KR20030003718A - 생체 중합체 배열을 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법및 장치 - Google Patents

생체 중합체 배열을 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법및 장치 Download PDF

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하인즈 아이펠
마르쿠스 바이어
스테판 마티지악
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바스프 악티엔게젤샤프트
도이체스 크렙스포르슝스첸트룸 슈티프퉁 데스 외펜틀리헨 레히츠
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Abstract

본 발명은 생체 중합체 배열을 제조하기 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법 및 장치에 관한 것이다. 분석할 액상 샘플을 세정액 저장고와 연결될 수 있는 이송 장치 (1)로 이송시킨다. 이 이송 장치 (1)에 가역성 전압 (10)을 인가하여 자가-조절된 삼투 전류가 액상 샘플을 검출 배열로 이송시키는데 사용될 수 있다.

Description

생체 중합체 배열을 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법 및 장치 {Method and Device for Microdosing the Smallest Amounts of Liquid for Biopolymer Arrays}
본 발명은 생체 중합체 배열 또는 생체 중합체 장 (field)을 위한 액체의 극소량을 미소 계량하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
핵산, 단백질 또는 다당류와 같은 생체 중합체의 고급 대비 분석을 위해, 미소 배열로도 공지된 미소 중합체 장을 이용한다. 이러한 장 또는 배열을 제조하기 위해, 피코리터 내지 나노리터 범위의 액체에 용해되거나 현탁된 매우 적은 양의 생체 중합체 샘플이 정규 배열로 기질 표면, 예를 들어 표본 슬라이드에 적용된다. 종래의 피페팅 방법은 그러한 소량의 액체의 경우 성공적이지 못하였다.
이송시킬 양의 정확한 계량이 현재까지는 매우 어려웠기 때문에, 정확한 계량은 통상적으로 수행되지 않았으며, 그러한 양은 펜과 유사한 기계적인 접촉을 포함하는 장치에 의해 이송되었다. 그러나, 사용된 그러한 펜은 단지 한정된 액체 보유 용량을 가질 뿐이어서 펜을 1회 충전하여 다수의 기판 지지체 표면을 충전하는 것은 불가능하다. 사용된 펜의 용량을 증가시키기 위해서, 펜에 노치 또는 홈을 제공하여 펜에 더 많은 양의 샘플 기질을 수용시키기 위한 시도가 있었다. 이러한 시도가 펜의 용량을 증가시켜 펜을 1회 충전하여 표본 슬라이드에 많은 수의생체 중합체 스폿을 적용할 수 있었으나, 홈과 슬롯이 제공된 이러한 디자인을 갖는 펜의 세정은 매우 어려웠다. 또한 충전시킬 표본 슬라이드에 펜으로 새로운 생체 중합체 샘플을 적용하는 경우, 이전의 샘플 충전 수행으로부터의 잔류물이 펜의 용량을 증가시키는 홈과 슬롯으로부터 제거되도록 주의하여야 한다.
이러한 생체 중합체 배열의 도움으로 분석 중 측정 오차를 가능한 작게 유지하기 위해, 통상적으로 내부 표준물이 사용된다.
종래 기술로부터 공지된 용액 및 이들에 동반되는 단점의 관점으로부터, 본 발명의 목적은 간단하고 신뢰할만한 방식으로 생체 중합체 배열을 극소량의 액체로 충전하는 것이다.
본 발명자들은 분석할 액상 샘플을 세정액과 연결될 수 있으며 가역성 전압이 인가될 수 있는 공급 장치에 의해 공급하여 액상 샘플을 검출 표면으로 이송시키는데 사용하기 위한 삼투 전류 (electro-osmotic flow)가 발생하도록 하는, 생체 중합체 배열의 제조를 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법에 의한 본 발명에 따라 상기 목적을 달성할 수 있음을 드디어 발견하였다.
본 발명에 따라 제안된 방법으로 달성할 수 있는 이점은 주로 기질 샘플을 보유하는 모세관의 피페팅 선단에 인가될 수 있는 전압이, 피페팅 선단이 각각의 표본 슬라이드의 검출 영역을 향해 위치하는 시점에서 액체의 극소량을 매우 정밀하게 계량할 수 있다는 것이다. 서로에 대해 평행하게 작동하는 복수의 모세관 피페팅 선단이 액상 샘플의 이송을 유발하는 전압의 인가를 통해 사용되는 경우, 각각의 생체 중합체 스폿은 서로에 대해 매우 정밀한 분리를 달성함과 동시에 저비용으로 신속하고 정밀하게 표본 슬라이드의 검출 표면에 배열될 수 있다.
본 발명에 따라 제안된 방법의 또 다른 실시 양태에서, 구동 모세관 및 공급 장치에 전압을 인가하면 생체 중합체가 샘플 스톡으로부터 배출되고 전압이 반전된 후 액체가 계량되어 분배된다. 따라서, 액체 샘플의 양의 분배 및 검출 영역의 표면상의 생체 중합체 스폿의 제조는 모세관의 중공 내에서 기계적으로 작동되는 구성 요소를 더 이상 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따라 제안된 방법의 또 다른 유리한 실시 양태에 따르면, 기질 샘플의 이송을 위한 전압이 구동 모세관의 모세관 헤드 및 모세관 공간 사이에 인가된다. 이는 피페팅 선단의 반대쪽의 유리 모세관의 말단에서 유리 모세관의 상부로 전기 공급 라인이 공급되는 것이 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 다른 이점에 따르면, 모세관 공간의 피페팅 선단은 세 방향으로 이동할 수 있다. 검출 영역상에서 X 및 Y축 방향으로 피페팅 선단이 이동할 수 있을 뿐만 아니라, 피페팅 선단은 액체의 배출을 수행하는 전압이 모세관 중공의 내용물에 인가되기 전에 검출 영역의 표면을 향해 Z축 방향으로 이동할 수 있다.
액상 샘플의 손실 및 검출 표면에 생체 중합체 패턴을 적용할 때의 오류를 방지하기 위해, 모세관의 모세관 공간으로부터 기질 샘플의 배출을 수행하는 전압의 반전이 검출 표면에 대해 피페팅 선단이 배치되면서 일어난다.
끝으로, 극소량의 액체를 계량하기 위한 본 발명에 따라 제안된 방법에서, 구동 모세관과 그의 피페팅 선단이 가압 용기 내에 저장된 완충액으로의 밸브에 의해 연결하는 것이 제안되며, 여기서 삼투 전류를 생성하기 위해 사용된 완충액은 상응하는 pH 및 이온 농도를 갖는 바람직한 완충액이다.
끝으로, 표본 슬라이드의 표면, 즉 검출 표면에 인가될 전도층상에 표본 슬라이드상 하전된 생체 중합체 종을 전기 영동 퇴적을 수행하는 것이 제안된다. 본 발명에 따라 제안된 방법의 상기와 같은 변형으로, 심지어는 생체 중합체 배열의 적용 및 제조 도중에도 후속하는 분석 작업의 분석 단계를 수행하는 것이 가능하다.
본 발명에 따라 추가로 제안된 극소량의 액체의 미소 계량 장치에 따르면, 전압을 반전시키는 스위칭 소자는 전기적인 접촉을 통해 완충액 용액의 내용물로 연결되며, 구동 모세관으로 전압을 인가하기 위한 전기 공급 라인으로 합쳐진다. 본 발명에 따라 제안된 장치를 사용하여, 기질 샘플 내의 삼투 전류에 기인한 전압의 간단한 반전에 의해 표본 슬라이드의 검출 영역상의 낮춰진 상태의 피페팅 선단을 통해 극소량의 액체를 적용할 수 있다.
구동 모세관에 완충액의 연속적인 공급을 확보하기 위하여, 완충액 용기상의 흐름 저항을 밸브 뒤편에 위치한 구동 모세관의 브랜치로 합친다. 흐름 저항의 적합한 조절을 통하여, 구동 모세관에 기포 및 중공이 없이 완충액을 공급할 수 있다.
유리한 방식에 있어서, 구동 모세관의 피페팅 선단 또는 복수의 구동 모세관의 피페팅 선단은 단순한 고안의 X/Y 정위기로 검출 영역상에서 이동할 수 있으며, 따라서 검출 표면에 적용될 생체 중합체 스폿의 정확한 위치를 조절할 수 있다.피페팅 선단의 X 및 Y축 방향으로의 이동성 외에도, 정위기, 예를 들어 구입 가능한 플로터가 검출 영역의 표면을 향하여 Z축 방향으로 피페팅 선단의 정위를 수행할 수 있다.
구동 모세관 및 피페팅 선단은 유리 또는 석영으로 제조된 것이 유리하다.
미소 모세관의 피페팅 선단은 유리하게는 10 내지 1000 ㎛의 범위의 선단 직경을 갖는 작은 직경의 선단으로 늘려진다. 피페팅 선단의 직경은 특히 바람직하게는 50 내지 300 ㎛의 범위이다.
접지를 확보하기 위해 피페팅 선단과 구동 모세관 사이에 전기적인 접지가 제공된다.
끝으로, 피페팅 선단과 구동 모세관 사이에 삼투 전류를 생성하기 위한 연결부가 제공되며, 구동 모세관의 모세관 헤드에 백금선 전극이 제공되고 구동 모세관의 말단의 추가의 전기적 연결부가 전기적 접촉부가 제공된 완충액 용기에 침지된다. 구동 모세관의 전압 회로는 따라서 극성 반전 스위치로만 차단되며, 그에 의해 검출 표면상으로의 생체 중합체 스폿의 요구되는 하전 빈도에 상응하는 빈도로 차단 또는 접속될 수 있다.
도면을 참조하여 하기에 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 피코리터 내지 나노리터 범위의 극소량의 액체를 적용하기 위한 본 발명에 따라 제안된 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
표본 슬라이드 (9)의 검출 표면 (18)에 액상 샘플을 적용하기 위해 사용되는 피페팅 선단 (1)은 제조 비용이 매우 적게 드는 유리 모세관으로서, 예를 들어 200㎛의 직경을 갖도록 늘여진 선단부를 갖는다. 이 모세관은 말단에서 미세한 호스를 통해 가스 크로마토그래피에서와 같이 유리 또는 석영제 구동 모세관 (2)로 연결된다. 전기적 접촉을 생성하기 위한 배금선 전극 (3)이 미세 호스의 관 연결부에 삽입된다. 구동 모세관 (2)의 반대편 말단은 제 2 전극 접촉부 (4)로서, 완충액 용기 (14)에 놓인 완충액 내용물로 침지된다. 완충액 용기 (14)에 놓인 액체는 브랜치 라인 (16)을 통해 연속적으로 공급되며, 여기에 흐름 저항 (13)이 놓여 전기 접촉부 (4)는 항상 구동 모세관 (2) 중의 액체와 접촉된다.
피페팅 작업의 초기에 유리 모세관의 피페팅 선단 (1)은 우선 X/Y 정위기, 예를 들어 구입 가능한 그래픽 플로터 또는 다른 X/Y 정위기를 사용하여 폐용기 (7)로 이동한다. 이어서 구동 모세관 (2)의 상류에 배치된 밸브 (5)를 잠시 개방하여 폐용기 (7) 위에 위치한 피페팅 선단 (1)과 함께 구동 모세관 (2)를 새로운 완충액 (완충액의 pH 및 이온 농도는 구동 모세관 (2) 내의 삼투 전류의 생성을 위한 적절한 값으로 조절됨)으로 가스 연결부 (6)을 통해 가압 스톡 용기 (11)로부터 연속적으로 충전하여 피페팅 선단 (1)이 폐용기 (7) 위에 동시에 배출된다. 예를 들어 프릿 형태의 상기 브랜치 (16)에 위치한 흐름 저항 (13)은 소량의 완충액이 완충액 용기 (14)로 유도되도록 하며, 따라서 피페팅 선단으로 도입된 구동 모세관 (2)가 항상 연속적으로 연장된 스톡 완충액으로 충전되도록 한다.
개략적으로 도시된 도 1에 나타낸 스위칭 소자 (10)은 공급 라인 (3)과 전기 접촉부 (4) 사이에서 완충액 용기 (14)로 합쳐진다. 참조 번호 (12a) 및 (12b)로 표시된 두 개의 전원은 스위칭 소자 (10)의 스위칭 접촉부에 연결되며 접지부 (17)을 통해 접지된다.
생체 중합체 용기 (8)에 제공된 피페팅할 생체 중합체 용액을 배출하기 위해, 스위치 (10)을 통해 두 전기 연결부 (3) 및 (4)에 적합한 방향으로 전압이 인가되어 구동 모세관 (2)의 후면 방향으로 삼투 전류를 생성한다. 이 시점에서 피페팅 선단 (1)을 Z축 방향으로 보이는 샘플 용기 (8)로 침지하여 기질 샘플이 인가된 전압에 따라 피페팅 선단 (1)의 개구를 통해 배출되도록 한다. 충분한 양의 피페팅 물질이 생체 중합체 용기 (8), 예를 들어 미소 적정 플레이트 접시로부터 배출되었을 때, 자동 미소 피페팅 시스템, 즉 X/Y 정위기가 피페팅 선단 (1)을 충전할 기판 위에 정위시킨다. 기판은 예를 들어 현미경 검사에서 주로 사용되는 표본 슬라이드 (9)일 수 있다. 피페팅 선단 (1)로부터 배출되는 개별 생체 중합체 액적을 적용할 표본 슬라이드 표면 (18)이 표본 슬라이드 (9) 위에 제공된다. 검출 표면 (18)은 생체 중합체와 화학적으로 결합하거나 생체 중합체와 물리화학적으로 상호 작용하는 표면일 수도 있다. 표본 슬라이드 표면 (18)로의 생체 중합체 스폿의 적용은 X/Y 공급 장치로 수행되며, 이는 추가로 검출 영역 (18)의 방향으로 피페팅 선단 (1)의 하강을 용이하게 한다. 이러한 목적으로, 반전된 전압이 스위치 (10)을 통해 구동 모세관 (2)로 선택 가능한 시간 동안 인가하여, 피페팅할 액체를 이제는 반대 방향으로 흐르는 표본 슬라이드 (9)의 검출 표면 (18)상으로 흐르는 삼투 전류를 통해 피페팅 선단 (1)로부터 배출되도록 한다. 이렇게 하여 액상 샘플이 검출 표면 (18) 위로 또는 다른 용기로 배출될 수 있다. 두 개의 전원을 사용하는 것에 대한 별법으로서, 상응하는 전환 소자를 갖는 단일 전원을 사용할 수도있으며, 예를 들어 접지의 다른 변형도 전적으로 가능하다.
삼투 전류에 영향을 미치는 인자, 예컨대 주로 완충액의 이온 농도 및 pH, 및 인가된 전압 수준을 적절하게 조절하여, 표본 슬라이드의 검출 표면 (18) 위의 개별 생체 중합체 스폿의 제조 도중 분배된 액체의 양을 거의 일정하게 조절할 수 있다. 이렇게 하여 X 및 Y축 방향 모두에 있어서 서로에 대해 일정한 간격 (20)으로 배열된 생체 중합체 스폿을 함유하는 생체 중합체 패턴 (19)를 표본 슬라이드 (9)의 검출 표면 (18) 위에 제조하는 것이 가능하게 된다.
생체 중합체 스폿이 화학적으로 또는 물리화학적으로 생체 중합체와 상호 작용하는 표본 슬라이드 (9)의 적합한 표면 (18)로의 결합을 촉진하고 전기 화학적으로 활성화시키기 위하여, 피페팅 선단 (1)의 접촉 후에 적합한 극성의 전압이 피페팅 선단 (1)의 연결부 (3) 및 표본 슬라이드 (9)의 전도성 표면 사이에 추가로 인가될 수 있다. 이는 적용 직후에도 표본 슬라이드상에 전기적으로 하전된 생체 중합체 종의 전기 영동 퇴적을 가능하게 하며, 추가의 분석 및 샘플 평가에 매우 유리하다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 구동 모세관 (2)의 헤드는 마운트 (22)로 둘러싸여진 모세관 헤드 (21), 예를 들어 호스의 단편 내에 제공된다. 피페팅될 액상 샘플이 채워지거나 삼투 전류의 반전시 중공 (23)으로부터 배출되는 중공 (23)을 갖는 유리 또는 석영제 피페팅 선단 (1)은 적합한 방식으로 마운트 (22)로 끼워진다. 바람직하게는 유리로 제조된 피페팅 선단 (1)은 50 내지 300 ㎛의 직경을 갖는 바람직하게는 피페팅 선단 개구 (1)에 형성된 10 내지 1000 ㎛ 범위의 개구를 가질 수 있다.
참조 번호 목록
1피페팅 선단
2구동 모세관
3전기 접촉부
4전기 연결부
5밸브
6가스 연결부
7폐용기
8생체 중합체 용기
9표본 슬라이드
10극성 반전 스위치
11스톡 병
12a+ 전원
12b- 전원
13흐름 저항
14완충액 용기
15가압 라인
16T-피스
17접지부
18표본 슬라이드 표면
19생체 중합체 패턴
20생체 중합체 스폿의 분리
21모세관 헤드
22마운트
23모세관 중공
24완충액

Claims (14)

  1. 분석할 샘플을 세정액 (24)에 연결될 수 있는 공급 장치 (1, 23)에 의해 공급하고, 공급 장치 (1, 23) 및 완충액 용기 (14) 사이에 가역성 전압을 인가하여 삼투 전류를 발생시킴으로써 이를 검출 표면 (18) 상으로 액상 샘플을 이송시키데 사용하는, 생체 중합체 배열의 제조를 위한 극소량의 액체의 미소 계량 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 전압을 공급 장치 (1, 23)의 구동 모세관 (2)에 인가하여, 용기 (8)로부터 생체 중합체의 배출, 및 전압의 반전 후에 계량할 액상 생체 중합체의 배출을 수행하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 모세관 공간 (23)의 피페팅 선단 (1)이 세 방향으로 이동할 수 있는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 액상 샘플이 모세관 공간 (23)으로부터 배출되도록 하는 전압의 반전이 피페팅 선단 (1)이 검출 표면 (18)을 향한 위치에 도달한 후에 수행되는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 가압 용기에 저장되고 삼투 전류를 생성시키기에 적합한 pH 및 적합한 이온 농도를 갖는 완충액을 밸브 (5)로구동 모세관 (2) 및 피페팅 선단 (1)에 공급하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 표본 슬라이드 (9) 상의 하전된 생체 중합체 종의 전기 영동 퇴적이 표본 슬라이드 표면 (18) 위의 전도층에 의해 수행되는 방법.
  7. 분석할 기질 샘플을 세정액 (24)에 연결될 수 있는 공급 장치 (1, 23)으로 공급하고, 전기 접촉부 (4)에 의해 완충액 용기 (14)의 내용물과 연결된 전압 반전 스위치 소자 (10)이 구동 모세관 (2)에 전압을 인가하기 위한 전원 라인 (3)으로 합쳐진, 생체 중합체 배열의 제조를 위한 극소량의 액체의 미소 계량 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 흐름 저항 (13)이 구동 모세관 (2)의 연속적인 공급을 확보하고 완충액 (24)로 세정하기 위한 구동 모세관 (2)의 브랜치 (16)으로 합쳐진 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 검출 영역 (18)에 대해 피페팅 선단 (1)을 정위시키기 위해, 표본 슬라이드 (9)의 표면을 향해 피페팅 선단 (1)을 정위시키기 위한 X/Y 정위기가 제공된 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 구동 모세관 (2)가 유리 또는 석영으로 이루어진 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 피페팅 선단 (1)이 10 내지 1000 ㎛ 범위의 선단 직경을 갖는 작은 직경으로 늘여진 선단을 갖는 유리제 모세관으로부터 늘여진 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 피페팅 선단 (1)이 50 내지 300 ㎛ 범위의 직경을 갖는 작은 직경으로 늘여진 선단을 갖는 유리제 모세관으로부터 늘여진 장치.
  13. 제 8 항에 있어서, 피페팅 선단 (1)과 구동 모세관 (2) 사이에 접지부가 제공된 장치.
  14. 제 8 항에 있어서, 삼투 전류를 생성하기 위해 피페팅 선단 (1)과 구동 모세관 (2) 사이에 연결부가 제공되며, 모세관 헤드 (21) 내의 백금선 전극 (3) 및 구동 모세관 (2)의 말단에서 전기 접촉부가 제공된 완충액 용기 (14)로 추가의 전기 접촉부 (4)가 침지된 장치.
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