KR20120086281A - 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석 장치 - Google Patents

평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치에 관한 것이다.
평행이동 면역 크로마토그래피는 간단히 사용할 수 있다는 장점 때문에 병원, 연구실, 산업현장 등에서 많이 이용되고 있으나 시험과정이 수작업으로 이루어지기 때문에 시험결과의 정밀도가 떨어지고 다량의 검체가 필요하며 처리속도가 늦은 단점이 있다
본 발명은 각종 시험 기구와 재료의 정밀한 동작 컨트롤과 시험 검체나 용액의 미량 흐름 조절 및 시험 결과에 대한 적절한 신호 처리시스템을 이용해 평행이동 면역 크로마토그래피 시험의 전체 과정을 정밀하게 제어하는 장치이며 궁극적으로 평행이동 면역 크로마토그래피 시험의 고속화, 고정밀화, 표준화를 목적으로 한다.

Description

평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석 장치{Precision device for detecting bio-materials using the lateral flow immunochromatography test}
본 발명은 질병의 진단이나 기타 시료의 검사과정 등에 이용되는 평행이동 면역 크로마토그래피 시험에 있어서 종래에 수작업으로 이루어지던 검체 처리, 제품공급 및 검사진행 등을 정밀하게 정량화하는 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치에 관한 것이다.
크로마토그래피는 물질의 분석이나 순수분리의 목적으로 사용되고 있는데, 이러한 크로마토그래피의 한 종류로서 액상이 아닌 건조한 고체 형태의 매우 얇은 다공성 막을 이용하여 다공성 막의 모세관 현상에 의해 액상 검체를 한쪽 방향으로 이동시키면서 검체 속에 포함되어 있는 분석대상물질을 검출하는 평행이동 면역 크로마토그래피(Lateral Flow Porous Membrane Chromatography)가 많이 이용되고 있다.
이러한 평행이동 면역크로마토그래피에 있어서는 다공성 막에 항체나 항원을 일정한 모양을 갖게 부착시키고 금, 형광물질, 발광물질 등의 보고(리포터)물질에 접합시킨 또 다른 항체나 항원을 이용하여 미지의 검체 속에 포함되어 있는 분석대상물질 (Analyt)을 면역학적 작용에 의해 포착한 후 분석대상물질과 결합한 면역결합체가 모세관 현상에 의해 막을 따라 수평으로 흘러가다가 막에 이미 부착되어 있는 항체나 항원을 만나 결합하여 2 중의 복합체를 이루게 된다.
종래의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 검사의 경우에는 미합중국특허공보 제5622871에 개시되어 있는 바와 같이 상기의 2중의 복합체를 검사자가 육안을 이용하여 검체 속에서 분석대상물의 존재 여부를 확인하고 있다.
[문헌 1] US Patent 5622871 (May, Keith) 1997. 04. 22.
그러나 이러한 종래의 평행이동 면역 크로마토그래피원리를 이용한 시험검사에 있어서는 그 검사과정이 시험자의 수작업으로 진행될 뿐만 아니라 그 검사결과를 육안으로 확인하고 판정하는 점 때문에 정밀한 정량화는 물론 고도의 재현성을 확보하지 못한다는 문제점이 제기되어 왔다.
또한 수동검사에 의한 육안판정은 시험자의 주관적인 견해가 많이 작용할 수 밖에 없기 때문에 의료진단현장에서 동일한 피검체에 대한 검사에 대해서 검사자에 따라 또는 검사 시기나 환경에 따라 서로 다른 진단판정이 내려질 수 있는 문제가 발생하였고 또한 정량적인 판단이 미흡하여 임상현장에 필요한 충분한 정보를 제공하지 못한다는 문제점이 제기되어 왔다.
이러한 종래의 평행이동 면역 크로마토그래피를 이용한 검사 방법에 있어서는 다양한 문제점들이 제기되고 있음에도 불구하고 이러한 다양한 문제점 중에서 검사자의 주관적인 검사결과 판정만을 배제하기 위한 방편으로서 검사자의 육안을 대신할 수 있는 크로마토그래피 판독장치가 공개특허공보 10-2006-0015456에 개시되어 있다.
상기의 공개특허공보 10-2006-0015456에 개시되어 있는 면역크로마토그래피 판독장치는 골드콜로이드 접합체를 이용하는 면역크로마토그래피에 한정되는 것으로서 이 경우에는 촬영된 이미지를 분석하고 계산해서 정량적으로 수치화된 값을 사용자에게 제공하는 방법을 제안하고 있다.
[문헌2] 공개특허 10-2006-0015456 (야마우치 카즈노리) 2005.06.28.
그러나 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 박테이아, 바이러스 기타 질병 등 분석대상물질의 유무를 검사하는 과정은 먼저 피검되는 검체를 채취하여 적절한 완충액에 처리한 후 시험에 필요한 양만큼 피펫팅하여 검사시편에 투입하고, 필요할 경우 다시 별도의 완충액을 처리한 후 반응이 일어나기 까지 일정한 시간을 대기하고, 결과가 나타날 시 육안으로 판정하는 과정으로 이루어지는데 이 경우 각각의 검사단계에서의 정확성이 검사결과의 판정에 직, 간접적으로 영향을 미치게 되므로 최종적인 검사결과를 정밀하게 하기 위해서는 샘플링되는 검체의 양이나 부가 투입되는 용액의 양, 측정되는 시간의 획일성 등을 보장하여 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 전 검사과정의 총체적인 정량적 정밀성을 확보하여야 하는 것이 필수적으로 요구되고 있다.
그럼에도 불구하고 상기한 종래의 공개특허공보 10-2006-0015456의 개시는 검사작업자의 육안으로 판정되는 최종 결과 측정 부분만을 부분적으로 개선하기 위한 것일 뿐인 것으로서 전체적인 검사과정은 여전히 작업자의 직접적인 처리와 판단으로 이루어지기 때문에 검사의 각 단계마다 요구되는 정량적 신뢰성을 확보할 수 없고 이로 인해 전체 시험결과가 비정밀한 결과 값을 초래하게 되는 근본적인 문제점이 여전히 발생하고 있다.
본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치는 상기한 바와 같이 종래의 기술이 지니는 문제점을 해결하기 위한 것으로서 전술한 바와 같이 종래의 기술에서는 크로마토그래피를 이용한 분석대상물질의 존재유무의 검사를 하는 경우 각각의 검사 단계가 작업자에 의해 수작업으로 이루어지게 됨으로써 발생되는 작업오차로 인한 검사결과 값의 비정밀성을 해결하여 신뢰할 수 있고 재현성이 있는 측정 데이터를 제공하기 위하여 검사의 모든 단계를 자동화하여 각 단계에서 획득되는 수치를 안정화시킴으로써 정밀한 검사결과를 획득하고 또한 검사에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 정량 분석장치는 평행 이동면역크로마토그래피의 시편이 위치하는 직선형 시편홀더, 상기 시편홀더를 회전시키는 시편홀더디스크, 상기의 시편홀더디스크의 하부에 장착되는 시편홀더 구동모터를 포함하는 시편공급모듈; 검체 또는 용액을 흡입 또는 분출하는 노즐, 상기 노즐이 한쪽 끝단에 위치하는 샘플링 암, 상기 샘플링 암의 다른 쪽 끝단에 위치하며, 상기 샘플링 암을 지지하는 샘플링 암 지지대, 상기 샘플링 암 지지대의 하부에 위치하는 샘플링암 구동모터, 멀티포트밸브, 상기 멀티포트밸브의 하나의 포트에 연결되는 펌프, 상기 멀티포트밸브의 다른 포트에 연결되는 시험용액 용기 및 상기 멀티포트밸브와 상기 펌프를 지지하는 지지대를 포함하는 검체처리모듈; 시편의 상부에 위치하고 제어모듈과 통신하며, CMOS, CCD, CIS, 포토 다이오드 중 어느 하나의 이미지센서를 포함하는 결과 측정 모듈; 상기의 시편공급모듈, 상기의 검체처리모듈, 상기의 결과 측정 모듈에서 입력된 신호에 따라 제어하는 제어모듈;및 상기의 결과측정모듈에서 생성된 데이터를 상기의 제어모듈에서의 신호에 따라 출력하는 결과표시모듈;로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상의 과제해결수단을 갖는 본 발명은 평행이동 면역크로마토그래피 검사에서 시험자의 수작업에 의해 이루어지는 모든 과정을 도면에서 예시한 기구 및 내장 알고리즘과 제어 알고리즘에 의해 자동화함으로써, 시험자의 수작업에 따른 작업오차의 발생 여지를 근본적으로 차단하고, 단위시간당 검사 건 수를 증대시키며, 검체의 미량화를 가능하게 하여 평행이동 면역크로마토그래피 검사의 재현성과 신뢰성이 향상되고, 면역 반응의 정량 정밀 분석을 통한 검사가 대량으로 이루어질 수 있게 되어 검사비용이 절감되는 효과가 발생되고, 검사 결과는 수작업에 의한 경우보다 정밀한 결과를 얻을 수 있게 되는 효과가 발생되고, 검사 인력의 절감 및 검사 비용의 절감이라는 효과가 발생되며 그리고 검사 시작 후 검사 결과 획득까지 걸리는 시간이 5분 이내에 이루지는, 검사 시간의 상당한 단축이라는 효과가 발휘되고,
발명의 장치는 휴대 가능할 정도의 크기와 무게로 소형화 할 수 있고, 소규모 배터리를 사용하여 작동시킬 수 있을 정도로 저전력이 소모되기 때문에 의료기반 시설이 빈약한 원격지, 오지의 현장 진료에서도 사용 가능하게 되는 탁월한 효과가 발휘된다.
도 1은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 블록 다이어그램
도 2는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 구체적 실시예를 도시한 도면
도 3은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치에 사용되는 시편을 도시한 도면
도 4는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 로타리형 구체적 실시예
도 5는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 리니어 타입의 구체적 실시예
도 6은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 멀티 포트 밸브 다른 구체적 실시예
도 7은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 리니어 타입 샘플링 모듈의 구체적 실시예.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석 장치의 구성을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치는 도 1에 도시된 바와 같이 평행이동 면역크로마토그래피 시편(도 2 참조)을 공급하는 시편공급모듈(1); 검체를 채취하고 시험에 필요한 시험용액을 공급하는 검체처리모듈(2); 검체와 시편에 의한 시험결과를 광센서 또는 이미지 센서로 측정하는 결과 측정 모듈(3); 및 상기의 시편공급모듈(1), 상기의 검체처리모듈(2), 상기의 결과 측정모듈(3)에서 입력된 신호에 따라 제어하는 제어모듈(4); 및 상기의 결과측정모듈(3)에서 생성된 데이터를 상기의 제어모듈(4)에서의 신호에 따라 출력하는 결과표시모듈(5)로 구성된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치를 구성하는 각 모듈의 구성을 도 2이하의 도면을 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.
상기 시편공급모듈(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 시편(202)이 위치하는 시편홀더(210), 상기 시편홀더(210)를 회전시키는 시편홀더디스크(213), 상기의 시편홀더디스크(213)의 하부에 장착되는 구동모터(214)로 구성된다.
또한 상기 검체처리모듈(2)은 도 2에 도시된 바와 같이 검체 또는 용액을 흡입 또는 분출하는 노즐(203), 상기 노즐(203)이 한쪽 끝단의 하부에 위치하는 샘플링 암(204), 상기 샘플링 암(204)의 다른 쪽 끝단에 위치하며 상기 샘플링 암(204)을 지지하는 샘플링 암 지지대(211), 상기 샘플링 암 지지대의 하부에 위치하는 구동모터(212), 멀티포트밸브(205), 상기 멀티포트밸브(205)의 하나의 포트에 연결되는 펌프(206), 상기멀티포트밸브의 다른 포트에 연결되는 시험용액 용기(207) 및 상기 멀티포트밸브(205)와 상기 펌프(206)를 지지하는 지지대(216)로 구성된다.
또한 상기의 결과측정모듈(3)은 상기 시편(202)의 상부에 위치하고 제어모듈(4)과 통신하는 이미지센서(208)로 구성된다.
또한 상기의 결과표시 모듈(5)은 제어모듈(4)에서 전송되는 신호에 따라 결과값을 표시하는 액정디스플레이로 구성된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 사용되는 시험용 시편은 평행이동 면역 크로마토그래피 원리를 이용하는 것으로서 도 3의 A와 같은 스트립 형태 또는 B와 같이 크로마토그래피 스트립을 외부의 플라스틱 커버가 보호하고 있는 형태 등 다양하게 사용될 수 있다. 평행이동 면역 크로마토그래피는 액체가 보다 건조한 다공성 고체에 접촉할 때 모세관 현상을 통하여 이동하는 힘과 분석대상물질과 탐지물질 간의 각종 힘에 의한 상호결합 성질을 이용하는 방법으로서 특별한 동력의 필요없이 물질을 이동시키고 분석할 수 있는 장점이 있다.
도 2는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 구체적 실시예를 나타낸다.
각종 시험의 대상 검체는 도 2의 201과 같은 용기에 담겨져 샘플링 노즐(203)을 통해 흡입된다. 이때 시험의 대상 검체가 사람의 혈액인 경우에는 검사 대상자의 손가락 끝에서 혈액을 직접 채취할 수도 있으며 샘플링 노즐(203)을 이용하는 경우 용기의 형태나 샘플링 방법은 제한받지 않는다. 검체의 흡입을 마친 샘플링 노즐(203)은 정해진 각도의 회전운동을 하여 시편홀더(210)에 장착되어 있는 평행이동 면역크로마토그래피 시편(202)의 샘플 투입구(321)에 흡입된 검체를 배출한다. 이때 흡입과 배출은 샘플링 노즐(203)에 연결된 멀티포트밸브(205)와 펌프(206)의 작용으로 이루어진다. 필요할 경우 별도의 흡입 배출 작동으로 다른 용액을 추가로 제품에 투입할 수 있다.
검체와 시험에 필요한 용액의 투입을 마친 샘플링 노즐(203)은 교차오염이나 감염방지를 위해 필요에 따라 폐수처리용 깔때기(215)를 통해 세척하거나 1회용 노즐을 사용할 경우 교환하여 사용할 수 있다. 샘플링 노즐(203)의 동작은 반드시 회전운동으로 제한될 필요는 없으며, 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 리니어 타입 샘플링 모듈의 구체적 실시예를 도시한 도 7과 같이 직선형 가이드(725)와 액츄에이터(726)를 이용해 직선운동의 조합으로 이루어질 수도 있다.
샘플링 노즐(203)의 동작이나 제품공급을 회전운동의 조합에 의해 실시할 경우 그 움직임은 시편홀더 구동모터(214)를 모듈에 직결해서 발생시키거나 모듈에 벨트를 통해 연결된 모터를 통해 발생시킬 수도 있다. 검체와 필요한 용액의 투입이 끝난 시편(202)은 정해진 시간이 지난 후 이미지센서(208) 에서 시험결과의 측정이 이루어진다.
측정된 시험결과는 도 1의 제어모듈(4)을 거쳐 최종 결과치로 환산된 후 시험자에게 제공된다. 검체는 시험목적에 맞게 적량을 흡입하여야 한다. 이때 채취되는 검체의 량은 정밀해야 하며 이를 위해 주사기타입의 펌프나 연동형 펌프 또는 격막 펌프 등과 같이 정밀하게 유체를 이송할 수 있는 펌프시스템을 이용할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 로타리형 구체적 실시예를 도시한 도면으로서 검체와 시편(202)이 회전운동을 하는 원형의 공급장치(409)에 장착되어 시험에 제공되는 구체적 실시 예를 나타낸다.
이 경우, 다수의 검체와 제품이 최적화된 타이밍에 순차적으로 검사에 투입될 수 있으므로 시험의 고속처리가 가능해 진다.
한편, 도 5는 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 리니어 타입의 구체적 실시예를 도시한 도면으로서 다수의 검체와 제품이 직선운동을 하는 공급장치(509)에 장착되어 시험에 제공됨으로써 시험의 고속처리를 가능케 하는 실시예이다.
이와 같이 샘플링 노즐(203)과 검체 및 시편(202)의 공급장치들은 회전운동과 직선운동의 적절한 조합에 의해 효율적이고 정확하게 평행이동 면역 크로마토그래피 시험을 자동화할 수 있게 한다.
한편, 도 6은 본 발명의 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석장치의 멀티 포트 밸브 다른 구체적 실시예를 도시한 도면으로서 검체나 시험에 사용되는 각종 액체의 이송 방향을 조절하는 멀티포트 밸브(205)를 예시한다.
유체 흐름의 제어는 도 2의 멀티포트 밸브(205)와 같이 여러 통로가 한꺼번에 개폐 가능한 로타리 타입 밸브나 하나의 밸브가 하나의 유체 이동을 조절할 수 있는 단위 밸브의 조합에 의해 이루어질 수 있는데 도 6의 단위 밸브(622)들은 원형 매니폴드(623)이나 직선형 매니폴드(623-1)에 부착되어 밸브 모듈을 구성할 수 있다. 또한 여러 용액이 사용되거나 다량의 검체를 시험해야 할 경우 추가적인 밸브와 펌프를 사용하여 전체적인 처리 속도를 높일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 모터는 정밀한 작동을 위해 주로 스테퍼, 서보, 브러쉬레스 DC모터 등이 사용될 수 있으나 반드시 그 종류에 제한되는 것은 아니다. 모터에는 필요에 따라 엔코더가 부착되어 보다 정밀한 위치제어를 보장하고 각각의 특별한 위치나 지점에는 리미트 스위치나 포토커플러 등의 센서를 이용하여 기구의 움직임을 제어한다.
검체 및 필요한 다른 용액의 투입이 완료되면 시편(202)을 소정의 위치에 오도록 위치제어하고, 각각의 시험목적에 맞게 미리 설정된 시간 동안 검체와 반응 물질 간의 상호반응을 기다린 후, 결과측정 모듈(3)이 시험결과를 측정한다.
시험결과의 측정은 도 2의 이미지센서(208)에 의해 이루어지는데 평행이동 면역크로마토그래피 시편(202)에 사용된 보고(리포터)물질의 특성에 따라 여러 가지 측정 수단이 이용될 수 있다. 보고물질이 금 콜로이드, 합성수지 입자와 같이 가시광선 영역에서 육안관찰이 가능한 물질일 경우 시험결과 측정은 CMOS, CCD, CIS, 포토 다이오드 등과 같은 이미지 센서를 이용한다.
한편, 수백만 개 이하의 분자결합과 같은 극미량의 분석대상물질을 측정하고자 할 때는 광센서나 광증폭관 등의 장치를 이용하여 분석대상물질을 정량 분석한다. 자성체를 이용하여 시험결과를 측정하는 경우는 자기센서를 이용해 시험결과를 정량화할 수 있다.
이와 같이 시험결과의 측정과 분석은 이미지 분석, 광량자 분석, 자기량 분석 등을 이용할 수 있지만 반드시 이들 방법에만 국한되는 것은 아니다.
결과측정모듈(3)은 측정된 시험결과를 원시적 데이터 형태로 아날로그나 디지털 방식으로 제어모듈(4)에 전달할 수도 있고 경우에 따라서는 결과측정모듈(3) 자체에서 정량분석을 위한 연산을 한 후 계산된 결과값을 제어모듈(4)에 전달할 수도 있다.
각 모듈은 제어모듈(4)에 내장된 프로그램이나 원격 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다. 제어모듈(4)은 데이터의 고속처리가 가능한 마이크로컨트롤러와 집적회로로 구성되어 있으며 각종 센서와 모터의 움직임을 미세조절하고 시험결과 데이터를 송수신, 처리한다.
1 : 시편공급모듈 2 : 검체처리모듈
3 : 결과측정모듈 4 : 제어모듈
5 : 결과표시 모듈 202: 시편
203: 노즐 204: 샘플링 암
205: 멀티포트밸브 206: 펌프
207: 시험용액 용기 208: 이미지센서
210: 시편홀더 211: 샘플링 암 지지대
212: 샘플링암구동모터 213: 시편홀더디스크
214: 구동모터 215: 폐수처리용 깔때기
216: 지지대 321: 샘플 투입구
409: 원형의 공급장치 509: 공급장치
622: 단위 밸브 623: 원형매니폴드
623-1: 직선형매니폴드 725: 직선형 가이드
726 : 액츄에이터

Claims (1)

  1. 평행 이동면역크로마토그래피의 시편이 위치하는 직선형 시편홀더, 상기 시편홀더를 회전시키는 시편홀더디스크, 상기의 시편홀더디스크의 하부에 장착되는 시편홀더 구동모터를 포함하는 시편공급모듈;
    검체 또는 용액을 흡입 또는 분출하는 노즐, 상기 노즐이 한쪽 끝단에 위치하는 샘플링 암, 상기 샘플링 암의 다른 쪽 끝단에 위치하며, 상기 샘플링 암을 지지하는 샘플링 암 지지대, 상기 샘플링 암 지지대의 하부에 위치하는 샘플링암 구동모터, 멀티포트밸브, 상기 멀티포트밸브의 하나의 포트에 연결되는 펌프, 상기 멀티포트밸브의 다른 포트에 연결되는 시험용액 용기 및 상기 멀티포트밸브와 상기 펌프를 지지하는 지지대를 포함하는 검체처리모듈;
    시편의 상부에 위치하고 제어모듈과 통신하며, CMOS, CCD, CIS, 포토 다이오드 중 어느 하나의 이미지센서를 포함하는 결과 측정 모듈;
    상기의 시편공급모듈, 상기의 검체처리모듈, 상기의 결과 측정 모듈에서 입력된 신호에 따라 제어하는 제어모듈;및
    상기의 결과측정모듈에서 생성된 데이터를 상기의 제어모듈에서의 신호에 따라 출력하는 결과표시모듈; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 평행이동 면역크로마토그래피를 이용한 생체물질의 정밀 분석 장치.
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