KR20150059413A - 시료 검사방법 및 미세유동장치 - Google Patents

시료 검사방법 및 미세유동장치 Download PDF

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Abstract

개시된 발명의 일 측면은, 시료를 희석시키는 별도의 스텝이나 구조를 채용하지 않고 표적 물질의 고농도 구간에서의 농도 구별력을 향상시킬 수 있는 시료 검사방법 및 미세유동장치를 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 시료 검사 방법은, 시료, 상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변화되는 시약 및 상기 시료에 포함된 염소 이온 중 일부를 포획하는 포획 물질을 혼합하고; 상기 광학적 특성을 측정하고; 상기 측정된 광학적 특성으로부터 상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 것을 포함한다.

Description

시료 검사방법 및 미세유동장치{TEST METHOD OF SAMPLE AND MICROFLUIDIC DEVICE}
개시된 발명은 시료 중에 포함된 표적 물질의 농도를 결정하는 시료 검사방법 및 시료와 시약의 반응이 일어나는 미세유동장치에 관한 것이다.
최근, 환경 모니터링, 식품 검사, 의료 진단 등 다양한 분야에서 시료를 신속하게 분석할 수 있는 소형화 및 자동화된 장비가 개발되고 있다.
특히, 의료 진단 분야에서 시료에 포함된 표적 물질의 농도를 측정하기 위해, 표적 물질에 의해 활성화되는 효소와 효소에 의해 분해되는 기질을 시약에 포함할 수 있고, 기질의 분해에 의해 나타나는 광학적 특성을 측정함으로써, 활성화된 효소의 양과 표적 물질의 농도를 추정할 수 있다.
다만, 표적 물질의 다이나믹 레인지(dynamic range)에 해당하는 농도 구간에서 광학적 특성의 구별력이 없는 경우가 있는바, 다이나믹 레인지에서의 농도 구별력을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 개발이 요구된다.
개시된 발명의 일 측면은, 시료를 희석시키는 별도의 스텝이나 구조를 채용하지 않고 표적 물질의 고농도 구간에서의 농도 구별력을 향상시킬 수 있는 시료 검사방법 및 미세유동장치를 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 시료 검사 방법은, 시료, 상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변화되는 시약 및 상기 시료에 포함된 염소 이온 중 일부를 포획하는 포획 물질을 혼합하고; 상기 광학적 특성을 측정하고; 상기 측정된 광학적 특성으로부터 상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 것을 포함한다.
상기 포획 물질은, 아민기(-NH2)를 포함하는 화합물인 것으로 할 수 있다.
상기 포획 물질은, 우레아(urea), 티오우레아(thio-urea), ACES(N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid) 버퍼 및 ADA(2-[(2-amino-2-oxoethyl)-(carboxymethyl)amino]acetic acid) 버퍼를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것으로 할 수 있다.
상기 포획 물질의 아민기가 상기 염소 이온과 바인딩할 수 있다.
상기 시약은, 염소 이온에 의해 활성화되는 효소 및 상기 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질을 포함할 수 있다.
상기 효소는, 상기 포획 물질에 의해 바인딩되지 않은 염소 이온에 의해 활성화될 수 있다.
상기 효소는, α-아밀라아제를 포함할 수 있다.
상기 기질은, CNPG3(2-Chloro-4-nitrophenyl-alpha-maltotrioside)를 포함할 수 있다.
상기 CNPG3는, 상기 α-아밀라아제에 의해 가수분해되어 CNP(2-Chloro-4-nitrophenol) 및 G3를 생성할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 미세유동장치는 시료에 포함된 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변화되는 시약 및 상기 시료에 포함된 염소 이온 중 일부를 포획하는 포획 물질이 수용되는 적어도 하나의 챔버; 및 상기 시료가 주입되는 시료 주입구를 포함할 수 있다.
상기 포획 물질은, 아민기(-NH2)를 포함하는 화합물인 것으로 할 수 있다.
상기 포획 물질은, 우레아(urea), 티오우레아(thio-urea), ACES(N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid) 버퍼 및 ADA(2-[(2-amino-2-oxoethyl)-(carboxymethyl)amino]acetic acid) 버퍼를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것으로 할 수 있다.
상기 포획 물질의 아민(amine)기가 상기 염소 이온과 바인딩할 수 있다.
상기 시약은, 염소 이온에 의해 활성화되는 효소 및 상기 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질을 포함할 수 있다.
상기 효소는, 상기 포획 물질에 의해 바인딩되지 않은 염소 이온에 의해 활성화될 수 있다.
상기 효소, 상기 기질 및 상기 포획 물질은 상기 적어도 하나의 챔버 중 하나에 함께 수용될 수 있다.
상기 적어도 하나의 챔버와 상기 시료 주입구를 연결하는 채널을 더 포함할 수 있다.
상기 효소는, α-아밀라아제를 포함할 수 있다.
상기 기질은, CNPG3(2-Chloro-4-nitrophenyl-alpha-maltotrioside)를 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 시료 검사방법 및 미세유동장치에 의하면, 시료를 희석시키는 별도의 스텝을 채용하지 않고서도 표적 물질의 고농도 구간에서의 농도 구별력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 염소 이온의 농도 별 광도 값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 관한 순서도이다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라 시료와 시약을 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라 우레아를 포함하는 시약과 시료를 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라, 우레아를 포함하는 시약과 시료를 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 시료 검사방법에 따라 포획 물질로 티오 우레아를 첨가하여 측정된 흡광도 그래프이다.
도 7은 포획 물질로 티오 우레아를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 측정된 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 8은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 외관도이다.
도 9는 도 8에 도시된 미세유동장치의 검사부의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서의 검사 결과를 측정할 수 있는 검사 장치의 외관도이다.
도 11은 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 미세유동장치를 위에서 내려다 본 평면도이다.
도 12는 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 미세유동장치에서의 검사 결과를 측정하는 검사 장치의 외관도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 개시된 발명의 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
시료에 포함된 표적 물질의 농도를 결정하는 다양한 방법 중에서 표적 물질에 의해 활성화되는 효소와 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질(substrate)을 이용하는 방법이 있다. 그 구체적인 예로서, 전해질 검사에 사용되는 효소법을 들 수 있는바, 전해질 이온 중 하나인 염소 이온(Cl-)의 농도를 결정하기 위해 α-아밀라아제와 CNPG3(2-chloro-4-nitrophenyl-α-D-maltotrioside)를 효소와 기질로 각각 이용할 수 있다.
α-아밀라아제와 CNPG3에 의해 염소 이온의 농도를 결정하는 반응 매커니즘은 아래와 같다.
α-Amylase + Cl-
CNPG3 --------------------------------------> CNP + G3
상기 반응 매커니즘을 참조하면, 염소 이온(Cl-)은 α-아밀라아제를 활성화시키고, 활성화된 α-아밀라아제는 CNPG3를 가수분해하여 CNP(2-chloro-p-nitrophenol)와 G3(α-maltotriose)를 생성한다.
CNP는 색을 발하는 물질이므로 CNP에 의해 나타나는 광학적 특성을 측정함으로써 활성화된 α-아밀라아제의 양을 추정할 수 있고, 활성화된 α-아밀라아제의 양으로부터 염소 이온의 온도를 결정할 수 있다. 즉, CNP에 의한 광학적 특성으로부터 염소 이온의 농도를 결정할 수 있다.
도 1은 염소 이온의 농도 별 광도 값을 나타낸 그래프이다. 도 1의 그래프는 염소 이온을 포함하는 시료에 α-아밀라아제와 CNPG3를 첨가하여 얻은 결과이다.
도 1을 참조하면, 염소 이온의 저농도 대역에서는 광도(Optical Density) 값의 기울기가 커서 농도 간 구별력이 큰 반면, 염소 이온의 고농도 대역에서는 광도 값의 기울기가 거의 0에 가까워 농도 간 구별력이 매우 작음을 알 수 있다.
생체 시료에 존재하는 염소 이온의 농도를 측정하는 경우의 다이나믹 레인지(dynamic range)는 80-135mM이다. 그러나, 도 1의 그래프에 나타난 바와 같이 다이나믹 레인지에서의 농도 간 구별력이 매우 작기 때문에, 종래에는 시료를 희석하여 시료 중 염소 이온의 농도를 낮춘 후에 α-아밀라아제와 CNPG3를 첨가하여 광도 값을 측정하였다.
희석된 시료를 검사에 사용하기 위해서는, 시료 희석을 위한 스텝이 추가되어야 하고 시료 희석을 위한 별도의 장치적 구조가 요구된다. 개시된 발명의 일 측면에 따른 시료 검사방법은 표적 물질을 포획하는 포획 물질을 사용함으로써, 시료를 희석하는 별도의 스텝이나 장치적 구조 없이도 표적 물질의 농도 간 구별력을 향상시킬 수 있다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 관한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 포획물질을 포함하는 시약과 시료를 혼합한다(10). 시약은 시료에 존재하는 표적 물질의 농도에 따라 광학적 특성 변화를 유발하는 것을 사용할 수 있다. 일 예로, 시약은 시료 내의 표적 물질에 의해 활성화되는 효소와 활성화된 효소에 의해 분해되어 광학적 특성이 변화되는 기질을 포함할 수 있다. 포획물질의 종류는 시료 내의 표적 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다. 시약을 구성하는 구체적인 물질에 관한 설명은 후술하도록 한다.
혼합된 시약과 시료가 반응하면 표적 물질의 농도에 따라 반응물의 광학적 특성이 달라지는바, 이 광학적 특성을 측정한다(30). 측정되는 광학적 특성은 흡광도, 투과도, 반사도 및 발광도 중 하나일 수 있고, 검사의 종류 또는 검사에 사용되는 장치에 따라 적절한 광학적 특성을 측정할 수 있다.
측정된 광학적 특성으로부터 표적 물질의 농도를 결정한다(50). 전술한 예에 따라 시약이 효소와 기질을 포함하는 경우, 광학적 특성은 기질이 분해되면서 나타나는 것일 수 있고, 기질의 분해는 활성화된 효소에 의해 이루어지는 것이며, 효소의 활성화는 표적 물질에 의해 이루어지는 것이다. 따라서, 측정된 광학적 특성을 분석하면 표적 물질의 농도를 결정할 수 있다.
한편, 시료에 존재하는 표적 물질 중 일부가 포획 물질과 바인딩(binding)되어 효소의 활성화에 참여하지 않으므로, 표적 물질이 희석된 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 고농도 구간에서도 농도 별 구별력이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
이하, 표적 물질과 혼합되는 시약의 조성 및 시약에 포함된 포획 물질과 표적 물질이 바인딩되는 매커니즘을 구체적인 예를 들어 설명하도록 한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법은 의료 진단 분야, 환경 검사 분야 등 다양한 분야에서 적용될 수 있다. 특히, 의료 진단 분야에서 전해질 검사를 수행하는 경우, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법을 적용하여 전해질 이온 중 하나인 염소 이온의 농도를 결정할 수 있는바, 이하 상술할 실시예에서는 표적 물질을 염소 이온으로 하여 설명하도록 한다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라 시료와 시약을 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 염소 이온의 농도 측정을 위해 효소와 기질을 이용할 수 있다. 염소 이온을 포함하는 시료에 포획 물질, 효소 및 기질을 포함하는 시약(reagent)을 첨가하면, 도 3에 도시된 바와 같이 포획 물질이 시료 내에 포함된 염소 이온 중 일부와 바인딩하고, 포획 물질과 바인딩되지 않은 염소 이온은 효소를 활성화시킨다.
그리고, 활성화된 효소는 기질을 분해하여 광학적 특성을 변화시킨다. 포획 물질과의 바인딩에 의해, 시료에 포함된 염소 이온 중 일부가 효소의 활성화에 참여하지 않으므로, 시료가 희석된 것과 같은 효과를 얻을 수 있고 이로 인해 염소 이온의 다이나믹 레인지에서 농도 간 구별력이 향상되는 것이다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라 우레아를 포함하는 시약과 시료를 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 따라, 우레아를 포함하는 시약과 시료를 혼합하였을 때 일어나는 반응을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
염소 이온과 바인딩될 수 있는 포획 물질로 아민기를 가진 화합물을 사용할 수 있는바, 예를 들어 우레아(urea) 또는 티오 우레아(thiourea)를 사용할 수 있다. 우레아는 CO(NH2)2의 화학식을 가지며, 티오 우레아는 우레아의 산소가 황으로 치환된 CS(NH2)2의 화학식을 갖는다. 도 4 및 도 5에서는 우레아를 포획 물질로 하고, 효소는 α-아밀라아제로, 기질은 CNPG3로 하여 설명한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 시료와 시약이 혼합되면 우레아가 시료 중에 존재하는 일정량의 염소 이온을 포획한다(21). 염소 이온의 포획은 우레아의 아민(amine)기(-NH2)와 염소 이온이 바인딩함으로써 이루어지는바, 시약에 포함된 우레아의 양에 따라 바인딩되는 염소 이온의 양이 달라진다.
구체적으로, 우레아가 가진 아민기 내에서 강한 전기 음성도를 갖는 질소(N) 쪽으로 수소(H)의 전자가 끌리면서 수소는 전기적으로 +를 띄게 되고, -전하를 가진 염소 이온이 +를 띄는 수소에 접근하여 도 4에 도시된 바와 같이 수소 결합(hydrogen bond)을 형성한다. 즉, 이 수소 결합에 의해 염소 이온이 포획된다.
우레아와 바인딩된 염소 이온은 α-아밀라아제의 활성화에 참여하지 않고, 포획되지 않은 염소 이온만이 α-아밀라아제를 활성화시킨다(22).
활성화된 α-아밀라아제가 CNPG3를 가수분해하여 CNP가 생성되는바(23), CNPG3가 가수분해되어 CNP 및 G3를 생성하는 반응 매커니즘은 앞서 설명한 바와 같다.
CNP가 발색되므로(24), 상기 도 2의 순서도에서 설명한 바와 같이 기질의 분해에 의해 나타나는 광학적 특성을 측정함으로써(30), 표적 물질인 염소 이온의 농도를 결정할 수 있게 된다(50).
일정량의 우레아를 시료와 혼합하면, 시료에 존재하는 염소 이온의 양이 얼마이던지 간에 일정한 양의 염소 이온이 우레아에 의해 바인딩된다. 따라서, 우레아와 염소 이온의 바인딩 비율 즉, 우레아 한 분자 당 바인딩되는 염소 이온의 양과 우레아의 양을 알면, 우레아에 의해 바인딩되어 α-아밀라아제의 활성화에 참여하지 않은 염소 이온의 양을 알 수 있고, 시료에 존재하는 염소 이온의 농도를 결정할 수 있다.
한편, 티오 우레아 역시 전술한 바와 같은 원리로 염소 이온을 포획하여 시료의 희석 효과를 얻는데 사용될 수 있다.
염소 이온과 바인딩하는 포획 물질의 다른 예로서, 아래 [구조식 1]로 표현되는 ACES(N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid) 버퍼 또는 아래 [구조식 2]로 표현되는 ADA(2-[(2-amino-2-oxoethyl)-(carboxymethyl)amino]acetic acid) 버퍼를 사용하는 것도 가능하다.
[구조식 1]
Figure pat00001
[구조식 2]
Figure pat00002

상기 [구조식 1]과 [구조식 2]에 표시된 바와 같이 ACES 버퍼와 ADA 버퍼는 아민기를 포함하는바, 시료와 혼합되는 시약에 포획 물질로서 ACES 버퍼 또는 ADA 버퍼가 포함되면 ACES 버퍼 또는 ADA 버퍼의 아민기가 시료 중의 염소 이온과 바인딩하여 시료의 희석 효과를 얻을 수 있게 된다.
ACES 버퍼와 ADA 버퍼가 염소 이온을 포획하는 매커니즘은 앞서 설명한 우레아가 염소 이온을 포획하는 매커니즘과 같다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 시료 검사방법에 따라 티오 우레아를 첨가하여 측정된 흡광도 그래프이고,도 7은 티오 우레아를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 측정된 흡광도를 비교한 그래프이다.
도 6 및 도 7에 나타난 흡광도는, 전술한 실시예에 따라 염소 이온을 포함하는 시료에 포획 물질, α-아밀라아제 및 CNPG3를 첨가하여 측정된 것이고, 여기서는 포획 물질로 400mM의 티오 우레아를 사용하였다.
도 6을 참조하면, 시료에 400mM의 티오 우레아를 첨가하여 염소 이온을 바인딩한 경우, 다이나믹 레인지인 80-135mM의 농도 구간에서 나타나는 흡광도가 약 0.37 내지 0.045의 범위에서 변화되어 농도 별 구별력이 향상된 것을 알 수 있다.
포획 물질이 첨가되지 않은 경우와 더 명확하게 비교하기 위해 도 7의 그래프를 참조하면, 400mM의 티오 우레아가 첨가된 경우의 흡광도가 티오 우레아가 첨가되지 않은 경우의 흡광도보다 다이나믹 레인지에서 더 큰 기울기를 형성하는 것을 알 수 있다. 따라서, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 시료 검사방법에 의하면, 시료를 희석하는 별도의 스텝 없이도 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 보다 정확하게 결정할 수 있다.
이하 개시된 발명의 일 측면에 따른 미세유동장치에 관한 실시예를 설명한다. 개시된 발명의 일 측면에 따른 미세유동장치는 전술한 실시예에 따른 시료 검사방법을 수행하는데 사용될 수 있다.
도 8은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치의 외관도이고, 도 9는 도 8에 도시된 미세유동장치의 검사부의 구조를 나타낸 분해 사시도이다.
도 8을 참조하면, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치(100)는 하우징(110)과, 시료와 시약이 만나 반응이 일어나는 검사부(120)를 포함한다.
하우징(110)은 검사부(120)를 지지하는 것과 동시에 사용자가 미세유동장치(100)를 잡을 수 있도록 한다. 하우징(110)은 성형이 용이하고 화학적, 생물학적으로 비활성인 재질로 형성될 수 있다.
예를 들어, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등의 아크릴, 폴리다이메틸실록산(PDMS) 등의 폴리 실록산, 폴리카보네이트(PC), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸열(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 초저밀도 폴리에틸렌(VLDPE), 폴리프로필렌(PP), 아크릴로니트릴 뷰타디엔 스티렌(ABS), 사이클로 올레핀 공중합체(COC) 등의 플라스틱 소재, 유리, 운모, 실리카, 반도체 웨이퍼 등의 다양한 재료가 하우징(110)의 재료로 사용될 수 있다.
하우징(110)에는 시료가 공급되는 시료 공급부(111)가 구비된다. 미세유동장치(100)에 공급되는 시료의 예로서 혈액, 조직액, 림프액을 포함하는 체액, 소변 등의 생체 시료나 수질 관리, 토양 관리 등을 위한 환경 시료를 들 수 있고, 검출 대상이 되는 표적 물질은 상기 시료에 존재하는 염소 이온일 수 있다.
검사부(120)는 하우징(110)의 유체 공급부(111) 측 하부에 접합되거나 하우징(110)에 형성된 소정의 홈에 끼워지는 방식으로 하우징(110)과 결합될 수 있다.
시료 공급부(111)을 통해 공급된 시료는 검사부(120)에 마련된 시료 주입구(121)를 통해 검사부(120)의 내부로 유입되는바, 도면에 도시되지는 않았으나 시료 공급부(111)와 시료 주입구(121) 사이에는 필터가 배치되어 시료 공급부(111)를 통해 공급된 시료를 필터링할 수 있다. 필터는 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에틸렌(PE), 폴리술폰(PS), 폴리아릴술폰(PASF) 등의 다공성 고분자 멤브레인일 수 있다.
예를 들어, 시료로서 혈액을 공급하는 경우, 혈액이 필터를 통과하면서 혈구는 걸러지고 혈장 또는 혈청만 검사부(120)의 내부로 유입될 수 있다.
도 9를 참조하면, 검사부(120)는 세 개의 판(120a,120b)이 접합된 구조로 형성될 수 있다. 세 개의 판은 상판(120a), 하판(120b) 및 중간판(120c)으로 나뉠 수 있으며, 상판(120a)과 하판(120b)은 차광잉크를 인쇄하여 시약 챔버(125)로 이동 중인 시료를 외부의 빛으로부터 보호할 수 있다.
상판(120a)과 하판(120b)은 필름 형태로 형성될 수 있고, 상판(120a)과 하판(120b)을 형성하는데 사용되는 필름은 초저밀도 폴리에틸렌(VLDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 중밀도 폴리에틸렌(MDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 등의 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌(PP) 필름, 폴리염화비닐(PVC) 필름, 폴리비닐 알코올(PVA) 필름, 폴리스틸렌(PS) 필름 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 중에서 선택된 하나일 수 있다.
검사부(120)의 중간판(120c)은 셀룰로오즈 등의 다공질 시트로 형성되어 그 자체로서 벤트(vent)의 역할을 할 수 있으며, 다공질 시트를 소수성을 갖는 물질로 만들거나 다공질 시트에 소수성 처리를 하여 시료의 이동에는 영향을 주지 않도록 할 수 있다.
검사부(120)에는 시료 주입구(121), 유입된 시료가 이동하는 채널(122) 및 시료와 시약의 반응이 일어나는 시약 챔버(125)가 형성된다. 도 9에 도시된 바와 같이 검사부(120)가 3중층 구조로 형성되는 경우, 상판(120a)에는 시료 주입구(121)를 이루는 상판 홀(121a)이 형성되고 시약 챔버(125)에 대응되는 부분(125a)은 투명하게 처리될 수 있다.
또한, 하판(120b) 역시 시약 챔버(125)에 대응되는 부분(125b)이 투명하게 처리될 수 있는바, 시약 챔버(125)에 대응되는 부분(125a,125b)을 투명하게 처리하는 것은 시약 챔버(125) 내에서 일어나는 반응에 의한 광학적 특성을 측정하기 위한 것이다.
중간판(120c)에도 시료 주입구(121)를 이루는 중간판 홀(121c)이 형성되며, 상판(120a), 중간판(120c) 및 하판(120b)이 접합되면 상판 홀(121a)과 중간판 홀(121c)이 겹쳐지면서 검사부(120)의 시료 주입구(121)를 형성하게 된다.
중간판(120c)의 영역 중에서 중간판 홀(121c)의 반대측 영역에 시약 챔버(125)가 형성되는바, 중간판(120c)의 영역 중 시약 챔버(125)에 대응되는 영역을 원형, 사각형 등의 일정 형상으로 제거하고 상판(120a), 중간판(120b) 및 하판(120c)을 접합함으로써 시약 챔버(125)를 형성할 수 있다.
또한, 중간판(120c)에 1μm 내지 500μm의 폭을 갖는 채널(122)이 형성되어, 시료 주입구(121)를 통해 유입된 시료가 채널(122)의 모세관력에 의해 시약 챔버(125)까지 이동하도록 할 수 있다. 다만, 상기 채널(122)의 폭은 미세유동장치(100)에 적용될 수 있는 일 예시에 불과하며, 개시된 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
시약 챔버(125)에는 표적 물질의 검출에 사용되는 시약이 미리 수용될 수 있다. 표적 물질이 염소 이온인 경우, 염소 이온과 바인딩하는 아민기를 포함하는 포획 물질과 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 달라지는 시약이 수용될 수 있다. 구체적인 예로서, 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 달라지는 시약으로는 염소 이온에 의해 활성화되는 효소인 α-아밀라아제 및 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질인 CNPG3가 사용될 수 있고, 아민기를 포함하는 포획 물질로는 우레아, 티오 우레아, ACE 버퍼 또는 ADA 버퍼가 사용될 수 있다.
시약을 미리 수용하는 일 예로서, 액상으로 존재하는 시약을 상판(120a)의 시약 챔버에 대응되는 부분(125a) 또는 하판(120b)의 시약 챔버에 대응되는 부분(125b)에 묻혀 건조시킨 후에 상판(120a), 하판(120b) 및 중간판(120c)을 접합함으로써 건조 시약의 형태로 수용할 수 있다.
한편, 시약은 한 종류 또는 두 종류 이상으로 이루어질 수 있다. 포획 물질, 효소 및 기질을 모두 포함하는 한 종류의 시약을 시약 챔버(125)에 수용하는 것도 가능하고, 포획 물질을 포함하는 시약과 포획 물질을 포함하지 않는 시약을 각각 시약 챔버(224)에 수용하는 것도 가능하다. 효소와 기질은 포획 물질을 포함하는 시약과 포획 물질을 포함하지 않는 시약 중 적어도 하나에 포함될 수 있다. 개시된 발명의 실시예는 시약의 종류나 개수에는 제한이 없으며, 시약 챔버(125)에 포획 물질, 효소 및 기질이 수용되기만 하면 된다.
미세유동장치(100)의 시료 공급부(111)에 염소 이온을 포함하는 시료를 공급하면, 공급된 시료가 시료 주입구(121)를 통해 검사부(120) 내부로 유입되고, 유입된 시료는 채널(122)을 따라 시약 챔버(125)로 이동한다.
시료는 시약 챔버(125) 내에서 일정량의 포획 물질, α-아밀라아제 및 CNPG3와 혼합되고, 상기 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 일정량의 포획 물질이 시료에 존재하는 일정량의 염소 이온을 바인딩하면 바인딩되지 않은 염소 이온이 α-아밀라아제를 활성화시키고, 활성화된 α-아밀라아제는 CNPG3를 가수분해하여 CNP를 생성한다.
도 10은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 미세유동장치에서의 검사 결과를 측정할 수 있는 검사 장치의 외관도이다.
검사 장치(300)는 환경 시료, 바이오 시료, 식품 시료 등 다양한 종류의 시료를 검사하는데 사용될 수 있는 소형화 및 자동화된 장치이다. 특히, 인체로부터 채취한 바이오 샘플을 검사하는 체외 진단에 사용될 경우, 검사실 외에도 환자, 의사, 간호사, 임상 병리사 등의 사용자에 의해 가정, 직장, 외래진료실, 병실, 응급실, 수술실, 중환자실 등의 장소에서 체외 진단을 신속하게 수행할 수 있게 된다.
도 10을 참조하면, 검사 장치(300)에는 미세유동장치(100)가 장착되는 공간인 장착부(303)가 마련되며, 장착부(303)의 도어(302)를 상측으로 슬라이딩하여 개방하면 미세유동장치(100)를 검사장치(300)에 장착할 수 있는바, 구체적인 예로서 미세유동장치(100)의 검사부(120)가 장착부(303)에 마련된 소정의 삽입홈(304)에 삽입될 수 있다.
검사부(120)는 본체(307) 내부로 삽입되고, 하우징(110)은 검사 장치(300)의 외부로 노출되어 지지대(306)에 의해 지지될 수 있다. 그리고, 가압부(305)가 시료 공급부(111)를 가압하면 시료가 검사부(120)의 내부로 유입되는 것을 촉진할 수 있다.
미세유동장치(100)의 장착이 완료되면, 도어(302)를 폐쇄하고 검사를 시작한다. 도면에 도시되지는 않았으나, 본체(307) 내부에는 발광부와 수광부를 포함하는 검출기가 구비된다. 검출기는 시약 챔버(125)에 특정 파장의 광을 조사하고, 시약 챔버(125)를 투과하거나 시약 챔버(125)로부터 반사되는 광을 검출한다. 조사되는 광의 파장은 표적 물질의 농도에 따라 그 광학적 특성이 달라지는 물질의 종류에 의해 결정될 수 있다.
검사 장치(300)는 검출기에서 출력되는 신호로부터 흡광도, 투과도, 발광도, 반사도와 같은 광학적 특성을 나타내는 광학적 특성 데이터를 산출할 수 있고, 전술한 바와 같이 산출된 광학적 특성 데이터를 이용하여 시료에 존재하는 염소 이온의 농도를 결정할 수 있다.
예를 들어, 검출기에서 출력되는 신호로부터 흡광도 데이터를 산출할 수 있고, 흡광도 데이터는 시간에 따른 흡광도 변화를 나타낸다. 그리고, 미리 저장된 흡광도와 표적 물질의 농도에 관한 정보를 이용하여 표적 물질의 농도를 결정할 수 있다. 일 예로, 흡광도와 표적 물질의 농도에 관한 정보는 캘리브레이션 곡선의 형태로 저장될 수 있다.
미세유동장치(100) 내에서 우레아, 티오 우레아, ACE 버퍼 또는 ADA 버퍼와 같은 포획 물질이 시료에 존재하는 일정량의 염소 이온을 바인딩하였기 때문에 상기 도 6에 도시된 바와 같이 다이나믹 레이지의 농도 구간에서도 향상된 농도 구별력을 확보할 수 있다.
검사장치(300)에서 염소 이온의 농도를 결정하면, 디스플레이(301)에 그 결과가 표시된다.
도 11은 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 미세유동장치를 위에서 내려다 본 평면도이고, 도 12는 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 미세유동장치에서의 검사 결과를 측정하는 검사 장치의 외관도이다.
도 11을 참조하면, 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 미세유동장치(200)는 회전 가능한 플랫폼(210)과 플랫폼(210)에 형성된 미세유동구조물들로 이루어질 수 있다. 미세유동구조물은 시료나 시약을 수용하는 복수의 챔버와 이들 챔버를 연결하는 채널을 포함할 수 있다. 미세유동구조물은 미세유동장치(200)의 내부에 형성되나, 당해 실시예에서는 미세유동장치(200)가 투명한 재질로 이루어지는 것으로 가정하여 도 11에 도시된 바와 같이 미세유동장치(200)를 위에서 내려다보면 그 내부에 형성된 미세유동구조물들을 볼 수 있는 것으로 한다.
플랫폼(210)은 성형이 용이하고 그 표면이 생물학적으로 비활성인 물질로 이루어질 수 있는바, 아크릴(PMMA), 폴리다이메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리플로필렌(PP), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌(PE) 등의 플라스틱 소재, 유리, 운모, 실리카, 실리콘 웨이퍼 등의 다양한 물질로 만들어질 수 있다.
다만, 개시된 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 화학적, 생물학적 안정성 및 기계적 가공성을 가지는 소재이면 어느 것이든 플랫폼(210)의 재료가 될 수 있고, 미세유동장치(200) 내의 검사 결과를 광학적으로 분석하는 경우에는 플랫폼(210)이 광학적 투명성을 더 갖는 것으로 할 수 있다.
미세유동장치(200)는 회전에 의한 원심력을 이용하여 미세유동구조물 내의 물질을 이동시킬 수 있다. 도 11의 예시에서는 원판 형상의 디스크형 플랫폼(210)을 도시하였으나, 개시된 발명의 실시예에 적용되는 플랫폼(210)은 온전한 원판 형상뿐만 아니라 부채꼴 등의 형상일 수도 있고, 회전할 수만 있으면 다각형의 형상도 가능하다.
개시된 발명의 실시예에서 미세유동구조물이란 특정 형태의 구조물을 지칭하는 것이 아니라, 플랫폼(210) 상에 형성된 챔버나 채널과 같은 구조물을 포괄적으로 지칭하며, 필요에 따라 특정 기능을 수행하는 물질까지 포괄적으로 지칭할 수 있는 것으로 한다. 미세유동구조물은 배치 상의 특징이나 수용되는 물질의 종류에 따라 각기 다른 기능을 수행할 수 있다.
플랫폼(210)에는 시료 주입구(221a), 시료 주입구(221a)를 통해 주입된 시료를 수용하였다가 다른 챔버로 공급하는 시료 공급 챔버(221), 시약과 시료의 반응이 일어나는 시약 챔버(224) 및 시료 공급 챔버(221)에 수용된 시료를 시약 챔버(224)로 분배하는 분배 채널(224)을 포함한다. 또한, 도면에는 도시되지 않았으나 혈액을 시료로 하는 경우에는 미세유동장치(200)에 혈액의 원심분리를 위한 미세유동구조물이 더 마련되는 것도 가능하다.
도 11의 예시와 같이 시약 챔버(224)가 복수 개 구비되는 경우에는, 분배 채널(224)로부터 복수의 분기 채널(225)이 분기되어 분배 채널(224)과 각각의 시약 챔버(224)를 연결할 수 있다.
시약 챔버(224)에는 표적 물질을 바인딩하는 포획 물질, 표적 물질에 의해 활성화되는 효소 및 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.
전술한 실시예에서와 마찬가지로 표적 물질이 염소 이온인 경우, 염소 이온과 바인딩하는 아민기를 포함하는 포획 물질과 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변하는 시약이 수용될 수 있다. 구체적인 예로서, 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 달라지는 시약으로는 염소 이온에 의해 활성화되는 효소인 α-아밀라아제 및 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질인 CNPG3가 사용될 수 있고, 아민기를 포함하는 포획 물질로는 우레아, 티오 우레아, ACE 버퍼 또는 ADA 버퍼가 사용될 수 있다.
플랫폼(210)은 복수 층의 판으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 플랫폼(210)이 상판과 하판의 두 개의 판으로 이루어지는 경우, 상판과 하판이 맞닿는 면에 챔버나 채널 등의 미세유동 구조물에 해당하는 음각 구조물을 형성하고, 상기 두 판을 접합함으로써 플랫폼(210) 내부에 유체를 수용할 수 있는 공간과 유체가 이동할 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 판과 판의 접합은 접착제 또는 양면 접착 테이프를 이용한 접착이나 초음파 융착, 레이저 용접 등 다양한 방법으로 이루어질 수 있다.
따라서, 시약을 시약 챔버(224)에 수용하기 위해, 플랫폼(210)의 상판 또는 하판 중 시약 챔버(224)에 대응되는 음각 구조물이 형성된 부분에 포획 물질, 효소 및 기질을 포함하는 시약을 수용하고 상판과 하판을 접합할 수 있다. 상판과 하판을 접합하기 전에, 수용된 시약을 건조시키는 것도 가능하다.
한편, 시약은 한 종류 또는 두 종류 이상으로 이루어질 수 있다. 포획 물질, 효소 및 기질을 모두 포함하는 한 종류의 시약을 시약 챔버(224)에 수용하는 것도 가능하고, 포획 물질을 포함하는 시약과 포획 물질을 포함하지 않는 시약을 각각 시약 챔버(224)에 수용하는 것도 가능하다. 효소와 기질은 포획 물질을 포함하는 시약과 포획 물질을 포함하지 않는 시약 중 적어도 하나에 포함될 수 있다. 개시된 발명의 실시예는 시약의 종류나 개수에는 제한이 없으며, 시약 챔버(224)에 포획 물질, 효소 및 기질이 수용되기만 하면 된다.
도 11의 예시에서는 시약이 수용되어 있는 시약 챔버(224)에서 시료와 시약의 반응이 일어나는 것으로 하였으나, 미세유동장치(200)에 시약과 시료가 이동하여 반응이 일어나는 별도의 챔버가 마련되는 것도 가능하다. 또한, 포획 물질, 효소 및 기질이 하나의 시약 챔버(224)에 수용되지 않고 이들 중 적어도 하나가 시약 챔버(224)에 수용되었다가, 검사 진행 시에 시료와 시약의 반응이 일어나는 챔버로 이동하는 것도 가능하다.
구체적인 검사 과정을 설명하면, 미세유동장치(200)의 시료 주입구(221a)를 통해 염소 이온을 포함하는 시료를 시료 수용 챔버(221)에 주입하고, 도 12에 도시된 바와 같이 검사장치(400)의 트레이(402)에 미세유동장치(200)를 안착시킨다. 안착된 미세유동장치(200)는 트레이(402)와 함께 검사장치(400)의 본체(407) 내부로 삽입된다. 미세유동장치(200)가 삽입되면, 검사장치(400)는 삽입된 미세유동장치의 종류 또는 검사의 종류에 따라 정해진 시퀀스에 따라 미세유동장치(200)를 회전시키고, 시료 수용 챔버(221)에 주입된 시료는 원심력에 의해 회전 중심(C)에서 멀어지는 방향으로 이동한다.
시약 챔버(224)의 입구, 시료 공급 챔버(221)의 출구, 분배 채널(223)의 일 지점, 또는 분기 채널(225)의 일 지점에는 밸브가 마련될 수 있는바, 밸브가 개방되면 시료는 시약 챔버(224)로 유입되고, 시약 챔버(224)에서 일정량의 포획 물질, α-아밀라아제 및 CNPG3와 혼합된다. 시료에 존재하는 염소 이온 중 일정량은 포획 물질과 바인딩되고, 나머지 염소 이온은 α-아밀라아제를 활성화시킨다. 활성화된 α-아밀라아제는 CNPG3를 가수분해하여 CNP를 생성한다.
본체(407) 내부에는 발광부와 수광부를 포함하는 검출기가 구비되며, 검출기는 미세유동장치(200)의 시약 챔버(224)에 광을 조사하고, 시약 챔버(125)를 투과하거나 시약 챔버(125)로부터 반사되는 광을 검출한다.
검출기에서 출력되는 신호로부터 흡광도, 투과도, 발광도, 반사도와 같은 광학적 특성을 나타내는 광학적 특성 데이터를 산출할 수 있는바, 전술한 바와 같이 산출된 광학적 특성 데이터를 이용하여 시료에 존재하는 염소 이온의 농도를 결정할 수 있다. 미세유동장치(100) 내에서 아민기를 포함하는 포획 물질이 시료 내의 일정량의 염소 이온을 바인딩하였기 때문에 상기 도 6에 도시된 바와 같이 다이나믹 레이지의 농도 구간에서도 향상된 농도 구별력을 확보할 수 있다.
지금까지 상술한 실시예에 의하면, 시료에 포함된 염소 이온을 바인딩하는 포획 물질을 이용함으로써 시료의 희석을 위한 별도의 스텝이나 구조물 없이도 다이나믹 레인지에서의 농도 구별력을 향상시킬 수 있다.
100, 200 : 미세유동장치 125, 224 : 시약 챔버
300, 400 : 검사장치

Claims (19)

  1. 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 시료 검사 방법에 있어서,
    상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변화되는 시약 및 상기 시료에 포함된 염소 이온 중 일부를 포획하는 포획 물질을 상기 시료에 첨가하고;
    상기 광학적 특성을 측정하고;
    상기 측정된 광학적 특성으로부터 상기 시료에 포함된 염소 이온의 농도를 결정하는 것을 포함하는 시료 검사 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포획 물질은,
    아민기(-NH2)를 포함하는 화합물인 것으로 하는 시료 검사 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 포획 물질은,
    우레아(urea), 티오우레아(thio-urea), ACES(N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid) 버퍼 및 ADA(2-[(2-amino-2-oxoethyl)-(carboxymethyl)amino]acetic acid) 버퍼를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것으로 하는 시료 검사 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 포획 물질의 아민기가 상기 염소 이온과 바인딩하는 시료 검사 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 시약은,
    염소 이온에 의해 활성화되는 효소 및 상기 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질을 포함하는 시료 검사 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 효소는,
    상기 포획 물질에 의해 바인딩되지 않은 염소 이온에 의해 활성화되는 시료 검사 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 효소는,
    α-아밀라아제를 포함하는 시료 검사 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기질은,
    CNPG3(2-Chloro-4-nitrophenyl-alpha-maltotrioside)를 포함하는 시료 검사 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 CNPG3는,
    상기 α-아밀라아제에 의해 가수분해되어 CNP(2-Chloro-4-nitrophenol) 및 G3를 생성하는 시료 검사 방법.
  10. 시료에 포함된 염소 이온의 농도에 따라 광학적 특성이 변화되는 시약 및 상기 시료에 포함된 염소 이온 중 일부를 포획하는 포획 물질을 수용하는 적어도 하나의 챔버; 및
    상기 시료가 주입되는 시료 주입구를 포함하는 미세유동장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 포획 물질은,
    아민기(-NH2)를 포함하는 화합물인 것으로 하는 미세유동장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 포획 물질은,
    우레아(urea), 티오우레아(thio-urea), ACES(N-(2-Acetamido)-2-aminoethanesulfonic acid) 버퍼 및 ADA(2-[(2-amino-2-oxoethyl)-(carboxymethyl)amino]acetic acid) 버퍼를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 것으로 하는 미세유동장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 포획 물질의 아민기가 상기 염소 이온과 바인딩하는 미세유동장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 시약은,
    염소 이온에 의해 활성화되는 효소 및 상기 활성화된 효소에 의해 분해되는 기질을 포함하는 시료 검사 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 효소는,
    상기 포획 물질에 의해 바인딩되지 않은 염소 이온에 의해 활성화되는 시료 검사 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 효소, 상기 기질 및 상기 포획 물질은 상기 적어도 하나의 챔버 중 하나에 함께 수용되는 미세유동장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 효소, 상기 기질 및 상기 포획 물질이 수용된 챔버와 상기 시료 주입구를 연결하는 채널을 더 포함하는 미세유동장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 효소는,
    α-아밀라아제를 포함하는 미세유동장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 기질은,
    CNPG3(2-Chloro-4-nitrophenyl-alpha-maltotrioside)를 포함하는 미세유동장치.
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