KR20100090957A - 표적 생체물질의 분리 또는 정제를 위한 자성 비드 포집 장치 및 이를 구비한 미세유동 시스템 - Google Patents

표적 생체물질의 분리 또는 정제를 위한 자성 비드 포집 장치 및 이를 구비한 미세유동 시스템 Download PDF

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Abstract

생체물질에 특이적으로 결합된 자성 비드(magnetic bead)를 포집하기 위한 것으로, 자석과, 자성 비드를 포함하는 용액이 흐를 수 있는 유로를 제공하는, 자석에 감겨진 튜브를 구비한 자성 비드 포집 장치가 개시된다. 또한, 이 자성 비드 포집 장치를 구비한 미세유동 시스템이 개시된다.

Description

표적 생체물질의 분리 또는 정제를 위한 자성 비드 포집 장치 및 이를 구비한 미세유동 시스템{Magnetic bead capture device for separating or purifying target bio-material and microfluidic system with the same}
핵산, 단백질, 바이러스 등과 같은 생체물질을 분리 또는 정제하기 위한 자성 비드 포집 장치와, 이를 구비한 미세유동 시스템이 개시된다.
미세유체공학 분야에서 생체 시료를 이용하여 생화학 반응을 수행하고, 그 반응 결과를 검출하는 등의 다양한 기능들을 수행할 수 있는 미세유동장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 상기 미세유동장치는 랩온어칩(lab-on-a-chip)과 같은 칩(chip) 형태이거나, 랩온어디스크(lab-on-a-disk)와 같은 회전 가능한 디스크(disk) 형태일 수 있다. 상기 미세유동장치는 유체를 가두어둘 수 있는 챔버(chamber), 유체를 이송하기 위한 채널(channel), 유체의 흐름을 제어하는 밸브(valve), 또는 유체를 이용하여 소정의 기능을 수행할 수 있는 다양한 기능성 유닛을 구비할 수 있다.
한편, 생체 시료로부터 특정의 표적 생체물질을 분리하는 방법으로서, 실리카, 유리섬유, 음이온교환수지 또는 자성 비드를 이용하는 방법이 알려져 있다. 이 들 중에서 자성 비드를 이용하는 방법에 따르면, 표면에 표적 생체물질과 결합될 수 있는 프로브를 갖는 자성 비드를 시료 용액에 투입하여 표적 생체물질을 포획하고, 다시 자성 비드와 표적 생체물질을 분리함으로써 표적 생체물질을 분리 추출한다. 이렇게 자성 비드를 이용하여 표적 생체물질을 분리하는 방법(bead based separation)은, 세포, 단백질, 핵산 등의 생체물질을 분리하는데 널리 이용되고 있다.
그런데, 자성 비드를 이용하여 생체물질을 분리하는 기능성 유닛을 상기 칩 또는 디스크 형태의 미세유동장치에 구현하는 데에는 어려움이 있다. 구체적으로, 포획 및 추출해야할 생체물질의 양이 많으면 필요한 자성 비드의 양도 증대되고, 많은 양의 자성 비드를 자력으로 끌어당기기 위하여 자력이 강하고 큰 자석도 또한 필요하다. 그러나, 종래의 칩 또는 디스크 형태의 미세유동장치는 공간의 제약으로 인해 자력이 강하고 큰 자석을 미세유동장치에 설치할 수 없다.
칩 또는 디스크 형태의 미세유동장치와 용이하게 연결하여 사용할 수 있는 자성 비드 포집 장치와, 상기 자성 비드 포집 장치를 구비한 미세유동 시스템이 개시된다.
생체물질에 특이적으로 결합된 자성 비드(magnetic bead)를 포집하기 위한 것으로, 자석, 및 상기 자성 비드를 포함하는 용액이 흐를 수 있는 유로를 제공하는, 상기 자석에 감겨진 튜브를 구비한 자성 비드 포집 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 튜브의 일측 말단은 미세유동장치의 아웃렛홀(outlet hole)과 유체 흐름 가능하게 연결되고, 상기 튜브의 타측 말단은 상기 미세유동장치 또는 다른 미세유동장치의 인렛홀(inlet hole)과 유체 흐름 가능하게 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 자석은 막대 형태 또는 링(ring) 형태일 수 있다.
또한, 자석, 및 자성 비드를 포함하는 용액이 흐를 수 있는 유로를 제공하는, 상기 자석에 감겨진 튜브를 구비한 자성 비드 포집 장치, 및 상기 튜브의 일측 말단 및 타측 말단 중 적어도 하나에 유체 흐름 가능하게 연결되는 미세유동장치를 구비한 미세유동 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 미세유동장치는, 상기 튜브의 일측 말단에 연결되는 아웃렛홀(outlet hole), 및 상기 아웃렛홀과 유체 흐름 가능하게 연결된, 상기 자성 비드를 포함하는 용액을 수용하는 챔버를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 미세유동장치는 상기 튜브의 타측 말단에 연결되는 인렛홀(inlet hole), 및 상기 인렛홀과 유체 흐름 가능하게 연결된, 상기 튜브 내에서 상기 자성 비드로부터 분리된 생체물질을 포함하는 용액을 수용하는 챔버를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세유동장치의 공간적 한계와 무관하게 필요에 따라 자석의 크기를 확대하여 자성 비드 포집 규모를 쉽게 확장할 수 있다. 또한, 튜브가 자석에 감겨져 있으므로 튜브에 균일한 자기장(magnetic field)이 형성될 수 있어 자성 비드 포집 성능이 향상될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 자성 비드 포집 장치와, 이를 구비한 미세유동 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 비드 포집 장치, 및 이를 구비한 미세유동 시스템을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성 비드 포집 장치를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 1의 자성 비드 포집 장치에 자성 비드가 포집된 상태를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 미세유동 시스템(100)은 미세유동장치(110)와, 자석(152)과 상기 자석(152)에 감겨진 튜브(154)를 구비한 자성 비드 포집 장치(150)를 구비한다. 상기 미세유동장치(110)는 유체를 가두어둘 수 있는 챔버와, 유체를 이송하기 위한 채널(channel)와, 유체의 흐름을 제어하는 밸브를 구비한다. 상기 챔버, 채널, 및 밸브는 기판(substrate) 내부에 형성된다. 구체적으로, 상기 미세유동장치(110)는 생체 시료에 포함된 DNA를 추출하는데 이용될 수 있는 미세유동장치이며, 챔버로는, 혼합 용액 챔버(125), 세척 용액 챔버(129), 용리(熔離) 용액 챔버(131), DNA 용액 챔버(140), 및 웨이스트(waste) 챔버(143)를 구비한다. 또한, 채널로는, 상기 혼합 용액 챔버(125), 세척 용액 챔버(129), 및 용리 용액 챔버(131)와 유체 흐름 가능하게 연결되고, 말단이 아웃렛홀(113)과 연결된 배출 채널(117)과, 상기 DNA 용액 챔버(140) 및 웨이스트 챔버(143)와 유체 흐름 가능하게 연결되고, 말단이 인렛홀(115)과 연결된 인입 채널(119)을 구비한다.
밸브로는, 폐쇄되어 있다가 유체가 배출 채널(117)로 유입되도록 개방되는 제1 내지 제3 개방용 밸브(normally closed valve)(133, 136, 139)와, 상기 배출 채널(117)로의 유체 유입을 차단하기 위하여 개방되어 있다가 폐쇄되는 제1 및 제2 폐쇄용 밸브(normally open valve)(134, 137)를 구비한다. 또한, 폐쇄되어 있다가 유체가 인입 채널(119)을 통하여 DNA 용액 챔버(140) 및 웨이스트 챔버(143)로 유입되도록 개방되는 제4 및 제5 개방용 밸브(145, 147)와, 상기 웨이스트 챔버(143)로의 유체 유입을 차단하기 위하여 개방되어 있다가 폐쇄되는 제3 폐쇄용 밸브(normally open valve)(148)를 구비한다.
상기 자성 비드 포집 장치(150)의 자석(152)은 영구 자석일 수 있고, 원통 막대 형태일 수 있다. 강한 자성을 유지할 수 있도록 네오디뮴(Nd, neodymium)을 자석의 소재로 포함할 수 있다. 상기 튜브(154)는 마치 코일을 감겨지듯 상기 자석(152)의 외주면에 감겨진다. 상기 튜브(154)는 자성 비드(M, 도 3 참조)를 포함하는 용액(S, 도 3 참조)이 흐를 수 있는 유로를 제공한다.
상기 튜브(154)의 일측 말단(155)은 상기 아웃렛홀(113)과 유체 흐름 가능하게 연결되고, 상기 튜브(154)의 타측 말단(156)은 상기 인렛홀(115)과 유체 흐름 가능하게 연결된다. 아웃렛홀(113)을 통하여 튜브(154)의 일측 말단(155)으로 유체가 유입되는 도중에 유체가 외부로 유출되지 않도록, 상기 튜브(154)의 일측 말단(155)은 탄성 소재의 실링 부재(sealing member)(158)에 끼워지고, 상기 실링 부재(158)가 상기 아웃렛홀(113)에 장착된다. 또한, 튜브(154)의 타측 말단(156)로부터 인렛홀(115)을 통해 인입 채널(119)로 유체가 유입되는 도중에 유체가 외부로 유출되지 않도록, 상기 튜브(154)의 타측 말단(156)은 탄성 소재의 실링 부재(sealing member)(159)에 끼워지고, 상기 실링 부재(159)가 상기 인렛홀(115)에 장착된다.
한편, 도 2에 도시된 자성 비드 포집 장치(200)가 도 1에 도시된 자성 비드 포집 장치(150)를 대체할 수도 있다. 도 2를 참조하면, 상기 자성 비드 포집 장치(200)는 링 (ring) 형태의 자석(202)과 상기 자석(202)에 감겨진 튜브(204)를 구비한다. 상기 튜브(204)의 일측 말단(205)과 타측 말단(206)은 실링 부재(208, 209)에 끼워지고 각각 미세유동장치(110, 도 1 참조)의 아웃렛홀(113)과 인렛홀(115)에 장착된다.
이하에서, 다시 도 1을 참조하여 상기 미세유동 시스템(100)을 이용한 생체 시료 조작의 일 예를 설명한다. 상기 미세유동 시스템(100)을 이용하여, 예컨대 혈장과 같은 생체 시료로부터 DNA를 추출할 수 있다. DNA 추출을 위하여, 상기 세척 용액 챔버(129)에는 세척 용액(washing solution)의 일 예로 에탄올을 주입하고, 상기 용리 용액 챔버(131)에는 용리 용액(elution solution)의 일 예로 탈이온수(deionized water)를 주입한다.
한편, 예컨대 혈장과 같은 용해 과정을 통하여 생체 시료에 포함된 세포 또는 바이러스를 파괴하고, 상기 용해 과정을 통하여 유출된 특정 DNA에 특이적으로 결합하도록 표면 처리된 다수의 자성 비드(M)를 상기 생체 시료에 혼합한다. 그리하면 상기 자성 비드(M)의 표면에는 상기 특정 DNA가 결합된다. 상기 혼합 용액 챔버(125)에는 상기 용해된 생체 시료와 자성 비드(M)의 혼합 용액을 용액 주입홀(127)을 통해 주입한다.
다음으로, 제1 개방용 밸브(133)를 개방하고 상기 혼합 용액 챔버(125)에 수용된 자성 비드(M)를 포함하는 용액을 가압하면 그 용액(S)은 배출 채널(117)을 따라 흐르고 아웃렛홀(113)을 통하여 자성 비드 포집 장치(150)의 튜브(154)에 채워진다. 상기 자성 비드(M)는 그 지름이 0.001 ㎛ 내지 200 ㎛ 일 수 있다. 상기 자성 비드(M)는 자성을 띠는 것이면 어떤 재료로도 만들어질 수 있다. 특히, 강자성을 띠는 Fe, Ni, Cr의 금속 및 이의 산화물로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재료로 만들어질 수 있다. 한편, 도 1에 미세유동장치(110)의 챔버들(125, 129, 131)에 수용된 용액을 가압하는 수단은 도시되지 않았다. 예컨대 가압된 기체 를 상기 챔버(125, 129, 131)에 주입하는 수단, 상기 미세유동장치(110)를 회전시켜 그 내부의 유체에 원심력을 가하는 수단 등이 상기 용액을 가압하는 수단으로 채용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 자석(152)의 강한 자력이 상기 자석(152)의 외주면에 감겨진 튜브(154)에 균일한 자기장을 형성하므로 용액(S)에 포함된 자성 비드(M)는 튜브(154) 안에서 상기 자석(152) 측으로 치우쳐 배열된다. 또한, 상기 자성 비드(M)는 상기 자석(152)의 자기장에 의해 잡혀 있기 때문에 튜브(154) 내의 용액(S)의 흐름에 불구하고 쉽게 상기 용액(S)을 따라 흘러 배출되지 않는다.
다음으로, 제1 폐쇄용 밸브(134)를 폐쇄하고, 제2 개방용 밸브(136)와 제5 개방용 밸브(147)를 개방하고, 상기 세척 용액 챔버(129) 내에 수용된 세척 용액을 가압하면, 상기 세척 용액은 배출 채널(117), 아웃렛홀(113), 튜브(154), 인렛홀(115), 및 인입 채널(119)을 순차로 흘러 웨이스트 챔버(143)에 채워진다. 상기 세척 용액이 튜브(154)를 통과하는 동안 자기장에 의해 잡힌 자성 비드(M)와 상기 자성 비드(M)에 결합된 DNA는 튜브(154)를 벗어나지 못하나 그외의 불순물들은 상기 세척 용액과 함께 흘러 튜브(154) 밖으로 배출되고 상기 웨이스트 챔버(143)에 수용된다.
다음으로, 상기 튜브(154) 내부를 건조시키 후, 제2 폐쇄용 밸브(137) 및 제3 폐쇄용 밸브(148)를 폐쇄하고, 제3 개방용 밸브(139)와 제4 개방용 밸브(145)를 개방하고, 상기 용리 용액 챔버(131) 내에 수용된 용리 용액을 가압하면, 상기 용리 용액은 배출 채널(117), 아웃렛홀(113), 튜브(154), 인렛홀(115), 및 인입 채 널(119)을 순차로 흘러 DNA 용액 챔버(140)에 채워진다. 상기 용리 용액이 튜브(154)를 통과할 때 자성 비드(M)와 DNA 간 결합이 끊어져 DNA가 용리 용액과 함께 상기 DNA 용액 챔버(140)에 채워진다. 상기 세척 용액을 이용한 세척 과정이 선행되므로 상기 DNA 용액 챔버(140)에 수용된 DNA 용액은 고순도(高純度)로 정제(精製)될 수 있다. 상기 DNA 용액 챔버(140)에 수용된 DNA 용액은 용액 취출홀(141)을 통해 취출되어 DNA를 필요로 하는 생체 시험에 사용될 수 있다.
개시된 자성 비드 포집 장치(150)의 성능을 파악하기 위하여 발명자에 의해 상기 자성 비드 포집 장치(150)를 이용한 실험이 수행되었다. 실험을 위하여 평균적으로 1~2 kb(kilo basepair) 크기의 DNA와 다른 불순물들(예컨대, 단백질, 염(salt) 등)이 포함된 용액 125 ㎕ 을, agencourt 사(社)의 AmpureTM PCR clean up Kit 에 포함된 자성 비드 용액 500 ㎕ 에 혼합하여 혼합 용액을 제조하고, 이 혼합 용액을 1/8 inch 내경을 갖는 튜브(154)의 내부에 주입하였다. 상기 125 ㎕ 의 용액에 포함된 DNA 의 양은 65 ㎍ 이었다. 다음으로, 500 ㎕ 의 70% 에탄올을 튜브(154)를 통과시킴으로써 세척을 수행하였고, 20분간 튜브 (154) 내부를 건조시킨 후 45 ㎕ 의 탈이온수를 튜브(154)를 통과시킴으로써 DNA 용리(elution)을 수행하였다. DNA 용리를 통해 얻어진 DNA 용액의 DNA 농도는 863.73 ng/㎕, 단백질에 대한 DNA의 비율은 1.87, 염(salt)에 대한 DNA의 비율은 1.58 이었다.
한편, 도 1에 개시된 미세유동장치(110)는 일 예에 불과하며 다양한 변형예가 가능하다. 예컨대, 생체 시료의 용해가 수행되는 유닛과, 자성 비드를 포함하는 용액을 수용하는 챔버와, 상기 용해된 생체 시료와 자성 비드를 포함하는 용액의 혼합이 진행되는 유닛 등이 미세유동장치에 더 구비될 수도 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 비드 포집 장치, 및 이를 구비한 미세유동 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 자성 비드 포집 장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 자성 비드 포집 장치에 자성 비드가 포집된 상태를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 ...미세유동 시스템 110 ...미세유동장치
113 ...아웃렛홀 115 ...인렛홀
117, 119 ...채널 125,129,131,141,143 ...챔버
150 ...자성 비드 포집 장치 152 ...자석
154 ...튜브 158, 159 ...실링 부재

Claims (7)

  1. 생체물질에 특이적으로 결합된 자성 비드(magnetic bead)를 포집하기 위한 것으로,
    자석; 및, 상기 자성 비드를 포함하는 용액이 흐를 수 있는 유로를 제공하는, 상기 자석에 감겨진 튜브;를 구비한 자성 비드 포집 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 튜브의 일측 말단은 미세유동장치의 아웃렛홀(outlet hole)과 유체 흐름 가능하게 연결되고, 상기 튜브의 타측 말단은 상기 미세유동장치 또는 다른 미세유동장치의 인렛홀(inlet hole)과 유체 흐름 가능하게 연결되는 자성 비드 포집 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 자석은 막대 형태 또는 링(ring) 형태인 자성 비드 포집 장치.
  4. 자석, 및 자성 비드를 포함하는 용액이 흐를 수 있는 유로를 제공하는, 상기 자석에 감겨진 튜브를 구비한 자성 비드 포집 장치; 및,
    상기 튜브의 일측 말단 및 타측 말단 중 적어도 하나에 유체 흐름 가능하게 연결되는 미세유동장치;를 구비한 미세유동 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 미세유동장치는, 상기 튜브의 일측 말단에 연결되는 아웃렛홀(outlet hole), 및 상기 아웃렛홀과 유체 흐름 가능하게 연결된, 상기 자성 비드를 포함하는 용액을 수용하는 챔버를 구비한 미세유동 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 미세유동장치는 상기 튜브의 타측 말단에 연결되는 인렛홀(inlet hole), 및 상기 인렛홀과 유체 흐름 가능하게 연결된, 상기 튜브 내에서 상기 자성 비드로부터 분리된 생체물질을 포함하는 용액을 수용하는 챔버를 구비한 미세유동 시스템.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 자석은 막대 형태 또는 링(ring) 형태인 미세유동 시스템.
KR1020090010207A 2009-02-09 2009-02-09 표적 생체물질의 분리 또는 정제를 위한 자성 비드 포집 장치 및 이를 구비한 미세유동 시스템 KR20100090957A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130103282A (ko) * 2012-03-09 2013-09-23 한국전자통신연구원 다중 분리 장치 및 혈중 암세포 분리 방법
WO2019194417A1 (ko) * 2018-04-04 2019-10-10 광주과학기술원 미생물 농축 소자
US20200110081A1 (en) * 2011-09-26 2020-04-09 Carnegie Mellon University Devices and Methods for Detection and Quantification of Immunological Proteins, Pathogenic and Microbial Agents and Cells

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