KR102464440B1 - 개별 나노입자 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 특성 검출 방법 - Google Patents

개별 나노입자 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 특성 검출 방법 Download PDF

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Abstract

개별 나노입자 특성 검출 장치가 개시된다. 상기 장치는, 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부; 상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극; 상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부; 상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및 상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함할 수 있다.

Description

개별 나노입자 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 특성 검출 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING PHYSICAL PROPERTIES OF INDIVIDUAL NANOPARTICLE}
본 발명은 개별 나노입자 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 특성 검출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체 내 개별 나노입자의 운동 특성을 측정하여 개별 나노입자의 다양한 물리적 특성을 동시에 검출할 수 있는 개별 나노입자 물리적 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 물리적 특성 검출 방법에 관한 것이다.
나노입자의 크기, 제타전위, 밀도 등과 같은 물리량들은 단순히 해당 물리량이 나타내는 정보뿐만 아니라 그 정보로부터 추출될 수 있는 2차 정보를 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체 나노입자인 세포외 소포체(Extracellular vesicle, EV)의 크기, 제타전위 등의 물리량으로부터 해당 EV의 모세포에 대한 정보(2차 정보)를 추출할 수 있다. 이러한 2차 정보를 통해 EV의 모세포 정보를 예측할 수 있고, 체내 암세포 존재 여부 및 암 진행 정도를 정성적으로 평가할 수 있다. 이와 같이 2차 정보는 나노입자를 다루는 여러 분야에서 이용될 수 있다. 나노입자의 물리량으로부터 보다 다양하고 정확하게 2차 정보를 추출하기 위해서 개별 나노입자의 다양한 물리량을 측정할 수 있어야 한다.
다만, 종래의 나노입자 물리량 측정 장비들은 대부분 측정 결과를 분포로 나타내므로 개별 나노입자의 물리량 정보를 확인하기 어려우며, 한번에 하나의 물리량만을 측정할 수 있을 뿐 개별 나노입자의 다양한 물리량을 동시에 측정할 수는 없었다. 또한, 유체와 전극 간의 계면 저항이나 유체에 의한 유체 저항 등으로 인하여 측정된 나노입자의 물리량에 오차가 발생하는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 유체를 촬영한 영상을 이용하여 유체 내 개별 나노입자의 다양한 물리량을 동시에 검출할 수 있는 개별 나노입자 특성 검출 장치 및 개별 나노입자 특성 검출 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 개별 나노입자 특성 검출 장치는, 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부; 상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극; 상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부; 상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및 상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 물리량 검출부는, 상기 전극에 인가되는 전기장과 상기 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 하나 이상을 검출할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 물리량 검출부는, 상기 나노입자의 변위를 측정하여 상기 나노입자의 크기를 검출하거나, 상기 측정된 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 속도와 상기 전극에 인가되는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 제타전위를 검출하거나, 상기 측정된 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 가속도와 상기 전극에 인가되는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 질량 또는 밀도를 검출할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 전원인가부는 상기 전극에 다양한 파형을 가지는 전기 신호 중 어느 하나를 인가하여 상기 나노입자가 기설정된 범위 내에서 반복하여 이동하도록 제어하고, 상기 촬상부는, 기설정된 시간 이상의 상기 나노입자에 대한 영상을 생성할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 상기 개별 나노입자의 이동 범위를 제한할 수 있는 전기 신호일 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 삼각파, 펄스파, 톱니파 중 어느 하나일 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 베이스부는, 일면에 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(multi-channel microfluidic chip)이 설치되고, 상기 물리량 검출부는, 상기 전극에 인가되는 전류 및 상기 멀티 채널 마이크로플루이드 칩의 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 이용하여 상기 전기장의 크기를 측정할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 멀티 채널 마이크로플루이드 칩은, 적어도 2개의 길이가 상이한 채널을 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 적어도 2개의 길이가 상이한 채널들은, 동일한 단면적을 가지도록 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 예시에 따르면, 개별 나노입자 특성 검출 장치를 이용하여 개별 나노입자의 특성을 검출하는 방법이 개시된다.
상기 방법은, 상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 단계; 상기 유체를 촬영하여 기설정된 시간 이상의 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 단계; 상기 영상에서 상기 나노입자의 변위를 측정하는 단계; 상기 측정된 변위와 상기 전극에 인가되는 전압을 이용하여 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 산출하는 단계; 및 상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;는, 상기 나노입자의 변위를 이용하여 상기 나노입자의 크기를 검출하고, 상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 제타전위를 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 전기 신호를 인가하는 단계는, 상기 복수 개의 전극에 상기 개별 나노입자의 이동 범위를 제한할 수 있는 다양한 파형을 가지는 전기 신호 중 어느 하나를 인가할 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 삼각파, 펄스파, 톱니파 중 어느 하나일 수 있다.
일 예시에 따르면, 상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;는, 상기 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 가속도와 상기 전극에 인가되는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 질량 또는 밀도를 검출하는 단계;를 포함할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 유체 내 개별 나노입자의 물리량을 동시에 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 유체를 촬영한 영상을 이용하여 유체 내 개별 나노입자의 다양한 물리적 특성을 검출할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노입자 특성 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유체 내에서 나노입자의 이동을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 채널 마이크로플루이드 칩에 의해 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 멀티 채널 마이크로플루이드 칩 내 유체의 전기 전도도를 측정하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 신호를 인가하여 나노입자의 변위를 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노입자의 크기와 제타 전위를 상대적으로 짧은 시간 동안 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노입자의 크기와 제타 전위를 상대적으로 긴 시간 동안 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개별 나노입자의 질량 및 밀도를 측정하기 위해 인가될 수 있는 다양한 파형을 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면 부호가 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다", 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되는 것의 의미는 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되거나, 또 다른 구성요소를 매개로 하여 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미이다.
본 발명은 유체 내 개별 나노입자의 다양한 물리적 특성을 검출할 수 있는 나노입자 특성 검출 장치에 관한 것으로, 베이스부에 설치되는 복수 개의 전극에 다양한 파형을 가지는 전기 신호 중 어느 하나를 인가하고 베이스부의 내부 공간에 공급된 유체를 촬영하여, 촬영한 나노입자의 운동량을 측정하여 이를 통해 나노입자의 물리량을 동시에 검출할 수 있다. 일 예시에 따르면, 촬영한 나노입자의 운동량을 측정하여 개별 나노입자의 크기, 제타전위, 질량 및 밀도 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 또한, 본 발명은 멀티 채널 마이크로플루이드 칩을 이용하여 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 계면저항의 영향 없이 정확하게 측정할 수 있으며, 이에 따라 보다 정확한 나노입자의 물리량의 검출이 가능한 효과가 있다.
이하, 첨부되는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노입자 특성 검출 장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 나노입자 특성 검출 장치(100)는 베이스부(110), 전극(120), 전원인가부(130), 촬상부(140) 및 물리량 검출부(150)를 포함한다. 베이스부(110)는 내부에 유체(10)가 공급되기 위한 공간이 형성된다. 베이스부(110)는 내부에 공간이 형성되는 직육면체 형상으로 제공될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 베이스부(110)는 일면에 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(multi-channel microfluidic chip)이 설치될 수 있다. 멀티 채널 마이크로플루이드 칩은 길이가 상이한 적어도 2개의 채널을 포함할 수 있다. 이와 달리, 베이스부(110) 및 전극(120)이 하나의 멀티 채널 마이크로플루이드 칩으로 구현될 수도 있다.
전극(120)은 베이스부(110)의 양 끝단에 복수 개 설치될 수 있다. 전원인가부(130)는 복수 개의 전극(120) 중 적어도 두 개 이상에 연결될 수 있다. 전원인가부(130)에 연결되지 않은 전극(120)은 접지될 수 있다. 전원인가부(130)는 복수 개의 전극(120) 중 연결된 전극에 전기 신호를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면, 전원인가부(130)는 복수 개의 전극(120) 중 연결된 전극에 전압 또는 전류를 인가할 수 있다. 전원인가부(130)는 다양한 파형의 전기 신호를 생성하여 전극(120)에 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면 전원인가부(130)의 포트 하나는 복수 개의 전극 중 어느 하나와 연결될 수 있고, 전원인가부(130)의 다른 포트는 접지되어 접지된 전극과 연결될 수 있다.
본 발명의 전원인가부(130)는 전극(120)에 전기 신호를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면, 본 발명의 전원인가부(130)는 전극(120)에 전압을 인가하여 베이스부(110) 내부의 유체 내의 나노입자에 전기장이 형성되도록 할 수 있다. 본 발명의 전원인가부(130)는 다양한 파형의 전기 신호를 인가하여 나노입자(11)가 기설정된 범위 내에서 반복하여 이동하도록 제어할 수 있다. 일 예시에 따르면, 본 발명의 전원인가부(130)는 개별 나노입자의 이동 범위를 제한할 수 있는 범위의 전기 신호를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면, 본 발명의 전원인가부(130)는 일정한 주기로 반복되는 주기 신호를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면, 본 발명의 전원인가부(130)는 톱니파, 정현파, 펄스파 및 삼각파 중 어느 하나를 인가하도록 제어할 수 있다. 전원인가부(130)는 인가되는 전압의 파형 종류 및 인가되는 전압의 크기 및 주기를 제어하여 인가할 수 있다. 전원인가부(130)에서 인가되는 전압의 파형 종류 및 크기를 제어함에 따라, 물리량 검출부(150)에서의 분석 방법도 상이해질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전원인가부(130)는 양전압의 단위 시간 크기와 음전압의 단위 시간 크기가 동일한 전기 신호를 인가할 수 있으며, 단위 시간 크기는 5초 내지 10초일 수 있다. 양전압 인가 시간과 음전압 인가 시간이 동일한 주기적 신호를 인가함으로써, 전기적 드리프트(drift)로 나노 입자들이 촬상부의 촬영 영역 밖으로 벗어나는 것을 최소화하면서도 충분한 측정 시간을 확보할 수 있는 효과가 있다. 전원인가부(130)의 보다 자세한 제어 방법은 이하의 도 5 내지 도 8에서 상세히 후술한다.
촬상부(140)는 유체(10)를 촬영하여 유체(10) 내 나노입자(11)에 대한 영상을 생성할 수 있다. 촬상부(140)는 베이스부(110)의 상측에서 베이스부(110)와 일정 거리 이격되어 위치될 수 있다. 촬상부(140)는 유체(10)를 기설정된 시간 이상 촬영하여 기설정된 시간 이상의 나노입자(11)에 대한 영상을 생성할 수 있다. 일 예로, 기설정된 시간은 40초일 수 있다. 그러나 기설정된 시간은 이에 한정되지 아니하고, 나노입자(11)를 촬상 하기에 충분한 시간일 수 있다.
물리량 검출부(150)는 촬상부(140)에서 촬영된 나노입자(11)에 대한 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 나노입자(11)의 물리량 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 일 예시에 따르면 물리량 검출부(150)에서 검출할 수 있는 물리량은 나노입자(11)의 크기, 제타전위, 질량 및 밀도 중 적어도 하나일 수 있다. 물리량 검출부(150)는 나노입자(11)의 크기, 제타전위, 질량 및 밀도 중 2개 이상의 물리량을 동시에 검출할 수 있다.
구체적으로, 물리량 검출부(150)는 나노입자(11)에 대한 영상을 통해 나노입자(11)의 변위를 측정하고, 전극(120)에 인가되는 전압을 이용하여 나노입자(11)에 가해지는 전기장의 크기를 산출할 수 있다. 물리량 검출부(150)는 영상에서 기설정된 시간 동안의 나노입자(11)의 변위 평균 값을 나노입자(11)의 변위로 검출할 수 있다. 물리량 검출부(150)는 나노입자(11)의 변위 및 나노입자(11)의 속도, 전기장의 크기를 이용하여 나노입자(11)의 제타전위를 검출할 수 있다. 물리량 검출부(150)는 개별 나노입자(11)의 변위와 나노입자(11)의 가속도 및 전기장의 크기를 산출하여 개별 나노입자의 질량 및 밀도를 검출할 수 있다. 이 과정에서 물리량 검출부(150)는 개별 나노입자의 변위를 측정하고 이를 이용하여 개별 나노입자의 크기를 검출할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 개별 나노입자 특성 검출 장치에서는 나노입자를 촬상한 영상을 통해 변위를 측정하여 1차적으로 나노입자의 크기 분석이 가능하며, 전원 인가부를 통해 개별 나노입자에 전기장을 인가하고 촬상부에서 촬영을 수행하여, 개별 나노입자의 변위, 개별 나노입자의 속도 및 전기장의 크기를 산출하여 2차적으로 제타전위의 분석이 가능하며, 그 후 개별 나노입자의 변위, 개별 나노입자의 가속도 및 전기장의 크기를 산출하여 질량 및 밀도의 분석이 가능하다. 즉 동시에 개별 나노입자들의 다양한 물리량들을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 예시에 따르면 2차적으로 제타전위의 분석을 수행하는 경우에도 개별 나노입자는 브라운 운동을 수행하고 있기 때문에 제타전위의 분석이 물리량 검출부(150)에서 이루어지는 동안 동시에 개별 나노입자의 변위를 이용하여 크기를 분석하는 것도 가능하다. 즉 동시에 여러 물리량을 분석하는 것이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 개별 나노입자 특성 검출 장치에 따르면 베이스부(110)에 위치한 유체 내에 포함된 개별 나노입자의 여러 물리량들을 동시에 측정할 수 있다. 물리량 검출부(150)에서는 개별 나노입자의 이동 시의 변위를 촬상부(140)를 이용하여 촬영 및 검출하며, 채널 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 측정하여 전기장을 산출할 수 있다. 물리량의 정확한 측정을 위해 전원인가부(130)에서 인가하는 전기장의 크기를 정확히 아는 것이 중요하다. 본 발명에 따르면, 전극에 인가되는 전류 및 베이스부에 포함된 멀티 채널 마이크로플루이드 칩의 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 이용하여 전기장의 크기를 정확히 측정할 수 있다. 이를 통해 정확한 전기장의 크기 값을 나노입자의 물리량 측정 과정에 적용할 수 있어, 정확한 물리량을 계산하여 얻을 수 있는 효과가 있다.
이하에서는, 추가적인 도면들을 참조하여 물리량 검출부(150)가 나노입자(110)의 물리적 특성을 검출하는 방법을 보다 상세하게 설명한다. 또한 물리량 검출부(150)가 나노입자(110)의 물리적 특성을 검출하기 위해, 유체에 인가되는 전기장의 크기를 정확히 얻는 것이 중요하므로, 도 2 내지 도 4에서는 먼저 유체에 인가되는 전기장 크기를 산출하는 방법에 대해 설명한다.
도 2를 참조하면, 베이스부(110)의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극(120) 중 제1 전극(120-1)은 전원인가부(130)에 연결되어 전압이 인가되고, 제2 전극(120-2)은 접지될 수 있다. 이 경우, 유체(10) 내에 전기장이 형성될 수 있으며, 전기장의 방향은 제1 전극(120-1)에서 제2 전극(120-2) 방향일 수 있고, 유체(10) 내 나노입자(11)는 전기장에 의해 제2 전극(120-2)에서 제1 전극(120-1)을 향하는 방향으로 이동할 수 있다. 베이스부(110)는 일면에 도 3과 같은 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(210)이 설치되어, 채널 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 이용하여 유체(10) 내 나노입자(11)에 가해지는 전기장의 크기를 측정할 수 있으므로, 보다 정확한 측정값이 도출될 수 있다. 구체적으로, 종래 전기장의 크기를 측정하기 위하여 유체(10)에 인가되는 전압을 복수 개의 전극(120-1, 120-2) 간 거리로 나눈 값을 이용하였는데, 이 경우 복수 개의 전극(120-1, 120-2)에서의 계면저항에 의해 오차가 발생할 수 있었다. 본 발명은 길이가 상이한 적어도 2개의 채널을 포함하는 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(210)을 이용하여 채널 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 측정하여 계면저항의 영향 없이 유체(10)에 인가되는 정확한 전기장 크기를 산출할 수 있다. 바람직하게는, 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(210)은 길이가 상이한 3개의 채널(211, 212, 213)을 포함할 수 있다. 일 예로, 도 4를 참조하면, 각각의 채널에서 유체 저항값을 측정하고, 채널의 길이 변화에 따른 유체 저항값 비율(Slope)을 제1 전극(120-1)에 인가되는 전류(I)에 곱한 값을 유체(10)에 가해지는 전기장의 크기(E)로 산출할 수 있다.
보다 상세하게는, 채널 길이가
Figure 112022035302191-pat00001
이고, 인가되는 전압이
Figure 112022035302191-pat00002
이라 가정할 경우, 전기장은
Figure 112022035302191-pat00003
와 같은 수식으로 계산될 수 있다.
그러나, 이와 같은 방식으로 계산할 경우 유체와 전극 간의 계면 저항에 의해 계산되는 전기장의 크기는 실제 전기장과 오차가 발생하고, 이 때 발생하는 오차는 유체의 저항이 작을수록 커지는 경향이 있다. 유체 저항은 채널 길이와 단면적, 유체의 이온농도에 의해 결정된다.
따라서 실제의 계면 저항
Figure 112020106418286-pat00004
을 고려한 실제 전기장 크기는 다음과 같고,
Figure 112020106418286-pat00005
는 채널 저항(유체 저항)을 의미한다.
Figure 112022035302191-pat00006
그러나 실제 계면 저항값을 직접적으로 계산하기에는 어려움이 있는 바, 본 발명에서는 단면적이 같고 길이가 특정 조건 이상인 서로 다른 유체의 채널 길이를 포함하는 마이크로플루이드 칩에서는 유체 저항값 변화율(
Figure 112022035302191-pat00007
)이 동일함을 이용하여, 계면저항의 측정 없이 유체에 인가되는 정확한 전기장의 크기를 측정 가능한 효과가 존재한다.
이하에서는, 측정된 전기장의 크기와, 나노입자의 운동량을 이용하여 개별 나노입자의 각각의 물리량을 검출하는 방법에 대해 설명한다.
도 5 내지 도 7에서는 에러 발생률을 줄이기 위한 관측 시간을 늘리기 위해 긴 관측 시간을 확보하기 위한 전원인가부(130)에서의 전원 인가 방법에 대해 설명한다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 전원인가부(130)는 전극(120)에 파형을 가지는 전기 신호를 인가하여 나노입자(11)가 기설정된 범위 내에서 반복하여 이동하도록 제어할 수 있다. 일 예시에 따르면, 전원인가부(130)에서 전극(120)에 양 전압을 인가하는 경우 나노입자(11)는 제1 방향으로 이동하고, 전원인가부(130)에서 전극(120)에 음 전압을 인가하는 경우 나노입자(11)는 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 이동하므로, 전극(120)에 양 전압과 음 전압이 번갈아 인가되는 전기 신호가 인가되는 경우 나노입자(11)는 기설정된 범위 내를 반복하여 이동할 수 있다. 이에 따라, 촬상부(140)에서 유체(10)를 오랜 시간 촬영하더라도 나노입자(11)가 화면 밖으로 벗어나지 않으므로, 개별 나노입자(11)에 대하여 오랜 시간 관측 가능하다. 도 6을 참조하면, 전극(120)에 DC 전압이 인가되는 경우 12초 후 나노입자(11)가 화면 밖으로 이탈하므로, 상대적으로 짧은 시간(12초) 개별 나노입자(11)에 대한 특성을 검출할 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 전극(120)에 주기 신호 형태의 전기 신호가 인가되는 경우 나노입자(11)가 기설정된 범위 내에서 반복하여 이동하므로 상대적으로 긴 시간(40) 개별 나노입자(110)에 대한 특성을 검출할 수 있다. 본 발명의 촬상부(140)는 기설정된 시간(예를 들어, 40초) 이상의 나노입자(11)에 대한 영상을 생성하여 나노입자(11)의 특성을 검출할 수 있으므로, 보다 정확한 측정이 가능하다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 40초 동안 개별 나노입자(11)의 제타전위를 측정한 값의 분포(도 7)는 12초 동안 개별 나노입자(11)의 제타전위를 측정한 값의 분포(도 6)보다 표준 편차가 현저히 작으며, 이러한 결과는 측정 시간을 늘리는 경우 보다 정확한 측정이 가능함을 나타낸다. 또한, 브라운 모션(Brownian motion)에 의한 영향이 적은 500 nm의 나노입자(11) 분포에서 표준편차가 더 크게 감소하므로 관측 시간의 증가는 브라운 모션에 의한 오차를 줄인다는 것을 알 수 있다.
또한, 물리량 검출부(150)는 촬상부(140)에서 촬영된 영상에서 나노입자(11)의 변위를 측정하고, 전극(120)에 인가되는 전압을 이용하여 나노입자(11)의 가속도를 산출할 수 있다. 물리량 검출부(150)는 나노입자(11)의 가속도 및 나노입자(11)의 변위를 이용하여 나노입자(11)의 질량 및 밀도를 검출할 수 있다. 구체적으로, 개별 나노입자(11)의 브라운 운동에 의한 변위를 통해 개별 나노입자(11)의 크기를 측정할 수 있고, 전기장에 의한 개별 나노입자(11)의 속도(electrophoretic velocity)와 전기장의 크기를 통해 개별 나노입자(11)의 제타 전위를 측정할 수 있다. 즉, 입자의 최종 속도는 입자의 제타전위 및 입자에 가해지는 전기장의 크기에 의존하므로, 개별 나노입자(11)의 속도와 전기장의 크기를 이용하여 개별 나노입자(11)의 제타전위를 측정할 수 있다. 개별 나노입자(11)는 전기장에 의해 이동하는 동안 브라운 운동도 동시에 하고 있기 때문에, 전기장의 방향으로 이동하는 속도를 통해 제타 전위를 측정함과 동시에, 전기장 방향의 수직 방향으로의 움직임은 브라운 운동에 의한 이동으로 볼 수 있고 이 때의 변위를 통해 개별 나노입자의 크기도 동시에 측정할 수 있다.
일 예시에 따르면, 브라운 운동에 의한 랜덤변위를 가지는 개별 나노입자의 크기는 다음의 수식에 의해 분석될 수 있다.
Figure 112022035302191-pat00008
이 때 X는 변위이며, n은 차원 수이고, D는 입자의 크기를 나타낸다.
본 발명의 일 예시에 따르면 개별 나노입자의 변위의 제곱의 평균을 통해 나노입자의 크기를 구할 수 있다.
일 예시에 따르면, 개별 나노 입자의 제타 전위는 다음과 같은 수식에 의해 분석될 수 있다.
Figure 112022035302191-pat00009
이 때
Figure 112020106418286-pat00010
는 유전율이고,
Figure 112020106418286-pat00011
는 제타 전위,
Figure 112020106418286-pat00012
는 전기장,
Figure 112020106418286-pat00013
은 동점성 계수(dynamic viscosity)이다.
Figure 112020106418286-pat00014
는 전기영동 이동도일 수 있다.
일 예시에 따르면, 개별 나노입자의 전기장 방향으로의 속력을 통해 제타 전위를 구할 수 있다.
또한, 개별 나노입자(11)의 가속도를 통해 개별 나노입자(11)의 질량 및 밀도를 측정할 수 있다. 동일한 제타전위를 갖는 입자에 가해지는 전기장의 크기를 변화시켜 입자를 계속 가속운동 시킬 수 있으며, 가속도의 크기와 질량은 서로 반비례하므로, 개별 나노입자(11)의 가속도를 측정하고 측정된 가속도로부터 개별 나노입자(11)의 질량을 검출할 수 있다. 또한, 나노입자(11)의 질량을 이용하여 나노입자(11)의 밀도를 산출할 수 있다. 개별 나노입자(11)의 가속운동을 위하여 개별 나노입자(11)에 가해지는 전기장의 크기를 지속적으로 변화시킬 수 있으며, 전원인가부(130)는 전극(120)에 다양한 파형의 전기 신호 중 어느 하나를 인가할 수 있다. 일 예시에 따르면, 전원인가부(130)는 도 8 내지 도 10과 같이 톱니파, 정현파, 삼각파, 펄스파 등 다양한 파형의 전기 신호 중 어느 하나를 인가하여 개별 나노입자(11)를 가속운동 시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 나노입자 특성 검출 장치(100)는 전극(120)에 인가되는 전압 파형을 조절하여 나노입자(11)의 다양한 물리적 특성을 검출할 수 있으며, 보다 정확하게 나노입자(11)의 크기, 제타전위, 질량 및 밀도를 검출할 수 있다.
한편, 본 발명의 개별 나노입자 특성 검출 장치를 이용하여 개별 나노입자의 특성을 검출하는 방법이 제공될 수 있다. 개별 나노입자 특성 검출 방법은, 우선, 복수 개의 전극 중 어느 하나에 전압을 인가한다. 여기서, 전압은 양전압의 단위 시간 크기와 음전압의 단위 시간 크기가 동일한 전기 신호일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 기설정된 값 미만의 주기를 갖는 톱니파, 정현파 및 삼각파 등이 인가될 수도 있다.
이어서, 유체를 촬영하여 기설정된 시간 이상의 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성할 수 있다. 이어서, 영상에서 나노입자의 변위를 측정하고 전극에 인가되는 전압을 이용하여 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 산출할 수 있다. 이어서, 나노입자의 변위 및 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 이용하여 나노입자의 제타전위를 검출할 수 있다.
또한, 전극에 인가되는 전압을 이용하여 나노입자의 가속도를 산출하고, 나노입자의 가속도 및 나노입자의 변위를 이용하여 나노입자의 질량 및 밀도를 검출할 수 있다.
또한, 나노입자의 변위를 이용하여 나노입자의 크기를 검출할 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 다양한 파형의 전압을 전극에 인가하여 유체 내 개별 나노입자의 다양한 물리적 특성을 검출할 수 있으며, 기설정된 시간 이상의 나노입자에 대한 영상을 이용하여 나노입자의 특성을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
기존의 경우 나노입자의 단일 물리량을 측정할 수 있는 장치는 존재하였으나, 본 발명에 따르면 개별 나노입자의 복수의 물리량을 동시에 측정 가능하며, 또한 개별적인 측정도 가능한 효과가 있다. 이를 통해, 개별 나노입자의 복수의 물리량을 동시에 측정하여 이를 암세포 분석 등에 활용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 개별 나노입자 특성 검출 장치를 세포외 소포체(extracellular vesicle, EV)와 같은 생체 물질에 활용할 경우 EV의 모세포 정보를 예측할 수 있고, 이를 통해 체내 암세포 존재 여부 및 암 진행 정도 등을 정성적으로 평가할 수 있다. 또한, 본 발명으로 구현될 수 있는 응용기기들은 기존에 연구소, 대학병원 등에서 활용되는 EV 물리량 분포 분석기기의 대체품뿐만 아니라 체액을 이용한 암 조기진단기기 등으로 상용화 할 수도 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로 는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 개별 나노입자 특성 검출 장치 110: 베이스부
120: 전극 130: 전원인가부
140: 촬상부 150: 물리량 검출부

Claims (14)

  1. 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부;
    상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부;
    상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및
    상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함하되,
    상기 물리량 검출부는,
    상기 나노입자의 변위를 측정하여 상기 나노입자의 크기를 검출하고,
    상기 측정된 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 속도와 상기 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 제타전위를 검출하거나,
    상기 측정된 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 가속도와 상기 전극에 인가되는 전압에 의해 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 질량 또는 밀도를 검출하는,
    개별 나노입자 특성 검출 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부;
    상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부;
    상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및
    상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함하되,
    상기 전원인가부는 상기 전극에 다양한 파형을 가지는 전기 신호 중 어느 하나를 인가하여 상기 나노입자가 기설정된 범위 내에서 반복하여 이동하도록 제어하고,
    상기 촬상부는, 기설정된 시간 이상의 상기 나노입자에 대한 영상을 생성하는 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 상기 개별 나노입자의 이동 범위를 제한할 수 있는 전기 신호인 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 삼각파, 펄스파, 톱니파 중 어느 하나인 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  7. 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부;
    상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부;
    상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및
    상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함하되,
    상기 베이스부는, 일면에 멀티 채널 마이크로플루이드 칩(multi-channel microfluidic chip)이 설치되고,
    상기 물리량 검출부는, 상기 전극에 인가되는 전류 및 상기 멀티 채널 마이크로플루이드 칩의 길이 변화에 따른 유체 저항값 변화율을 이용하여 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 측정하는 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 멀티 채널 마이크로플루이드 칩은, 적어도 2개의 길이가 상이한 채널을 포함하는 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 길이가 상이한 채널들은, 동일한 단면적을 가지도록 제공되는 개별 나노입자 특성 검출 장치.
  10. 삭제
  11. 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부;
    상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부;
    상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및
    상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함하는 나노입자 특성 검출장치를 이용하여 개별 나노입자의 특성을 검출하는 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 단계;
    상기 유체를 촬영하여 기설정된 시간 이상의 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 단계;
    상기 영상에서 상기 나노입자의 변위를 측정하는 단계;
    상기 측정된 변위와 상기 전극에 인가되는 전압을 이용하여 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;를 포함하되,
    상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;는,
    상기 나노입자의 변위를 이용하여 상기 나노입자의 크기를 검출하고, 상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 제타전위를 검출하는 단계;를 포함하는 개별 나노입자 특성 검출 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전기 신호를 인가하는 단계는,
    상기 복수 개의 전극에 상기 개별 나노입자의 이동 범위를 제한할 수 있는 다양한 파형을 가지는 전기 신호 중 어느 하나를 인가하는 개별 나노입자 특성 검출 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 다양한 파형을 가지는 전기 신호는 삼각파, 펄스파, 톱니파 중 어느 하나인 개별 나노입자 특성 검출 방법.
  14. 내부에 유체가 공급되기 위한 공간이 형성되는 베이스부;
    상기 베이스부의 양 끝단에 설치되는 복수 개의 전극;
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 전원인가부;
    상기 유체를 촬영하여 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 촬상부; 및
    상기 영상에서 측정된 개별 나노입자의 운동량을 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 물리량 검출부;를 포함하는 나노입자 특성 검출장치를 이용하여 개별 나노입자의 특성을 검출하는 방법에 있어서,
    상기 복수 개의 전극에 전기 신호를 인가하는 단계;
    상기 유체를 촬영하여 기설정된 시간 이상의 상기 유체 내 나노입자에 대한 영상을 생성하는 단계;
    상기 영상에서 상기 나노입자의 변위를 측정하는 단계;
    상기 측정된 변위와 상기 전극에 인가되는 전압을 이용하여 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 산출하는 단계; 및
    상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계;를 포함하되,
    상기 나노입자의 변위 및 상기 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 물리량 중 적어도 하나를 검출하는 단계는,
    상기 나노입자의 변위 및 상기 나노입자의 가속도와 상기 나노입자에 가해지는 전기장의 크기를 이용하여 상기 나노입자의 질량 또는 밀도를 검출하는 단계;를 포함하는 개별 나노입자 특성 검출 방법.

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