KR20100026270A - 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치 - Google Patents

유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20100026270A
KR20100026270A KR1020080085208A KR20080085208A KR20100026270A KR 20100026270 A KR20100026270 A KR 20100026270A KR 1020080085208 A KR1020080085208 A KR 1020080085208A KR 20080085208 A KR20080085208 A KR 20080085208A KR 20100026270 A KR20100026270 A KR 20100026270A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
species
electrode array
magnetic
particles
sample
Prior art date
Application number
KR1020080085208A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101026103B1 (ko
Inventor
김상경
제가타 남비 크리쉬난
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020080085208A priority Critical patent/KR101026103B1/ko
Publication of KR20100026270A publication Critical patent/KR20100026270A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101026103B1 publication Critical patent/KR101026103B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
    • B03C5/02—Separators
    • B03C5/022—Non-uniform field separators
    • B03C5/026—Non-uniform field separators using open-gradient differential dielectric separation, i.e. using electrodes of special shapes for non-uniform field creation, e.g. Fluid Integrated Circuit [FIC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor
    • G01N27/44791—Microapparatus

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

생물질을 비롯한 물질종(species)의 다중(multiplex) 탐지, 분리 방법 및 장치가 개시된다. 상기 방법 및 장치에서, 전극 및 자석을 가로질러 연속적으로 흐르는 유체 안에서 물질종들은 그들의 유전력 및 자기 특성에 기초하여 구분된다. 구체적으로, 하나 이상의 물질종으로 구성된 시료가 채널의 주입구 중 하나를 통하여 흐르고, 담체 미디어가 미세 유체 채널 내 흐름을 만들기 위하여 주입구에서 흐르기 시작하면, 유전영동 힘(dielectrophoretic force)이 발생하여 상기 시료의 물질종 상에 작용한다. 상기 물질종들 고유의 전기적 특성들이 교류 전기장의 인가된 주파수에 따라 다양한 힘으로 발현하여, 두 가지 상이한 물질종들은 동적(dynamic) 분리에 있어서 상당히 다른 힘-주파수 스펙트럼을 나타낸다. 물질종들이 다른 높이에서 분리/부양된 후에는 상기 물질종들은 자기력이 작용하는 채널 내 다음 영역으로 이동한다. 상기 유전영동 힘 및 자기영동 힘은 물질종들이 동일 미세채널의 다른 위치에 위치하도록 하여 분리시킨다.
유전영동, 자기영동, 다중 탐지

Description

유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEX DETECTION BASED ON DIELECTROPHORESIS AND MAGNETOPHORESIS}
본 발명은 생물질을 비롯한 물질종의 다중 탐지, 분리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 유전영동(DEP) 및 자기영동(MAP)의 기술을 이용하여 단일 시료 용액으로부터 마이크로 규모의 자성입자 혹은 이에 결합한 생물질을 다중 탐지, 분리하는 기술에 관한 것이다.
의약 분야에서의 진단 및 치료, 및 연구 분야에서 최종 목적 또는 다른 분석을 하기 위한 준비적인 도구로서 세포타입 또는 세포 내 성분의 분리가 요구된다. 현재 연구실 및 임상 실험실에서 사용되는 많은 종류의 세포 분류 방법이 있다. 다른 종류의 입자, 예를 들어 바이러스, 박테리아, 세포 및 다세포개체를 빠르게 분리하는 것은 의약 연구, 임상적 진단 및 환경 분석 영역의 다양한 응용분야에서 중심적 단계이다. 신약개발 및 단백질 연구에서 빠르게 성장하는 지식들은 연구자들로 하여금 단백질-단백질 상호작용, 세포 신호 경로, 및 대사 과정의 마커에 대한 더 많은 이해를 신속하게 얻도록 하고 있다. 이러한 정보는 단일 단백질 탐지 방 법, 예를 들어 ELISA 또는 웨스턴블로팅과 같은 전통적방법을 이용해서는 획득하기 어렵거나 불가능하다.
미세유체공학은 종래의 분석에 관련된 시간 및 비용을 줄여주는 반면 재생성은 향상시키기 때문에, 최근 종래의 생물학적 작업을 랩-온-칩 시스템(lap-on-a-chip) 으로 전환시키려는 노력이 있다. 생물질의 특성 동정 및 준비 단계 효율을 향상시키는 대부분의 중요한 도구는 혼합물 내에서 목표 성분을 인지하고 선택적으로 조작, 상호작용 및/또는 격리시킬 수 있는 능력이다. 또한, 마이크로비드-기초 분석은 평평한 마이크로배열에 비하여 이점이 있다. 세척이 효율적이고, 암호화된 마이크로비드를 이용하여 다중 분석할 수 있으며, 표면 대비 부피 비가 크기 때문에 신호가 증폭되고, 미디어 내에서 마이크로비드가 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 분석 시간이 짧다.
분리 수행은 다음 세가지 특징으로 평가된다. "처리량(throughput)"은 단위 시간당 얼마나 많은 분석물의 동정 및 분류가 수행가능한 지를 나타내고, "순도"는 트래핑 영역 내에 목표 분석물의 분율을 의미한다. "회수율"은 주입된 목표 분석물이 트래핑 영역안으로 성공적으로 분류된 분율을 의미한다. 형광 활성화 세포 분류기(fluorescence activated cell sorter (FACS)), 유전영동 활성화 세포 분류기 dielectrophoretically activated cell sorter (DACS)) 자기활성화 세포 분류기(magnetically activated cell sorter (MACS))가 세포 분리 및 조작을 위하여 사용되어 왔다. 이러한 기술들은 세포 분리에 있어서 높은 특이성을 제공하지만, 단점이 있다. 예를 들어, FACS는 한정된 처리량을 가진다(대부분 103-104세포/초). 또한 분류 시간이 길고, 노즐의 기계적 스트레스가 상당하며, 따라서 세포 생존율이 감소하고, 세포 기능적 생존률도 감소된다. 또한 고비용이고 설계 및 작동이 복잡하다.
WO 01/96857 A2는 반대되는 유전영동 힘 및 자기력의 균형을 이용하여 유체역학적 흐름 프로파일 내에서 조절하는, 분리될 입자의 위치 지정을 포함하는 방법에 관한 것이다. 이 경우 "프로그래밍"이라고 불리는, 분리하는 동안 시간에 따라 장을 변화시키는 과정이 분리 효율을 향상시키기 위하여 필수적이다. 또한 자기장의 프로그래밍도 유연성, 구별을 달성하기 위하여 필수적이다. 또한, 상기 시료 분석물 혼합물은 DEP 및 MAP장 안에서 충분한 시간을 보내야만 분석물이 담체 유체 흐름 프로파일 내에서 위치에 가깝게 이동할 수 있고 그에 의해 서로 분리될 수 있다. 그러한 DEP-MAP-FFF 장치의 제조에 포함된 문제는 전극 및 자극 배열이다.
본 발명은 유체 채널 내에서 유전영동 힘 및 자기영동 힘을 이용하여, 높은 처리량, 순도 및 분리 효율을 달성하는 물질종 다중 탐지, 분리 방법 및 장치를 제공하고자 한다. 또한, 미세유체 장치 또는 랩-온-칩 에서 다중 탐지에 유용한 생물질 분리 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 둘 이상의 전극을 포함하는 전극 배열(110); 상기 전극배열을 가로지르는 방향으로 배치된 유체 채널(100); 및 상기 유체 채널의 위 또는 아래에서 상기 전극배열과 겹치지 않도록 배치된 자기장 경사 발생기(120)를 포함하는 물질종(species) 다중(multiplex) 탐지 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하는 물질종(species) 다중 탐지 방법으로서, 둘 이상의 물질종을 포함하는 시료를 유체 채널로 주입하는 단계; 액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입하는 단계; 전극배열에 교류 전압을 인가하는 단계; 상기 전극배열로부터 발생한 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 각각 상이한 높이로 부양시키는 단계; 및 상기 부양된 물질종을 채널 내 자기장 영역으로 이동시켜 자기영동 힘으로 일 위치에 트래핑하는 단계를 포함하는 물질종 다중 탐지 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 분리 방법 및 장치를 이용하면, 낮은 비용으로 많은 양을 병행적으로 분리할 수 있고, 장치의 크기가 작고, 1회용이어서 임상적으로 실용적으로 이용할 수 있다. 상기 분리 방법 및 장치는 질병의 조기 발견을 위한 다종 표지자 검출 및 희귀 세포 동정과 같은 치료적 용도, 마이크로/나노 입자의 특성연구까지 생물학, 의약 및 재료공학 분야에서 전도유망하게 응용될 수 있다.
유체 채널 내에서 유전영동 힘 및 자기영동 힘을 이용하는 본 발명의 일실시예에 따른 다중 탐지, 분리 방법 및 장치는, 입자 타입에 따라 다른 유전영동 힘을 작용하여 입자를 다른 높이로 부양시키고, 자기장 변화가 발생한 영역으로 진입시켜 자기영동 힘으로 채널 내에서 특정 위치에 입자가 트래핑되도록 한다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 다중 탐지, 분리 방법 및 장치는, 유전영동 힘으로 같은 크기의 입자가 분리되지 않는 경우, 유전영동 힘을 작용하여 같은 크기의 입자를 같은 높이로 부양시켜 배열시킨 후, 자기장 변화가 발생한 영역에서 자기 특성에 따라 정확히 분리되도록 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 다중 탐지, 분리 방법 및 장치에서, 유전영동 힘(Dielectrophoretic force, FDEP)은 인가된 교류 주파수에 의해 조절될 수 있다. 가장 단순한 형태의 유전영동 분리기(separator)는 전극 배열을 가로질러 흐르고 있는 미디어로부터 특정 입자를 단순히 분리해내는 것이다. 입자들은 전극 배열 위의 담체(carrier) 미디어로부터 주파수 및 유속에 기초한 속도로 분리된다. 이러한 방법으로, 네거티브 유전영동(DEP)을 경험하는 입자들을 포지티브 DEP를 경험하는 입자로부터 분리한다. 입자 타입에 따라 동일한 주파수를 인가했을 때 각각 다른 DEP힘을 나타낼 수 있다. 어떤 성분이 포지티브 DEP를 경험할 때, 그들은 전극 배열에 매우 가까워지는 방향으로 이동한다. 네거티브 DEP를 경험할 때에는, 그들은 전극 배열로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 이러한 부양 높이차는 성분들이 다른 높이에서 자기영동 영역으로 들어가도록 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 분리 방법 및 장치에서, 자기장 경사 발생기(magnetic field gradient generators, MFG)에 의하여 발생한 자기장 경사는 미세유체(microfluidic) 장치에서 자성 입자에 작용하는 자기 영동 힘(Magnetophoretic force, FMAP)의 원인이 된다. 대부분의 버퍼 용액과 같은 약한 반자성 미디어에서, 상자성 입자에 대한 자기영동 힘은
Figure 112008061796089-PAT00001
로 예상될 수 있다. (1)μo는 자유 공간의 투과성이고, B는 자속밀도, Δχ = χparticle-χmedium 는 미디어에 대한 입자의 자화율 차이(differential magnetic susceptibility), 그리고 Vm는 상자성 입자의 부피이다. 따라서, 힘은 자속밀도 B의 제곱의 기울기에 기초한다. 많은 응용에서, 초상자성 입자가 포화 상태에 있을 때, 총 자화부피
Figure 112008061796089-PAT00002
는 일정하고 초상자성 입자에 대한 자기영동 힘에 대한 방정식은
Figure 112008061796089-PAT00003
로 단순 화될 수 있다. 여기에서 msat 는 상기 입자의 포화 자화정도이다. 초상자성 입자에 대한 힘의 방향 및 크기가 인가된 자기장의 경사에 의해 조절되기 때문에, 자기영동 분리 장치는 이러한 파라미터를 정확하게 조절할 수 있도록 설계될 수 있다.
MFG를 통하여 생성된 자기장 경사의 방향 및 크기는 인가된 자기장(전형적으로 분리 영역에 근접한 외부 자석에 의해 제공) 및 MFG의 구조에 기초한다. MFG 구조의 적절한 파라미터는 MFG 재질, MFG의 크기 및 배열, 유체흐름 및 외부 자기장에 대한 MFG의 방향을 포함한다.
MFG 구성을 제조하는 재질은 장치 내 유체 미디어(예를 들어 버퍼)의 투과성과는 현저하게 다른 투과성을 가져야 한다. MFG 구성은 강자성 물질로부터 제조될 수 있다. 따라서, MFG 구성은 철, 코발트, 니켈 사마리움, 디스포리움, 가돌리니움, 또는 함께 강자성 물질을 형성하는 다른 구성요소들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 재질은 순물질(예를 들어 니켈 또는 코발트)일 수 있고, 또는 구리, 망간 및/또는 주석의 합금과 같은 강자성 합금일 수 있다. 적절한 강자성 합금의 예는 Heusler합금(65% 구리, 25% 망간 및 10% 알루미늄), 퍼말로이(Permalloy, 55% 철 및 45% 니켈), 수퍼말로이(Supermalloy, 15.7% 철, 79% 니켈, 5% 몰리브덴 및 0.3% 망간) 및 μ-메탈 (77% 니켈, 16% 철, 5% 구리 및 2% 크롬)이 있다. 니켈-코발트 합금도 사용될 수 있다. 일부 실시예에서는 비금속 강자성 재질, 철과 다른 금속산화물의 혼합물인 페라이트(ferrite)도 사용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 다중 탐지, 분리 방법 및 장치에서, 일반적으로 라벨 및 분석물은 그들의 상대적 유전율, 투과성, 및 부피에 기초하여 라벨-분석물 복합물에 유전 특성 및 자성특성을 부여할 것이다. 여기에서 설명되는 분리는 유전영동 및 자기영동 힘에 의한 부양 및 트래핑에 기초한 것이므로, DEP-MAP 분리기에서 라벨-분석물 복합물들은 다른 분석물을 포함하는 라벨의 유출(elution) 특성과 다른 유출 특성을 나타낸다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 라벨들이 그들의 DEP 힘(포지티브/네거티브)에 따라 구분되고 분리되도록 한다. 예를 들어, 다른 개수의 자성 라벨에 결합된 세포들은 분리되는 동안 다른 DEP힘을 나타낼 것이고, 그에 따라 구분, 동정, 분리가 가능해진다. 또다른 예로서, 분석물과 결합되지 않은 라벨들은 세포, 입자 분자 및 다른 목표 분석물과 결합된 라벨들로부터 분리될 수 있다.
또한, 다른 형태의 라벨들로 구성된 "칵테일"이 제조될 수 있는데, 각 라벨 타입은 각각 다른 유전 및 자성 "핑거프린트"를 가진다. 혼합물 내 각각의 라벨 타입은 상이한 목표 분석물과의 결합 상태에 따라 독립적으로 구분, 분리, 동정 및 특성화될 수 있다. 그러한 라벨 칵테일은 단일 분리 단계에서 혼합물 내에 있는 다수의 분석물의 동시적 분석을 가능하도록 한다.
입자 그룹이 미세채널의 자기적 영역 내 특정 위치에 트래핑되는 단계 이전의 분석 시퀀스에서, 입자들의 유전 특성은 인가된 주파수에서 액체상으로부터 고체상의 자동 분리를 가능하게 한다. 상기 분리는 다양한 목적에 사용될 수 있다. 분석 성분으로부터 시료 잔해를 제거하는 것, 탐지 단계에서 배경 노이즈의 현저한 원인이 되는 시료 성분을 제거하는 것, 분석 대상은 아니면서 결과에 간섭할 수 있는 경쟁 결합 요소를 제거하는 것, 및 라벨, 분석물, 분석물 결합 요소, 및 라벨-결합 요소 결합체와 같은 결합되지 않은 물질종으로부터 결합된 물질종을 제거하는 것 등에 사용될 수 있다.
특정 분석 또는 분석의 조합에서의 특정 기능은 분석 특성 및 분석 프로토콜에 따라 달라질 것이다. 자성있는 또는 자화가능한 물체의 조작이란, 자성있는 또는 자화가능한 물체의 이동, 다른 형태의 자성있는 또는 자화가능한 물체들의 혼합, 다른 형태의 자성있는 또는 자화가능한 물체들을 서로로부터 분리하는 것, 자성있는 또는 자화가능한 물체를 장치의 표면으로부터 멀어지게 하거나 표면으로 끌어당기는 것을 의미한다. 본 발명의 실시예에 따른 장치 및 방법은 자성있는 또는 자화가능한 물체의 조작을 자성있는 또는 자화 가능한 물체의 시료 유체 내 존재여부를 탐지하거나 농도를 결정하는 것과 조합하여 사용할 수 있다. 종래의 기술은 이러한 분리 및 탐지를 느린 속도, 복잡한 접근 방법으로 제공한 반면, 본 발명은 다수의 라벨을 단일 시료 용액으로부터 더 빠른 속도로 분리, 탐지할 수 있게 한다. 빠른 분석은 특히 다수 바이러스의 탐지에 필요하다.
DEP는 물질종을 조작 및 분리하기 위하여 매우 효율적인 방법이다. 이 기술은 주로 세포, 세포 기관 및 기타 입자(예를 들어 세포 내용물 및 그 막)에 적용된다. 하나의 입자가 전기장에 놓여지면, 미디어와 비교하여 입자의 상대적인 유전율 및 전도도로 인하여 전하가 유도된다. 이러한 과정을 분극이라고 한다. 외부 전기장이 균일하지 않으면 입자는 정전기력에 의하여 움직일 수 있다. 특히, 교류 전기 장에서는 입자 분극이 주파수 의존적이어서, 유도되는 힘 및 그에 따른 입자의 이동이 조정될 수 있다. 이것을 유전영동(DEP)이라고 한다. 유도되는 힘을 변화시킴으로써, 입자는 종래 DEP에 의하여 가까워지거나 반발할 수 있고, 또는 진행파 DEP에 의하여 양방향으로 이동될 수 있다. DEP는 또한 다른 입자들을 동정하거나 분리하는데 사용될 수 있다. (예를 들어, 다른 종류의 박테리아, 살아있는 세포 또는 죽은 세포), DEP의 주요한 장점은 가동력 및 그에 따른 이동 형태가 단일 전기장에 의하여 조절될 수 있다는 것이다.
그러나, DEP 수행은 예를 들어 버퍼와 같은 유체, 특히 이온강도에 매우 민감하다. 큰 DEP힘은 오직 낮은 이온 강도의 미디어에서만 획득될 수 있다. 반면 혈액과 같은 실제 시료의 이온 강도는 훨씬 높다. 더욱이, DEP힘 강도가 대개 입자의 부피에 비례하기 때문에 세포와 같은 큰 입자의 조작에만 적절하고, 작은 분자를 조작하기에는 너무 작다. 또한, 바이오 분석물질의 DEP는 분석물질의 생물학적 특성을 반드시 반영하는 것이 아니고 물리적 영향이 크다. 따라서, 복잡한 환경에서 특정한 특이성을 가지고 분석물을 조작하는 것이 어려울 수 있다.
바이오 분석물 이동을 위한 또다른 방법은 자기영동(MAP)의 사용이다. 자성 입자는 자기영동 힘에 의하여 가동될 수 있다. 장점은 자성입자와 바이오 분석물 간의 생친화적 결합에 의하여 생물적 특이성이 유지된다는 것이다. 또다른 장점은 자기영동 힘은 미디어에 의하여 영향받지 않는다는 것이다. 대부분의 미디어는 자성 성분을 포함하지 않으므로, 자기 감지기를 탐지기능을 가진 마이크로시스템과 통합하는 것이 용이하고, 이는 랩-온-칩(LOC) 응용에 유용하다.
맞물린(interdigitated) 전극 배열에 의하여 발생한 불균등한 전기장에서 중성 입자는 그 분극효과 때문에 이동한다. 이러한 현상이 유전영동이다. 본 발명이 일실시예는 라벨이 유전영동적으로 배열 혹은 분류되고, 그 후 자기장이 입자 상에 자화를 유도하는 경우 미세채널 내에서 경로를 변경할 수 있는 사실에 기초한 탐지 방법을 제공한다.
단순 단일 탐지 방법으로부터는 단백질-단백질 상호작용, 세포 신호 전달 경로에 대한 메커니즘을 이해하기 매우 어렵기 때문에, 다중 탐지 기술이 필요하다. 본 발명은 DEP-MAP 기초한 다중 탐지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예는 하나의 시료 내의 분자 또는 세포를 구별하는 방법을 개시한다. 상기 방법은 유체역학 힘을 분자 또는 세포 상의 DEP힘으로 조정하여, 상기 분자 또는 세포를 유체 흐름 내 원하는 방향으로 선택적으로 이동할 수 있는 방법이다. 일실시예에서, 상기 원하는 방향은 분자 또는 세포를 유체흐름의 제1영역으로부터 다음 유체흐름 영역으로 이동시키는 것을 포함한다. 또다른 실시예에서, 상기 분자 또는 세포는 천연적으로 발생하는 DEP핑거프린트를 포함한다. 또다른 실시예에서, 분자 또는 세포는 DEP태그로 변형될 수 있다. DEP힘은 하나 또는 그 이상의 전극에 의하여 발생될 수 있다. 상기 방법은 미세 유체 장치에서 수행될 수 있다. 본 방법은 불균질한 혼합물로부터 다수의 라벨을 분류해낼 수 있도록 해준다. 본 방법은 신뢰성이 좋고 응용성이 좋다.
유전영동적 조작을 위한 예시적 전극 배열은 맞물림 형태, 성 형태와 같은 어떤 형태도 가능하다. 일실시예에서, 전극 배열은 유리와 같은 지지 기재 상에 패 턴되어 있는 백금, 금, 크롬등과 같은 전도체 박막으로 구성된 평평한 배열일 수 있다. 이 배열은 공지의 광리소그래피 기술 및 전자빔(e beam) 패턴 기술에 의하여 제조될 수 있다. 이러한 전극배열은, 또는 다른 배열은 본 발명의 일실시예에 따른 분류기 내 DEP힘을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 전극들은 전기도금되거나 인쇄되거나 에칭되거나 챔버 벽에 부착될 수 있다. 또는 플로우 채널 내 또는 주위에 위치되어 신호 발생기와 연결되었을 때, 플로우 채널 내 불균등한 전기장을 생성할 수 있다. 일실시예에서, 담체 미디어로 사용되는 용액에 따라 절연층이 사용되거나 사용되지 않을 수 있다. 절연층은 SiO2, Si3N4 에 한정되지 않는다.
자성 라벨을 이용한 종래의 면역분석 및 분리에서 자기장은 모든 라벨을 포획하기 위하여 사용되었고, 시료 내 존재하는 항원 양을 측정하기 위하여 형광 신호가 사용되었다. 그러나, 본 발명의 일실시예에서는 자기장은 미세 유체 채널 내에서 바이오 분자를 탐지하기 위하여 사용되었다. 또한 초전도 양자 간섭 장치(superconducting quantum interference device (SQUID))를 이용한 초민감한 자성 바이오센서가 면역분석을 위하여 개발되었지만, 이 방법의 단점은 결합된 자성 입자와 결합되지 않은 자성입자 간 구분에 기초한 단일 분석물 분석에만 한정된다는 것이다. 본 발명의 일실시예에서는 작은 부피의 시료들은 이종의 라벨 혼합물과 혼합되어 하나의 시료로부터 특정 분석물의 포획이 가능하다. 본 발명의 일실시예에서는 상이하고 더욱 특정한 분석물로 암호화된 다양한 크기의 자성 입자를 구별할 수 있다.
트래핑 영역 내 강력한 자기장 경사를 형성하기 위하여, 자기장은 영구자석 또는 MFG에 적합화된 영구자석에 의해서 제공될 수 있다. 일실시예에서, 외부 자석은 영구 자석 또는 전자석일 수 있다(예를 들어 헬몰츠 코일(Helmholtz coil). 일반적으로, 전자석은 더 작은 자기장을 형성하지만, 매우 균등한 장을 형성하도록 설계될 수 있어 유리할 수 있다.
영구자석의 트래핑 영역에서의 위치 및 방향은 영구 자석에 의하여 형성되는 자기장의 세기, 장의 균등성(즉, MFG 가 없을 때 트래핑 영역을 가로지르는 장의 균등성), 자석의 차원 및 형태 등에 의하여 결정될 수 있다. 일실시예에서, 상기 자석은 미세 유체 채널 위 및 아래에 위치할 수 있다. 일실시예는 트래핑 영역 위 또는 아래에 위치한 단극을 가지는 단일 자석을 이용한다. 다른 실시예에서는 트래핑 영역 위 또는 아래에 위치하고, 같은 극과의 거리가 동일한 다수의 자석을 이용한다.
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방법은 느린 유속에서 각각 다른 특성을 가지는 자성 입자들을 서로로부터 분리하는 것 뿐만 아니라, 처리량을 증가시키기 위하여 빠른 유속에서도 달성할 수 있는 강력하고 섬세한 분리 시스템이다.
본 발명자들은 다양한 크기의 라벨을 분리하기 위한 미세 유체 장치를 설계하였다. 상기 미세 유체 장치는 세 가지 기능 및 각각의 단위를 포함한다: 집중된흐름 영역, 유전영동(DEP)영역, 및 자기영동(MAP)영역. 집중된 흐름 영역에서는, 상기 라벨들이 조절된 너비의 흐름으로 유체역학적으로 집중되고, DEP 영역에서는, 불균등한 전기장이 전극 배열에 의하여 발생되어 분리를 촉진하고 분리된 라벨들은 MAP 영역에 위치한 영구자석에 의하여 트래핑된다. 상기 DEP 영역 및 MAP 영역은 같은 미세 채널 내 두 개의 다른 위치에 위치한다. 라벨의 크기에 기초하여, 라벨 상에 작용하는 DEP힘은 다를 수 있다. 이것이 라벨들을 분리한다. DEP 힘으로 같은 크기의 라벨이 분리되지 않는 경우, DEP 힘을 작용하여 같은 크기의 라벨을 같은 높이로 부양시켜 배열시킨 후, MAP 영역에서 자기 특성에 따라 정확히 분리되도록 할 수 있다.
포지티브 DEP는 입자가 미디어보다 더 분극가능하여 입자가 더 높은 장 경사 영역을 향하여 끌릴 때 발생한다. 네거티브 DEP는 입자가 미디어보다 덜 분극가능하여 더 낮은 장 경사의 영역을 향해 끌릴 때 발생한다.
자석이 미세채널 아래에 위치하여 전극 배열이 자석과 같은 쪽에 있을 때, 상기 장치는 "네거티브 DEP"모드 하에 있다고 표현된다. 이 자석 위치는 네거티브 DEP를 경험한 라벨들이 자석의 반대편 끝을 향해 이동하도록 촉진한다. 여기서 포지티브 DEP를 경험한 라벨들은 미세채널의 다른 절반을 향해 정렬된다. 유사하게, 자석이 전극 배열과 반대쪽에 있을 때에는, 포지티브 DEP 를 경험한 라벨들이 자석 상에 즉시 모인다. 반면, 네거티브 DEP를 경험한 라벨들은 가까운 자석 말단에 모이지 않고 더 멀리 움직인다. 이러한 자석과 전극 배열의 위치는 "포지티브 DEP"모드를 형성한다. 본 발명의 분리 방법을 수행하는 실시예로서 이러한 두 가지 다른 모드의 가능성이 가능하다.
상기 설명에서 "미세유체"라는 용어를 사용하고 있지만, 여기에서 설명된 원 칙 및 설계 특징은 더 큰 규모(밀리미터 또는 센티미터 규모 채널을 사용하는) 장치 및 시스템에 적용될 수 있다. 여기에서 하나의 채널 또는 위치(station)가 기재되어 있더라도, 상기 채널 또는 위치는 단일 기재 또는 통합 시스템의 다수 기재 상에서 평행 형태로 작동하도록 배열된 다수의 채널 또는 위치의 한 예일 수 있다. 미세유체 "시스템"은 하나 이상의 미세유체 장치 및 관련 유체 연결부, 전기적 연결부, 제어부 등을 포함할 수 있다. 미세유체 장치는 미세유체 차원의 하나 이상의 유체가 흐르는 통로, 예를 들어 채널의 존재를 포함한다. 자성 라벨링 기술은 상기 언급된 공정을 달성하기 위하여 수행되는 방법 중 하나이다. 상기에서 설명된 "자성 라벨" 또는 "라벨"은 자기적으로 민감한(susceptible) 고체상 입자로서, 상기 고체상 입자는 마이크로비드일 수 있다. 상기 자성의 마이크로비드가 단위 부피당 넓은 표면적을 가지기 때문에, 상대적으로 목표 입자, 세포 또는 분자("목표 분석물")가 결합할 수 있는 넓은 결합 사이트를 제공한다. 따라서, 표면이 변형된 자성에 민감한 라벨은 분석물 혼합물 내에서 특정 목표 분석물에 붙는 경향이 있다. "전극"은 모든 전기적 통로, 예를 들어 도체 배열을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 장치에서 통합된 칩 상의 3 개의 구성요소를 보여준다. 구성요소 100은 유체 채널을 나타내고, 구성요소 110은 DEP힘을 제공하는 전극 배열을 나타낸다. 구성요소 120은 라벨 수집을 가능하게 하는 자기장 경사 발생기를 나타내고, 구성요소 130은 완전히 통합된 미세 유체 장치를 나타낸다. 자성입자는 구성요소 140으로 표시된다.
상기 미세 유체 장치(130)는 기재(기재(180)는 사이에 있는 유체 채널 경계 를 한정하기 위하여 서로 연결된 하나 이상의 기재일 수 있다)를 포함한다. 시료 주입구(150)는 담체 미디어 주입구(170)와 유체로 연결된다. 도 1이 3개의 유체 주입구를 나타내고 있어도, 일실시예에 따른 장치는 단일 유체 주입구 및 플로우 채널을 포함할 수 있다. 배출구는 구성요소 160으로 표시된다.
일실시예에서, 기재(180)는 미세 유체 장치(130)의 여러 가지 형태(예를 들어, 채널, 챔버, 밸브 등)가 설계되는 절연(예를 들어, 유리 또는 폴리머), 또는 반도체성(예를 들어 실리콘 기재)일 수 있다.
DEP는 불균등한 전기장에서 분극화 효과에 의해 야기된 전하 중성 물질의 이동이다. 상대적으로 용이한 전기장의 조작 및 통합 전자공학으로의 인터페이스 때문에, DEP는 특히 온-칩 라벨 조작에 이점이 있다. DEP힘은 물질종(예를 들어, 원핵세포, 진핵세포, 바이러스, 분자, 입자 및 다세포 개체)이 놓여있는 교류 전기장의 불균등한 분포로 인한 것이다. 특히, DEP힘은 전기장이 유도한 분극 전하와 불균등한 전기장 사이의 상호작용에 의하여 발생한다. 인가된 장에 의하여 자성입자(140)에서 분극전하가 유도되고, 발생한 쌍극자의 강도 및 방향은 물질종과 그 물질종이 떠 있는 미디어 간의 유전영동 특성 차이와 관련된다.
DEP힘은 진행파 유전영동(traveling-wave dielectrophoresis, twDEP) 힘이거나 종래 유전영동(conventional dielectrophoresis, cDEP) 힘일 수 있다. twDEP 힘은 진행파 전기장으로부터 발생한 자성입자(140)상의 힘을 말한다. 진행파 전기장은 위상 수치에 있어서 불균등한 분포를 가지는 교류 전기장 성분으로 특징지어진다. cDEP 힘은 교류 전기장의 강도에 있어서의 불균등 분포로부터 발생된 자성입 자(140)상 힘을 말한다.
교류의 전기 신호의 위상을 변경함으로써, 제2의 DEP 힘, 즉 진행파 DEP가 생성된다. cDEP 힘은 전기장의 공간적 불균등에 의존하고, 입자가 높은 전기장 세기의 영역으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 한다. twDEP 힘은 인가된 전기장의 위상 분포에 의존하고, 입자가 증가하는 위상 수치의 방향으로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 한다.
유전영동 장은 2 또는 그 이상의 전극 사이에 전압을 인가함으로써 발생된다. 전형적으로 상기 전극은 인가된 전기장이 불균등하거나 공간적 변이가 야기되어 유전영동 효과를 생성할 수 있는 위치로 배열된다. 따라서, 유전영동 장을 변화시킴으로써 입자를 조작할 수 있다. 동일한 주파수로 일부 구성성분이 네거티브 DEP를 경험하고 나머지가 포지티브 DEP를 경험할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
효율적으로 원하는 물질종을 복잡한 혼합물로부터 분리하기 위해서, 일실시예에서, 목표 분석물의 유전영동 진폭 반응은 분석물을 크기가 다른 자성입자(140)로 표지하여 다른 분극 반응을 유지하도록 함으로써 조절할 수 있다.
인가된 주파수에서 DEP힘의 크기 및 극성이 모두 각 입자 타입에 따라 다양하다는 사실은 바이오 입자의 선택적 조작 및 바이오입자의 분리를 위하여 교류 DEP를 사용하는 것에 있어서 중요한 의미를 가진다. 상이한 입자는 동일한 전기장 주파수에서 상이한 DEP반응을 가질 수 있기 때문이다.
상기 방정식으로부터, DEP힘은 입자 부피에 비례하고, 따라서 입자들은 그 크기에 따라 분리될 수 있다는 것을 알 수 있다. 교류 유전영동에서 상기 힘은 인가 주파수에 의하여 조절될 수 있다. 상기 힘이 크기에 대하여 세제곱 의존관계가 있고, 유전율에 대하여 선형 의존관계가 있고, 힘의 크기 및 극성은 주파수와 의존관계가 있다. 본 발명의 일실시예는 이러한 특성을 이용하여 라벨 분리를 위한 플로우 스루 시스템(flow through system)을 설계하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법 및 장치는 상이한 유전영동 핑거프린트를 가지는 라벨들 간, 또는 라벨링되지 않은 세포 또는 입자와 라벨링된 세포 또는 입자 사이의 유전영동 반응의 차이를 이용하기 위하여 설계, 제작되었다.
또한, 자기장 경사 발생기(120)는 영구 자석 또는 전자석으로부터 외부 자기장을 인가하는 것을 포함할 수 있다.
영구 자석은 니켈, 코발트, 철, 이들의 합금 및 합금됨으로써 강자성이 되는 비 강자성 물질들의 합금, 즉 Heusler 합금으로 알려진 합금(예를 들어, 구리, 주석 및 망간의 합금)으로부터 생성된다. 영구자석을 위한 많은 적절한 합금들은 알려져 있고, 본 발명의 일실시예에서 사용할 수 있는 자석 제작을 위하여 상업적으로 이용할 수 있다. 전형적인 그러한 물질은 전이금속-반금속(메탈로이드) 합금으로서, 전이금속(대개 Fe, Co, 또는 Ni) 약 80%와 녹는점을 낮춰주는 반금속 성분(보론, 탄소, 실리콘, 인 또는 알루미늄)으로부터 만들어진다. 영구 자석은 결정형 또는 무정형일 수 있다. 무정형 합금의 일실시예는 Fe80B20 (Metglas 2605)이다.
도 1의 실시예에서, 외부 자기장은 미세 유체 장치(130)의 분류 영역의 윗면 및 아래면에 부착된 직사각형(10 cm x 2.5 cm x 1 cm) NdFeB 자석 (K&J Magnetics, Jamison, PA) 에 의하여 제공된다.
본 발명의 미세 유체 분리에 사용된 자성 포획 입자들은 많은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일실시예에서는 초상자성 마이크로입자, 나노입자일 수 있고, 또다른 일실시예에서는 강자성 또는 상자성일 수 있다.
일반적 제안으로서, 자성 입자(140)는 미세 유체 장치(130)에서 자기장에 노출되었을 때 유체 흐름의 방향으로부터 쉽게 방향전환될 수 있는 크기, 질량 및 자화성을 가진 것으로 선택되어야 한다(수력학 및 자기 효과의 균형). 일실시예에서, 자성입자(140)들은 자기장이 제거되었을 때는 자성을 보유하지 않는다. 전형적인 예에서, 자성 입자(140)는 직경이 약 10나노미터 내지 약 100나노미터인 산화철(Fe2O3 및/또는 Fe3O4)을 포함한다. 그러나, 다른 일실시예에서는 더욱 큰 자성 입자(140)도 사용 가능하다. 예를 들어, 배양중인 세포를 위하여 지지 미디어로 사용할 수 있을 정도로 큰 자성 입자(140)를 사용하는 것이 가능하다.
자성입자(140)는 미세유체 환경과 융화될 수 있고 특정 목표 분석물과 커플링 될 수 있는 물질로 코팅될 수 있다. 코팅의 예는 폴리머 쉘, 유리, 세라믹, 젤 등을 포함한다. 일실시예에서, 상기 코팅이 목표 분석물과 커플링 또는 물리적 결합을 촉진시키는 물질들로 코팅된다. 예를 들어, 마이크로 자성입자 상 폴리머 코팅은 항체, 핵산 서열, 아비딘 또는 바이오틴으로 코팅될 수 있다.
자성입자(140)의 제1군은 Miltenyi Biotec Corporation of Bergisch GladBach, Germany로부터 이용할 수 있는 것과 같은 나노입자일 수 있다. 이것들은 전형적으로 직경 약 10-100 나노미터의 범위에 있는, 코팅된 단일 도메인 산화철 입자로부터 제조된 상대적으로 작은 입자들이다. 이들은 특정 항체, 핵산, 단백질 등에 커플링된다.
자성 입자(140)의 제2군은 폴리스티렌과 같은 폴리머 매트릭스 내에 박혀있는 자성 나노입자로부터 제조된다. 이들은 전형적으로 매끄럽고 일반적으로 구형이다. 적절한 비드는 Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA로부터 이용할 수 있다. 이러한 자성입자(140)들은 또한 특정 항체, 핵산, 단백질 등에 커플링된다.
일실시예에서는 시료 물질의 고유 자성을 이용할 수 있다. 이 경우, 자성 입자(140)가 사용될 필요가 없다. 그러한 물질의 예는 에리스로사이트(erythrocyte), 산업용 소형 자성입자 등을 포함한다.
흔히 사용되는 분류 버퍼는 인산 버퍼 식염수, 탈이온화수 등을 포함한다. 실제 버퍼 조성은 적용분야 및 시료, 목표 분석물의 특성에 따라 달라진다. 박테리아를 분류하기 위하여 사용된 일실시예에서는 버퍼가 1X PBS (인산 버퍼 식염수, phosphate buffered saline)/20% 글리세롤 /1% BSA (우혈청알부민) (부피기준)를 포함한다.
본 발명의 미세 유체 탐지 위치를 위하여 필요한 유체 채널(100), 시료 주입구(150), 담체 미디어 주입구(170), 경유로(via), 펌프 등은 알려진 제작 기술을 이용하여 제작될 수 있거나(예를 들어 다양한 미세제작 절차에 의하여 제작), 필요에 따라 구입할 수 있다. 일실시예에서는, 실리콘 마스터에 전구체를 적용하고 경 화(cure)함으로써 제작된 실리콘 마스터 몰드의 PDMS 레플리카에 보로실리케이트(borosilicate) 유리 웨이퍼가 고정될 수 있다. 플라즈마 본딩이 유리 기재(180)를 PDMS 층에 결합시키기 위하여 사용할 수 있다.
유체흐름은 압력에 의해 추진되거나 전자동역학에 의해 추진될 수 있다. 압력에 의해 추진되는 흐름은 작은 부피의 미세유체에의 적용을 위하여 쉽게 사용할 수 있는 펌프(예를 들어 연동 펌프), 시린지 등에 의하여 발생된다. 일실시예에서, 시료 혼합물 및 분류 버퍼를 미세 유체 장치(130) 안으로 일정유속으로 배달하기 위하여, 프로그램할 수 있는 시린지 펌프(Harvard Apparatus PHD. 22/2000, Holliston. MA)가 사용된다. 미세채널 내 시료의 흐름은 CCD 카메라를 갖춘 역상 현미경(예를 들어 Olympus, Japan)과 같은 적절한 탐지기를 통하여 모니터될 수 있다.
전극 배열(110)은 유리와 같은 지지 기재(180) 상에 패턴된 백금, 금, 크롬과 같은 박막 전도체로 구성된 평면 배열이다. 이 배열은 알려진 광리소그래피 및 전자빔(e beam) 패턴 기술을 이용하여 제작될 수 있다. 이와 같은 전극배열(110), 또는 다른 형태의 전극 배열이 본 발명의 일실시예에 의한 분리기에서 DEP 힘을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 전극은 전자도금, 인쇄, 에칭 또는 채널 벽에 고정될 수 있고, 또는 신호 발생기에 결합되었을 때 플로우 채널에서 불균등한 전기장을 생성하기 위하여 플로우 채널 내 또는 주변에 위치한다. 일실시예에서, 담체 미디어로 사용된 용액에 따라 절연층이 사용될 수도 있고 안될 수도 있다. 절연층의 선택은 SiO2, Si3N4 등에 제한되지 않는다.
전극 배열(110)에 교류 전압을 인가함으로써 불균등 전기장이 생성된다고 가정하자. 도 1은 부도체 기재(예를 들어 유리) 상에 패턴된 도체(예를 들어 금, 크롬 등의 박막)를 포함하는 전극 배열(110)을 나타낸다. 전극 배열(110)이 평행할 때 전극 간에 전기 전압이 인가된다면 주변 효과가 전극의 평면 위 및 아래에 공간적으로 불균등한 전기장이 생성된다. 이 주변 전기장 영역에 위치한 입자가 경험하는 유전영동 힘은 전극 배열(110) 평면으로부터 입자까지의 거리에 따라 달라질 것이다.
본 발명의 일실시예에서, 마이크로 입자 중, 자성 마이크로 입자를 사용할 수 있다. 일실시예에서, 이 발명은 플로우 사이토메트리에 의한 단일 유체 시료의 다중 이종 결합 분석을, 고체와 액체 상의 분리를 용이하게 하기 위하여 고체 상으로서 고체 자성 입자를 사용하는 것과 조합할 수 있다. 그러한 마이크로 입자는 상기 설명한 차등 파라미터에 대하여 다양한 선택을 제공하고, 플로우 사이토메트리에 의하여 용이하게 분석되고 구별된다. 또한, 자성 마이크로 입자는 자기장에 의하여 액체 상으로부터의 분리 가능성을 제공한다. 각 그룹들은 실질적으로 겹치지 않고, 인접 그룹의 특징적인 특성의 평균 수치가 다른 그룹으로부터 충분히 떨어져 있어서 종래의 자동화된 탐지 방법에 의하여 각 그룹의 구별이 가능하다. 일실시예에서, 분석 반응제는 각 입자에 결합될 수 있는데, 실질적으로 각 그룹 내 모든 입자들은 같은 분석 반응제를 포함하고, 각 그룹은 인접 그룹과 다른 분석 반응제를 포함한다. 따라서, 상기 그룹은 그들의 특징적인 차등 파라미터뿐만 아니라 입자에 결합된 분석 반응제에 의해서도 구별가능하다. 또한, 자기적 분리는 세척 단계에서 유용하고, 포획된 항체가 분리된 후 첫 번째 고체 상으로부터의 상등액을 회수하는 것에 유용하다. 본 발명은 랩-온-칩에서 다중 분석 플랫폼을 구축하기 위한 새로운 분석 포맷을 제공할 수 있다.
이하, 입자 및 생물질의 분리에 관한 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 후술하는 실시예는 본 발명의 바람직한 일실시예일 뿐, 본 발명이 그러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일실시예에 의한 장치의 모식도는 도 2에 나타난다. 작동하는 장치의 단면도가 도 2a에 나타난다. 자성입자(140)가 전극을 가로질러 흐를 때, FDEPz 는 z 방향을 따라서 작용하고, 인가된 흐름 속도는 자성입자(140)의 y방향을 따라서 작용한다. 자성입자가 전극 배열(110)에 의하여 가해진 유전영동힘 FDEPz 을 경험한 후, 그들의 유체 채널(100) 내 높이가 달라진다. 그러면, 그들은 다른 높이에서 자기영동 영역으로 진입하고 거기서 z 방향을 따라, 그러나 FDEPz 와는 반대로 자기영동 힘 FMAPz 을 경험한다. 인가된 속도는 V라고 해도, 구성요소 140은 DEP영역과 MAP영역에서 V1 및 V2 로서 속도 인자가 각각 다르다. 여기에서 자성입자(140)들은 자기장 경사 발생기(120)에 의하여 발생한 자기장에 의하여 유체 채널(100) 내의 특정 위치에서 수집된다.
도 2b는 프로그램가능한 시린지 펌프에 의하여 흐름 속도가 인가되자마자 다른 크기의 자성입자(140)들이 유체 채널(100)을 따라 집중된 흐름을 달성하였음을 보여준다.
도 2c는 DEP 장 영역에서 DEP힘에 기초한 다른 크기의 자성입자(140)의 분리를 보여준다. 자기장 경사 발생기(120)가 없는 경우, 자성입자는 MAP영역에 트래핑되지 않는다. 그 대신, 자성입자(140)에 작용하는 흐름 속도가 우세하기 때문에 입자들은 채널을 따라 흐른다.
도 2d는 자성입자(140)가 DEP 힘을 경험한 후에, 그들이 다른 높이에서 MAP 영역으로 진입하는 것을 보여준다. 자기장 경사 발생기(120)에 의하여 발생한 자기장은 자성입자(140)가 유체 채널(100) 내 상이한 특정 위치에서 트래핑되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 구성요소를 각각 보여주는 그림이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 장치의 작동하는 모습의 단면도이다.
도 2b는 흐름 속도가 인가되자마자 입자들이 채널을 따라 집중된 흐름을 달성하는 것을 보여주는 그림이다.
도 2c는 DEP 장 영역에서 DEP힘에 기초한 입자들의 분리를 보여주는 그림이다.
도 2d는 입자들이 DEP 힘을 경험한 후에, 다른 높이에서 MAP 영역으로 진입하는 것을 나타내는 그림이다.
* 주요 부분에 대한 설명*
100: 유체 채널
110: 전극 배열
120: 자기장 경사 발생기
130: 미세 유체 장치
140: 자성입자
150: 시료 주입구
160: 배출구
170: 담체 미디어 주입구
180: 기재

Claims (18)

  1. 둘 이상의 전극을 포함하는 전극 배열(110);
    상기 전극배열을 가로지르는 방향으로 배치된 유체 채널(100); 및
    상기 유체 채널의 위 또는 아래에서 상기 전극배열과 겹치지 않도록 배치된 자기장 경사 발생기(120)를 포함하는 물질종(species) 다중(multiplex) 탐지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 경사 발생기(120)가 전극 배열(110)과 같은 쪽에 배치되거나, 전극 배열(110)과 반대쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 배열은 맞물림 형태 배열(interdigitated) 또는 성 형태 배열(castellated)인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극 배열은 지지 기재 상에 패턴되어 있는 백금, 금 또는 크롬으로 구성된 박막 형태인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 경사 발생기는 강자성 물질로 구성되고, 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 장치를 이용하는 물질종(species) 다중 탐지 방법으로서,
    둘 이상의 물질종을 포함하는 시료를 유체 채널로 주입하는 단계;
    액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입하는 단계;
    전극배열에 교류 전압을 인가하는 단계;
    상기 전극배열로부터 발생한 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계; 및
    상기 부양된 물질종을 채널 내 자기장 영역으로 이동시켜 자기영동 힘으로 일 위치에 트래핑하는 단계를 포함하는 물질종 다중 탐지 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계는, 물질종을 각각 상이한 높이로 부양시키는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유전영동 힘(dielectrophoretic force)으로 채널 내에서 상기 시료 내 물질종을 부양시키는 단계는, 같은 크기의 물질종을 같은 높이로 부양시켜 배열시키는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 시료 및 액체상 담체 미디어를 유체 채널로 주입한 후, 흐름 속도(flow velocity)를 인가하는 단계를 더 포함하는 물질종 다중 탐지 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흐름속도 인가는 펌프 또는 시린지를 이용하는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 물질종은 생물질(biomaterial)이고, 상기 시료는 생체시료인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 생물질은 바이러스, 박테리아, 세포, 세포 내 기관, 분자 또는 다세포개체인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 물질종은 자성있는(magnetic) 고체상에 결합된 형태이고, 상기 고체상에는 원하는 물질종에서만 선택적으로 활성을 가지는 분석 반응제가 커플링되어 있는 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 고체상은 초상자성, 강자성 또는 상자성인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 고체상은 직경이 10나노미터 내지 100나노미터인 입자인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 분석 반응제는 항체, 핵산 또는 단백질인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 물질종이 고체상에 결합된 형태는 하나의 물질 종이 복수 개의 고체상에 결합된 형태인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 물질종이 결합되는 고체상은 하나 이상의 종류인 것을 특징으로 하는 물질종 다중 탐지 방법.
KR1020080085208A 2008-08-29 2008-08-29 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치 KR101026103B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080085208A KR101026103B1 (ko) 2008-08-29 2008-08-29 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080085208A KR101026103B1 (ko) 2008-08-29 2008-08-29 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100026270A true KR20100026270A (ko) 2010-03-10
KR101026103B1 KR101026103B1 (ko) 2011-04-08

Family

ID=42177635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080085208A KR101026103B1 (ko) 2008-08-29 2008-08-29 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101026103B1 (ko)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101338291B1 (ko) * 2010-10-01 2013-12-09 인제대학교 산학협력단 유전영동과 자기영동의 작용 방향을 조절하여 미세 입자를 분리하는 장치 및 이를 이용하여 미세 입자를 분리하는 방법
CN103869072A (zh) * 2014-01-22 2014-06-18 东南大学 用于纳米颗粒标记免疫检测的磁场辅助介电泳富集方法
KR20180000081A (ko) * 2016-06-22 2018-01-02 경희대학교 산학협력단 마이크로 밸브
KR101888636B1 (ko) * 2017-06-02 2018-08-14 지트로닉스 주식회사 자기 영동 바이오 칩
KR20220010970A (ko) * 2020-07-20 2022-01-27 광주과학기술원 유전영동 힘을 이용한 미생물 검출 장치
CN114276409A (zh) * 2021-12-24 2022-04-05 上海天能生命科学有限公司 一种电磁复合生物大分子分离技术以及设备
KR20220073575A (ko) * 2020-11-26 2022-06-03 광주과학기술원 미생물 검출 시스템
KR20220106271A (ko) * 2021-01-21 2022-07-29 포항공과대학교 산학협력단 유체 채널에서 자성입자의 내부 환류를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법
EP4086618A1 (en) * 2014-01-15 2022-11-09 Caliper Life Sciences, Inc. System of microfluidic immunoassay using magnetic beads

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7033473B2 (en) * 2000-06-14 2006-04-25 Board Of Regents, University Of Texas Method and apparatus for combined magnetophoretic and dielectrophoretic manipulation of analyte mixtures
KR100791036B1 (ko) * 2006-07-07 2008-01-03 한국과학기술원 연속적인 자기영동을 이용한 순수한 탄소나노튜브와 금속 불순물을 함유한 탄소나노튜브의 분리방법 및 이에 사용되는 자기영동 미세 유체 제어소자

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101338291B1 (ko) * 2010-10-01 2013-12-09 인제대학교 산학협력단 유전영동과 자기영동의 작용 방향을 조절하여 미세 입자를 분리하는 장치 및 이를 이용하여 미세 입자를 분리하는 방법
EP4086618A1 (en) * 2014-01-15 2022-11-09 Caliper Life Sciences, Inc. System of microfluidic immunoassay using magnetic beads
CN103869072A (zh) * 2014-01-22 2014-06-18 东南大学 用于纳米颗粒标记免疫检测的磁场辅助介电泳富集方法
KR20180000081A (ko) * 2016-06-22 2018-01-02 경희대학교 산학협력단 마이크로 밸브
KR101888636B1 (ko) * 2017-06-02 2018-08-14 지트로닉스 주식회사 자기 영동 바이오 칩
WO2018222021A1 (en) * 2017-06-02 2018-12-06 Zitronics Inc. Magnetophoresis biochip
KR20220010970A (ko) * 2020-07-20 2022-01-27 광주과학기술원 유전영동 힘을 이용한 미생물 검출 장치
KR20220073575A (ko) * 2020-11-26 2022-06-03 광주과학기술원 미생물 검출 시스템
KR20220106271A (ko) * 2021-01-21 2022-07-29 포항공과대학교 산학협력단 유체 채널에서 자성입자의 내부 환류를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법
CN114276409A (zh) * 2021-12-24 2022-04-05 上海天能生命科学有限公司 一种电磁复合生物大分子分离技术以及设备

Also Published As

Publication number Publication date
KR101026103B1 (ko) 2011-04-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101026103B1 (ko) 유전영동 및 자기영동을 이용한 다중 탐지 방법 및 장치
Gijs et al. Microfluidic applications of magnetic particles for biological analysis and catalysis
EP1916032B1 (en) Manipulation of magnetic or magnetizable objects using combined magnetophoresis and dielectrophoresis
Liu et al. Cell manipulation with magnetic particles toward microfluidic cytometry
Choi et al. A new magnetic bead-based, filterless bio-separator with planar electromagnet surfaces for integrated bio-detection systems
Pamme et al. Continuous sorting of magnetic cells via on-chip free-flow magnetophoresis
Suwa et al. Magnetoanalysis of micro/nanoparticles: A review
US9421555B2 (en) Non-linear magnetophoretic separation device, system and method
Kim et al. Simultaneous sorting of multiple bacterial targets using integrated Dielectrophoretic–Magnetic Activated Cell Sorter
US20100055758A1 (en) Magnetic Device for Isolation of Cells and Biomolecules in a Microfluidic Environment
US20160146797A1 (en) Systems and methods for the capture and separation of microparticles
JP2004503775A (ja) 検体混合物の組み合わせた磁気泳動および誘電泳動の操作のための方法および装置
Afshar et al. Magnetic particle dosing and size separation in a microfluidic channel
US20080296157A1 (en) Method and Device for Handling Sedimenting Particles
US20120122731A1 (en) Screening molecular libraries using microfluidic devices
KR101338291B1 (ko) 유전영동과 자기영동의 작용 방향을 조절하여 미세 입자를 분리하는 장치 및 이를 이용하여 미세 입자를 분리하는 방법
Darabi et al. On-chip magnetophoretic isolation of CD4+ T cells from blood
WO2009132151A2 (en) Microfluidic devices and methods of using same
KR101576624B1 (ko) 미세자기영동 채널회로 및 자성구조체를 이용한 바이오물질의 이송, 트래핑 및 탈출 장치
Zhi et al. An innovative micro magnetic separator based on 3D micro-copper-coil exciting soft magnetic tips and FeNi wires for bio-target sorting
Abedini-Nassab et al. Magnetophoretic circuits: a review of device designs and implementation for precise single-cell manipulation
Zhang et al. Magnetic cell separation
KR101067695B1 (ko) 연자성 미세 구조물을 이용한 분자 이송 시스템
Velmanickam et al. Dielectrophoretic cell isolation in microfluidics channels for high-throughput biomedical applications
Deman et al. Magnetophoresis in Bio-Devices

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140303

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150303

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee