KR102489135B1 - 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체가 주입되는 입구부를 구비한 제1 채널 및 상기 제1 채널과 연결되어 상기 유체가 배출되는 출구부를 구비한 제2 채널을 포함하는 채널부; 상기 채널부의 상부에 배치되어 이온의 전달경로를 제공하는 이온투과막층; 및 음전압이 인가되는 제1 전극을 포함하는 전극부; 를 포함하되, 상기 채널부와 이온투과막층 사이 분기점의 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 상기 채널부를 통과하는 유체로부터 박테리아가 농축되고, 상기 제1 전극은 상기 이온투과막층의 일측에 밀접 배치되고, 상기 제1 전극의 인접한 부위에서 상기 유체 내의 물을 전기분해하여 알칼리수가 생성되도록 마련되는, 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법을 제공한다.
Description
본 발명은 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이온농도분극 현상을 이용하여 입자를 농축시킴과 동시에 농축된 입자들을 효소 반응이 촉진되는 온도 범위에서 용해시킬 수 있는 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법에 관한 것이다.
입자상 물질은 다양한 형태와 경로를 통해 인체와 지구환경에 큰 영향을 주고 있다. 관련 산업의 발전과 환경에 대한 관심의 증대에 따라 그 중요성도 점차 부각되고 있다. 생명 유체 내에서의 생체정보를 획득할 수 있는 특정 입자, 예를 들어, 소변 내 박테리아를 검출하는 것에서부터, 공기 중에 분포하는 저농도의 환경물질을 발견하는 것까지 우리에게 영향을 끼치는 분자들은 그 크기와 농도가 다양하다. 이를 효율적으로 측정하고 분석하기 위해서 다양한 센서 및 반응기들이 개발되어왔다.
특히, 생체 내 특정 입자를 검출하는 과정은 이러한 센서 및 반응기들에 의해 원하는 수준으로 농축하는 전처리 과정을 거친 후, 농축된 것에 대한 후처리 과정을 거치게 된다.
그러나 상기 후처리과정은 입자를 처리하고 분석하기 위한 별도의 장치들을 다단 형태로 연결하여 수행될 필요성이 존재하며, 이러한 형태는 구성이 복잡하고 특정 입자를 검출하기까지 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 장치 내에서 박테리아의 농축과 동시에 용해가 가능한 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 유체가 주입되는 입구부를 구비한 제1 채널 및 상기 제1 채널과 연결되어 상기 유체가 배출되는 출구부를 구비한 제2 채널을 포함하는 채널부; 상기 채널부의 상부에 배치되어 이온의 전달경로를 제공하는 이온투과막층; 및 음전압이 인가되는 제1 전극을 포함하는 전극부; 를 포함하되, 상기 채널부와 이온투과막층 사이 분기점의 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 상기 채널부를 통과하는 유체로부터 박테리아가 농축되고, 상기 제1 전극은 상기 이온투과막층의 일측에 밀접 배치되고, 상기 제1 전극의 인접한 부위에서 상기 유체 내의 물을 전기분해하여 알칼리수가 생성되도록 마련되는, 이온농도분극형 박테리아 검출장치가 제공될 수 있다.
상기 알칼리수는 상기 이온농도분극 현상에 의해 농축된 박테리아를 용해시킬 수 있다.
상기 제1 전극과 인접하게 배치된 패치부; 를 더 포함하되, 상기 패치부는 상기 알칼리수에 의해 용해된 박테리아를 염색하는 염색시료를 저장할 수 있다.
상기 채널부는 셀룰로오스 종이를 포함할 수 있다.
상기 셀룰로오스 종이 내부의 기공은 1 um 내지 100um의 사이즈를 가질 수 있다.
상기 전극부는 그라운드 또는 양전압이 인가되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기 제1 전극에 음전압을 인가하는 단계;상기 입구부에 박테리아를 포함하는 유체를 주입하는 단계; 상기 유체 내의 물을 전기분해하여 상기 제1 전극의 인접한 부위에서 알칼리수를 생성하는 단계; 상기 상기 채널부와 이온투과막층 사이 분기점의 인접한 부위에 상기 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ICP Zone)이 형성되어 상기 유체로부터 상기 박테리아를 농축하는 단계; 및 상기 농축된 박테리아를 상기 알칼리수로 용해하는 단계;를 포함하는, 박테리아 검출방법이 제공될 수 있다.
상기 알칼리수에 의해 용해된 박테리아를 패치부에 저장된 염색시료로 염색하여, 상기 박테리아의 존재여부를 검출하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 특정 박테리아를 단시간 내에 검출할 수 있는 이온농도분극형 박테리아 검출장치 및 이를 이용한 박테리아 검출방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 pH 변화를 관찰한 결과이다.
도 3은 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 온도변화를 관찰한 결과이다.
도 4(a)는 박테리아가 검출됨으로써 나타내는 사진 속 색상변화를 시간 경과에 따라 관찰한 결과이고, 도 4(b)는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상의 유무에 따라 색상 변화가 나타난 비율을 박테리아 농도에 따라 나타낸 그래프이다,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치를 이용한 박테리아 검출방법을 단계에 따라 도시한 도면이다.
도 2는 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 pH 변화를 관찰한 결과이다.
도 3은 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 온도변화를 관찰한 결과이다.
도 4(a)는 박테리아가 검출됨으로써 나타내는 사진 속 색상변화를 시간 경과에 따라 관찰한 결과이고, 도 4(b)는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상의 유무에 따라 색상 변화가 나타난 비율을 박테리아 농도에 따라 나타낸 그래프이다,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치를 이용한 박테리아 검출방법을 단계에 따라 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 유체가 주입되는 입구부를 구비한 제1 채널(100) 및 상기 제1 채널(100)과 연결되어 유체가 배출되는 출구부를 구비한 제2 채널(200)을 구비한 채널부, 채널부의 상부에 배치된 이온투과막층(500), 음전압이 인가되는 제1 전극(10) 및 그라운드 또는 양전압이 인가되는 제2 전극(20)을 포함하는 전극부를 포함할 수 있다.
유체가 주입되는 입구부는 제1 채널(100)의 일단에 마련되고, 채널부를 통과하고 잔류한 유체가 배출되는 출구부는 제2 채널(200)의 타단에 마련될 수 있다.
제1 채널(100)과 제2 채널(200)은 연결된 구조로서 하나의 채널부를 구성한다. 또한, 이온투과막층(500)은 채널부의 상부에 배치되어, 채널부를 통과하는 유체 내 이온의 전달경로를 제공한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 채널부가 분리된 구조가 아닌 하나의 유체관의 형태로 존재함으로써, 유체가 채널부를 통과할 때 유체 내 존재하는 이온이 빠른 속력으로 이온투과막층(500)을 통과할 수 있도록 한다. 즉, 채널부를 통과하는 유체 내 이온만이 채널부의 상부에 접촉되어 배치되는 이온투과막층(500)을 상대적으로 빠르게 통과하게 되며, 이러한 이온의 선택적인 빠른 속도에 의해 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 나타나게 된다.
유체가 채널부를 통과할 때, 채널부와 이온투과막층(500) 사이 분기점의 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ICP Zone)이 형성되고, 상술한 영역의 인근 지점에서 유체로부터 박테리아가 농축될 수 있다. 여기서, 상기 유체는 임의의 전하를 띤 용액으로 이해될 수 있으며, 예를 들어, 박테리아를 포함한 소변을 포함할 수 있다. 후술할 바와 같이, 제1 전극(10)의 인접한 부위에서는 채널부를 통과하는 유체 내의 물을 전기분해하여 알칼리수가 생성되고, 제1 전극(10)은 이온투과막층(500)과 밀접하여 배치되기 때문에, 제1 전극(10)으로부터 생성된 알칼리수는 이온투과막층(500) 인근 영역에 농축된 박테리아를 용해시킬 수 있다.
도 1의 확대된 A영역을 참조해보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 제1 전극(10)과 인접하게 배치된 패치부(300)를 더 포함할 수 있다.
패치부(300)는 알칼리수에 의해 용해된 박테리아를 염색하는 염색시료(300a)를 저장한다. 보다 구체적으로, 박테리아가 알칼리수에 의해 용해되면 특정 효소를 분출하게 되고, 상술한 염색시료(300a)는 분출된 특정 효소를 염색시키도록 마련된다. 즉, 패치부(300)를 통해 유체 내 특정 박테리아의 존재여부를 검출할 수 있다. 염색시료(300a)는, 예를 들어, 니트로세핀(Nitrocefin) 용액일 수 있다.
채널부 주변은 왁스로 코팅처리 될 수 있다. 이에, 채널부를 통과하는 유체 내 물이 채널부 주변으로 새어나가는 현상을 억제시켜 유체의 손실을 최소화할 수 있다.
채널부는 셀룰로오스 종이를 포함할 수 있다. 이 때, 셀룰로오스 종이의 다공성 구조에 의해, 채널부에 전기장 인가 시 전기대류 현상이 억제될 수 있고, 이온농도분극 시 전기적 불안정성을 최소화시킬 수 있다. 아울러 상술한 셀룰로오스 종이의 다공성 구조는 채널부로 하여금 높은 전기처리 용량을 보유할 수 있게 하며, 이로 인해 채널부는 고전압 전기장 하에서도 안정적인 이온 수송 효율을 보일 수 있다.
셀룰로오스 종이 내부의 기공은, 예를 들어, 1 um 내지 100um의 사이즈를가질 수 있다. 기존의 이온농도분극 장치 하에서는 대용량의 용액을 농축시키기 위해 추가적인 구조 공정이 요구되었으며, 이는 상당 수준의 비용 및 시간이 소요되는 문제점이 있었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)의 채널부는, 예를 들어, 1 um 내지 100um의 기공 사이즈 분포를 갖는 다공성 구조로 이루어진 셀룰로오스 종이를 포함할 수 있다. 여기서, 상술한 다공성 구조는 병렬화된 마이크로 채널의 역할을 수행하므로, 체액 수준의 대용량 용액을 농축할 수 있다.
도 2는 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 pH변화를 관찰한 결과이다.
전극부는 음전압이 인가되는 제1 전극(10) 및 그라운드 또는 양전압이 인가되는 제2 전극(20)을 포함한다. 음전압이 인가되어 제1 전극(10)이 음(-)전극이 됨에 따라, 제1 전극(10)과의 전위차에 의해 제2 전극(20)은 양(+) 전극으로 마련될 수 있다.
음전압이 인가된 제1 전극(10)의 인접한 부위에서는, 채널부를 통과하는 유체 내 물(H2O)의 전기분해반응을 통하여 수소가스(H2)와 수산화 이온(OH-)이 생성된다. 즉, 수산화 이온(OH-)을 포함한 알칼리수의 생성으로 인해 제1 전극(10) 주변의 pH가 증가하게 된다.
제1 전극(10)은 이온투과막층(500)의 일측에 밀접 배치된다. 즉, 이온투과막층(500)을 통과한 박테리아가 이온투과막층(500)의 인근 지점에 농축되기 때문에, 해당 농축 지점과 제1 전극(10) 역시 인접하여 배치될 수 있다. 이에, 박테리아는 이온농도분극 현상에 의해 농축됨과 동시에, 제1 전극(10)에서 생성된 알칼리수에 의해 용해될 수 있다. 도 2를 참조하면, pH 변화 측정을 위한 시료가 저장된 종이 장치에 있어서, 예를 들어, 140V, 160V, 180V, 200V로 인가된 각각의 전압 하에, 박테리아가 농축되는 지점에 해당 시료의 색이 점점 진해지는 것을 확인할 수 있고, 그래프에 도시된 바와 같이 이는 해당 지점의 pH값이 점점 증가하고 있음을 의미한다.
즉, 이온투과막층(500)을 통과하여 농축된 박테리아는 인접한 제1 전극(10)에서의 전기분해 반응으로 발생하는 pH 변화를 통해 농축과 동시에 용해될 수 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 유체 내 특정 박테리아를 빠른 시간 내 검출할 수 있으며, 검출은 패치부(300)를 통해 수행할 수 있다.
도 3은 박테리아가 농축되는 영역에 있어서, 전압을 인가하였을 때 시간경과에 따른 온도변화를 관찰한 결과이다.
상술한 박테리아 용해현상은 효소 반응이 촉진되는 온도 조건, 예를 들어, 35?C 내지 40*의 온도조건이 충족될 것이 요구된다. 도 3을 참조하면, 온도 변화 측정을 위한 시료가 저장된 종이 장치에 있어서, 일정 전압 하에 박테리아가 농축되는 지점에 해당 시료의 색이 점점 옅어짐을 확인할 수 있다. 그래프에 도시된 바와 같이 이는 해당 지점의 온도가 점점 증가하고 있음을 의미한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 전극부에 일정 전압, 예를 들어, 140V의 전압이 인가되기만 하면, 별도의 온도발생 장치 없이 인가된 전압에 의한 전기저항만으로도 효소 반응이 촉진되는 소정의 온도 조건을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)의 제조예 및 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 제조예 및 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 제조예 및 실험예만으로 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 니트로셀룰로오스 종이(Nitrocellulose paper)를 이용한 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)의 제조
Nitrocellulose paper (Whatman filter paper num. 1, Sigma-Aldrich, USA)에 채널을 프린트하고, 130*에서 3분간 가열하여 종이 내부에 하나의 채널부를 구성하였다.
채널부의 위, 아래로 Paraffin film (Parafilm M)을 접합하여 외부의 오염과 내부 유체의 증발을 방지하도록 하였다.
이후, Nanoporous membrane sheet (Sigma-Aldrich, USA)로 이루어진 이온투과막층(500), Ag로 이루어진 전극부 및 Nitrocefin (Sigma-Aldrich, USA)용액을 염색시료(300a)로서 코팅한 패치부(300)를 구성한 후, 각각의 지정된 장소에 삽입하고 열을 가해 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)를 제조하였다.
<실험예 1>
제조예 1에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)에 있어서 채널부를 통과하는 유체로서 채널부의 제1 채널(100) 일단에 마련된 입구부에 소변을 주입하였다. 이후, 휴대전화를 이용하여 소변을 주입시킨지 380 초(샘플 주입 180초 + 기기 작동 200초)가 지난 후부터 색상변화를 촬영하고, 촬영된 사진을 분석하였다.
도 4(a)는 박테리아가 검출됨으로써 나타내는 사진 속 색상변화를 시간 경과에 따라 관찰한 결과이고, 도 4(b)는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상의 유무에 따라, 촬영된 사진들 중 상기 색상 변화가 나타난 비율을 박테리아 농도에 따라 나타낸 그래프이다.
이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 농축된 박테리아는 농축과 동시에 제1 전극(10)에서 생성된 알칼리수에 의해 용해될 수 있다. 이 때, 박테리아가 용해되면 특정 효소를 분출하게 되고, 패치부(300)에 저장된 염색시료(300a)가 상기 특정 효소를 염색시킴으로써 패치부(300)에 색상 변화가 나타나게 된다. 도 4(a) 참조하면, 박테리아가 약 10 4cfu/mL의 저농도 수준으로만 존재하여도 3분 이내로 패치부(300)의 색상이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 도 4(b)를 참조하면, 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상 하에서는 약 10 4cfu/mL의 저농도의 박테리아만 존재하여도 색상변화가 나타나는 반면, 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 배재된 경우는 10 7cfu/Ml 이상의 고농도의 박테리아 존재하여야만 비로소 색상변화를 통한 특정 박테리아 검출이 가능해짐을 확인할 수 있다.
즉, 상술한 박테리아는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 유체로부터 단순 분리되는 것을 지나 농축까지 이루어진 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는 용해된 박테리아가 저농도로만 존재하여도 해당 박테리아의 검출이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극형 박테리아 검출장치(1000)는, 예를 들어, 자동화된 소형 장치 형태로 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 검출방법을 단계에 따라 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 검출방법은 채널부의 제1 채널(100)의 일단에 마련된 입구부에 박테리아를 포함하는 유체를 주입한 후 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 유체로부터 박테리아를 농축하는 단계, 농축된 박테리아를 알칼리수로 용해하는 단계 및 패치부를 통해 박테리아의 존재여부를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상은 다음과 같다.
이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상은 나노막을 갖는 구조 주변에서 관찰되는 전기화학 전달 현상 중의 하나이다. 이 때, 상기 나노막은 본 발명의 이온투과막층(500)으로 이해될 수 있다. 전기 이중층의 두께가 상기 나노막 내 벽면 거리의 크기와 비슷하다고 가정할 때, 상기 나노막 내부에서 전기 이중층이 겹침으로써 단일 이온 투과성을 보인다. 나노막의 벽면 전하와 같은 종류의 전하를 갖는 이온들은 확산과 표류력에 의해 상기 나노막을 통과하지 못하고 벽면 전화와 반대 종류의 전하를 갖는 이온들만이 통과하게 되면서, 상기 나노막 경계면에서는 이온들의 공핍과 과다 현상이 나타난다. 상기 나노막을 통과하지 못한 이온들 사이에서는 강한 전기적인 반발력이 작용하여 양이온과 음이온 모두 영향을 받게 되고, 이에 따라 이온 농도 구배 현상이 나타난다. 이 때, 전하를 띠고 있는 박테리아나 세포, 액적들도 이온공핍영역(ICP Zone) 경계면에서 이온들의 전기적 반발력에 영향을 받아 상기 나노막 주변에서 밀려나게 된다.
즉, 임의의 전하를 띤 용액이 채널부 내에 주입되고, 채널부에 전압을 인가하게 되면, 이온농도 구배로 인한 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의한 힘에 의해 특정 전하를 가진 물질이 이온공핍영역(ICP Zone)의 경계면에서 밀려날 수 있다. 이 때, 상기 물질은 전기삼투에 의한 힘과 전기영동으로 인한 힘에 의해 전기적으로 평형을 이룰 수 있으며, 이온공핍영역(ICP Zone) 인근에 위치한 힘의 평형 지점에서 물질이 농축될 수 있다. 한편, 각 물질의 분자량의 크기 및 전하량에 따라 평형을 이루는 지점은 각각 다를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 검출방법은 전술한 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 박테리아가 농축되는 단계 및 해당 박테리아가 용해되는 단계가 동시에 수행될 수 있다. 이를 위해, 박테리아를 농축하는 단계 이전에, 제1 전극(10)에 음전압을 인가하는 단계 및 채널부를 구성하는 제1 채널(100)의 입구부로 공급된 유체 내의 물을 전기분해하여 제1 전극(10)의 인접한 부위에서 알칼리수를 생성하는 단계가 선행되며, 이는 전극에 전압을 인가하면 연속적 그리고 자동적으로 진행되는 프로세스이다.
음전압이 인가된 제1 전극(10)의 주변에서는 유체 내 물(H2O)의 전기분해반응을 통하여 수산화 이온(OH-)을 포함한 알칼리수가 생성되고, 농축된 박테리아는 기 생성된 알칼리수에 의해 농축과 동시에 용해될 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 검출방법을 통해 단시간 내에 특정 박테리아 존재여부의 검출이 가능하다.
이후, 알칼리수에 의해 용해된 박테리아는 특정 효소를 분출하게 되고, 패치부(300)에 저장된 염색시료(300a)는 박테리아로부터 분출된 특정 효소를 염색하여 해당 박테리아의 존재여부를 검출할 수 있다. 박테리아의 존재여부를 검출하는 단계는 이온농도분극 현상으로 농축된 박테리아를 대상으로 하기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 박테리아 검출방법은 저농도의 박테리아만이 존재하여도 해당 박테리아의 검출을 가능하게 한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 제1 전극
20: 제2 전극
100: 제1 채널
200: 제2 채널
300: 패치부
300a: 염색시료
500: 이온투과막층
1000: 이온농도분극형 박테리아 검출장치
20: 제2 전극
100: 제1 채널
200: 제2 채널
300: 패치부
300a: 염색시료
500: 이온투과막층
1000: 이온농도분극형 박테리아 검출장치
Claims (8)
- 유체가 주입되는 입구부를 구비한 제1 채널 및 상기 제1 채널과 연결되어 상기 유체가 배출되는 출구부를 구비한 제2 채널을 포함하는 채널부;
상기 채널부의 상부에 배치되어 이온의 전달경로를 제공하는 이온투과막층; 및
음전압이 인가되는 제1 전극을 포함하는 전극부; 를 포함하되,
상기 채널부와 이온투과막층 사이 분기점의 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 상기 채널부를 통과하는 유체로부터 박테리아가 농축되고,
상기 제1 전극은 상기 이온투과막층의 일측에 밀접 배치되고, 상기 제1 전극의 인접한 부위에서 상기 유체 내의 물을 전기분해하여 알칼리수가 생성되도록 마련되고,
상기 알칼리수는 상기 이온농도분극 현상에 의해 농축된 박테리아를 용해시키는,
이온농도분극형 박테리아 검출장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극과 인접하게 배치된 패치부; 를 더 포함하되,
상기 패치부는 상기 알칼리수에 의해 용해된 박테리아를 염색하는 염색시료를 저장하는,
이온농도분극형 박테리아 검출장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 채널부는 셀룰로오스 종이를 포함하는,
이온농도분극형 박테리아 검출장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 셀룰로오스 종이 내부의 기공은 1 um 내지 100um의 사이즈를 갖는,
이온농도분극형 박테리아 검출장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 전극부는 그라운드 또는 양전압이 인가되는 제2 전극을 더 포함하는,
이온농도분극형 박테리아 검출장치. - 제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 상기 이온농도분극형 박테리아 검출장치를 이용한 박테리아 검출 방법으로서,
상기 제1 전극에 음전압을 인가하는 단계;
상기 입구부에 박테리아를 포함하는 유체를 주입하는 단계;
상기 유체 내의 물을 전기분해하여 상기 제1 전극의 인접한 부위에서 알칼리수를 생성하는 단계;
상기 채널부와 이온투과막층 사이 분기점의 인접한 부위에 상기 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ICP Zone)이 형성되어 상기 유체로부터 상기 박테리아를 농축하는 단계; 및
상기 농축된 박테리아를 상기 알칼리수로 용해하는 단계; 를 포함하는,
박테리아 검출방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 알칼리수에 의해 용해된 박테리아를 패치부에 저장된 염색시료로 염색하여, 상기 박테리아의 존재여부를 검출하는 단계; 를 더 포함하는,
박테리아 검출방법.
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