KR20180033712A - 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 포함하는 입자 분리 장치 - Google Patents

유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 포함하는 입자 분리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입자 분리 전극 및 그를 이용한 입자 분리 장치에 관한 것으로서,본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전기삼투 전극; 상기 제 1 전기삼투 전극의 길이 방향 양 측에 이격 배치되는 제 2 전기삼투 전극; 및 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극 사이에, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극과 이격 배치되는 유전영동 전극;을 포함하는, 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극을 제공하고,본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징의 일 측면에 형성되는 유입부; 상기 하우징의 반대 측면에 형성되는 유출부; 및 상기 하우징의 하면에 형성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극;을 포함하는 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치가 제공된다.

Description

유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 포함하는 입자 분리 장치{ELECTRODE FOR SEPARATING PARTICLES BASED ON DIELECTROPHORESIS AND ELECTROOSMOSIS, AND AN APPARATUS FOR SEPARATING PARTICLES INCLUDING THE SAME}
본 발명은 입자 분리 전극 및 그를 이용한 입자 분리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유전영동 및 전기삼투를 이용하여 효과적으로 입자를 분리, 채집할 수 있는 전극 구조 및 이를 포함하는 입자 분리 장치를 제공하는 것이다.
분자 생물학, 약물 검사와 진단 그리고 세포 대체 치료법(CRT)에서 살아있는 바이오 입자의 분석 및 분리는 필수적이다. 바이오 입자, 특히 세포를 분리함에 있어서 지금까지의 세포 분리 방법인 FACS(fluorescence-activated cell sorter)와 MACS(magnetic-activated cell sorter)는 대상세포를 분리하기 위해 표식자 (immumo-labeling)를 사용하고 많은 양의 샘플을 필요로 해 왔다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에 유전영동(Dielectrophoresis, DEP)을 이용한 입자 분리 장치에 관한 연구가 선진국을 중심으로 활발히 연구 중이다.
유전영동 방법은 이질성의 입자 혼합물에서 타겟 입자를 분리하는 주요 기술로 알려져 있다. 유전영동 방법은 물질 종을 조작 및 분리하기 위하여 매우 효율적인 방법이다. 일반적으로, 유전영동은 불균일한 전기장 내에서 유전체 입자(Dielectric Particle)가 유도 쌍극자를 띄고, 이로 인해 발생하는 힘을 이용하여 유전체 입자를 이동시키는 방법이다. 상기 유전영동은 유체 내부의 고체 입자를 자유자재로 제어하는 방법으로, 유전영동에 의한 입자의 이동은 인가된 교류 전압의 주파수, 유체의 종류, 고체 입자의 종류에 따라 변경되며, 전기장이 약한 방향으로 이동하는 음(Negative, -)의 유전영동 현상과, 전기장이 강한 방향으로 입자가 이동하는 양(Positive, +)의 유전영동으로 이루어진다.
이 기술은 주로 세포, 세포 기관 및 기타 바이오 입자에 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 전기장에서는 입자 분극이 주파수 의존적이어서, 유도되는 힘 및 그에 따른 입자의 이동이 조정될 수 있다. 이 때, 유도되는 힘을 변화시킴으로써 입자는 종래 유전영동에 의하여 가까워지거나 반발할 수 있고, 또는 진행파 유전영동에 의하여 양방향으로 이동될 수 있다. 유전영동의 주요한 장점은 가동력 및 그에 따른 이동 형태가 단일 전기장에 의하여 조절될 수 있다는 것이다.
그러나, 종래의 유전영동을 이용한 입자 분리 장치는 그 효과가 미치는 범위가 전극으로부터 근거리로 제한되는 문제가 존재하였다. 그리고 기존의 유전영동을 이용한 입자 분리 장치들은 주로 일자형 평면 전극(interdigitated electrodes, IDE)을 형성하여 구동되었다.
도 1은, 일자형 평면 전극(interdigitated electrodes, IDE)을 이용한 기존의 입자 분리 장치의 구조 및 입자가 분리 채집되는 과정을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 1(a)는, 일자형 평면 전극을 이용한 기존의 입자 분리 장치의 사시도이다. 도 1(a)를 보면, 기판(120) 위에 두 개의 전극 접촉 패드(110)로부터 연장되어 형성된 일자형 평면 전극(140)이 형성되고 그 평면 전극 위로 유체의 유입부(132)와 유출부(134)를 포함하는 유전영동 채널(150)이 형성된다.
도 1(b)는, 일자형 평면 전극을 이용하여 입자가 분리 채집되는 과정을 도시한 개략도이다. 이러한 일자형 평면 전극(140)을 이용한 기존의 입자 분리 장치는, 전극에 인접한 낮은 높이의 입자만을 분리할 수 있었고, 전극으로부터 거리가 있는 높은 부분의 입자들 까지는 상대적으로 유전영동이 미치지 못하는 문제가 있었다. 때문에, 원거리의 입자를 별도의 집진장치 등을 이용하여 전극 주변으로 끌어와야 하는 명확한 한계가 존재하고 있었다. 또한, 전극의 일부에만 그 입자가 집중적으로 채집되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유전영동 및 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 이용한 입자 분리 장치를 제공함으로써 별도의 장치를 구비함 없이, 주어진 전압 대비 높은 채집 효율로서 신속하고 정밀하게 입자를 채집, 분리할 수 있는 입자 분리 전극 및 입자 분리 장치를 제공하기 위한 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전기삼투 전극; 상기 제 1 전기삼투 전극의 길이 방향 양 측에 이격 배치되는 제 2 전기삼투 전극; 및 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극 사이에, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극과 이격 배치되는 유전영동 전극;을 포함하는, 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극과 일정한 간격을 가지고 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 길이 방향을 따라 연장되는 것이고, 상기 제 1 전기삼투 전극, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은, 상호, 평행하게 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 양 측의, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극을 중심으로 각각 반대 쪽의 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극과 대칭인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극과 상기 제 2 전기삼투 전극의 이격 간격은 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 1 유전영동 전극 및 상기 제 2 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 2 유전영동 전극을 포함하고, 상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극은 평행하게 분리 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극의 이격 간격은 2 ㎛ 내지 300 ㎛ 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 너비는, 상기 제 1 유전영동 전극 및 상기 제 2 유전영동 전극 너비 평균의 2 배 내지 10 배인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징의 일 측면에 형성되는 유입부; 상기 하우징의 반대 측면에 형성되는 유출부; 및 상기 하우징의 하면에 형성되는 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 입자 분리 전극 중 어느 하나;를 포함하는 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 제 2 전기삼투 전극은 상기 유전영동 전극 상부의 하방 흐름, 상기 제 1 전기삼투 전극 중앙 상부 및 제 2 전기삼투 전극의 양 끝 부분 상부의 상승 흐름을 포함하는 너비 방향 순환 흐름을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치는, 상기 입자 분리 전극의 길이 방향 기준으로, 유입부 방향에서 유출부 방향으로 이동하는 압력 기반 유동(pressure-driven flow)을 포함하는 순환 흐름을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 전기삼투 전극에 인가되는 교류 전압은, 1 mVpp 내지 10 Vpp 이고, 상기 교류 전압의 주파수는, 10 Hz 내지 100 kHz 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전영동 전극은, 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극을 포함하고, 상기 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극에 인가되는 교류 전압은, 각각, 1 mVpp 내지 50 Vpp 이고, 상기 교류전압의 주파수는, 각각, 10 Hz 내지 100 MHz 인 것 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하우징은 용액 이동 채널을 포함하고, 상기 채널에 유입되는 용액 유량은 0.01 μl/min 내지 1000 μl/min 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극 및 이를 포함하는 입자 분리 장치는 전기삼투를 이용하여 소용돌이형 유체의 흐름을 발생시켜 입자 분리 전극 위로 원거리의 입자를 끌어당기고, 유전영동을 이용하여 끌어당겨진 입자를 분리, 채집하는 구성을 제공할 수 있다. 이러한 입자 분리 전극을 포함하는 입자 분리 장치는, 종래의 일자형 평면 전극을 이용한 입자 분리 장치에 비해 같은 조건에서도 훨씬 높은 분리 효율을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은, 일자형 평면 전극(interdigitated electrodes, IDE)을 이용한 기존의 입자 분리 장치의 구조 및 입자가 분리 채집되는 과정을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극의 구조를 위에서 바라본형태를 도시한 평면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극의 상부에 전기삼투에 의해 형성된 유체의 순환 흐름을 개략적으로 도시한 그림이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 장치 및 입자 분리 전극을 이용하여 대장균 입자의 분리 실험을 수행한 결과를 나타내는 입자 분리 전극의 사시도(도 4(a)) 및 평면도(도 4(b)) 이다.
도 5는, 비교예 (도 5(a)) 및 본 발명의 실시예(도 5(b)) 에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 대장균 입자의 분리 실험을 수행한 결과를 나타내는 그림이다.
도 6은, 비교예 (도 6(a) 내지 (c)) 및 본 발명의 실시예(도 6(d) 내지 (f))에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 동일한 조건에서 대장균 입자를 분리 채집한 뒤, DAPI 푸른색 형광 필터 이미지 사진을 찍고 흑백 반전시켜 그대로 도시한 그림이다.
도 7은, 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 동일한 조건에서 대장균 입자의 분리 채집 실험을 수행한 결과를 비교하는 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 분리 장치를 사용한 입자 분리 실험 과정에서, 교류 전압의 주파수에 따른 전기삼투 전극 끝에서의 미끄럼 속도를 측정한 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 분리 장치를 사용한 입자분리 실험 과정에서, 폴리스티렌(PS) 비드와 대장균의 주파수에 따른 CM 지수의 실수부를 계산한 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 측면에서는 유전영동 및 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극 및 이를 이용한 입자 분리 장치를 제공할 수 있다. 이러한 입자 분리 전극 및 장치는 전기수력학적 원리에 기반하여 입자가 포함된 유체에 유전영동 및 전기삼투로 인한 순환 흐름을 발생시킴으로써 효과적으로 입자의 분리 채집이 되도록 하는 효과가 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극의 구조를 위에서 바라본형태를 도시한 평면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 전기삼투 전극(212); 상기 제 1 전기삼투 전극의 길이 방향 양 측에 이격 배치되는 제 2 전기삼투 전극(214); 및 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극 사이에, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극과 이격 배치되는 유전영동 전극(222, 224);을 포함하는, 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극이 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따르는 입자 분리 전극은 평면 기판(220) 상에 형성될 수 있다. 상기 평면 기판은 전기적으로 절연될 수 있는 것으로 상기 평면 기판 상에 입자 분리 전극을 형성할 수 있는 것이라면 본 발명에서는 특별히 한정하지 아니한다. 상기 평면 기판은 실리콘을 포함하는 재질일 수 있다. 이 때, 제 1 전기삼투 전극을 중심으로, 양측에 유전영동 전극 및 제 2 전기삼투 전극이 순차적으로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 전기삼투 전극, 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극은 모두 각각 이격 배치되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극과 일정한 간격을 가지고 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 길이 방향을 따라 연장되는 것이고, 상기 제 1 전기삼투 전극, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은, 상호, 평행하게 형성되는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 길이 방향으로 연장되는 형태로 구성될 수 있고, 제 1 전기삼투 전극, 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극은 모두 서로 평행하게 배열되는 구조일 수도 있다. 이 때, 제 1 전기삼투 전극, 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극은 길이방향으로 길게 연장되어 각 전극의 길이가 너비보다 긴 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 양 측의, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극을 중심으로 각각 반대 쪽의 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극과 대칭인 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에서, 제 1 전기삼투 전극 양 측에 형성된 전극들은 각각이 서로 대칭인 형태일 수 있다. 즉, 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극을 기준으로 하여 반대편에 위치한 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극과 서로 대칭 구조인 것일 수 있다. 제 2 전기삼투 전극 및 유전영동 전극은 반대편에 위치한 각각의 전극과 서로 너비, 길이가 동일한 구조인 것일 수도 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극과 상기 제 2 전기삼투 전극의 이격 간격은 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 인 것일 수 있다. 이 때, 상기 너비 방향 이격 간격은, 제 1 전기 삼투 전극의 너비 방향 끝 부분에서 제 2 전기 삼투 전극의 인접한 너비 방향 끝 부분까지의 수직 거리를 의미한다. 전기삼투 전극을 너비 방향으로 이격 형성하는 것은, 전기삼투 유동을 일으켜 효과적인 유체의 흐름을 형성하기 위함이다. 즉, 상기 이격 간격이 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 범위를 벗어날 경우, 본 발명의 일 측면에서 의도하는 적절한 유속과 유량을 갖는 소용돌이(vortex) 형 유체의 흐름이 충분히 형성되지 않을 수 있다. 이러한 전기삼투 전극간의 거리는, 유전영동에 의한 작용과의 관계에서 수학적으로 계산된 값이며, 본 발명의 실시예에서 제공하는 실험에 의해 최종적으로 확인된 바람직한 이격 간격에 해당하는 것이다.
이와 같이 적절한 소용돌이 형 유체의 흐름이 형성될 경우, 이를 통해 본 발명의 일 측면에서 제공하는 입자 분리 전극 쪽으로 상대적으로 원거리에 있는 입자 까지도 끌어올 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 1 유전영동 전극(222) 및 상기 제 2 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 2 유전영동 전극(224)을 포함하고, 상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극은 평행하게 분리 형성되는 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르는 유전영동 전극은 분리 형성되는 복수 개 유전영동 전극으로 형성될 수 있다. 본 발명의 일 측면에서는 제 1 유전영동 전극과 제 2 유전영동 전극을 포함할 수 있다. 이 때, 제 1 및 제 2 유전영동 전극은 서로 이격 분리될 수 있고, 서로 평행하게 형성되는 것일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에서는 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극과 이격되어, 입자 분리 전극의 길이 방향 일 측 끝 부분에서 너비 방향으로 수직한 전극부를 각각 포함할 수 있다. 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극의 상기 수직한 전극부는 같은 쪽 끝에 형성될 수도 있고, 서로 반대 쪽 끝에 형성될 수도 있다. 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극의 상기 수직한 전극부는, 도 1의 제 2 유전영동 전극(224)의 수직한 전극부와 같이, 제 2 유전영동 전극의 평행한 두 전극과 모두 연결되도록 형성될 수도 있고, 제 1 유전영동 전극(222)의 수직한 전극부와 같이 제 1 유전영동 전극의 평행한 두 전극 각각과 연결되도록 형성될 수도 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따르는 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극은, 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극과의 관계에서, 전기삼투 유동의 유체 흐름을 방해하지 않는 구조라면, 다양한 형태로 디자인 될 수도 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극의 이격 간격은 2 ㎛ 내지 300 ㎛ 인 것일 수 있다. 이 때, 상기 너비 방향 이격 간격은, 제 1 유전영동 전극의 너비 방향 끝 부분에서 제 2 유전영동 전극의 인접한 너비 방향 끝 부분까지의 수직 거리를 의미한다. 상기 유전영동 전극의 너비 방향 이격 간격을 2 ㎛ 내지 300 ㎛ 로 형성함으로써, 입자의 분리 채집에 적절한 효과적인 세기의 유전영동을 발생시킬 수 있다. 이러한 유전영동 전극간의 거리는, 전기삼투에 의한 유동과의 관계에서 수학적으로 계산된 값이며, 본 발명의 실시예에서 제공하는 실험에 의해 최종적으로 확인된 바람직한 이격 간격에 해당하는 것이다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 너비는, 상기 제 1 유전영동 전극 및 상기 제 2 유전영동 전극 너비 평균의 2 배 내지 10 배인 것일 수 있다. 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 너비가 상기 유전영동 전극의 너비 대비 2 배 내지 10 배의 배율을 벗어날 경우, 본 발명의 일 측면에서 의도하는, 입자의 분리 채집을 위한 유전영동과 전기삼투간의 효과적인 상호작용이 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징의 일 측면에 형성되는 유입부; 상기 하우징의 반대 측면에 형성되는 유출부; 및 상기 하우징의 하면에 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 상기 입자 분리 전극 중 어느 하나; 를 포함하는 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치가 제공된다.
본 발명의 일 측면에서 제공하는 입자 분리 장치는, 상기 입자 분리 전극을 포함하는 것이다. 입자 분리 장치는 적어도 양 측면 및 하면을 포함하도록 구성되는 하우징을 포함하며, 하우징의 양 측면 중 일 측면에는 유입부가, 반대 측면에는 유출부가 형성될 수 있다. 이 때, 상기 하우징은 추가적으로 상면을 포함하여 케이스 형으로 형성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유입부 및 유출부와 연결되어 유체의 흐름이 형성되는 상기 하우징의 길이 방향의 채널을 포함할 수도 있다. 이 채널은 상기 하우징의 하면에 형성되는 것일 수 있다. 또한, 하우징 하면은 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 입자 분리 전극을 포함할 수 있다. 이 때, 입자 분리 전극은 입자 분리 전극의 길이 방향이 상기 하우징의 길이 방향이 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따라, 상기 하우징이 그 길이 방향의 채널을 포함할 경우, 채널에 흐르는 유체의 흐름은 하우징 하면에 형성된 입자 분리 전극 상에서 입자 분리 전극의 길이 방향을 따라 이동하는 것일 수 있다. 이를 통해 채널의 유체의 흐름이 입자 분리 전극의 길이 방향을 통과하는 동안, 입자 분리 전극과 유체 간에 충분한 표면 접촉 면적을 확보할 수 있다.
입자 분리 전극의 너비 또는 길이는 하우징의 너비 또는 길이보다 좁거나 작은 것일 수 있다. 이 때, 입자 분리 전극의 너비 및 길이가 하우징의 너비 및 길이보다 좁고 작은 경우, 입자 분리 전극은 하우징의 하면 중심부에 배치되는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 입자 분리 전극은 길이 방향으로 형성되는 채널의 가운데에 위치하도록 형성될 수 있다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극의 상부에 전기삼투에 의해 형성된 유체의 순환 흐름을 개략적으로 도시한 그림이다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 제 2 전기삼투 전극은 상기 유전영동 전극 상부의 하방 흐름, 상기 제 1 전기삼투 전극 중앙 상부 및 제 2 전기삼투 전극의 양 끝 부분 상부의 상승 흐름을 포함하는 너비 방향 순환 흐름을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전기삼투 현상을 발생시켜 유체의 순환 흐름을 형성하고, 상기 유체의 순환 흐름은 상기 입자 분리 전극의 너비 방향 기준으로, 상기 유전영동 전극의 상부에서 끌려 내려오고 상기 제 1 전기삼투 전극 중앙 상부 및 제 2 전기삼투 전극의 양 끝 부분 상부에서 밀어 올려지는 것일 수 있다. 또한, 유전영동 전극이 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극을 포함할 경우, 상기 유체의 순환 흐름은 제 1 유전영동 전극과 제 2 유전영동 전극 사이의 중앙 상부에서 끌려 내려오도록 형성될 수 있다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 입자 분리 전극의 너비 방향 기준으로, 제 1 전기삼투 전극의 중심을 기준으로 하여, 왼쪽에 두 개, 오른쪽에 두 개의 유체의 순환 흐름이 형성된 폐곡선이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면, 상기 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치는, 상기 입자 분리 전극의 길이 방향 기준으로, 유입부 방향에서 유출부 방향으로 이동하는 압력 기반 유동(pressure-driven flow)을 포함하는 순환 흐름을 형성하는 것일 수 있다.
상기 유체의 순환 흐름은 도 3의 y축 및 z축에 수직한 입자 분리 전극의 길이 방향(x축 방향) 기준으로 입자 분리 전극의 일 측에서 반대쪽 일 측으로 진행될 수 있다. 이 때, 유체의 순환 흐름은 x축 방향의 진행과 도 3의 yz축 단면에서의 폐곡선 모양이 합쳐져 소용돌이 모양으로 형성될 수 있다. 이 때, 유체의 순환 흐름은, 유입부에서 유출부 방향으로 이동하는 것일 수 있다. 이러한 x축 방향의 진행은 압력 기반 유동(pressure-driven flow)에 의한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기삼투 전극에 인가되는 교류 전압은 1 mVpp 내지 10 Vpp 이고, 주파수는 10 Hz 내지 100 kHz 인 것일 수 있다. 본 발명에서의 Vpp는 peak 에서 peak 까지(peak to peak)의 교류전압을 의미한다. 이 때, 상기 제 1 및 제 2 전기삼투 전극에 인가되는 교류 전압은, 1 mVpp 내지 10 Vpp 이고, 상기 교류 전압의 주파수는, 10 Hz 내지 100 kHz 인 것일 수 있다. 상기 주파수가 10 Hz 미만의 경우와 100 kHz 초과의 경우 모두 순환 대류 흐름이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유전영동 전극에 인가되는 교류 전압은 1 mVpp 내지 50 Vpp 이고, 주파수는 10 Hz 내지 100 MHz 인 것일 수 있다. 이 때, 상기 유전영동 전극은, 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극을 포함하고, 상기 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극에 인가되는 교류 전압은, 각각, 1 mVpp 내지 50 Vpp 이고, 상기 교류전압의 주파수는, 각각, 10 Hz 내지 100 MHz 인 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예인 도 2의 입자 분리 전극에 따르면, 제 1 전기삼투 전극(212) 양쪽에 분리 형성될 수 있는 제 1 유전영동 전극(222)의, 분리 형성된 각각의 전극에 인가되는 교류 전압은, 각각, 1 mVpp 내지 50 Vpp 인 것일 수도 있다. 상기 교류 전압이 1 mVpp 미만의 경우 유전영동에 의해 입자를 끌어당기는 힘이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 50 Vpp 초과의 경우 과도한 전기장에 의해 전해 분리가 일어나 기포가 발생하는 문제가 있을 수 있다. 상기 주파수가 10 Hz 미만의 또는 100 MHz 초과의 경우 CM 지수의 실수부가 감소하여 유전영동에 의해 입자를 끌어당기는 힘이 감소하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하우징은 용액이 이동할 수 있는 채널을 포함하고, 상기 채널에 유입되는 용액 유량은 0.01 μl/min 내지 1000 μl/min 인 것일 수 있다. 본 발명의 일 측면에서는, 입자 분리 장치의 하우징이 채널을 포함할 경우, 채널에 입자 채집용 용액이 유입될 수 있다. 이 때, 이 용액은 채널을 통해 이동할 수 있다. 이 용액은 상기 유입부를 통해 유입되고, 유출부를 통해 유출되는 것일 수 있다. 이 때, 유입되는 용액 유량이 0.01 μl/min 미만의 경우, 시간 당 분리되는 입자의 수가 적어 분리 장치에 대한 효율이 감소하는 문제가 있을 수 있고, 1000 μl/min 초과의 경우 입자의 전극 길이 방향 이동 속도가 과도하게 빠르기에 적절히 입자 분리가 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있다.
실시예
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 2와 같은 형태로 디자인된 전기수력학적 입자 분리 전극을 제작하고, 이러한 전극을 포함하는 입자 분리 장치를 제작하여 실제 유체의 흐름을 관찰하고, 입자의 분리 효율을 확인하였다.
제작한 입자 분리 전극의 제 1 전기삼투 전극과 제 2 전기삼투 전극의 너비방향 수직 간격은 25 ㎛, 제 1 유동영동 전극과 제 2 유동영동 전극의 너비방향 수직 간격은 5 ㎛ 로 형성하였다. 입자 분리 장치에는 하우징 하면에 입자 분리 장치의 길이 방향으로 채집액이 흐를 수 있는 채널을 형성하고, 양 측면에 유입부 및 유출부를 형성하였다. 또한, 채널의 하면의 길이 방향 중앙에 제작한 입자 분리 전극이 형성되도록 배치하였다. 이 때, 채널의 규격은 깊이가 49 ㎛, 너비가 200 ㎛, 길이가 2 cm 가 되도록 제작하였다.
비교예
비교예로서, 상기 실시예에 따르는 입자 분리 전극 대신, 일자형 평면 전극(interdigitated electrodes, IDE)을 사용한 것 외에는 상기 실시예와 동일하게 입자 분리 장치를 제작하였다.
상기 실시예와 비교예 각각의 입자 분리 전극을 포함하는 입자 분리 장치를 이용하여 동일한 조건 하에서 입자의 분리, 채집 효율을 측정하였다. 입자로는 PBS(phosphate buffer saline) (0.01X) 버퍼 내의 대장균(E. coli)을 채집액을 이용하여 분리, 채집하는 방식으로 실험하였다. 유입되는 채집액의 유량은 1 ㅅl/min 으로 형성하였고, 채집액의 이동 속도는 1.70 mm/s로 형성하였다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르는 입자 분리 장치의 전기삼투 전극의 교류 전압은 1 Vpp, 주파수는 1,633 Hz로 형성하였고, 유전영동 전극의 교류 전압은 5 Vpp, 주파수는 2 MHz로 형성하였다. 기존의 평면 전극을 이용한 입자 분리 장치에 인가하는 교류 전압은 1 Vpp로 형성하였다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 장치 및 입자 분리 전극을 이용하여 대장균 입자의 분리 실험을 수행한 결과를 나타내는 입자 분리 전극의 사시도(도 4(a)) 및 평면도(도 4(b)) 이다. 검은 색으로 칠해진 점은 채집된 대장균을 나타낸다. 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극 부근에서 고르게 많은 양의 대장균이 분리, 채집되었음을 확인할 수 있다. 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극 부근에서는 대장균이 전혀 검출되지 않고 있음을 확인할 수 있다.
도 5는, 비교예 (도 5(a)) 및 본 발명의 실시예(도 5(b)) 에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 대장균 입자의 분리 실험을 수행한 결과를 나타내는 그림이다. 종래의 일자형 평면 전극을 이용한 경우, 넓은 전극 면에 비해 대단히 불규칙적인 일부분에서만 대장균 입자가 검출됨을 확인할 수 있었다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극의 경우 유전 영동 전극에서 고르게 대장균 입자가 검출됨을 확인할 수 있었다. 그 검출되는 양 또한 종래의 일자형 평면 전극에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극이 훨씬 많음을 확인할 수 있었다.
도 6은, 비교예 (도 6(a) 내지 (c)) 및 본 발명의 실시예(도 6(d) 내지 (f))에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 동일한 조건에서 대장균 입자를 분리 채집한 뒤, DAPI 푸른색 형광 필터 이미지 사진을 찍고 흑백 반전시켜 그대로 도시한 그림이다. 도 6(a) 및 (d)는 아직 교류 전압을 가하기 전, 도 6(b) 및 (e)는 교류 전압이 가해지고 15초가 경과한 후, 도 6(c) 및 (f)는 교류 전압이 가해지고 30초가 경과 했을 때의 그림이다. 시간이 지날수록, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 분리 전극에서 훨씬 많은 대장균 입자가 분리 채집되고 있음을 확인할 수 있었다.
도 7은, 비교예 및 본 발명의 실시예에 따른 입자 분리 전극을 이용하여 동일한 조건에서 대장균 입자의 분리 채집 실험을 수행한 결과를 비교하는 그래프이다. 유전영동 전압을 5 Vpp 인가한 경우와 10 Vpp 인가한 경우 모두 종래의 일자형 평면 전극에 비해 대장균의 분리 채집 수치가 크게 증가하였음을 확인할 수 있었다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 분리 장치를 사용한 입자 분리 실험 과정에서, 교류 전압의 주파수에 따른 전기삼투 전극 끝에서의 미끄럼 속도를 측정한 그래프이다. 전극 끝에서의 미끄럼 속도는 순환 대류 흐름의 정도를 반영하는 것으로, 미끄럼 속도를 이용하여 본 실험 조건 하에서 전기삼투 전극에 가해지는 교류전압의 최적의 주파수는 1,687 Hz 임을 확인할 수 있었다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 입자 분리 장치를 사용한 입자분리 실험 과정에서, 폴리스티렌(PS) 비드와 대장균의 주파수에 따른 CM 지수의 실수부를 계산한 그래프이다. 2 MHz 주파수에서, 대장균의 CM 지수의 실수부는 거의 양수이며 최댓값으로, 양의 유전영동에 의해 전극으로 채집되기 위한 최적의 조건이다. 동시에, 같은 주파수에서 폴리스티렌 비드는 CM 지수의 실수부가 음수이기에, 음의 유전영동에 의해 전극으로부터 위로 부양하는 힘을 받는다. 이를 통해 본 실험조건 하에서 유전영동 전극에 가해지는 교류전압의 최적의 주파수는 2 MHz 임을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 제 1 전기삼투 전극;
    상기 제 1 전기삼투 전극의 길이 방향 양 측에 이격 배치되는 제 2 전기삼투 전극; 및
    상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극 사이에, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 양 측의 제 2 전기삼투 전극과 이격 배치되는 유전영동 전극;을 포함하는,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극과 일정한 간격을 가지고 상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 길이 방향을 따라 연장되는 것이고,
    상기 제 1 전기삼투 전극, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은, 상호, 평행하게 형성되는 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전기삼투 전극 양 측의, 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극은 제 1 전기삼투 전극을 중심으로 각각 반대 쪽의 상기 제 2 전기삼투 전극 및 상기 유전영동 전극과 대칭인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제 1 전기삼투 전극과 상기 제 2 전기삼투 전극의 이격 간격은 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전영동 전극은, 상기 제 1 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 1 유전영동 전극 및 상기 제 2 전기삼투 전극에 인접하여 배치되는 제 2 유전영동 전극을 포함하고,
    상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극은 평행하게 분리 형성되는 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제 1 유전영동 전극과 상기 제 2 유전영동 전극의 이격 간격은 2 ㎛ 내지 300 ㎛ 인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제 1 전기삼투 전극 및 제 2 전기삼투 전극의 너비는, 상기 제 1 유전영동 전극 및 상기 제 2 유전영동 전극 너비 평균의 2 배 내지 10 배인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 전극.
  8. 하우징;
    상기 하우징의 일 측면에 형성되는 유입부;
    상기 하우징의 반대 측면에 형성되는 유출부; 및
    상기 하우징의 하면에 형성되는 상기 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 입자 분리 전극;을 포함하는
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제 1 전기삼투 전극 및 상기 제 2 전기삼투 전극은, 상기 유전영동 전극 상부의 하방 흐름, 상기 제 1 전기삼투 전극 중앙 상부 및 제 2 전기삼투 전극의 양 끝 부분 상부의 상승 흐름을 포함하는 너비 방향 순환 흐름을 형성하는 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치는, 상기 입자 분리 전극의 길이 방향 기준으로, 유입부 방향에서 유출부 방향으로 이동하는 압력 기반 유동(pressure-driven flow)을 포함하는 순환 흐름을 형성하는 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전기삼투 전극에 인가되는 교류 전압은, 1 mVpp 내지 10 Vpp 이고, 상기 교류 전압의 주파수는, 10 Hz 내지 100 kHz 인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 유전영동 전극은, 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극을 포함하고,
    상기 제 1 유전영동 전극 및 제 2 유전영동 전극에 인가되는 교류 전압은, 각각, 1 mVpp 내지 50 Vpp 이고, 상기 교류전압의 주파수는, 각각, 10 Hz 내지 100 MHz 인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은 용액 이동 채널을 포함하고,
    상기 채널에 유입되는 용액 유량은 0.01 μl/min 내지 1000 μl/min 인 것인,
    유전영동과 전기삼투를 이용한 입자 분리 장치.
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