KR102240258B1

KR102240258B1 - 피펫팅 기구 및 피펫팅 기구의 사용방법

Info

Publication number: KR102240258B1
Application number: KR1020190050307A
Authority: KR
Inventors: 손문탁
Original assignee: 주식회사 디앤에이보이
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-04-14
Also published as: KR20190053822A

Abstract

본 발명은 실험자동화에 사용되는 리퀴드 핸들링 로봇(liquid handling robot)에 사용되는 자동 피펫팅 기구에 관한 것이다. 본 발명에 따른 피펫팁 장착메카니즘은 피펫팁을 피펫에 장착하고자 할때 삽입 체결력이 필요치 않아 메카니즘이 간단하고 로봇을 소형화 시킬수 있다.

Description

피펫팅 기구 및 피펫팅 기구의 사용방법{Pipetting device and the method of using the pipetting device}

본 발명은 실험자동화에 사용되는 리퀴드 핸들링 로봇(liquid handling robot)에 사용되는 자동 피펫 관한 것이다. 본 발명에 따른 피펫팁 부착/탈착 메카니즘을 사용하면 피펫팁을 피펫에 부착/탈착 하고자 할때 삽입 체결력이 필요치 않아 메카니즘이 간단하고 로봇을 소형화 시킬수 있다.

도 5를 보면, 생화학실험실에서 액체를 미량으로 정확하게 옮기려 할때 마이크로피펫이 널리 사용된다. 일회용 피펫팁을 피펫에 삽입하고 액체를 이송하다가 다 쓰면 피펫팁을 토출하여 버린다. 일상적으로 실험실에서 이 과정이 매우 자주 반복되므로 자동화된 피펫팅 로봇이 널리 사용된다.

도 6을 보면, X,Y,Z 축을 따라 움직이는 직교좌표로봇이 가장이 흔하며 Z축에 피펫을 부착하고 자동으로 피펫팁을 삽입하거나 토출한다. 실험자동화장비 업체들이 다양한 제품을 내놓고 있다(Gilson, Hamilton, Hudson Robotics, Opentron 등).

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원리적으로 피펫팁을 피펫에 삽입할 때 네가지 공학적인 문제를 해결해야 한다. 첫째, 피펫팁이 피펫에서 저절로 빠지면 아니된다. 둘째, 피펫팁과 피펫사이에서 공기가 새면 아니된다. 셋째, 피펫팁과 피펫은 정밀하게 고정되어 같은 축상에 있어야 한다. 넷째, 사용 후 피펫팁이 피펫에서 손쉽게 탈착되어야 한다.

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도 7을 보면, 이러한 문제를 해결하기 위해 종래기술은 피펫팁을 콘(cone) 형상으로 제작하고, 피펫은 경사(taper)를 주었다. 그 결과 피펫팁과 피펫은 마찰력으로 고정되고, 정밀하게 자리를 잡아 같은 축을 유지할 수 있다.

또한 피펫 외벽에는 환형 돌출부를 형성되어 있다. 피펫팁을 피펫에 단단히 끼우면 돌출부가 탄성변형이 되어 O-링같이 작용하면서 공기가 새지 않는다. 피펫팁이 마찰력으로 고정되기 때문에 사용후에는 이 마찰력보다 더 큰 힘을 주어 벗겨내면 피펫팁이 손쉽게 탈착된다.

상기 마찰력과 환형돌출부를 이용한 피펫과 피펫팁 장착/탈착 메카니즘은 수십년동안 거의 변하지 않고 사용되고 있다. 이 기술은 1957년 독일 마르버그대학의 하인리히 쉬니트거가 발명하였고, 동년에 특허를 출원하였고 1961년에 등록되었다. 그는 스프링이 탑재된 피스톤과 제거 가능한 플라스틱 피펫팁을 사용하였는데, 현재의 마이크로피펫과 원리적으로는 거의 같다.

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에펜도르프사는 피펫팁은 폴리에틸렌/폴리프로필렌 수지를 이용하여 대량생산하면서 쉬니트거의 피펫팁을 널리 보급했다. 한편, 미국의 길슨사는 1974년에 부피를 가변할 수 있는 마이크로피펫을 선보였다. 1984년에 덴마크의 캅(CAPP)사는 최초로 멀티 채널 피펫을 발명했다. 마이크로피펫을 자주 사용하면 손목관절에 무리가 가는 수근관증후군(carpal turnnel syndrome)에 걸릴 수 있다. 2002년 Vistalab Technologies사는 직각형 모양의 인체공학적으로 편안한 피펫을 발명하였다.

한편 도 8을 참고하면, 결합체결력(피펫팁을 삽입할때 드는 힘) 또는 탈착력(피펫팁을 벗겨낼때 드는힘)이 자주 피펫을 사용하는 실험자에게는 힘들게 느껴지고 손목 관절과 근육에 문제가 생길 수 있다. 이 힘을 줄이기 위해 길슨사는 2017년에 립실(Lip seal)이라는 밀봉구조를 포함한 마이크로피펫을 발명 하였다(FR, 2017/051551).

피펫과 피펫팁은 삽입시 일정한 강도의 체결력이 필요하다. 먼저 마찰력이 필요하다. 이 마찰력은 상기 2개의 장치가 기구적으로 동축상에 고정되는데 필요한 힘을 제공한다. 한편 탄성변형력도 필요하다. 피펫팁의 내벽의 환형돌출부가 탄성변형을 일으켜 밀봉되기 위한 힘이다.

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이때 탄성변형력은 매우 큰 힘이 필요하기 때문에 이 힘을 줄이는 방법으로 길슨사는 진공배관에 널리 사용되는 립실(lip seal)을 피펫표면에 형성하였다. 밀봉이 될 정도로 변형되려면 큰 힘이 필요한 피펫팁의 환형돌출부와 달리, 피펫에 형성된 립실은 쉽게 변형되면서 기밀성을 보장해준다. 길슨사의 특허자료에 따르면 5N의 힘만으로 충분한 삽입체결력 및 기밀성이 보장되었다고 한다.

그러나, 어떤 응용에서는 피펫팁의 삽입체결력이 거의 0에 가까울 필요가 있다. 예컨데 소형 휴대용 진단장치에 사용되는 초소형 피펫의 경우 강한 삽입체결력을 제공하는 메카니즘을 제작하기 힘들다. 이러한 경우, 동축상으로 고정될 뿐아니라 밀봉이 되면서, 동시에 삽입체결력이 필요없는 피펫팁 탈착/장착 메카니즘이 필요하다.

본 발명은 이러한 필요를 충족시키기 위해 특수한 형상의 피펫과 피펫팁을 발명하였다. 길슨사의 특허와 달리 본 발명은 립실을 사용하지 않고 특정온도에서 액상과 고체상의 가역적인 변화가 일어나는 상변이물질(왁스)을 밀봉제로 사용한다. 이 물질은 고체상에서 점착성이 높기 때문에 피펫팁을 피펫에 기구적으로 고정하는 결합력을 제공하는 동시에 기밀성도 보장된다. 반면 액상에서는 점성이 낮기 때문에 쉽게 피펫팁을 탈착하거나 장착할 수 있다.

피펫팁에 열원을 탑재해놓고 전기를 인가하여 온도를 높이거나 전기를 조절해 온도를 낮추면 피펫팁과 피펫사이에 형성된 밀봉제를 액체 또는 고체로 자유롭게 변화시킬 수 있다. 장착을 하려면 온도를 낮추어 고체상을 유지하고 탈착을 하려면 온도를 올려 액체상을 만들어 주면 된다.

이러한 용도에 적합한 상변이 물질로는 바셀린,라올린, 파라핀을 혼합한 발랍(Valap, Vaseline, Laoline, Paraffin mixture)를 예로 들 수 있다. 발랍은 원래 생물학적 조직표본을 장기간 보관하기 위해 밀봉제로 사용하는 물질이다(WO 2009076722A1). 이 물질을 온도를 이용하여 액체상과 고체상을 자유롭게 변화시킬수 있어 편리하며 인체에 무해하다. 상변이 과정에서 유해한 기체나 가스가 발생하지도 않는다.

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상기 언급한 필요로 인해 삽입체결력이 거의 필요하지 않는 피펫/피펫팁 체결 메카니즘을 발명한다. 이 메카니즘을 사용하면 약한 힘으로도 충분히 피펫팁을 장착하거나 탈착할 수 있으면서도 기밀성을 유지할 수 있으므로, 예컨데 자동화된 피펫팅 로봇의 크기를 획기적으로 줄여 초소형 피펫형으로 제작할 수 있다. 이러한 초소형 피펫팅 스테이션은 휴대용 진단장치에 사용할 수도 있으므로 현장진단장치의 편의성이 크게 높아진다.

이러한 필요를 충족하기 위하여 본 발명은 먼저 왁스를 묻힌 피펫팁을 핵심적인 요소로 구비한다. 일반적인 피펫팁의 구조를 놓고 보았을 때 액체를 흡입하거나 토출하는 부분을 선단부라고, 피펫에 결합되는 부분을 결합부라고 한다.

본 발명에 따른 피펫팁은 그 결합부에 형상이 특이한 바, 결합부에 모자모양으로 방사형 환형 플랜지(radial circular flange)가 형성되어 있는데 이것이 본 발명의 해결수단의 제1요소이다.

한편 일반적인 피펫를 놓고 보았을 때, 종축을 따라 상하운동을 하면서 진공흡입력을 발생시키는 부분을 진공실린더라고 하고, 피펫팁과 결합되는 부분을 팁체결부로 한다.

본 발명에 따른 피펫은 팁체결부의 형상이 특이한 바, 모자모양의 방사형환형 플랜지(radial circular flange)가 형성되어 있고 이것이 본 발명의 해결수단의 제2요소이다.

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또 한편 피펫의 팁체결부에 형성된 방사형 환형 플랜지를 놓고 보았을 때, 플랜지의 바닥부분, 즉 피펫팁과 서로 마주보고 결합되는 부분에 특수한 부품이 탑재되어 있는바, 환형 박막 전기히터이다. 이 히터에 전기를 가하면 열이 발생하여 플랜지의 온도가 올라가고, 전기를 끊으면 온도가 내려간다. 이 박형 환형히터가 본 발명의 해결수단의 제3요소이다.

마지막으로 피펫팁의 결합부의 플랜지에는 고체상의 왁스가 발라져 있다. 피펫팁의 플랜지가 피펫의 플랜지와 마주하면서 접촉하면서, 히터 때문에 온도가 올라간 플랜지에서 녹아서 피펫팁을 피펫에 기구적으로 고정하면서 동시에 기밀성을 유지해주는 역할을 한다. 이 고체상의 왁스가 바로 본 발명의 해결수단의 제4요소이다.

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정리하면, 본 발명은 상기 4가지 과제해결수단을 통해 다음과 같은 기본적인 구성을 갖는다.

기본구성 =플랜지를 구비한 피펫팁 (제1요소) + 왁스(제4요소)+ 박막히터(제3요소) + 플랜지를 구비한 피펫(제2요소)

한편 실시방법에 따라 제3요소인 박막히터가 피펫에 내재될 수도 있다. 피펫의 플랜지에 선형히터를 내장하여 플랜지의 온도를 가변하는 방법이다.

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또는 피펫의 플랜지 표면에 히팅용 금속박막 패턴을 전기도금하거나, 증착하거나, 히팅용 도료를 코팅하거나, 극세사형태의 열선(니크롬선)을 감는 방법도 있다.

다른 실시예를 들면, 철 소재의 박막 패턴을 플랜지에 인쇄하고 외부에서 고주파 가열(인덕션 히팅 이라고도 함)을 하여 플랜지의 온도를 올릴 수도 있다.

그러나 이러한 다양한 히터 탑재방식도 결국 본 발명에 따른 박막히터의 제3요소라고 부를 수 있다.

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또 한편 제4요소인 왁스층은 상기 설명에서 언급한 파라핀/바세린/라올린의 조합이외에 밀랍, 리모넨등 왁스와 성질이 유사한 물질이 사용될 수 있다.

마지막으로 제1요소의 피펫팁과 제2요소의 피펫의 결합부는 상기 설명에서 방사형 환형 플랜지로 실시예를 들었지만, 변형된 다른 구조도 가능하다.

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예컨대 플랜지에 요철 모양의 홈을 파서 피펫팁의 플랜지가 오목하고 피펫의 플랜지가 볼록한것도 본 발명의 구성요소인 제1요소, 제2요소라고 부를 수 있다.

또 다른 예로 피펫팁의 플랜지에 숫나사가 있고, 피펫의 플랜지에 암나사 가 있더라도, 두 결합부가 왁스로 기밀성이 유지된다면 이 구조 또한 본 발명의 제1요소, 제2요소에 포함된다고 할 것이다.

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그러나 바람직한 실시예로 제1, 제2, 제3, 제4 요소는 다음과 같은 형태를 갖는것이 좋다

1. 피펫팁에 상단 플랜지(제1요소)에 왁스(제2요소)가 코팅되어 있고

2. 왁스층은 상온에서 고체상으로 존재하고

3 피펫의 플랜지(제2요소)에는 박형히터(제3요소)가 접착되어 있는 형태

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본 발명에 따른 피펫팁과 피펫은 전기를 사용하여 왁스로 구조적인 강성과 기밀이 보장되는 것으로서, 강한 삽입체결력을 필요로하지 않는다. 이러한 이유로 피페팅 로봇을 초소형화 시킬 수 있다. 이러한 구조는 휴대용 자동진단장치에 널리 사용될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 대표도이며 피펫과 피펫팁, 전기히터와 왁스의 상관관계를 보여준다.
도2는 전기히터의 구조를 도시하는 도면이다.
도3은 자동화된 피펫팅 로봇에 적용되는 실시예를 도시하는 도면이다.
도4는 전기히터의 온도 조절 방법을 도시하는 도면이다.
도5 내지 도8은 종래의 피펫팅 장치를 도시하는 도면이다.

먼저 도1을 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도1 은 수동 피펫에 적용한 사례를 보여준다. 그러나 도3 처럼 자동피펫팅 로봇에 적용될 수 있다.

도 1은 가장 기본적인 실시예이다. 실린더와 피스톤으로 구성된 피펫의 몸체(6)의 종단에 플랜지(1)가 붙어 있다. 플랜지에는 박막 전기히터 링(3)이 붙어 있고 전선(5)이 연결되어 있다.

한편 일회용 피펫팁에는 플랜지(4)가 붙어 있는데, 그 위에는 상변이물질이 코팅되어 있다. 도1은 본 발명에 필요한 4가지 요소를 고루 보여준다.

제1요소 - 피펫 플랜지(1)

제2요소 - 피펫팁 플랜지(4)

제3요소- 박막전기히터(3)

제4요소 - 왁스층(7)

두개의 플랜지가 서로 마주 보고 결합하는데, 전기히터로 인해 플랜지가 뜨거워지고 왁스가 녹으면서 두 플랜지가 단단히 융착된다(7). 전기히터를 끄면 온도가 내려가면서 왁스가 고체화 되고, 결합이 견고해지고 기밀성이 유지된다. 피펫의 사용을 마치면 전기히터를 켠다. 플랜지의 온도가 올라가고 왁스가 녹으면서 피펫팁의 결합이 느슨해진다. 이때 피펫팁을 분리할 수 있다.

피펫팁을 피펫에 고정하기 위한 왁스은 마우 다양한데 점성과 녹는점을 기준으로 선정한다. 본 발명에서는 3가지 물질을 다양한 비율로 섞어서 사용하였다.

예컨대,

50g vaseline + 50g lanolin + 50g paraffin

구성물을을 위와 같이 혼합하였을때 녹는점은 섭씨 50~60도 범위이다(원료의 종류에 따라 정확한 녹는점 온도가 달라진다).

파라핀 대신의 밀랍(BeeWax)을 사용하면 녹는점을 높일 수 있다

단계	액션
피펫팁을 부착	플랜지를 결합하기
히터를 켠다	플랜지의 온도가 올라간다
왁스가 액체화	왁스가 녹으면서 플랜지가 치밀하게 결합됨
히터를 끈다	플랜지의 온도가 내려간다 왁스가 굳으면서 플랜지의 결합이 견고해진다
피펫팁을 분리	플랜지를 분리하기
히터 켠다	왁스가 녹으면서 플랜지 결합이 느슨해진다
피펫팁탈착	피펫팁을 피펫에서 제거한다 히터를 끈다

한편 전기히터의 실시예를 도2에 도시하였다. 히터는 피펫이나 피펫팁의 플랜지에 붙어 있으며 플랜지의 온도를 올리는 역할을 한다. 바람직하게는 히터는 박막형 링의 형태를 띄고 있지만 다른 형태도 가능하다. 예컨대, 플랜지에 삽입되어 있는 구조도 가능하고, 플랜지 표면에 박막코팅될 수도 있다. 플랜지 자체를 히팅재료료 제작하면 별도의 히팅 요소가 필요없을 수 있다.

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본 실시예는 히팅요소(11)를 별도의 부품으로 사용한 것이다. 0.4~0.8mm두께의 얇은 양면 에폭시 인쇄회로기판(printed circuit board; 12)에 구리 박막층(13)을 식각하여 나선형의 박막히터를 만들었다. 전기전도성의 쓰루홀을 히터의 양 끝단에 뚫고 후면에 전선(14)을 납땜하였고, 전선을 길게 연결하여 히터에 전원(DC12V)을 외부에서 공급할 수 있게 하였다. 히터는 접착제를 이용하여 피펫의 플랜지에 고정한다. 온도조절은 가변전원공급기를 통해 수행하였다. 온도 측정은 도 4와 같이 비접촉 적외선 온도계를 이용하였다.
도 3에 본 발명을 실제 피펫팅 스테이션에 응용하는 예를 도시하였다. X,Y,Z축을 따라 움직이는 직교좌표로봇(25)을 준비한다. 피펫(21)을 로봇의 Z축에 고정한다. 96웰플레이트(24)를 준비하교 시료와 시약을 채워넣는다. 본 발명에 따른 피펫팁(22)을 준비한다. 피펫(21)은 X,Y,Z축을 옮겨다니며 피펫팁(22)을 찾아 정렬하고 수직으로 내려와 피펫팁과 결합한다. 히터에 전원을 인가하여 플랜지의 온도를 올렸다가 일정시간 뒤에 내린다. 피펫팁(22)이 피펫(21)에 결합되어 피펫팅 기구(23)로 조립되면, 피펫팅 기구(23) 시료나 시약을 분주한다. 분주를 마치면 피펫팁(22)을 폐기할 장소로 움직여 간다. 히터에 전기를 인가하여 피펫팁(22)을 탈착한다.
액체를 분주하는 피펫팅 기구로서, 상기 중공 튜브형 피펫(6)은 하단에 플랜지(1)를 구비하고, 상기 플랜지 표면에는 환형 박막형 히터(3)를 구비하며, 상기 중공 튜브형 피펫팁(2)은 상단에 플랜지를 구비하고, 상기 플랜지 표면에는, 상온에서 고체로 존재하다가 열을 받으면 액체로 변하는 왁스층을 구비하여서, (i) 상기 피펫에 상기 피펫팁을 장착하고자 할 때, 피펫의 플랜지와 피펫팁의 플랜지를 서로 마주보고 접촉시키고, 상기 히터전선(5)에 전기를 인가하여 온도를 상승시키고, 상기 왁스층을 녹여서, 상기 피펫과 피펫팁이 서로 융착하면, 히터에 인가하는 전기를 조절하여 온도를 하강시켜서, 상기 왁스층을 굳혀서, 상기 피펫과 피펫팁을 고정하고 ; 또는 (ii) 상기 피펫에서 상기 피펫팁을 탈착하고자 할 때, 상기 히터에 전기를 인가하여 온도를 상승시키고, 상기 왁스층을 녹여서, 상기 피펫과 피펫팁을 분리하여서; 피펫팁의 장착과 탈착 과정에서 강한 삽입력을 요구하지 않으면서도 기밀성과 강한 결합력을 제공하는 것을 특징으로 하는 피펫팅 기구.
상기 피펫의 온도가변을 위한 히터는, 피펫플랜지에 전기저항성 금속 박막 패턴이 형성된 박막형 히터; 열원용 구리박막 패턴이 형성된 인쇄회로기판 소재의 환형 박판 히터; 피펫플랜지에 철 박막을 코팅하고, 외부에 설치된 고주파발생원을 이용하여 상기 철 박막을 가열하는 인덕션 히터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피펫팅 기구.
왁스층의 소재는, 양초,파라핀왁스, 밀랍을 포함하는 상변화물질; 및 바세린, 라놀린을 포함하는 왁스 점도조절제; 를 포함하는 피펫팅 기구.
상기 피펫과 피펫팁의 상호 체결 구조는, 플랜지 구조; 요철구조; 콘(cone)형 피펫팁과 테이퍼(taper)형 피펫구조 구조;를 포함하는 피펫팅 기구.

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상기 왁스층의 형상은, 피펫팁의 플랜지 표면에 코팅된 형상; 분리되어 존재하는 고체상의 일회용 왁스 박편 형상;을 포함하는 피펫팅 기구.

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1: 피펫의 플랜지
2: 피펫팁
3: 히터

Claims

실린더와 피스톤을 가지는 몸체와, 상기 몸체의 단부에 배치되는 제1 플랜지를 구비하는 피펫;
상기 제1 플랜지에 마주보게 배치되는 제2 플랜지를 가지는 피펫팁;
상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지 사이에 배치되며, 상온에서 고체이며, 가열되면 액체로 변화하는 밀봉제; 및
상기 밀봉제와 마주보도록 배치되며, 접촉하여 상기 밀봉제를 가열하는 전기 히터;를 포함하는, 피펫팅 기구.
제1 항에 있어서,
상기 밀봉제는
상변화 물질을 포함하는, 피펫팅 기구.
제1 항에 있어서,
상기 밀봉제는
파라핀, 바세린, 라놀린 중 적어도 하나를 포함하는, 피펫팅 기구.
제1 플랜지를 가지는 피펫팁과 제2 플랜지를 가지는 피펫을 구비하는 피펫팅 기구의 사용방법에 있어서,
상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지를 정렬하는 단계;
상기 제1 플랜지에 배치된 전기 히터에 전원을 인가하는 단계;
상기 제1 플랜지와 상기 제2 플랜지 사이에 배치된 밀봉제가 고체에서 액체로 변화하는 단계;
상기 전기 히터의 전원을 차단하는 단계; 및
상기 피펫팅 기구로 시료나 시약을 분주하는 단계;를 포함하는, 피펫팅 기구의 사용방법.
제4 항에 있어서,
상기 전기 히터에 전원을 재인가 하는 단계; 및
상기 피펫팁을 상기 피펫에서 제거하는 단계;를 더 포함하는, 피펫팅 기구의 사용 방법.