KR20190017389A - 자성입자 분리 장치 및 방법 - Google Patents

자성입자 분리 장치 및 방법 Download PDF

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KR20190017389A
KR20190017389A KR1020170102184A KR20170102184A KR20190017389A KR 20190017389 A KR20190017389 A KR 20190017389A KR 1020170102184 A KR1020170102184 A KR 1020170102184A KR 20170102184 A KR20170102184 A KR 20170102184A KR 20190017389 A KR20190017389 A KR 20190017389A
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최성용
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

자성입자 분리 모듈이 개시된다. 상기 자성입자 분리 모듈은 일측면이 개방된 토출구를 구비한 주입부, 자성체 메쉬(mesh)가 삽입된 적어도 하나 이상의 원통형의 분리부를 포함하고, 상기 분리부는 상기 분리부를 축방향으로 관통하는 중공, 및 상기 삽입된 자성체 메쉬가 안착되도록 상기 중공의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부의 상면에 형성된 삽입홈을 포함한다.

Description

자성입자 분리 장치 및 방법{Device and Method for Separating Magnetic Particle}
본 발명은 생체시료에서 자성입자를 분리하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 자성입자를 분리할 수 있는 자성체가 포함된 장치 및 방법에 관한 것이다.
혈액, 소변, 객담 등 생체시료 속에는 질병 상태에 따라 변화하며 질병을 표지할 수 있는 단백질, DNA, RNA, 미세소포체(microvesicle) 등과 같은 표적생체입자가 존재하며, 비교적 비침습적으로 시료채취가 가능하기 때문에 이를 이용한 액체생검(liquid biopsy)기술이 급속도로 발전하고 있다. 생체시료 내에는 분석에 방해되는 비표적물질을 다수 함유하고 있기 때문에 분석하고자 하는 시료를 분석이 가능한 형태로 처리하는 시료전처리과정이 필수적으로 요구되며, 이를 위해 생체시료로부터 표적생체입자를 분리하는 기술들이 개발되어 왔다.
그러나, 종래 자성입자 분리 기술은 분리방법이 복잡하거나 외부자석만을 이용하여 분리효율이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 간편하면서 높은 분리 효율로 자성입자를 분리할 수 있는 기술이 요구된다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0026959호
본 발명의 목적은 표적생체입자를 쉽게 분리할 수 있는 사용편의성을 제공하고, 자성체 메쉬에 의해 강화된 유도 자기장을 이용하여 높은 분리효율을 달성할 수 있는 자성입자 분리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 자성입자 분리 모듈은 일측면이 개방된 토출구를 구비한 주입부, 자성체 메쉬(mesh)가 삽입된 적어도 하나 이상의 원통형의 분리부를 포함하고, 상기 분리부는 상기 분리부를 축방향으로 관통하는 중공, 및 상기 삽입된 자성체 메쉬가 안착되도록 상기 중공의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부의 상면에 형성된 삽입홈을 포함할 수 있다.
여기에, 상기 적어도 하나 이상의 분리부가 축방향으로 적층될 수 있다.
여기에, 상기 분리부의 양측면에 결합되고 탈부착이 가능한 한 쌍의 영구자석을 더 포함할 수 있다.
여기에, 상기 자성체 메쉬는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
여기에, 상기 분리부의 상부에 결합되며 주입된 시료를 담아둘 수 있는 공간이 내부에 형성된 챔버를 더 포함할 수 있다.
여기에, 상기 분리부의 상부에 결합되며 압력에 따라 시료를 흡입하거나 배출하는 압력발생부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 자성입자 분리 장치는 압력에 따라 시료를 흡입하거나 배출하는 압력발생부, 적어도 하나 이상의 자성입자 분리모듈을 연결하는 적어도 하나 이상의 채널, 및 상기 압력발생부와 상기 적어도 하나 이상의 채널을 연결하는 연결부를 포함하고, 상기 자성입자 분리 모듈은 일측면이 개방된 토출구를 구비한 주입부, 자성체 메쉬가 삽입된 적어도 하나 이상의 원통형의 분리부를 포함하고, 상기 분리부는 상기 분리부를 축방향으로 관통하는 중공, 및 상기 삽입된 자성체 메쉬가 안착되도록 상기 중공의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부의 상면에 형성된 삽입홈을 포함할 수 있다.
여기에, 상기 연결부는 일측면이 적어도 하나 이상의 채널과 연결되고, 타측면이 압력발생부와 연결되며, 연결부의 일측면은 연결되는 채널의 개수에 따라 채널을 결합할 수 있는 적어도 하나 이상의 연결홈을 구비할 수 있다.
본 발명의 자성입자 분리방법은 표적생체입자와 결합된 자성입자가 포함된 시료를 주입하는 단계, 분리부에 의해 상기 시료로부터 상기 자성입자를 분리하는 단계, 상기 자성입자가 제거된 시료를 배출하는 단계, 및 상기 자성입자를 회수하는 단계를 포함할 수 있다.
여기에, 상기 자성입자를 회수하는 단계는 상기 자성입자를 회수하기 위한 회수용액을 주입하는 단계, 상기 분리부의 양측면에 결합된 한 쌍의 영구자석을 제거하는 단계, 및 상기 자성입자가 포함된 회수용액을 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 자성입자를 분리함에 있어서 자성체 메쉬에 의해 강화된 유도 자기장을 이용하여 높은 분리효율을 달성할 수 있다.
또한, 비전문가도 쉽게 표적생체입자를 분리할 수 있도록 사용편의성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리모듈을 나타낸 것이다.
도 2는 자성체 메쉬(mesh)가 삽입된 분리부의 평면도를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 분리부가 적층된 경우 분리효율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 분리부에 형성된 자기장을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리장치를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리방법의 순서도이다.
본 발명에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위해 본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안의 개요 혹은 기술적 사상의 핵심을 우선 제시한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리모듈을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 자성입자 분리모듈은 주입부(100) 및 분리부(200)를 포함할 수 있다.
주입부(100)는 일측면에 개방된 토출구가 구비될 수 있다. 상기 토출구를 통하여 시료를 주입하거나 배출할 수 있다. 주입부(100)는 상기 토출구로 갈수록 폭이 좁아지는 형태일 수 있다.
분리부(200)는 자성체 메쉬(210)가 삽입될 수 있다. 자성체란 자기장 내에서 자화되는 물질로서 외부에서 자계를 가하면 내부 원자들이 자기쌍극자를 이루며 정렬한다. 자성체는 비투자율에 따라 상자성체(paramagnetic)와 강자성체(ferromagnetic)로 나눌 수 있다. 상자성체는 외부 자기장이 있는 경우 자기모멘트가 일부 방향을 갖고 정렬하며, 자속밀도가 약하게 증가한다. 강자성체는 외부 자기장이 있는 경우 자기모멘트가 외부 자기장의 방향으로 강하게 자화되고, 외부 자기장이 사라져도 어느정도 자화가 남아있다.
이러한 상자성체 또는 강자성체로 이루어진 자성체 메쉬(210)는 일정 간격을 가지는 격자무늬일 수 있으나, 이와 같은 형태에 한정되는 것은 아니며 분리하고자 하는 자성입자를 필터링 할 수 있는 모든 형태일 수 있다. 또한, 삽입되는 자성체 메쉬(210)는 평면 구조 뿐만 아니라 원통형, 직육면체 등의 3차원 구조일 수도 있다.
분리부(200)가 자성체 메쉬(210)를 통해 시료로부터 분리하고자 하는 자성입자의 표면은 표적생체입자와 상보적으로 결합할 수 있는 항체, 펩타이드, DNA 및 RNA 등의 결합인자가 결합되어 있다. 따라서, 자성입자의 표면에 있는 결합인자가 표적생체입자와 결합하여 복합체를 형성할 수 있으며, 이러한 복합체를 분리부(200)를 통하여 시료로부터 분리함으로써 표적생체입자를 추출할 수 있다.
자성체 메쉬(210)는 분리부(200)에 외부 자기장이 인가되는 경우 외부 자기장을 내부로 집속할 수 있다. 따라서, 외부 자기장의 세기를 증가시킴으로써 외부 자기장만을 인가하였을 때보다 효율적으로 자성입자를 분리할 수 있다. 바람직하게는 자성체 메쉬(210)는 강자성체로 이루어질 수 있으며, 강자성체로 이루어지는 경우 상기 강자성체는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나일 수 있다.
도 2를 참조하면 자성체 메쉬(210)가 삽입된 분리부(200)는 원통형일 수 있으며, 분리부(200)를 축방향으로 관통하는 중공(230)이 포함된다. 중공(230)은 주입부(100)의 직경과 동일하거나 더 큰 직경을 가질 수 있다. 중공(230)은 주입부(100)를 통하여 주입된 시료를 담아두거나 시료가 흐를 수 있도록 통로역할을 할 수 있다.
여기에, 삽입되는 자성체 메쉬(210)가 안착되도록 중공(230)의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부(200)의 상면에 형성된 삽입홈(250)을 포함할 수 있다. 삽입홈(250)은 삽입되는 자성체 메쉬(210)와 동일한 높이를 가질 수 있으며, 복수개의 자성체 메쉬(210)가 삽입될 수 있도록 삽입되는 복수개의 자성체 메쉬(210)의 전체 높이와 동일한 높이를 가질 수도 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 분리부(200)는 자성체 메쉬(210)와 일체형으로 결합된 형태일 수 있다. 이 경우 분리부(200)는 삽입홈(250)이 구비될 필요가 없으며 주입부(100)와 결합되는 일측면에서부터 타측면까지 소정의 간격마다 분리부의 내측면에 자성체 메쉬(210)가 일체형으로 결합된 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 자성체 메쉬(210)는 분리부(200)와 결합하는 것이 아닌 주입부(100)와 결합하는 형태일 수 있다. 이 경우 주입부(100)는 토출구와 반대측면의 부분이 길이방향으로 연장되는 형태일 수 있으며, 주입부(100)의 내부에 자성체 메쉬(210)가 삽입될 수 있다.
분리부(200) 및 자성체 메쉬(210)의 형태는 상기 서술한 형태에 한정되지 아니하며, 다양한 형태와 결합구조를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리모듈은 적어도 하나 이상의 분리부(200)가 축방향으로 적층된 형태일 수 있다.
도 3을 참조하면, 적어도 하나 이상의 분리부(200)가 축방향으로 많이 적층될수록 외부 자기장을 더욱 강하게 집속시킬 수 있으므로 분리효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
분리부(200)에는 분리부(200)의 양측면에 결합되고 탈부착이 가능한 한 쌍의 영구자석(300)을 더 포함할 수 있다. 영구자석(300)은 강자성체로 이루어질 수 있으며, 분리부(200)의 양측면에 결합되어 분리부(200)에 외부 자기장을 인가할 수 있다. 영구자석(300)에 의해 인가된 외부 자기장은 분리부(200)의 자성체 메쉬(210)를 통하여 분리부(200)의 내부에 집속될 수 있다. 분리부(200)에 의해 시료로부터 분리된 자성입자를 회수하고자 하는 경우 주입부(100)를 통하여 회수용액을 주입한 다음에 영구자석(300)을 제거하여 인가된 자기장을 제거함으로써 자성입자를 회수할 수 있다.
또한, 영구자석(300) 외에 분리부(200)에 외부 자기장을 인가할 수 있는 모든 수단이 분리부(200)의 양측면에 결합될 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예로서 분리부(200)의 양측면에 한 쌍의 전자석이 결합될 수도 있다. 이 경우 전자석을 on/off 하여 외부 자기장을 인가여부를 조절할 수 있다.
도 4를 참조하면, 자성체 메쉬(210)가 포함되지 않은 분리부(200)의 양측면에 영구자석(300)이 결합된 경우 영구자석(300)의 주변에 국소 자기장만이 형성되나, 자성체 메쉬(210)가 포함된 분리부(200)의 양측면에 영구자석(300)이 결합된 경우 영구자석(300)에 의해 인가되는 외부 자기장이 자성체 메쉬(210)에 의해 내부로 집속되면서 자기장이 강화되는 것을 확인할 수 있다. 만일 자성체 메쉬(210)에 의해 분리된 자성입자를 회수하고자 하는 경우 분리부(200)의 양측면에 결합된 영구자석(300)을 제거하면 자성체 메쉬(210)에 형성된 자기장이 제거되므로 자성입자를 회수할 수 있다.
여기에, 챔버(400)를 더 포함할 수 있다. 챔버(400)의 일측면은 분리부(200)의 상부에 결합되는 것으로서 주입된 시료를 담아둘 수 있는 공간이 내부에 형성될 수 있다.
여기에, 압력발생부(500)를 더 포함할 수 있다. 압력발생부(500)의 일측면은 분리부(200) 또는 챔버(400)와 결합될 수 있으며, 양압 또는 음압을 발생시킴으로써 시료를 주입하거나 배출하도록 할 수 있다. 압력발생부(500)는 주사기, 피펫, 피스톤 펌프, 주사기 펌프, 다이어프램 펌프 또는 튜브연동식 펌프 등 압력을 발생시킬 수 있는 다양한 수단에 의해 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리장치를 나타낸 것이다.
자성입자가 포함된 시료의 양이 많을 경우 자성입자 분리모듈을 이용하여 여러번의 분리과정을 통해 자성입자를 분리하는 것보다 자성입자 분리모듈이 병렬로 연결된 자성입자 분리장치를 이용하여 분리효율을 향상시킬 수 있다.
자성입자 분리장치는 압력발생부(500), 적어도 하나 이상의 채널(410) 및 연결부(420)를 포함할 수 있다.
채널(410)은 연결되는 자성입자 분리모듈의 개수에 따라 적어도 하나 이상이 포함될 수 있다. 채널(410)은 일측면이 자성입자 분리모듈과 연결되고, 타측면이 연결부(420)와 연결되어 시료가 채널(410)을 통하여 이동할 수 있도록 한다. 복수개의 채널(410)이 포함되는 경우 각 채널(410)은 분리의 효율성을 위해 길이가 동일하게 형성될 수 있다.
연결부(420)는 일측면이 적어도 하나 이상의 채널(410)과 연결되고, 타측면이 압력발생부(500)와 연결될 수 있다. 연결부(420)의 일측면은 연결되는 채널(410)의 개수에 따라 채널(410)을 결합할 수 있는 적어도 하나 이상의 연결홈을 구비할 수 있다.
또한, 채널(410)에는 추가로 잠금부(미도시)가 구비될 수 있다. 잠금부(미도시)는 채널(410)과 연결부(420)의 사이에 구비되어 채널(410)을 차단함으로써 주입부를 통하여 주입된 시료가 채워질 수 있는 높이를 제한할 수 있다. 따라서, 잠금부(미도시)가 구비된 자성입자 분리장치를 이용할 경우 각 자성입자 분리모듈마다 다른 표적생체입자를 분리함으로써 동시에 다양한 표적생체입자를 분리할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성입자 분리방법을 나타낸 것이다.
상기 자성입자 분리방법을 설명함에 있어서 앞서 기재된 내용과 중복되는 기재는 생략한다. 상기 자성입자 분리방법은 자성입자 분리모듈 또는 자성입자 분리장치에 의해 수행될 수 있다. S100 단계에서는 주입부(100)를 통하여 표적생체입자와 결합된 자성입자가 포함된 시료를 주입한다. S200 단계에서는 분리부(200)가 상기 시료로부터 상기 자성입자를 분리한다. 영구자석(300)으로부터 인가된 외부 자기장은 자성체 메쉬(210)를 통하여 분리부(200)의 내부에 집속되어 있는데, 이러한 강화된 자기장에 의해 주입부(100)를 통하여 주입된 시료로부터 자성입자가 분리된다. S300 단계에서는 상기 자성입자가 제거된 시료를 배출한다. S400 단계에서는 상기 자성입자를 회수한다.
여기서, S400 단계는 상기 자성입자를 회수하기 위한 회수용액을 주입하는 단계, 분리부의 양측면에 결합된 한 쌍의 영구자석(300)을 제거하는 단계 및 상기 자성입자가 포함된 회수용액을 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 회수용액은 시료로부터 분리된 자성입자를 자성체 메쉬(210)로부터 분리하기 위해 주입된다. 회수용액이 주입부(100)를 통하여 자성입자 분리 모듈 또는 자성입자 분리 장치 내부에 주입되면 분리부(200)로부터 영구자석(300)을 제거하여 인가된 외부 자기장을 제거한다. 외부 자기장이 제거되어 자성체 메쉬(210)로부터 자성입자가 분리되면 자성입자가 포함된 회수용액을 배출함으로써 자성입자를 회수할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다. 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 --- 주입부 200 --- 분리부
210 --- 자성체 메쉬 230 --- 중공
250 --- 삽입홈 300 --- 영구자석
400 --- 챔버 410 --- 채널
420 --- 연결부 500 --- 압력발생부

Claims (10)

  1. 일측면이 개방된 토출구를 구비한 주입부;
    자성체 메쉬(mesh)가 삽입된 적어도 하나 이상의 원통형의 분리부를 포함하고,
    상기 분리부는
    상기 분리부를 축방향으로 관통하는 중공; 및
    상기 삽입된 자성체 메쉬가 안착되도록 상기 중공의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부의 상면에 형성된 삽입홈을 포함하는 자성입자 분리 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 분리부가 축방향으로 적층된 자성입자 분리모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리부의 양측면에 결합되고 탈부착이 가능한 한 쌍의 영구자석을 더 포함하는 자성입자 분리모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성체 메쉬는 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 망간(Mn) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나로 이루어진 자성입자 분리모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리부의 상부에 결합되며 주입된 시료를 담아둘 수 있는 공간이 내부에 형성된 챔버를 더 포함하는 자성입자 분리 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리부의 상부에 결합되며 압력에 따라 시료를 흡입하거나 배출하는 압력발생부를 더 포함하는 자성입자 분리 모듈.
  7. 압력에 따라 시료를 흡입하거나 배출하는 압력발생부;
    적어도 하나 이상의 자성입자 분리모듈을 연결하는 적어도 하나 이상의 채널; 및
    상기 압력발생부와 상기 적어도 하나 이상의 채널을 연결하는 연결부를 포함하고,
    상기 자성입자 분리 모듈은
    일측면이 개방된 토출구를 구비한 주입부;
    자성체 메쉬(mesh)가 삽입된 적어도 하나 이상의 원통형의 분리부를 포함하고,
    상기 분리부는
    상기 분리부를 축방향으로 관통하는 중공; 및
    상기 삽입된 자성체 메쉬가 안착되도록 상기 중공의 직경보다 큰 직경을 가지고 상기 분리부의 상면에 형성된 삽입홈을 포함하는 자성입자 분리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연결부는 일측면이 적어도 하나 이상의 채널과 연결되고, 타측면이 압력발생부와 연결되며,
    연결부의 일측면은 연결되는 채널의 개수에 따라 채널을 결합할 수 있는 적어도 하나 이상의 연결홈을 구비하는 자성입자 분리 장치.
  9. 표적생체입자와 결합된 자성입자가 포함된 시료를 주입하는 단계;
    분리부에 의해 상기 시료로부터 상기 자성입자를 분리하는 단계;
    상기 자성입자가 제거된 시료를 배출하는 단계; 및
    상기 자성입자를 회수하는 단계를 포함하는 자성입자 분리방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자성입자를 회수하는 단계는
    상기 자성입자를 회수하기 위한 회수용액을 주입하는 단계;
    상기 분리부의 양측면에 결합된 한 쌍의 영구자석을 제거하는 단계; 및
    상기 자성입자가 포함된 회수용액을 배출하는 단계를 포함하는 자성입자 분리방법.
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