KR102589481B1 - 조립형 세포 측정 기구 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 홀더가 조립되어 스크린 프린트 전극을 고정시키고, 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부를 노출시켜, 상기 세포가 배치된 반응부로 배양액의 주입이 가능하고, 배양된 세포의 상태를 측정하기 위한 환경을 제공하며, 홀더를 이용하여 배양액의 누출과 오염을 방지하는 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구를 개시한다.

Description

조립형 세포 측정 기구{CELL MEASURING INSTRUMENT ASSEMBLED}
본 발명은 조립형 세포 측정 기구로서, 더욱 상세하게는 심장세포가 배치되는 스크린 프린트 전극과 결합되고, 스크린 프린트 전극의 신호를 전기화학 임피던스 장비에게 제공하는 조립형 세포 측정 기구에 관한 것이다.
전기화학 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)은 높은 주파수에서 낮은 주파수로 스캔하는 방식을 제공하고, 시료에 차례대로 사인 웨이브(sine wave) 파형을 인가하며, 시료를 거쳐 나오는 응답의 사인 웨이브에 따른 진폭과 위상의 변화를 측정하여 임피던스를 분석하는 방법이다.
전기화학 임피던스 분광법은 전기화학 나이키스트 분석(nyquist plot)을 통해 시료의 등가회로 또는 각 파라미터를 추출할 수 있고, 임피던스 그래프를 해석할 수 있으며, 그 외 전기화학적 반응에서의 변화를 추측할 수 있다. 전기화학 나이키스트 분석은 하나의 주파수에 한 개의 좌표가 그려지도록 복소수의 형태로 표현한 그래프를 의미한다.
종래에는 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 배터리의 전기화학적 현상을 분석하였으나, 전기화학 임피던스 분광법을 통하여 세포들의 이동, 상태, 반응 및 이상유무 등 세포 상태를 측정하기 어려운 문제점이 있다.
더욱 상세하게는 종래에는 세포마다 고유의 특성이 다르고 각 특성마다 반응하는 고유의 주파수가 다르며, 주파수 스캔방식으로만 세포 고유의 임피던스와 위상의 변화를 찾아내기 어려운 문제점이 있다.
스크린 프린트 전극(screen printed electrode)은 바이오 분야에서 사용되고 있고, 대표적으로 선행기술로 기재된 특허문헌과 같이 혈당을 측정하기 위해 사용된다. 스크린 프린트 전극의 일단은 측정장치와 연결되고, 타측은 시료와 접촉하기 위해 노출된다.
그러나 종래에는 심장세포를 배양하기 위한 배양액이 존재하고, 스크린 프린트 전극에 배양액이 오염 또는 누출될 수 있으므로, 스크린 프린트 전극을 이용하여 심장세포의 상태를 관찰하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하고 스크린 프린트 전극을 사용하기 위하여 본 발명은 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부를 노출시키고, 반응 노출용 홀더를 통하여 배양액을 주입하여 배양액의 오염 또는 누출 가능성을 감소시킬 수 있다.
한국등록특허 제10-1352665호
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 복수의 홀더가 조립되어 스크린 프린트 전극을 고정시키고, 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부를 노출시키는 조립형 세포 측정 기구를 제공한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 실시예에 따른 조립형 세포 측정 기구는, 복수의 홀더(230, 240, 250)가 조립되어 스크린 프린트 전극(100)을 고정시키고, 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부(120)를 노출시켜, 상기 세포가 배치된 반응부로 배양액의 주입이 가능하고, 배양된 세포의 상태를 측정하기 위한 환경을 제공하며, 홀더를 이용하여 배양액의 누출과 오염을 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 조립형 세포 측정 기구는, 상기 스크린 프린트 전극의 전극부(130)와의 연결을 제공하는 전극용 포그핀(211); 전기화학 임피던스 장비(300)와의 연결을 제공하는 장비연결용 포그핀(212); 상기 전극용 포그핀과 장비연결용 포그핀의 전기적 연결을 제공하는 기판(220); 상기 기판을 고정시키는 전극용 홀더(240); 상기 전극용 홀더와 결합되어 기판과 전극용 포그핀을 감싸는 베이스 홀더(230); 상기 전극용 홀더의 일측에 형성되고, 베이스 홀더와 결합되며, 스크린 프린트 전극의 반응부의 노출을 제공하는 반응 노출용 홀더(250); 상기 전극용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위한 제1 잠금나사(213) 및 상기 반응 노출용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위한 제2 잠금나사(214)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 전극용 홀더와 베이스 홀더의 사이에 형성되고, 제1 잠금나사의 조임과 풀림에 의해 탄성변화가 발생하는 탄성수단(260)을 더 포함하고, 상기 제1 잠금나사는 전극용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위해 일부 조여지고, 슬라이딩 방식으로 스크린 프린트 전극이 삽입되어 전극용 포그핀과 연결되면 완전히 조여지며, 상기 탄성수단은 스크린 프린트 전극이 삽입될 때 슬라이딩 공간을 제공하고, 전극용 포그핀과 스크린 프린트 전극의 전극부(130)가 접촉될 때 서로 간의 손상을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 장비연결용 포그핀은 일단이 기판과 결합되고, 타단이 전극용 홀더에 형성된 홀을 관통하여 외부로 돌출된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 베이스 홀더는, 상기 기판의 안착을 위한 기판용 안착부(231); 상기 기판용 안착부의 일측에 형성되고, 스크린 프린트 전극의 안착을 위한 전극용 안착부(232); 상기 전극용 안착부의 일측에 형성되고, 그립 기능을 제공하는 한 쌍의 그립부(233) 및 상기 그립부의 사이에 형성되고, 스크린 프린트 전극의 삽입 또는 인출을 위한 공간을 제공하는 인출입 공간부(234)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반응 노출용 홀더는 세포의 육안 상태식별을 위해 베이스 홀더보다 밝은 색상을 갖고, 내부공간에 배양액의 누출방지를 위한 오링(251)과 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 복수의 홀더가 조립되어 스크린 프린트 전극을 고정시키고, 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부를 노출시키는 조립형 세포 측정 기구를 제공함으로써, 배양액의 누출 또는 오염을 방지할 수 있고, 스크린 프린트 전극을 이용하여 심장세포의 상태를 관찰할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 임피던스 방식의 세포 측정 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 스크린 프린트 전극을 도시한 예이다.
도 3은 조립된 세포 측정 기구를 도시한 예이다.
도 4는 베이스 홀더를 도시한 예이다.
도 5는 전극용 홀더를 도시한 예이다.
도 6은 기판을 도시한 예이다.
도 7은 포그핀을 도시한 예이다.
도 8은 제1 잠금나사를 이용하여 베이스 홀더에 전극용 홀더를 결합하는 예를 도시한 것이다.
도 9는 베이스 홀더와 전극용 홀더의 일부 결합과 완전 결합의 상태를 도시한 예이다.
도 10은 베이스 홀더와 반응 노출용 홀더의 결합 전화 후의 상태를 도시한 예이다.
도 11은 반응 노출용 홀더를 도시한 예이다.
도 12는 종래의 전기화학 임피던스 분석 개념을 도시한 예이다.
도 13은 종래의 전기화학 임피던스 분석을 통하여 세포의 임피던스와 위상을 측정한 예이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 세포용 전기화학 임피던스 장비를 도시한 블록도이다.
도 15는 주파수에 따른 임피던스를 측정하는 방법을 도시한 예이다.
도 16은 50Hz, 150Hz, 2KHz에서 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예이다.
도 17은 스무스 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예이다.
도 18은 미분 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값 측정방법을 도시한 예이다.
도 19는 미분 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기화학 임피던스 방식의 세포 측정 시스템을 도시한 것으로서, 세포 측정 시스템(10)은 스크린 프린트 전극(100), 세포 측정 기구(200) 및 전기화학 임피던스 장비(300)를 포함한다.
스크린 프린트 전극(100)은 세포가 배치되고, 세포 측정 기구(200)는 스크린 프린트 전극(100)을 고정시킨다. 전기화학 임피던스 장비(300)는 세포 측정 기구(200)에게 신호를 인가하고, 세포 측정 기구로부터 응답을 받아 세포의 상태를 측정한다.
도 2는 스크린 프린트 전극을 도시한 예로서, 스크린 프린트 전극(100)은 핸드부(110), 반응부(120) 및 전극부(130)를 포함한다. 핸드부(110)는 사람의 손 또는 집게나 핀셋과 같은 도구와 접촉된다. 예를 들어 핸드부(110)는 손으로 집어지게 된다.
반응부(120)는 세포가 배치되고, 전극부(130)는 후술되는 전극용 포그핀(211)과 연결을 위한 것이다. 반응부(120)와 전극부(130)는 프린트된 형태의 전극으로 연결된다. 전극은 작업전극(WE: Working Electrode), 상대전극(CE: Counter Electrode), 기준전극(RE: Reference Electrode)으로 분류된다.
작업전극은 실제적인 세포 반응을 보기 위한 전극이고, 상대전극은 작업전극의 표면에서 반응이 일어나도록 전류를 보내주는 전극이며, 기준전극은 작업전극에 걸리는 전위의 기준을 잡아주는 전극으로 정밀한 제어와 측정을 위해 사용된다.
도 3은 조립된 세포 측정 기구를 도시한 예로서, 세포 측정 기구(200)는 홀더(230, 240, 250), 전극용 포그핀(211), 장비연결용 포그핀(212), 기판(220) 및 잠금나사(213, 214)를 포함한다.
홀더(230, 240, 250)는 복수로 구성되어 서로 조립되고, 조립이 완료되면 스크린 프린트 전극(100)을 고정시키고, 스크린 프린트 전극(100)에서 세포가 배치된 반응부(120)를 노출시킨다. 세포 측정 기구는 홀더(230, 240, 250)의 조립으로 세포가 배치된 반응부로 배양액의 주입이 가능하고, 배양된 세포의 상태를 측정하기 위한 환경을 제공하며, 홀더(230, 240, 250)를 이용하여 배양액의 누출과 오염을 방지한다.
도 4는 베이스 홀더를 도시한 예로서, 홀더(230, 240, 250)는 베이스 홀더(230), 전극용 홀더(240) 및 반응 노출용 홀더(250)를 포함한다. 베이스 홀더(230)는 전극용 홀더(240)와 결합되어 기판(220)과 전극용 포그핀(211)을 감싼다.
베이스 홀더(230)는 전극용 홀더(240)와 반응 노출용 홀더(250)와의 결합을 위해 다수의 홀이 형성된다. 베이스 홀더(230)는 기판용 안착부(231), 전극용 안착부(232), 그립부(233) 및 인출입 공간부(234)를 포함할 수 있다.
기판용 안착부(231)는 기판(220)의 안착을 제공한다. 전극용 안착부(232)는 기판용 안착부(231)의 일측에 형성되고, 스크린 프린트 전극(100)의 안착을 제공한다. 그립부(233)는 한 쌍으로 구성되어 전극용 안착부(232)의 일측에 형성되고, 그립 기능을 제공한다. 인출입 공간부(234)는 그립부(233)의 사이에 형성되고, 스크린 프린트 전극(100)의 삽입 또는 인출을 위한 공간을 제공한다.
사용자는 한 손으로 그립부(233)를 잡아 세포 측정 기구(200)를 이동시키거나 고정시킬 수 있고, 다른 한 손으로 핸드부(110)를 잡아 스크린 프린트 전극(100)을 전극용 안착부(232)에 슬라이딩시켜 삽입할 수 있으며, 스크린 프린트 전극(100)을 전극용 안착부(232)에 삽입할 때 인출입 공간부(234)의 여유가 있는 공간을 통하여 삽입시킬 수 있다.
본 발명은 인출입 공간부(234)를 통하여 안정적으로 스크린 프린트 전극(100)을 교체할 수 있다. 또한 본 발명은 베이스 홀더(230)의 구조적 특징에 의해 안정적으로 스크린 프린트 전극(100)을 전극용 안착부(232)에 삽입시킬 수 있고, 삽입하는 과정에 스크린 프린트 전극(100)을 손상시킬 수 있는 위험요소를 제거할 수 있으며, 위험요소가 제거되어 정확하고 신뢰가 있는 측정데이터를 획득할 수 있다.
도 5는 전극용 홀더를 도시한 예이고, 도 6은 기판을 도시한 예로서, 전극용 홀더(240)는 기판을 고정시키는 용도로 사용된다. 기판(220)은 전극용 포그핀(211)과 장비연결용 포그핀(212)의 전기적 연결을 제공한다. 기판(220)은 전기적 연결을 제공하기 위하여 PCB(Printed Circuit Board)일 수 있다.
기판(220)은 베이스 홀더(230)와 전극용 홀더(240)의 결합 및 포그핀(211, 212)과의 결합을 위해 복수의 홀이 형성된다. 장비연결용 포그핀(212)은 전극용 홀더(240)로부터의 돌출과 케이블과의 연결을 위해 소정의 돌출길이를 가질 수 있다. 포그핀(211, 212)은 전극의 파손위험 방지, 안정적인 접촉 또는 높이 조절의 기능을 제공할 수 있다.
도 7은 포그핀을 도시한 예로서, 전극용 포그핀(211)은 스크린 프린트 전극(100)의 전극부(130)와의 연결을 제공하고, 장비연결용 포그핀(212)은 전기화학 임피던스 장비(300)와의 연결을 제공한다. 전극용 포그핀(211) 또는 장비연결용 포그핀(212)은 납땜 또는 억지 끼움방식을 통하여 기판(220)에 고정될 수 있다.
도 8은 제1 잠금나사를 이용하여 베이스 홀더에 전극용 홀더를 결합하는 예를 도시한 것으로서, 잠금나사(213, 214)는 제1 잠금나사(213) 및 제2 잠금나사(214)를 포함한다. 제1 잠금나사(213)는 전극용 홀더(240)를 베이스 홀더(230)에 고정시키기 위해 사용되고, 제2 잠금나사(214)는 반응 노출용 홀더(250)를 베이스 홀더(230)에 고정시키기 위해 사용된다. 제1 잠금나사(213)와 제2 잠금나사(214)는 동일한 재질과 형상을 가질 수 있다.
도 9는 베이스 홀더와 전극용 홀더의 일부 결합과 완전 결합의 상태를 도시한 예로서, 세포 측정 기구(200)는 탄성수단(260)을 더 포함할 수 있다. 탄성수단(260)은 전극용 홀더(240)와 베이스 홀더(230)의 사이에 형성되고, 제1 잠금나사(213)의 조임과 풀림에 의해 탄성변화가 발생한다. 탄성수단(260)은 대표적으로 스프링일 수 있다.
제1 잠금나사(213)는 전극용 홀더(240)를 베이스 홀더(230)에 고정시키기 위해 일부 조여지고, 슬라이딩 방식으로 스크린 프린트 전극(100)이 삽입되어 전극용 포그핀(211)과 연결되면 완전히 조여진다.
장비연결용 포그핀(212)은 일단이 기판(220)과 결합되고, 타단이 전극용 홀더(240)에 형성된 홀을 관통하여 외부로 돌출된다. 종래에는 임피던스는 측정하는 장치와 배터리와 같은 시료를 전기적으로 직접 연결하기 위하여 악어집게 케이블을 사용하였지만, 오염문제 때문에 악어집게 케이블을 세포와 같은 시료를 직접적으로 연결하기 어려울 수 있다.
악어집게 케이블은 스크린 프린트 전극(100)의 전극부(130)와 직접적으로 연결하면 전극부(130)의 손상이 발생할 수 있으므로, 바람지하지 않다.
본 발명은 시료의 오염문제와 전극부(130)의 손상 문제를 해결하기 위하여 악어집게 케이블을 장비연결용 포그핀(212)에 간접적으로 연결하여 세포와 같은 시료의 임피던스를 정확하게 측정할 수 있다.
탄성수단(260)은 스크린 프린트 전극(100)이 삽입될 때 슬라이딩 공간을 제공하고, 전극용 포그핀(211)과 스크린 프린트 전극(100)의 전극부(130)가 접촉될 때 서로 간의 손상을 방지할 수 있다.
도 10은 베이스 홀더와 반응 노출용 홀더의 결합 전화 후의 상태를 도시한 예이고, 도 11은 반응 노출용 홀더를 도시한 예로서, 반응 노출용 홀더(250)는 전극용 홀더(240)의 일측에 형성되고, 베이스 홀더(230)와 결합되며, 스크린 프린트 전극(100)의 반응부(120)의 노출을 제공한다. 제2 잠금나사(214)는 반응 노출용 홀더(250)를 베이스 홀더(230)에 고정시키기 위해 사용된다.
반응 노출용 홀더(250)는 세포의 육안 상태식별을 위해 베이스 홀더(230)보다 밝은 색상을 갖고, 내부공간에 배양액의 누출방지를 위한 오링(251)과 결합될 수 있다.
베이스 홀더(230), 전극용 홀더(240) 및 반응 노출용 홀더(250)는 멸균성과 내오염성이 높은 물질로 제조될 수 있고, 대표적으로 폴리 카보네이트 물질을 이용하여 제조될 수 있다. 베이스 홀더(230)와 전극용 홀더(240)의 색상과 반응 노출용 홀더(250)의 색상을 다르게 한 이유 또는 반응 노출용 홀더(250)를 투명한 색으로 제조한 이유는, 세포의 임피던스를 측정하기 전에 사용자가 세포의 색상변화로만 세포의 오염상태를 파악할 수 있기 때문이다.
세포는 배양액이 있어야 생존할 수 있고, 본 발명은 오링(251)을 이용한 밀폐를 통하여 반응부(120)에만 배양액이 형성될 수 있으며, 배양액의 누출을 방지할 수 있다.
세포 관리 및 임피던스 측정 방법은 스크린 프린트 전극(110)이 삽입된 세포 측정 기구(200)를 멸균시킨 후 인큐베이터에 넣어 세포를 배양 또는 관리한다. 세포 배양을 위해 반응부(120)에는 세포가 부착되고, 배양액은 반응 노출용 홀더(250)의 내부공간에 주입된다. 임피던스 측정시 스크린 프린트 전극(110)이 삽입된 세포 측정 기구(200)를 인큐베이터로부터 꺼내어 세포용 전기화학 임피던스 장비(300)를 활용하여 세포의 임피던스를 측정한다.
본 발명은 세포 측정 기구(200)를 통하여 세포들의 이동, 상태, 반응 및 이상유무 등 세포의 전기적인 신호를 측정하기 위한 환경을 제공할 수 있고, 스크린 프린트 전극(100)과 전기화학 임피던스 분광법으로 심장세포의 변화를 측정할 수 있다.
도 12는 종래의 전기화학 임피던스 분석 개념을 도시한 예로서, 전기화학 임피던스 분광법(EIS: Electrochemical Impedance Spectroscopy)은 높은 주파수에서 낮은 주파수로 스캔하는 방식을 제공하고, 시료에 차례대로 사인 웨이브(sine wave) 파형을 인가하며, 시료를 거쳐 나오는 응답의 사인 웨이브에 따른 진폭과 위상의 변화를 측정하여 임피던스를 분석하는 방법이다.
전기화학 임피던스 분광법은 전기화학 나이키스트 분석(nyquist plot)을 통해 시료의 등가회로 또는 각 파라미터를 추출할 수 있고, 임피던스 그래프를 해석할 수 있으며, 그 외 전기화학적 반응에서의 변화를 추측할 수 있다. 전기화학 나이키스트 분석은 하나의 주파수에 한 개의 좌표가 그려지도록 복소수의 형태로 표현한 그래프를 의미한다.
도 13은 종래의 전기화학 임피던스 분석을 통하여 세포의 임피던스와 위상을 측정한 예로서, 종래에는 전기화학 임피던스 분광법을 이용하여 배터리의 전기화학적 현상을 분석하였으나, 전기화학 임피던스 분광법을 통하여 세포들의 이동, 상태, 반응 및 이상유무 등 세포 상태를 측정하기 어려운 문제점이 있다.
더욱 상세하게는 도 13에 도시된 바와 같이 종래의 전기화학 임피던스 분석의 방식으로 한다면, 심장세포의 운동성, 상태 또는 반응 등 심장세포의 임피던스와 위상값의 측정이 어려울 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 세포용 전기화학 임피던스 장비를 도시한 블록도로서, 세포용 전기화학 임피던스 장비(300)는 설정된 주파수 스캔 조건으로 입력신호를 세포 측정 기구(200)에게 인가하고, 입력신호에 응답하는 주파수별 임피던스와 위상값을 비교하여 세포 특성에 대응하는 세포상태 분석용 입력신호를 결정하여, 결정된 주파수의 전압으로 세포상태 분석용 입력신호를 인가하여 세포의 상태를 분석한다.
주파수 스캔 조건은 시간, 주파수 및 전압에 관한 조건이다. 더욱 상세하게는 주파수 스캔 조건은 주파수 범위, 증가 주파수, 및 전압과 시간의 조건을 포함할 수 있다. 증가 주파수는 주파수 범위에서 단계별로 증가되는 주파수를 의미한다.
예를 들어 본 발명은 주피수 범위를 100Hz에서 1000HZ로 설정하고, 100Hz로 증가 주파수를 설정하며, 인가 전압을 10mV로 설정하고, 시간을 10초로 설정한다. 본 발명은 설정이 완료되면 10초 동안 100Hz의 10mV로 입력신호를 인가하여 100Hz에 대한 임피던스와 위상값을 획득하고, 이후에 10초 동안 200Hz의 10mV로 입력신호를 인가하여 200Hz에 대한 임피던스와 위상값을 획득하며, 같은 방식으로 주파수 범위에 도달할 때까지 주파수 스캔 동작을 수행한다.
세포용 전기화학 임피던스 장비(300)는 송수신부(310), 측정부(320) 분석부(330) 및 제어부(390)를 포함한다. 송수신부(310)는 세포 반응을 위한 입력신호를 세포 측정 기구로 인가하고, 세포 반응에 응답하는 출력신호를 수신한다. 송수신부(310)는 악어집게 케이블을 이용하여 장비연결용 포그핀(212)과 연결된다.
측정부(320)는 세포 측정 기구(200)로부터 수신된 출력신호를 이용하여 세포의 임피던스와 위상값을 측정하고, 분석부(330)는 측정된 임피던스와 위상값의 변화를 모니터링하여 세포의 상태를 분석한다.
제어부(390)는 설정된 주파수 스캔 조건으로 주파수별 스캔용 입력신호를 결정하여 송수신부의 동작을 제어하고, 측정부로부터 주파수별 스캔용 입력신호에 의한 출력신호를 이용하여 생성된 임피던스와 위상값을 수신하며, 주파수별 임피던스와 위상값을 비교하여 세포상태 분석용 입력신호를 결정한다.
송수신부(310)는 제어부(390)에서 결정된 주파수의 전압으로 세포상태 분석용 입력신호를 인가하고, 분석부(330)는 세포상태 분석용 입력신호에 의한 출력신호에 기반하여 세포의 상태를 분석한다.
도 15는 주파수에 따른 임피던스를 측정하는 방법을 도시한 예로서, 측정부(320)는 락-인 증폭(lock-in amplifier) 알고리즘을 이용하여 주파수에 따른 임피던스를 측정할 수 있다.
락-인 증폭 알고리즘은 증폭과 신호 검출 기능을 제공하기 위한 알고리즘으로서, 특정 주파수의 신호를 감지하고 증폭시키기 위해 사용되는 알고리즘이다.
락-인 증폭 알고리즘은 입력 신호와 참조 신호를 입력하면 참조 신호를 검출하고 싶은 신호에만 작용하고, 검색할 신호의 진폭 정보를 검색하는 알고리즘이다. 참조신호는 입력신호와 동일한 주파수의 신호이다.
측정부(320)는 입력되는 신호 중 검색하고 싶은 신호만을 추출하기 참조 신호를 사용하기 위하여 입력신호에 대한 참조신호를 걸어 놓고, 측정대상 신호(출력신호)에 노이즈가 묻혀 있어도 참조신호와 관련된 신호의 진폭과 위상을 검출할 수 있다.
도 16은 50Hz, 150Hz, 2KHz에서 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예로서, 제어부(390)는 주파수별 임피던스와 위상값을 비교하여 세포상태 분석용 입력신호를 결정한다. 도 16에서는 50Hz, 150Hz, 2KHz에서 150Hz의 주파수가 가장 좋은 민감도를 보여주고, 50Hz와 2KHz에서 반응이 거의 일어나지 않고 있다.
도 16의 그래프값을 적용한다면 제어부(390)는 150Hz의 주파수를 세포상태 분석용 입력신호로 결정할 수 있는 것이다. 민감도가 높다는 것은 도 16의 150Hz 그래프와 같이 시간별 임피던스와 위상값의 변화폭이 크다는 것을 의미한다.
이와 같이 세포의 크기, 종류, 전극의 면적 등 환경요인이 있으므로, 정확한 세포의 상태를 측정하기 위해서는, 최적의 주파수를 찾는 것이 매우 중요한 것이다. 본 발명은 주파수 색인 조건 및 후술되는 스무스(smooth) 알고리즘과 미분 알고리즘을 이용하여 자동적으로 최적의 주파수를 찾을 수 있다.
도 17은 스무스 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예로서, 제어부는 스무스 알고리즘을 이용하여 주파수별 임피던스와 위상값을 보정한다.
스무스 알고리즘은 두 값 사이의 중간값을 생성하는 것으로서 보간의 개념이 적용된다. 스무스 알고리즘은 세포 상태와 관련성이 없는 노이즈값의 영향을 감소시킬 수 있고, 측정값의 오차를 감소시킬 수 있다.
도 18은 미분 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값 측정방법을 도시한 예이고, 도 19는 미분 알고리즘이 적용된 임피던스와 위상값을 그래프로 도시한 예로서, 제어부(390)는 미분 알고리즘을 이용하여 보정된 임피던스와 위상값을 미분하며, 주파수별 미분된 임피던스와 위상값의 변화값이 최대가 되는 주파수를 선택하여 세포상태 분석용 입력신호를 결정할 수 있다.
미분 알고리즘은 미분 전의 측정값보다 큰 변화폭을 가진 미분 후의 측정값을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 미분 알고리즘은 테일러 급수를 나타내는 [수식 1]이 적용될 수 있다. [수식 2]는 테일러 급수를 이용해 확장된 식이다.
[수식 1]
[수식 2]
여기서 f(n)은 함수 f(x)를 n번 미분한다는 것을 의미한다.
본 발명은 세포별 고유특성에 대응하는 최적의 주파수를 결정하고, 세포별 고유특성에 대응하는 최적의 주파수의 전압을 인가함으로써, 전기화학 임피던스 분광법으로 세포별 상태를 모니터링할 수 있고, 임피던스와 위상값 측정의 정확도 또는 민감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 락-인 증폭 알고리즘, 스무스 알고리즘 및 미분 알고리즘을 적용하여 신뢰성이 있는 최적의 주파수를 자동적으로 찾아낼 수 있다. 본 발명에서는 150Hz에서 심장세포의 최적의 주파수를 자동적으로 찾았지만, 시료의 고유특성에 따라 최적의 주파수가 달라질 수 있다.
세포용 전기화학 임피던스 장비(300)는 입력부(340) 및 표시부(350)를 더 포함할 수 있다. 입력부(340)는 사용자의 조건을 입력받을 수 있고, 표시부(350)는 세포 상태에 관한 정보를 그래프의 형태로 출력할 수 있다.
10: 세포 측정 시스템 100: 스크린 프린트 전극
110: 핸드부 120: 반응부
130: 전극부 200: 세포 측정 기구
211: 전극용 포그핀 212: 장비연결용 포그핀
213: 제1 잠금나사 214: 제2 잠금나사
220: 기판 230: 베이스 홀더
231: 기판용 안착부 232: 전극용 안착부
233: 그립부 234: 인출입 공간부
240: 전극용 홀더 250: 반응 노출용 홀더
251: 오링 260: 탄성수단
300: 임피던스 장비 310: 송수신부
320: 측정부 330: 분석부
340: 입력부 350: 표시부
390: 제어부

Claims (6)

  1. 복수의 홀더(230, 240, 250)가 조립되어 스크린 프린트 전극(100)을 고정시키고, 스크린 프린트 전극에서 세포가 배치된 반응부(120)를 노출시켜, 상기 세포가 배치된 반응부로 배양액의 주입이 가능하고, 배양된 세포의 상태를 측정하기 위한 환경을 제공하며, 홀더를 이용하여 배양액의 누출과 오염을 방지하고,
    상기 스크린 프린트 전극의 전극부(130)와의 연결을 제공하는 전극용 포그핀(211);
    전기화학 임피던스 장비(300)와의 연결을 제공하는 장비연결용 포그핀(212);
    상기 전극용 포그핀과 장비연결용 포그핀의 전기적 연결을 제공하는 기판(220);
    상기 기판을 고정시키는 전극용 홀더(240);
    상기 전극용 홀더와 결합되어 기판과 전극용 포그핀을 감싸는 베이스 홀더(230);
    상기 전극용 홀더의 일측에 형성되고, 베이스 홀더와 결합되며, 스크린 프린트 전극의 반응부의 노출을 제공하는 반응 노출용 홀더(250);
    상기 전극용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위한 제1 잠금나사(213) 및
    상기 반응 노출용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위한 제2 잠금나사(214)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극용 홀더와 베이스 홀더의 사이에 형성되고, 제1 잠금나사의 조임과 풀림에 의해 탄성변화가 발생하는 탄성수단(260)을 더 포함하고,
    상기 제1 잠금나사는 전극용 홀더를 베이스 홀더에 고정시키기 위해 일부 조여지고, 슬라이딩 방식으로 스크린 프린트 전극이 삽입되어 전극용 포그핀과 연결되면 완전히 조여지며,
    상기 탄성수단은 스크린 프린트 전극이 삽입될 때 슬라이딩 공간을 제공하고, 전극용 포그핀과 스크린 프린트 전극의 전극부(130)가 접촉될 때 서로 간의 손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장비연결용 포그핀은 일단이 기판과 결합되고, 타단이 전극용 홀더에 형성된 홀을 관통하여 외부로 돌출된 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 홀더는,
    상기 기판의 안착을 위한 기판용 안착부(231);
    상기 기판용 안착부의 일측에 형성되고, 스크린 프린트 전극의 안착을 위한 전극용 안착부(232);
    상기 전극용 안착부의 일측에 형성되고, 그립 기능을 제공하는 한 쌍의 그립부(233) 및
    상기 그립부의 사이에 형성되고, 스크린 프린트 전극의 삽입 또는 인출을 위한 공간을 제공하는 인출입 공간부(234)를 포함하는 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응 노출용 홀더는 세포의 육안 상태식별을 위해 베이스 홀더보다 밝은 색상을 갖고, 내부공간에 배양액의 누출방지를 위한 오링(251)과 결합되는 것을 특징으로 하는 조립형 세포 측정 기구.
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