KR102185961B1 - 교류 전위 변조를 이용한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 전위 변조를 이용한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 주입된 시료로부터 복수의 물질을 교류 전위 변조하여 분리하기 위한 제1 채널, 상기 제1 채널의 양측에 대향 연결된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 채널을 통과한 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하기 위한 제2 채널을 포함한 채널 기판과, 상기 채널 기판을 슬라이딩 삽입 수용하고, 제1 및 제2 채널이 노출되도록 상면의 중앙 부분이 개구되고, 교류 전압이 인가되는 제1 및 제2 커넥터가 양측면에 결합되며 상기 교류 전압을 상기 제1 및 제2 전극에 전달하는 기판 홀더, 상기 기판 홀더를 슬라이딩 삽입 수용하되 상기 제1 및 제2 커넥터를 외부로 노출시키며, 상면의 중앙 부분이 길이 방향으로 개구된 홀더 케이스; 및 상기 홀더 케이스의 길이 방향 일단부에 장착되고, 검출용 전압이 인가되며, 상기 장착 시에 상기 제2 채널의 끝단면에 맞닿는 전극 패널 상의 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 이용하여 상기 복수의 물질을 검출하는 전극 홀더를 포함하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전기화학적 마이크로 플루이딕 채널 디바이스에 교류 전위 변조 기법을 도입한 소형화 진단 키트를 구현하여, 검출하고자 하는 인자의 전기화학적 분리 및 검출을 편리하고 신속히 수행할 수 있다.

Description

교류 전위 변조를 이용한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트{Microfluidic channel based diagnostic kit using electrochemical AC potential modulation}

본 발명은 교류 전위 변조를 이용한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 플루이딕 채널(microfluidic channel) 디바이스가 포함된 소형화 진단 키트를 제작하고 교류 전위 변조(AC potential modulation)를 이용하여 혈액이나 소변으로부터 질병 인자(예: 암 세포, 혈색소(Hemoglobin), 당화혈색소(HbA1c))를 간편하고 신속하게 전기화학적으로 분리 및 검출하기 위한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트에 관한 것이다.

진단 키트 기술은 임상 진단 및 치료, 학술적 연구, 환경 및 수의학 분야 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 기술이다.

일반적으로, 진단 키트의 검출 방식은 방사선 표지법, 효소 연결 면역 분석법, 화학 유색도 분석법, 형광 표지법, 화학 발광 표지법 및 전기화학발광 표지법 등에 근간한다.

그 중에서 현재까지 개발된 진단 키트는 스트립(strip)에 환자의 혈액이나 소변 등의 샘플 용액을 묻혀 스트립에 도포된 약품과 체액의 반응을 관찰하여 질병의 유무를 확인하는 방법을 주로 사용한다.

그러나 기존의 키트 장비는 단순히 스트립 위에서 반응이 가능한 간단한 질병 인자만을 진단할 수 있다는 문제점이 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2014-0012460호(2014.02.03 공개) 및 한국공개특허 제10-2018-0046666호(2018.05.09 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은, 마이크로 플루이딕 채널 디바이스에 교류 전위 변조 기법을 도입한 소형화 진단 키트를 구현하여, 분석 대상 시료로부터 질병 인자를 보다 간편하고 신속하게 전기화학적으로 분리 및 검출할 수 있는 교류 전위 변조를 이용한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 주입된 시료로부터 복수의 물질을 교류 전위 변조하여 분리하기 위한 제1 채널, 상기 제1 채널의 양측에 대향 연결된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 채널을 통과한 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하기 위한 제2 채널을 포함한 채널 기판과, 상기 채널 기판을 슬라이딩 삽입 수용하고, 제1 및 제2 채널이 노출되도록 상면의 중앙 부분이 개구되고, 교류 전압이 인가되는 제1 및 제2 커넥터가 양측면에 결합되며 상기 교류 전압을 상기 제1 및 제2 전극에 전달하는 기판 홀더, 상기 기판 홀더를 슬라이딩 삽입 수용하되 상기 제1 및 제2 커넥터를 외부로 노출시키며, 상면의 중앙 부분이 길이 방향으로 개구된 홀더 케이스; 및 상기 홀더 케이스의 길이 방향 일단부에 장착되고, 검출용 전압이 인가되며, 상기 장착 시에 상기 제2 채널의 끝단면에 맞닿는 전극 패널 상의 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 이용하여 상기 복수의 물질을 검출하는 전극 홀더를 포함하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트를 제공한다.

또한, 상기 채널 기판은, 상면에 상기 제1 및 제2 채널과 상기 제1 및 제2 전극이 스크린 프린팅 또는 코팅되어 형성된 하부 유리 기판, 및 상기 제1 및 제2 채널의 상부를 커버하되, 시료 주입이 가능하도록 상기 제1 채널의 입구 부분에 대응하는 위치에 주입홀이 형성된 상부 유리 기판을 포함할 수 있다.

또한, 상기 하부 유리 기판 상의 각각의 채널과 전극은 탄소 잉크를 통해 스크린 프린팅되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 채널 기판은, 상기 제2 채널의 일측면에 연결된 작동 전극, 그와 대향한 타측면에 연결된 상대 전극 및 기준 전극을 더 포함하고, 상기 전극 홀더가 상기 홀더 케이스로부터 탈착된 상태에서, 상기 채널 기판에 구비된 작동 전극, 상대 전극, 기준 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 채널로 유입된 시료로부터 상기 복수의 물질을 전기적으로 검출할 수 있다.

상기 기판 홀더는, 상기 제1 커넥터의 복수 단자를 통하여 인가되는 교류 전압 및 작동 전압을 개별 선로를 통해 상기 채널 기판 상의 제1 전극과 작동 전극에 전달하며, 상기 제2 커넥터의 복수 단자를 통하여 인가되는 교류 전압, 상대 전압 및 기준 전압을 개별 선로를 통해 상기 채널 기판 상의 제2 전극, 상대 전극 및 기준 전극에 전달할 수 있다.

또한, 상기 기판 홀더는, 상면의 양측 부위에 상기 제1 및 제2 커넥터와 상기 제1 및 제2 전극 간을 각각 연결하는 선로를 구비한 제1 및 제2 접속 패널이 서로 대향하여 안착되고, 상기 제1 및 제2 접속 패널은, 상기 선로의 일단과 해당 전극 간을 상하로 연결하는 접속 단자를 포함하고, 패널 하부로 돌출된 구조의 상기 접속 단자가 상기 기판 홀더의 홀 내에 관통 삽입되어 상기 접속 단자의 하단부가 해당 전극과 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 상기 전극 홀더는, 외부로부터 검출용 전압이 인가되고 상기 홀더 케이스와 결합되는 커넥터 몸체, 및 상기 커넥터 몸체의 하단에 연결되고 표면에 상기 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 형성한 상기 전극 패널을 포함하며, 상기 홀더 케이스에 결합 시에, 상기 전극 패널의 표면이 상기 제2 채널의 끝단면에 수직하게 맞닿게 되어, 상기 제2 채널의 끝단으로 배출되는 시료로부터 상기 복수의 물질을 전기적으로 검출할 수 있다.

또한, 상기 홀더 케이스는, 상기 전극 홀더의 결합 시 하강되는 상기 전극 패널의 끝단 부위가 삽입 고정되게 하는 가이드 홈을 바닥면에 형성할 수 있다.

또한, 상기 홀더 케이스는, 상기 기판 홀더의 슬라이딩 삽입 시, 상기 제1 및 제2 커넥터가 끼워지는 슬릿을 양측면에 각각 형성할 수 있다.

또한, 상기 전극 홀더 내 작동 전극은, 검출하고자 하는 질병 인자에 따라 표면이 개질될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전기화학적 마이크로 플루이딕 채널 디바이스에 교류 전위 변조 기법을 도입한 소형화 진단 키트를 구현하여, 검출하고자 하는 인자의 전기화학적 분리 및 검출을 편리하고 신속히 수행할 수 있다. 또한, 채널 기판을 탈부착 혹은 교체하여 일회용 카트리지처럼 편리하게 사용 가능하며, 진단 키트 내에 채널 기판과 전극이 안정적으로 수용되고 보호되므로 질병 인자의 전기적 검출 시 측정 전류의 노이즈를 최소화하고 검출 정확도를 높일 수 있다.

더욱이, 마이크로 플루이딕 채널 진단 키트를 3D 프린터로 프린팅 제작 가능하므로 제조 비용이 저렴함에 따라 폭넓은 보급을 통하여 질병 예후를 조기 진단하고 치료 효과를 극대화시킬 수 있다. 또한, 질병 인자에 따라 전극 홀더의 작동 전극을 교체해 줌으로써 여러 질병 인자의 특성 정보를 수집할 수 있으며 이를 통해 새로운 치료법을 위한 유용한 정보를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진단 키트의 외형 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해도이다.
도 3은 도 2에 도시된 채널 기판을 상세히 나타낸 도면이다.
도 4은 도 2에 도시된 기판 홀더를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 일부 분해도이다.
도 6은 도 4에서 접속 패널과 커넥터를 제거한 모습의 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 홀더 케이스의 다른 사시도이다.
도 8은 도 2에 도시된 전극 홀더의 다른 사시도이다.
도 9는 도 1에 도시된 전극 홀더가 홀더 케이스에 삽입된 구조를 설명하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 진단 키트를 나타낸 도면이다.
도 11 및 도 12는 진단 키트에 연결되는 AC 발생기 및 일정 전위기를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 진단 키트의 실제 성능 실험에 사용된 각각의 소형화된 장비의 구성을 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 장비를 사용하여 혈액에서 여러 종류의 암 세포를 분리한 것과 혈액에서 혈색소와 당화혈색소를 분리한 실험 결과를 도시한 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진단 키트의 외형 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 진단 키트(100)는 채널 기판(110), 기판 홀더(120), 홀더 케이스(130) 및 전극 홀더(140)를 포함한다.

먼저, 채널 기판(110)은 기판 홀더(120)의 내부 공간에 삽입 결합되고(도 2의 A 방향 참조), 기판 홀더(120)는 채널 기판(110)을 내부에 홀딩한 상태에서 홀더 케이스(130)의 내부 공간에 다시 삽입되어 결합된다(B 방향 참조). 그리고 전극 홀더(140)는 홀더 케이스(130)의 일단부 상단에 결합 장착된다(C 방향 참조). 이하에서는 진단 키트(100)를 구성하는 개별 요소를 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 채널 기판을 상세히 나타낸 도면이다.

도 3과 같이, 채널 기판(110)은 주입된 시료로부터 복수의 물질을 교류 전위 변조하여 분리하기 위한 제1 채널(111)과, 제1 채널(111)의 양측에 대향 연결되어 교류 전압이 인가되는 제1 및 제2 전극(113,114), 그리고 제1 채널(111)을 통과한 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하도록 제1 채널(111) 후단에 이격 배치된 제2 채널(112)을 포함한다.

여기서 제1 채널(111)은 분리 채널, 제2 채널(112)은 검출 채널로 명명될 수 있다. 이들 채널은 모두 마이크로 플루이딕 채널을 의미한다.

채널 기판(110) 상의 각각의 채널과 전극들은 투명한 유리 기판 상에 스크린 프린팅 또는 코팅되어 제작될 수 있다. 예를 들면, 유리 기판 상에 채널들과 전극들을 각각 탄소 잉크를 통해 스크린 프린팅하는 방식으로 채널 기판(110)을 제조할 수 있다.

구체적으로, 채널 기판(110)은 각 채널들과 전압 인가용 전극들이 적층되기 위한 하부 유리 기판(115)과, 각 채널의 상부 부분을 커버하는 상부 유리 기판(116)을 포함하며, 다음과 같은 방식으로 제조될 수 있다.

먼저, 하부 유리 기판(115)을 준비하고 하부 유리 기판(115)의 상면에 탄소 잉크를 스크린 프린팅하여 각각의 채널(111,112)과 각각의 전극(113,114)을 형성한다. 그런 다음, 두 채널(111,112)의 상면 부분만을 상부 유리 기판(166)으로 커버한다. 여기서, 제2 채널(112)에 연결된 3개의 전극(W,C,R) 역시 상기와 같이 하부 유리 기판(115) 상에 스크린 프린팅되어 형성될 수 있다.

상부 유리 기판(116)을 커버하게 되면 채널(111,112)의 상부를 제외한 나머지 전극 부분은 전압 인가가 가능하도록 외부로 노출된다. 또한, 상부 유리 기판(116)은 시료 주입이 가능하도록 제1 채널(111)의 입구 부분에 대응하는 위치에 주입홀(117)이 형성된다.

상부 유리 기판(116)의 주입홀(117)을 통하여 주입된 시료는 제1 채널(111)을 통해 흐르게 된다. 이때, 제1 채널의 내벽 양측의 제1 및 제2 전극(113,114)을 통해 교류 전압이 인가되면, 제1 채널(111) 내에 교류 전압에 의한 전계가 형성된다.

제1 채널(111)에 주입된 시료는 제1 채널(111)의 양측 내벽에 인가된 교류 전압의 크기 및 주파수에 따라 전위 변조되어 제1 채널(111)의 내벽을 이동한다.

여기서, 시료에 포함된 복수의 물질(예를 들어, 암세포, 혈색소, 당화 혈색소 등의 질병 인자)은 분자량, 크기, 다이폴 모멘트(dipole moment) 등에 따라 각기 다른 이동 속도로 채널 내벽을 통과하는데, 이러한 원리에 따라 각 물질이 용이하게 분리 및 검출된다.

서로 다른 이동 속도를 가지는 각 물질은 제2 채널(112)로 유입된 후에 3전극을 이용한 전기적 검출 기법으로 검출되어 진다. 3전극을 이용하는 전기적 검출 기법은 기 공지된 LSV(Linear Sweep Voltammetry) 기법 등이 사용될 수 있다.

이와 같이 교류 전압을 이용하여 시료에 포함된 복수의 물질을 교류 전위 변조하여 분리하고 분리된 각 물질을 전기적으로 검출하는 원리는 기 공지된 것에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 제2 채널(112)의 양측면에도 3전극(동작 전극, 상대 전극, 기준 전극)이 스크린 프린팅 또는 코팅되어 형성되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 채널 기판(110)은 제2 채널의 일측면에 연결된 작동 전극(W)(working electrode), 그와 대향한 타측면에 연결된 상대 전극(C)(counter electrode) 및 기준 전극(R)(reference electrode)을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 제2 채널(112)에 연결된 3전극(W,C,R)은 제1 채널(111)을 통과 후에 제2 채널(112)로 유입되는 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하는데 활용될 수 있다. 다만, 이들 3전극(W,C,R)의 사용은 필수 요소는 아니며, 전극 홀더(140) 상의 3전극들을 이용한 검출 동작과는 병용될 수 없다. 다만 두 경우 모두 3전극에 인가되는 전압 조건은 동일하다.

따라서, 제2 채널(112)에 연결된 3전극(W,C,R)을 사용하여 물질을 전기적으로 검출할 경우에는 홀더 케이스(130)로부터 전극 홀더(140)를 분리(탈착)한 상태에서 수행한다. 예를 들어, 3전극(W,C,R)에 각각의 전압(작동 전압, 상대 전압, 기준 전압)을 인가하면서 제2 채널(112)로 유입된 시료로부터 서로 다른 속도로 이동 중인 복수의 물질을 전기적으로 검출한다. 이와 같이, 채널 기판(100)의 말단에도 3전극이 있어, 전극 홀더(140) 없이도 채널 전극 내에서도 물질 검출이 가능하다.

다만, 전극 홀더(140) 상의 3전극은 검출 물질에 대한 선택성을 가지는 물질(예: 항체, 압타머, 효소 등)을 고정하기 쉬운 이점이 있다.

이하의 본 발명의 실시예는 홀더 케이스(130)에 결합되는 전극 홀더(140) 상의 3전극을 이용하여 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하는 것을 대표 예시로 한다. 물론, 이때 제2 채널(112) 상에 연결된 3전극(W,C,R)은 전압 미인가 상태를 유지하도록 한다.

이상과 같은 채널 기판(110)은 앞서 도 2와 같이 기판 홀더(120)의 중공된 내부에 슬라이딩 방식으로 삽입되어 기판 홀더(120) 내에 수용된다.

도 4은 도 2에 도시된 기판 홀더를 상세히 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4의 일부 분해도이고, 도 6은 도 4에서 접속 패널과 커넥터를 제거한 모습의 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 기판 홀더(120)는 개방된 일면(전면)(A)을 통해 채널 기판(110)이 슬라이딩 삽입되며 일부가 막혀 있는 타면(후면)(B)을 통하여 삽입이 제동될 수 있다.

기판 홀더(120)는 제1 및 제2 채널(111,112)이 노출되도록 상면의 중앙 부분이 개구된다. 따라서, 기판 홀더(120)의 개구된 상면 중앙 부분을 통하여 시료 주입이 가능하고 채널 모니터링이 가능하다.

기판 홀더(120)는 교류 전압이 인가되는 제1 및 제2 커넥터(121,122)가 양측면에 결합되어 있으며, 제1 및 제2 커넥터(121,122)를 통해 인가된 교류 전압을 제1 및 제2 전극(113,114)에 전달한다.

이때, 각각의 커넥터(121,122)에는 여러 가지 전압을 각 요소에 개별 인가할 수 있도록 복수의 단자를 형성하고 있다. 제1 커넥터(121)는 2개 단자를 포함하고, 제2 커넥터(122)는 3개 단자를 포함한다.

도 2 및 도 4와 같이, 기판 홀더(120)는 제1 커넥터(121)의 복수 단자(2개 단자)를 통하여 인가되는 교류 전압과 작동 전압을 각각을 개별 선로(C)(2개의 케이블)를 통해 각각 채널 기판(110) 상의 제1 전극(113)과 작동 전극(W)으로 전달한다. 또한, 기판 홀더(120)는 제2 커넥터(122)의 복수 단자(3개 단자)를 통하여 인가되는 교류 전압, 상대 전압 및 기준 전압을 개별 선로(C)(3개의 케이블)를 통해 각각 채널 기판(110) 상의 제2 전극(114), 상대 전극(C), 기준 전극(R)에 전달한다.

제1 및 제2 커넥터(121,122)는 외부의 전압 발생기(미도시)로부터 전압을 인가받을 수 있다. 전압 발생기는 교류 발생을 위한 AC 발생기와 직류 전압을 인가하기 위한 일정 전위기를 포함할 수 있다.

여기서 채널 기판(110) 상의 3전극(W,C,R)을 활용하지 않을 때는 각 커넥터(121,122) 모두 1개의 단자(교류가 입력용 단자)를 통해서만 AC 발생기로부터 교류 전압을 인가받으면 된다.

본 발명의 실시예에서, 기판 홀더(120)가 내부의 채널 기판(110)으로 각각의 전압을 전달하는 실시예는 다양할 수 있다.

그 하나의 방법으로, 도 4 및 도 5의 경우, 기판 홀더(120)는 상면의 양측 부위에 제1 및 제2 접속 패널(123,124)이 서로 대향하여 안착된 것을 예시한다. 제1 및 제2 접속 패널(123,124)는 제1 및 제2 커넥터(121,122)와 제1 및 제2 전극(113,114) 간을 각각 연결하는 개별 선로를 구비하고 있다.

여기서 선로란 케이블, 접속 단자, 인쇄 회로 등과 같이 회로 배선, 전기적 접속 등을 위해 사용되는 다양한 수단을 포함할 수 있다. 또한, 전기적 연결 요소를 제외한 부분 즉, 접속 패널(123,124)의 기판 표면 자체는 전도성 없는 재질로 형성될 수 있다.

이때, 제1 및 제2 접속 패널(123,124)은, 도 5와 같이, 해당 선로의 일단과 해당 전극 간을 상하로 연결하기 위한 접속 단자(N)를 포함한다. 이때, 이들 접속 단자(N)는 접속 패널의 하부로 돌출된 구조로 형성되어 있다, 즉, 패널 하부로 돌출된 접속 단자(N)들이 기판 홀더(120) 상의 그와 대응하는 홀(H)들 내에 관통 삽입되면서 접속 단자(N)의 하단부 부분이 해당 전극과 전기적으로 맞닿아 접속되는 구조를 가진다.

예를 들어, 도 5에서, 제2 접속 패널(124)에 형성된 3개의 접속 단자(N2)는 그에 대응된 3개의 홀(H2)에 관통 삽입되면서 3개의 접속 단자(N2)가 제2 전극(114)의 상면과 맞닿아 접속되게 된다. 제2 전극(114)의 표면을 따라 3개의 접속 단자(N2)가 고루 접촉된다. 이처럼 하나의 전극에 대해 접속 단자를 3개 마련한 것은 전극 표면에 전압이 고루 전달되기 위한 것으로 개수가 반드시 이에 한정되지 않는다.

여기서, 제2 접속 패널(124) 하부에 돌출된 3개의 접속 단자(N2)는 제2 접속 패널(124) 상단에 위치한 하나의 접점(P2)과 함께 연결되고, 이 접점(P2)은 도 4에서와 같이, 3개 케이블 중 그에 대응된 1개 케이블의 단부와 연결되어 제2 커넥터(122)의 3단자 중 1개 단자와 전기적으로 접속되는 것을 알 수 있다. 제1 전극(113) 역시 마찬가지 방법으로 제1 접속 패널(123)과 연결되고, 상단의 제1 커넥터(121)의 2단자 중 1개 단자와 접속된다.

물론, 도 4 및 도 5와 같이, 채널 기판(110) 상의 3전극(W,C,R) 각각에 대해서도 상술한 것과 동일한 원리를 통해 전압이 인가될 수 있다.

도 6 (A)는 도 4에서 기판 홀더(120) 상의 접속 패널과 커넥터를 제거한 모습으로 각 홀의 위치를 확인할 수 있다. 또한, 도 6 (B)는 (A)를 정면에서 바라본 모습으로 채널 기판(110)이 삽입 가능하도록 중공된 내부 공간을 확인할 수 있으며, 후면은 앞서 도 5에서도 확인할 수 있듯이 중앙부가 사각형으로 개구되고 주변부(B)가 막힌 것을 알 수 있다.

이와 같은 구조를 가지는 기판 홀더(120)는 내부에 채널 기판(110)을 수용한 상태에서, 다시 홀더 케이스(130)에 최종 삽입된다.

도 7은 도 2에 도시된 홀더 케이스의 다른 사시도이고, 도 8은 도 2에 도시된 전극 홀더의 다른 사시도이다.

먼저, 도 1과 도 2 및 도 7을 참조하면, 홀더 케이스(130)는 중공된 내부 공간으로 기판 홀더(120)를 슬라이딩 방식으로 삽입 수용하되, 제1 및 제2 커넥터(121,122)를 외부로 노출시키는 구조를 가진다. 홀더 케이스(130)는 기판 홀더(120)의 슬라이딩 삽입 시, 제1 및 제2 커넥터(121,122)가 끼워지는 슬릿(131)을 양측면에 각각 형성하고 있다.

여기서, 기판 홀더(120)의 두 커넥터(121,122)가 각 슬릿(131)에 걸리면서 슬라이딩 삽입 동작이 제동될 수도 있고, 슬라이딩 삽입 과정에서 기판 홀더(120)에 장착된 채널 기판(110)의 끝 부분이 홀더 케이스(130) 내부의 턱(T)에 걸리면서 제동될 수 있다. 이러한 홀더 케이스(130) 역시 상면의 중앙 부분이 길이 방향으로 개구되어 있어, 시료 주입 및 채널 모니터링이 가능하게 한다.

또한, 홀더 케이스(130)는 추후 전극 홀더(140)의 결합 시 하강하는 전극 패널(142)의 끝단 부위가 삽입 고정되는 가이드 홈(132)을 바닥면에 형성하고 있다. 즉, 전극 패널(142)의 끝단 부위가 도 7의 두 벽(W1,W2) 사이에 형성된 홈(132)에 안정적으로 삽입된다. 이에 따라, 전극 패널(142)이 흔들림 없이 고정되며 검출 전류 값의 노이즈 발생을 최소화한다.

도 1, 도 2 및 도 8을 참조하면, 전극 홀더(140)는 홀더 케이스(130)의 길이 방향 일단부에 탈착 가능하게 장착되며, 외부로부터 검출용 전압(3전극용 전압; 동작 전압, 상대 전압, 기준 전압)이 인가된다.

전극 홀더(140)는 홀더 케이스(130)에 장착 시에 제2 채널(112)의 끝단면에 맞닿는 전극 패널(142) 상의 3전극(동작 전극, 상대 전극, 기준 전극)을 이용하여 복수의 물질을 검출한다.

전극 홀더(140)는 커넥터 몸체(141) 및 전극 패널(142)을 포함한다. 커넥터 몸체(141)는 홀더 케이스(130)와 직접적으로 결합되는 부분이다. 결합 방식은 도 2에 도시된 것과 같은 홈(홀)과 돌기를 이용한 암수 결합 방식 등 다양한 방식이 사용될 수 있다.

커넥터 몸체(140)는 외부의 일정 전위기(Bi-potentiostat) 장비로부터 검출용 전압을 인가받아 하부의 전극 패널(140) 상의 전극들에게 제공할 수 있다. 이러한 전극 홀더(140)는 일정 전위기를 통해 전기화학센서 작동전극에 전위를 인가하여 검출 물질에 의해 발생하는 전류값을 모니터링 한다.

전극 패널(142)은 배선(전극)이 형성된 일종의 회로 배선 기판으로서, 커넥터 몸체(141)의 하단에 연결되어 있으며, 표면에 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 형성하고 있다. 각 전극의 형성 패턴은 다양하게 설계될 수 있다.

도 9는 도 1에 도시된 전극 홀더가 홀더 케이스에 삽입된 구조를 설명하는 단면도이다. 도 9와 같이, 전극 홀더(140)가 홀더 케이스(130)에 결합 시에, 전극 패널(142)의 표면이 제2 채널(112)의 끝단면에 수직하게 맞닿게 되어, 제2 채널(112)의 끝단으로 배출되어 흘러나오는 액체 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출할 수 있게 된다.

즉, 전극 패널(142)에 형성된 전극이 액체 시료와 반응하여 복수의 물질을 전기적으로 검출할 수 있으며 시간에 따른 전류 검출 패턴을 통하여 각 물질(질병 인자)의 검출 결과를 획득할 수 있다. 따라서 전극 홀더(140)는 전류 센서 기능을 포함하고 있다.

여기서, 전극 홀더(140) 내 작동 전극은, 검출하고자 하는 질병 인자에 따라 표면이 개질될 수 있다. 표면 개질은 각 질병 인자 별로 인자의 특성을 고려하여 이루어지며 해당 인자의 검출을 용이하게 하며, 기 공지된 다양한 방식을 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따FMS 진단 키트(100)는 3D 프린팅 장비를 통해 출력하여 간단히 제조 가능하다. 이하에서는 3D 프린팅 장비를 통해 제조된 진단 키트 및 성능을 설명한다.

실시예 1: 질병 진단용 마이크로 플루이딕 채널 디바이스 제조

진단 키트를 출력하는데 사용된 3D 프린팅 장비는 3DISON MULTI (rokit) 이며, 출력에 사용한 그라파이트 필라멘트는 PLA (노즐 0.4 mm) 소재를 사용하였다. 또한, 탄소 잉크와 전도성 고분자를 혼합한 복합체를 사용하여 유리 기판에 스크린 프린팅 하여 각 채널과 전극을 제조하였다.

질병 진단을 위한 마이크로 플루이딕 채널 기판 제조를 위해 하부 유리 기판 위에 탄소(carbon) 잉크와 전도성 고분자가 혼합된 복합 잉크를 스크린 프린팅하여 탄소-고분자 층으로 된 채널을 제조하였다. 채널의 두께는 AutoCAD 소프트웨어를 이용하여 채널 직경이 95 ± 2.5 μm가 되도록 형성하였다. 프린트된 채널은 60℃ 건조 오븐에서 2일 동안 건조시켰다. 디바이스의 다른 부분(작동 전극, 기준 전극, 상대 전극 및 채널 벽)은 서로 연결되지 않고 적절하게 분리되어 있는지를 확인하였다. 그 다음, 채널의 전극 연결 장치 부분만 남기고 나머지 상부 유리 기판을 통해 스크린 프린트된 탄소 표면을 마감하여 채널을 완성하였다.

이후 증류수를 투입하여 유체의 흐름을 모니터링 및 최종 확인하여 마이크로 플루이딕 채널 진단 키트(100)에 들어갈 채널 기판(110)을 완성하였다. 또한, 진단하고자 하는 질병의 종류(암세포 및 혈색소 등)에 따라 전극 홀더(140) 내의 작동 전극의 표면을 적절히 개질하여 사용하였다. 작동 전극의 표면 개질에 관한 상세한 설명은 생략한다.

실시예 2: 질병 진단용 마이크로 플루이딕 채널 진단 키트 제조

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 진단 키트를 나타낸 도면이다.

도 10(A)는 진단 키트(100)를 구성하는 각 구성요소로서, 좌측부터 나열하면 제1 및 제2 커넥터(121,122), 기판 홀더(120), 채널 기판(110), 홀더 케이스(130), 전극 홀더(140)를 각각 나타낸다.

이후는 조립 순서도로서 도 10(B)는 기판 홀더(120) 내에 채널 기판(110)을 삽입한 모습이고, (C)는 (B) 상태의 기판 홀더(120) 양측에 두 커넥터(121,122)를 연결한 다음, 이를 홀더 케이스(130)에 삽입한 모습이고, (D)는 (C) 상태의 홀더 케이스(130)의 상단에 전극 홀더(140)를 결합한 모습을 나타낸다.

이와 같이, 채널 기판(110)을 기판 홀더(120)에 먼저 결합하여 준 다음, 분리 검출 시 발생 가능한 노이즈 감소를 위해 홀더 케이스(130) 내에 안착시켜 준다. 마지막으로, 분리된 샘플을 검출할 전극 홀더(140)를 홀더 케이스(130)에 결합하여 진단 키트를 완성하도록 한다.

도 11 및 도 12는 진단 키트에 연결되는 AC 발생기 및 일정 전위기(bi-potentiostat)을 나타낸 도면이다. AC 발생기는 채널 기판 상의 제1 채널에 교류 전압을 인가하여 시료에서 복수의 질병 인자(물질)을 분리하는데 사용되고, 일정 전위기는 전극 홀더 내 전극들에 전압을 인가하여 분리되어 이동한 인자(물질)들의 전기적 검출을 위해 사용된다.

도 11에 도시된 AC 발생기(AC Generator)는 USB 포트를 통해서 전원을 공급받고 USB to Serial Chip(FTDI FT230X)과 Micro Controller Unit(Atmega32)을 이용해서 PC와의 통신과 장비의 제어를 한다. 분리 검출에 필요한 AC Signal은 Programmable Oscillator(LTC6903)의 구형파(Square Wave) 출력과 Voltage Divider를 이용한 signal ground를 사용한다. Programmable Oscillator(LTC6903)의 출력주파수는 1kHz~68MHz의 범위를 가지며 시리얼 통신을 이용해서 원하는 주파수를 설정할 수 있다. 비 반전 버스 드라이버(74HC1G125)를 출력단에 추가해서 출력신호의 출력 임피던스를 낮추어 주었다.

도 12에 도시된 일정 전위기(Bi-potentiostat)는 PC의 USB 포트를 이용해서 필요한 전원을 공급받는 bus-powered 장비이며 공급받은 전원(5V)은 Isolated DC/DC Converter와 Regulator를 이용해서 디지탈/아날로그 IC에 적합한 전원을 공급한다. USB to Serial Chip(FTDI FT230X)와 Digital Isolator(SI8442)를 이용해서 PC와 통신을 하며 Micro Controller Unit(Atmega128)을 통해서 측정에 필요한 알고리즘 적용 및 기타장비의 제어를 한다. 실험에 필요한 전압 제어 및 전류측정결과 획득을 위해서 16bit 해상도의 DAC/ADC(AD5061/AD7680)를 사용하며 적용 IC의 0~5V의 입출력 범위는 전압 레벨 변환 회로를 통해서 -2.5~2.5V의 입출력 범위를 가진다. 일정전위회로(potentiostat)는 기준전극, 지시(상대)전극을 공통으로 사용하고 두 개의 독립된 작업전극을 가진 bi-potentiostat의 형태를 가지고, 개별 작업전극은 전류 측정을 위한 전류-전압 변환기와 차동 증폭 회로와 연결되어 있다.

측정 가능한 전류범위는 변환기의 저항을 멀티플렉서를 이용하여 선택하는 것을 통해 조절할 수 있다. 펌웨어 작성을 통해서 CV, LSV, CA, DPV, SWV의 실험방법을 구현하였으며 PC 프로그램을 통해서 실험 방법 및 설정조정 및 측정결과 관찰이 가능하다.

실험예 : 마이크로 플루이딕 채널 진단 키트를 이용한 질병 인자의 전기화학적 모니터링

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 진단 키트의 실제 성능 실험에 사용된 각각의 소형화된 장비의 구성을 나타낸 도면이다. 도 13 (A)는 실제 장비 연결도이고 (B)는 (A)를 개념적으로 도시한 도면이다.

도 13을 참조하면, 실험 결과를 출력할 컴퓨터(1), 소형화 된 AC 발생기(2) 및 일정 전위기(bi-potentiostat)(3), 샘플 주입 펌프(4), 펌프 컨트롤러(4-1), 마이크로 플루이딕 채널 진단 키트(5)가 포함되어 있다. 여기서 물론 진단 키트(5)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 도 10의 진단 키트를 나타낸다.

도 14는 도 13의 장비를 사용하여 혈액에서 여러 종류의 암 세포를 분리한 것과 혈액에서 혈색소와 당화혈색소를 분리한 실험 결과를 도시한 도면이다.

분석 대상 시료(예: 혈액이나 소변)에 포함된 각 물질의 이동 속도는 분자량 등에 따라 상이한 점에 따라 시료 내 복수의 물질이 각기 다른 시간에 전기적 신호를 통해 분리 검출된다.

도 14(A)는 크기가 다른 암세포를 분리, 검출한 결과로서, 혈액 시료에서 서로 다른 속도로 이동하는 6개의 암 세포를 시간에 따라 검출한 결과를 나타낸다. 이는 암세포의 발생 근원지(폐, 위, 피부 등)에 따라 그 크기가 다른 점을 이용하여 각기 다른 6종류를 분리 및 검출한 결과에 해당한다.

도 14(B)는 혈액 시료에서 서로 다른 속도로 이동하는 헤모글로빈(Hb)과 당화혈색소(HbA1c)를 시간에 따라 검출한 결과를 나타낸다. 이때, 마이크로 플루이딕 채널 상에 교류 전위를 흘려준 경우(with AC)가 그렇지 않은 경우(without AC) 보다 검출 성능이 크게 우수함을 확인할 수 있다.

이와 같은 도 14의 결과로부터, 본 발명의 실시예에 따라 제작된 소형화된 진단 키트(5)를 이용하여 실제 샘플의 효과적인 분리 검출이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 전기화학적 마이크로 플루이딕 채널 디바이스에 교류 전위 변조 기법을 도입한 소형화 진단 키트를 구현하여, 검출하고자 하는 인자의 전기화학적 분리 및 검출을 편리하고 신속히 수행할 수 있으며, 환자 혈액이나 소변에 존재하는 질병 인자를 신속하고 간편하게 고효율로 분리하고 고감도로 검출할 수 있는 새로운 분석 키트을 제공한다.

또한, 진단 키트 내에 채널 기판이 안정적으로 수용되고 기판상의 전극이 외부로부터 보호되므로 전기적 검출 과정에서 측정 전류의 노이즈를 최소화하고 검출 정확도를 높인다.

또한, 본 발명은 3D 프린터로 프린팅 제작 가능하므로 제조 비용이 저렴한 장점을 가지고 있어 폭넓은 보급을 통해 질병 인자들을 신속하고 간편하게 검출하고 질병 예후를 조기 진단하여 치료 효과를 극대화 시키는데 기여할 수 있다.

또한, 질병 인자에 따라 전극 홀더의 작동 전극을 교체해 줌으로써 여러 질병 인자의 특성 정보를 수집할 수 있으며 이를 통해 새로운 치료법을 위한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 더욱이, 검출하고자 하는 질병 인자에 따라 마이크로 플루이딕 채널 기판을 탈 부착하여 다양한 질병에 대한 분리 검출을 간편하게 실시할 수 있다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술한 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 진단 키트 110: 채널 기판
110: 제1 채널 112: 제2 채널
113: 제1 전극 114: 제2 전극
115: 하부 유리 기판 116: 상부 유리 기판
117: 주입홀 120: 기판 홀더
121: 제1 커넥터 122: 제2 커넥터
123: 제1 접속 패널 124: 제2 접속 패널
130: 홀더 케이스 131: 슬릿
132: 가이드 홈 140: 전극 홀더
141: 커넥터 몸체 142: 전극 패널

Claims (10)

1. 주입된 시료로부터 복수의 물질을 교류 전위 변조하여 분리하기 위한 제1 채널, 상기 제1 채널의 양측에 대향 연결된 제1 및 제2 전극, 상기 제1 채널을 통과한 시료로부터 복수의 물질을 전기적으로 검출하기 위한 제2 채널을 포함한 채널 기판;
   상기 채널 기판을 슬라이딩 삽입 수용하고, 제1 및 제2 채널이 노출되도록 상면의 중앙 부분이 개구되고, 교류 전압이 인가되는 제1 및 제2 커넥터가 양측면에 결합되며 상기 교류 전압을 상기 제1 및 제2 전극에 전달하는 기판 홀더;
   상기 기판 홀더를 슬라이딩 삽입 수용하되 상기 제1 및 제2 커넥터를 외부로 노출시키며, 상면의 중앙 부분이 길이 방향으로 개구된 홀더 케이스; 및
   상기 홀더 케이스의 길이 방향 일단부에 장착되고, 검출용 전압이 인가되며, 상기 장착 시에 상기 제2 채널의 끝단면에 맞닿는 전극 패널 상의 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 이용하여 상기 복수의 물질을 검출하는 전극 홀더를 포함하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 채널 기판은,
   상면에 상기 제1 및 제2 채널과 상기 제1 및 제2 전극이 스크린 프린팅 또는 코팅되어 형성된 하부 유리 기판; 및
   상기 제1 및 제2 채널의 상부를 커버하되, 시료 주입이 가능하도록 상기 제1 채널의 입구 부분에 대응하는 위치에 주입홀이 형성된 상부 유리 기판을 포함하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 하부 유리 기판 상의 각각의 채널과 전극은 탄소 잉크를 통해 스크린 프린팅되어 형성된 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 채널 기판은,
   상기 제2 채널의 일측면에 연결된 작동 전극, 그와 대향한 타측면에 연결된 상대 전극 및 기준 전극을 더 포함하고,
   상기 전극 홀더가 상기 홀더 케이스로부터 탈착된 상태에서, 상기 채널 기판에 구비된 작동 전극, 상대 전극, 기준 전극에 전압을 인가하여 상기 제2 채널로 유입된 시료로부터 상기 복수의 물질을 전기적으로 검출하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 기판 홀더는,
   상기 제1 커넥터의 복수 단자를 통하여 인가되는 교류 전압 및 작동 전압을 개별 선로를 통해 상기 채널 기판 상의 제1 전극과 작동 전극에 전달하며,
   상기 제2 커넥터의 복수 단자를 통하여 인가되는 교류 전압, 상대 전압 및 기준 전압을 개별 선로를 통해 상기 채널 기판 상의 제2 전극, 상대 전극 및 기준 전극에 전달하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 기판 홀더는,
   상면의 양측 부위에 상기 제1 및 제2 커넥터와 상기 제1 및 제2 전극 간을 각각 연결하는 선로를 구비한 제1 및 제2 접속 패널이 서로 대향하여 안착되고,
   상기 제1 및 제2 접속 패널은,
   상기 선로의 일단과 해당 전극 간을 상하로 연결하는 접속 단자를 포함하고, 패널 하부로 돌출된 구조의 상기 접속 단자가 상기 기판 홀더의 홀 내에 관통 삽입되어 상기 접속 단자의 하단부가 해당 전극과 전기적으로 접속되는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극 홀더는,
   외부로부터 검출용 전압이 인가되고 상기 홀더 케이스와 결합되는 커넥터 몸체, 및 상기 커넥터 몸체의 하단에 연결되고 표면에 상기 동작 전극, 상대 전극, 기준 전극을 형성한 상기 전극 패널을 포함하며,
   상기 홀더 케이스에 결합 시에, 상기 전극 패널의 표면이 상기 제2 채널의 끝단면에 수직하게 맞닿게 되어, 상기 제2 채널의 끝단으로 배출되는 시료로부터 상기 복수의 물질을 전기적으로 검출하는 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 홀더 케이스는,
   상기 전극 홀더의 결합 시 하강되는 상기 전극 패널의 끝단 부위가 삽입 고정되게 하는 가이드 홈을 바닥면에 형성한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 홀더 케이스는,
   상기 기판 홀더의 슬라이딩 삽입 시, 상기 제1 및 제2 커넥터가 끼워지는 슬릿을 양측면에 각각 형성한 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 홀더 내 작동 전극은,
    검출하고자 하는 질병 인자에 따라 표면이 개질된 마이크로 플루이딕 채널 기반의 진단 키트.

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