KR20090132267A - 마이크로 채널을 구비한 진단장치 - Google Patents

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KR20090132267A
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조병기
김정호
신상택
한승목
최기봉
박진구
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조민수
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주식회사 에스디
국방과학연구소
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Abstract

진단의 정확성 및 효율성을 높일 수 있는 마이크로 채널을 구비한 진단장치가 개시된다. 상기 마이크로 채널을 구비한 진단장치는, 샘플 투입구를 통하여 채취한 샘플을 받아들이는 샘플 저장소, 상기 샘플의 역확산을 방지하는 샘플 반응 장벽, 마이크로 채널 구간에 상기 샘플에 용해되어 이동하는 접합체를 함유하고, 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 인쇄되는 반응 구간, 마이크로 채널 구간에 상기 샘플 내의 분석 물질 및/또는 상기 접합체와 항원-항체 반응으로 결합하는 결합체가 고정된 검사선이 형성되어 있는 진단 구간, 및 상기 진단 구간에서 반응이 끝난 반응용액 및 세척용액이 최종적으로 모이는 폐기물 영역을 포함한다.
마이크로 채널, 진단장치, 소수성 패턴

Description

마이크로 채널을 구비한 진단장치{Diagnostic devices having micro channel}
본 발명은 마이크로 채널을 구비한 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 진단의 정확성 및 효율성을 높일 수 있는 마이크로 채널을 구비한 진단장치에 관한 것이다.
여러 해 동안, 생물학, 환경 및 산업 분야에서 타겟 리간드(target ligand)의 신속한 검출을 위해 여러 간단한 테스트 시스템들이 디자인되어 왔다. 타겟 리간드는 다른 말로 분석물(analyte) 또는 타겟 분석물(target analyte)이라고 한다. 이러한 분석 시스템과 장치들은 일반적으로 타겟 리간드와 반응하여 가시적인 반응을 보이는 테스트 시약(test reagent)과 이 테스트 시약이 지나가는 흡수 종이나 멤브레인(membrane)과의 조합을 포함한다. 종이류, 유리섬유 및 나일론이 이런 장치의 흡수 재료로 널리 사용되며, 어떤 경우에는, 테스트 시약을 포함하는 흡수 요소의 부분이 타겟 리간드를 포함하는 샘플과 물리적으로 또는 모세관 현상을 통해 접촉한다. 이 접촉은 다양한 방식으로 이루어지는데, 가장 흔하게는, 수용성 샘플이 테스트 시약을 포함하는 다공성(porous) 폴리에틸렌(polyethylene)이나 폴리프로필렌(polypropylene)과 같은 다공성 요소나 멤브레인 등의 흡수 요소를 모세관 현상에 의하여 통과한다. 다른 경우에는, 테스트 시약이 테스트 장치 외부에서 미리 혼합되어 장치의 흡수 요소에 첨가되면 궁극적으로 신호를 만들어낸다.
상업적으로 이용 가능한 진단 제품들은 농축 영역 방법론(concentrating zone methodology)을 적용한다. 이러한 제품에서의 장치는 특별한 결합 쌍의 요소가 고정된 다공성 요소 안에 면역 흡수 영역 또는 포획 영역을 포함한다. 다공성 요소의 표면은 또한 하나 이상의 신호 전개 시스템 요소를 포함하도록 처리될 수도 있다. 이러한 장치에는, 액체 흡수 영역이 있어서, 액체를 면역 흡수 영역으로 끌어당기고, 액체 샘플과 시약들을 흡수하며, 액체가 면역 흡수 영역으로 당겨지는 속도를 조절하는 역할을 한다. 액체 흡수 영역은 면역 흡수 영역 외부의 다공성 요소의 추가적인 용량(additional volume)이나, 면역 흡수 영역과 모세관 상호작용을 하는 흡수 재료이다. 상업적으로 가능한 많은 장치와 분석 시스템들은 또한 세정 단계를 포함하는데, 이 단계에서 비특정 결합된 신호 생산자가 면역 흡수 영역으로부터 제거되어, 고유 영역에서 신호를 나타내는 다공성 요소의 분석으로 샘플 내의 타겟 리간드의 존재 여부나 양이 결정된다.
이전 기술의 분석 장치와 시스템의 한계에 더하여, 샘플과 시약의 캐리어로서 흡수 요소 사용의 제약을 포함하여, 분석 장치는 보통 실험실에서 비교적 숙련된 사용자에 의해 실행되어야만 하는 크리티칼 피펫팅 스텝(critical pipetting steps)을 포함하는 많은 단계를 포함한다. 따라서, 장치 내 시약의 흐름을 조절하는 것 외에, 장치의 특별한 영역에서의 시약 흐름의 타이밍을 조절하는 한 단계 분석 장치와 시스템이 필요하다. 또한, 크리티칼 피펫팅 스텝(critical pipetting steps)를 요하지 않지만 반정량적, 정량적 결정을 할 수 있는 분석 장치가 필요하다.
반정량적, 정량적 결정을 하기 위하여 마이크로 채널 내부에 수 마이크로에서 수십 나노의 미세 구조물을 포함하는 진단장치를 통하여 유체의 유동 및 분석물질의 반응제어를 하는 방법이 미국특허(US 6,905,882 B2)에 개시되었다.
그러나, 상기 진단장치는 미세 구조물 형성 시 많은 시간과 기술이 필요하며 플라스틱 사출 시 미세구조물의 사출 재현성 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은, 유체의 흐름과 분석물질의 반응성을 제어하여 진단의 정확성 및 효율성을 높일 수 있는 마이크로 채널을 구비한 진단장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 소수성 패턴의 재현성이 뛰어난 마이크로 채널을 구비한 진단장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 샘플 투입구를 통하여 채취한 샘플을 받아들이는 샘플 저장소; 상기 샘플의 역확산을 방지하는 샘플 반응 장벽; 마이크로 채널 구간에 상기 샘플에 용해되어 이동하는 접합체를 함유하고, 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 인쇄되는 반응 구간; 마이크로 채널 구간에 상기 샘플 내의 분석 물질 및/또는 상기 접합체와 항원-항체 반응으로 결합하는 결합제가 고정된 검사선이 형성되어 있는 진단 구간; 및 상기 진단 구간에서 반응이 끝난 반응용액 및 세척용액이 최종적으로 모이는 폐기물 영역을 포함하는 마이크로 채널을 구비한 진단장치를 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로 채널을 구비한 진단장치는, 소수성 물질을 인쇄하는 방식으로 진단장치의 마이크로 채널 부분에 미세패턴을 형성하여, 유체의 흐름과 분석물질의 반응성을 제어함으로서 진단의 정확성 및 효율성을 높일 수 있고, 수 나노에서 수 마이크로 사이즈의 미세 가공물이나 패턴을 금형을 통해 플라스틱 사출물에 형성하는 방법에 비해, 소수성 패턴의 재현성이 뛰어나며, 단순한 공정에 의해 여러 가지 패턴을 형성할 수 있고, 모든 플라스틱 기반 사출물 및 체외진단 관련 분석 칩에 응용이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는, 진단의 정확성 및 효율성을 높일 수 있는 마이크로 채널을 구비한 진단장치를 제공한다. 도 1은, 본 발명에 따른 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 구조도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 채널을 구비한 진단장치는, 채취한 샘플을 받아들이는 샘플 투입구(1) 및 샘플 저장소(2), 상기 샘플의 역확산을 방지하는 샘플 반응 장벽(3), 마이크로 채널 구간에 상기 샘플에 용해되어 이동하는 접합체를 함유하고, 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 인쇄되는 반응 구간(4), 마이크로 채널 구간에 상기 샘플 내의 분석 물질 및/또는 상기 접합체와 항원-항체 반응으로 결합하는 결합제가 고정된 검사선이 형성되어 있는 진단 구간(5), 및 상기 진단 구간(5)에서 반응이 끝난 반응용액 및 세척용액이 최종적으로 모이는 폐기물 영역(6)을 포함한다.
상기 샘플 투입구(1)는 채취한 샘플 예를 들어, 혈액, 혈장 등을 투입하는 구멍으로, 외부로 통하여 있다.
상기 샘플 저장소(2)는 투입된 샘플을 내부로 받아들이는 저장소로서 통상적으로 측정과 세척에 필요한 샘플의 양 이상으로 저장을 할 수 있어야 한다. 이 영역 내에 예를 들어, 미립자(particulates)와 혈구(blood cell)를 필터링하여 혈장(plasma)만 흘려보내는 필터가 구비될 수 있으며, 상기 필터는 혈구제거용, 첨가제 배출용 멤브레인, 폴리에스터 멤브레인 등 종류에 따라 구성되어질 수 있다. 또한, 진단 과정에 사용될 건조된 시약(dried reagents) 예를 들어, 계면활성제가 존재할 수 있다. 상기 계면활성제는 샘플의 표면장력을 낮추는 역할을 하여, 샘플 자 체나 반응혼합물의 움직임을 도와준다.
상기 샘플 반응 장벽(3)은 샘플 저장소(2)와 반응 구간(4)를 분리시키며, 반응 구간(4)에 필요한 양만큼만 샘플을 이동시키고 난 후, 더 이상의 샘플이 샘플 저장소(2)로부터 반응 구간(4)쪽으로 흘러들어 가거나, 역확산되지 않도록 폭이 좁은 모세관을 형성한다. 폭의 넓이는 0.1 내지 2 mm이며, 표면을 매끄럽게 하거나 깊이 0.05 내지 0.2mm의 V자 형태의 홈을 배열한다. 모세관 흐름을 원활하게 하기 위하여 폭 1 내지 1.5mm, 깊이 0.2 내지 1mm의 손톱 형태의 홈을 반복적으로 형성할 수 있다.
상기 반응 구간(4)은 샘플내의 분석물(analytes)과 접합체가 반응하는 구간으로서, 상기 접합체는 육안 또는 센서를 이용하여 감지할 수 있는 시그널을 발생시키는 라벨, 예를 들면, 골드 입자, 유색 폴리스티렌 마이크로 입자, 효소, 형광성 염료, 전도성 고분자, 자성입자 등을 특정의 분석물과 반응하는 항원, 항체 등의 리간드에 접합시킨 것이다.
또한, 상기 반응 구간(4)은 마이크로 채널 구간에 소수성 물질로 이루어진 미세패턴을 인쇄하여 형성하는 것으로, 상기 마이크로 채널은 플라스틱 사출물 상판과 하판을 플라즈마 용착, 용제 접착, 레이져 용착 또는 초음파 융착 등을 사용하여 결합시켜 형성하며, 상판의 채널 모양에 따라 형성된다. 상기 소수성 물질로 이루어진 미세패턴은 유체의 유동을 제어하는 패턴, 즉, 마이크로 채널방향의 수직으로 소수성 라인이 형성되어 불규칙한 유체를 제어하는 패턴과 분석물질의 반응성 을 제어하는 패턴 즉, 다양한 크기의 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형 패턴이 형성되어 반응성 제어하는 패턴으로 이루어진 것으로 분석물(analytes)과 접합체간에 충분한 반응이 일어나도록 한다. 반응 시간은 소수성 물질의 성분인 염료, 유기용매, 아크릴 수지의 함량 및 소수성 물질의 미세패턴의 모양을 변형시켜 조절이 가능하며, 상기 반응시간은 반응물에 따라 30초 내지 5 분 이상을 필요로 한다. 상기 소수성 물질은 염료, 유기용매, 아크릴 수지 등으로 이루어진 소수성 잉크인 것이고, 패드인쇄기 등을 이용하여 플라스틱 사출물 상판 및/또는 하판에 인쇄할 수 있다. 상기 염료는 아조계 블랙염료 등이 사용될 수 있으며, 상기 유기용매는 알콜류가 사용될 수 있다. 상기 플라스틱 사출물은 사이클로올레핀 공중합체(COC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA) 등으로 이루어진다.
상기 진단 구간(5)은 마이크로 채널 구간에 분석물에 따라 미세패턴 또는 미세 돌기가 형성될 수 있으며, 진단 구간 내의 검사선에는 상기 접합체와 항원-항체 반응으로 결합하는 결합제가 고정되어 포함된다. 상기 미세 패턴 또는 미세 돌기는 진단하고자 하는 분석물에 따라 다양하며, 직경 50 um 내지 80 um, 높이 10um내지 40 um, 간격 30 um 내지 50 um의 엠보(embo)구조일 수 있다.
분석물(analytes)이 존재하면, 분석물(analytes)을 매개하여 고정된 결합제와 결합하거나(통상, "sandwich" 반응이라 한다.) 분석물(analytes)과 경쟁적으로 결합제와 결합함으로서(통상, "competition" 반응이라 한다.), 샘플 내에 분석물(analytes)의 존재 여부를 육안 또는 센서를 이용하여 감지할 수 있다. 여분의 혈장은 결합이 되지 않은 형광물질들을 검사선으로부터 씻어낸다. 분석 영역의 형광 발광(fluorescence)은 분석물(analytes)의 농도에 비례하게 된다.
상기 폐기물 영역(6)은 반응용액 및 세척용액이 최종적으로 모이는 곳으로, 반응물과 여분의 세척용 혈장이 충분히 고일 수 있는 크기가 필요하며 다공성 물질로 제작할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위한 바람직한 실시예를 제시한다. 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[제조예 1] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
도 1에 따라, 사출성형에 의해 만들어진 플라스틱 사출물(단백질 고정화 기판, 제질: 사이클로올레핀 공중합체(COC) 또는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)) 상판과 하판의 마이크로 채널 반응 구간 부분에 도 2a와 같이 소수성 잉크(다이렉트 잉크)로 패드인쇄기를 사용하여 패턴을 형성하였다. 각각의 플라스틱 사출물 반응 구간 1번 위치에 B형간염 항체를 로봇 디스펜서(Lobot dispenser)를 사용하여 25℃에서 30분간 2uL씩 고정화 시키고, 진단 구간 부분 2번 위치에 B형간염 항체-형광물질 접합체 물질을 25℃에서 30분간 건조시켰다. 항원-항체 반응공간인 마이크로 채널형성을 위해 고정화 기판(하판)과 또 다른 플라스틱(상판)을 플라즈마 용착, 용제 접착, 레이져 용착 또는 초음파 융착 등을 사용하여 결합하였다.
[제조예 2] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2b와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 3] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2c와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 4] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2d와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 5] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2e와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 6] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2f와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 7] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2g와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[제조예 8] 소수성 패턴이 포함된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 제조
상기 도 2a의 패턴 대신, 도 2h와 같이 패턴을 형성한 것을 제외하고는, 제조예 1과 같이 진단장치를 제조하였다.
[실시예 1] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 마이크로 채널이 형성된 진단장치에 B형간염 혈청 200uL를 투입하였다. 모세관 현상에 의해 검체가 1차로 B형간염 항체-형광물질 접합체와 반응 후 소수성 잉크 패턴 부위를 순차적으로 지나 1번 위치의 B형간염 항체 고정화 부위와 반응하였다. 반응이 끝난 접합체는 모세관 현상에 의해 유동되는 과량의 B형간염 혈청에 의해 제거되었다. 검체 투입부터 20분경과 후 형광측정기를 이용하여 B형간염 검체 농도에 따른 형광신호를 측정하였다. 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[실시예 2] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 2의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타 내었다.
[실시예 3] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 3의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[실시예 4] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 4의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[실시예 5] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 5의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[실시예 6] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 6의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타 내었다.
[실시예 7] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 7의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[실시예 8] B형간염 항원 항체 검사
상기 제조예 1의 진단장치 대신, 제조예 8의 진단장치를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 형광신호를 측정하여 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
[비교예] B형간염 항원 항체 검사
소수성 패턴이 없는 플라스틱을 단백질 고정화 기판으로 사용하여 진단장치를 제조한 것을 제외하고는 상기 제조예 및 실시예와 동일한 방법으로 B형간염 검체 농도에 따른 형광신호를 측정하였다.
도 3으로부터, 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 있는 경우가 없는 경우에 비하여 형광신호가 크게 증가하여 나타나며, 원모양 또는 막대모양의 패턴이 많을수록 형광신호가 크게 증가함을 알 수 있다.
이는 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 항원-항체 반응이 충분히 일어날 수 있도록 반응시간을 확보해 주고, 항원-항체의 반응성을 증가시켜 결과적으로 형광신호 상승을 유도한 것이다.
도 1은 본 발명의 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 구조를 보여주는 단면도.
도 2a 내지 2h는 본 발명의 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 반응 구간 및 진단 구간을 보여주는 구조도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 마이크로 채널을 구비한 진단장치의 미세패턴에 따른 B형 간염 농도별 형광신호를 전압의 크기로 나타낸 그래프.

Claims (6)

  1. 샘플 투입구를 통하여 채취한 샘플을 받아들이는 샘플 저장소;
    상기 샘플의 역확산을 방지하는 샘플 반응 장벽;
    마이크로 채널 구간에 상기 샘플에 용해되어 이동하는 접합체를 함유하고, 소수성 물질로 이루어진 미세패턴이 인쇄되는 반응 구간;
    마이크로 채널 구간에 상기 샘플 내의 분석 물질 및/또는 상기 접합체와 항원-항체 반응으로 결합하는 결합제가 고정된 검사선이 형성되어 있는 진단 구간; 및
    상기 진단 구간에서 반응이 끝난 반응용액 및 세척용액이 최종적으로 모이는 폐기물 영역을 포함하는 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 채널은 플라스틱 사출물 상판과 하판을 플라즈마 용착, 용제 접착, 레이져 용착 또는 초음파 융착 등을 통해 결합하여 형성된 것인 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 소수성 물질은 염료, 유기용매, 아크릴 수지로 이루어진 소수성 잉크인 것인 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 미세패턴은 유체를 유동을 제어하는 패턴과 분석물질 의 반응성을 제어하는 패턴으로 이루어진 것인 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 인쇄는 소수성 라인을 도포할 수 있는 패드인쇄기를 이용한 것인 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 플라스틱 사출물은 사이클로올레핀 공중합체, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스타일렌, 폴리에틸렌, 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌, 폴리카보네이트로 이루어진 것인 마이크로 채널을 구비한 진단장치.
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