적으로 가압 롤러 바와 만나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수개의 반응 존 마다 하나씩 마련된 배출 관은 모두 잔류물 배출을 위해 반응 플레이트의 상면에 수직으로 관통되는 형태로 형성된 하나의 배출 홀에 연결되며, 상기 흡입 펌프는 하나의 배출 홀에 연결되게 설치되는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 미세 밸브는 몸체 하부에 설치되는 베이스와, 베이스의 양 측에 고정 설치되고 베어링이 내부에 설치되어 상기 가압 롤러 바의 양 단에 결합되어 가압 롤러 바가 회전 가능하게 고정시키는 회전지지 브라켓과, 베어링과 가압 롤러 바 사이로 미세 밸브를 전진 또는 후진시키는 리니어 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 접속 장치.
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