KR102554787B1 - Method and device for extracting bio molecules using nano-filter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 분자 추출 장치에 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노필터를 이용하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예는 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터; 상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극; 상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및 상기 제2 전극 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막;을 포함한다. The present invention relates to an apparatus and method for extracting biomolecules, and more particularly, to an apparatus and method for extracting nucleic acids using a nanofilter. One embodiment of the biomolecule extraction device according to the present invention is disposed between a first solution containing a sample containing biomolecules to be extracted and a second solution supporting biomolecules after extraction, and nanopores A nanofilter is formed; a first electrode immersed in the first solution; a second electrode immersed in the second solution; AC power electrically connected to the first electrode and the second electrode; and a porous oxide film formed on the surface of the second electrode.

Description

나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR EXTRACTING BIO MOLECULES USING NANO-FILTER}Biomolecular extraction device and method using nanofilter {METHOD AND DEVICE FOR EXTRACTING BIO MOLECULES USING NANO-FILTER}

본 발명은 바이오 분자 추출 장치에 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노필터를 이용하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for extracting biomolecules, and more particularly, to an apparatus and method for extracting nucleic acids using a nanofilter.

최근 세포, 박테리아 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 기술에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있다. Recently, many studies have been conducted on techniques for extracting nucleic acids from biological samples such as cells, bacteria, or viruses.

일반적으로, 생물학적 물질에서 핵산을 분리하는 방식은 세 가지로 나눌 수 있는데 마그네틱 비드를 사용하여 자석으로 흡착된 핵산을 분리해내는 방법, 실리카겔이 충진된 컬럼을 이용해서 용액을 용출하는 방법으로 컬럼 내에 DNA가 포함된 용액을 충진한 후 음압을 가하여 용액을 제거한 후 DNA를 실리카겔로부터 떨어뜨리는 방법, 그리고 최근에는 핵산과 특이적으로 결합하는 실리카나 유리섬유를 멤브레인으로 제조한 후, 상기 멤브레인이 하면에 구비된 필터 키트를 전기영동용 튜브에 삽입한 후 원심분리를 이용하여 DNA 분자를 분리하는 방법 등 사용되기도 한다. In general, there are three methods of separating nucleic acids from biological materials: a method of separating nucleic acids adsorbed by a magnet using magnetic beads, and a method of eluting a solution using a column filled with silica gel. After filling the solution containing DNA, applying negative pressure to remove the solution, and then removing the DNA from the silica gel, and recently, after manufacturing a membrane of silica or glass fiber that specifically binds to nucleic acid, the membrane is A method of separating DNA molecules by using centrifugation after inserting the provided filter kit into an electrophoresis tube may also be used.

실리카나 유리섬유는 단백질, 세포 대사 물질들과 결합 비율이 낮으므로 상대적으로 높은 농도의 핵산을 얻을 수 있다. 그러나, 자성입자를 이용하는 대부분의 핵산 추출 장비는 종래의 기술을 단순히 자동화한 것으로, 장비의 부피가 크고, 추출 과정 중 피펫 등에 묻은 용액이 다른 시험용기에 떨어져, 교차오염이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 원심분리방식은 처리할 수 있는 시료의 개수가 제한되어 있으며 유리섬유를 이용하는 방법은 많은 처리 단계를 수행해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이외에도 현재의 핵산 추출방법은 시료의 종류에 따라 제거 효율이 달라진다거나 추출되는 핵산의 양이 감소한다거나 실험시간의 증가 등의 문제점을 초래할 수 있다. Since silica or glass fibers have a low binding ratio with proteins and cellular metabolites, relatively high concentrations of nucleic acids can be obtained. However, most nucleic acid extraction equipment using magnetic particles simply automates the conventional technology, and there is a problem that the volume of the equipment is large, and the solution on the pipette during the extraction process falls into another test container, and cross-contamination may occur. However, the centrifugal separation method has a disadvantage in that the number of samples that can be processed is limited, and the method using glass fibers requires a lot of time because many processing steps must be performed. In addition, the current nucleic acid extraction method may cause problems such as a change in removal efficiency depending on the type of sample, a decrease in the amount of extracted nucleic acid, or an increase in experiment time.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제10-2018-0073353호에서는 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분되는 두 용액에 직류 전류를 인가하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 이러한 나노필터를 이용한 핵산 추출 방법은 종래의 방법보다 저전력으로 신속히 핵산을 분리할 수 있으나, 핵산 추출 효율이 2~5% 정도로 높지 않은 문제점이 있다.In order to solve this problem, Korean Patent Publication No. 10-2018-0073353 discloses a device and method for extracting nucleic acids by applying a direct current to two solutions separated by a nanofilter in which nanopores are formed. The nucleic acid extraction method using such a nanofilter can quickly separate nucleic acids with lower power than conventional methods, but has a problem in that the nucleic acid extraction efficiency is not as high as 2 to 5%.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노필터를 이용하여 바이오 분자를 추출함에 있어, 바이오 분자 추출 효율을 높이고, 보다 깨끗한 상태의 바이오 분자를 추출하는 장치 및 방법을 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above problems, and in extracting biomolecules using a nanofilter, providing a device and method for increasing biomolecule extraction efficiency and extracting biomolecules in a cleaner state. is in However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예는 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터; 상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극; 상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및 상기 제2 전극 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막;을 포함한다. An embodiment of the biomolecule extraction device according to the present invention for solving the above problems is disposed between a first solution containing a sample containing biomolecules to be extracted and a second solution containing biomolecules after extraction. and a nanofilter in which nanopores are formed; a first electrode immersed in the first solution; a second electrode immersed in the second solution; AC power electrically connected to the first electrode and the second electrode; and a porous oxide film formed on the surface of the second electrode.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제2 용액을 교환하는 용액 교환수단;을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, a solution exchange means for exchanging the second solution may be further included.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the bio-molecular extraction device according to the present invention, the AC power supply has a frequency at which a voltage equal to or higher than a predetermined ratio among voltages applied through the AC power source is applied to the first solution and the second solution. of alternating current can be applied.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the bio-molecule extraction device according to the present invention, the AC power supply comprises a first interfacial resistance for charge transfer formed between the first solution and the first electrode and the second solution An alternating current having a frequency at which the second interfacial resistance to charge transfer formed in the second electrode can be ignored may be applied.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되는 전압이 상기 나노포어에 인가되는 전압, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극 사이의 계면에 인가되는 전압 및 상기 제2 용액과 상기 제2 전극 사이의 계면에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the AC power supply is such that, among the voltages applied through the AC power supply, the voltage applied to the first solution and the second solution is applied to the nanopores. Voltage, a voltage applied to the interface between the first solution and the first electrode, and an alternating current of a frequency such that a voltage greater than the voltage applied to the interface between the second solution and the second electrode may be applied. there is.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상이고 106 Hz 이하일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the frequency of the AC power source may be greater than or equal to 10 Hz and less than or equal to 10 6 Hz.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the AC power source may apply an AC current having a higher frequency as the concentration of the sample containing the biomolecules increases.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가될 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, an offset voltage may be further applied to the AC power supply.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the first solution may be a sample containing nucleic acid molecules, and the second solution may be distilled water, a buffer solution, or a polymerase chain reaction (PCR) reaction solution.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the sample containing the nucleic acid molecule may be blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, tissue, or cell lysate.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예는 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분된 두 구획에 각각 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액을 위치시키는 단계; 상기 제1 용액에 침지되어 있는 제1 전극과 상기 제2 용액에 침지되어 있고 표면에 다공성 산화막이 형성되어 있는 제2 전극에 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원을 통해 교류 전류를 인가하여, 상기 제1 용액에 포함되어 있는 바이오 분자를 추출하여 상기 제2 전극 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막에 흡착시키는 단계; 상기 제2 용액을 교환하는 단계; 및 상기 제2 전극에 바이어스를 인가하여 상기 다공성 산화막에 흡착되어 있는 바이오 분자를 탈착시키는 단계;를 포함한다.One embodiment of the biomolecule extraction method according to the present invention for solving the above problems is to extract samples containing biomolecules to be extracted in two compartments separated by a nanofilter in which nanopores are formed. positioning a first solution containing a first solution and a second solution to support biomolecules after extraction; An alternating current is applied through an AC power source electrically connected to a first electrode immersed in the first solution and a second electrode immersed in the second solution and having a porous oxide film formed on the surface thereof, extracting bio molecules contained in the solution and adsorbing them to the porous oxide film formed on the surface of the second electrode; exchanging the second solution; and desorbing biomolecules adsorbed on the porous oxide layer by applying a bias to the second electrode.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 다른 실시예는 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분된 두 구획에 각각 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액을 위치시키는 단계; 상기 제1 용액에 침지되어 있는 제1 전극과 상기 제2 용액에 침지되어 있고 표면에 다공성 산화막이 형성되어 있는 제2 전극에 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원을 통해 교류 전류를 인가하여, 상기 제1 용액에 포함되어 있는 바이오 분자를 추출하여 상기 제2 전극 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막에 흡착시키는 단계; 상기 바이오 분자가 흡착되어 있는 제2 전극을 제3 용액에 침지시키는 단계; 및 상기 제2 전극에 바이어스를 인가하여 상기 다공성 산화막에 흡착되어 있는 바이오 분자를 탈착시키는 단계;를 포함한다.Another embodiment of the biomolecule extraction method according to the present invention for solving the above problems is to separate samples containing biomolecules to be extracted in two compartments separated by a nanofilter in which nanopores are formed. positioning a first solution containing a first solution and a second solution to support biomolecules after extraction; An alternating current is applied through an AC power source electrically connected to a first electrode immersed in the first solution and a second electrode immersed in the second solution and having a porous oxide film formed on the surface thereof, extracting bio molecules contained in the solution and adsorbing them to the porous oxide film formed on the surface of the second electrode; immersing the second electrode to which the biomolecule is adsorbed in a third solution; and desorbing biomolecules adsorbed on the porous oxide layer by applying a bias to the second electrode.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가될 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, an offset voltage may be further applied to the AC power supply.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 바이어스는 상기 오프셋 전압과 반대되는 극성일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction device according to the present invention, the bias may have a polarity opposite to the offset voltage.

본 발명에 따르면, 나노필터를 이용하여 바이오 분자를 추출하는 시스템에서, 일정 주파수 이상의 교류 전류와 오프셋 전압을 인가하게 되면 바이오 분자의 추출 효율을 현저히 증가할 수 있게 된다.According to the present invention, in a system for extracting biomolecules using a nanofilter, the extraction efficiency of biomolecules can be remarkably increased by applying an alternating current and an offset voltage of a certain frequency or higher.

또한, 추출된 바이오 분자가 포함된 용액에 침지되어 있는 전극 표면에 다공성 산화막을 형성하여 보다 깨끗한 바이오 분자를 추출할 수 있게 된다.In addition, by forming a porous oxide film on the surface of the electrode immersed in the solution containing the extracted biomolecules, cleaner biomolecules can be extracted.

그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 상기에 기술된 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited by the effects described above.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 추출 장치에 사용되는 나노필터의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 개시된 제조공정으로 제조된 나노필터의 전자주사현미경(SEM)사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 전기화학적 회로(electrochemical circuit)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 바이오 분자 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 8은 박테리아 초기 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 11은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.1 is a diagram schematically showing an embodiment of a biomolecule extraction device according to the present invention.
2 is a diagram schematically illustrating a manufacturing process of a nanofilter used in a biomolecule extraction device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing a scanning electron microscope (SEM) picture of a nanofilter manufactured by the manufacturing process disclosed in FIG. 2 .
4 is a schematic diagram of an electrochemical circuit of the biomolecule extraction device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the result of analyzing the electrochemical circuit shown in FIG. 4 using electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
6 is a view showing the results of analysis using the electrochemical impedance analysis method according to the concentration change of the sample containing biomolecules.
7 is a diagram showing extraction efficiency according to initial DNA concentration.
8 is a diagram showing extraction efficiency according to the initial concentration of bacteria.
9 is a diagram showing extraction efficiency according to the frequency of an applied alternating current.
10 is a flowchart showing an embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.
11 is a flowchart showing another embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity of explanation.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 적층되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자나 부재를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when referring to an element such as a film, region or substrate being located “on”, “stacked” or “coupled” to another element, the one element directly refers to the other element. It can be interpreted that there may be other components that are in contact with, or interposed between, components “on,” “stacked on,” or “coupled to.” On the other hand, when an element is said to be located "directly on," "directly stacked on," or "directly coupled to," another element, it is interpreted that there are no intervening elements. do. A uniform sign indicates a uniform element. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items. In addition, throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this is not only the case where it is “directly connected”, but also the case where it is “electrically connected” with another element or member in between. Including case

본 명세서에서 '제1', '제2' 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.Although terms such as 'first' and 'second' are used in this specification to describe various members, components, regions, layers and/or portions, these members, components, regions, layers and/or portions do not refer to these terms. It is self-evident that it should not be limited by These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described in detail below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.Also, relative terms such as "over" or "above" and "bottom" or "below" may be used herein to describe the relationship of some elements to other elements as illustrated in the figures. Relative terms can be understood as intended to include other orientations of the element in addition to the orientation depicted in the figures. For example, if an element is turned over in the figures, elements that are depicted as being on the face of the other elements will have orientation on the face of the bottom of the other elements. Thus, the term "top" as an example may include both "bottom" and "top" directions, depending on the particular orientation of the figure. If the element is oriented in another direction (rotated 90 degrees relative to the other direction), relative statements used herein may be interpreted accordingly.

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, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending on, for example, manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the inventive concept should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.

본 명세서에서 사용되는 "바이오 분자(biomolecule)"는 생물체에 존재하는 분자 및 이온에 대해 넓은 의미로 사용되는 용어로, 세포 분열, 형태형성 또는 발생과 같은 일반적인 생물학적 과정에 필수적인 분자들이다. 생체분자에는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산과 같은 대형 고분자 뿐만 아니라 1차 대사산물, 2차 대사산물, 천연물과 같은 저분자가 포함되며, 예컨대, 핵산(nucleic acid), 엑소좀(exosome) 등이 있을 수 있다. As used herein, "biomolecule" is a term used in a broad sense for molecules and ions present in living organisms, which are essential molecules for general biological processes such as cell division, morphogenesis or development. Biomolecules include not only large macromolecules such as proteins, carbohydrates, lipids, and nucleic acids, but also small molecules such as primary metabolites, secondary metabolites, and natural products, such as nucleic acids and exosomes. can

본 명세서에서 사용되는 "핵산(nucleic acid)"은 푸린염기 및 피리미딘 염기, 당, 인산으로 이루어진 고분자물질로 발견자 F Miescher는 세포핵에서 발견한 신물질을 뉴클레인(nuclein)이라 하였고 후에 핵에 다량으로 존재하는 산성물질이라는 뜻으로 핵산이란 명칭이 붙었다. 염기, 펜토오스 및 인산으로 구성된 뉴클레오티드가 인산기에 스테르결합으로 중합되어 긴사슬 모양의 분자를 형성하고 있다. 핵산분자에는 5'→ 3' 이라는 방향성(극성; polarity)이 있고 이것은 핵산구조나 기능에 관련된 중요한 특성 중의 하나로 당 부분이 데옥시리보오스인 데옥시리보핵산(DNA), 리보오스인 리보핵산(RNA)으로 대별된다.As used herein, "nucleic acid" is a high molecular substance composed of purine bases and pyrimidine bases, sugar, and phosphoric acid. F Miescher, a discoverer, called nuclein a new substance found in the cell nucleus. The term nucleic acid means an acidic substance that exists as a substance. Nucleotides composed of bases, pentoses, and phosphoric acid are polymerized with steric bonds to phosphate groups to form long-chain molecules. Nucleic acid molecules have a direction (polarity) of 5'→ 3', which is one of the important properties related to the structure and function of nucleic acids. is divided into

본 명세서에서 사용되는 "반도체소자(semiconductor device)"는 반도체를 소재로 하여 만든 회로소자이며 여기에 사용되는 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨아세나이드(GaAs) 등이다. 대부분의 용도에서 열전자소자를 대체해 오고 있다. 이들의 반도체에는 n형/p형/진성(眞性) 등 성질상 구분이 있으며, 그들을 단체(單體)로 또는 몇 개를 서로 접합해서 사용한다. 다이오드나 트랜지스터, 사이리스터 등과 빛이나 방사선을 검출하는 것, 온도를 느끼는 것, 자기장이나 압력에 민감한 것 등 여러 가지 특성의 것이 있는데, 각 방면에서 널리 사용되고 있다.A "semiconductor device" used in this specification is a circuit device made of a semiconductor material, and the semiconductor used here is silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), and the like. In most applications, thermoelectric devices have been replaced. These semiconductors are divided into n-type, p-type, and intrinsic properties, and they are used as a single unit or by bonding several of them to each other. There are diodes, transistors, thyristors, etc., which have various characteristics such as detecting light or radiation, sensing temperature, and being sensitive to magnetic fields or pressure, and are widely used in various fields.

본 명세서에서 사용되는 "웨이퍼(wafer)"는 반도체 직접 회로를 만드는 재료가 되는 얇은 원판으로 실리콘(Si)이나 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 ingot(단결정 기둥)을 적당한 지름으로 얇게 썬 둥근 판을 말한다.As used herein, "wafer" is a thin disc used to make semiconductor integrated circuits, and ingots (single crystal columns) obtained by growing silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) are sliced into appropriate diameters. say round plate.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of a biomolecule extraction device according to the present invention.

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하는 장치로, 전기장 인가에 의해 나노포어를 통해 이동할 수 있는 바이오 분자를 추출할 때 이용될 수 있으며, 특히 핵산 추출에 이용될 수 있다. 이하에서는 바이오 분자가 핵산인 경우에 대해 설명하나, 본 발명에서 바이오 분자가 핵산으로 한정되는 것은 아니다.The biomolecule extraction device 100 according to the present invention is a device for extracting biomolecules by applying an alternating current, and can be used when extracting biomolecules that can move through nanopores by applying an electric field. In particular, nucleic acid extraction can be used for Hereinafter, a case in which the biomolecule is a nucleic acid will be described, but in the present invention, the biomolecule is not limited to a nucleic acid.

핵산의 추출은 생물학적 연구분야에서 필수적인 단계로 DNA 증폭을 위한 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 위해 다량의 정제된 핵산을 필요로 하는데 종래에는 연구인력의 수작업으로 생물학적 물질 또는 핵산을 분리하였으나 상기 방법은 복잡한 과정으로 인해 많은 시간이 소요됨에 따라 고비용이 발생하고 낮은 생산 수율을 나타내는 등 여러 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 생물학적 시료로부터 목적하는 생물학적 물질 또는 핵산을 추출하기 위한 자동화 장치의 제조에 관한 많은 연구가 수행되고 있는데 이러한 점에서 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 종래의 복잡한 과정 및 낮은 생산 수율 등 여러 한계점을 극복한 핵산 추출 장치라 할 수 있다.Extraction of nucleic acids is an essential step in the field of biological research and requires a large amount of purified nucleic acid for polymerase chain reaction (PCR) for DNA amplification. In the past, biological materials or nucleic acids were isolated manually by researchers, but the method As a complicated process takes a lot of time, there are various limitations such as high cost and low production yield. In order to overcome these limitations, many studies have been conducted on the manufacture of automated devices for extracting desired biological substances or nucleic acids from various biological samples. In this respect, the biomolecule extraction device 100 according to the present invention is It can be said to be a nucleic acid extraction device that overcomes various limitations such as process and low production yield.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 제1 용기(110), 제2 용기(120), 나노필터(130), 제1 전극(140), 제2 전극(150), 다공성 산화막(155), 교류 전원(160) 및 용액 교환수단(170)을 구비한다. As shown in FIG. 1, the biomolecule extraction device 100 according to the present invention includes a first container 110, a second container 120, a nanofilter 130, a first electrode 140, and a second electrode. 150, a porous oxide film 155, an AC power source 160, and a solution exchange means 170.

제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 각각 내부에 수용부가 형성되어 있으며, 제1 용기(110)에는 제1 용액(115)이 담지되며, 제2 용기(120)에는 제2 용액(125)이 담지된다. 제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 나노필터(nanofilter, 130)에 의해 구획되며, 나노필터(130)에는 복수의 나노포어(nanopore)가 균일하게 형성되어 있다. 제1 전극(140)은 제1 용기(110)의 수용부에 배치되어 제1 용액(115)에 침지되고, 제2 전극(150)은 제2 용기(120)의 수용부에 배치되어 제2 용액(125)에 침지된다. Each of the first container 110 and the second container 120 has a receiving portion formed therein, the first container 110 contains the first solution 115, and the second container 120 contains the second solution. (125) is supported. The first container 110 and the second container 120 are partitioned by a nanofilter 130, and a plurality of nanopores are uniformly formed in the nanofilter 130. The first electrode 140 is disposed in the accommodating part of the first container 110 and immersed in the first solution 115, and the second electrode 150 is disposed in the accommodating part of the second container 120 to form a second electrode. It is immersed in solution 125.

제1 용액(115)은 핵산 분자를 포함하는 시료를 포함하고, 제2 용액(125)은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액을 포함한다. 이때, 이때 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.The first solution 115 includes a sample containing nucleic acid molecules, and the second solution 125 includes distilled water, a buffer, or a polymerase chain reaction (PCR) reaction solution. In this case, the sample containing the nucleic acid molecule may be blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, tissue, or cell lysate.

제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텔루르(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 각각 단일층이거나 복합층일 수도 있다.The first electrode 140 and the second electrode 150 include aluminum (Al), gold (Au), beryllium (Be), bismuth (Bi), cobalt (Co), hafnium (Hf), indium (In), manganese (Mn), Molybdenum (Mo), Nickel (Ni), Lead (Pb), Palladium (Pd), Platinum (Pt), Rhodium (Rh), Rhenium (Re), Ruthenium (Ru), Tantalum (Ta), Tellurium (Te), titanium (Ti), tungsten (W), zinc (Zn), zirconium (Zr), any one or more of nitrides thereof, and silicides thereof. In addition, each of the first electrode 140 and the second electrode 150 may be a single layer or a multiple layer.

제2 전극(150)의 표면에는 다공성 산화막(155)이 형성된다. 이와 같이 제2 전극(150)의 표면에 다공성 산화막(155)이 형성되면, 제1 용액(115)에 포함된 바이오 분자가 추출될 때 다공성 산화막(155)에 바이오 분자가 흡착된다. 다공성 산화막(155)에 바이오 분자가 흡착된 형태로 추출이 완료되면, 제2 용액(125)을 깨끗한 용액으로 교환한 이후, 다공성 산화막(155)에 흡착된 바이오 분자를 탈착시키면 보다 깨끗한 상태의 바이오 분자를 추출할 수 있다. 제2 용액(125)을 깨끗한 용액으로 교환하기 위해 용액 교환수단(170)을 구비할 수 있다. 용액 교환수단(170)에 의해 제2 용액(125)을 제거한 이후, 깨끗한 용액을 제2 용기(120)에 공급할 수 있다. 이때, 깨끗한 용액은 제2 용액(125)과 동일한 용액일 수도 있고, 다른 용액일 수도 있다. A porous oxide film 155 is formed on the surface of the second electrode 150 . When the porous oxide film 155 is formed on the surface of the second electrode 150 as described above, when the bio molecules included in the first solution 115 are extracted, the bio molecules are adsorbed to the porous oxide film 155 . When the extraction is completed in the form of biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155, the second solution 125 is exchanged with a clean solution, and then the biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 are desorbed to make the biomolecule in a cleaner state. molecules can be extracted. A solution exchange means 170 may be provided to exchange the second solution 125 with a clean solution. After the second solution 125 is removed by the solution exchange unit 170 , a clean solution may be supplied to the second container 120 . At this time, the clean solution may be the same solution as the second solution 125 or may be a different solution.

다른 실시예로, 다공성 산화막(155)에 바이오 분자가 흡착된 형태로 추출이 완료되면, 제2 전극(150)을 깨끗한 용액이 담긴 별도의 용기로 옮긴 후, 다공성 산화막(155)에 흡착된 바이오 분자를 탈착시키면, 보다 깨끗한 상태의 바이오 분자를 추출할 수 있게 된다. In another embodiment, when extraction is completed in the form of biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155, the second electrode 150 is moved to a separate container containing a clean solution, and then the biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 are removed. When molecules are desorbed, biomolecules in a cleaner state can be extracted.

다공성 산화막(155)에 흡착된 바이오 분자는, 흡착된 바이오 분자와 반대 극성을 갖는 바이어스를 제2 전극(150)에 인가하게 되면 손쉽게 탈착할 수 있다. 예컨대, DNA 또는 RNA를 추출하는 경우, DNA 또는 RNA는 음(-)의 극성을 가지므로, 제2 전극(150)에 양(+)의 바이어스를 인가하면 흡착되어 있는 DNA 또는 RNA를 손쉽게 탈착할 수 있다.The biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 can be easily desorbed when a bias having a polarity opposite to that of the adsorbed biomolecules is applied to the second electrode 150 . For example, when DNA or RNA is extracted, since DNA or RNA has a negative (-) polarity, applying a positive (+) bias to the second electrode 150 can easily desorb the adsorbed DNA or RNA. can

교류 전원(160)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어, 바이오 분자 추출 장치(100)에 교류 전류를 인가한다. 그리고 교류 전원(160)은 오프셋 전압(offset voltage)을 더 인가할 수 있다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 3 V일 수 있다. 또한 교류 전원(160)은 제2 전극(150)에 바이어스를 인가하여, 제2 전극(150)의 표면에 형성된 다공성 산화막(155)에 흡착되어 있는 바이오 분자를 탈착할 수 있다.The AC power source 160 is electrically connected to the first electrode 140 and the second electrode 150 to apply an AC current to the biomolecule extraction device 100 . Also, the AC power source 160 may further apply an offset voltage. In this case, the offset voltage may be 0.1 to 5.0 V, preferably 2 to 3 V. In addition, the AC power source 160 may apply a bias to the second electrode 150 to desorb biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 formed on the surface of the second electrode 150 .

이와 같이, 제1 용기(110)에 핵산 분자를 포함하는 시료가 포함된 제1 용액(115)을 담지하고, 제2 용기(120)에 PCR 반응액이 포함된 제2 용액(125)을 담지한 후, 2개의 전극(140, 150)과 전기적으로 연결된 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하면, 전하를 띄고 있는 핵산 분자가 나노필터(130)에 형성되어 있는 나노포어를 통해 이동하게 되는데, 제1 용액(115)에 포함된 여러 생물학적 물질 중 나노크기(nanosize)를 가진 핵산만이 나노포어를 통해 이동할 수 있어, 고순도의 핵산을 별도의 추출 및 정제 장치나 추출 및 정제 과정 없이 신속하고 효율적으로 추출할 수 있고, 추출된 핵산은 바로 연구에 이용할 수 있다.In this way, the first solution 115 containing the sample containing the nucleic acid molecule is supported in the first container 110, and the second solution 125 containing the PCR reaction solution is loaded in the second container 120. After that, when an AC current is applied through the AC power source 160 electrically connected to the two electrodes 140 and 150, the nucleic acid molecules having electric charges move through the nanopores formed in the nanofilter 130. However, only nano-sized nucleic acids among the various biological substances included in the first solution 115 can move through the nanopores, so high-purity nucleic acids can be quickly obtained without a separate extraction and purification device or extraction and purification process. and can be efficiently extracted, and the extracted nucleic acid can be immediately used for research.

복수의 나노포어가 균일하게 형성된 구조를 갖는 나노필터(130)는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 본 발명에서 나노필터(130)의 물질, 제조방법 등은 특별히 한정되지 않는다. 나노필터(130)의 제조공정의 일 예를 도 2에 나타내었다.The nanofilter 130 having a structure in which a plurality of nanopores are uniformly formed can be manufactured in various ways, and in the present invention, the material and manufacturing method of the nanofilter 130 are not particularly limited. An example of a manufacturing process of the nanofilter 130 is shown in FIG. 2 .

도 2에 도시된 제조공정은 일반적인 반도체소자(semiconductor device) 제조공정에 이용되는 일반적인 제조공정으로, 먼저, 반도체의 재료가 되는 웨이퍼(wafer)의 상, 하부 멤브레인에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 질화실리콘(SiN)층을 500nm 정도의 두께로 증착한다. 이후, 상부 질화실리콘층 상에 임프린트 레지스트를 코팅하고, 임프린팅함으로써 패턴을 형성한다. 패턴은 200nm 정도의 간격으로 형성한다. 이때 패턴의 간격이 나노포어의 크기를 결정하게 된다. 그리고 이 패턴을 이용하여 상부 질화실리콘층의 일부를 건식식각(dry etching)한다. 이후, 하부 질화실리콘층에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 하부 질화실리콘층을 노출시킨다. 그리고 하부 질화실리콘층을 건식식각한 이후, 포토레지스트를 제거한다. 이후, 실리콘 웨이퍼를 KOH 수용액을 이용하여 습식식각(wet etching)하여 상부 질화실리콘층의 후면을 노출시킨다. 그리고 상부 질화실리콘층의 후면(backside)을 부분적으로 식각하게 되면 균일한 나노포어를 형성할 수 있게 된다.The manufacturing process shown in FIG. 2 is a general manufacturing process used in a general semiconductor device manufacturing process. First, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) is performed on the upper and lower membranes of a wafer, which is a semiconductor material. A silicon nitride (SiN) layer is deposited to a thickness of about 500 nm by the method. Thereafter, an imprint resist is coated on the upper silicon nitride layer, and a pattern is formed by imprinting. Patterns are formed at intervals of about 200 nm. At this time, the interval of the pattern determines the size of the nanopore. A part of the upper silicon nitride layer is dry etched using this pattern. Thereafter, a photoresist is applied to the lower silicon nitride layer and the lower silicon nitride layer is exposed through a photolithography process. After dry etching the lower silicon nitride layer, the photoresist is removed. Thereafter, the silicon wafer is subjected to wet etching using an aqueous KOH solution to expose the rear surface of the upper silicon nitride layer. In addition, when the backside of the upper silicon nitride layer is partially etched, uniform nanopores can be formed.

도 3은 상기의 방법으로 제조된 나노필터의 주사전자현미경 사진이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기의 방법으로 나노필터를 제조하는 경우, 복수의 나노포어가 균일하게 형성되었음을 알 수 있다. 다만, 상기의 나노필터 제조방법은 복수의 나노포어를 균일하게 형성시키는 일 예에 해당할 뿐, 본 발명을 제한하지 않음은 물론이다. 상기에서 도시하고 설명한 방법 외에 나노포어를 균일하게 형성할 수 있는 다른 방법을 이용하여 나노필터를 제조할 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.3 is a scanning electron micrograph of the nanofilter prepared by the above method. As shown in FIG. 3 , when the nanofilter is manufactured by the above method, it can be seen that a plurality of nanopores are uniformly formed. However, the method for manufacturing the nanofilter is only an example of uniformly forming a plurality of nanopores, and the present invention is not limited thereto. In addition to the method shown and described above, the nanofilter may be manufactured using another method capable of uniformly forming nanopores, and the present invention is not limited thereto.

나노필터(130)의 소재는 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물, 또는 반도체산화물일 수 있다, 상기 반도체는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga)화합물, 실리콘카바이드(SiC), 셀레늄(Se), 질화붕소(BN), 인화붕소(BP), 비소화붕소(BAs)일 수 있다. 상기 금속질화물은 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄나이트라이드(AlN), 탄탈룸나이트라이드(TaN), 인듐나이트라이드(InN), 갈륨나이트라이드(GaN)일 수 있고, 상기 반도체질화물은 실리콘나이트라이드(SiNx)일 수 있다. 상기 금속인화물은 인화알루미늄(AlP), 인화인듐(InP), 인화갈륨(GaP)일 수 있고, 상기 금속 황화물은 몰리브덴디설파이드(MoS)일 수 있으며, 상기 금속비소화물은 갈륨아세나이드(GaAs), 인듐아세나이드(InAs), 알루미늄아세나이드(AlAs) 또는 카드뮴아세나이드(Cd3As2)일 수 있으며, 상기 금속인화물은 코발트포아스파이드(CoP), 인화철(FeP), 니켈포스파이드(NiP), 바나듐포스파이드(VP), 텅스텐포스파이드(WP), 알루미늄포스파이드(AlP), 인듐포스파이드(InP)일 수 있다. 상기 금속산화물은 제1산화구리(Cu2O), 제2산화구리(CuO), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 티타늄옥사이드(TiO2), 하프늄옥사이드(HfO2)일 수 있으며, 상기 반도체산화물은 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 게르마늄옥사이드(GeO2)일 수 있다. The material of the nanofilter 130 may be a semiconductor, metal, metal nitride, semiconductor nitride, metal sulfide, semiconductor sulfide, metal phosphide, semiconductor phosphide, metal arsenide, semiconductor arsenide, metal oxide, or semiconductor oxide. are doped or undoped silicon (Si), germanium (Ge), gallium (Ga) compounds, silicon carbide (SiC), selenium (Se), boron nitride (BN), boron phosphide (BP), boron arsenide (BAs) ) can be. The metal nitride may be titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN), tantalum nitride (TaN), indium nitride (InN), or gallium nitride (GaN), and the semiconductor nitride may be silicon nitride ( SiNx). The metal phosphide may be aluminum phosphide (AlP), indium phosphide (InP), or gallium phosphide (GaP), the metal sulfide may be molybdenum disulfide (MoS), and the metal arsenide may be gallium arsenide (GaAs), It may be indium arsenide (InAs), aluminum arsenide (AlAs) or cadmium arsenide (Cd3As2), and the metal phosphide is cobalt phosphide (CoP), iron phosphide (FeP), nickel phosphide (NiP), vanadium phosphide It may be phosphide (VP), tungsten phosphide (WP), aluminum phosphide (AlP), or indium phosphide (InP). The metal oxide may be copper oxide (Cu2O), copper oxide (CuO) 2, bismuth oxide (Bi2O3), titanium oxide (TiO2), or hafnium oxide (HfO2), and the semiconductor oxide may be silicon oxide (SiO2) Or it may be germanium oxide (GeO2).

나노필터(130)의 두께는 10 nm 내지 5 μm일 수 있으나, 적절히 조절되어 제작될 수 있고 나노포어의 크기도 3 내지 300 nm의 직경으로 시료의 종류와 연구자의 목적에 따라 적절히 조절될 수 있다.The thickness of the nanofilter 130 may be 10 nm to 5 μm, but may be properly adjusted and manufactured, and the size of the nanopore may be appropriately adjusted according to the type of sample and the purpose of the researcher with a diameter of 3 to 300 nm. .

본 발명의 연구자들은 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 바이오 분자를 추출할 때 추출 효율을 높이기 위해 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로(electrochemical circuit) 분석을 실시하였다. 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로를 도 4에 개략적으로 나타내었다.Researchers of the present invention analyzed the electrochemical circuit of the bio-molecule extraction device 100 described above in order to increase the extraction efficiency when extracting bio-molecules using the bio-molecule extraction device 100 described above. The electrochemical circuit of the biomolecule extraction device 100 according to the present invention is schematically shown in FIG. 4 .

본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전류 흐름을 살펴보면, 교류 전원(160)을 통해 인가된 전류가 제1 전극(140), 제1 용액(115), 나노필터(130)의 나노포어, 제2 용액(125), 제2 전극(150) 순으로 흐르게 된다(역순도 가능하다). 2개의 전극(140, 150)은 도체이므로 큰 저항이 없으나, 2개의 용액(115, 125)과 나노필터(130)에는 각각 저항과 정전용량이 병렬이 연결된 회로를 갖게 된다. 그리고 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에는 전하 이동(charge transfer)에 대한 저항과 전기이중층(electrical double layer)에 의해 형성된 정전용량이 병렬로 연결된 회로를 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 병렬로 연결된 저항과 정전용량 5개가 직렬로 연결된 구조를 갖게 된다.Looking at the current flow of the biomolecule extraction device 100 according to the present invention, the current applied through the AC power supply 160 is applied through the nanopores of the first electrode 140, the first solution 115, and the nanofilter 130. , the second solution 125, and the second electrode 150 flow in this order (reverse order is also possible). Since the two electrodes 140 and 150 are conductors, there is no great resistance, but the two solutions 115 and 125 and the nanofilter 130 each have a circuit in which resistance and capacitance are connected in parallel. In addition, the interface between the electrodes 140 and 150 and the solutions 115 and 125 has a circuit in which resistance to charge transfer and capacitance formed by the electrical double layer are connected in parallel. Therefore, the electrochemical circuit of the biomolecule extraction device 100 according to the present invention has a structure in which five resistances and capacitances connected in parallel are connected in series, as shown in FIG. 4 .

도 4에서, 나노필터(130)의 나노포어의 저항과 정전용량은 각각 Rpore(포어저항)와 Cpore(포어정전용량)로 나타내었고, 제1 용액(115)의 저항과 정전용량은 각각 Rs1(제1 용액저항), Cs1(제1 용액정전용량)으로 나타내었으며, 제2 용액(125)의 저항과 정전용량은 각각 Rs2(제2 용액저항), Cs2(제2 용액 정전용량)로 나타내었다. 그리고 제1 전극(140)과 제1 용액(115)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct1(제1 계면저항), Cdl1(제1 계면정전용량)으로 나타내었고, 제2 전극(150)과 제2 용액(125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct2(제2 계면저항), Cdl2(제2 계면정전용량)로 나타내었다.In FIG. 4, the resistance and capacitance of the nanopores of the nanofilter 130 are represented by R pore (pore resistance) and C pore (pore capacitance), respectively, and the resistance and capacitance of the first solution 115 are respectively Represented by R s1 (first solution resistance) and C s1 (first solution capacitance), the resistance and capacitance of the second solution 125 are respectively R s2 (second solution resistance) and C s2 (second solution capacitance). And the resistance to charge transfer at the interface between the first electrode 140 and the first solution 115 and the capacitance formed by the electrical double layer are R ct1 (first interface resistance) and C dl1 (first interface capacitance), respectively. ), and the resistance to charge transfer at the interface between the second electrode 150 and the second solution 125 and the capacitance formed by the electrical double layer are R ct2 (second interface resistance) and C dl2 (second interface resistance), respectively. 2 interfacial capacitance).

바이오 분자 추출 효율을 높이기 위해서는 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 바이오 분자를 포함하는 시료가 포함되어 있는 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 큰 전압이 인가되어야 하고, 나노포어(130)에 인가되는 전압, 제1 용액(115)과 제1 전극(140) 사이의 계면에 인가되는 전압 및 제2 용액(125)과 제2 전극(150) 사이의 계면에 인가되는 전압은 작은 전압이 인가되어야 한다. 즉, 전체 회로의 임피던스 중 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)의 임피던스가 차지하는 비중이 증가할수록 바이오 분자 추출 효율이 증가하게 된다. 그러나 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항인 계면저항(Rct1, Rct2)이 전체 회로의 다른 저항들에 비해 매우 큰 값을 가지므로, 전체 회로에서 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않게 된다. 따라서 전체 회로에서 교류 전원이 아니라 직류 전원을 통해 직류 전류가 인가되면, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않아 바이오 분자 추출 효율이 크지 않게 된다.In order to increase the biomolecule extraction efficiency, a large voltage must be applied to the first solution 115 and/or the second solution 125 containing the sample containing biomolecules among the voltages applied through an AC power supply. The voltage applied to 130, the voltage applied to the interface between the first solution 115 and the first electrode 140, and the voltage applied to the interface between the second solution 125 and the second electrode 150 are A small voltage must be applied. That is, as the proportion of the impedance of the first solution 115 and/or the second solution 125 among the impedances of the entire circuit increases, the biomolecule extraction efficiency increases. However, since the interface resistances (R ct1 , R ct2 ), which are resistances to charge transfer at the interfaces of the electrodes 140 and 150 and the solutions 115 and 125, have a very large value compared to other resistances of the entire circuit, the overall The voltage applied to the first solution 115 and/or the second solution 125 in the circuit is not large. Therefore, when DC current is applied through the DC power supply rather than the AC power supply in the entire circuit, the voltage applied to the first solution 115 and/or the second solution 125 is not high, resulting in low biomolecule extraction efficiency.

그러나 본 발명에서와 같이 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하는 경우, 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전기이중층에 의해 형성된 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스는 인가되는 교류 전류의 주파수(frequency)가 커질수록 작아지는 특성을 보이므로, 교류 전류의 주파수를 소정의 값 이상으로 증가시키면, 계면저항(Rct1, Rct2)을 무시할 수 있을 정도로 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스가 작아지게 할 수 있어, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 회로를 구성할 수 있게 된다. 본 명세서에서 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 의미는 저항과 정전용량이 병렬로 연결되어 있을 때, 정전용량에 의한 임피던스가 저항에 비해 현저히 작아, 전체 임피던스의 값과 정전용량에 의한 임피던스의 값의 차이가 거의 없는 경우를 의미한다.However, when an AC current is applied through the AC power source 160 as in the present invention, the interfacial capacitance (C dl1 , C Since the impedance by dl2 ) tends to decrease as the frequency of the applied AC current increases, if the frequency of the AC current is increased above a predetermined value, the interface resistances (R ct1 , R ct2 ) can be ignored. Impedance due to interfacial capacitances (C dl1 , C dl2 ) can be reduced to such an extent that it is possible to construct a circuit in which the influence of interfacial resistances (R ct1 , R ct2 ) is ignored. In this specification, the meaning of the state in which the influence of interface resistance (R ct1 , R ct2 ) is ignored is that when resistance and capacitance are connected in parallel, the impedance due to the capacitance is significantly smaller than the resistance, and the value of the total impedance and This means that there is almost no difference in the value of impedance due to capacitance.

이와 같이 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시될 정도로 하는 주파수의 교류 전류 전류를 인가하는 경우, 전체 회로에서 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에 인가되는 전압보다 용액(115, 125)에 인가되는 전압이 더 크게 되어, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 존재하는 바이오 분자가 더 큰 전기장을 받아 이동하게 되며, 이는 곧 바이오 분자 추출 효율이 증가하는 결과를 가져오게 된다. 따라서, 교류 전원(160)은 교류 전원(160)을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하여 바이오 분자 추출 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.In this way, when an alternating current current having a frequency such that the influence of the interface resistances (R ct1 , R ct2 ) is negligible is applied, the voltage applied to the interface between the electrodes 140 and 150 and the solutions 115 and 125 in the entire circuit Since the voltage applied to the solutions 115 and 125 is greater than the voltage applied to the solutions 115 and 125, the biomolecules present in the first solution 115 and/or the second solution 125 receive a larger electric field and move, which means that the biomolecules This results in an increase in extraction efficiency. Accordingly, the AC power supply 160 applies an AC current having a frequency such that a voltage equal to or higher than a preset ratio among the voltages applied through the AC power supply 160 is applied to the first solution 115 and the second solution 125, thereby applying bio It is desirable to improve molecular extraction efficiency.

도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 100mM인 경우, 인가되는 교류 전류의 주파수 변화에 따른 전체 회로의 임피던스 값을 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.The result of analyzing the electrochemical circuit shown in FIG. 4 using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is shown in FIG. 5 . 5 is a diagram showing impedance values of the entire circuit according to a change in the frequency of an applied alternating current when the concentration of a sample containing biomolecules is 100 mM. In this case, the offset voltage was 0V.

도 5에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 도 5의 A구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면의 계면저항(Rct1, Rct2)과 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의해 결정되며, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)이 감소하여, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향이 감소하게 되는 것을 알 수 있다. 도 5의 B구간은 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값은 크게 변화하지 않는 구간으로, B구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 크게 좌우된다. 도 5의 C구간은 다시 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가함에 따라 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 구간으로, 용액(115, 125)의 용액정전용량(Cs1, Cs2)에 의한 임피던스 값이 영향을 미치는 구간에 해당한다. As shown in FIG. 5 , it can be seen that the impedance value of the entire circuit decreases as the frequency of the applied AC current increases. The impedance value of the entire circuit in section A of FIG. 5 depends on the interfacial resistances (R ct1 , R ct2 ) and interfacial capacitances (C dl1 , C dl2 ) of the interfaces between the electrodes 140 and 150 and the solutions 115 and 125. It can be seen that as the frequency of the applied alternating current increases, the interfacial capacitance (C dl1 , C dl2 ) decreases, and the effect of the interfacial resistance (R ct1 , R ct2 ) decreases. Section B of FIG. 5 is a section in which the impedance value of the entire circuit does not change significantly even if the frequency of the applied alternating current increases, and the impedance value of the entire circuit in section B is the solution resistance (R s1 , R s2 ). Section C of FIG . 5 is a section in which the impedance value of the entire circuit decreases as the frequency of the re-applied alternating current increases. corresponds to the affected area.

따라서, 바이오 분자의 추출 효율을 높이기 위해서는 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)이나 용액정전용량(Cs1, Cs2)이 전체 회로의 임피던스에 큰 영향을 미치는 도 5의 B구간이나 C구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 필요하다. 다만, 전력소모를 감소시키기 위해서는 도 5의 B구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 더 바람직하다.Therefore, in order to increase the extraction efficiency of biomolecules, the solution resistances (R s1 , R s2 ) or solution capacitances (C s1 , C s2 ) of the solutions 115 and 125 greatly affect the impedance of the entire circuit. It is necessary to apply an alternating current having a frequency corresponding to section B or section C. However, in order to reduce power consumption, it is more preferable to apply an AC current having a frequency corresponding to section B in FIG. 5 .

도 6은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.6 is a view showing the results of analysis using the electrochemical impedance analysis method according to the concentration change of the sample containing biomolecules. In this case, the offset voltage was 0V.

바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화는 전체 회로에서 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에만 영향을 미친다. 즉, 시료의 농도가 증가하게 되면, 용액저항(Rs1, Rs2)만 감소하게 되고, 다른 저항이나 정전용량은 변화하지 않는다. 따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값이 크게 변화하지 않는 구간에서의 임피던스 값은 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 큰 영향을 받으므로, 이 구간에서의 용액저항(Rs1, Rs2)은 시료의 농도가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 바와 같이, 시료의 농도가 증가하여 용액저항(Rs1, Rs2)이 감소하게 되면, 용액(115, 125)에 인가되는 전압을 증가시키기 위해서 보다 큰 주파수를 갖는 교류 전류가 인가해야 됨을 알 수 있다. A change in the concentration of the sample containing biomolecules affects only the solution resistances (R s1 , R s2 ) of the solutions 115 and 125 in the entire circuit. That is, when the concentration of the sample increases, only the solution resistance (R s1 , R s2 ) decreases, and other resistances or capacitances do not change. Therefore, as shown in FIG. 6, even if the frequency of the applied alternating current increases, the impedance value in the section where the impedance value of the entire circuit does not change significantly is most affected by the solution resistances (R s1 , R s2 ). , it can be seen that the solution resistance (R s1 , R s2 ) in this section decreases as the concentration of the sample increases. However, as shown in FIG. 6, when the solution resistance (R s1 , R s2 ) decreases as the concentration of the sample increases, an alternating current having a higher frequency in order to increase the voltage applied to the solutions 115 and 125 It can be seen that current must be applied.

즉, 교류 전원(160)은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가해야 바이오 분자 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도에 따라 변경될 수 있으나, 교류 전원은 10Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 그리고 전력 소모를 감소하기 위해 106Hz 이하의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다.That is, the AC power source 160 should apply an AC current with a higher frequency as the concentration of the sample containing biomolecules increases to increase biomolecule extraction efficiency. Accordingly, it is preferable to apply an AC current having a frequency of 10 Hz or more as the AC power source, although it may be changed according to the concentration of the sample including biomolecules. And it is preferable to apply an alternating current having a frequency of 10 6 Hz or less to reduce power consumption.

상술한 바와 같이, 바이오 분자 추출 효율을 증가시키기 위해서는 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하면, 바이오 분자가 보다 큰 전기장을 받아 이동을 보다 활발히 하게 되나, 오프셋 전압(offset voltage)을 인가하지 않는다면, 바이오 분자의 이동에 방향성이 부여되지 않아, 바이오 분자가 제1 용액(115)과 제2 용액(125) 사이를 계속 왔다갔다 할 수도 있다. 따라서, 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 보다 큰 전압이 인가되도록 하기 위해서, 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것도 필요하지만, 바이오 분자의 이동에 방향성을 부여하여 바이오 분자 추출 효율을 증가시키 위해서는 오프셋 전압을 함께 인가하여야 한다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V를 인가할 수 있다.As described above, in order to increase the biomolecule extraction efficiency, it is preferable to apply an alternating current having a frequency higher than a certain level. When an alternating current having a frequency higher than a certain level is applied, biomolecules receive a larger electric field and move more actively. Molecules may continuously move back and forth between the first solution 115 and the second solution 125 . Therefore, in order to apply a higher voltage to the first solution 115 and the second solution 125, it is necessary to apply an alternating current having a frequency higher than a certain level, but by giving direction to the movement of bio molecules, In order to increase the molecular extraction efficiency, an offset voltage should be applied together. In this case, an offset voltage of 0.1 to 5.0V may be applied.

도 7은 오프셋 전압에 따른 추출효율을 나타낸 도면이다. 각 농도별 그래프 중 가장 왼쪽 그래프는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이고, 각 농도별 그래프 중 가운데 그래프는 교류 전류와 1V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이며, 각 농도별 그래프 중 가장 오른쪽 그래프는 직류 전류를 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이다.7 is a diagram showing extraction efficiency according to offset voltage. Among the graphs for each concentration, the leftmost graph shows the extraction efficiency when AC current and 2V offset voltage are applied, and the middle graph among the graphs for each concentration shows the extraction efficiency when AC current and 1V offset voltage are applied. Among the graphs by concentration, the rightmost graph shows the extraction efficiency when DC current is applied.

도 7을 참조하면, 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 함께 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 오프셋 전압이 1V인 경우보다 2V인 경우가 추출 효율이 유의미하게 더 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 오프셋 전압이 2V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 차이가 크지 않음에 반해, 오프셋 전압이 1V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 편차가 커서, 오프셋 전압이 2V 이상 인가되는 것이 더 바람직하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7 , it can be seen that extraction efficiency is very low when only direct current is applied. In comparison, it can be seen that when the AC current and the offset voltage are applied together, the extraction efficiency is remarkably increased compared to the case where only the DC current is applied. In addition, it can be seen that the extraction efficiency increased significantly more when the offset voltage was 2V than when the offset voltage was 1V. In addition, when the offset voltage is 2V, the difference in extraction efficiency according to the initial DNA concentration is not large, whereas when the offset voltage is 1V, the difference in extraction efficiency according to the initial DNA concentration is large. It can be seen that it is more preferable.

도 8은 E.coli 박테리아 초기 농도별 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 위에 나타낸 그래프는 104Hz 주파수를 갖는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이고, 아래에 나타낸 그래프는 2V 직류 전류를 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이다.8 is a diagram showing extraction efficiency for each initial concentration of E.coli bacteria. At this time, the graph shown above shows the extraction efficiency when an AC current having a frequency of 10 4 Hz and an offset voltage of 2V are applied, and the graph shown below shows the extraction efficiency when a 2V DC current is applied.

도 8을 참조하면, 도 7과 마찬가지로 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가한 것을 알 수 있다. 초기 농도가 어느 수준 이상인 경우, 즉 103(CFU)이하로 매우 작은 경우를 제외하면, 50% 이상의 추출 효율을 나타내 매우 우수한 추출 효율을 나타낸 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8 , as in FIG. 7 , it can be seen that extraction efficiency is very low when only DC current is applied. In contrast, it can be seen that the extraction efficiency significantly increased when AC current and offset voltage were applied compared to when only DC current was applied. When the initial concentration is above a certain level, that is, except for a very small case of 10 3 (CFU) or less, it can be seen that the extraction efficiency is higher than 50% and the extraction efficiency is very good.

도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 E.coli 박테리아 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 오프셋 전압은 2V를 인가하였다.9 is a diagram showing the efficiency of E.coli bacteria extraction according to the frequency of the applied alternating current. At this time, an offset voltage of 2V was applied.

도 9를 참조하면, 1Hz 주파수의 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 낮았으나, 102Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 현저히 증가하였으며, 그 이후에는 더 큰 주파수를 인가하여도 추출 효율이 크게 증가하지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서 전력소모를 줄이기 위해 106Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가할 필요성은 크지 않다.Referring to FIG. 9 , when an AC current having a frequency of 1 Hz was applied, the extraction efficiency was very low, but when an AC current having a frequency of 10 2 Hz or higher was applied, the extraction efficiency significantly increased. It can be seen that the extraction efficiency does not significantly increase even when is applied. Accordingly, it is not necessary to apply an AC current having a frequency of 10 6 Hz or more to reduce power consumption.

상술한 바와 같이, 나노필터(130)를 이용하여 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하면, 추출 효율을 현저히 증가시킬 수 있다. 또한, 추출된 바이오 분자가 포함된 용액에 침지되어 있는 제2 전극 표면에 다공성 산화막을 형성하여 바이오 분자를 흡착시킨 후 깨끗한 용액에 탈착시킴으로써 깨끗한 바이오 분자를 추출할 수 있게 된다.As described above, when biomolecules are extracted by applying alternating current using the nanofilter 130, the extraction efficiency can be remarkably increased. In addition, clean biomolecules can be extracted by forming a porous oxide film on the surface of the second electrode immersed in the solution containing the extracted biomolecules to adsorb the biomolecules and then desorbing them to the clean solution.

이상에서는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치에 대해 도시하고 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 바이오 본자 추출 방법에 대해 설명한다.In the above, the biomolecule extraction device according to the present invention has been illustrated and described. Hereinafter, a method for extracting bio seeds according to the present invention will be described.

도 10은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart showing an embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.

본 실시예에 따른 바이오 분자 추출 방법은 도 1에 도시된 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 설명하나, 이에 한정된 것은 아니며, 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구획되며, 추출될 용액에 침지되엉 있는 전극 표면에 다공성 산화막이 형성되어 있고, 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출할 수 있는 장치라면 다른 장치를 이용할 수 있다.The method for extracting biomolecules according to this embodiment is explained using the biomolecule extraction device 100 shown in FIG. 1, but is not limited thereto, and is partitioned by a nanofilter having nanopores formed therein. Any other device may be used as long as it has a porous oxide film formed on the surface of the immersed electrode and can extract biomolecules by applying an alternating current.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예는 우선, 제1 용기(110)에 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액(115)을 위치시키고, 제2 용기(120)에 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액(125)을 위치시킨다(S210). 예컨대, 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액이다. 그리고 제2 용액은 증류수, 완충액 또는 PCR 반응액이다. 제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 나노포어가 형성되어 있는 나노필터(130)로 구획되며, 나노포어는 3 내지 300nm의 직경을 갖고, 나노필터의 두께는 10nm 내지 5μm일 수 있다. 나노필터(130)의 소재는 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물, 또는 반도체산화물일 수 있다. 나노필터(130)의 구체적인 소재는 상술한 것으로 대체하고 여기서는 생략한다.Referring to FIG. 10 , in an embodiment of the biomolecule extraction method according to the present invention, first, a first solution 115 containing a sample containing biomolecules is placed in a first container 110, and a second container 110 is placed therein. The second solution 125 for supporting the extracted biomolecules is placed in the 120 (S210). For example, the first solution is a sample containing nucleic acid molecules, and the sample containing nucleic acid molecules is blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, tissue, or cell disruption fluid. And the second solution is distilled water, buffer or PCR reaction solution. The first container 110 and the second container 120 are partitioned by a nanofilter 130 in which nanopores are formed, the nanopores may have a diameter of 3 to 300 nm, and the thickness of the nanofilter may be 10 nm to 5 μm. there is. The material of the nanofilter 130 may be a semiconductor, metal, metal nitride, semiconductor nitride, metal sulfide, semiconductor sulfide, metal phosphide, semiconductor phosphide, metal arsenide, semiconductor arsenide, metal oxide, or semiconductor oxide. The specific material of the nanofilter 130 is replaced with the above and omitted here.

다음으로, 제1 용액(115)에 침지되어 있는 제1 전극(140)과 제2 용액(125)에 침지되어 있는 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가함으로써 바이오 분자를 추출하여 제2 전극(150) 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막(155)에 추출된 바이오 분자를 흡착시킨다(S220). Next, the AC power supply 160 electrically connected to the first electrode 140 immersed in the first solution 115 and the second electrode 150 immersed in the second solution 125 AC through the By applying current, biomolecules are extracted and the extracted biomolecules are adsorbed to the porous oxide film 155 formed on the surface of the second electrode 150 (S220).

상술한 바와 같이, 바이오 분자의 추출 효율을 높이기 위해, 교류 전원(160)을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 교류 전원(160)을 통해 인가한다. 이를 위해 교류 전류는 상술한 바와 같이, 제1 용액(115)과 제1 전극(140)에 형성된 전하 이동에 대한 제1 계면저항(Rct1)과 제2 용액(125)과 제2 전극(150)에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항(Rct2)이 무시될 수 있는 주파수 이상의 주파수를 갖는 것이 바람직하다. As described above, in order to increase the extraction efficiency of biomolecules, a voltage of a predetermined ratio or more among the voltages applied through the AC power supply 160 is applied to the first solution 115 and the second solution 125 at a frequency of AC current is applied through the AC power supply 160 . To this end, the alternating current is, as described above, the first interface resistance (R ct1 ) for charge transfer formed between the first solution 115 and the first electrode 140 and the second solution 125 and the second electrode 150 ) It is preferable to have a frequency higher than the frequency at which the second interfacial resistance (R ct2 ) for charge transfer formed in can be ignored.

또한, 교류 전원(160)은 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가한다. 이때 기설정된 효율은 20%일 수 있으며, 바람직하게는 40% 이상, 더욱 바람직하게는 추출 효율이 50% 이상이 되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가한다. 이를 위해 교류 전원(160)은 10 ~ 106Hz의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가한다.In addition, the AC power source 160 applies an AC current having a frequency at which extraction efficiency of biomolecules exceeds a predetermined efficiency. At this time, the preset efficiency may be 20%, preferably 40% or more, more preferably, an alternating current of a frequency such that the extraction efficiency is 50% or more is applied. To this end, the AC power source 160 applies an AC current having a frequency of 10 to 10 6 Hz.

그리고 상술한 바와 같이, 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가할수록 제1 용액(115)의 제1 용액저항(Rs1)이 감소하므로, 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하여야 높은 추출 효율을 획득할 수 있다.And, as described above, as the concentration of the sample containing biomolecules increases, the first solution resistance (R s1 ) of the first solution 115 decreases, so a higher frequency of AC current must be applied to obtain high extraction efficiency can do.

또한, 상술한 바와 같이, 바이오 분자의 이동에 방향성을 부여하기 위해 교류 전원은 오프셋 전압을 인가하는 것이 바람직하며, 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V일 수 있고, 바람직하게는 2 ~ 3V의 오프셋 전압을 인가한다.In addition, as described above, it is preferable to apply an offset voltage to the AC power supply in order to give direction to the movement of biomolecules. In this case, the offset voltage may be 0.1 to 5.0V, preferably 2 to 3V. authorize

다음으로, 용액 교환수단(170)을 이용하여 제2 용액(125)을 제거한 후, 깨끗한 용액으로 교환한다(S230).Next, after removing the second solution 125 using the solution exchange means 170, it is replaced with a clean solution (S230).

다음으로, 제2 전극(150)에 바이어스를 인가하여 다공성 산화막(155)에 흡착되어 있는 바이오 분자를 탈착시킨다(S240). 예컨대, DNA 또는 RNA를 추출하는 경우, DNA 또는 RNA는 음(-)의 극성을 가지므로, 제2 전극(150)에 양(+)의 바이어스를 인가하면 흡착되어 있는 DNA 또는 RNA를 손쉽게 탈착할 수 있다.Next, a bias is applied to the second electrode 150 to desorb biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 (S240). For example, when DNA or RNA is extracted, since DNA or RNA has a negative (-) polarity, applying a positive (+) bias to the second electrode 150 can easily desorb the adsorbed DNA or RNA. can

이와 같은 방법으로 바이오 분자를 추출하게 되면, 보다 깨끗한 상태의 바이오 분자를 손쉽게 추출할 수 있게 된다.When biomolecules are extracted in this way, biomolecules in a cleaner state can be easily extracted.

도 11은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 다른 실시예를 나타낸 흐름도이다.11 is a flowchart showing another embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.

본 실시예에 따른 바이오 분자 추출 방법은 도 1에 도시된 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 설명하나, 이에 한정된 것은 아니며, 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구획되며, 추출될 용액에 침지되엉 있는 전극 표면에 다공성 산화막이 형성되어 있고, 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출할 수 있는 장치라면 다른 장치를 이용할 수 있다.The method for extracting biomolecules according to this embodiment is explained using the biomolecule extraction device 100 shown in FIG. 1, but is not limited thereto, and is partitioned by a nanofilter having nanopores formed therein. Any other device may be used as long as it has a porous oxide film formed on the surface of the immersed electrode and can extract biomolecules by applying an alternating current.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예는 우선, 제1 용기(110)에 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액(115)을 위치시키고, 제2 용기(120)에 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액(125)을 위치시킨다(S310). S310 단계는 S210 단계와 동일하므로 상세한 설명은 S210 단계로 대체하고 생략한다.Referring to FIG. 11, in one embodiment of the biomolecule extraction method according to the present invention, first, a first solution 115 containing a sample containing biomolecules is placed in a first container 110, and a second container 110 is placed. The second solution 125 for supporting the extracted biomolecules is placed in the 120 (S310). Since step S310 is the same as step S210, the detailed description is replaced with step S210 and omitted.

다음으로, 제1 용액(115)에 침지되어 있는 제1 전극(140)과 제2 용액(125)에 침지되어 있는 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가함으로써 바이오 분자를 추출하여 제2 전극(150) 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막(155)에 추출된 바이오 분자를 흡착시킨다(S320). S320 단계는 S220 단계와 동일하므로 상세한 설명은 S220 단계로 대체하고 생략한다.Next, the AC power supply 160 electrically connected to the first electrode 140 immersed in the first solution 115 and the second electrode 150 immersed in the second solution 125 AC through the By applying current, biomolecules are extracted and the extracted biomolecules are adsorbed to the porous oxide film 155 formed on the surface of the second electrode 150 (S320). Since step S320 is the same as step S220, the detailed description is replaced with step S220 and omitted.

다음으로, 바이오 분자가 흡착되어 있는 제2 전극(150)을 깨끗한 제3 용액에 침지시킨다(S330). S330 단계는 별도의 깨끗한 제3 용액을 미리 준비하고, S320 단계가 완료되면, 제2 전극(150)을 별도의 깨끗한 제3 용액에 침지시킨다. Next, the second electrode 150 to which the biomolecules are adsorbed is immersed in a clean third solution (S330). In step S330, a separate clean third solution is prepared in advance, and when step S320 is completed, the second electrode 150 is immersed in the separate clean third solution.

다음으로, 제2 전극(150)에 바이어스를 인가하여 다공성 산화막(155)에 흡착되어 있는 바이오 분자를 탈착시킨다(S340). 예컨대, DNA 또는 RNA를 추출하는 경우, DNA 또는 RNA는 음(-)의 극성을 가지므로, 제2 전극(150)에 양(+)의 바이어스를 인가하면 흡착되어 있는 DNA 또는 RNA를 손쉽게 탈착할 수 있다.Next, a bias is applied to the second electrode 150 to desorb biomolecules adsorbed on the porous oxide film 155 (S340). For example, when DNA or RNA is extracted, since DNA or RNA has a negative (-) polarity, applying a positive (+) bias to the second electrode 150 can easily desorb the adsorbed DNA or RNA. can

이와 같은 방법으로 바이오 분자를 추출하게 되면, 보다 깨끗한 상태의 바이오 분자를 손쉽게 추출할 수 있게 된다.When biomolecules are extracted in this way, biomolecules in a cleaner state can be easily extracted.

이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and conventional techniques in the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Anyone with knowledge can make various modifications, of course, and such changes are within the scope of the claims.

또한, 본 발명의 범위는 상기 발명의 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the description of the invention, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts are interpreted as being included in the scope of the present invention. It should be.

Claims (14)

추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터;
상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극;
상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및
상기 제2 전극 표면에 형성되어 있는 다공성 산화막;을 포함하며,
상기 교류 전원은,
상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가하고,
상기 바이오 분자는, 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산, 엑소좀 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.a nanofilter disposed between a first solution containing a sample containing biomolecules to be extracted and a second solution containing biomolecules after extraction, and having nanopores;
a first electrode immersed in the first solution;
a second electrode immersed in the second solution;
AC power electrically connected to the first electrode and the second electrode; and
It includes; a porous oxide film formed on the surface of the second electrode,
The AC power source,
A frequency at which a first interface resistance for charge transfer formed between the first solution and the first electrode and a second interface resistance for charge transfer formed between the second solution and the second electrode can be ignored apply an alternating current,
The biomolecule extracting device characterized in that it comprises at least one selected from proteins, carbohydrates, lipids, nucleic acids, exosomes. 제1항에 있어서,
상기 제2 용액을 교환하는 용액 교환수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1,
The biomolecule extraction device further comprising a solution exchange means for exchanging the second solution. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전원은,
상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
The AC power source,
The biomolecular extraction device characterized in that for applying an alternating current of a frequency such that a voltage equal to or greater than a predetermined ratio among the voltages applied through the alternating current power supply is applied to the first solution and the second solution. 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전원은,
상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되는 전압이 상기 나노포어에 인가되는 전압, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극 사이의 계면에 인가되는 전압 및 상기 제2 용액과 상기 제2 전극 사이의 계면에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
The AC power source,
Among the voltages applied through the AC power supply, the voltage applied to the first solution and the second solution is the voltage applied to the nanopore, the voltage applied to the interface between the first solution and the first electrode, and the voltage applied to the first electrode. 2. The biomolecule extraction device characterized in that an alternating current having a frequency such that a voltage higher than the voltage applied to the interface between the solution and the second electrode is applied. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상이고 106 Hz 이하인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
Biomolecular extraction device, characterized in that the frequency of the AC power is 10 Hz or more and 10 6 Hz or less. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전원은,
상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
The AC power source,
A biomolecule extraction device characterized in that an alternating current of a higher frequency is applied as the concentration of the sample containing the biomolecules increases. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
Biomolecular extraction device, characterized in that the AC power source is further applied with an offset voltage. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고,
상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 1 or 2,
The first solution is a sample containing nucleic acid molecules,
The second solution is distilled water, a buffer solution, or a polymerase chain reaction (PCR) reaction solution, characterized in that the biomolecule extraction device. 제9항에 있어서,
상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.According to claim 9,
The biomolecular extraction device, characterized in that the sample containing the nucleic acid molecule is blood, serum, plasma, urine, sweat, tears, tissue or cell lysate. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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