KR20080022035A - 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를포함하는 미세유동시스템 - Google Patents

핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를포함하는 미세유동시스템 Download PDF

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Abstract

표적 세포의 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 미세유동장치는 회전 가능한 플랫폼; 상기 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 미세 입자를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 미세 입자를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 미세 입자에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 및 상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함한다.
랩온어디스크, 미세유동장치, 핵산 검출, 중합효소연쇄반응

Description

핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템{Centrifugal force-based microfluidic device for nucleic acid detection and microfluidic system comprising the device}
본 발명은 원심력 기반의 미세유동장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 회전 가능한 플랫폼 내에 마련된 챔버, 채널 및 밸브를 포함하는 미세유동 구조물에서 플랫폼의 회전을 이용한 일련의 조작을 통해 생체 시료로부터 표적 세포의 유전자를 추출하고 PCR(polymerase chain reaction: 중합효소연쇄반응)을 통해 검출할 수 있도록 한 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템에 관한 것이다.
일반적으로 미세유동 장치를 구성하는 미세유동 구조물에는 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브, 그리고 유체를 받아 소정의 기능을 수행할 수 있는 여러 가지 기능성 유닛 등이 포함될 수 있다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 칩 형태의 기판에 이러한 미세유동 구조물을 배치한 것을 일컬어 바이오 칩이라고 하고, 특히 여러 단계의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행 할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a chip)이라 한다.
미세유동 구조물 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 디스크 형상의 플랫폼에 미세유동 구조물을 배치하여 원심력을 이용하는 미세유동 장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩온어디스크(lab-on-a disk) 혹은 랩씨디(Lab CD)라 하기도 한다.
디스크형 플랫폼 내에서 PCR을 수행할 수 있는 장치는 미국특허 제 6,706,519호, 제 6,990,290호 제 6,884,395호 및 미국 공개특허공보 제 2004-0259237호를 통해 제안된 바 있다. 그러나, 디스크형 플랫폼 내에서 생체시료로부터 표적 세포를 분리, 정제 및 농축하고, 농축된 표적 세포로부터 핵산을 추출하여 PCR을 수행할 수 있는 장치는 아직 알려진 바 없다.
본 발명은 회전 가능한 플랫폼 내에 마련된 미세유동 구조물 내에서 원심력을 이용하여 유체를 이송하면서, 미세 입자를 이용하여 생체 시료로부터 표적 세포를 분리, 정제 및 농축하고, 농축된 표적 세포로부터 핵산을 추출하여 PCR을 수행하는 일련의 작업을 자동적으로 수행할 수 있는 원심력 기반의 미세유동장치 및 이를 포함하는 미세유동시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치는, 회전 가능한 플랫폼; 상기 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 미세 입자를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 미세 입자를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 미세 입자에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 및 상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함한다.
상기 중합효소연쇄반응 유닛은, 중합효소연쇄반응용 반응액을 저장하고 상기 표적 세포 핵산 추출부로부터 이송된 표적 세포 핵산 용액을 수용하여 서로 혼합되게 하는 반응액 챔버; 및 상기 반응액 챔버와 연결되어 상기 반응액과 상기 핵산 용액의 혼합액을 수용하는 중합효소연쇄반응 챔버를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 적어도 하나의 벽면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 것일 수 있다. 이때, 상기 적어도 하나의 벽면은 상기 플랫폼의 나머지 부분을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 만들어진 것일 수 있다.
한편, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 상기 플랫폼과 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되고, 상기 중합효소연쇄반응 칩은 그 안쪽 면이 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 내부와 접하고 그 바깥쪽 면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 칩 베이스를 포함하는 것일 수도 있다. 이때 상기 칩 베이스는 상기 플랫폼을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 가지는 재료로 만들어진 것일 수 있다.
상기 중합효소연쇄반응 챔버가 상기 플랫폼으로부터 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되었는지 여부와 관계없이, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 중합효소연쇄반응 시에 밀봉되는 것일 수 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부와 상기 반응액 챔버 사이 및 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 열림 밸브가 각각 배치되고, 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브가 더 배치될 수 있다.
상기 중합효소연쇄반응 칩은 상기 중합효소연쇄반응 챔버 및 상기 중합효소연쇄반응 챔버와 연결된 입구 및 출구를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 입구 및 출구는 상기 플랫폼 내에 마련된 채널을 통해 상기 반응액 챔버 및 배기구 와 각각 연결될 수 있다. 이때, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 출구와 상기 배기구를 연결하는 채널에 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 미세 입자는, 그 표면이 표적 세포에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것일 수 있다. 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 한편, 상기 미세 입자는 강자성을 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은, 시료를 수용하는 시료 챔버; 버퍼액을 저장하는 버퍼 챔버; 상기 미세 입자를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 연결되고 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버의 출구에 배치된 열림 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 상기 플랫폼의 중심에서 가장 먼 쪽에 열림 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 미세 입자와 시료의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 미세 입자 세정을 수행하는 혼합 챔버; 상기 혼합 챔버의 출구보다 상기 플랫폼의 중심에 가까운 부분과 채널로 연결되어 상기 채널에 배치된 열림 밸브 및 닫힘 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및 상기 혼합 챔버의 출구와 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 미세 입자를 포함한 유체를 수용하고, 상기 플랫폼 외부에서 조사된 전자기파에 의한 세포 용해를 수행하는 세포 용해 챔버를 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포 용해 챔버보다는 상기 플랫폼의 중심에 가까이 배치된 것일 수 있다. 또한, 상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은 상기 혼합 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에 가깝게 배치되고 상기 혼합 챔버에 연결되어 상기 혼합 챔버에 상기 미세 입자를 공급하는 미세 입자 챔버를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 미세 입자 챔버와 상기 혼합 챔버 사이에 열림 밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 세포 용해 챔버는 상기 미세 입자를 포함한 유체에 대하여 세포 용해를 수행한 이후에 상기 미세 입자를 남기고 유체만 배출하도록 배치된 출구를 가지는 것일 수 있다. 한편, 상기 미세 입자를 상기 세포 용해 챔버에 트랩(trap)하기 위한 수단의 일 예로서, 상기 미세 입자로서 자성을 띠는 자성 비드를 채용하고, 상기 세포 용해 챔버에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 자성 비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 포함할 수도 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은 상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 혼합 챔버로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 열림 밸브는, 초기 상태에서 밸브 플러그가 유로의 단면적이 좁은 부분을 막도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 용융되면 유로의 단면적이 상대적으로 큰 인접 부분으로 팽창하여 이동하면서 유로를 열도록 구성되고, 상기 밸브 플러그는, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 밸브 물질로 만 들어진 것일 수 있다.
상기 닫힘 밸브는, 초기 상태에서 밸브 물질이 유로와 연결된 밸브 챔버에 저장되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 용융 및 팽창되면서 상기 유로를 막도록 구성되고, 상기 밸브 물질은, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 본 발명의 표적 세포의 핵산 검출을 위한 미세유동장치는, 제1층과 상기 제1층의 위 또는 아래에 인접하게 배치된 제2층을 가지는 회전 가능한 플랫폼; 상기 플랫폼의 제1층에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 자성 비드를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 자성 비드를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 자성 비드에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 상기 플랫폼의 제2층에 배치되고, 상기 표적 세포 핵산 추출부 내에서의 상기 자성 비드의 이동 경로를 따라 상기 플랫폼의 중심으로부터 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하는 가이드 레일; 상기 가이드 레일 내에 이동 가능하게 배치되고, 상기 미세유동 구조물 내의 자성 비드의 위치를 변화시킬 정도의 자기력을 갖는 제1자석; 상기 플랫폼 외부에 상기 제2층에 가깝게 배치되고, 상기 제1자석의 위치를 변화시킬 수 있을 정도의 자기력을 갖는 제2자석; 및 상기 플랫폼의 제1층에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함한다.
상기 중합효소연쇄반응 유닛은, 중합효소연쇄반응용 반응액을 저장하고 상기 표적 세포 핵산 추출부로부터 이송된 표적 세포 핵산 용액을 수용하여 서로 혼합되게 하는 반응액 챔버; 및 상기 반응액 챔버와 연결되어 상기 반응액과 상기 핵산 용액의 혼합액을 수용하는 중합효소연쇄반응 챔버를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 적어도 하나의 벽면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 것일 수 있다. 이때 상기 적어도 하나의 벽면은 상기 플랫폼의 나머지 부분을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 만들어진 것일 수 있다.
한편, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 상기 플랫폼과 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되고, 상기 중합효소연쇄반응 칩은 그 안쪽 면이 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 내부와 접하고 그 바깥쪽 면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 칩 베이스를 포함하는 것일 수도 있다. 이때 상기 칩 베이스는 상기 플랫폼을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 가지는 재료로 만들어진 것일 수 있다.
상기 중합효소연쇄반응 챔버가 상기 플랫폼으로부터 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되었는지 여부와 관계없이, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 중합효소연쇄반응 시에 밀봉되는 것일 수 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부와 상기 반응액 챔버 사이 및 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 열림 밸브가 각각 배치되고, 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브가 더 배치될 수 있다.
상기 중합효소연쇄반응 칩은 상기 중합효소연쇄반응 챔버 및 상기 중합효소연쇄반응 챔버와 연결된 입구 및 출구를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 입구 및 출구는 상기 플랫폼 내에 마련된 채널을 통해 상기 반응액 챔버 및 배기구와 각각 연결될 수 있다. 이때, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 출구와 상기 배기구를 연결하는 채널에 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 자성 비드는, 그 표면이 표적 세포에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것일 수 있다. 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 한편, 상기 자성 비드는 강자성을 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은, 시료를 수용하는 시료 챔버; 버퍼액을 저장하는 버퍼 챔버; 상기 자성 비드를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 연결되고 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버의 출구에 배치된 열림 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 상기 플랫폼의 중심에서 가장 먼 쪽에 열림 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 미세 입자와 시료의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 자성 비드 세정을 수행하는 혼합 챔버; 상기 혼합 챔버의 출 구보다 상기 플랫폼의 중심에 가까운 부분과 채널로 연결되어 상기 채널에 배치된 열림 밸브 및 닫힘 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및 상기 혼합 챔버의 출구와 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 자성 비드를 포함한 유체를 수용하고, 상기 플랫폼 외부에서 조사된 전자기파에 의한 세포 용해를 수행하는 세포 용해 챔버를 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포 용해 챔버보다는 상기 플랫폼의 중심에 가까이 배치된 것일 수 있다. 또한, 상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은 상기 혼합 챔버의 출구 및 상기 세포 용해 챔버에 연결되고, 상기 혼합 챔버로부터 배출된 자성 비드를 수집하는 자성 비드 수집 챔버를 더 포함하고, 상기 자성 비드 수집 챔버는 상기 세포 용해 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 더 멀리 배치되고, 상기 가이드 레일은 상기 자성 비드 수집부와 상기 세포 용해 챔버를 연결하는 채널과 나란하게 형성된 구간을 가지는 것일 수 있다.
상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 혼합 챔버로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 열림 밸브는, 초기 상태에서 밸브 플러그가 유로의 단면적이 좁은 부분을 막도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 용융되면 유로의 단면적이 상대적으로 큰 인접 부분으로 팽창하여 이동하면서 유로를 열도록 구성되고, 상기 밸브 플러그는, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자 가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 밸브 물질로 만들어진 것일 수 있다.
상기 닫힘 밸브는, 초기 상태에서 밸브 물질이 유로와 연결된 밸브 챔버에 저장되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 용융 및 팽창되면서 상기 유로를 막도록 구성되고, 상기 밸브 물질은, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동 시스템은, 회전 가능한 플랫폼; 상기 플랫폼을 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부; 상기 플랫폼 내의 선택된 영역에 전자기파를 조사하는 외부에너지원; 상기 플랫폼이 정지된 상태에서 상기 플랫폼 내의 선택된 영역과 열 교환을 통해 상기 영역의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛; 상기 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 미세 입자를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 미세 입자를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 미세 입자에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 및 상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함한다.
상기 온도 제어 유닛은 상기 플랫폼이 정지된 때에 상기 선택된 영역과 접촉 하는 열 교환부; 상기 열 교환부를 가열하는 히터; 및 상기 열 교환부를 냉각하는 냉각기를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시형태에 따르면, 본 발명의 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동 시스템은, 제1층과 상기 제1층의 위 또는 아래에 인접하게 배치된 제2층을 가지는 회전 가능한 플랫폼; 상기 플랫폼을 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부; 상기 플랫폼 내의 선택된 영역에 전자기파를 조사하는 외부에너지원; 상기 플랫폼이 정지된 상태에서 상기 플랫폼 내의 선택된 영역과 열 교환을 통해 상기 영역의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛; 상기 플랫폼의 제1층에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 자성 비드를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 자성 비드를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 자성 비드에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 상기 플랫폼의 제2층에 배치되고, 상기 표적 세포 핵산 추출부 내에서의 상기 자성 비드의 이동 경로를 따라 상기 플랫폼의 중심으로부터 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하는 가이드 레일; 상기 가이드 레일 내에 이동 가능하게 배치되고, 상기 미세유동 구조물 내의 자성 비드의 위치를 변화시킬 정도의 자기력을 갖는 제1자석; 상기 플랫폼 외부에 상기 제2층에 가깝게 배치되고, 상기 제1자석의 위치를 변화시킬 수 있을 정도의 자기력을 갖는 제2자석; 및 상기 플랫폼의 제1층에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연 쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함한다.
상기 온도 제어 유닛은 상기 플랫폼이 정지된 때에 상기 선택된 영역과 접촉하는 열 교환부; 상기 열 교환부를 가열하는 히터; 및 상기 열 교환부를 냉각하는 냉각기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 미세유동 시스템은 상기 제2자석의 위치를 상기 플랫폼의 회전 반지름 방향을 따라 이동시킬 수 있는 제2자석 이동수단을 더 포함할 수 있다.
본 명세서에서 세포는 생물학적 의미의 세포뿐만 아니라 복제 가능한 유전자로서의 핵산을 갖는 개체를 모두 포함한다. 따라서, 동물성 세포나 박테리아 뿐만 아니라 바이러스도 포함된다. 표적 세포에 해당할 수 있는 주된 대상은 동물 또는 인체에 감염될 가능성이 있는 병원체이며, 예를 들면, 바이러스(virus), 리케차(rickettsia), 박테리아(bacteria), 진균, 스피로헤타(spirochaetales), 및 원충 등이다. 또한, 생체 시료 또는 시료는 인체 또는 동물로부터 얻어지는 유체 상태의 물질을 의미하며, 예를 들면 혈액, 소변, 타액 등이 이에 해당한다.
또한, 본 명세서에서 미세유동 구조물이란 챔버, 채널 및 밸브를 포함하여 그 내무에 유체가 머무르거나 흐를 수 있는 구조물을 의미한다. 유로는 이러한 미세유동 구조물 중에서 유체가 흐를 수 있는 구조물을 통틀어 칭한 것이다. 따라서 유로는 특정한 형태의 구조물에 한정되는 것이 아니라 채널의 형태를 가지는 것일 수도 있고, 챔버와 챔버 사이의 작은 구멍과 같은 형태를 가지는 것일 수도 있다.
본 발명에 따르면 생체 시료로부터 표적 세포를 분리, 정제 및 농축하고, 농 축된 표적 세포로부터 핵산을 추출하고, PCR을 수행하여 유전적 특성을 검출하는 일련의 작업을 하나의 장치 내에서 자동으로 신속하게 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동장치의 한 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 원심력 기반의 미세유동장치(101)는 회전 가능한 디스크 형상의 플랫폼(100)을 갖는다. 다만, 상기 플랫폼(100)이 디스크 형상을 가지는 것으로만 한정되는 것은 아니다. 상기 플랫폼(100)에는 하나 또는 다수의 미세유동 구조물이 마련될 수 있다. 예를 들면, 상기 플랫폼(100)을 수 개의 부채꼴 형태의 영역으로 나누고 각 영역마다 서로 독립적으로 작동되는 미세유동 구조물이 마련될 수 있다.
상기 플랫폼(100)에 마련된 미세유동 구조물은 다수의 챔버와 이들을 연결하는 다수의 채널, 그리고 상기 다수의 채널을 통한 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함한다. 이러한 구조물들은, 서로 포개져서 상기 디스크 형상의 플랫폼(100)을 이루는 두 개의 디스크가 마주하는 면 중 어느 한쪽 또는 양쪽에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 두 개의 디스크 중 상부 디스크는 유체의 이동이나 반응에 대한 검출이 가능하도록 투명한 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 이와 같은 미세유동 구조물을 제조하는 방법은 본 발명의 기술 분야에서 이미 알려진 바 있다.
본 실시예에 따른 미세유동장치(101)에서 이러한 미세유동 구조물은 그 기능에 따라 크게 두 그룹으로 나뉠 수 있다. 하나는 주입된 생체 시료로부터 표적 세 포를 분리, 정제 및 농축하고, 농축된 표적 세포를 파괴하여 핵산을 추출하는 기능을 갖는 이른바 표적 세포 핵산 추출부이고, 나머지 하나는 이렇게 추출된 핵산이 포함된 유체를 중합효소연쇄반응 반응액(PCR reagent)과 혼합하고, 그 혼합액에 대하여 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응 유닛이다. 상기의 두 그룹은 구조적으로는 채널을 통해 서로 연결되어 있고, 기능적으로는 주입된 생체 시료로부터 표적 세포, 특히 병원체(pathogen)를 추출하고 그 유전적 특성을 파악할 수 있도록 하는 작업을 자동적으로 수행되는 일련의 조작을 통해 완성할 수 있도록 유기적으로 결합되어 있다.
먼저 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물을 살펴보면 다음과 같다. 상기 미세유동 구조물은, 유체 시료를 수용하는 시료 챔버(21)와 버퍼액을 수용하는 버퍼 챔버(40)를 구비한다. 상기 시료 챔버(21) 및 상기 버퍼 챔버(40)는 각각 주입구(미도시)를 구비하고, 사용자는 상기 주입구를 통해 시료와 적절한 버퍼액을 주입할 수 있다. 버퍼액은 제조자에 의해 미리 주입될 수도 있다.
상기 플랫폼(100)의 중심으로부터 상기 두 챔버보다 먼 위치에는 혼합 챔버(50)가 배치되고, 상기 혼합 챔버(50)는 상기 시료 챔버(21) 및 상기 버퍼 챔버(40)와 각각 유체 이동 통로인 채널을 통해 연결된다. 상기 각 챔버(21, 40)에는 각각 유체의 흐름을 통제하는 열림 밸브(131, 134, 139)가 마련된다. 상기 시료 챔버(21)에는 시료를 원심분리하고 분리된 일부분만을 상기 혼합 챔버(50)로 배출하는 원심분리 유닛(20)이 마련될 수도 있다. 이 경우 상기 시료 챔버(21)와 연결된 열림 밸브(131)는 상기 시료 챔버(21)에 직접 연결되지 않고 도 1에 도시된 바와 같이 상기 원심분리 유닛(20)의 출구에 배치될 수도 있다. 상기 침전물 수집부(23)와 상기 시료 챔버(21) 또는 상기 상층액 채널(22)은 배기관 및 잉여시료 수집 챔버(24)를 통해 연결될 수 있다.
상기 원심분리 유닛(20)은 상기 시료 챔버(21)의 출구로부터 플랫폼(100)의 바깥쪽으로 연장된 상층액 채널(22)과 상기 채널(22)의 단부에 마련된 단면적이 확장된 침전물 수집부(23)를 포함하고, 상기 상층액 채널(22)의 일 부분이 상기 열림 밸브(131)를 통해 상기 혼합 챔버(50)로 연결될 수 있다. 원심분리 유닛(20)의 기능을 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어, 상기 시료 챔버(21)에 전혈(whole blood)을 주입하고, 상기 플랫폼(100)를 회전시키면, 무거운 혈구들은 상기 침전물 수집부(23)에 수집되고, 상기 상층액 채널(22)은 대부분 혈장으로 채워지게 된다. 이때, 상기 혼합 챔버(50)로 연결된 열림 밸브(131)가 개방되면, 상기 상층액 채널(22) 중에서 상기 열림 밸브(131)보다 회전의 중심에 가까운 부분에 채워져 있던 혈장이 상기 혼합 챔버(50)로 이송된다. 이러한 원심분리 유닛(20)에 의해 핵산 추출액에 중합효소연쇄반응(PCR)을 저해할 수 있는 요소가 혼입될 가능성을 미리 감소시킬 수 있다. 다만, 원심분리할 필요가 없는 시료를 대상으로 하는 작업 수행을 위해서는 상기 열림 밸브(131)가 상기 시료 챔버(21)의 출구에 배치될 수도 있다.
상기 혼합 챔버(50)는 상기 플랫폼(100)의 중심에서 가장 먼 쪽에 출구를 가지고, 상기 출구에는 열림 밸브(136)가 마련된다. 상기 혼합 챔버(50)는 그 출구의 열림 밸브(136)에 가까운 부분의 단면적이 좁은 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 열림 밸브(136) 안쪽의 일부분이 채널 형태로 만들어질 수도 있다. 상기 혼합 챔 버(50)는 미세 입자(미도시)를 수용하고, 상기 시료 챔버(21)로부터 유입된 시료와 상기 미세 입자를 혼합할 수 있다. 상기 혼합 챔버(50) 내에서 시료 중의 표적 세포가 상기 미세 입자의 표면에 특이적으로 결합하는 반응이 수행된다. 상기 혼합 챔버(50)는 상기 버퍼 챔버(40)로부터 버퍼액을 공급받기도 한다.
상기 혼합 챔버(50)보다 플랫폼(100)의 중심으로부터 가까운 위치에 미세 입자를 수용하는 별도의 미세 입자 챔버(30)를 더 구비할 수 있고, 이 경우 상기 미세 입자 챔버(30)와 상기 혼합 챔버(50)를 연결하는 유로에 열림 밸브(132)를 구비할 수 있다. 상기 미세 입자(미도시)는 소정의 유체에 분산된 형태로 상기 미세 입자 챔버(30)에 주입되고 상기 열림 밸브(132)를 통해 상기 혼합 챔버(50)로 유입될 수 있다.
상기 미세 입자는 혈액(혈장, 혈청), 타액, 소변 등의 생체 시료로부터 표적 세포(주로 병원체)를 포집할 수 있도록, 상기 표적 세포와의 특이적 결합이 가능한 표면을 갖는다. 상기 미세 입자의 표면은 표적 세포에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 처리될 수 있다.
상기 항체는 원하는 특정 병원체(pathogen)만 선택적으로 포집할 수 있기 때문에, 매우 낮은 농도의 병원체를 검출하고자 하는 경우에 유용하다. 특정 병원체에 특이적으로 결합할 수 있는 항체가 결합된 미세 입자는 Invitrogen, Qiagen 사 등에서 시판하고 있으며, 구체적인 예로는 Dynabeads
Figure 112007056094881-PAT00001
Genomic DNA Blood (Invitrogen), Dynabeads
Figure 112007056094881-PAT00002
anti-E.coli O157(Invitrogen), CELLectionTM Biotin Binder Kit (Invitrogen), MagAttract Virus Min M48 Kit(Qiagen) 등이 있다. 예시한 미세 입자를 이용하여 디프테리아 독소(Diphtheria toxin), 엔테로코커스 패시움(Enterococcus faecium), 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori), HBV, HCV, HIV, 인플루엔자(Influenza) A, Influenza B, 리스테리아(Listeria), 마이코플라스마 뉴모니애(Mycoplasma pneumoniae), 슈도모나스 종(Pseudomonas sp.), 루벨라 바이러스(Rubella virus), 로타바이러스(Rotavirus) 등을 분리할 수 있다.
상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4, 또는 HfO2 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 금속 산화물은 바람직하게는 Al2O3 또는 TiO2 이며, 더욱 바람직하게는 Al2O3 이다. 상기 금속 산화물의 증착은 PVD(physical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 졸-겔 방법 등에 의해 수행될 수 있다. 미세 입자의 표면에 금속 산화물을 증착하는 방법은 공지된 기술로서, 일반적으로 PVD(physical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 졸-겔 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
상기 미세 입자는 크기가 50nm ~ 1,000㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 1㎛ ~ 50㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 미세 입자는 2 가지 이상의 크기를 갖는 입자들이 혼합된 것일 수 있다. 즉, 상기 미세 입자는 동일한 크기일 수도 있고, 서로 상이한 크기를 갖는 입자들의 혼합물일 수도 있다. 상기 미세 입자는 일 예로 자성을 띠는 자성 비드일 수도 있다. 상기 자성 비드의 재료로는 자성을 띠는 것이면 어느 것이라도 가능하다. 특히, 강자성를 띠는 Fe, Ni, Cr 의 금속 및 이 의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함할 수 있다.
상기 플랫폼(100)의 중심에서 상기 혼합 챔버(50)보다 먼 위치에는 웨이스트 챔버(60)가 배치된다. 상기 웨이스트 챔버(60)는 다수의 채널을 통해 상기 혼합 챔버(50)의 상기 출구에 가까운 부분, 즉 전술한 바와 같이 단면적이 좁은 부분에 연결될 수 있다. 다만, 상기 채널이 연결된 부분과 상기 혼합 챔버(50) 출구의 열림 밸브(136) 사이에는 상기 혼합 챔버(50)에 수용된 미세 입자들이 원심력에 의해 모여 있을 수 있을 정도의 공간을 확보하는 것이 바람직하다. 상기 웨이스트 챔버(60)로 연결된 채널에도 유체의 흐름을 통제하기 위해 채널을 여는 열림 밸브(133, 135) 및 채널을 닫는 닫힘 밸브(141, 142)가 마련된다.
한편, 상기 플랫폼(100)의 중심으로부터 상기 혼합 챔버(50)의 출구보다 먼 위치에 세포 용해 챔버(70)가 배치된다. 상기 세포 용해 챔버(70)는 그 입구가 채널을 통해 상기 혼합 챔버(50) 출구의 열림 밸브(136)와 연결된다. 상기 세포 용해 챔버(70)의 출구는 미세 입자를 포함한 유체에 대하여 세포 용해를 수행한 이후에 상기 미세 입자를 남기고 유체만 배출하도록 배치될 수도 있다. 예를 들면, 상기 미세 입자를 원심력에 의해 상기 세포 용해 챔버(70) 내에 가두어 둘 수 있도록 열림 밸브(137)가 마련된 출구보다 바깥쪽에 미세 입자를 트랩(trap)하기 위한 공간을 남겨둘 수 있다. 다른 예로서, 상기 미세 입자가 자성을 띠는 자성 비드인 경우에는, 상기 세포 용해 챔버에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 자성 비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 포함할 수 있다. 자기장 형성물질은 예를 들면 영구자석일 수 있다. 다만, 상기 세포 용해 챔버(70) 내에 미세 입자를 반드시 트랩하 여야 하는 것은 아니다. 세포 용해를 작업을 수행한 이후에 핵산이 용해되어 있는 용액과 미세 입자를 함께 배출할 수도 있다.
상기 혼합 챔버(50) 출구의 열림 밸브(136)와 상기 세포 용해 챔버(70)를 연결하는 채널에는 닫힘 밸브(142)가 더 구비될 수 있다. 이 경우 상기 닫힘 밸브(142)는 전자기파를 이용한 세포 용해 시에 상기 세포 용해 챔버(70)를 밀봉하는 역할을 한다.
상기 세포 용해 챔버(70)는 그 표면에 표적 세포 또는 바이러스를 포집된 미세 입자를 가두어 두고, 외부로부터의 전자기파 조사를 수반하는 세포 용해 작업, 예를 들면 레이저 어블레이션(laser ablation)에 의한 세포 용해 작업을 수행한다. 전자기파 및 미세 입자를 이용한 신속한 세포 용해는 액체 배지에서 가열 및 전자기파에 의한 어블레이션(ablation)에 의해 수행된다. 전자기파는 미세 입자에 에너지를 공급하여 상기 미세 입자에 부착된 세포에 열을 공급함과 동시에, 상기 미세 입자에 물리적, 기계적 충격을 가함으로써 세포를 용해시킨다.
미세 입자와 전자기파를 이용한 세포용해의 큰 장점 중 하나는 핵산 분리 단계를 줄일 수 있다는 것이다. 세포 용해는 일반적으로 단백질 변성을 수반하는데, 변성된 단백질 및 세포 찌꺼기는 중합효소연쇄반응을 이용한 핵산 증폭에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 본 발명의 장치에서와 같이 세포 용해에 미세 입자를 이용하면 핵산 이외의 변성된 단백질 및 세포 찌꺼기들이 미세 입자 표면에 다시 부착된다. 이러한 미세 입자를 중력, 원심력 또는 자기력에 의해 핵산 추출 용액으로부터 분리함으로써 세포 용해 후 별도로 핵산 용액을 정제하는 단계를 생략할 수 있다. 이는 표적 물질의 검출 한계를 낮추고, 핵산 추출 단계를 한 단계 줄임으로써 핵산 추출 시간을 대폭 절감하고, 신호 진폭을 증가시킴으로써 중합효소연쇄반응(PCR)을 통한 분석을 현저하게 개선한다. 전자기파 및 미세 입자를 이용하여 세포를 파괴하는데 요구되는 시간은 대략 30~40초 정도일 수 있다.
전자기파를 이용한 어블레이션의 예로 레이저 어블레이션을 들 수 있다. 레이저 어블레이션이란 레이저 빔에 노출된 소재에 발생하는 현상을 총칭한다. 레이저 어블레이션에 의해 소재(예를 들면, 미세 입자) 표면의 온도는 수백에서 수천도까지 급속히 상승하며 소재 표면의 온도가 증발점 이상으로 상승하면 액체 상태 재료의 증발과 함께 표면에서의 포화증기압도 급속히 상승한다. 포화증기압은 Clausius-Clapeyron 식에 의해 온도의 함수로 표시되며 고출력 펄스 레이저 가공의 경우 보통 수십기압 이상까지 상승한다. 증기의 분출과 함께 증기에 의해 소재 표면에 작용하는 압력을 반발압력이라고 하며 반발압력의 크기는 증기압을 Psat 라고 할 때 약 0.56Psat 정도 된다.
충격파는 주로 펄스 레이저와 같이 순간 강도가 매우 큰 레이저 가공에서 발생한다. 수나노 초 또는 수십나노 초 사이의 짧은 시간 동안에 온도가 증발점 이상으로 가열된 재료 표면에서 발생된 증기는 압력이 수기압에서 수십기압까지 상승하며, 주변의 대기 중으로 팽창해 나가면서 충격파를 형성한다. 매우 큰 압력으로 인해 팽창하는 증기는 소재에도 약 0.56Ps (여기에서 Ps 는 표면에서의 포화증기압이다)의 압력이 작용된다.
상기 레이저는 펄스 레이저 또는 연속파동 레이저를 포함할 수 있다. 너무 낮은 레이저 출력에서는 효율적으로 레이저 어블레이션 작업을 수행할 수 없으며, 레이저 출력은 연속파동(CW)의 경우 10mW 이상, 펄스 레이저의 경우 1mJ/펄스 이상을 전달해 주어야 한다. 바람직하게는 상기 펄스 레이저가 3mJ/펄스 이상이고, 연속파동 레이저가 100mW 이상의 출력을 가진다. 이는 연속파동의 경우 10mW 미만이고, 펄스 레이저의 경우 1mJ/펄스 미만이면 세포를 파괴하는 충분한 에너지 전달이 되지 않는 문제가 발생하기 때문이다.
레이저 어블레이션에 의한 세포용해를 수행하는 경우, 상기 레이저는 상기 미세 입자가 흡수하는 특정 파장대에서 발생하는 것이어야 한다. 상기 레이저는 400nm 이상의 파장대에서 발생하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 레이저는 750nm ~ 1300nm의 파장대에서 발생하는 것이 바람직하다. 이는 400nm 미만의 파장에서는 핵산의 변성 또는 손상의 문제가 발생하고, 1300nm보다 큰 파장은 상당 부분의 에너지가 물에 의해 흡수되기 때문이다. 또한, 상기 레이저는 하나 이상의 파장대에서 발생할 수 있다. 즉, 레이저는 상기 파장 범위내의 하나의 파장일 수도 있고, 파장이 서로 상이한 2 이상의 파장일 수도 있다.
상기 표적 세포 핵산 추출부의 작동 원리 및 구체적인 작동 방법에 대해서는 본 발명의 공동 발명자들이 Lab on a Chip 학회지에 게재한 논문[One-step pathogen specific DNA extraction from whole blood on a centrifugal microfluidic device, Lab Chip , 2007, 7, 565-573]에도 상세히 기재되어 있다.
본 발명의 미세유동장치에 대한 이해를 돕기 위해 상기 도 1의 실시예에 따 른 표적 세포 핵산 추출부에서 혈액 샘플로부터 HBV의 DNA를 추출하는 과정을 보인다.
실험에 앞서 미세 입자를 준비한다.
1) 미세 입자의 표면 개질을 위한 항체 준비
비오틴이 부착된 B형 간염 바이러스 표면 항원에 특이적 친화성을 가지는 이차항체(Virostat, 1817, host animal: rabbit) 용액 10㎕를 준비한다.
2) 미세 입자 준비
미세 입자의 일 예로서 자성 비드인 스트렙트아비딘으로 레이블된 직경 1.0㎛의 Dynabeads® Streptavidin C1 100㎕를 혼합하여 균질 용액을 제조하였다. 제조된 용액 100㎕를 튜브에 담고, 자석에 놓고 2분 동안 방치하였다. 피펫으로 상층액을 취해서 제거하였다. 튜브를 자석에서 꺼내고, 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4)을 100㎕ 첨가하고 혼합하였다. 다시 자석에 놓고 2분 동안 방치하였다. 피펫으로 상층액을 취해서 제거하였다. 튜브를 자석에서 꺼내고, 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4)을 100㎕ 첨가하고 혼합하였다.
3) 항체를 이용한 미세 입자의 예비코팅
상기와 같이 준비된 자성 비드 용액 100㎕에 비오틴이 부착된 HBV 이차항체(Virostat, 1817) 8㎍ 를 넣고 혼합하였다. 수차례 뒤집어 혼합하면서 실온에서 30분 동안 인큐베이션(incubation)하였다. 자석을 이용하여 상기 자성 비드를 2분 동안 모으고, 상층액을 제거하였다. 세정 완충액(1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4) 2 ml 을 첨가하여 수차례 뒤집어 혼합하였다. 자석을 이용하여 자성 비드를 1분 동안 모으고, 상층액을 제거하였다. 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4) 100㎕를 첨가하여 예비 코팅된 자성 비드를 재 현탁하였다.
위와 같은 과정으로 준비된 자성 비드와 상기 도 1의 실시예에 따른 미세유동장치(101)의 표적 세포 핵산 추출부를 이용하여 혈액으로부터 HBV의 DNA 추출하는 실험을 다음과 같이 진행하였다.
먼저 시료 챔버(21)에 HBV가 스파이크된 혈액 100㎕를, 미세 입자 챔버(30)에는 표면에 항체가 부착된 자성 비드(M1) 용액 100㎕를, 버퍼 챔버(40)에는 PBS 버퍼액 100㎕를 각각 주입하고, 플랫폼(100)을 회전시키면서 원심분리 유닛(20)을 이용하여 상기 혈액 샘플을 원심분리한다.
그 다음, 상기 원심분리 유닛(20)과 혼합 챔버(50) 사이의 밸브(131)를 열어 분리된 혈장 30㎕를 상기 혼합 챔버(50)로 이송하는 한편, 상기 미세 입자 챔버(30)와 혼합 챔버(50) 사이의 열림 밸브(132)를 열어 자성 비드 용액을 역시 상기 혼합 챔버(50)로 이송한다.
플랫폼(100)를 양 방향으로 번갈아가며 5분간 회전시키면서, 상기 자성 비드를 혈장과 혼합하고 상기 자성 비드 표면에 표적 세포인 HBV를 포집한다. 그런 다음, 플랫폼(100)를 다시 한 방향으로 회전시켜 자성 비드를 상기 혼합 챔버(50)의 출구 쪽으로 격리한다.
상기 혼합 챔버(50)와 웨이스트 챔버(60) 사이의 개방 밸브(133)를 열어 상층액(HBV가 분리되고 남은 잔여 혈장)을 상기 웨이스트 챔버(60)로 배출하고, 상기 열림 밸브(133)와 같은 채널에 배치된 닫힘 밸브(141)를 닫는다. 그런 다음, 상기 버퍼 챔버(40)와 혼합 챔버(50) 사이의 열림 밸브(134)를 열어 상기 버퍼액을 상기 혼합 챔버(50)로 이송한다.
다시 상기 플랫폼(100)를 양 방향으로 번갈아가며 20초간 회전시키면서, 상기 버퍼액으로 상기 자성 비드를 세정한다. 그런 다음, 자성 비드를 다시 격리하고, 상기 웨이스트 챔버(60)와 연결된 채널의 두 번째 열림 밸브(135)를 열어 버퍼액을 배출한다. 상기 혼합 챔버(50)의 출구에 마련된 열림 밸브(136)를 열고, 상기 혼합 챔버(50) 내의 자성 비드를 세포 용해 챔버(70)로 이송한다.
그 다음, 상기 세포 용해 챔버(70)로 통하는 채널의 닫힘 밸브(142)를 닫고, 상기 세포 용해 챔버(70)에 레이저빔을 조사하여 레이저 어블레이션을 수행한다. 이때, 전술한 바와 같이, 상기 자성 비드 표면에 부착된 HBV가 파괴되면서 DNA를 내어 놓고, HBV의 파괴 시에 발생한 찌꺼기들은 다시 자성 비드 표면에 부착된다. 따라서, 상기 세포 용해 챔버(70) 출구의 열림 밸브(137)를 열면 바로 PCR을 수행할 수 있을 정도의 DNA 용액이 배출된다.
이어서, 상기 중합효소연쇄반응 유닛의 미세유동 구조물을 살펴보면 다음과 같다. 상기 세포 용해 챔버(70)보다 상기 플랫폼(100)의 중심으로부터 먼 위치에 중합효소연쇄반응 반응액(PCR reagent)를 저장하는 반응액 챔버(80)가 배치된다. 중합효소연쇄반응 반응액은 핵산 증폭에 필요한 물질들을 포함한다. 상기 반응액 챔버(80)는 상기 세포 용해 챔버(70)로부터 핵산이 포함된 유체를 수용하고, 이를 상기 중합효소연쇄반응 반응액과 혼합하여 출구에 마련된 열림 밸브(138)를 통해 배출한다. 상기 중합효소연쇄반응 반응액은 실시간 중합효소연쇄반응(real-time PCR)을 위한 반응액일 수 있다.
상기 반응액 챔버(80)는 채널을 통해 중합효소연쇄반응 챔버(92)와 연결된다. 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)의 입구(91)는 상기 반응액 챔버(80) 출구보다 상기 플랫폼(100)의 중심으로부터 멀리 배치된다. 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)는 이상의 다른 챔버들과 마찬가지로 상기 플랫폼(100)에 일체화된 하나의 공간일 수도 있고, 상기 플랫폼(100)과 분리 가능하게 결합된 중합효소연쇄반응 칩(94) 내부의 공간일 수도 있다. 후자의 경우 상기 중합효소연쇄반응 칩(94)은 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)와 연결된 입구(91) 및 출구(93)를 가지고, 상기 입구(91)와 출구(93)는 상기 플랫폼(100) 내에 마련된 채널들과 각각 연결될 수 있다. 상기 출구(93)와 연결된 채널은 배기구와 연결될 수 있고, 상기 배기구는 도면에 보이는 바와 같이 상기 반응액 챔버(80)보다 플랫폼(100)의 중심에 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 상기 중합효소연쇄반응 칩(94)은 다양한 형태로 상기 플랫폼(100)에 고정될 수 있으며, 예를 들면 상기 플랫폼(100)에 체결된 후면 커버(95)에 의해 고정될 수 있다. 이하에서는 상기 중합효소연쇄반응 칩(94)과 상기 후면 커버(95)를 통틀어 중합효소연쇄반응 칩 유닛(90)이라 부르기로 한다.
상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)의 입구(91)에 연결된 채널과 출구(93)에 연결된 채널에는 각각 닫힘 밸브(143, 144)가 마련될 수 있다. 상기 닫힘 밸브(143, 144)들은 중합효소연쇄반응 수행 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)를 밀봉하는 역할을 한다.
상기 중합효소연쇄반응 칩(94)의 구체적인 예에 관하여는 본 발명의 공동발 명자가 Lab on a Chip 학회지에 게재한 논문 [Microchip-based on step DNA extraction and real-time PCR in one chamber for rapid pathogen identification, Lab Chip , 2006, 6, 886-895]을 참고할 수 있다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에 채용된 열림 밸브의 예를 보이는 단면도이다. 본 발명에 따른 원심력 기반의 미세유동장치에는 다양한 형태의 열림 밸브(normally closed valve)가 채용될 수 있다. 본 도면은 일 예를 도시한 것으로서, 플랫폼(100) 내에 설치되고 상기 플랫폼(100) 외부에서 조사된 전자기파에 의해 작동되는 상전이형 열림 밸브에 관한 것이다.
상기 열림 밸브(131)는 상기 플랫폼을 이루는 상판(110)과 하판(120) 사이에 입체적 또는 평면적인 형태로 만들어지고, 상온에서 고체 상태인 상전이 물질에 발열 입자가 분산된 밸브 플러그(V1)를 포함한다. 상기 고체 상태의 밸브 플러그(V1)는 채널(C)의 단면적이 좁은 초기 위치에 배치되고, 그에 인접하게 채널(C)의 폭 또는 깊이가 확장되어 여유공간을 제공한다. 상기 밸브 플러그(V1)는 용융된 상태로 상기 상판(110)의 개구부(110A)를 통해 주입되고 단면적이 좁은 부분에 채워져서 채널(C)을 차단한다. 상기 밸브 플러그(V1)는 고온에서 용융되어 인접한 여유공간으로 이동하여, 유로를 개방한 채로 다시 응고된다.
상기 밸브 플러그(V1)에 열을 가하기 위해서 상기 플랫폼 외부에는 전자기파를 방출하는 외부에너지원(미도시)이 배치되고, 상기 외부에너지원이 상기 밸브 플러그(V1)의 초기 위치를 포함하는 영역에 전자기파를 조사할 수 있다. 이때, 상기 외부에너지원은 레이저 빔(L)을 조사하는 레이저 광원이거나, 가시광선 또는 적외 선을 조사하는 발광소자(light emitting diode) 또는 제논램프(Xenon)일 수 있고, 특히 레이저 광원인 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원은 상기 밸브 플러그(V1)에 포함된 발열 입자가 흡수할 수 있는 전자기파의 파장에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열 입자로서 앞서 설명한, 미세 입자와 유사한 전자기파 흡수 특성을 갖는 발열 입자를 이용할 경우에는, 전술한 세포 용해에 이용되는 전자기파 에너지원을 그대로 이용하여 상기 열림 밸브(131)를 작동시킬 수 있다.
상기 밸브 플러그(V1)에 분산된 발열 입자는 수천 마이크로미터(㎛) 폭을 갖는 채널(C) 내에서 자유롭게 이동 가능한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 발열 입자는 전자기파(예를 들면, 레이저)가 조사되면 그 에너지에 의해 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 발열 입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性)을 띤 쉘(shell)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 발열 입자는 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)으로 이루어진 쉘을 구비한 구조를 가질 수 있다. 상기 발열 입자로서 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 시중에 유통되는 재료를 채용할 수 있다. 상전이 물질에 상기 발열 입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 상기 밸브 플러그(V1)를 이루는 밸브 물질을 제조할 수 있다. 상기 발열 입자의 입자 형태는 상기 예로써 든 형태에 한정되는 것은 아니며, 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot) 또는 자성 비드(magnetic bead)일 수도 있다.
상기 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 발열 입자들이 흡수한 전자기파 에너지를 열에너지의 형태로 주위에 전달하면 왁스는 이로 인해 용융되어 유동성을 가지게 되며, 이로써 밸브 플러그(V1)의 형태가 붕괴되고 유로가 개방된다. 상기 왁스는 적당한 녹는점을 가지는 것이 바람직하다. 녹는점이 너무 높으면 전자기파 조사를 시작한 후 용융될 때까지 시간이 오래 소요되어 개방 시점의 정밀한 제어가 어려워지고, 반대로 녹는점이 너무 낮으면 전자기파가 조사되지 않은 상태에서 부분적으로 용융되어 유체가 누출될 수도 있기 때문이다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다. 한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC, PMMA, PC, PS, POM, PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PSU, 또는 PVDF 등이 채용될 수 있다.
도 3은 상기 도 1의 실시예에 채용된 닫힘 밸브의 예를 보이는 단면도이다. 본 발명에 따른 원심력 기반의 미세유동장치에는 다양한 형태의 닫힘 밸브(normally open valve)가 채용될 수 있다. 본 도면은 일 예를 도시한 것으로서, 플랫폼(100) 내에 설치되고 상기 플랫폼(100) 외부에서 조사된 전자기파에 의해 작동되는 상전이형 닫힘 밸브에 관한 것이다.
상전이형 닫힘 밸브(141)는 채널(C)과 상기 채널(C)의 일 부분에 연결된 밸 브 챔버(122), 그리고 상온인 초기에는 고체 상태로서 상기 밸브 챔버(122) 내에 충전되어 있다가 가열되면 용융 및 팽창되면서 상기 채널(C)로 유입되고 다시 응고되면서 상기 채널(C)을 통한 유체의 흐름을 차단하는 밸브 물질(V2)을 포함한다.
상기 상전이형 닫힘 밸브(141) 역시 전술한 상전이형 열림 밸브(131)와 마찬가지로, 플랫폼(100)를 이루는 상판(110) 또는 하판(120) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 밸브 챔버(122)의 상부에는 개구부(110B)를 가질 수 있다. 상기 개구부(110B)는 미세유동장치의 제작시 용융된 밸브 물질(V2)을 투입하는 주입구 역할을 수행한다.
상기 밸브 물질(V2)을 이루는 상전이 물질과 발열 입자에 관한 사항은 앞서 열림 밸브(131)의 예를 통해 설명한 바와 같다. 또한, 상기 밸브 물질(V2)에 전자기파를 제공하는 외부에너지원에 관한 사항도 앞서 설명한 바와 같다. 상전이 물질과 발열 입자를 포함하는 밸브 물질(V2)에 전자기파가 조사되면 상기 발열 입자가 그 에너지를 흡수하여 상기 상전이 물질을 가열시킨다. 이로 인해 상기 밸브 물질(V2)은 용융되면서 부피가 팽창하고, 연결된 통로(123)를 통해 상기 채널(C)로 유입된다. 상기 채널(C) 내에서 다시 응고된 밸브 물질(V2)은 밸브 플러그를 이루며 상기 채널(C)을 통한 유체의 흐름을 차단한다.
도 4는 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 실시예를 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동장치(102)는 그 플랫폼(100')이 제1층과 제2층을 포함한다. 상기 제1층에는 미세유동 구조물이 배치되고, 상기 제2층에는 가이드 레일(210)이 배치된다. 상기 가이드 레일(210) 내에는 제1자석(230)이 이동 가능하게 안치된다. 이 경우, 상기 미세유동 구조물 내에서 표적 세포를 포집하는 미세 입자로는 자성 비드가 채용되는 것이 바람직하다. 상기 플랫폼(100') 외부에는 상기 제1자석(230)의 위치를 변화시킬 수 있을 정도의 자기력을 갖는 제2자석(미도시)이 배치된다.
상기 제2층은 상기 제1층의 위 또는 아래에 배치될 수 있다. 상기 가이드 레일(210)은 상기 제2층 내에서 상기 플랫폼(100')의 중심으로부터 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하고, 상기 제1자석(210)의 이동을 안내하는 통로를 이룬다. 상기 가이드 레일(210)은 상기 제1층 내에서 자성 비드들의 이동이 필요한 경로를 따라 배치된다. 상기 제1자석(230)과 상기 제2자석(미도시) 사이의 자기력과 상기 플랫폼(100')의 회전에 의해 상기 제1자석(230)에 미치는 원심력을 이용하여 상기 가이드 레일(210) 내에서의 상기 제1자석(230)의 위치를 제어하고, 이를 통해 제1층 미세유동 구조물 내에서의 자성 비드 위치를 제어할 수 있다. 그 원리에 대해서는 아래에서 도 9 내지 도 12를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
제1층의 미세유동 구조물 중에서 원심분리 유닛(20), 미세 입자 챔버(30), 버퍼 챔버(40), 혼합 챔버(50), 웨이스트 챔버(60), 그리고 상기 챔버들을 연결하는 채널들과 상기 챔버들 사이의 유체 흐름을 제어하는 밸브들은 전술한 도 1의 실시예에 따른 미세유동장치(100)의 경우와 동일하게 배치될 수 있다. 다만, 세포 용해 챔버(74)의 위치와 표적 세포를 포집한 자성 비드를 상기 혼합 챔버(50)로부터 상기 세포 용해 챔버(74)까지 이송하기 위한 구성이 상기 도 1의 실시예와 다르다. 상기 혼합 챔버(50) 출구의 열림 밸브(136) 바깥쪽에는 자성 비드 수집 챔버(72)가 배치되고, 상기 세포 용해 챔버(74)는 상기 자성 비드 수집 챔버(72)보다 상기 플랫폼(100')의 중심에서 가까운 위치에 배치되고 상기 자성 비드 수집 챔버(72)와 채널을 통해 연결된다. 상기 두 챔버(72, 74)를 연결하는 채널에는 닫힘 밸브(145)가 배치될 수 있다. 제2층에 배치된 상기 가이드 레일(210)은 상기 두 챔버(72, 74)에 대응되는 두 위치를 연결하는 통로를 포함한다. 표적 세포를 포집한 자성 비드가 상기 자성 비드 수집 챔버(72)에 수집되면 상기 제1자석(230)을 가이드 레일(210)을 따라 이동시킴으로써 자성 비드를 원심력에 반하는 방향으로 상기 세포 용해 챔버(74)까지 이송할 수 있다.
상기 제2층에는 역시 상기 세포 용해 챔버(74)와 연결된 중합효소연쇄반응 유닛이 배치된다. 상기 중합효소연쇄반응 유닛은 전술한 도 1의 실시예(101)와 같이 중합효소연쇄반응 반응액을 저장하는 반응액 챔버(80)와 중합효소연쇄반응 칩 유닛(90)을 포함할 수 있다. 이 경우에도 상기 세포 용해 챔버(74)의 출구와 상기 반응액 챔버(80)의 입구 사이에는 열림 밸브(137')를 구비한다. 상기 여림 밸브(137')은 상기 세포 용해 챔버(74)보다 상기 반응액 챔버(80)에 더 가깝게 배치될 수도 있다.
한편, 상기 세포 용해 챔버(74)보다 상기 플랫폼(100')의 중심에 가까운 위치에는 윤활액 챔버(76)가 더 마련되고, 상기 윤활액 챔버(76)는 채널을 통해 상기 세포 용해 챔버(74)의 안쪽 부분과 연결될 수 있다. 또한, 상기 두 챔버(76, 75) 사이에는 세포 용해 작업 시에 상기 세포 용해 챔버(74)를 밀봉하기 위한 닫힘 밸브(146)가 더 마련될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 플랫폼(100')의 면적을 효율적으로 활용할 수 있다. 즉, 표적 세포를 포집한 자성 비드를 원심력에 반하는 방향으로도 이송할 수 있도록 함으로써 플랫폼(100')의 반지름 크기를 줄일 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 상기 도 4의 미세유동장치에서 표적 세포를 포집한 자성 비드로부터 핵산을 추출하고 이를 증폭하는 과정을 보인다. 상기 혼합 챔버(50) 내에서 자성 비드를 이용하여 표적 세포를 포집하고 상기 자성 비드를 세정 및 격리하는 과정은 위의 도 1의 실시예(101)와 동일하다. 상기 혼합 챔버(50)의 출구 부근에 표적 세포를 포집한 자성 비드가 격리되면, 상기 자성 비드 수집 챔버(72)로 연결된 채널의 열림 밸브(136)를 열어 상기 자성 비드를 배출한다.
이때, 상기 가이드 레일(210) 내부의 제1자석(230)은 상기 자성 비드 수집 챔버(72)에 대응되게 위치한다(도 5a 참고). 이때 상기 세포 용해 챔버(74)와 상기 자성 비드 수집 챔버(72) 사이에는 상기 윤활액 챔버(76)부터 유입된 윤활액이 존재할 수 있다. 상기 윤활액은 자성 비드의 이동을 원활하게 하고, 세포 용해 작업 시에는 버퍼로서의 역할을 할 수 있는 액체 물질일 수 있다.
플랫폼 외부의 제2자석(미도시)을 반지름 방향 안쪽으로 이동시키면서 상기 제1자석(230)을 상기 가이드 레일(210)을 따라 이동시킨다. 상기 제1자석(230)의 자기력에 의해 자성 비드가 상기 자성 비드 수집 챔버(72)로부터 상기 세포 용해 챔버(74)로 이동한다. 자성 비드를 이송한 뒤에는 상기 세포 용해 챔버(74)로 통하는 채널들에 배치된 닫힘 밸브들(145, 146)을 닫는다.
상기 세포 용해 챔버(74)가 밀봉된 상태에서 상기 플랫폼 외부에 배치된 전 자기파 에너지원을 이용하여 상기 세포 용해 챔버(74)를 포함하는 영역에 전자기파(예를 들면, 레이저빔)를 조사하여 세포 용해 작업을 수행한다(도 5b 참고).
그런 다음, 상기 반응액 챔버(80)로 연결된 채널의 열림 밸브(137')를 열고 표적 세포의 핵산이 포함된 유체를 상기 반응액 챔버(80)로 이송한다. 핵산이 포함된 유체와 중합효소연쇄반응용 반응액을 혼합한다. 이때, 상기 세포 용해 챔버(74) 내에는 세포 찌거기 등이 부착된 자성 비드가 원심력에 의해 상기 유체와 분리되어 상기 세포 용해 챔버(74) 내에 트랩(trap)될 수 있다(도 5c 참고).
다음으로, 상기 반응액 챔버(80)의 출구에 마련된 열림 밸브(138)를 열고 중합효소연쇄반응 반응액과 핵산 용액의 혼합액을 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)로 이송한다. 그 다음, 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)의 입구(91) 및 출구(93)에 연결된 채널들의 닫힘 밸브들(143, 144)을 닫고, 중합효소연쇄반응을 수행한다. 상기 플랫폼의 외부에 마련된 온도 제어 유닛(미도시)을 이용하여 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92) 내의 혼합액에 대하여 열적 사이클링(thermal cycling)을 진행한다. 이때, 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)를 밀봉하는 닫힘 밸브들(143, 144)은 적어도 6.8 psi.(46.9 kPa)의 압력을 견딜 수 있어야 한다. (Lab Chip, 2005. 5. 845-850 참고)
도 6은 상기 도 3의 닫힘 밸브에 대한 내압 측정 실험 결과를 보이는 그래프이다. 25℃, -4℃, -20℃ 조건 하에서의 내압 실험 결과 400 kPa까지 누출이 발생하지 않음을 확인하였다.
도 7은 상기 도 1 및 도 4의 실시예에 채용된 중합효소연쇄반응 칩 유닛을 상세하게 보이는 단면도이다. 전술한 중합효소연쇄반응 칩 유닛(90)은 상판(110)과 하판(120)으로 이루어진 플랫폼(100)의 일 부분에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 중합효소연쇄반응 칩(94)은 상기 플랫폼을 이루는 플라스틱 재료보다 열 전도도가 높은 재료로 만들어 칩 베이스(941)를 가지는 것이 바람직하다. 상기 칩 베이스(941)의 바람직한 재료로는 실리콘(Si) 또는 중합체 복합재료 등을 들 수 있다. 중합효소연쇄반응 챔버(92)는 상기 칩 베이스(941)와 그 위에는 배치된 칩 바디(942) 사이에 제공될 수 있다. 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92)의 입구(91)는 상기 플랫폼 내에 마련된 채널과 연결되고, 그 연결부에는 유체의 누출을 방지하는 밀봉 부재(96)가 배치될 수 있다. 상기 밀봉 부재(96)는 예를 들면 고무와 같이 탄력적인 재료로 만들어진 O자 형태의 링일 수 있다. 전술한 중합효소연쇄반응 칩(94)은 상기 플랫폼의 후면에 부착 또는 체결된 후면 커버(95)에 의해 지지될 수 있다. 이 경우, 상기 후면 커버(95)는 상기 칩 베이스(941)의 적어도 일부분을 노출시키는 것일 수 있다. 상기 칩 베이스(941)의 노출된 부분이 전술한 온도 제어 유닛(도 13 참고)의 열 교환부(도 13의 390)과 접촉하여 열을 교환할 수 있도록 하기 위함이다.
도 8은 상기 도 7의 중합효소연쇄반응 칩 유닛을 대체할 수 있는 변형예를 보이는 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이 중합효소연쇄반응 챔버(92')는 플랫폼(100)의 하판(120) 내의 입체 패턴과 아래쪽 벽면을 이루는 칩 베이스(94')에 의해 제공될 수 있다. 이 경우에도 상기 칩 베이스(94')는 플랫폼(100)의 다른 부분보다 열 전도도가 높은 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 상기 하판(120)과 상기 칩 베이스(94') 사이에는 상기 중합효소연쇄반응 챔버(92')를 밀봉하기 위한 밀봉 부재(96')가 배치될 수 있다. 상기 칩 베이스(94')는 상기 하판(120)에 대하여 접착될 수도 있고, 볼트 등의 체결 수단으로 체결될 수도 있다.
도 9는 상기 도 4의 실시예에 채용된 자성 비드 위치 제어 유닛의 예를 보이는 단면도이다. 자성 비드 위치 제어 유닛은 자기력을 이용하여 미세유동 구조물 내에서 자성 비드 위치를 제어하는 구성요소들 지칭하는 것으로서, 전술한 제1자석과 제2자석, 그리고 가이드 레일을 포함한다. 전술한 제1층의 자성 비드 수집 챔버(72) 등의 미세유동 구조물은 상기 플랫폼의 하판(120)과 중간판(200) 사이의 입체 패턴에 의해 제공되고, 전술한 제2층의 가이드 레일(210)은 상기 중간판(200)과 상판(110) 사이의 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시에 불과하다. 상기 플랫폼(100')의 외부에는 제2자석(231)이 배치되는데, 상기 제2자석(231)은 제1층보다 제2층에 가깝게 배치된다. 상기 제2자석(231)을 지지하는 하우징(233)은 별도로 마련된 이동 수단(미도시)에 의해 플랫폼의 반지름 방향으로 이동할 수 있다. 상기 제2자석(231)은 상기 가이드 레일(210) 내에 배치된 제1자석(230)의 위치를 변화시킬 수 있고, 상기 제1층의 미세유동 구조물 내에 있는 자성 비드(P)의 위치에는 영향을 미치지 않을 정도의 자기력을 가지는 것이 바람직하다. 상기 제1자석(230)은 상기 자성 비드(P)의 위치를 변화시킬 정도의 자기력을 가지는 것이 바람직하다.
도 10은 자성 비드 위치 제어 유닛의 예를 보이는 평면 자유물체도이고, 도 11은 자성 비드 위치 제어 원리를 보이기 위한 단면 자유물체도이다. 예를 들어, 가이드 레일(211)의 형상이 도면에 도시된 바와 같을 때, 제1자석(230)에 미치는 힘은 다음과 같은 식으로 구해질 수 있다.
먼저, 제1자석(230)에 작용하는 원심력은 Fcent=mrω2 (여기서, m은 제1자석(23)의 질량, r은 회전 중심으로부터의 거리, ω는 각속도)이다. 원심력(Fcent)은 제2자석(31)에 의한 자기력의 반지름 방향 성분(F radial)과 평형을 이룬다.
여기서, │F radial│=│F mag│×cos(θ)×cos(φ) 이다.
한편, F mag= ∇ Umag 이고, 자기장의 순간 에너지 밀도(Umag)는 Umag=1/2B·H 의 식에 따라 주어진다. 본 실시예에서 제1 및 제2 자석(230. 231)으로 채용된 Nd-Fe-B 자석의 물성은 다음과 같다. μr(relative permiability)은 1.044이고, σ(onductivity)는 6.25*105[siemens/meter]이고, Hc(magnetic coercivity)는 -8.38*105[Ampere/meter]이고, Br(magnetic retentivity)는 1.1[Tesla], 그리고 M(magnetization)은 875352.19[Ampere/meter]이다.
도 12는 상기 도 11의 자유물체도에서 두 자석 사이의 수직거리와 수평거리에 따른 자기력의 관계를 보이는 그래프이다. 상기한 제1 및 제2 자석(230, 231)의 물성값을 적용하면, 플랫폼의 회전속도와 상기 두 자석(230, 231) 사이의 수직거리(vertical distance)에 따른 평형상태에서의 상기 두 자석(230, 231) 사이의 수평거리(horizontal distance)가 상기 도 12에 도시된 것과 같은 계산 결과를 보인 다.
예를 들어, 회전속도가 300rpm이고 상기 수직거리가 3mm일 때 자기력은 상기 수평거리가 3mm에 도달할 때까지 원심력을 이긴다. 상기 수평거리가 더 커지면 원심력이 자기력보다 커지게 된다. 한편, 그래프에 표시되지는 않았으나, 회전속도가 420rpm보다 커지면 원심력이 언제나 자기력보다 커지게 된다. 이때는 제1자석(230)이 제2자석(231)의 영향을 받는 범위를 벗어나 가이드 레일(21)에서 회전축으로부터 가장 먼 쪽으로 이동하게 된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 표적 세포 핵산 추출을 위한 미세유동 시스템에 관하여 설명한다.
도 13은 본 발명에 따른 미세유동시스템의 실시예를 보이는 사시도이다. 먼저 본 발명에 따른 미세유동 시스템은 전술한 미세유동장치 및 상기 미세유동장치를 구동하는데 필요한 구성 요소들로 이루어진다. 상기 미세유동 시스템은 상기 플랫폼(100)을 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부(50) 및 상기 플랫폼(100) 상의 선택된 영역에 전자기파를 조사할 수 있는 외부에너지원(260)을 포함한다. 상기 외부 에너지원(260)은 예를 들면 레이저빔을 방출하는 레이저 광원일 수 있고, 다양한 파장의 빛을 방출하는 광원일 수도 있다. 한편, 상기 미세유동 시스템은 상기 미세유동 장치에서 이루어지는 반응의 중간 산물 또는 결과물, 특히 실시간 중합효소연쇄반응의 진행 상황을 광학적으로 관측할 수 있는 광 검출부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 외부에너지원(260)은 전술한 세포 파괴 작업에 사용될 수 있는 것으로 서, 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 이 외에도 앞서 설명한 출력, 파장 등의 조건을 만족할 수 있는 것이면 족하다. 또한, 상기 미세유동 장치에 발열 입자를 포함하는 상전이형 열림 밸브, 닫힘 밸브가 채용된 경우에는, 상기 상전이형 밸브를 작동시키는 용도로도 사용될 수 있다.
상기 미세유동 시스템은 상기 외부에너지원(260)의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단(미도시)을 포함할 수 있다. 이를 이용하여 전자기파가 상기 플랫폼(100) 상의 원하는 영역에, 구체적으로는, 상기 미세유동장치에 포함된 다수의 상전이형 열림 및 닫힘 밸브 또는 세포 용해 챔버 중에서 선택된 것에 해당하는 영역에 집중적으로 도달할 수 있도록 할 수 있다.
상기 미세유동 시스템은 전술한 바와 같이, 제2자석(231)을 지지하는 하우징(233)의 위치를 상기 플랫폼(100)의 반지름 방향으로 이동시킬 수 있는 이동 수단을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 플랫폼(100)의 아래에 온도 제어 유닛(300)을 포함한다.
상기 온도 제어 유닛(300)은 상기 플랫폼(100)의 후면을 향해 노출된 열 교환부(390)를 가질 수 있다. 상기 열 교환부(390)는 상기 플랫폼(100)이 정지한 상태에서 상기 플랫폼(100)의 일 부분에 배치된 중합효소연쇄반응 칩(94)의 칩 베이스와 접촉하여 열을 교환할 수 있는 부재이다. 상기 온도 제어 유닛(300)은 히터(330)와 냉각기를 포함한다. 본 실시예에 따르면 히터(330)는 상기 열 교환부(390)의 적어도 일 부분에 열 전도가 가능하게 연결되어 있고, 상기 냉각기는 상기 열 교환부(390)로 시원한 공기를 보낼 수 있도록 냉각팬(310)과 덕트(320)를 가 질 수 있다. 다만, 여기서 설명한 온도 제어 유닛(300)의 구성은 하나의 예에 불과하고, 상기 플랫폼(100)이 정지한 후 그 외부에서 상기 중합효소연쇄반응 칩 유닛(90)에 열을 가하고 냉각시킬 수 있는 장치이면 충분하다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 실시 가능한 구성의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니라 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 미세유동장치의 한 실시예를 보이는 평면도이다.
도 2는 상기 도 1의 실시예에 채용된 열림 밸브의 예를 보이는 단면도이다.
도 3은 상기 도 1의 실시예에 채용된 닫힘 밸브의 예를 보이는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 미세유동장치의 다른 실시예를 보이는 평면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 상기 도 4의 미세유동장치에서 표적 세포를 포집한 자성 비드로부터 핵산을 추출하고 이를 증폭하는 과정을 보인다.
도 6은 상기 도 3의 닫힘 밸브에 대한 내압 측정 실험 결과를 보이는 그래프이다.
도 7은 상기 도 1 및 도 4의 실시예에 채용된 중합효소연쇄반응 칩 유닛을 상세하게 보이는 단면도이다.
도 8은 상기 도 7의 중합효소연쇄반응 칩 유닛을 대체할 수 있는 변형예를 보이는 단면도이다.
도 9는 상기 도 4의 실시예에 채용된 자성 비드 위치 제어 유닛의 예를 보이는 단면도이다.
도 10은 자성 비드 위치 제어 유닛의 예를 보이는 평면 자유물체도이다.
도 11은 자성 비드 위치 제어 유닛의 작동 원리를 보이기 위한 단면 자유물체도이다.
도 12는 상기 도 11의 자유물체도에서 두 자석 사이의 수직거리와 수평거리에 따른 자기력의 관계를 보이는 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 미세유동시스템의 실시예를 보이는 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
20: 원심분리 유닛 30: 미세 입자 챔버
40: 버퍼 챔버 50: 혼합 챔버
60: 웨이스트 챔버 70: 세포 용해 챔버
80: PCR 반응액 챔버 90: 중합효소연쇄반응 칩 유닛
100: 플랫폼 131~139: 열림 밸브
141~145: 닫힘 밸브 200: 자석 이동 층
210: 자석 가이드 레일 230: 제 1 자석
231: 제 2 자석 240: 회전 구동부
260: 외부에너지원 300: 온도 조절 유닛

Claims (44)

  1. 회전 가능한 플랫폼;
    상기 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 미세 입자를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 미세 입자를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 미세 입자에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 및
    상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함하는 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 유닛은,
    중합효소연쇄반응용 반응액을 저장하고 상기 표적 세포 핵산 추출부로부터 이송된 표적 세포 핵산 용액을 수용하여 서로 혼합되게 하는 반응액 챔버; 및
    상기 반응액 챔버와 연결되어 상기 반응액과 상기 핵산 용액의 혼합액을 수용하는 중합효소연쇄반응 챔버를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 적어도 하나의 벽면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 것을 특징 으로 하는 미세유동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벽면은 상기 플랫폼의 나머지 부분을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버는 상기 플랫폼과 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되고, 상기 중합효소연쇄반응 칩은 그 안쪽 면이 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 내부와 접하고 그 바깥쪽 면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 칩 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 칩 베이스는 상기 플랫폼을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 가지는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버는 중합효소연쇄반응 시에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  7. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 표적 세포 핵산 추출부와 상기 반응액 챔버 사이 및 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 열림 밸브가 각각 배치되고, 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브가 더 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 칩은 상기 중합효소연쇄반응 챔버 및 상기 중합효소연쇄반응 챔버와 연결된 입구 및 출구를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 입구 및 출구는 상기 플랫폼 내에 마련된 채널을 통해 상기 반응액 챔버 및 배기구와 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버의 출구와 상기 배기구를 연결하는 채널에 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 미세 입자는, 그 표면이 표적 세포에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산 화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 미세 입자는 강자성을 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은,
    시료를 수용하는 시료 챔버;
    버퍼액을 저장하는 버퍼 챔버;
    상기 미세 입자를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 연결되고 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버의 출구에 배치된 열림 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 상기 플랫폼의 중심에서 가장 먼 쪽에 열림 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 미세 입자와 시료의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 미세 입자 세정을 수행하는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버의 출구보다 상기 플랫폼의 중심에 가까운 부분과 채널로 연결되어 상기 채널에 배치된 열림 밸브 및 닫힘 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및
    상기 혼합 챔버의 출구와 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 미세 입자를 포함한 유체를 수용하고, 상기 플랫폼 외부에서 조사된 전자기파에 의한 세포 용해를 수행하는 세포 용해 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포 용해 챔버보다는 상기 플랫폼의 중심에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 혼합 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에 가깝게 배치되고 상기 혼합 챔버에 연결되어 상기 혼합 챔버에 상기 미세 입자를 공급하는 미세 입자 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 미세 입자 챔버와 상기 혼합 챔버 사이에 열림 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 세포 용해 챔버는 상기 미세 입자를 포함한 유체에 대하여 세포 용해를 수행한 이후에 상기 미세 입자를 남기고 유체만 배출하도록 배치된 출구를 가지는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 미세 입자는 자성을 띠는 자성 비드이고,
    상기 세포 용해 챔버에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 자성 비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 혼합 챔버로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 열림 밸브는,
    초기 상태에서 밸브 플러그가 유로의 단면적이 좁은 부분을 막도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 용융되면 유로의 단면적이 상대적으로 큰 인접 부분으로 팽창하여 이동하면서 유로를 열도록 구성되고,
    상기 밸브 플러그는, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 밸브 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 닫힘 밸브는,
    초기 상태에서 밸브 물질이 유로와 연결된 밸브 챔버에 저장되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 용융 및 팽창되면서 상기 유로를 막도록 구성되고,
    상기 밸브 물질은, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  22. 제1층과 상기 제1층의 위 또는 아래에 인접하게 배치된 제2층을 가지는 회전 가능한 플랫폼;
    상기 플랫폼의 제1층에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 자성 비드를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 자성 비드를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 자성 비드에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부;
    상기 플랫폼의 제2층에 배치되고, 상기 표적 세포 핵산 추출부 내에서의 상 기 자성 비드의 이동 경로를 따라 상기 플랫폼의 중심으로부터 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하는 가이드 레일;
    상기 가이드 레일 내에 이동 가능하게 배치되고, 상기 미세유동 구조물 내의 자성 비드의 위치를 변화시킬 정도의 자기력을 갖는 제1자석;
    상기 플랫폼 외부에 상기 제2층에 가깝게 배치되고, 상기 제1자석의 위치를 변화시킬 수 있을 정도의 자기력을 갖는 제2자석; 및
    상기 플랫폼의 제1층에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함하는 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 유닛은,
    중합효소연쇄반응용 반응액을 저장하고 상기 표적 세포 핵산 추출부로부터 이송된 표적 세포 핵산 용액을 수용하여 서로 혼합되게 하는 반응액 챔버; 및
    상기 반응액 챔버와 연결되어 상기 반응액과 상기 핵산 용액의 혼합액을 수용하는 중합효소연쇄반응 챔버를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버는 적어도 하나의 벽면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 벽면은 상기 플랫폼의 나머지 부분을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 갖는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버는 상기 플랫폼과 분리 가능한 중합효소연쇄반응 칩 내에 마련되고, 상기 중합효소연쇄반응 칩은 그 안쪽 면이 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 내부와 접하고 그 바깥쪽 면이 상기 온도 제어 유닛과 접촉하여 열을 교환하도록 배치된 칩 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 칩 베이스는 상기 플랫폼을 이루는 재료보다 높은 열전도도를 가지는 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  27. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버는 중합효소연쇄반응 시에 밀봉되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  28. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 표적 세포 핵산 추출부와 상기 반응액 챔버 사이 및 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 열림 밸브가 각각 배치되고, 상기 반응액 챔버와 상기 중합효소연쇄반응 챔버 사이에는 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브가 더 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 칩은 상기 중합효소연쇄반응 챔버 및 상기 중합효소연쇄반응 챔버와 연결된 입구 및 출구를 포함하고, 상기 중합효소연쇄반응 챔버의 입구 및 출구는 상기 플랫폼 내에 마련된 채널을 통해 상기 반응액 챔버 및 배기구와 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 중합효소연쇄반응 챔버의 출구와 상기 배기구를 연결하는 채널에 중합효소연쇄반응 시에 상기 중합효소연쇄반응 챔버를 밀봉하도록 닫힘 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 자성 비드는, 그 표면이 표적 세포에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  33. 제22항에 있어서,
    상기 자성 비드는 강자성을 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  34. 제22항에 있어서,
    상기 표적 세포 핵산 추출부의 미세유동 구조물은,
    시료를 수용하는 시료 챔버;
    버퍼액을 저장하는 버퍼 챔버;
    상기 자성 비드를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 연결되고 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버의 출구에 배치된 열림 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 상기 플랫폼의 중심에서 가장 먼 쪽에 열림 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 미세 입자와 시료의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 자성 비드 세정을 수행하는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버의 출구보다 상기 플랫폼의 중심에 가까운 부분과 채널로 연 결되어 상기 채널에 배치된 열림 밸브 및 닫힘 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및
    상기 혼합 챔버의 출구와 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 자성 비드를 포함한 유체를 수용하고, 상기 플랫폼 외부에서 조사된 전자기파에 의한 세포 용해를 수행하는 세포 용해 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포 용해 챔버보다는 상기 플랫폼의 중심에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 혼합 챔버의 출구 및 상기 세포 용해 챔버에 연결되고, 상기 혼합 챔버로부터 배출된 자성 비드를 수집하는 자성 비드 수집 챔버를 더 포함하고,
    상기 자성 비드 수집 챔버는 상기 세포 용해 챔버보다 상기 플랫폼의 중심에서 더 멀리 배치되고,
    상기 가이드 레일은 상기 자성 비드 수집부와 상기 세포 용해 챔버를 연결하는 채널과 나란하게 형성된 구간을 가지는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 혼합 챔버로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  38. 제34항에 있어서,
    상기 열림 밸브는,
    초기 상태에서 밸브 플러그가 유로의 단면적이 좁은 부분을 막도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 용융되면 유로의 단면적이 상대적으로 큰 인접 부분으로 팽창하여 이동하면서 유로를 열도록 구성되고,
    상기 밸브 플러그는, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 밸브 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 닫힘 밸브는,
    초기 상태에서 밸브 물질이 유로와 연결된 밸브 챔버에 저장되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 물질이 용융 및 팽창되면서 상기 유로를 막도록 구성되고,
    상기 밸브 물질은, 전자기파를 흡수하여 발열하는 발열 입자와 상온에서 고체상태이고 상기 발열 입자가 방출하는 열에 의해 용융 및 팽창하는 상전이 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동장치.
  40. 회전 가능한 플랫폼;
    상기 플랫폼을 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부;
    상기 플랫폼 내의 선택된 영역에 전자기파를 조사하는 외부에너지원;
    상기 플랫폼이 정지된 상태에서 상기 플랫폼 내의 선택된 영역과 열 교환을 통해 상기 영역의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛;
    상기 플랫폼 내에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 미세 입자를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 미세 입자를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 미세 입자에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부; 및
    상기 플랫폼 내에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함하는 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동 시스템.
  41. 제40항에 있어서,
    상기 온도 제어 유닛은 상기 플랫폼이 정지된 때에 상기 선택된 영역과 접촉하는 열 교환부;
    상기 열 교환부를 가열하는 히터; 및
    상기 열 교환부를 냉각하는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  42. 제1층과 상기 제1층의 위 또는 아래에 인접하게 배치된 제2층을 가지는 회전 가능한 플랫폼;
    상기 플랫폼을 제어 가능하게 회전시키는 회전 구동부;
    상기 플랫폼 내의 선택된 영역에 전자기파를 조사하는 외부에너지원;
    상기 플랫폼이 정지된 상태에서 상기 플랫폼 내의 선택된 영역과 열 교환을 통해 상기 영역의 온도를 제어하는 온도 제어 유닛;
    상기 플랫폼의 제1층에 배치된 미세유동 구조물 내에서 표면에 표적 세포를 포집하는 자성 비드를 생체 시료와 혼합하고, 표적 세포를 포집한 상기 자성 비드를 분리 및 정제하고, 상기 플랫폼의 외부로부터 상기 자성 비드에 조사된 전자기파를 이용하여 세포를 파괴하는 표적 세포 핵산 추출부;
    상기 플랫폼의 제2층에 배치되고, 상기 표적 세포 핵산 추출부 내에서의 상기 자성 비드의 이동 경로를 따라 상기 플랫폼의 중심으로부터 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하는 가이드 레일;
    상기 가이드 레일 내에 이동 가능하게 배치되고, 상기 미세유동 구조물 내의 자성 비드의 위치를 변화시킬 정도의 자기력을 갖는 제1자석;
    상기 플랫폼 외부에 상기 제2층에 가깝게 배치되고, 상기 제1자석의 위치를 변화시킬 수 있을 정도의 자기력을 갖는 제2자석; 및
    상기 플랫폼의 제1층에 배치되고 상기 표적 세포 핵산 추출부와 연결된 미세유동 구조물 내에서 핵산 용액을 중합효소연쇄반응(PCR)용 반응액과 혼합하고, 그 혼합액과 상기 플랫폼 외부에 마련된 온도 제어 유닛과의 열 교환을 통한 열적 사이클링에 의해 중합효소연쇄반응(PCR)을 수행하는 중합효소연쇄반응(PCR) 유닛을 포함하는 핵산 검출을 위한 원심력 기반의 미세유동 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 온도 제어 유닛은 상기 플랫폼이 정지된 때에 상기 선택된 영역과 접촉하는 열 교환부;
    상기 열 교환부를 가열하는 히터; 및
    상기 열 교환부를 냉각하는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 제2자석의 위치를 상기 플랫폼의 회전 반지름 방향을 따라 이동시킬 수 있는 제2자석 이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
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