KR102484404B1 - Moving ion exchange membrane control apparatus - Google Patents
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Abstract
본 실시예들은 복수의 이온 교환막을 채널의 양면에 위치시키고 복수의 이온 교환막에 전계를 인가하여 채널 내부에 이온 농도 분극 배리어를 형성하며, 이온 농도 분극 배리어를 이동시켜서 채널 내부에서 물질을 농축 및 분리시킬 수 있는 이동형 이온 교환막 제어 장치를 제공한다.The present embodiments place a plurality of ion exchange membranes on both sides of a channel, apply an electric field to the plurality of ion exchange membranes to form an ion concentration polarization barrier inside the channel, and move the ion concentration polarization barrier to concentrate and separate substances inside the channel. Provided is a mobile ion exchange membrane control device capable of
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 이동형 이온 교환막 제어 장치에 관한 것이다. The technical field to which the present invention belongs relates to a mobile ion exchange membrane control device.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this part merely provide background information on the present embodiment and do not constitute prior art.
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.Modern medicine does not simply extend life span, but aims to realize the extension of a healthy life span of living a long life in good health. Therefore, the paradigm of future medicine is shifting from curative medicine to realizing the 3Ps of preventive medicine, predictive medicine, and personalized medicine. In order to realize this concretely, early detection and early treatment of diseases are becoming very important means, and as a means for this purpose, research on biomarkers is being conducted very actively.
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.Biomarkers refer to markers that can distinguish between normal and pathological conditions, predict treatment responses, and can be measured objectively. Nucleic acids (DNA, RNA), proteins, lipids, metabolites, etc., and changes in their patterns are used as biomarkers. That is, simple substances such as blood glucose for the diagnosis of diabetes and genes such as the BCR-ABL gene fusion of chronic myelogenous leukemia, which is the treatment target of Gleevec, all correspond to biomarkers and are biomarkers actually used in clinical practice.
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 시료로는 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.By analyzing nucleic acids or proteins, the degree of expression and progression of the disease can be determined. Techniques and devices for protein analysis have a problem in that they are difficult to spread because they are difficult to manufacture and relatively expensive by using nanotechnology. In addition, there are disadvantages in that a highly sensitive sensor is required for a protein analysis device or that accurate analysis is difficult with a small amount of sample. A representative method for detecting nucleic acids or proteins is a lateral flow analysis method using a chromatography method. This lateral flow analysis method is used in various fields such as pregnancy diagnosis.
본 발명의 실시예들은 복수의 이온 교환막을 채널의 양면에 위치시키고 복수의 이온 교환막에 전계를 인가하여 채널 내부에 이온 농도 분극 배리어를 형성하며, 이온 농도 분극 배리어를 이동시켜서 채널 내부에서 물질을 농축 및 분리시키는 데 주된 목적이 있다.Embodiments of the present invention place a plurality of ion exchange membranes on both sides of a channel, apply an electric field to the plurality of ion exchange membranes to form an ion concentration polarization barrier inside the channel, and move the ion concentration polarization barrier to concentrate a substance inside the channel. and the main purpose is to separate them.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other non-specified objects of the present invention may be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 이동형 이온 교환막 제어 장치에 있어서, 물질이 이동하는 경로를 형성한 채널; 상기 채널의 일면의 일부에 위치하는 제1 이온 교환막; 상기 채널의 타면의 일부에 위치하는 제2 이온 교환막; 상기 제1 이온 교환막에 연결된 제1 이동부; 상기 제2 이온 교환막에 연결된 제2 이동부; 상기 제1 이온 교환막에 연결된 제1 전극; 상기 제2 이온 교환막에 연결된 제2 전극; 및 상기 채널이 위치하는 가이드를 포함하며, 상기 가이드를 따라 상기 채널이 이동하거나 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부가 이동하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치를 제공한다.According to one aspect of this embodiment, in the movable ion exchange membrane control device, the channel formed a path through which a material moves; A first ion exchange membrane located on a part of one surface of the channel; a second ion exchange membrane positioned on a portion of the other surface of the channel; a first moving unit connected to the first ion exchange membrane; a second moving unit connected to the second ion exchange membrane; a first electrode connected to the first ion exchange membrane; a second electrode connected to the second ion exchange membrane; and a guide on which the channel is positioned, wherein the channel moves along the guide or the first moving unit and the second moving unit move.
상기 채널은 복수의 레이어가 적층된 구조로 형성될 수 있다.The channel may have a structure in which a plurality of layers are stacked.
상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막은 교체 가능한 구조로 형성될 수 있다.The first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane may be formed in a replaceable structure.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전계를 인가하여, (i) 상기 채널과 접촉한 제1 이온 교환막 및 (ii) 상기 채널과 접촉한 제2 이온 교환막 사이에 이온 농도 분극 배리어를 형성할 수 있다.An ion concentration polarization barrier may be formed between (i) a first ion exchange membrane in contact with the channel and (ii) a second ion exchange membrane in contact with the channel by applying an electric field to the first electrode and the second electrode. there is.
상기 가이드를 따라 상기 채널이 이동하거나 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부가 이동하면, 상기 이온 농도 분극 배리어가 이동할 수 있다.When the channel moves along the guide or when the first moving part and the second moving part move, the ion concentration polarization barrier may move.
상기 이온 농도 분극 배리어가 상기 채널에서 이동하면서 상기 이온 농도 분극 배리어가 진행하는 방향으로 상기 이온 농도 분극 배리어의 전방에 상기 물질을 농축시킬 수 있다.While the ion concentration polarization barrier moves in the channel, the material may be concentrated in front of the ion concentration polarization barrier in a direction in which the ion concentration polarization barrier moves.
상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부는 중력 방향을 기준으로 일정 각도를 갖는 대각 구조로 배치되어 상기 이온 농도 분극 배리어가 경사지도록 하여, 상기 물질이 농축되는 방향으로 미는 힘을 증가시킬 수 있다.The first moving unit and the second moving unit may be disposed in a diagonal structure having a predetermined angle with respect to the direction of gravity to incline the ion concentration polarization barrier, thereby increasing a pushing force in a direction in which the material is concentrated.
(i) 상기 채널과 상기 제1 이온 교환막이 접촉한 면적 및 (ii) 상기 채널과 상기 제2 이온 교환막이 접촉한 면적이 증가할수록 상기 이온 농도 분극 배리어를 견고하게 할 수 있다.The ion concentration polarization barrier can be strengthened as (i) the contact area between the channel and the first ion exchange membrane and (ii) the contact area between the channel and the second ion exchange membrane increase.
상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부에 연결된 간격 조절부를 포함하며, 상기 간격 조절부는 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부 간의 간격을 조절하여 상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막의 간격을 조절할 수 있다.and a gap control unit connected to the first moving unit and the second moving unit, wherein the gap adjusting unit adjusts a gap between the first moving unit and the second moving unit to adjust the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane. spacing can be adjusted.
상기 제1 이동부는 제1 휠 및 제1 슬라이드를 포함하고, 상기 제2 이동부는 제2 휠 및 제2 슬라이드를 포함할 수 있다.The first moving unit may include a first wheel and a first slide, and the second moving unit may include a second wheel and a second slide.
상기 제1 슬라이드 및 상기 제2 슬라이드는 교체 가능한 구조로 형성될 수 있다.The first slide and the second slide may be formed in a replaceable structure.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 이온 교환막을 채널의 양면에 위치시키고 복수의 이온 교환막에 전계를 인가하여 채널 내부에 이온 농도 분극 배리어를 형성하며, 이온 농도 분극 배리어를 이동시켜서 채널 내부에서 물질을 농축 및 분리시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to embodiments of the present invention, a plurality of ion exchange membranes are placed on both sides of a channel, and an ion concentration polarization barrier is formed inside the channel by applying an electric field to the plurality of ion exchange membranes, and the ion concentration polarization barrier is formed. It has the effect of concentrating and separating the material inside the channel by moving it.
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.Even if the effects are not explicitly mentioned here, the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and their provisional effects are treated as described in the specification of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치를 예시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치의 농축 동작 원리를 예시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치의 구조를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치를 시뮬레이션한 결과를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are diagrams illustrating the principle of the concentration operation of the mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are diagrams illustrating the structure of a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating simulation results of a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, in the description of the present invention, if it is determined that a related known function may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention as an obvious matter to those skilled in the art, the detailed description thereof will be omitted, and some embodiments of the present invention will be described. It will be described in detail through exemplary drawings.
DNA 추출이나 단백질 검출(Western blot) 등과 같은 바이오분자를 측정하는 과정의 프로토콜에서 계면활성제(surfactant)가 들어가게 되는데, 샘플 내에 계면활성제가 들어가게 되면 전기 이중층(electrical double layer)이 깨지게 되면서 ICP(Ion Concentration Polarization)의 성능에 악영향을 준다. Surfactant is included in protocols for measuring biomolecules such as DNA extraction or protein detection (Western blot). Polarization) adversely affects the performance.
본 실시예를 통해 계면활성제가 들어간 샘플을 ICP를 이용하여 효율적으로 농축할 수 있다.Through this embodiment, samples containing surfactants can be efficiently concentrated using ICP.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
이동형 이온 교환막 제어 장치(10)는 채널(100), 가이드(110), 제1 이온 교환막(210), 제2 이온 교환막(220), 제1 이동부(310), 제2 이동부(320), 제1 전극(410), 제2 전극(420), 간격 조절부(500)를 포함할 수 있다.The movable ion exchange
채널(100)은 물질이 이동하는 경로를 형성한다. 가이드(110)는 채널(100)의 길이 방향을 따라 형성될 수 있다. The channel 100 forms a path through which materials move. Guide 110 may be formed along the length direction of the channel (100).
제1 이온 교환막(210)은 채널(100)의 일면의 일부에 위치하고, 제2 이온 교환막(220)은 채널(100)의 타면의 일부에 위치할 수 있다.The first ion exchange membrane 210 may be located on a part of one surface of the channel 100, and the second
제1 이동부(310)는 제1 이온 교환막(210)에 연결되고, 제2 이동부(320)는 제2 이온 교환막(220)에 연결될 수 있다. The first moving
제1 전극(410)은 제1 이온 교환막(210)에 연결되고, 제2 전극(420)은 제2 이온 교환막(220)에 연결될 수 있다.The first electrode 410 may be connected to the first ion exchange membrane 210 and the second electrode 420 may be connected to the second
이동형 이온 교환막 제어 장치(10)는 가이드(110)를 따라 채널(100)이 이동하거나 제1 이동부(310) 및 제2 이동부(320)가 이동할 수 있다.In the movable ion exchange
채널(100)은 섬유 망상 구조(Fiber Network)로 이루어진 다공성 재료 (예컨대, 종이, 면직, 실 등)로 형성될 수 있다. 채널에 소수성 물질이 패턴화되어 코팅될 수 있다.The channel 100 may be formed of a porous material (eg, paper, cotton, thread, etc.) made of a fiber network. A hydrophobic material may be patterned and coated on the channel.
소수성 물질은 대표적으로 알코올 지방산 에스터로서 왁스(Wax) 등을 사용 할 수 있다. 베이스에 왁스를 인쇄하거나 가열하여 결합시킬 수 있다. 이에 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. The hydrophobic material is typically an alcohol fatty acid ester, and wax or the like can be used. Wax can be printed or heated to bond to the base. but is not limited to, acrylics, olefins, amides, imides, styrenes, carbonates, vinyl acetals, dienes, vinyls, esters, vinyl esters, ketones, fluorocarbons or Teflon, A component selected from PDMS, silane, and the like may be included. In addition, there are alkylsilane-based siliclads and the like, and silicone-based hydride-terminated polydimethylsiloxane (Methylhydrosiloxane-Dimethysiloxane Copolymer) and the like.
일반적으로 재료에서 물질이 소수성을 띄게 되는 경우는 물과 닿는 표면의 구조에 의한 영향과 재료의 표면 자체의 특성에 의한 영향으로 소수성을 가질 수 있다. 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. 소수성의 성질은 베이스를 종이와 비슷한 파이버(Fiber) 소재를 이용할 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로, 셀룰로오스 페이퍼 이외에 파이버 계열의 베이스를 사용하는 것도 가능하다.In general, when a material becomes hydrophobic, it may have hydrophobicity due to the effect of the structure of the surface in contact with water and the effect of the characteristics of the surface itself of the material. Forming a microchannel by coating paper as a base corresponds to the latter, and forming a channel by coating wax on paper can make other parts hydrophobic except for the part to be used as a channel in a hydrophilic material called paper. there is. Since the hydrophobic property can obtain a similar effect even when a fiber material similar to paper is used as a base, it is also possible to use a fiber-based base other than cellulose paper.
베이스에 소수성 물질인 왁스를 결합시키는 방법으로서 종이 위에 소수성 물질의 패턴을 코팅시킬 수 있다. 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.As a method of bonding wax, which is a hydrophobic material, to the base, a pattern of the hydrophobic material may be coated on paper. There is no particular limitation on the wax patterning method, and it is possible to simply bond the paper and the hydrophobic material or to bond the paper with the hydrophobic material penetrated, but preferably, the hydrophobic material is applied to the paper to prevent leakage of the sample. It is desirable to combine so that it penetrates. In the case of paper, the cost is low, elasticity and formability are good, it is easy to form a coating layer having a certain thickness on paper in the form of adsorption and penetration with a hydrophobic material, and the bonding strength with the hydrophobic coating material is excellent.
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. The base may include a porous membrane, and the resolution may be controlled by controlling the thickness of the base to separate and concentrate the sample. For example, when the base is paper, the resolution can be adjusted by differentially applying the thickness of the paper to 50 ㎛, 180 ㎛, 350 ㎛, etc., and the cross-sectional area of the channel can be efficiently adjusted by adjusting the size of the pores of the base. You can control it.
이온 교환막은 선택적 투과막이라고도 한다. 이온 교환막(Ion exchange membrane, IEM)은 양이온 교환막(Cation Exchange Membrane, CEM), 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane, AEM)이 있다.An ion exchange membrane is also called a selective permeation membrane. The ion exchange membrane (IEM) includes a cation exchange membrane (CEM) and an anion exchange membrane (AEM).
이온 교환막을 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.The selective ion permeable material forming the ion exchange membrane refers to a material that binds well to specific ions and attracts them to each other, but does not bind well to other ions and does not attract them. The selective ion permeable material can be, for example, nafion.
이온 교환막은 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.In addition to Nafion, the ion exchange membrane may be implemented with a polyelectrolyte such as polystyrene sulfonate (PSS) or polyallylamine hydrochloride (PAH), and may be implemented with any material as long as it is a material capable of selectively transmitting ions.
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.The ion exchange membrane may have a form in which an ion exchange group is introduced into a fluorine-based polymer. For example, DuPont's Nafion, Dow Chemicals' Dow film, Asahi Chemicals' Aciplex-S film, Asahi Glass' There is a Flemion film of Glass.
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.On the other hand, there are ion exchange membranes developed using non-fluorine-based polymers and polymers partially substituted with fluorine, such as sulfonated poly(phenylene oxide), poly(phenylene sulfide), polysulfone, and poly(para-phenylene). )-based, polyether ether ketone-based, and polyimide-based polymers, and the like.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치의 농축 동작 원리를 예시한 도면이다.2 and 3 are diagrams illustrating the principle of the concentration operation of the mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
제1 전극 및 제2 전극에 전계를 인가하여, (i) 채널과 접촉한 제1 이온 교환막 및 (ii) 채널과 접촉한 제2 이온 교환막 사이에 이온 농도 분극 배리어를 형성할 수 있다.An ion concentration polarization barrier may be formed between (i) a first ion exchange membrane in contact with the channel and (ii) a second ion exchange membrane in contact with the channel by applying an electric field to the first electrode and the second electrode.
이온 교환막에 전계를 인가하여 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.When a voltage difference is generated by applying an electric field to the ion exchange membrane, ions present in the fluid are attracted to the electrode, which is opposite to the electrical property of each ion, by the electric field according to the voltage difference. As such, the ions move within the channel according to their electrical properties and lead the fluid particles together by the viscous force. The flow of the entire fluid occurs, and the movement of such a fluid is called electro-osmosis flow (EOF), and the movement of ions is called electrophoresis (EP).
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 하나의 전극 쪽에는 이온 결핍(Depletion)이 발생하고, 반대 전극 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. 이러한 장벽을 이온 농도 분극 배리어라고 칭할 수 있다.The characteristics of capillary electrophoresis and electro-osmosis change near a channel implemented with an ion exchange membrane, resulting in ion concentration polarization (ICP). Therefore, in the reaction region of the channel, ion depletion occurs on one electrode side and ion enrichment occurs on the opposite electrode side. At this time, the depletion zone acts as a kind of electric barrier against the charged analyte due to the low depleted ion concentration and the resulting high electric field. This barrier may be referred to as an ion concentration polarization barrier.
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.As a result, the analyte does not pass through the deficient region and concentrates in front of it. The analyte concentrates very quickly in front of the depleted region within the channel. Since the size of the depleted region due to ion concentration polarization expands as the ion concentration polarization of the sample progresses, the analyte forms a concentrated region in the central region of the channel.
이온 교환막이 채널에 맞닿은 영역에 디플리션 힘(Depletion Force) 및 공핍 영역(Depletion Zone)을 형성하여 물질이 통과할 채널의 단면적을 감소시키고, 시간이 지남에 따라 물질의 이동 속도를 감소시킬 수 있다.By forming a depletion force and a depletion zone in the area where the ion exchange membrane comes into contact with the channel, the cross-sectional area of the channel through which materials pass can be reduced, and the movement speed of materials can be reduced over time. there is.
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.The depletion force is a force that occurs when the distance between colloids to receive force due to short range attraction is sufficiently close, and does not act when they are farther than that distance. A sufficient distance here is equal to the size of another colloid, the Depletant, which is smaller than the colloid but generates a free-moving depletion force dispersed within the same system. The term deflection refers to a particle that induces a depletion force. A large number of colloidal particles bind to each other.
시료가 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. When the sample passes through the bottom of the ion exchange membrane, only anions or cations are selectively absorbed by the native charge of the ion exchange membrane, and a depletion force is generated, which is called the depletion zone. ) to form
공핍 영역(Depletion Zone)에 의하여 전하를 가지고 있는 시료가 지나갈 수 있는 경로의 폭 또는 높이가 작아지게 되고, 이에 따라 시료의 이동성(Mobility)이 감소하고 특정 영역에서 적층하게 된다. 즉, 디플리션 힘이 이온 교환막이 부착된 채널의 반대 방향으로 작용하여 채널의 통로 크기를 축소시킨다.Due to the depletion zone, the width or height of the path through which the sample having charge can pass is reduced, and accordingly, the mobility of the sample is reduced and stacked in a specific area. That is, the depletion force acts in the opposite direction to the channel to which the ion exchange membrane is attached, reducing the passage size of the channel.
채널의 미세 기공을 통과하면서 물질의 이동 속도가 지연되는 현상과 채널에 부착된 이온 교환막에 의한 디플리션 힘이 상호 작용하여, 이온 교환막이 부착된 위치에 수직한 지점 또는 수직한 지점의 인접 영역에서 물질이 농축될 수 있다. The phenomenon in which the movement speed of materials is delayed while passing through the micropores of the channel interacts with the depletion force by the ion exchange membrane attached to the channel, so that the point perpendicular to the ion exchange membrane is attached or the area adjacent to the perpendicular point A substance can be concentrated in
일정 시간이 지나면 물질은 채널에서 이동하고, 물질은 이온 교환막이 부착된 채널 영역의 중간에서 이동 속도가 O에 가깝게 된다. After a certain period of time, the material moves in the channel, and the material moves at a speed close to 0 in the middle of the channel region where the ion exchange membrane is attached.
이온 교환막이 부착된 채널의 미세 기공의 크기가 작아져서, 작아진 미세 기공의 크기보다 작은 크기를 갖는 물질은 통과하고, 작아진 미세 기공의 크기보다 큰 크기를 갖는 물질은 통과하지 못하여, 물질이 분리될 수 있다.The size of the micropores of the channel to which the ion exchange membrane is attached is reduced, so that materials having a size smaller than the size of the micropores pass through, and materials having a size larger than the size of the micropores do not pass. can be separated
가이드를 따라 채널이 이동하거나 제1 이동부 및 제2 이동부가 이동하면, 이온 농도 분극 배리어가 이동할 수 있다. When the channel moves along the guide or when the first and second moving parts move, the ion concentration polarization barrier may move.
이온 농도 분극 배리어가 채널에서 이동하면서 이온 농도 분극 배리어가 진행하는 방향으로 이온 농도 분극 배리어의 전방에 물질을 농축시킬 수 있다. 이동하는 이온 농도 분극 배리어가 채널 내부에서 물질을 밀어서 농축 및 분리시킬 수 있다.As the ion concentration polarization barrier moves in the channel, materials may be concentrated in front of the ion concentration polarization barrier in the direction in which the ion concentration polarization barrier travels. A moving ionic concentration polarization barrier can push materials inside the channel to concentrate and separate them.
제1 이동부 및 제2 이동부는 중력 방향을 기준으로 일정 각도를 갖는 대각 구조로 배치되어 이온 농도 분극 배리어가 경사지도록 하여, 물질이 농축되는 방향으로 미는 힘을 증가시킬 수 있다.The first moving unit and the second moving unit may be arranged in a diagonal structure having a predetermined angle with respect to the direction of gravity to incline the ion concentration polarization barrier, thereby increasing the pushing force in the direction of concentrating the material.
(i) 채널과 제1 이온 교환막이 접촉한 면적 및 (ii) 채널과 제2 이온 교환막이 접촉한 면적이 증가할수록 이온 농도 분극 배리어를 견고하게 할 수 있다. 이온 농도 분극 배리어의 두께를 증가시킬 수 있으므로, 이온 농도 분극 배리어를 유지하면서 보다 빠르게 이동시킬 수 있다.As (i) the contact area between the channel and the first ion exchange membrane and (ii) the contact area between the channel and the second ion exchange membrane increase, the ion concentration polarization barrier can be strengthened. Since it is possible to increase the thickness of the ion concentration polarization barrier, it is possible to move faster while maintaining the ion concentration polarization barrier.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치의 구조를 예시한 도면이다.4 and 5 are diagrams illustrating the structure of a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
채널은 복수의 레이어가 적층된 구조로 형성될 수 있다.The channel may have a structure in which a plurality of layers are stacked.
제1 이온 교환막 및 제2 이온 교환막은 교체 가능한 구조로 형성될 수 있다. 제1 이온 교환막은 제1 이동부에 탈부착이 가능한 구조로 형성될 수 있다.The first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane may be formed in a replaceable structure. The first ion exchange membrane may be formed in a structure that is detachable to the first moving unit.
제1 이동부는 제1 체결부를 포함하며 제1 체결부를 통해 제1 이온 교환막과 체결될 수 있다.The first moving unit includes a first coupling unit and may be coupled to the first ion exchange membrane through the first coupling unit.
제2 이온 교환막은 제2 이동부에 탈부착이 가능한 구조로 형성될 수 있다. 제2 이동부는 제2 체결부를 포함하며 제2 체결부를 통해 제2 이온 교환막과 체결될 수 있다. 제1 이동부 및 제2 이동부에 제1 전극 및 제2 전극이 연결되고, 제1 이동부 및 제2 이동부가 이동하면 제1 전극 및 제2 전극도 이동하게 된다.The second ion exchange membrane may be formed in a structure that is detachable to the second moving unit. The second moving unit includes a second coupling unit and may be coupled to the second ion exchange membrane through the second coupling unit. The first electrode and the second electrode are connected to the first moving unit and the second moving unit, and when the first moving unit and the second moving unit move, the first electrode and the second electrode also move.
제1 이동부 및 제2 이동부에 연결된 간격 조절부를 포함할 수 있다. It may include a gap adjusting unit connected to the first moving unit and the second moving unit.
간격 조절부는 제1 이동부 및 제2 이동부 간의 간격을 조절하여 제1 이온 교환막 및 제2 이온 교환막의 간격을 조절할 수 있다. 제1 이온 교환막 및 제2 이온 교환막 간의 거리에 반비례하여 물질을 농축시킨다.The spacing adjusting unit may adjust the spacing between the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane by adjusting the spacing between the first moving unit and the second moving unit. The material is concentrated in inverse proportion to the distance between the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane.
간격 조절부는 제1 이동부와 제2 이동부가 경사 배치되도록 제1 이동부와 제2 이동부의 간격과 위치를 조절할 수 있다. 간격 조절부는 제1 이동부 및 제2 이동부가 이동할 때에는 제1 이동부 및 제2 이동부 간의 간격을 유지시킨다. 간격 조절부는 제1 이동부 및 제2 이동부로부터 제1 이온 교환막 및 제2 이온 교환막을 탈착할 때에는 제1 이동부 및 제2 이동부 간의 간격을 벌려서 채널로부터 이격시킨다.The gap adjusting unit may adjust the distance and position of the first moving unit and the second moving unit so that the first moving unit and the second moving unit are inclined. The distance adjusting unit maintains a distance between the first and second moving parts when the first and second moving parts move. When the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane are detached from the first moving unit and the second moving unit, the gap adjusting unit widens the gap between the first moving unit and the second moving unit to separate them from the channel.
제1 이동부는 제1 휠 및 제1 슬라이드를 포함할 수 있고, 제2 이동부는 제2 휠 및 제2 슬라이드를 포함할 수 있다. The first moving unit may include a first wheel and a first slide, and the second moving unit may include a second wheel and a second slide.
제1 휠 및 제2 휠은 가이드를 따라 회전하면서 이동할 수 있다. 제1 휠 및 제2 휠의 중심축의 위치가 고정된 상태에서 제1 휠 및 제2 휠이 회전하면서 채널이 수평 방향으로 이동할 수도 있다.The first wheel and the second wheel may rotate and move along the guide. The channel may move in a horizontal direction while the first wheel and the second wheel rotate while the positions of the central axes of the first wheel and the second wheel are fixed.
제1 슬라이드 및 제2 슬라이드는 가이드를 따라 이동할 수 있다.The first slide and the second slide can move along the guide.
제1 슬라이드 및 제2 슬라이드는 교체 가능한 구조로 형성될 수 있다. 제1 슬라이드는 제1 이동부에 탈부착이 가능한 구조로 형성될 수 있다. The first slide and the second slide may be formed in a replaceable structure. The first slide may be formed in a detachable structure to the first moving unit.
제1 이동부는 제1 체결부를 포함하며 제1 체결부를 통해 제1 슬라이드와 체결될 수 있다.The first moving unit includes a first fastening unit and may be engaged with the first slide through the first fastening unit.
제2 슬라이드는 제2 이동부에 탈부착이 가능한 구조로 형성될 수 있다. 제2 이동부는 제2 체결부를 포함하며 제2 체결부를 통해 제2 슬라이드와 체결될 수 있다.The second slide may be formed in a detachable structure to the second moving unit. The second moving unit includes a second fastening unit and may be engaged with the second slide through the second fastening unit.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 이온 교환막 제어 장치를 시뮬레이션한 결과를 예시한 도면이다. 6 is a diagram illustrating simulation results of a mobile ion exchange membrane control device according to an embodiment of the present invention.
실험 조건을 전계 100 V, 시간 20 min, 시료 1 mg/ml orange-G, 버퍼 1X PBS, 1 % Tween 20(계면활성제), 볼륨 300 ul으로 하여 실험하였다. Experimental conditions were tested using an electric field of 100 V, a time of 20 min, a sample of 1 mg/ml orange-G, a buffer of 1X PBS, 1% Tween 20 (surfactant), and a volume of 300 ul.
도 6의 (a)->(b)->(c)->(d) 순서로 살펴보면, 형성된 이온 농도 분극 배리어를 이동시키는 방식을 통해 고농도의 계면활성제가 있음에도 시료를 농축 및 분리시킬 수 있음을 확인할 수 있다.Looking at the order of (a) -> (b) -> (c) -> (d) in FIG. 6, the sample can be concentrated and separated even in the presence of a high concentration of surfactant through a method of moving the formed ion concentration polarization barrier can confirm.
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.These embodiments are for explaining the technical idea of this embodiment, and the scope of the technical idea of this embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of this embodiment should be construed according to the claims below, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of rights of this embodiment.
10: 이동형 이온 교환막 제어 장치
100: 채널
110: 가이드
210: 제1 이온 교환막
220: 제2 이온 교환막
310: 제1 이동부
320: 제2 이동부
410: 제1 전극
420: 제2 전극
500: 간격 조절부10: mobile ion exchange membrane control device
100: channel
110: guide
210: first ion exchange membrane
220: second ion exchange membrane
310: first moving unit
320: second moving unit
410: first electrode
420: second electrode
500: spacing control unit
Claims (11)
물질이 이동하는 경로를 형성한 채널;
상기 채널의 일면의 일부에 위치하는 제1 이온 교환막;
상기 채널의 타면의 일부에 위치하는 제2 이온 교환막;
상기 제1 이온 교환막에 연결된 제1 이동부;
상기 제2 이온 교환막에 연결된 제2 이동부;
상기 제1 이온 교환막에 연결된 제1 전극;
상기 제2 이온 교환막에 연결된 제2 전극; 및
상기 채널이 위치하는 가이드를 포함하며,
상기 가이드를 따라 상기 채널이 이동하거나 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부가 이동하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.In the mobile ion exchange membrane control device,
A channel forming a path through which materials move;
A first ion exchange membrane located on a part of one surface of the channel;
a second ion exchange membrane positioned on a portion of the other surface of the channel;
a first moving unit connected to the first ion exchange membrane;
a second moving unit connected to the second ion exchange membrane;
a first electrode connected to the first ion exchange membrane;
a second electrode connected to the second ion exchange membrane; and
Includes a guide where the channel is located,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the channel moves along the guide or the first moving unit and the second moving unit move.
상기 채널은 복수의 레이어가 적층된 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 1,
The channel is a mobile ion exchange membrane control device, characterized in that formed in a structure in which a plurality of layers are stacked.
상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막은 교체 가능한 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 1,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane are formed in a replaceable structure.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전계를 인가하여, (i) 상기 채널과 접촉한 제1 이온 교환막 및 (ii) 상기 채널과 접촉한 제2 이온 교환막 사이에 이온 농도 분극 배리어를 형성하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 1,
Applying an electric field to the first electrode and the second electrode to form an ion concentration polarization barrier between (i) a first ion exchange membrane in contact with the channel and (ii) a second ion exchange membrane in contact with the channel. Mobile ion exchange membrane control device characterized by.
상기 가이드를 따라 상기 채널이 이동하거나 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부가 이동하면, 상기 이온 농도 분극 배리어가 이동하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 4,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the ion concentration polarization barrier moves when the channel moves along the guide or when the first moving unit and the second moving unit move.
상기 이온 농도 분극 배리어가 상기 채널에서 이동하면서 상기 이온 농도 분극 배리어가 진행하는 방향으로 상기 이온 농도 분극 배리어의 전방에 상기 물질을 농축시키는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 5,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the ion concentration polarization barrier concentrates the material in front of the ion concentration polarization barrier in a direction in which the ion concentration polarization barrier moves in the channel.
상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부는 중력 방향을 기준으로 일정 각도를 갖는 대각 구조로 배치되어 상기 이온 농도 분극 배리어가 경사지도록 하여, 상기 물질이 농축되는 방향으로 미는 힘을 증가시키는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 4,
The first moving unit and the second moving unit are arranged in a diagonal structure having a predetermined angle with respect to the direction of gravity to incline the ion concentration polarization barrier to increase the pushing force in the direction in which the material is concentrated. Characterized in that A mobile ion exchange membrane control device.
(i) 상기 채널과 상기 제1 이온 교환막이 접촉한 면적 및 (ii) 상기 채널과 상기 제2 이온 교환막이 접촉한 면적이 증가할수록 상기 이온 농도 분극 배리어를 견고하게 하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 4,
The mobile ion exchange membrane, characterized in that the ion concentration polarization barrier is strengthened as (i) the contact area between the channel and the first ion exchange membrane and (ii) the contact area between the channel and the second ion exchange membrane increase. controller.
상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부에 연결된 간격 조절부를 포함하며,
상기 간격 조절부는 상기 제1 이동부 및 상기 제2 이동부 간의 간격을 조절하여 상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막의 간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 1,
A gap adjusting unit connected to the first moving unit and the second moving unit,
The movable ion exchange membrane control device, characterized in that the gap adjusting unit adjusts the gap between the first ion exchange membrane and the second ion exchange membrane by adjusting the gap between the first moving unit and the second moving unit.
상기 제1 이동부는 제1 휠 및 제1 슬라이드를 포함하고,
상기 제2 이동부는 제2 휠 및 제2 슬라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 9,
The first moving unit includes a first wheel and a first slide,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the second moving unit comprises a second wheel and a second slide.
상기 제1 슬라이드 및 상기 제2 슬라이드는 교체 가능한 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 이동형 이온 교환막 제어 장치.According to claim 10,
The mobile ion exchange membrane control device, characterized in that the first slide and the second slide are formed in a replaceable structure.
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |