KR20140123243A - 단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치 - Google Patents

단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치 Download PDF

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Abstract

단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치가 개시된다. 본 발명에 따른 단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치에 의하면 다양한 인자들(UV, 방사선, 산화손상, 독성물질 등)에 노출되었을 때 발생되는 세포의 핵 내 DNA 손상 정도를 단세포 수준에서 쉽고 빠르게 평가할 수 있고, 전기영동실험을 위한 시료의 로딩을 균일하게 하여 실험 결과의 정확성을 높일 수 있으며, 각 단계의 처리절차를 일체화시키고, 좁은 공간에서도 실험할 수 있도록 소형화하여 사용자의 편의성을 높일 수 있다.
또한, 전기영동실험을 위한 처리과정에 소요되는 시간을 줄이고, 사용되는 버퍼 양을 획기적으로 절감할 수 있으며, 자동화 기반의 실험을 통해 실험자에 의한 외란 요소를 최소화함으로써 실험 결과의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치{chip for single cell electrophoretic measurement, holding unit for the same and device for single cell electrophoretic measurement}
본 발명은 단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기영동측정을 위한 시료를 균일하게 안착시키고, 시료 처리에 사용되는 버퍼의 양과 처리 과정에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 시료 처리에 필요한 장비를 일원화하여 원스톱 서비스가 가능한 단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전하를 갖는 물질의 용액에 전장(電場)을 가하면, 물질이 어느 한쪽의 극을 향하여 이동하는 현상을 전기영동이라 하며, 이때 물질의 전하나 분자량의 차이에 따라 이동도가 달라지므로, 그 차이를 이용하여 단백질이나 핵산 등의 생체고분자의 분리 및 분석을 하는 방법을 총칭하여 전기영동법이라 한다.
전기영동법은 실험조건이 화학분석에 비해서 매우 단순하고 단백질이나 효소 등 성분의 변성을 초래하지 않으며 재현성이 높기 때문에, 세포와 같은 입자, 단백질과 같은 거대분자(巨大分子)에서 금속이온에 이르기까지 응용범위가 확대되었다.
전기영동법 적용 시 전기장 안에서 하전된 입자가 양극 또는 음극 쪽으로 이동하는 속도는 입자의 전하량, 크기와 모양, 용액의 pH와 점성도, 용액에 있는 다른 전해질의 농도와 이온의 세기, 지지체의 종류 등 여러 가지 요인에 의해 결정되기 때문에 어떤 용액에서의 하전된 입자의 이동속도는 분자 자체의 성질에 따라서 결정된다. 그러므로 전기영동법은 아미노산, 뉴클레오타이드, 단백질 들과 같은 하전된 물질들을 분리하거나 분석하는 데 매우 효과적인 수단으로 이용된다.
이러한 전기영동법의 적용 분야 중에서 단일세포 겔 전기영동법(SCGE, Single Cell Gell Electrophoresis)은 혜성분석(comet assay)라고도 불리우는데 각각의 세포에서 DNA 손상을 직접 가시화하는 전기영동 기술로서 1984년에 Ostling 과 Johanson에 의해서 처음으로 소개되었다.
그 후, 1989년에 Singh에 의해 강알칼리 조건으로 변형되어 사용되고 있으며, 이러한 높은 pH 조건은 DNA 분자의 구조를 풀어주는데 매우 중요하다. 정상적인 조건에서 세포핵에 있는 DNA는 supercoil을 이루고 있으나 높은 pH는 DNA 구조를 완화시켜 DNA의 손상 정도를 쉽게 감지하고 측정할 수 있게 한다.
이 기술은 세포를 슬라이드 상의 얇은 아가로즈 겔(agarose gel)에 끼워 넣어 세포막의 분해, 전기영동, 그리고 형광 염료로 염색하는 단계를 거친다. 전류는 전위를 가진 DNA를 핵으로부터 잡아당김으로써 완화된 DNA와 깨진 DNA 절편들을 이동시키게 된다.
따라서, 세포내 핵에 있는 DNA 가닥을 전기영동기법을 사용해 관찰하면 손상되거나 절단된 DNA가 혜성 모양으로 나타나는데, 혜성의 꼬리 길이와 너비 측정을 통해 DNA의 손상 정도를 평가한다.
지난 수년 동안에 단일세포 겔 전기영동법에 대해 많은 관심이 증대되어 왔고 많은 연구보고들이 단일세포 겔 전기영동법을 사용하여 발표되었을 뿐만 아니라 그 응용분야도 점차 넓어지고 있는 추세이다.
단일세포 겔 전기영동법의 장점은 많은 세포를 필요로 하지 않고 실험이 24시간 안에 수행이 가능하며 절차가 비교적 간단하다는 것인데, 가장 독특한 특징은 각각의 세포에서 DNA 손상의 정도를 직접 보여주기 때문에 한 개체군 안의 모든 세포들이 같은 정도의 손상을 받았는지를 설명하는 것이 가능하다. 이러한 장점들 때문에 단일세포 겔 전기영동법은 다양한 실험조건들 하에서 DNA 손상과 수복을 조사하는데 유용하게 사용될 수 있는 수단이다.
그런데, 이러한 단일세포 겔 전기영동법은 클린벤치(clean bench)와 같은 제한된 장소 내에서 모든 실험을 진행할 수 없고 각 단계에 사용되는 장비, 예를 들어 냉동장치나 오븐, 측정장치 등이 구비되기 위해 넓은 장소를 필요로 한다.
그리고, 화학적 분석에 비해 상대적으로 간단하기는 하지만 전기영동실험을 위해서 10단계 이상의 처리과정을 거쳐야 하기 때문에 전 과정에 약 1일 내지 2일이 소요되어 여전히 측정에 걸리는 시간이 긴 편이다.
또한, 기존의 단일세포 전기영동측정을 위한 칩(chip)은 시료안착영역이 동심원 형상인 well 타입으로 이루어져 시료가 원의 중심점에서 높고 주변부로 갈수록 낮아지는 형상으로 안착되기 때문에 아가로스 겔과 혼합된 세포가 균일하게 분포되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결함으로써 전기영동측정을 위한 시료를 균일하게 안착시키고, 시료 처리에 사용되는 버퍼의 양과 처리 과정에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있으며, 시료 처리에 필요한 장비를 일원화하여 원스톱 서비스가 가능한 단일세포 전기영동측정칩 및 그 처리장치에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 실시 예들은 다양한 인자들(UV, 방사선, 산화손상, 독성물질 등)에 노출되었을 때 발생되는 세포의 핵 내 DNA 손상 정도를 단세포 수준에서 쉽고 빠르게 평가할 수 있는 단일세포 전기영동측정칩과 처리장치를 제공하고자 한다.
또한, 전기영동실험을 위한 시료의 로딩을 균일하게 하여 실험 결과의 정확성을 높이고자 한다.
또한, 각 단계의 처리절차를 일체화시키고, 좁은 공간에서도 실험할 수 있도록 소형화하여 사용자의 편의성을 높이고자 한다.
또한, 전기영동실험을 위한 처리과정에 소요되는 시간을 줄이고, 사용되는 버퍼 양을 획기적으로 절감하고자 한다.
또한, 자동화 기반의 실험을 통해 실험자에 의한 외란 요소를 최소화함으로써 실험 결과의 재현성과 신뢰성을 높이고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하부 플레이트와, 적어도 하나의 주입구를 가지며, 상기 하부 플레이트에 대향되게 구비되는 상부 플레이트 및, 상기 하부 플레이트와 상부 플레이트 사이에 형성되며, 시료가 투입되어 소정 패턴으로 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역을 포함하는 단일세포 전기영동측정칩이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 시료안착영역은, 상기 하부 플레이트에 형성되는 제1 패턴과 상기 상부 플레이트에 제1 패턴과 대응되도록 형성되는 제2 패턴에 의해 정의되는 영역일 수 있다.
상기 제1 패턴의 폭은 제2 패턴의 폭보다 크게 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제1 패턴은 소수성 물질 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 패턴과 제2 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어질 수 있다.
상기 시료안착영역은 소정 길이를 갖는 채널로 이루어질 수 있다.
상기 상부 플레이트는 하부 플레이트로부터 분리 가능하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 상부 플레이트는 막부재로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 시료안착영역은, 상기 하부 플레이트에 형성되는 제1 패턴과 상기 막부재의 하면에 의해 정의되는 영역일 수 있다.
그리고, 상기 제1 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 시료안착영역은 소정 길이를 갖는 채널을 형성할 수 있다.
여기서 상기 막부재는 하부 플레이트로부터 분리 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 제1 패턴이 형성된 단일세포 전기영동측정칩과, 상기 단일세포 전기영동측정칩이 안착되는 안착홈을 구비하는 베이스 플레이트와, 상기 안착홈을 개폐하며, 상기 안착홈에 안착된 단일세포 전기영동측정칩 상에 시료를 투입하는 주입구를 구비하는 상부커버를 포함하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 상부커버는 상기 제1 패턴에 대응되도록 형성되는 제2 패턴을 포함하며, 상기 제1 패턴과 제2 패턴은 시료가 투입되어 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역을 정의하도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 패턴의 폭은 제2 패턴의 폭보다 크게 이루어지며, 상기 제1 패턴은 소수성 물질 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 상부커버는 일측이 상기 베이스 플레이트와 힌지결합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 일정 패턴 상에 시료가 안착된 측정칩이 놓이는 챔버와, 상기 챔버에 놓인 측정칩에 적어도 하나의 처리유체를 공급하는 유체공급부와, 상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부 및, 상기 측정칩에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극을 포함하는 단일세포 전기영동처리장치가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 단일세포 전기영동처리장치는 상기 챔버에 놓인 측정칩의 온도를 조절하기 위한 온도조절부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서 상기 온도조절부는 상기 챔버 하부에 구비되는 열전소자를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 유체공급부는 각각의 처리유체 공급원과 연결된 복수의 유체공급라인을 포함하며, 상기 각각의 유체공급라인은 처리유체 공급을 조절하기 위한 공급밸브를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 단일세포 전기영동처리장치는 상기 유체공급라인의 챔버측 단부의 위치를 조정하기 위한 유체공급라인 이동유닛을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체배출부는, 상기 챔버 측부와 펌핑유닛을 연결하는 제1 유체배출라인과, 상기 챔버 상에서 이동가능하게 구비되는 유체배출 팁부재와 펌핑유닛을 연결하는 제2 유체배출라인을 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 단일세포 전기영동처리장치는 상기 제1 유체배출라인에 구비되는 제1 배출밸브와, 상기 제1 유체배출라인과 제2 유체배출라인이 만나는 곳에 구비되는 제2 배출밸브를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 단일세포 전기영동처리장치는 상기 유체배출 팁부재의 위치를 조정하기 위한 유체배출 팁부재 이동유닛을 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 일정 패턴 상에 시료가 안착된 측정칩이 놓이는 챔버와, 상기 챔버에 놓인 측정칩에 적어도 하나의 처리유체를 공급하는 유체공급부와, 상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부 및, 상기 측정칩에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극을 포함하며, 상기 처리유체의 공급과 배출, 측정칩의 온도조절 및 상기 유체공급부와 유체배출부의 구동은 밸브와 모터를 사용하여 기 프로그램된 순서대로 자동화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동처리장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 다양한 인자들(UV, 방사선, 산화손상, 독성물질 등)에 노출되었을 때 발생되는 세포의 핵 내 DNA 손상 정도를 단세포 수준에서 쉽고 빠르게 평가할 수 있는 단일세포 전기영동측정칩과 처리장치를 제공할 수 있다.
또한, 전기영동실험을 위한 시료의 로딩을 균일하게 하여 실험 결과의 정확성을 높일 수 있다.
또한, 각 단계의 처리절차를 일체화시키고, 좁은 공간에서도 실험할 수 있도록 소형화하여 사용자의 편의성을 높일 수 있다.
또한, 전기영동실험을 위한 처리과정에 소요되는 시간을 줄이고, 사용되는 버퍼 양을 획기적으로 절감할 수 있다.
또한, 자동화 기반의 실험을 통해 실험자에 의한 외란 요소를 최소화함으로써 실험 결과의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩 하부 플레이트의 평면도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 패턴에 따른 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 상부 플레이트가 다수의 입구와 출구가 천공된 막부재로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도
도 5는 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 하부 플레이트 부분사시도 및 막부재가 부착된 경우를 도시한 절개사시도
도 6은 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 막부재가 분리되는 상태를 도시한 사시도
도 7은 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 부분 단면도
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛의 안착홈에 단일세포 전기영동측정칩이 놓인 상태를 도시한 사시도
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛의 상부커버가 닫힌 상태에서 세포와 겔이 섞여 있는 시료를 주입하는 모습을 도시한 사시도
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛 내부의 단일세포 전기영동측정칩에 시료가 안착되어 굳은 상태를 도시한 사시도
도 11은 단일세포 전기영동측정칩에 시료가 안착되기 전과 후의 모습을 도시한 사시도
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 사시도
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 분해사시도
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 챔버와그에 부속된 구동장치를 도시한 사시도
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치 개략적인 구성을 도시한 구성도
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치에 적용되는 2-way 밸브, 3-way 밸브 및 그에 대응되는 솔레노이드 밸브의 작동상태를 각각 도시한 사시도와 단면도
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩 하부 플레이트의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 패턴에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩(100)은 크게 하부 플레이트(110)와, 적어도 하나의 주입구(121)를 가지며, 상기 하부 플레이트(110)에 대향되게 구비되는 상부 플레이트(120) 및, 상기 하부 플레이트(110)와 상부 플레이트(120) 사이에 형성되며, 세포와 겔이 섞여 있는 시료(S)가 투입되어 소정 패턴으로 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역(102)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 하부 플레이트(110)와 상부 플레이트(120)는 별도의 부재로 제조되어, 서로 결합 또는 분리가 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 하부 플레이트(110)와 상부 플레이트(120)는 처음 제조 시에 결합한 상태로 제공된 후 시료(S) 안착 후에 상부 플레이트(120)를 추후에 분리할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
여기서 상기 하부 플레이트(110)로는 실레인(silane)을 코팅한 슬라이드글래스(slideglass)가 사용될 수 있고, 상기 상부 플레이트(120)는 PMMA mold로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시료안착영역(102)은, 상기 하부 플레이트(110)에 형성되는 제1 패턴(112)과 상기 상부 플레이트(120)에 제1 패턴(112)과 대응되도록 형성되는 제2 패턴(122)에 의해 정의되는 영역일 수 있다.
여기서, 상기 제1 패턴(112)은 소수성 물질(114) 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성될 수 있는데, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하부 플레이트(110) 상에 소수성 물질(114)을 도포하여 소정 형상의 제1 패턴(112)을 형성할 수 있다.
소수성 효과를 나타내는 미세구조물을 적용하는 경우에는 MEMS(Micro Electro Mechanical systems) 내지 NEMS(Nano Electro Mechanical Systems) 기술을 활용한 스템퍼(stamper) 금형을 이용하여 나노 또는 마이크로 단위 수치의 Pillar 등 미세구조물을 형성함으로써 소수성 효과를 발휘하도록 구성할 수 있다.
소수성 물질(114)이 적용된 실시 예를 위주로 설명하면, 상기 제1 패턴(112)은 상기 하부 플레이트(110) 상면에 도포된 소수성 물질(114)에 의해 둘러싸인 일정 면적의 바운더리(boundary)를 형성한다. 그리고, 상기 상부 플레이트(120)에는 상기 제1 패턴(112)에 대응되도록 제2 패턴(122)이 구비되는데, 상기 제2 패턴(122)은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어질 수 있다.
따라서, 상기 하부 플레이트(110)와 상부 플레이트(120)가 서로 맞닿아 결합한 경우 상기 소수성 물질(114)로 둘러싸인 제1 패턴(112)과 홈으로 이루어진 제2 패턴(122)에 의해서 사방이 막힌 폐영역이 형성되며, 이러한 폐영역이 시료안착영역(102)을 이루게 된다.
이때, 상기 제1 패턴(112)은 소수성 물질(114) 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성되는 것이 아니라 일정 깊이를 갖도록 형성된 홈으로 이루어지는 것도 가능하다. 어느 경우에도 상기 제1 패턴(112)과 제2 패턴(122)이 서로 만나 시료안착영역(102)을 정의하게 된다.
상기 시료안착영역(102)으로 시료(S)를 주입할 수 있도록 상기 상부 플레이트(120)에 적어도 하나의 주입구(121)가 구비될 수 있다. 상기 시료안착영역(102)의 형상에 따라 달라질 수는 있지만, 상기 주입구(121)는 시료(S)가 잘 주입될 수 있도록 하나의 시료안착영역(102) 당 2 개 이상 구비되며 주입구와 배출구로 호환 구성되는 것이 바람직하다.
상기 시료(S)는 저온도겔(Low Melting Agarose gel, LMAgarose gel)을 검사하고자 하는 일정농도의 세포와 섞은 것으로서 상기 시료안착영역(102)에 주입되고 일정 시간 경과 후 경화된다.
여기서, 상기 시료(S)가 주입되는 시료안착영역(102)은 소정 길이를 갖는 채널로 이루어질 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 것처럼 상기 시료안착영역(102)은 폭은 좁고 길이는 길게 형성되며, 하나의 시료안착영역(102)마다 2 개의 주입구(121)가 연결된다.
도 1 내지 도 3에서 상기 시료안착영역(102)은 3 개가 하나의 열을 이루도록 나란히 배열된 실시 예를 도시하였다. 그러나 구비되는 시료안착영역(102)의 개수와 배열은 다양하게 변형 실시될 수 있으며 예를 들어 시료안착영역(102)은 3×2, 4×2, 4×3 등의 행과 열을 가지도록 구비될 수 있다
여기서 일측 주입구(121)를 통해 주입된 시료(S)는 채널 형상의 시료안착영역(102)을 따라 퍼져나가면서 타측 주입구(121) 부근까지 진행한다. 그리고 이와 같이 주입된 시료(S)는 온도처리를 하거나 일정 시간이 경과한 뒤 채널 형상으로 경화된다.
이와 같이 상기 시료안착영역(102)이 채널 형태로 이루어지면, 기존의 동심원 형상인 웰(well) 타입에서 세포가 특정 영역으로 치우쳐 분포되는 문제점을 해결하고 시료(S)의 로딩을 균일하게 수행하여 실험 결과의 정확성을 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 제1 패턴(112)의 폭은 제2 패턴(122)의 폭보다 크게 이루어지는 것이 바람직하다.
구체적으로, 도 3(b)와 같이 상기 제1 패턴(112)의 폭(dp)이 제2 패턴(122)의 폭(Wch)과 동일한 경우에는 상부 플레이트(120)와 하부 플레이트(110)를 결합할 때, 제1 패턴(112)과 제2 패턴(122)을 정렬하여 붙이기 어려우므로 얼라인먼트(alignment) 측면에서 정확성이 떨어지는 단점이 있다.
그리고, 상기 제1 패턴(112)에 부착되는 시료(S)의 양이 상대적으로 적은 만큼 상기 상부 플레이트(120) 분리 시 시료(S)가 떨어질 가능성이 크다. 도 3(c)의 경우 역시 상기 제1 패턴(112)의 폭(dp)이 제2 패턴(122)의 폭(Wch)보다 더 좁기 때문에 상기 제1 패턴(112)에 부착되는 시료(S)의 양이 더 적으므로 시료(S)가 쉽게 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
그러나, 도 3(a)에서 보는 바와 같이 상기 제1 패턴(112)의 폭(dp)이 제2 패턴(122)의 폭(Wch)보다 큰 경우에는 상부 플레이트(120)와 하부 플레이트(110)를 결합할 때, 제1 패턴(112)의 폭(Wch)이 상대적으로 크게 형성되어 있기 때문에 제1 패턴(112)과 제2 패턴(122)의 얼라인먼트(alignment)를 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1 패턴(112)에 부착되는 시료(S)의 양이 많은 만큼 상기 상부 플레이트(120) 분리 시 시료(S)가 떨어지지 않고 안정적으로 안착된 상태를 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기 시료(S)가 경화되면 상기 상부 플레이트(120)를 하부 플레이트(110)로부터 분리한 후 하부 플레이트(110)에 안착된 시료(S)를 여러 단계를 거쳐 처리한 후 DNA 손상 여부를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동측정칩의 상부 플레이트가 다수의 입구와 출구가 천공된 막부재로 이루어지는 경우를 도시한 분해사시도이고, 도 5는 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 하부 플레이트 부분사시도 및 막부재가 부착된 경우를 도시한 절개사시도이며, 도 6은 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 막부재가 분리되는 상태를 도시한 사시도이다. 도 7은 도 4의 단일세포 전기영동측정칩의 부분 단면도이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 측면에 의한 단일세포 전기영동측정칩(100a)의 상기 상부 플레이트는 막부재(120a)로 이루어질 수 있다. 상기 막부재(120a)는 유연한 재질로 이루어지며, 이전 실시 예에서 설명한 하드(hard) 타입의 상부 플레이트(120)보다 얇은 두께를 갖는다.
여기서 상기 막부재(120a)는 하부 플레이트(110a)와는 별도의 부재로 제조되어, 서로 결합 또는 분리가 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 막부재(120a)와 상기 하부 플레이트(110a)는 처음 제조 시에 결합한 상태로 제공된 후 시료(S) 안착 후에 막부재(120a)를 추후에 분리할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
본 실시 예에서 상기 시료안착영역(102a)은 상기 하부 플레이트(110a)에 형성되는 제1 패턴(112a)과 상기 막부재(120a)의 하면에 의해 정의되는 영역일 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 패턴(112a)은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지며, 상기 막부재(120a)의 하면과 함께 시료안착영역(102a)을 구성한다. 이때, 상기 시료안착영역(102)은 소정 길이를 갖는 채널 형상으로 이루어지고, 그 양단에 2 개의 주입구(121a)가 구비될 수 있다.
도 7에서 보는 바와 같이 상기 제1 패턴(112a)이 홈으로 이루어지고 홈 개방면에 상기 막부재(120a)가 밀착되므로 상기 시료안착영역(102a)은 단면이 직사각형 형태로 형성된다.
여기서, 일측 주입구(121a)를 통해 시료(S)가 주입되면 채널 형상의 시료안착영역(102a)을 따라 퍼져나가 타측 주입구(121a) 측으로 진행하면서 채널 형상으로 시료(S)가 안착된다. 여기서 상기 시료(S)가 경화되면서 제1 패턴(112a)의 3 면에 부착되고 막부재(120a)와 맞닿는 면은 하나의 면밖에 없으므로 막부재(120a)를 분리할 때, 시료(S)가 떨어져 나갈 가능성은 매우 낮다.
이와 같이 단일세포 전기영동측정칩(100a)을 구성하면 겔의 형태를 형성하기 위한 면적을 최소화할 수 있으므로 단일 면적 상에 형성시킬 수 있는 채널의 개수를 극대화시킬 수 있어 고집적(high-density) 전기영동측정칩을 제작할 수 있다.
또한, 다수의 서로 다른 샘플과 조건을 단일 칩으로 시험, 측정할 수 있어 사용상의 편의 제공과 더불어 시간적, 물적, 인적 비용을 최소화할 수 있으며, 시험의 균일성과 재현성 확보 및 시험 시 세포 생존율의 저하 없이 수행할 수 있는 장점이 있다.
상기 시료(S)가 경화되면 상기 막부재(120a)를 하부 플레이트(110)로부터 분리한 후 하부 플레이트(110a)에 안착된 시료(S)를 여러 단계를 거쳐 처리한 후 DNA 손상 여부를 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛의 안착홈에 단일세포 전기영동측정칩이 놓인 상태를 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛의 상부커버가 닫힌 상태에서 세포와 겔이 섞여 있는 시료를 주입하는 모습을 도시한 사시도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛 내부의 단일세포 전기영동측정칩에 시료가 안착되어 굳은 상태를 도시한 사시도이다. 도 11은 단일세포 전기영동측정칩에 시료가 안착되기 전과 후의 모습을 도시한 사시도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛(200)은 제1 패턴(112)이 형성된 단일세포 전기영동측정칩(100)과, 상기 단일세포 전기영동측정칩(100)이 안착되는 안착홈(211)을 구비하는 베이스 플레이트(210)와, 상기 안착홈(211)을 개폐하며, 상기 안착홈(211)에 안착된 단일세포 전기영동측정칩(100) 상에 시료를 투입하는 주입구(221)를 구비하는 상부커버(220)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 베이스 플레이트(210)는 직사각형의 패널(panel) 형태로 이루어질 수 있으며, 중앙부에 상기 안착홈(211)이 형성되어 상기 단일세포 전기영동측정칩(100)이 놓일 수 있다.
상기 안착홈(211) 부근에는 상기 상부커버(220)가 힌지결합되는 힌지부(202)가 마련되며, 상기 상부커버(220)가 힌지부(202)를 중심으로 회동함으로써 상기 안착홈(211)을 개폐할 수 있다.
여기서 상기 상부커버(220) 일단에는 결합스위치(225)가 구비되며, 상기 상부커버(220)가 닫힐 때 상기 베이스 플레이트(210) 상의 대응되는 위치에 결합홈(215)이 형성된다. 따라서, 상기 결합스위치(225)를 결합홈(215)에 삽입 결속시키거나 탈거함으로써 상기 상부커버(220)를 개폐할 수 있다.
여기서, 상기 단일세포 전기영동측정칩(100)은 이전 실시 예와 마찬가지로 소수성 물질(114)에 의해 형성되는 제1 패턴(112)을 구비한다. 본 실시 예에서 상기 단일세포 전기영동측정칩(100)은 상기 안착홈(211) 내부에 놓일 수 있는 크기로 이루어지며, 일면에 상기 제1 패턴(112)이 형성된 하나의 플레이트만으로 이루어져 상기 안착홈(211)에 안착된다.
그리고, 이전 실시 예에서 상부 플레이트에 해당하는 역할을 상기 상부커버(220)가 수행한다. 상기 상부커버(220)는 상기 제1 패턴(112)에 대응되도록 형성되는 제2 패턴(222)을 포함하며, 상기 제1 패턴(112)과 제2 패턴(222)은 시료(S)가 투입되어 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역을 정의하도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 단일세포 전기영동측정칩(100) 상에 소수성 물질(114)에 의해 형성되는 제1 패턴(112)과 상기 상부커버(220)에 형성된 제2 패턴(222)이 만나 상기 시료안착영역을 이루는 것이다.
이때, 상기 상부커버(220)가 닫힌 상태에서 상기 제1 패턴(112)과 제2 패턴(222)은 서로 대응되는 위치에 자동으로 정렬되므로 정렬을 위한 추가적인 작업이 필요 없이 정확한 얼라인먼트 상태를 유지할 수 있다.
또한, 제품화된 경우 단일세포 전기영동측정칩(100)이 장착되고 상부커버(220)가 닫혀있는 형태로 패키징(packaging)되어 제공될 수 있으므로, 사용자는 추가적인 작업 없이 측정하고자 하는 세포를 녹인 겔과 섞어 바로 주입하여 편리하게 사용할 수 있으며 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
여기서, 상기 상부커버(220)에 구비되는 제2 패턴(222)은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지고, 상기 제1 패턴(112)의 폭은 제2 패턴(222)의 폭보다 크게 이루어지며, 시료안착영역이 채널 형상으로 이루어지는 점 등은 이전 실시 예와 유사하게 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 시료 안착용 칩 홀딩유닛(200)을 사용하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 단일세포 전기영동측정칩(100)을 안착홈(211)에 놓고 상부커버(220)를 닫은 후 상부커버(220)에 형성된 일측 주입구(221)를 통해 시료(S)를 주입하면 채널 형상의 시료안착영역을 따라 퍼져나가면서 타측 주입구(221) 부근까지 진행한다.
그리고 이와 같이 주입된 시료(S)는 온도처리를 하거가 일정 시간이 경과한 뒤 채널 형상으로 경화된다. 그 후 상부커버(220)를 열고 단일세포 전기영동측정칩(100)을 회수한 후 여러 단계의 처리과정을 거쳐 DNA 손상을 관찰할 수 있다.
여기서 상기 제1 패턴(112)의 폭이 제2 패턴(222)의 폭보다 크게 형성되므로 상부커버(220)를 개방할 때, 시료(S)가 단일세포 전기영동측정칩(100)으로부터 떨어져 나갈 가능성은 매우 낮다.
상기한 본 발명에 따른 시료 안착용 칩 홀딩유닛(200)을 이용하면 전기영동측정을 위한 시료(S) 안착을 용이하게 수행하고 시료(S) 내의 세포 분포를 균일한 상태로 로딩이 가능할 뿐만 아니라, 얼라인먼트 측면에서도 정확도를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 전술한 바와 같이 제품화된 경우 단일세포 전기영동측정칩(100)이 장착되고 상부커버(220)가 닫혀있는 형태로 패키징(packaging)되어 제공될 수 있으므로, 사용자는 추가적인 작업 없이 측정하고자 하는 세포를 녹인 겔과 섞어 바로 주입하여 편리하게 사용할 수 있으며 시간 및 비용을 절감할 수 있는 추가적인 장점이 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 사시도이고, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 분해사시도이며, 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치의 챔버와그에 부속된 구동장치를 도시한 사시도이다. 도 15는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치 개략적인 구성을 도시한 구성도이고, 도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치에 적용되는 2-way 밸브, 3-way 밸브 및 그에 대응되는 솔레노이드 밸브의 작동상태를 각각 도시한 사시도와 단면도이다.
도 12 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일세포 전기영동처리장치(300)는 일정 패턴 상에 시료가 안착된 측정칩(100)이 놓이는 챔버(310)와, 상기 챔버(310)에 놓인 측정칩(100)에 적어도 하나의 처리유체를 공급하는 유체공급부(320)와, 상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부(340) 및, 상기 측정칩(100)에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극(360)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 단일세포 전기영동처리장치(300)는 전면커버(303), 측면커버(302), 및 후면커버(304)가 결합하여 외형을 형성하며 전면 상측에 장치 내부를 개폐할 수 있는 개폐커버(305)가 결합될 수 있다. 상기 개폐커버(305)는 전면커버(303)와 측면커버(302)에 탈착 가능하게 결합하거나 일측이 전면커버(303)와 힌지 결합함으로써 내부를 개폐하도록 구성될 수 있다.
양측 측면커버(302)는 복수의 결합프레임(306)을 통해 서로 결합될 수 있는데 상기 결합프레임(306)은 장치 전체의 외형을 유지하는 결합력을 제공하는 한편, 하중을 분산시키는 역할도 함께 수행할 수 있다. 그리고, 단일세포 전기영동처리장치(300) 내측 하부에는 내부 구조물을 지지하는 베이스 패널(301)이 구비될 수 있다.
그리고 상기 베이스 패널(301) 상부 일측에는 후술할 여러 전기적 작동을 위해 전력을 공급하는 전원부(390)가 구비될 수 있다.
한편, 본 장치의 내부 중앙에는 측정칩(100)이 놓여 여러 처리 단계를 수행할 수 있도록 챔버(310)가 구비될 수 있다. 상기 챔버(310)는 박스 형태로 이루어져 내측으로 소정 공간을 형성함으로써 측정칩(100)이 안착된 후 처리유체가 공급될 수 있다. 이때, 이러한 처리유체는 유체공급부(320)를 통해 공급될 수 있다.
상기 유체공급부(320)는 장치 상부에 상기 처리유체를 수용하는 처리유체 공급원(322)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 처리유체 공급원(322)은 적용되는 처리유체의 수만큼 내부가 구획되어 각각의 처리유체가 수용될 수 있다.
구체적으로 상기 처리유체 공급원(322)은 세포용해 버퍼(lysis buffer)를 공급하는 lysis buffer 수용부(322a), 순수(DW: Deionized water)를 공급하는 순수 수용부(322b), 알칼리 용액을 공급하는 알칼리 용액 수용부(322c) 및 에탄올을 공급하는 에탄올 수용부(322d)로 구획되어 이루어질 수 있으며 그 상부에 처리용액을 주입하는 주입부(323)가 각각 구비될 수 있다.
물론, 상기 처리유체의 종류와 숫자는 전기영동측정에 필요한 처리 단계나 실험 조건 등에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 각각의 처리유체가 별도의 수용기에 담겨져 구비되는 것도 가능하다.
상기 처리유체 공급원(322)은 각각의 처리유체의 수용부가 복수의 유체공급라인(324)을 통해 상기 챔버(310)와 연결될 수 있다. 상기 복수의 유체공급라인(324)은 일단이 상기 처리유체 공급원(322)의 각 수용부(322a, 322b, 322c, 322d) 하부에 연결되고, 타단이 상기 챔버(310) 상부에 배치될 수 있다.
본 실시 예에서는 4 개의 처리유체가 적용되므로 4 개의 유체공급라인(324)이 사용되며 각각의 유체공급라인(324)에는 처리유체 공급을 조절하기 위한 공급밸브(326)가 구비될 수 있다.
상기 공급밸브(326)로는 도 16(a)에 도시된 것과 같은 2-way 밸브가 사용될 수 있는데, 이를 도 16(c)에 도시된 것과 같은 솔레노이드 밸브로 대체하여 처리유체 공급을 완전 자동화할 수 있다.
즉, 도 16(a)의 2-way 밸브가 적용된 경우에는 처리용액의 공급을 조절하기 위하여 사용자가 수동으로 밸브를 직접 조작하여 유로를 개폐하지만, 도 16(c)의 솔레노이드 밸브가 적용된 경우에는 제어부(미도시)에서 송신되는 제어신호에 의해 프로그램된 순서에 따라 자동으로 유로의 on-off가 이루어질 수 있다.
한편, 상기 유체공급라인(324)의 챔버(310)측 단부의 위치를 조정하기 위한 유체공급라인 이동유닛(330)이 구비될 수 있다. 상기 유체공급라인 이동유닛(330)은 서보모터(servomotor, 332)와 상기 서보모터(332)에 의해 전후방으로 이동할 수 있는 이동바(334)로 구성될 수 있다.
상기 유체공급라인 이동유닛(330)은 상기 챔버(310)에 측정칩(100)을 안착시킬 때 유체공급라인(324)에 의해 방해받지 않도록 이를 후방으로 이동시키며, 처리과정에서 처리유체를 공급할 때에는 다시 전방으로 이동하여 측정칩(100) 상부로 상기 유체공급라인(324)을 이동시키는 역할을 수행한다.
상기 이동바(334)의 단부에는 복수의 유체공급라인(324)이 삽입되어 정렬될 수 있도록 삽입팁(336)이 구비될 수 있다.
한편, 상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부(340)가 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 유체배출부(340)는 상기 챔버(310) 측부와 펌핑유닛(348)을 연결하는 제1 유체배출라인(342)과, 상기 챔버(310) 상에 이동가능하게 구비되는 유체배출 팁부재(345)와 펌핑유닛(348)을 연결하는 제2 유체배출라인(344)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 유체배출라인(342)은 상기 챔버(310) 양측부 하측에 2 개가 연결되는데 일정 구간 서로 나누어져 있다가 하나의 라인으로 병합될 수 있다. 그리고, 상기 제1 유체배출라인(342) 상에는 제1 유체배출라인(342)을 통해 배출되는 처리유체의 유동을 개폐하는 제1 배출밸브(343)가 구비될 수 있다.
상기 제1 배출밸브(343)는 상기 챔버(310) 양측부에 바로 붙어서 2 개가 구비될 수 있는데, 이 경우 상기 제1 배출밸브(343)의 일단은 챔버(310)에 바로 연결되고 타단은 상기 제1 유체배출라인(342)과 연결되도록 구성될 수 있다.
상기 제1 배출밸브(343)는 상기 공급밸브(326)와 마찬가지로 도 16(a)에 도시된 것과 같은 2-way 밸브가 사용될 수 있는데, 이를 도 16(c)에 도시된 것과 같은 솔레노이드 밸브로 대체하여 처리유체의 배출을 완전 자동화할 수 있다.
상기 챔버(310) 상에 위치하는 유체배출 팁부재(345)는 유체배출 팁부재 이동유닛(350)에 의해 이동가능하게 설치될 수 있다.
상기 유체배출 팁부재(345)는 상기 챔버(310) 에 놓인 측정칩(100) 부근에 위치하면서 상기 측정칩(100)에 공급되는 처리유체를 바로 강제 흡입(suction)하여 배출하는 기능을 수행하므로, 측정칩(100) 세척 시 유용하게 사용될 수 있다. 이를 위해 상기 유체배출 팁부재(345)는 상기 측정칩(100)의 양측 상부에 2 개가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 유체배출 팁부재 이동유닛(350)은 유체배출 팁부재(345)의 위치를 조정하는 역할을 수행한다. 구체적으로 상기 유체배출 팁부재 이동유닛(350)은 상하 방향으로 회동가능한 상하회동부재(352)와 좌우로 회동가능한 좌우회동부재(354)를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 좌우회동부재(354)는 2 개가 구비되는 유체배출 팁부재(345)와 연결될 수 있도록 2 개가 구비되며, 하나의 상하회동부재(352)로부터 갈라진 형상으로 설치될 수 있다.
상기 좌우회동부재(354)의 끝단은 상기 유체배출 팁부재(345)와 연결되며 상기 좌우회동부재(354) 내부에 상기 유체배출 팁부재(345)를 통해 흡입된 처리유체가 흘러나갈 수 있는 유로가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 좌우회동부재(354) 내부에 형성된 유로는 상기 상하회동부재(352)와 만나는 지점에서 하나의 유로로 합쳐지며, 유로가 끝나는 곳에 상기 제2 유체배출라인(344)이 연결된다.
이와 같이, 상기 유체배출 팁부재 이동유닛(350)은 상기 유체배출 팁부재(345)를 상하 좌우로 이동시킴과 동시에 유체배출 팁부재(345)를 통해 흡입된 처리유체를 제2 유체배출라인(344)으로 안내하는 역할을 수행한다.
물론, 상기 유체배출 팁부재 이동유닛(350) 상에 내부유로가 형성되지 않고 상기 제2 유체배출라인(344)이 상기 상하회동부재(352) 및 좌우회동부재(354)를 따라 안내된 후 상기 유체배출 팁부재(345)에 직접 연결되도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우 상기 제2 유체배출라인(344)은 상기 상하회동부재(352) 및 좌우회동부재(354) 상에 클램프 등에 의해 고정 설치되는 것이 바람직하다.
상기 유체배출 팁부재 이동유닛(350)을 통해 상기 측정칩(100)의 크기에 따라 2 개의 유체배출 팁부재(345) 간의 간격을 조절할 수 있다. 그리고, 처리유체 흡입 시, 유체배출 팁부재(345)를 측정칩(100) 부근의 하부로 이동시킬 수 있으며, 측정칩(100)을 안착시키거나 처리용액 내에 측정칩(100)을 일정 시간 침지시키는 경우에는 유체배출 팁부재(345)를 상부로 이동시킬 수 있다.
한편, 상기 제1 유체배출라인(342)과 제2 유체배출라인(344)이 만나는 곳에는 제2 배출밸브(346)가 구비될 수 있다.
상기 제2 배출밸브(346)로는 도 16(b)에 도시된 것과 같은 3-way 밸브가 사용될 수 있는데, 상기 제1 유체배출라인(342)과 제2 유체배출라인(344)의 유동을 개폐하는 역할을 수행한다. 이러한 제2 배출밸브(346)는 도 16(d)에 도시된 것과 같은 솔레노이드 밸브로 대체하여 처리유체 배출을 완전 자동화할 수 있다.
즉, 도 16(b)의 3-way 밸브가 적용된 경우에는 처리용액의 배출을 조절하기 위하여 사용자가 수동으로 밸브를 직접 조작하여 유로를 조정하지만, 도 16(d)의 솔레노이드 밸브가 적용된 경우에는 제어부(미도시)에서 송신되는 제어신호에 의해 프로그램된 순서에 따라 자동으로 A→C 또는 B→C로 유로의 조정이 이루어질 수 있다.
상기 펌핑유닛(348)은 예를 들어 진공펌프로 이루어질 수 있으며, 상기 제1 유체배출라인(342)과 제2 유체배출라인(344)을 통해 배출되는 처리유체가 유동할 수 있는 동력을 제공한다.
한편, 상기 챔버(310) 하부에는 상기 측정칩(100)에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극(360)이 구비될 수 있다. 그리고, 상기 챔버(310)에 놓인 측정칩(100)의 온도를 조절하기 위한 온도조절부(370)가 구비될 수 있는데, 여기서 상기 온도조절부(370)는 상기 챔버(310) 하부에 구비되는 열전소자(372)와, 상기 열전소자(372)의 구동 및 제어를 위한 회로부 및 측정칩(100)의 온도를 센싱하는 온도센서를 구비하는 온도조절부 몸체(374) 및 상기 측면커버(302) 상에 설치되는 온도표시부(376)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 열전소자(372)는 p형 반도체와 n형 반도체로 구성되는 금속소자로서, 직류 전류를 흘림으로써 흡열과 방열이 발생하는 현상을 이용한 것이다. 이러한 열전소자(372)를 통해 상기 측정칩(100)의 온도 즉, 시료의 처리를 위한 온도를 조절할 수 있다.
이러한 열전소자(372)는 기존의 냉동장치의 역할을 대체하는 것으로서 좁은 범위 내에서 효율적으로 짧은 시간 안에 온도조절을 용이하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 챔버(310) 상부에는 상기 측정칩(100)을 말리거나 급속히 온도를 올려야 할 경우에 사용되는 히팅부(380)가 추가로 구비될 수 있다.
상기한 구성으로 이루어진 단일세포 전기영동처리장치(300)를 통해 측정칩(100)을 처리하는 과정을 도 1 내지 도 16을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 겔(Gel)의 양호한 접착력을 유지할 수 있도록 표면이 특수 처리된 유리 또는 플라스틱 판을 사용하여 그 위에 저온도겔(Low Melting Agarose gel, LMAgarose gel)을 미리 90℃에서 녹인 후 20분간 40℃에서 식힌다. 그리고 이를 검사하고자 하는 일정농도의 세포와 섞어 전기영동측정을 위한 시료(S)를 생성한다.
상기 시료(S)를 전술한 단일세포 전기영동측정칩(100) 또는 시료 안착용 칩 홀딩유닛(200)을 이용하여 시료안착영역(102)에 주입한다. 주입 후 상온에서 일정 시간 시료(S)가 경화되도록 유지한 후 단일세포 전기영동측정칩(100)을 상기 챔버(310)에 장착한다. 그리고, 열전소자(372)를 작동시켜 온도를 4℃로 낮춤으로써 시료(S)의 경화를 촉진한다.
일정시간(약 30분) 경과 후 시료(S)가 경화되면 상부 플레이트(120) 또는 막부재(120a)를 제거하여 세포가 고루 섞여 있는 시료(S) 채널이 노출되게 만든다. 이때, 각종 처리유체를 공급하는 유체공급라인(324)은 유체공급라인 이동유닛(330)에 의해 단일세포 전기영동측정칩(100)의 중앙 부분에 위치한다.
온도를 계속 4℃로 유지하며, lysis buffer 수용부(322a)와 연결된 유체공급라인(324)의 공급밸브(326)를 개방함으로써 lysis buffer를 공급한다. 여기서, lysis buffer는 DNA의 변성(denaturing)없이 세포의 투과성을 높이는 역할을 수행한다. 이때 챔버(310)와 연결된 상기 제1 배출밸브(343)와 제2 배출밸브(346)는 닫혀 있는 상태로 유지한다.
lysis buffer가 시료(S)의 모든 영역이 덮이도록 충분히 공급된 후 상기 공급밸브(326) 닫고 30분간 유지한다. 처리가 완료된 후 열전소자(372)의 작동을 차단하여 시료(S)의 온도를 상온으로 수분 이내에 복귀시킨다. 이때, 주위가 낮은 온도일 경우에는 히팅부(380)를 수 초간 짧게 가동하여 상온으로 복귀하는 것도 가능하다.
이후 잔존하는 lysis buffer를 제거해주기 위해 순수(DW: Deionized water)를 공급하는 유체공급라인(324) 상의 공급밸브(326)가 개방되며, 시료(S) 양쪽에 위치한 유체배출 팁부재(345)를 통해 세척을 수행한 순수가 흡입되어 배출된다.
이때, 상기 제2 배출밸브(346)가 조절되어 상기 제2 유체배출라인(344)이 개방된 상태이며, 계속적으로 공급되는 순수는 시료(S) 중앙에 떨어진 후 양쪽으로 흘러가며 연속적인 세정 작업을 수행한다.
한편, 수초 이내에 세정을 완료하며, 세정이 끝나면 유체배출 팁부재(345)를 통한 흡입이 중단되도록 제2 배출밸브(346)는 닫히고 순수를 공급하는 공급밸브(326)도 닫히게 된다.
그 후 DNA를 풀어주기 위해 알칼리 용액 수용부(322c)와 연결된 유체공급라인(324) 상의 공급밸브(326)를 개방함으로써 알카리 용액을 공급하는데, 일정량을 공급한 후 공급밸브(326)를 닫는다. 그리고, 30분간 처리 후 제1 배출밸브(343)를 개방하고 제2 배출밸브(346)를 제1 유체배출라인(342)에 정렬시켜 배출시키며, 챔버(310)에 잔존하는 알카리 용액도 제거한다.
알카리 용액을 제거한 후에는 제1 배출밸브(343)와 제2 배출밸브(346)를 모두 닫는다. 그리고, 전기영동을 위해 다시 알칼리 용액 수용부(322c)와 연결된 유체공급라인(324) 상의 공급밸브(326)를 개방하여 시료(S)가 충분히 잠기도록 알칼리 용액을 공급한다. 이때, 본 발명에 따른 단일세포 전기영동처리장치(300)는 알칼리 용액을 10mL 또는 그 이하의 량만을 공급하여도 전기영동을 수행할 수 있다.
알칼리 용액 공급 후 공급밸브(326)를 닫고 열전소자(372)를 작동시켜 챔버(310)의 온도를 4℃로 냉각시키고, 전기영동전극(360)에 전원을 공급하여 손상된 세포의 DNA 절편을 시료(S) 내에서 전장에 의해 이동시킨다.
전기영동이 끝난 후에는 전기영동전극(360)의 전원과 열전소자(372)의 전원을 차단하여 상온으로 회복시킨다.
그 후 순수를 챔버(310) 내에 계속적으로 공급함과 동시에 제1 배출밸브(343)를 개방하여 알카리 용액을 제거하는 한편, 챔버(310) 내 오염 물질을 함께 제거한다. 그리고 일정 시간 뒤 챔버(310) 내 오염물이 제거되면 상기 제1 배출밸브(343)는 닫고 시료(S)를 세정하기 위해 상기 유체배출 팁부재(345)를 통해 흡입되도록 제2 배출밸브(346)를 제2 유체배출라인(344)과 정렬시켜 개방한다.
세정이 완료되면 모든 밸브는 닫고, 70% 에탄올(ethanol)을 공급할 수 있도록 에탄올 수용부(322d)와 연결된 유체공급라인(324) 상의 공급밸브(326)를 개방한다. 에탄올이 시료(S)가 잠길 정도로 공급되면 공급밸브(326)를 닫은 후, 5분간 유지하며 히팅부(380)를 간헐적으로 작동시켜 과열되지 않도록 하면서 시료(S)를 건조시킨다. 5분간 건조 후 전원이 차단되면서 모든 처리과정이 종료된다.
추가적으로 측정칩(100)을 꺼내어 핵산을 염색할 수 있는 염색액을 떨어뜨려 시료(S) 속에 있는 세포의 핵산을 염색한 후 스캐너에 넣어 스캔을 수행한다.
전술한 모든 과정은 시스템에 내장 또는 외장으로 연결된 PLC(programmable logic controller), 초소형 제어기(micro controller) 또는 일반 컴퓨터(PC: personal computer)의 형태로 이루어진 제어부(미도시)에 의해 자동으로 수행되도록 구성될 수 있다. 이때, 밸브는 전술한 바와 같이 솔레노이드 밸브를 적용한다.
지금까지 설명한 본 발명에 따른 단일세포 전기영동측정칩, 칩 홀딩유닛 및 단일세포 전기영동처리장치에 의하면 다양한 인자들(UV, 방사선, 산화손상, 독성물질 등)에 노출되었을 때 발생되는 세포의 핵 내 DNA 손상 정도를 단세포 수준에서 쉽고 빠르게 평가할 수 있고, 전기영동실험을 위한 시료의 로딩을 균일하게 하여 실험 결과의 정확성을 높일 수 있으며, 각 단계의 처리절차를 일체화시키고, 좁은 공간에서도 실험할 수 있도록 소형화하여 사용자의 편의성을 높일 수 있다.
또한, 전기영동실험을 위한 처리과정에 소요되는 시간을 줄이고, 사용되는 버퍼 양을 획기적으로 절감할 수 있으며, 자동화 기반의 실험을 통해 실험자에 의한 외란 요소를 최소화함으로써 실험 결과의 재현성과 신뢰성을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
100 : 단일세포 전기영동측정칩 102 : 시료안착영역
110 : 하부 플레이트 112 : 제1 패턴
120 : 상부 플레이트 122 : 제2 패턴
200 : 칩 홀딩유닛 210 : 베이스 플레이트
211 : 안착홈 220 : 상부커버
300 : 단일세포 전기영동처리장치 310 : 챔버
320 : 유체공급부 330 : 유체공급라인 이동유닛
340 : 유체배출부 350 : 유체배출 팁부재 이동유닛
360 : 전기영동전극 370 : 온도조절부
380 : 히터 390 : 전원부

Claims (28)

  1. 하부 플레이트;
    적어도 하나의 주입구를 가지며, 상기 하부 플레이트에 대향되게 구비되는 상부 플레이트; 및,
    상기 하부 플레이트와 상부 플레이트 사이에 형성되며, 시료가 투입되어 소정 패턴으로 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역;을 포함하는 단일세포 전기영동측정칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료안착영역은,
    상기 하부 플레이트에 형성되는 제1 패턴과 상기 상부 플레이트에 제1 패턴과 대응되도록 형성되는 제2 패턴에 의해 정의되는 영역인 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 패턴의 폭은 제2 패턴의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 소수성 물질 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 시료안착영역은 소정 길이를 갖는 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 하부 플레이트로부터 분리 가능한 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 상부 플레이트는 막부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시료안착영역은,
    상기 하부 플레이트에 형성되는 제1 패턴과 상기 막부재의 하면에 의해 정의되는 영역인 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 시료안착영역은 소정 길이를 갖는 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 막부재는 하부 플레이트로부터 분리 가능한 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동측정칩.
  14. 제1 패턴이 형성된 단일세포 전기영동측정칩;
    상기 단일세포 전기영동측정칩이 안착되는 안착홈을 구비하는 베이스 플레이트;
    상기 안착홈을 개폐하며, 상기 안착홈에 안착된 단일세포 전기영동측정칩 상에 시료를 투입하는 주입구를 구비하는 상부커버;를 포함하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상부커버는 상기 제1 패턴에 대응되도록 형성되는 제2 패턴을 포함하며,
    상기 제1 패턴과 제2 패턴은 시료가 투입되어 안착되는 적어도 하나의 시료안착영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 패턴의 폭은 제2 패턴의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 소수성 물질 또는 소수성 효과를 나타내는 미세구조물에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제2 패턴은 일정 깊이를 갖는 홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 상부커버는 일측이 상기 베이스 플레이트와 힌지결합되는 것을 특징으로 하는 시료 안착용 칩 홀딩유닛.
  20. 일정 패턴 상에 시료가 안착된 측정칩이 놓이는 챔버;
    상기 챔버에 놓인 측정칩에 적어도 하나의 처리유체를 공급하는 유체공급부;
    상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부; 및
    상기 측정칩에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극;을 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 챔버에 놓인 측정칩의 온도를 조절하기 위한 온도조절부를 더 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 온도조절부는 상기 챔버 하부에 구비되는 열전소자를 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 유체공급부는 각각의 처리유체 공급원과 연결된 복수의 유체공급라인을 포함하며, 상기 각각의 유체공급라인은 처리유체 공급을 조절하기 위한 공급밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동처리장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 유체공급라인의 챔버측 단부의 위치를 조정하기 위한 유체공급라인 이동유닛을 더 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 유체배출부는,
    상기 챔버 측부와 펌핑유닛을 연결하는 제1 유체배출라인과,
    상기 챔버 상에서 이동가능하게 구비되는 유체배출 팁부재와 펌핑유닛을 연결하는 제2 유체배출라인을 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제1 유체배출라인에 구비되는 제1 배출밸브와
    상기 제1 유체배출라인과 제2 유체배출라인이 만나는 곳에 구비되는 제2 배출밸브를 더 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 유체배출 팁부재의 위치를 조정하기 위한 유체배출 팁부재 이동유닛을 더 포함하는 단일세포 전기영동처리장치.
  28. 일정 패턴 상에 시료가 안착된 측정칩이 놓이는 챔버;
    상기 챔버에 놓인 측정칩에 적어도 하나의 처리유체를 공급하는 유체공급부;
    상기 공급된 처리유체를 배출하는 유체배출부; 및
    상기 측정칩에 전기영동측정을 위한 전류를 인가하는 전기영동전극;을 포함하며, 상기 처리유체의 공급과 배출, 측정칩의 온도조절 및 상기 유체공급부와 유체배출부의 구동은 밸브와 모터를 사용하여 기 프로그램된 순서대로 자동화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 단일세포 전기영동처리장치.
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