KR102556347B1 - 수소 이온 농도 변화에 강인하고 이온 농도 분극을 이용하여 샘플을 농축 및 검출하는 측방 유동 분석 스트립 - Google Patents

수소 이온 농도 변화에 강인하고 이온 농도 분극을 이용하여 샘플을 농축 및 검출하는 측방 유동 분석 스트립 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은 이온 교환막에 연결된 높이 조절부를 통해 원하는 위치와 폭을 갖는 이온 농도 분극 배리어를 형성 또는 제거하는 방식을 이용하여 공간적 분리와 경로 연결을 제어하여, 수소 이온 농도 변화에 강인하면서 샘플을 고농도로 농축할 수 있는 샘플 농축 및 검출 장치를 제공한다.

Description

수소 이온 농도 변화에 강인하고 이온 농도 분극을 이용하여 샘플을 농축 및 검출하는 측방 유동 분석 스트립 {LATERAL FLOW ASSAY THAT IS PH STABLE AND CONCENTRATES AND DETECT SAMPLES USING IONIC CONCENTRATION POLARIZATION}
본 발명이 속하는 기술 분야는 이온 농도 분극을 이용하는 샘플 농축 및 검출 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
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.
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.
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.
한국공개특허 제10-2018-0056342호 (2018.05.28)
본 발명의 실시예들은 이온 교환막에 연결된 높이 조절부를 통해 원하는 위치와 폭을 갖는 이온 농도 분극 배리어를 형성 또는 제거하는 방식을 이용하여 공간적 분리와 경로 연결을 제어하여, 수소 이온 농도 변화에 강인하면서 샘플을 고농도로 농축하는데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 샘플 농축 및 검출 방법에 있어서, 테스트 영역에 버퍼 용액을 주입하는 준비 단계; 샘플 영역에 분석물이 포함된 샘플 용액을 주입하고 상기 테스트 영역에서 상기 분석물을 농축하는 농축 단계; 및 상기 농축된 분석물이 상기 테스트 영역에서 포획자와 반응하는 반응 단계를 포함하는 샘플 농축 및 검출 방법을 제공한다.
상기 준비 단계는, 높이 조절부에 연결된 이온 교환막에 전계를 인가하는 단계; 상기 테스트 영역과 상기 높이 조절부가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성하는 단계; 및 상기 이온 농도 분극 배리어를 통해 상기 테스트 영역으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 농축 단계는, 상기 샘플 용액이 상기 비습윤 영역을 통과하여 상기 비습윤 영역이 습윤 영역으로 전환되고, 상기 이온 농도 분극 배리어 근처에서 상기 분석물이 농축되고, 상기 버퍼 용액으로 인하여 상기 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 반응 단계는, 상기 이온 교환막에 인가된 전계를 해제하여 상기 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 상기 농축된 분석물을 상기 포획자의 위치로 이동시킬 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 샘플 농축 및 검출 장치에 있어서, 지지대; 상기 지지대에 연결되어 분석물을 포함하는 샘플 용액을 수용하는 샘플 영역; 상기 지지대에 연결되어 상기 샘플 용액에 포함된 분석물을 포획하는 포획자를 포함하는 테스트 영역; 상기 테스트 영역에 이격하여 부착된 제1 높이 조절부 및 제2 높이 조절부; 상기 제1 높이 조절부에 부착된 제1 이온 교환막; 및 상기 제2 높이 조절부에 부착된 제2 이온 교환막을 포함하는 샘플 농축 및 검출 장치를 제공한다.
상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막에 전계가 인가되어 상기 테스트 영역과 상기 제1 높이 조절부가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성할 수 있다.
상기 이온 농도 분극 배리어를 통해 상기 테스트 영역으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성할 수 있다.
상기 테스트 영역에 버퍼 용액이 수용되어 상기 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화할 수 있다.
상기 버퍼 용액의 용량을 조절하여 상기 비습윤 영역의 폭을 조절할 수 있다.
상기 전계를 해제하여 상기 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 상기 농축된 분석물을 상기 포획자의 위치로 이동시킬 수 있다.
상기 제1 높이 조절부는 높이를 조절하여 전계에 따른 상기 이온 농도 분극 배리어의 폭을 조절할 수 있다.
상기 제1 높이 조절부는 높이를 조절하여 상기 이온 농도 분극 배리어의 유지력을 조절하고 상기 유지력에 따른 농축 한계치를 조절할 수 있다.
상기 제1 높이 조절부 및 상기 제2 높이 조절부는 복수의 멤브레인이 적층된 구조로 형성되어 높이를 조절할 수 있다.
상기 샘플 농축 및 검출 장치는, 상기 테스트 영역에 연결되며, 상기 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함하는 복합 영역을 포함할 수 있다.
상기 테스트 영역은, (i) 상기 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함하는 검출 영역, (ii) 상기 복합체를 형성하지 못한 상기 결합체 또는 상기 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함하는 대조 영역, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 샘플 농축 및 검출 장치는, 상기 테스트 영역에 연결되어, 모세관 현상에 의해 상기 샘플 용액을 이동시키는 흡수 영역을 포함할 수 있다.
상기 샘플 농축 및 검출 장치는, 상기 샘플 영역과 상기 테스트 영역에 연결되며 접속 또는 분리 방식으로 스위칭을 수행하여 상기 버퍼 용액 또는 상기 샘플 용액의 흐름을 제어하는 브릿지를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 이온 교환막에 연결된 높이 조절부를 통해 원하는 위치와 폭을 갖는 이온 농도 분극 배리어를 형성 또는 제거하는 방식을 이용하여 공간적 분리와 경로 연결을 제어하여, 수소 이온 농도 변화에 강인하면서 샘플을 고농도로 농축할 수 있는 효과가 있다.
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.
도 1은 ICP로 인한 pH 변화로 인한 위양성(false positive)을 예시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치를 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 브릿지를 예시한 도면이다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 방법을 예시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 방법의 준비 단계를 생략할 때 검출 결과를 예시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 적층 구조의 높이 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
도 16 내지 도 21는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 pH 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 성능을 예시한 도면이다.
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.
도 1은 ICP로 인한 pH 변화로 인한 위양성(false positive)을 예시한 도면이다.
이온 농도 분극(Ion Concentration Polarization, ICP)을 이용하는 이온 교환막(IEM)을 적용한 농축 키트는 이온 교환막의 이온 흡수로 인하여 분석물의 이동 지점마다 수소 이온 농도(pH)의 변화가 발생한다. 예컨대, 양이온 교환막을 부착할 경우, 수소 이온을 흡수하는 양이온 교환막의 하단에서 강한 산성이 나타나고, 분석물이 이동하여 양이온 교환막의 뒤쪽에서 산성을 나타낸다. 즉, 분석물이 이온 교환막의 하단을 통과하기 전과 통과한 후에 수소 이온 농도의 차이가 발생한다. pH의 변화는 검출 장치에서 검출 성능, 위양성 등의 오차를 발생시킨다. 예컨대, pH 작아져서 위양성(false positive)이 발생하게 된다.
본 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치는 테스트 영역에 부착된 높이 조절부에 연결된 이온 교환막을 포함하는 구조로 구현될 수 있고, 측방 유동 분석 스트립 구조로 제품화될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치를 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 브릿지를 예시한 도면이다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는 지지대(100), 샘플 영역(200), 테스트 영역(300), 제1 높이 조절부(410), 제2 높이 조절부(420), 제1 이온 교환막(510), 제2 이온 교환막(520)을 포함한다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 샘플 영역(200)과 테스트 영역(300)에 연결되며, 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함하는 복합 영역(250)을 포함할 수 있다. 탐지자는 샘플 내의 분석물과 결합한다. 표시자는 육안 또는 센서를 이용하여 감지할 수 있도록 신호를 발생시키는 물질이다. 표시자는 발색 물질일 수 있으며, 예컨대, 금 나노 파티클일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 테스트 영역(300)에 연결되어, 모세관 현상에 의해 샘플 용액을 이동시키는 흡수 영역(600)을 포함할 수 있다.
샘플 영역(200)은 지지대(100)에 연결되어 분석물을 포함하는 샘플 용액을 수용한다.
테스트 영역(300)은 지지대(100)에 연결되어 샘플 용액에 포함된 분석물을 포획하는 포획자를 포함한다.
테스트 영역(300)은, (i) 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함하는 검출 영역, (ii) 복합체를 형성하지 못한 상기 결합체 또는 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함하는 대조 영역, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 샘플 내에 분석물이 존재하는지 여부를 표시하고, 샘플이 이동하는지 여부를 표시한다. 대조 영역은 분석물의 존재 유무에 관계없이 샘플이 이동했는지 여부를 확인한다.
복합 영역(250)에서는 표시자-탐지자 결합체가 위치하고, 분석물이 복합 영역를 통과하면서 표시자-탐지자-분석물 복합체를 형성한다. 이동한 표시자-탐지자-분석물 복합체는 검출 영역에서 제1 포획자에 의해 포획된다.
복합 영역(250)에서 복합체를 형성하거나 테스트 영역(300)에서 포획하는 반응은 물리적 반응, 화학적 반응, 생물학적 반응, 또는 이들의 조합에 의해 형성될 수 있다. 예컨대, 항원-항체 반응일 수 있다.
측방 유동 분석은 항체-항원 반응에 국한되지 않는 것으로, 본 명세서에서 언급되는 결합부위(리간드)는 다양한 분석물에 있어서 단백질 리간드 (Ligand), 핵산(DNA 또는 RNA) 분자 서열의 결합 부위 등을 포함하고, 특이적 결합물질은 결합부위에 선택적, 특이적으로 결합할 수 있는 단백질, 바이러스 파아지, 핵산분자 앱타머(Aptamer), 합텐(Hapten, DNP) 등을 포함하는 생체분자를 모두 포함하는 것으로, 나아가 기재 사항에 제한되는 것은 아니다.
제1 높이 조절부(410) 및 제2 높이 조절부(420)는 테스트 영역(300)에 이격하여 부착된다.
제1 이온 교환막(510)은 제1 높이 조절부(410)에 부착된다.
제2 이온 교환막(520)은 제2 높이 조절부(420)에 부착된다.
제1 이온 교환막(510) 및 제2 이온 교환막(520)에 전계가 인가되어 테스트 영역(300)과 제1 높이 조절부(410)가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성할 수 있다.
샘플 영역(200), 복합 영역(250), 테스트 영역(300), 복합 영역(250)을 거쳐 샘플 용액이 흐를 수 있다. 일종의 채널 경로를 형성한다. 샘플 영역(200), 복합 영역(250), 테스트 영역(300), 복합 영역(250)가 형성하는 채널은 다공성 재료로 형성될 수 있다. 다공성 재료는 측방 유동에 사용될 수 있는 셀룰로스(Cellulose), 나이트로셀룰로스(Nitrocellulose), 폴리에테르설폰, 폴리비닐리딘, 플루오라이드, 나일론, 및 폴리테트라플루오로에틸렌 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 다공성 재료는 단독 또는 다른 물질과 조합하여 사용될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
일정 시간이 지나면 물질은 채널에서 이동하고, 물질은 이온 교환막이 부착된 채널 영역의 중간에서 이동 속도가 O에 가깝게 된다.
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.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 이온 농도 분극 배리어를 통해 테스트 영역(300)으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성할 수 있다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 테스트 영역(300)에 버퍼 용액이 수용되어 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화할 수 있다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 버퍼 용액의 용량을 조절하여 비습윤 영역의 폭을 조절할 수 있다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 전계를 해제하여 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 농축된 분석물을 포획자의 위치로 이동시킬 수 있다.
제1 높이 조절부(410)는 높이를 조절하여 전계에 따른 이온 농도 분극 배리어의 폭을 조절할 수 있다.
제1 높이 조절부(410)는 높이를 조절하여 이온 농도 분극 배리어의 유지력을 조절하고 유지력에 따른 농축 한계치를 조절할 수 있다.
제1 높이 조절부(410) 및 제2 높이 조절부(420)는 복수의 멤브레인이 적층된 구조로 형성되어 높이를 조절할 수 있다.
샘플 농축 및 검출 장치(10)는, 샘플 영역(200)과 테스트 영역(300)에 연결되며 접속 또는 분리 방식으로 스위칭을 수행하여 버퍼 용액 또는 샘플 용액의 흐름을 제어하는 브릿지를 포함할 수 있다. 제1 채널이 샘플 영역(200)에 연결되고, 제2 채널이 테스트 영역(300)에 연결되고, 브릿지는 제1 채널과 제2 채널 사이에 선택적으로 연결되는 구조를 갖는다. 도 4에 도시된 브릿지는 예시일 뿐이며, 다른 형상 구조로 구현될 수 있다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 방법을 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 샘플 농축 및 검출 방법은 테스트 영역에 버퍼 용액을 주입하는 준비 단계(S10), 샘플 영역에 분석물이 포함된 샘플 용액을 주입하고 테스트 영역에서 분석물을 농축하는 농축 단계(S20), 및 농축된 분석물이 테스트 영역에서 포획자와 반응하는 반응 단계(S30)를 포함한다.
도 6, 도 7, 도 8을 참조하면, 준비 단계(S10)는, 높이 조절부에 연결된 이온 교환막에 전계를 인가하는 단계(S11), 테스트 영역과 높이 조절부가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성하는 단계(S12), 및 이온 농도 분극 배리어를 통해 테스트 영역으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성하는 단계(S13)를 포함할 수 있다.
도 9, 도 10을 참조하면, 농축 단계(S20)는, 샘플 용액이 비습윤 영역을 통과하여 비습윤 영역이 습윤 영역으로 전환되고, 이온 농도 분극 배리어 근처에서 분석물이 농축되고, 버퍼 용액으로 인하여 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화할 수 있다.
도 11, 도 12를 참조하면, 반응 단계(S30)는, 이온 교환막에 인가된 전계를 해제하여 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 농축된 분석물을 포획자의 위치로 이동시킬 수 있다.
도 12에서 도시된 실험은 Pre-depletion sample: 1X PBS, 30 ul, Pre-depletion time: 3 min, Pre-depletion voltage: 5 V, Depletion sample: hCG, 1X PBS, 140 ul, Depletion time: 3 min, Depletion voltage: 5 V, Reaction time: 10 min 조건에서 진행되었다. 도 12에 도시된 바와 같이 ICP를 통해 Depletion 단계에서 고농축으로 농축 및 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 방법의 준비 단계를 생략할 때 검출 결과를 예시한 도면이다.
준비 단계를 생략한다는 것은 직접 샘플 버퍼를 주입하는 것으로, 시간적 분리와 시간적 분리를 수행하지 않음을 의미한다. 공간적 분리는 비습윤 영역을 통해 가능하다. 분리된 공간 영역에 버퍼 용액을 먼저 주입하고, 다른 공간 영역에 샘플 용액을 나중에 주입하는 방식을 통해 시간적 분리를 수행한다.
샘플 농축 및 검출 방법은 이온 교환막에 연결된 높이 조절부를 통해 원하는 위치와 폭을 갖는 이온 농도 분극 배리어를 형성 또는 제거하는 방식을 이용하여 공간적 분리와 경로 연결을 제어할 수 있다. 결국 수소 이온 농도 변화에 강인하면서 샘플을 고농도로 농축할 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 적층 구조의 높이 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
적층 구조로 형성된 높이 조절부는 높이와 전계 간의 관계식을 통해 적절한 이온 농도 분극 배리어를 형성한다. 설정된 전압을 기준으로 높이를 높혀서 이온 농도 분극 배리어의 폭을 줄일 수 있다.
이온 농도 분극으로 인하여 분석물이 테스트 영역에 흡수될 수 있으므로, 공간적 거리를 두어 이온 농도 분극 배리어의 폭을 제어하는 방식을 통해, 이온 농도 분극 배리어의 경계가 검출 영역 또는 대조 영역의 경계와 중복되지 않도록 조절한다.
도 16 내지 도 21는 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 pH 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 ICP에 따른 수소 이온의 이동을 나타내고, 도 17 및 도 18을 참조하면 샘플 농축 및 검출 장치의 테스트 영역에서 수소 이온 농도를 확인할 수 있다. 제1 높이 조절부의 하단을 통과하기 전의 위치(A)와 제1 높이 조절부의 하단을 통과하기 후의 위치(B)에서 pH가 유지됨을 확인할 수 있다. 도 19를 참조하면 위양성이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
샘플 농축 및 검출 장치는 준비 단계에서 공간적 시간적 분리를 통해 분석물의 수소 이온 농도(pH)를 기 설정된 범위 내로 조절한다. 예컨대, 염기성의 버퍼 용액을 활용하여 pH의 변화를 줄일 수 있다. 버퍼 용액으로는 PBS(Phosphate-buffered saline), borate 등을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 예컨대, Pre-depletion buffer: 1X PBS (pH 7.4), Pre-depletion buffer: 100 mM Borate buffer + 1X PBS (1:1, pH 8.6) 등을 적용할 수 있다.
도 20 및 도 21을 참조하면 다른 버퍼 용액을 사용한 실험에서도 제1 높이 조절부의 하단을 통과하기 전의 위치(A)와 제1 높이 조절부의 하단을 통과하기 후의 위치(B)에서 pH가 유지됨을 확인할 수 있고, 위양성이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
도 22 및 도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 및 검출 장치의 성능을 예시한 도면이다.
도 22 및 도 23에 도시된 실험 결과는 hCG 1 ng/ml, 1X PBS, Pre-depletion 30 ul, Depletion 140 ul, 5 V, 8 stacked NC membrane, Pre-depletion 3 min, Depletion 3 min, Reaction 10 min 조건에서 실험 진행되었다.
준비 단계에서 버퍼 용액으로 샘플 용액을 테스트 영역에 주입할 수도 있다.
기존 대비 10배 정도 농축률을 향상시킴을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따르면 이온 교환막에 연결된 높이 조절부를 통해 원하는 위치와 폭을 갖는 이온 농도 분극 배리어를 형성 또는 제거하는 방식을 이용하여 공간적 분리와 경로 연결을 제어하여, 수소 이온 농도 변화에 강인하면서 샘플을 고농도로 농축할 수 있다.
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.
10: 샘플 농축 및 검출 장치 100: 지지대
200: 샘플 영역 300: 테스트 영역
410: 제1 높이 조절부 420: 제2 높이 조절부
510: 제1 이온 교환막 520: 제2 이온 교환막

Claims (17)

  1. 샘플 농축 및 검출 방법에 있어서,
    테스트 영역에 버퍼 용액을 주입하는 준비 단계;
    샘플 영역에 분석물이 포함된 샘플 용액을 주입하고 상기 테스트 영역에서 상기 분석물을 농축하는 농축 단계; 및
    상기 농축된 분석물이 상기 테스트 영역에서 포획자와 반응하는 반응 단계를 포함하고,
    상기 준비 단계는,
    상기 테스트 영역에 서로 이격하여 부착된 제1 높이 조절부 및 제2 높이 조절부에 각각 부착된 제1 이온 교환막 및 제2 이온 교환막에 전계를 인가하는 단계-여기서, 상기 제1 높이 조절부 및 상기 제2 높이 조절부는 이온 교환막이 아닌 재질의 복수의 멤브레인이 적층된 구조로 형성되어 높이를 조절함-;
    상기 테스트 영역과 상기 제1 높이 조절부가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성하는 단계; 및
    상기 이온 농도 분극 배리어를 통해 상기 테스트 영역으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 농축 단계는,
    상기 샘플 용액이 상기 비습윤 영역을 통과하여 상기 비습윤 영역이 습윤 영역으로 전환되고, 상기 이온 농도 분극 배리어 근처에서 상기 분석물이 농축되고, 상기 버퍼 용액으로 인하여 상기 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응 단계는,
    상기 이온 교환막에 인가된 전계를 해제하여 상기 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 상기 농축된 분석물을 상기 포획자의 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 방법.
  5. 샘플 농축 및 검출 장치에 있어서,
    지지대;
    상기 지지대에 연결되어 분석물을 포함하는 샘플 용액을 수용하는 샘플 영역;
    상기 지지대에 연결되어 상기 샘플 용액에 포함된 분석물을 포획하는 포획자를 포함하는 테스트 영역;
    상기 테스트 영역에 서로 이격하여 부착된 제1 높이 조절부 및 제2 높이 조절부-여기서, 상기 제1 높이 조절부 및 상기 제2 높이 조절부는 이온 교환막이 아닌 재질의 복수의 멤브레인이 적층된 구조로 형성되어 높이를 조절함-;
    상기 제1 높이 조절부에 부착된 제1 이온 교환막; 및
    상기 제2 높이 조절부에 부착된 제2 이온 교환막을 포함하고,
    상기 제1 이온 교환막 및 상기 제2 이온 교환막에 전계가 인가되어 상기 테스트 영역과 상기 제1 높이 조절부가 접하는 영역 근처에 이온 농도 분극 배리어를 형성하고,
    상기 이온 농도 분극 배리어를 통해 상기 테스트 영역으로부터 구분되는 비습윤 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 테스트 영역에 버퍼 용액이 수용되어 상기 농축되는 분석물에 대한 수소 이온 농도의 변화를 최소화하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 버퍼 용액의 용량을 조절하여 상기 비습윤 영역의 폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 전계를 해제하여 상기 이온 농도 분극 배리어를 제거하고, 상기 농축된 분석물을 상기 포획자의 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제1 높이 조절부는 높이를 조절하여 전계에 따른 상기 이온 농도 분극 배리어의 폭을 조절하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제1 높이 조절부는 높이를 조절하여 상기 이온 농도 분극 배리어의 유지력을 조절하고 상기 유지력에 따른 농축 한계치를 조절하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  13. 삭제
  14. 제5항에 있어서,
    상기 테스트 영역에 연결되며, 상기 분석물과 결합하여 복합체를 형성하는 탐지자 및 표시자를 결합시킨 결합체를 포함하는 복합 영역을 추가로 포함하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 테스트 영역은, (i) 상기 복합체를 포획하는 제1 포획자를 포함하는 검출 영역, (ii) 상기 복합체를 형성하지 못한 상기 결합체 또는 상기 탐지자를 포획하는 제2 포획자를 포함하는 대조 영역, 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  16. 제5항에 있어서,
    상기 테스트 영역에 연결되어, 모세관 현상에 의해 상기 샘플 용액을 이동시키는 흡수 영역을 추가로 포함하는 샘플 농축 및 검출 장치.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 샘플 영역과 상기 테스트 영역에 연결되며 접속 또는 분리 방식으로 스위칭을 수행하여 상기 버퍼 용액 또는 상기 샘플 용액의 흐름을 제어하는 브릿지를 추가로 포함하는 샘플 농축 및 검출 장치.
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