KR102207848B1 - 마이크로채널내의 생체 시료 속도 및 위치제어를 통한 샘플 농축 및 분리 장치 - Google Patents

마이크로채널내의 생체 시료 속도 및 위치제어를 통한 샘플 농축 및 분리 장치 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은 미세 기공을 갖는 채널에 분석물의 이동 방향을 따라 이온 교환막을 부착하여 분석물의 이동 속도를 조절하고, 이온 교환막의 근처에 검출부를 위치시킴으로써, 전계를 인가하지 않고도 분석물을 고농축하고 분석물을 분리하는 샘플 농축 및 분리 장치를 제공한다.

Description

마이크로채널내의 생체 시료 속도 및 위치제어를 통한 샘플 농축 및 분리 장치 {Sample Concentration and Separation Device by Controlling Speed and Position of Sample in Microchannel}
본 발명이 속하는 기술 분야는 샘플 농축 및 분리 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
현대 의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서 미래의학은 치료의학 중심이 아니라, 예방의학(Preventive Medicine), 예측의학(Predictive Medicine), 맞춤의학(Personalized Medicine)의 3P를 구현하는 것으로 패러다임이 변화하고 있다. 이를 구체적으로 실현하기 위해서는 질병의 조기발견 및 조기 치료 등이 매우 중요한 수단이 되고 있으며, 이를 위한 수단으로서 바이오마커(Biomarker)에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.
바이오마커는 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말한다. 바이오마커에는 핵산(DNA, RNA), 단백질, 지방질, 대사물질 등과 그 패턴의 변화 등이 이용되고 있다. 즉, 당뇨병의 진단을 위한 혈중 포도당 같은 간단한 물질부터 글리벡의 치료 타겟인 만성골수성백혈병의 BCR-ABL 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.
핵산 또는 단백질을 분석하여 질병의 발현 및 진행 정도를 파악할 수 있다. 단백질 분석을 위한 기술 및 소자들은 나노 기술을 이용함으로써 소자의 제작이 어렵고 비교적 고가이어서 보급화 되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단백질 분석 장치에 고감도의 센서가 필요하거나 적은 양의 샘플로는 정확한 분석이 어렵다는 단점이 있다. 핵산 또는 단백질을 검출하는 대표적인 방법은 크로마토그래피 방식을 이용한 측방 유동 분석 방법이다. 이러한 측방 유동 분석 방법은 임신 진단 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
임신 진단 키트는 융모선 성선자극호르몬(HCG)에 결합하는 단일 클론 항체를 이용한다. HCG에만 반응하는 단일 클론 항체인 HCG 항체에 발색 물질을 부착한다. 소변 속의 HCG가 임신 진단 키트의 HCG 항체와 결합한 후 이동하다가 임신 표시 창에서는 HCG 복합체 및 HCG에 결합하는 항체가 결합하여 붉은색 띠가 나타나고, 검사 종료 창에서는 발색 물질을 부착된 HCG 항체 및 HCG 항체에 결합하는 항체가 결합하여 붉은 색 띠가 나타난다.
HCG는 보통 농도가 높아서 감지가 용이하나, 다른 바이오마커들은 농도가 낮아서 검출이 곤란한 문제가 있다.
도 1은 수용부(120)에 이온 교환막(124)이 부착된 측방 유동 분석 스트립을 예시한 도면이다. 농축 키트(122)는 수용부(120)에 부착된다. 수용부에 부착된 이온 교환막에 전원(126)을 통해 전계를 인가할 때, 특정 분석물이 수용부(120)의 중간 지점에서 농축된다. 도 1에 도시된 수용부에 부착된 이온 교환막을 통하여 분석물을 고농도로 농축하기 위해서는 반드시 전계를 인가해야 한다.
한국공개특허 제10-2018-0056342호 (2018.05.28 공개)
본 발명의 실시예들은 미세 기공을 갖는 채널에 분석물의 이동 방향을 따라 이온 교환막을 부착함으로써, 전계를 인가하지 않고도 분석물을 10배 이상에 가깝게 농축하고 분석물을 분리하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 샘플 내의 분석물을 측정하는 샘플 농축 및 분리 장치에 있어서, 미세 기공을 갖고 상기 분석물을 이동시키는 채널; 및 상기 채널에 부착되며 상기 분석물이 이동하는 방향을 따라 기 설정된 길이를 갖는 이온 교환막을 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치를 제공한다.
상기 샘플 농축 및 분리 장치는 상기 이온 교환막으로부터 기 설정된 거리에 위치하고 상기 채널에 부착되며, 상기 이온 교환막에 의해 농축된 분석물을 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 이온 교환막이 상기 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘 및 공핍 영역을 형성하여 상기 분석물이 통과할 상기 채널의 단면적을 감소시키고, 시간이 지남에 따라 상기 분석물의 이동 속도를 감소시킬 수 있다.
상기 채널의 미세 기공을 통과하면서 상기 분석물의 이동 속도가 지연되는 현상과 상기 채널에 부착된 상기 이온 교환막에 의한 디플리션 힘(Depletion Force)이 상호 작용하여, 상기 이온 교환막이 부착된 위치에 수직한 지점 또는 상기 수직한 지점의 인접 영역에서 상기 분석물이 농축될 수 있다.
상기 이온 교환막이 부착된 상기 채널의 미세 기공의 크기가 작아져서, 상기 작아진 미세 기공의 크기보다 작은 크기를 갖는 제1 분석물은 통과하고, 상기 작아진 미세 기공의 크기보다 큰 크기를 갖는 제2 분석물은 통과하지 못하여, 상기 분석물이 분리될 수 있다.
상기 이온 교환막은 상기 채널이 연장되는 방향을 따라 기 설정된 길이를 갖도록 길게 배치되며, 상기 길이, 두께, 폭, 또는 이들의 조합을 조절하여 상기 디플리션 힘 및 공핍 영역의 크기를 제어할 수 있다.
상기 샘플 내에서 계면활성제의 유무에 따라 상기 채널에서 상기 분석물이 농축되는 위치가 변경될 수 있다.
상기 이온 교환막의 극성에 따라 수소 이온 농도가 설정된 완충 용액을 이용하여 상기 채널을 이동하는 상기 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절할 수 있다.
상기 이온 교환막은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 모두 포함하고, 상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막을 접촉하거나 이격하여 배치함으로써, 상기 채널을 이동하는 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절할 수 있다.
상기 채널에 연결되며, 상기 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함하는 컨쥬게이트부를 포함할 수 있다.
상기 검출부는 상기 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함할 수 있다.
상기 채널은 상기 복합체를 형성하지 못한 상기 결합체 또는 상기 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함하는 대조부를 포함할 수 있다.
상기 이온 교환막은 상기 컨쥬게이트부를 걸쳐서 부착될 수 있다.
상기 이온 교환막은 상기 채널의 상단, 하단, 측면, 또는 이들의 조합된 위치에 부착될 수 있다.
상기 이온 교환막의 개수는 복수이고, 상기 복수의 상기 이온 교환막은 지그재그로 배치되거나 적층 구조로 형성될 수 있다.
상기 이온 교환막과 상기 채널 사이에 농축 위치 조절부가 위치할 수 있다.
상기 채널은 (i) 직선 구간, (ii) 곡선 구간, (iii) 'v' 형상 또는 'ㄱ' 형상을 포함하는 꺽인 구간, (iv) 높낮이가 상이한 경사 구간, (v) 'X' 형상을 포함하는 교차 구간, (vi) 'Y' 형상을 포함하는 분기 구간, (vii) 복수의 채널이 레이어된 적층 구간, (viii) 상 채널과 하 채널이 비아로 연결된 관통 구간, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 샘플이 유입되는 통로인 유입부 및 상기 샘플이 유출되는 통로인 유출부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 채널에 연결되어 상기 샘플을 수용하는 공간을 갖는 수용부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 채널에 연결되어, 모세관 현상에 의해 상기 샘플을 흡수하는 흡수부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 샘플 농축 및 분리 장치는 측방 유동 어레이 또는 마이크로플루이딕 칩으로 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 미세 기공을 갖는 채널에 분석물의 이동 방향을 따라 이온 교환막을 부착하고, 채널에 형성된 검출부에 이온 교환막을 위치시킴으로써, 전계를 인가하지 않고도 분석물을 고농축하고 분리할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 수용부에 이온 교환막이 부착된 측방 유동 분석 스트립을 예시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치에서 채널에 이온 교환막이 부착된 구조를 예시한 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치를 예시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치에서 분석물이 농축되어 이동하는 원리를 예시한 도면이다.
도 13a, 도 13b, 도 14, 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치를 이용하여 분석물을 농축한 결과를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 샘플 농축 및 분리 장치는 채널과 이온 교환막을 포함하는 구조로 구현될 수 있고, 측방 유동 어레이 또는 마이크로플루이딕 칩 등으로 제품화될 수 있다. 샘플 농축 및 분리 장치는 샘플이 미세 채널로 들어보면 압력 또는 중력 등의 물리적인 힘, 기계적인 또는 전기적 동력 등을 이용하여 샘플 또는 샘플 내의 분석물을 이동시킨다.
샘플 농축 및 분리 장치는 채널, 이온 교환막, 및 검출부를 포함한다. 채널은 지지대에 연결될 수 있다. 샘플 농축 및 분리 장치는 보호 케이스 등을 추가로 포함할 수 있다. 이온 교환막은 채널에 부착된다. 채널에 양이온 교환막과 음이온 교환막이 모두 부착될 수 있다.
검출부는 이온 교환막으로부터 기 설정된 거리에 위치하고 채널에 부착되며, 이온 교환막에 의해 농축된 분석물을 검출한다. 검출부는 이온 교환막이 부착된 위치로부터 이격되어 채널에 부착될 수 있다. 이온 교환막과 검출부는 채널을 기준으로 상호 대향하는 위치에 부착될 수 있다. 샘플 농축 및 분리 장치는 이온 교환막으로 분석물의 농축 지점 또는 농축 영역의 위치를 조절하고, 농축 지점 또는 농축 영역에 검출부를 위치시킨다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실시예들에 따른 채널에 이온 교환막이 부착된 샘플 농축 및 분리 장치가 구현된 측방 유동 분석 스트립을 예시한 도면이다.
채널은 (i) 직선 구간, (ii) 곡선 구간, (iii) 'v' 형상 또는 'ㄱ' 형상을 포함하는 꺽인 구간, (iv) 높낮이가 상이한 경사 구간, (v) 'X' 형상을 포함하는 교차 구간, (vi) 'Y' 형상을 포함하는 분기 구간, (vii) 복수의 채널이 레이어된 적층 구간, (viii) 상 채널과 하 채널이 비아로 연결된 관통 구간, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 샘플 농축 및 분리 장치는 채널(100), 이온 교환막(200), 및 검출부(140)를 포함할 수 있다.
채널(100)의 일단은 유입부(101)를 포함할 수 있고, 채널(100)의 타단은 유출부(102)를 포함할 수 있다. 유입부(10)는 샘플이 유입되는 통로이고, 유출부(102)는 샘플이 유출되는 통로이다. 유입부(10)부터 유출부(102)로 유체가 이동한다. 유입부(101)는 깔대기 형상으로 형성될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 샘플 농축 및 분리 장치는 수용부(120), 컨쥬게이트부(130), 채널(100), 이온 교환막(200), 및 흡수부(170)를 포함할 수 있다. 유입부(101)은 수용부(120)에 형성될 수 있고, 유출부(102)는 흡수부(170)에 형성될 수 있다.
지지대(110)에 수용부(120), 컨쥬게이트부(130), 채널(100), 및 흡수부(160)가 고정될 수 있고, 채널(160)이 지지대(110) 역할을 할 수도 있다.
수용부(120)는 검출하려는 샘플을 수용하는 공간으로 일종의 버퍼 역할을 수행한다. 컨쥬게이트부(130)는 발색 물질에 결합된 탐지자를 포함한다. 탐지자는 샘플 내의 분석물과 결합한다. 탐지자는 샘플이 이동하면서 컨쥬게이트부(130)에서 분리된다. 채널(100)는 검출부(140) 및 대조부(150)을 포함하며, 샘플 내에 분석물이 존재하는지 여부를 표시하고, 샘플이 이동하는지 여부를 표시한다. 흡수부(160)는 모세관 현상을 이용하여 샘플을 흡수하는 공간이다.
컨쥬게이트부(130)는 채널(100)에 연결되며, 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함한다. 표시자는 육안 또는 센서를 이용하여 감지할 수 있도록 신호를 발생시키는 물질이다. 표시자는 발색 물질일 수 있으며, 예컨대, 금 나노 파티클일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.
채널(100)는 검출부(140) 및 대조부(150) 중 적어도 하나를 포함한다. 검출부(140)은 직접 또는 간접적으로 분석물을 포획하여 샘플에 분석물이 존재하는지 여부를 검출한다. 검출부(140)은 분석물 또는 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함한다. 대조부(150)은 복합체를 형성하지 못한 결합체 또는 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함한다. 즉, 대조부(150)은 분석물의 존재 유무에 관계없이 샘플이 이동했는지 여부를 확인한다.
컨쥬게이트부에서는 표시자-탐지자 결합체가 위치하고, 분석물이 컨쥬게이트부를 통과하면서 표시자-탐지자-분석물 복합체를 형성한다. 이동한 표시자-탐지자-분석물 복합체는 검출부에서 제1 포획자에 의해 포획된다.
컨쥬게이트부에서 복합체를 형성하거나 채널에서 포획하는 반응은 물리적 반응, 화학적 반응, 생물학적 반응, 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 항원-항체 반응일 수 있다.
샘플 농축 및 분리 장치에서 샘플 또는 분석물을 검출하는 방식은 항체-항원 반응에 국한되지 않는 것으로, 본 명세서에서 언급되는 결합부위(리간드)는 다양한 분석물에 있어서 단백질 리간드 (Ligand), 핵산(DNA 또는 RNA) 분자 서열의 결합 부위 등을 포함하고, 특이적 결합물질은 결합부위에 선택적, 특이적으로 결합할 수 있는 단백질, 바이러스 파아지, 핵산분자 앱타머(Aptamer), 합텐(Hapten, DNP) 등을 포함하는 생체분자를 모두 포함하는 것으로, 나아가 기재 사항에 제한되는 것은 아니다.
채널을 포함하는 샘플의 이동 경로는 모세관 현상에 반응하는 다공성 매질로 구현될 수 있다. 매질은 측방 유동에 사용될 수 있는 셀룰로스(Cellulose), 나이트로셀룰로스(Nitrocellulose), 폴리에테르설폰, 폴리비닐리딘, 플루오라이드, 나일론, 및 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 매질은 단독 또는 다른 물질과 조합하여 사용될 수 있다.
이온 교환막(200)은 채널(100)에 부착된다. 이온 교환막(200)이 채널(100)에 부착되는 형태는 채널(100)의 상단, 하단, 또는 측면, 이들의 조합으로 부착될 수 있다. 이온 교환막(200)이 이동 통로인 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘 및 공핍 영역을 형성하므로, 이온 교환막(200)은 채널을 따라 길게 배치된다. 주로 이온 교환막(200)의 길이를 조절하고, 길이뿐만 아니라 두께 및 폭을 조절하여 디플리션 힘 및 공핍 영역을 제어한다. 분석물이 이온 교환막(200)이 부착된 채널 영역의 하단을 지나면서 분석물이 농축된다.
채널의 미세 기공의 크기로 인하여 분석물의 크기 및 중량에 따라 이동 속도는 감소하고, 이온 교환막(200)이 이동 통로인 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘 및 공핍 영역을 형성하여 분석물이 통과할 채널의 단면적은 더욱 감소한다. 일정 시간이 지나면 분석물은 이온 교환막(200)이 부착된 채널 영역의 하단에서 이동 속도가 O에 가깝게 된다.
도 2c를 참조하면, 이온 교환막(200)은 컨쥬게이트부(130) 등 다른 통로의 부분까지 걸쳐서 부착될 수 있다.
도 2d 및 도 2e를 참조하면, 복수의 이온 교환막(200, 201, 202)이 부착될 수 있다. 복수의 이온 교환막(200, 201, 202)은 지그재그로 배치되거나 적층 구조로 형성될 수 있다.
도 2f를 참조하면, 이온 교환막(200)과 채널(100) 사이에 농축 위치 조절부(250)가 위치할 수 있다. 농축 위치 조절부(250)의 크기 및 위치에 따라 이온 교환막의 디플리션 힘 및 공핍 영역을 조절하여, 분석물이 농축되는 지점을 변경한다. 즉, 분석물은 검출부 부근에서 농축될 수 있다.
샘플 내에서 계면활성제의 유무에 따라 채널에서 분석물이 농축되는 위치가 변경된다. 분석물의 이동 방향을 기준으로 이동을 시작한 방향을 앞이라고 하고, 이동이 진행되어 나아가는 방향을 뒤라고 칭한다. 샘플 또는 채널 내에 계면활성제가 없으면 이온 교환막의 약간 앞쪽 지점에서 분석물이 농축되고, 계면활성제가 있으면 분석물의 진행 방향을 기준으로 이온 교환막의 중간 지점 또는 약간 뒤쪽 지점에서 분석물이 농축된다. 계면활성제가 이온 농도 분극(Ion Concentration Polarization, ICP) 현상의 발생을 억제하므로, 계면활성제의 농도가 높을수록 농축되는 지점이 뒤로 밀린다. 즉, 계면활성제의 농도에 따라 분석물의 농축 지점을 조절할 수 있다.
이온 교환막(200)은 수백 나노에서 수십 마이크로미터의 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 수십에서 수백 마이크로 미터의 폭을 갖도록 형성될 수 있다. 이온 교환막(200)의 길이는 샘플의 이동 경로를 따라 수십 밀리 미터를 갖도록 형성될 수 있다.
이온 교환막(200)은 선택적 투과막이라고도 한다. 이온 교환막(Ion exchange membrane, IEM)은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM), 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)이 있다.
이온 교환막(200)을 형성하는 선택적 이온 투과 물질은 특정한 이온과는 잘 결합하고 서로 끌어들이지만, 다른 이온과는 잘 결합하지 않고 끌어들이지 않는 특성을 가진 물질을 말한다. 선택적 이온 투과 물질은 예를 들어 나피온(nafion)이 될 수 있다.
이온 교환막(200)은 나피온(Nafion) 이외에도 PSS(Polystyrene Sulfonate), PAH(Polyallylamine Hydrochloride) 등의 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로도 구현될 수 있으며, 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 물질로 구현되더라도 무방하다.
이온 교환막은 불소계 중합체에 이온교환기를 도입한 형태일 수 있다. 예컨대, 듀퐁(DuPont)의 나피온(Nafion), 다우 케미칼스(Dow Chemicals)의 다우(Dow)막, 아사히케미칼스(Asahi Chemicals)의 아시플렉스-에스(Aciplex-S)막, 아사히글래스(Asahi Glass)의 플레미온(Flemion)막 등이 있다.
한편 비불소계 중합체 및 불소가 부분 치환된 중합체를 활용하여 개발한 이온 교환막이 있으며, 술폰화된 폴리(페닐렌옥사이드)계, 폴리(페닐렌설파이드)계, 폴리설폰계, 폴리(파라-페닐렌)계, 폴리에테르에테르케톤계, 폴리이미드계 등의 중합체를 이용한 이온 교환막 등이 있다.
이온 교환막은 미세 기공을 갖는 베이스를 선택적 이온 투과 용액(레진)에 침지하여 생성될 수 있다. 분석물의 분자 크기를 고려하여, 미세 기공의 크기 지름은 수십 내지 수백 나노 미터일 수 있다. 예컨대, 200 nm 이하로 설정될 수 있다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치를 예시한 도면이다.
베이스는 샘플 베이스와 통로 베이스를 포함한다. 샘플 베이스는 수용부와 같이 샘플을 저장한다. 통로 베이스는 채널과 같이 채널 역할을 한다. 코팅층은 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분한다. 샘플 농축 및 분리 장치는 접착 테이프 등으로 베이스 및 이온 교환막을 고정할 수 있다.
소수성 물질은 대표적으로 알코올 지방산 에스터로서 왁스(Wax) 등을 사용 할 수 있다. 베이스에 왁스를 인쇄하거나 가열하여 결합시킬 수 있다. 다만 여기에 한정되지 않으며, 아크릴(Acrylics), 올레핀(Olefins), 아미드, 이미드, 스티렌, 카보네이트, 비닐 아세탈, 디엔(Dienes), 비닐, 에스테르, 비닐에스테르, 케톤, 플루오로카본이나 테플론(Teflon), PDMS, 실란(Silane)등에서 선택되는 성분을 포함할 수 있다. 그 외에도 알킬실란 계열의 실리클래드(Siliclad) 등이 있고, 실리콘 계열으로는 하이드라이드 터미네이티드 폴리디메틸실록산(Methylhydrosiloxane-Dimethysiloxane Copolymer) 등이 있다.
일반적으로 재료에서 물질이 소수성을 띄게 되는 경우는 물과 닿는 표면의 구조에 의한 영향과 재료의 표면 자체의 특성에 의한 영향으로 소수성을 가질 수 있다. 특히, 베이스인 종이에 코팅을 하여 마이크로 채널을 형성하는 경우는 후자에 해당하며, 종이에 왁스를 코팅하여 채널을 형성하는 것은 종이라는 친수성 재료에 채널로 사용할 부분을 제외하고 다른 부분을 소수성을 띄게 할 수 있다. 이러한 소수성의 성질은 베이스를 종이와 비슷한 파이버(Fiber) 소재를 이용할 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로, 셀룰로오스 페이퍼 이외에 파이버 계열의 베이스를 사용하는 것도 가능하다.
본 실시예는 베이스에 소수성 물질인 왁스를 결합시키는 방법으로서 종이 위에 소수성 물질의 패턴을 코팅시키는 방법을 개시한다. 왁스 패터닝 방법에 대하여 특별한 제한은 없고, 종이와 소수성 물질을 단순히 접합시키는 것, 종이에 소수성 물질을 침투시킨 상태로 결합시키는 것도 가능하지만, 바람직하게는 시료의 누수를 방지하기 위하여 소수성 물질을 종이에 침투되도록 결합시키는 것이 바람직하다. 종이의 경우 원가가 저렴할 뿐만 아니라, 탄성 및 성형성이 좋고, 소수성 물질과 흡착, 침투시키는 형태로 종이 위에 일정한 두께를 갖는 코팅층을 형성시키는 것이 용이하며, 소수성 코팅물질과의 결합력도 우수하다.
베이스는 다공성 멤브레인(Porous Membrane)을 포함할 수 있으며, 베이스의 두께를 조절하여 시료가 분리 및 농축되는 정도로서 분해능을 제어할 수 있다. 예를 들어, 베이스가 종이인 경우 종이의 두께를 50 ㎛, 180 ㎛, 350 ㎛ 등으로 차등 적용하여 분해능을 조절할 수 있고, 베이스의 미세공(Pore)의 크기를 조절하여 채널의 단면적을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 7을 참조하면, 채널에 부착된 이온 교환막(IEM)을 이용한 농축 방식은 이온 교환막의 이온 흡수로 인하여 분석물의 이동 지점마다 수소 이온 농도(pH)의 변화가 발생한다. 면역측정(Immunoassay) 기반의 측방 유동 분석 스트립은 pH의 변화에 따라 반응 정도가 달라진다. pH의 변화는 측방 유동 분석 스트립에서 검출 성능, 위양성 등의 오차를 발생시킨다.
도 8을 참조하면, 이온 교환막의 극성과 상보적인 극성을 갖는 완충 용액(Buffer Solution)을 이용하여 채널을 이동하는 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절한다. 예컨대, 양이온 교환막(CEM)이 부착된 경우 염기성의 완충 용액을 활용하여 pH의 변화를 줄일 수 있다. 완충 용액으로는 PBS(Phosphate-buffered saline), borate 등을 사용할 수 있다. 분석물이 이온 교환막의 하단을 통과한 후에 수소 이온 농도를 일정 범위 내로 조절할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 양이온 교환막을 하나만 부착할 경우, 수소 이온을 흡수하는 양이온 교환막의 하단에서 강한 산성이 나타나고, 분석물이 이동하여 양이온 교환막의 뒤쪽에서 산성을 나타낸다. 즉, 분석물이 이온 교환막의 하단을 통과하기 전과 통과한 후에 수소 이온 농도의 차이가 발생한다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 상보 결합시킨다. 이온 교환막은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 모두 포함할 수 있다. 양이온 교환막과 음이온 교환막을 접촉하거나 이격하여 배치함으로써, 채널을 이동하는 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절할 수 있다. 분석물이 이온 교환막의 하단을 통과하기 전과 통과한 후에 수소 이온 농도의 차이를 줄일 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치에서 분석물이 농축되어 이동하는 원리를 예시한 도면이다.
섬유 망상 구조(Fiber Network)로 이루어진 다공성 재료 (예컨대, 종이, 면직, 실 등)에 이온 교환막(IEM)이 부착되어 있고, 이온 교환막이 부착된 영역에 수직한 영역을 샘플이 지나갈 때, 다공성 재료의 영역 중에서 이온 교환막의 하단에서 샘플이 농축된다.
다공성 재료의 채널의 미세 기공을 통과하면서 샘플의 이동 속도가 지연되는 현상과 채널에 부착된 이온교환막에 의한 디플리션 힘(Depletion Force)이 상호 작용하여, 이온교환막이 부착된 위치에 수직한 지점 또는 수직한 지점의 인접 영역에서 분석물이 농축되면서 채널을 이동한다.
디플리션 힘이란 짧은 범위의 인력(Short Range Attraction)으로 힘을 받을 콜로이드들 간의 사이 간격이 충분히 가까워졌을 때에 발생하며, 그 거리 이상으로 멀어져 있을 때엔 작용하지 않는 힘을 의미한다. 여기서 충분한 거리란 콜로이드보다 작은, 그러나 같은 시스템 내에 분산되어 자유운동하고 있는 디플리션 힘을 발생시키는 또 다른 콜로이드인 디플턴트(Depletant)의 크기와 같다. 이러한 디플턴트란 용어는 디플리션 힘을 유도하는 입자를 의미한다. 다량의 콜로이드 입자는 서로 결합한다.
모세관 현상에 의해서 샘플이 이온 교환막의 하단을 지나갈 때, 이온 교환막이 가지고 있는 본연의 이온(Native Charge)에 의하여 음이온 또는 양이온만 선택적으로 흡수하게 되고 디플리션 힘(depletion force)이 발생하게 되어 공핍 영역(Depletion Zone)을 형성한다.
공핍 영역(Depletion Zone)에 의하여 전하를 가지고 있는 샘플이 지나갈 수 있는 경로의 폭 또는 높이가 작아지게 되고, 이에 따라 샘플의 이동성(Mobility)이 감소하고 특정 영역에서 적층하게 된다. 즉, 디플리션 힘이 이온 교환막이 부착된 채널의 반대 방향으로 작용하여 채널의 통로 크기를 축소시킨다.
이온 교환막이 부착된 영역을 지나고 말단에 나오게 되는 샘플은 처음 농도보다 낮은 농도의 샘플이 흘러나오게 된다.
종이 기반의 채널에 이온 교환막을 결합하여 무전원으로 검지 성능을 향상시킬 수 있기 때문에 휴대성 및 비용면에 유리하다.
또한 서로 다른 크기나 질량을 가지는 입자를 분리하는데 사용할 수 있습니다. 섬유 망상 형태로 이루어진 재료의 기공 크기(Pore Size)와 이온 교환막(IEM)의 본연의 전하에 의한 디플리션 힘의 세기 및 공핍 영역의 폭 및 높이를 조절하여 입자들의 이동성에 따라 특정 입자만 분리할 수 있다.
제1 샘플과 제1 샘플보다 분자 사이즈가 작은 제2 샘플을 동시에 채널 내에 이동시킬 때, 이동 방향을 따라 기 설정된 길이(D1)를 갖는 이온 교환막이 부착된 특정 지점(D2)의 하단에서는 디플리션 힘에 의한 공핍 영역의 폭(W2) 또는 높이(H2)으로 인하여 채널의 폭(W1) 또는 높이(H1)보다 이동 가능한 폭(W3) 또는 높이(H3)이 줄게 된다. 이동 가능한 폭(W3) 또는 높이(H3)보다 큰 사이즈를 갖는 제1 샘플은 농축하고, 이동 가능한 폭(W3) 또는 높이(H3)보다 작은 사이즈를 갖는 제2 샘플은 통과한다. 즉, 채널의 기공 크기(Pore Size)와 이동하려는 힘(예컨대, 모세관 현상 등)과 이온 교환막(IEM)의 디플리션 힘에 의한 공핍 영역이 상호 작용하여 필터와 같은 역할을 수행한다.
실험 결과, cellulose paper 재료로 alexa 350 (사이즈: 1nm 이하)와 albumin-FITC (사이즈: ~ 20nm)를 같이 농축할 경우 alexa 350은 모이지 않고 lbumin-FITC만 이온 교환막의 하단에서 뭉침을 확인할 수 있다.
유입부 또는 수용부에 결합된 이온 교환막에 전계를 인가하여 분석물을 농축한 후 농축된 분석물을 이동시키는 방식은, 전압차가 발생하면, 전압차에 따른 전계에 의해 유체 내에 존재하는 이온들이 각 이온의 전기적 성질과 반대인 전극 쪽으로 이끌리게 된다. 이와 같이 이온들이 전기적 성질에 따라 채널 내에서 움직이면서 점성력에 의해 유체 입자들을 같이 이끌고 가게 된다. 전체적인 유체의 유동이 발생하게 되며, 이와 같은 유체의 이동현상을 전기삼투(Electro-Osmosis Flow, EOF)라고 하고, 이온의 움직임을 전기영동(electrophoresis, EP)이라 한다.
전기영동(Capillary Electrophoresis) 및 전기삼투(Electro-Osmosis)의 특성은 이온 교환막으로 구현된 채널 근처에서 그 특성이 달라져, 이온 농도 분극(Ion Concentration Polarization, ICP)이 발생한다. 따라서, 채널의 반응 영역에서 음극 쪽에는 이온 결핍(Depletion)이 발생하고, 양극 쪽에서는 이온 농축(Enrichment)이 발생하게 된다. 이때, 결핍된 낮은 이온농도와 그에 따른 높은 전계에 의해 결핍 영역(Depletion Zone)이 전하(Charge)를 띈 분석물에 대해 일종의 전기적 장벽(Electric Barrier)으로 작용을 하게 된다. 그 결과 분석물은 결핍 영역을 통과하지 못하고 그 앞에 농축된다. 분석물이 채널 내의 결핍 영역 앞에 매우 빠른 시간에 농축된다. 이온 농도 분극에 의한 결핍 영역의 크기는 시료의 이온 농도 분극이 진행됨에 따라 확장되므로, 분석물은 채널의 가운데 영역에 농축 영역을 형성한다.
이와 달리, 본 실시예에 따른 채널에 결합된 이온 교환막을 이용한 농축 방식은 이온 교환막에 전계를 인가하지 않고도, 미세 기공을 갖는 채널에 디플리션 힘에 의한 공핍 영역을 형성하여 채널의 단면적을 축소시키고 축소된 채널을 통과하는 분석물의 이동 속도를 감소시킴으로써, 분석물을 몇 배 이상 농축하고, 상이한 크기를 갖는 분석물을 필터링할 수 있는 효과가 있다.
채널에서 축소된 기공보다 작은 크기를 갖는 분석물을 통과시키고, 축소된 기공보다 큰 크기를 갖는 분석물의 진행을 막고 농축시킬 수 있다. 이온 교환막이 부착된 채널의 미세 기공의 크기가 작아져서, 작아진 미세 기공의 크기보다 작은 크기를 갖는 제1 분석물은 통과하고, 작아진 미세 기공의 크기보다 큰 크기를 갖는 제2 분석물은 통과하지 못하여, 분석물이 분리된다.
도 12를 참조하면, 채널(100)에 검출부(140)가 부착되어 있다. 제1 샘플을 채널 내에 이동시킬 때, 이동 방향을 따라 기 설정된 길이(D1)를 갖는 이온 교환막이 부착된 특정 지점(D2)의 하단에서는 디플리션 힘에 의한 공핍 영역의 폭(W2) 또는 높이(H2)으로 인하여 채널의 폭(W1) 또는 높이(H1)보다 이동 가능한 폭(W5) 또는 높이(H5)이 줄게 된다. 이동 가능한 폭(W5) 또는 높이(H5)보다 큰 사이즈를 갖는 제1 샘플은 농축된다. 즉, 채널의 기공 크기(Pore Size)와 이동하려는 힘(예컨대, 모세관 현상 등)과 이온 교환막(IEM)의 디플리션 힘에 의한 공핍 영역이 상호 작용하여 필터와 같은 역할을 수행한다.
샘플 농축 및 분리 방법은 채널에 이온 교환막을 부착하는 단계를 포함한다. 샘플 농축 및 분리 방법은 유입부 또는 수용부에 샘플을 주입하는 단계를 포함한다. 샘플 농축 및 분리 방법은 분석물이 유입부 또는 수용부를 지나 이온 교환막이 부착된 채널을 통과하면서 분석물을 농축하는 단계를 포함한다. 분석물은 검출부에서 검출되고 샘플은 유출부 또는 흡수부로 이동하게 된다.
분석물을 농축하는 단계는 채널의 미세 기공을 통과하면서 분석물의 이동 속도가 지연되는 현상과 채널에 부착된 상기 이온 교환막에 의한 디플리션 힘(Depletion Force)이 상호 작용하여, 이온 교환막이 부착된 위치에 수직한 지점에서 분석물이 농축된다.
분석물을 농축하는 단계는 이온 교환막이 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘 및 공핍 영역을 형성하여 분석물이 통과할 채널의 단면적을 감소시키고, 시간이 지남에 따라 분석물의 이동 속도를 감소시킨다.
도 13a, 도 13b, 도 14, 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치를 이용하여 분석물을 농축한 결과를 예시한 도면이다.
실험 수행시 Operation time은 1800 sec, Operation volume은 100 uL이고, Absorbent pad는 LFA(Lateral Flow Assay) Absorbent Paper이고, Sample은 albumin-FITC이다. 수용부는 GE Healthcare Chromatography paper이고, 이온 교환막은 Nafion infiltrated paper이다. Nafion infiltrated paper는 Chromatography paper를 Nafion resin 20wt %에 침지시켜 형성한다. Pad 재질은 Chromatography paper이고 Nafion 희석비는 Nafion resin 20wt % 원액 사용하고, 침적 용량은 50-60 uL/cm2이다. Infiltration 조건은 droplet 형태로 떨어뜨리고 약 5분 방치하고, 건조 조건은 80℃ 및 10 min에서 열처리한다. 통로 베이스는 Nitrocellulose Membrane이고, 0.2 um 크기의 기공을 갖는다.
도 13a는 도 3 및 도 4에 도시된 Nitrocellulose를 베이스로 구현하여 실험한 결과이고, 도 13b는 도 5 및 도 6에 도시된 cellulose를 베이스로 구현하여 실험한 결과이다. 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 전원을 이용하지 않고도 10 배 이상으로 분석물을 농축할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시예들에 따른 샘플 농축 및 분리 장치를 측방 유동 분석 스트립 구조로 형성하여 분석물을 농축한 결과를 예시한 도면이다.
도 14에서 실험 수행시 Operation Time은 5 min이고, Sample volume는 50 uL이고, Sample은 hCG이고, Buffer solution은 Deionized water이다. hCG의 농축비가 증가함을 파악할 수 있다.
도 15의 (a)에서 이온 교환막을 부착하지 않은 경우(A), 이온 교환막의 위치를 다르게 설정한 경우(B, D, F), 양이온 교환막과 음이온 교환막의 조합한 경우(C, E)에 따른 인플루엔자 진단 스트립을 활용하여 Type B의 검출 성능을 평가하였다.
도 15의 (b)에서, Type B의 검출부 위에 부착된 이온 교환막인 (E)와 (F)에서 그레이 스케일이 낮으므로 검출 성능이 향상됨을 파악할 수 있다.
본 실시예들에서는 분석물인 바이오마커에 대하여 이온 교환막에 전계를 인가하지 않고도, 채널에 디플리션 힘에 의한 공핍 영역을 형성하여 채널의 단면적을 축소시키고 축소된 채널을 통과하는 분석물의 이동 속도를 감소시킴으로써, 분석물을 몇 배 이상 농축하면서, 분석물을 분리할 수 있는 효과가 있다.
본 실시예들에서는 양이온 교환막과 음이온 교환막 모두를 채널에 부착함으로써, 채널을 이동하는 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 샘플 농축 및 분리 장치
100: 채널 200: 이온 교환막
110: 지지대 120: 수용부
130: 컨쥬게이트부 140: 검출부
150: 대조부 160: 흡수부

Claims (20)

  1. 샘플 내의 분석물을 측정하는 샘플 농축 및 분리 장치에 있어서,
    미세 기공을 갖고 상기 분석물을 이동시키는 채널; 및
    상기 채널에 부착되며 상기 분석물이 이동하는 방향을 따라 기 설정된 길이를 갖는 이온 교환막을 포함하며,
    상기 이온 교환막은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM) 및 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)을 모두 포함하고,
    상기 양이온 교환막과 상기 음이온 교환막을 접촉하거나 이격하여 배치함으로써, 상기 채널을 이동하는 상기 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막으로부터 기 설정된 거리에 위치하고 상기 채널에 부착되며, 상기 이온 교환막에 의해 농축된 분석물을 검출하는 검출부를 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막이 상기 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘(Depletion Force) 및 공핍 영역(Depletion Zone)을 형성하여 상기 분석물이 통과할 상기 채널의 단면적을 감소시키고, 시간이 지남에 따라 상기 분석물의 이동 속도를 감소시키는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널의 미세 기공을 통과하면서 상기 분석물의 이동 속도가 지연되는 현상과 상기 채널에 부착된 상기 이온 교환막에 의한 디플리션 힘이 상호 작용하여, 상기 이온 교환막이 부착된 위치에 수직한 지점 또는 상기 수직한 지점의 인접 영역에서 상기 분석물이 농축되는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막이 부착된 상기 채널의 미세 기공의 크기가 작아져서, 상기 작아진 미세 기공의 크기보다 작은 크기를 갖는 제1 분석물은 통과하고, 상기 작아진 미세 기공의 크기보다 큰 크기를 갖는 제2 분석물은 통과하지 못하여, 상기 분석물이 분리되는 것을 특징으로 하는 측방 유동 분석 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 이온 교환막은 상기 채널이 연장되는 방향을 따라 기 설정된 길이를 갖도록 길게 배치되며, 상기 길이, 두께, 폭, 또는 이들의 조합을 조절하여 상기 디플리션 힘 및 상기 공핍 영역을 제어하는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 내에서 계면활성제의 유무에 따라 상기 채널에서 상기 분석물이 농축되는 위치가 변경되는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막의 극성에 따라 수소 이온 농도가 설정된 완충 용액을 이용하여 상기 채널을 이동하는 상기 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절하는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  9. 삭제
  10. 제2항에 있어서,
    상기 채널에 연결되며, 상기 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함하는 컨쥬게이트부를 추가로 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함하고,
    상기 채널은 상기 복합체를 형성하지 못한 상기 결합체 또는 상기 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함하는 대조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 이온 교환막은 상기 컨쥬게이트부를 걸쳐서 부착되는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막은 상기 채널의 상단, 하단, 측면, 또는 이들의 조합된 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이온 교환막의 개수는 복수이고, 상기 복수의 상기 이온 교환막은 지그재그로 배치되거나 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 이온 교환막과 상기 채널 사이에 농축 위치 조절부가 위치하는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 채널은 (i) 직선 구간, (ii) 곡선 구간, (iii) 'v' 형상 또는 'ㄱ' 형상을 포함하는 꺽인 구간, (iv) 높낮이가 상이한 경사 구간, (v) 'X' 형상을 포함하는 교차 구간, (vi) 'Y' 형상을 포함하는 분기 구간, (vii) 복수의 채널이 레이어된 적층 구간, (viii) 상 채널과 하 채널이 비아로 연결된 관통 구간, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 샘플 농축 및 분리 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 샘플이 유입되는 통로인 유입부 및 상기 샘플이 유출되는 통로인 유출부를 추가로 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 채널에 연결되어 상기 샘플을 수용하는 공간을 갖는 수용부를 추가로 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 채널에 연결되어 모세관 현상에 의해 상기 샘플을 흡수하는 흡수부를 추가로 포함하는 샘플 농축 및 분리 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 샘플 농축 및 분리 장치는 측방 유동 어레이 또는 마이크로플루이딕 칩으로 구현되는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 분리 장치.
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