KR20050097313A - Continuous biochemical particles separators - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미소 평면전극에 의해 형성된 불균일 교류 전기장을 이용하여 연속적으로 이동하는 생화학적 미소입자 혼합물을 분리시키는 생화학적 미소입자 분석기에 관한 것이다.The present invention relates to a biochemical microparticle analyzer for separating a continuously moving biochemical microparticle mixture using a non-uniform alternating current electric field formed by microplanar electrodes.
본 발명에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기는, 생화학적 미소입자 혼합물 유체가 입력되는 혼합물 입력유로와, 상기 입력유로를 통해 입력된 상기 생화학적 미소입자 혼합물이 연속적으로 분리되면서 통과하는 중앙유로와, 상기 중앙유로를 통과한 상기 생화학적 미소입자 혼합물의 분리유체가 각각 출력되는 적어도 둘 이상의 출력유로를 구비한 기판과; 상기 중앙유로 내에 상기 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름방향과 수직되는 방향으로 불균일 전기장을 형성하여, 상기 중앙유로를 흐르는 상기 생화학적 미소입자 혼합물이 분리되어 상기 둘 이상의 출력유로를 통해 배출되도록 하는 전기장생성수단을 포함한다.The continuous biochemical microparticle analyzer according to the present invention includes a mixture input channel through which a biochemical microparticle mixture fluid is input, and a central channel through which the biochemical microparticle mixture input through the input channel is continuously separated. A substrate having at least two output passages through which the separated fluid of the biochemical microparticle mixture passed through the central passage is output; Generate a non-uniform electric field in the direction perpendicular to the flow direction of the biochemical microparticle mixture in the central channel, so that the biochemical microparticle mixture flowing through the central channel is separated and discharged through the two or more output channels Means;
Description
본 발명은 미소 평면전극에 의해 형성된 불균일 교류 전기장을 이용하여 연속적으로 이동하는 생화학적 미소입자 혼합물을 분리시키는 생화학적 미소입자 분석기에 관한 것이다.The present invention relates to a biochemical microparticle analyzer for separating a continuously moving biochemical microparticle mixture using a non-uniform alternating current electric field formed by microplanar electrodes.
종래의 생화학적 미소입자 분석기는 원심분리방식을 이용하였다. 이 원심분리방식에 의한 미소입자 분석기는 생화학적 미소입자들 간의 밀도 차이에 의해 혼합물 용액을 고속 회전시킬 때에 발생하는 원심력에 의해 미소입자들을 수직적으로 분리한다. 그러나, 이 종래의 생화학적 미소입자 분석기는 그 구조상 크기를 소형화하거나 집적화하는 것이 곤란한 문제점이 있다.Conventional biochemical microparticle analyzers used centrifugation. The microparticle analyzer by centrifugation separates the microparticles vertically by the centrifugal force generated when the mixture solution is rotated at high speed due to the density difference between the biochemical microparticles. However, this conventional biochemical microparticle analyzer has a problem that it is difficult to miniaturize or integrate its size.
다른 종래기술로서, 칩(chip)상에서 생화학적 미소입자 분석기를 구현하기 위해서, 분리하고자 하는 생화학적 미소입자의 표면에 형광(fluorescence)이나 자기표식(magnetic label)을 부착하고, 이들 표식에 의해 발생하는 차이를 이용하여 생화학적 미소입자를 분석하는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 방식은 분리하고자 하는 미소입자에 표식을 부착하는 시료의 전처리 과정이 추가되고, 분리하고자 하는 목적에 따라 이들 표식들을 제거해야만 하는 경우에는 사용이 불가능하거나 번거로운 작업이 추가되는 문제점이 있다.As another conventional technique, in order to implement a biochemical microparticle analyzer on a chip, a fluorescence or magnetic label is attached to the surface of the biochemical microparticles to be separated and generated by these markers. A method for analyzing biochemical microparticles using the difference is proposed. However, this method has a problem in that a pretreatment process of a sample attaching a label to the microparticles to be separated is added, and when these labels are to be removed according to the purpose of separation, it is impossible to use or cumbersome.
다른 종래기술로서, 유전영동(dielectrophoresis) 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기가 있다. 유전영동이란 불균일한 교류 전기장 속에서 생화학적 미소입자와 그 생화학적 미소입자를 둘러싼 용액 사이의 상대적인 전기분극성(electrical polarizability) 차이에 의한 미소입자들의 이동을 말한다. 유전영동에 의해 입자가 받는 힘은, 전기영동(electrophoresis)과는 달리 입자의 표면 전하상태와는 무관하게 미소입자의 내부 구성 물질과 용액의 전도도, 그리고 인가 전기장의 주파수 함수이기 때문에 다양한 생화학적 미소입자 혼합물의 분리에 적용될 수 있다. 더욱이, 유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기는 생화학적 미소입자의 표면에 표식을 부착하는 과정이 필요없고, 분석기 제작도 종래의 집적화된 생물화적 분석기와 호환성을 가지기 때문에 분석기의 다른 구성요소들과의 집적이 용이한 장점이 있다.Another conventional technique is a biochemical microparticle analyzer using dielectrophoresis. Dielectrophoresis refers to the movement of microparticles due to the relative electrical polarizability difference between a biochemical microparticle and a solution surrounding the biochemical microparticle in a non-uniform alternating electric field. Unlike electrophoresis, the force exerted by the electrophoresis is, unlike electrophoresis, a function of the microparticle's internal constituents, the conductivity of the solution, and the frequency of the applied electric field, regardless of the particle's surface charge state. It can be applied to the separation of the particle mixture. Moreover, the biochemical microparticle analyzer using the electrophoretic phenomenon does not require the marking of the surface of the biochemical microparticles, and since the fabrication of the analyzer is compatible with the conventional integrated biochemical analyzer, the other components of the analyzer It is easy to integrate with.
유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기의 한 종래기술로서, R. Pethig와 G. Hendricus가 제안한 방식(미국특허 US5,184,200호)은 미소펌프와 밸브의 제어에 의한 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름이 불연속적인 분리방식이다. 이러한 불연속적인 분리방식은 부가적인 미소유체요소들의 집적화가 추가로 필요하고, 고속처리(high throughput)를 위해서는 전극 면적이 증가되어야 하는 문제점이 있다.As a prior art of biochemical microparticle analyzers using genophoretic phenomena, the method proposed by R. Pethig and G. Hendricus (US Pat. No. 5,184,200) is a flow of a biochemical microparticle mixture under the control of a micropump and valve This is a discontinuous separation. This discontinuous separation method additionally requires the integration of additional microfluidic elements, and increases the electrode area for high throughput.
유전영동 현상을 이용한 생화학적 미소입자 분석기의 다른 종래기술로서, A. Pohl이 제안한 방식(미국특허 US4,326,934호)은 원통형 전극을 이용하여 연속적인 생화학적 미소입자 혼합물을 분리하는 방식이다. 이 방식은 원통형 전극의 특성상 미소가공법을 사용한 소형화와 집적화가 불가능하고, 전극에 인가된 전압에 의해 형성된 전기장의 구배가 작기 때문에 충분한 분리를 위해서는 유로를 길게 하거나 전압을 높여 주어야 하는 문제점이 있다.As another conventional technique of a biochemical microparticle analyzer using a genophoretic phenomenon, the method proposed by A. Pohl (US Pat. No. 4,326,934) is a method of separating a continuous biochemical microparticle mixture using a cylindrical electrode. This method has a problem in that miniaturization and integration using a micromachining method is impossible due to the characteristics of the cylindrical electrode, and because the gradient of the electric field formed by the voltage applied to the electrode is small, the flow path must be increased or the voltage must be increased for sufficient separation.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 미소가공법을 이용한 평면전극을 사용하여 소형화 및 집적화가 가능하고 분리 유로의 길이를 줄일 수 있으며, 연속적인 생화학적 미소입자를 분석할 수 있는 생화학적 미소입자 분석기를 제공하기 위한 것이다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, the object of the present invention can be miniaturized and integrated using a flat electrode using a micro-processing method, it is possible to reduce the length of the separation passage, continuous biochemical An object of the present invention is to provide a biochemical microparticle analyzer capable of analyzing microparticles.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기는,Continuous biochemical microparticle analyzer according to the present invention for achieving the above object,
생화학적 미소입자 혼합물이 입력되는 혼합물 입력유로와, 상기 입력유로를 통해 입력된 상기 생화학적 미소입자 혼합물이 연속적으로 분리되면서 통과하는 중앙유로와, 상기 중앙유로를 통과한 상기 생화학적 미소입자 혼합물의 분리유체가 각각 출력되는 적어도 둘 이상의 출력유로를 구비한 기판과;A mixture input channel into which a biochemical microparticle mixture is input, a central channel through which the biochemical microparticle mixture input through the input channel is continuously separated, and a biochemical microparticle mixture passed through the central channel A substrate having at least two output passages for outputting a separate fluid;
상기 중앙유로 내에 상기 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름방향과 수직되는 방향으로 불균일 전기장을 형성하여, 상기 중앙유로를 흐르는 상기 생화학적 미소입자 혼합물이 분리되어 상기 둘 이상의 출력유로를 통해 배출되도록 하는 전기장생성수단을 포함한 것을 특징으로 한다.Generate a non-uniform electric field in the direction perpendicular to the flow direction of the biochemical microparticle mixture in the central channel, so that the biochemical microparticle mixture flowing through the central channel is separated and discharged through the two or more output channels It characterized by including the means.
이하, 첨부된 도면을 참조하면 본 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail a continuous biochemical microparticle analyzer according to an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기의 개략적인 구조도이고, 도 2는 평면전극의 다양한 예시도이다.FIG. 1 is a schematic structural diagram of a continuous biochemical microparticle analyzer according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is various exemplary views of planar electrodes.
이 생화학적 미소입자 분석기(10)는 기판과 전기장생성수단으로 대별된다.This biochemical microparticle analyzer 10 is roughly divided into a substrate and an electric field generating means.
기판은 생화학적 미소입자 혼합물이 입력되는 혼합물 입력유로(11)와, 입력유로(11)를 통해 입력된 생화학적 미소입자 혼합물이 분리되면서 통과하는 중앙유로(12)와, 중앙유로(12)를 통과한 생화학적 미소입자 혼합물에서 분리된 유체가 각각 배출되는 적어도 둘 이상의 출력유로(13, 14)와, 혼합물 입력유로(11)의 양쪽으로 완충용액이 공급되는 통로인 2개의 완충용액 입력유로(15)를 구비한다.The substrate comprises a mixture input channel 11 through which the biochemical microparticle mixture is input, a central channel 12 through which the biochemical microparticle mixture input through the input channel 11 is separated, and a central channel 12. At least two output passages 13 and 14 through which the separated fluid from the biochemical microparticle mixture passed through is discharged, and two buffer solution input passages, which are passages through which the buffer solution is supplied to both the mixture input passage 11 15).
전기장생성수단은 중앙유로(12) 내에 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름방향과 수직되는 방향으로 불균일 전기장을 형성하여, 중앙유로(12)를 흐르는 생화학적 미소입자 혼합물이 분리되어 둘 이상의 출력유로(13, 14)를 통해 배출되도록 한다.The electric field generating means forms a non-uniform electric field in the direction perpendicular to the flow direction of the biochemical microparticle mixture in the central channel 12, so that the biochemical microparticle mixture flowing through the central channel 12 is separated and thus two or more output channels 13 , 14).
이 전기장생성수단은 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름방향의 중심선을 중심으로 선대칭되며 중심선의 중앙, 좌, 우에 배치된 3개의 평면전극(16, 17)과, 중앙 평면전극(16)과 좌우 평면전극(17) 사이에 전기신호를 인가하는 전기신호인가수단(미도시)을 구비한다. 이 전기신호인가수단은 중앙 평면전극(16)과 좌우 평면전극(17) 사이에 교류신호를 주기적으로 단속하면서 인가한다.The electric field generating means is linearly symmetrical about the center line in the flow direction of the biochemical microparticle mixture and has three planar electrodes 16 and 17 disposed at the center, left and right of the center line, and the center planar electrode 16 and the left and right planar electrodes. An electric signal applying means (not shown) for applying an electric signal between 17 is provided. The electric signal applying means applies an AC signal periodically intermittently between the center plane electrode 16 and the left and right plane electrodes 17.
상기 3개의 평면전극 각각은 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 직사각형이거나, 도 2의 (b), (f), (h)에 도시된 바와 같이 중앙 평면전극은 중심선을 중심으로 양쪽면이 입력유로 쪽으로 테이퍼진 형상으로 구현한다.Each of the three planar electrodes is rectangular as shown in (d) of FIG. 2, or as shown in (b), (f) and (h) of FIG. The tapered shape toward the input channel is implemented.
중앙유로에 배치되는 평면전극은 도 2의 (a), (c), (e), (g)에 도시된 바와 같이 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름방향의 중심선을 중심으로 선대칭되며 상기 중심선의 좌, 우에 배치된 2개의 평면전극(21, 22)으로 이루어질 수 있다. 이때, 전기신호인가수단은 2개의 평면전극(21, 22) 사이에 전기신호를 인가한다. 이 2개의 평면전극(21, 22) 각각은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 직사각형이거나, 도 2의 (a), (e), (g)에 도시된 바와 같이 중심선으로부터 바깥면이 입력유로 쪽으로 테이퍼진 형상으로 구현한다. 전기신호인가수단은 이 2개의 평면전극(21, 22) 사이에 교류신호를 주기적으로 단속하면서 인가한다.The planar electrode disposed in the central channel is line-symmetric with respect to the center line in the flow direction of the biochemical microparticle mixture as shown in FIGS. 2A, 2C, 2E, and 2G. It may be composed of two planar electrodes 21 and 22 disposed on the right side. At this time, the electric signal applying means applies an electric signal between the two planar electrodes 21 and 22. Each of these two planar electrodes 21, 22 is rectangular as shown in Fig. 2C, or the outer surface from the center line is shown in Figs. 2A, 2E, and 2G. Tapered to the input channel. The electric signal applying means applies the AC signal periodically intermittently between the two planar electrodes 21 and 22.
상기와 같이 구성된 본 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기의 동작을 설명한다.The operation of the continuous biochemical microparticle analyzer according to one embodiment of the present invention configured as described above will be described.
본 발명은 중앙유로(12)에 평면전극들(16, 17)을 배치하고 이 평면전극들(16, 17) 간에 교류신호를 인가하여 중앙유로(12) 내에 불균일 전기장을 형성시킴으로써, 연속적인 생화학적 미소입자 혼합물을 분리한다.The present invention provides continuous biochemistry by arranging planar electrodes 16 and 17 in the central channel 12 and applying an alternating current signal between the planar electrodes 16 and 17 to form a non-uniform electric field in the central channel 12. Separate the red microparticle mixture.
혼합물 입력유로(11)로는 생화학적 미소입자 혼합물이 공급된다. 혼합물 입력유로(11)의 양측에 위치한 완충용액 입력유로(15)로는 완충용액이 공급된다. 이 양측으로 공급되는 완충용액에 의해 생화학적 미소입자 혼합물은 중앙유로(12)의 중앙선을 따라 흐르게 된다. 중앙유로(12)를 따라 생화학적 미소입자 혼합물이 흐르는 동안에 평면전극(16, 17)에 교류전원이 공급되면 중앙유로(12) 내에 불균일 전기장이 발생하고, 이 불균일 전기장에 의해 생화학적 미소입자 혼합물이 분리되어(a, b) 적어도 둘 이상의 출력유로(13, 14)로 배출된다.The mixture input flow passage 11 is supplied with a biochemical microparticle mixture. A buffer solution is supplied to the buffer solution input channel 15 located on both sides of the mixture input channel 11. The buffer solution supplied to both sides of the biochemical microparticle mixture flows along the center line of the central channel 12. When an AC power is supplied to the planar electrodes 16 and 17 while the biochemical microparticle mixture flows along the central channel 12, a nonuniform electric field is generated in the central channel 12, and the biochemical microparticle mixture is caused by the nonuniform electric field. This is separated (a, b) and discharged into at least two or more output passages 13 and 14.
도 2의 (a), (c), (e), (g)와 같이 2개의 평면전극으로 이루어진 경우에는 두 개의 평면전극(21, 22) 사이에 교류신호를 인가하고, 도 2의 (b), (d), (f), (h)와 같이 3개의 평면전극으로 이루어진 경우에는 좌우평면전극(17)을 연결하고 중앙평면전극(16)과 좌우평면전극(17) 사이에 교류신호를 인가한다.In the case of two planar electrodes as shown in FIGS. 2A, 2C, 2E, and 2G, an AC signal is applied between the two planar electrodes 21 and 22, and FIG. ), (d), (f), and (h), in the case of three planar electrodes, the left and right planar electrodes 17 are connected to each other and the AC signal between the center planar electrode 16 and the planar electrodes 17 Is authorized.
도 3은 도 2의 평면전극의 다양한 예시들 중 대표예를 도시한 도면이다. 도 3의 (a)는 2 개의 평면전극으로 이루어진 경우이다. 2개의 평면전극(21, 22) 사이에 교류전원을 인가하면, 2개의 평면전극(21, 22) 사이인 중앙유로의 중앙선에서 전기장의 최고점이 형성되고 2개의 평면전극(21, 22)의 바깥쪽 모서리에서 전기장의 최소점이 형성된다. 따라서, 전기장의 최고점으로 이동하는 생화학적 미소입자들은 중앙유로의 중앙선을 따라 흐르다가(20b) 중앙 출력유로(13)로 배출된다. 전기장의 최소점으로 이동하는 생화학적 미소입자들은 2개의 평면전극의 바깥쪽 모서리로 이동하다가(20a) 좌우 출력유로(14)로 배출된다.3 is a diagram illustrating a representative example of various examples of the planar electrode of FIG. 2. 3A illustrates a case where two planar electrodes are formed. When AC power is applied between the two planar electrodes 21 and 22, the highest point of the electric field is formed at the center line of the central flow path between the two planar electrodes 21 and 22, and the outside of the two planar electrodes 21 and 22 is formed. At the corners, the minimum of the electric field is formed. Therefore, the biochemical microparticles moving to the highest point of the electric field flow along the center line of the central channel (20b) and are discharged to the central output channel (13). The biochemical microparticles moving to the minimum point of the electric field move to the outer edges of the two planar electrodes 20a and are discharged to the left and right output channels 14.
도 3의 (b)는 3개의 평면전극으로 이루어진 경우이다. 좌우 평면전극(17)을 전기적으로 연결하고 중앙 평면전극(16)과 좌우 평면전극(17) 사이에 교류신호를 인가한다. 그러면, 중앙 평면전극(16)의 중심선에서 전기장의 최저점이 형성되고, 좌우 평면전극(17)과 중앙 평면전극(16)의 사이에 전기장의 최고점이 형성된다. 따라서, 전기장의 최저점으로 이동하는 생화학적 미소입자들은 중앙 평면전극(16)의 중심선을 따라 흐르다가(b) 중앙 출력유로(13)로 배출된다. 전기장의 최고점으로 이동하는 생화학적 미소입자들은 그 이동궤적이 중앙유로의 좌우로 휘어져서 흐르다가(a) 좌우 출력유로(14)로 배출된다.3B illustrates a case where three planar electrodes are formed. The left and right planar electrodes 17 are electrically connected to each other, and an AC signal is applied between the center planar electrode 16 and the left and right planar electrodes 17. Then, the lowest point of the electric field is formed at the center line of the center planar electrode 16, and the highest point of the electric field is formed between the left and right planar electrodes 17 and the center planar electrode 16. Therefore, the biochemical microparticles moving to the lowest point of the electric field flow along the centerline of the central planar electrode 16 (b) and are discharged to the central output channel 13. The biochemical microparticles moving to the highest point of the electric field are bent to the left and right of the central flow path (a) and discharged to the left and right output flow path 14.
도 4는 평면전극의 모서리에서의 생화학적 미소입자 포획 현상을 방지하기 위하여 평면전극에 인가되는 교류신호를 단속 제어하는 것을 도시한다. 도 2의 평면전극에 교류신호(31a)가 인가되는 동안에는 중앙유로 내에 불균일 전기장이 형성되어 생화학적 미소입자들이 분리되어 이동하고, 접지(31b)되는 동안에는 전기장이 없으므로 생화학적 미소입자는 생화학적 미소입자 혼합물의 흐름에 따라 중앙유로로 흐르게 되어 모서리에서의 입자 포획을 방지할 수 있다.4 illustrates intermittent control of an AC signal applied to the planar electrode in order to prevent biochemical microparticle trapping at the edge of the planar electrode. While the alternating current signal 31a is applied to the planar electrode of FIG. As the particle mixture flows, it flows into the central channel to prevent particle capture at the edges.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 일 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.Although the technical spirit of the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, it is intended to exemplarily describe the best embodiment of the present invention, but not to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art may make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 평면전극 면적의 증가없이 생화학적 미소입자 혼합물의 유량을 증가시키면 고속 처리가 가능해지고, 평면전극을 사용하여 소형화 및 집적화가 가능해지는 효과가 있다. 본 발명은 집적화된 생물학적 분석 시스템 상에서 생화학적 미소입자 혼합물의 분리 또는 생화학적 시료 전처리(sample preparation) 요소에 적용될 수 있다. As described above, according to the present invention, if the flow rate of the biochemical microparticle mixture is increased without increasing the area of the planar electrode, high-speed processing is possible, and the size and integration of the planar electrode can be achieved. The invention can be applied to the separation of biochemical microparticle mixtures or biochemical sample preparation elements on an integrated biological analysis system.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 연속적인 생화학적 미소입자 분석기의 개략적인 구조도,1 is a schematic structural diagram of a continuous biochemical microparticle analyzer according to one embodiment of the present invention;
도 2는 평면전극의 다양한 예시도,2 illustrates various examples of planar electrodes;
도 3은 도 2의 평면전극의 다양한 예시들 중 대표예에서의 생화학적 미소입자 혼합물의 이동궤적을 도시한 도면,3 is a diagram showing a movement trajectory of a biochemical microparticle mixture in a representative example of various examples of the planar electrode of FIG. 2;
도 4는 평면전극의 모서리에서의 생화학적 미소입자 포획 현상을 방지하기 위하여 평면전극에 인가되는 교류신호를 단속 상태를 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating an interruption state of an AC signal applied to a planar electrode in order to prevent biochemical microparticle trapping at a corner of the planar electrode.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명><Brief description of symbols for the main parts of the drawings>
11; 혼합물 입력유로 12; 중앙유로11; Mixture input channel 12; Central Euro
13; 중앙 출력유로 14; 좌우 출력유로13; Central output channel 14; Left and right output flow path
15; 완충용액 입력유로 16; 중앙 평면전극15; Buffer input channel 16; Center flat electrode
17; 좌우 평면전극17; Left and right flat electrodes
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