KR20190129403A - Multifunctional microfluidic apparatus for lysing cell and analyzing intracellular components based on ion contcentration polarization - Google Patents

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KR20190129403A
KR20190129403A KR1020180053992A KR20180053992A KR20190129403A KR 20190129403 A KR20190129403 A KR 20190129403A KR 1020180053992 A KR1020180053992 A KR 1020180053992A KR 20180053992 A KR20180053992 A KR 20180053992A KR 20190129403 A KR20190129403 A KR 20190129403A
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, a multifunctional microfluidic device includes: a main channel through which fluid containing cells passes; a pair of first buffer solution channels and a pair of second buffer solution channels which are separated from the main channel along the main channel and are adjacent to both sides of the main channel; a polymer electrolyte membrane which has a first ion selective permeable membrane of connecting the main channel with the pair of first buffer solution channels and lysing cells and a second ion selective permeable membrane of connecting the main channel with the pair of second buffer solution channels and separating intracellular components of lysed cells; and an electrode unit which has a first electrode unit of applying a first voltage on both ends of the first ion selective permeable membrane through the pair of the first buffer solution channels and a second electrode unit of applying a second voltage on both ends of the second ion selective permeable membrane through the pair of the second buffer solution channels.

Description

세포의 용해 및 세포내 성분의 분리를 위한 이온 농도 분극 기반의 다기능 미세 유체 장치{MULTIFUNCTIONAL MICROFLUIDIC APPARATUS FOR LYSING CELL AND ANALYZING INTRACELLULAR COMPONENTS BASED ON ION CONTCENTRATION POLARIZATION}MULTIFUNCTIONAL MICROFLUIDIC APPARATUS FOR LYSING CELL AND ANALYZING INTRACELLULAR COMPONENTS BASED ON ION CONTCENTRATION POLARIZATION}

본 출원은, 이온 농도 분극 현상을 이용하여 세포의 용해 및 세포내 성분의 분리를 하나의 장치에서 구현할 수 있는 다기능 미세 유체 장치에 관한 것이다.The present application relates to a multifunctional microfluidic device capable of implementing lysis of cells and separation of intracellular components in one device using ion concentration polarization.

세포내 성분들의 분석은 분자 생물학, 바이오 기술 및 임상 의학과 같은 다양한 분야에서 매우 중요하며, 세포내 성분을 분석하기 위해서는 몇 가지 전처리 과정들이 필요하다. Analysis of intracellular components is very important in various fields such as molecular biology, biotechnology and clinical medicine, and several pretreatment steps are required to analyze intracellular components.

전처리 과정들 중, 세포 용해(cell ly sis) 및 분리는 가장 중요한 과정이다. 세포 용해 과정을 통해, 세포막을 용해하고 세포 소기관, 디엔에이(DNA) 및 단백질을 포함하는 세포내 성분들을 얻을 수 있다.During pretreatment, cell ly sis) and separation are the most important processes. Through the cell lysis process, cell membranes can be lysed and intracellular components including cell organelles, DNA and proteins can be obtained.

세포 용해 과정에 이어서, 관심 있는 성분들을 선택적으로 분석하기 위해서는 얻어진 세포내 성분들을 분리하는 것은 매우 중요한 과정이다.Following the cell lysis process, it is very important to separate the obtained intracellular components in order to selectively analyze the components of interest.

현재 많은 연구 그룹들에 의해 다양한 용해 및 분리 방법들이 연구되고 있으나, 속도나 가격, 자동화의 관점에서 하나의 장치 내에서 세포의 용해와 용해된 세포의 세포내 성분들의 분리를 동시에 수행하도록 하는 것은 매우 중요한 이슈이다.Many different lysis and separation methods are currently being studied by many research groups. However, from the viewpoint of speed, cost, and automation, it is very important to simultaneously perform cell lysis and separation of lysed cell intracellular components in one device. It is an important issue.

한국공개특허 제2015-0009874호('담수화 장치', 공개일: 2015년01월27일)Korean Laid-Open Patent No. 2015-0009874 ('Desalination Device', Publication Date: January 27, 2015)

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 하나의 장치 내에서 세포의 용해와 용해된 세포의 세포내 성분들의 분리를 동시에 수행할 수 있는 세포의 용해 및 세포내 성분의 분리를 위한 이온 농도 분극 기반의 다기능 미세 유체 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, ion concentration polarization-based multifunctional for cell lysis and separation of intracellular components capable of simultaneously performing cell lysis and separation of intracellular components of lysed cells in one device Provide a microfluidic device.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 세포를 포함하는 유체가 통과하는 메인 채널; 상기 메인 채널을 따라 상기 메인 채널과 분리되어 상기 메인 채널의 양측에 인접하게 구비된 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 및 한 쌍의 제2 완충 용액 채널; 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 연결하며 상기 세포를 용해하는 제1 이온 선택적 투과막과, 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 연결하며 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 분리하는 제2 이온 선택적 투과막을 구비한 고분자 전해질막; 및 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 통해 상기 제1 이온 선택적 투과막 양단에 제1 전압을 인가하는 제1 전극 유닛과, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 통해 상기 제2 이온 선택적 투과막 양단에 제2 전압을 인가하는 제2 전극 유닛을 구비한 전극 유닛;을 포함하는, 다기능 미세 유체 장치를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, a main channel through which a fluid containing a cell passes; A pair of first buffer solution channels and a pair of second buffer solution channels separated from the main channel along the main channel and adjacent to both sides of the main channel; A first ion selective permeable membrane connecting the main channel and the pair of first buffer solution channels to lyse the cells, and connecting the main channel and the pair of second buffer solution channels to each other A polymer electrolyte membrane having a second ion selective permeation membrane separating the intracellular components; And a first electrode unit for applying a first voltage across the first ion selective permeation membrane through the pair of first buffer solution channels, and the second ion selective transmission through the pair of second buffer solution channels. It provides a multi-function microfluidic device including; an electrode unit having a second electrode unit for applying a second voltage across the membrane.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 이온 선택적 투과막은, 인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역에서 증폭된 전기장을 이용하여 상기 세포를 용해할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first ion selective permeable membrane may dissolve the cells using an electric field amplified in the first ion concentration deficient region formed due to the ion concentration polarization phenomenon by the applied first voltage. Can be.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제2 이온 선택적 투과막은, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제2 이온 농도 결핍 영역에서 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the second ion selective permeable membrane electrophoreses intracellular components of the lysed cells in a second ion concentration deficient region formed due to ion concentration polarization caused by an applied second voltage. Can be separated according to mobility.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 직교하도록 제공되며, 상기 제2 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 경사지도록 제공될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first ion selective permeable membrane may be provided to be orthogonal to the main channel, and the second ion selective permeable membrane may be provided to be inclined to the main channel.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널은, 상기 메인 채널을 중심으로 상기 메인 채널의 양측에 대칭되도록 배치되며, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널은, 상기 메인 채널을 중심으로 상기 메인 채널의 양측에 비대칭 되도록 배치될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the pair of first buffer solution channels are arranged to be symmetrical to both sides of the main channel with respect to the main channel, and the pair of second buffer solution channels are configured as the main It may be arranged to be asymmetrical to both sides of the main channel with respect to the channel.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 다기능 미세 유체 장치는, 상기 제2 이온 선택적 투과막에 의해 분리된 세포내 성분들이 포집되어 배출되는, 격벽에 의해 구획된 분리 배출부;를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the multi-function microfluidic device may further include a separation discharge portion partitioned by a partition wall, in which intracellular components separated by the second ion selective permeation membrane are collected and discharged. have.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 제1 전극 유닛은, 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 중 상부 완충 용액 채널에 인가되는 양극 전극과, 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 중 하부 완충 용액 채널에 인가되는 접지 전극을 포함하며, 상기 제2 전극 유닛은, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널 중 상부 완충 용액 채널에 인가되는 양극 전극과, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널 중 하부 완충 용액 채널에 인가되는 접지 전극을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first electrode unit includes an anode electrode applied to an upper buffer solution channel of the pair of first buffer solution channels, and a lower buffer solution of the pair of first buffer solution channels. A ground electrode applied to the channel, wherein the second electrode unit comprises: an anode electrode applied to an upper buffer solution channel of the pair of second buffer solution channels, and a lower buffer of the pair of second buffer solution channels; It may include a ground electrode applied to the solution channel.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 다기능 미세 유체 장치는, 세포내 성분들을 한쪽 벽면에 집중시키기 위해 상기 메인 채널로부터 경사지게 구비되어 완충 용액이 투입되는 유체 집속용 용액 유입 통로를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the multi-function microfluidic device may further include a fluid inflow passage for injecting a buffer solution provided to be inclined from the main channel to concentrate intracellular components on one wall. .

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 세포를 포함하는 유체가 통과하는 메인 채널; 상기 메인 채널을 따라 상기 메인 채널과 분리되어 상기 메인 채널의 양측에 인접하게 구비된 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 및 한 쌍의 제2 완충 용액 채널; 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 연결하며 상기 세포를 용해하는 제1 이온 선택적 투과막과, 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 연결하며 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 분리하는 제2 이온 선택적 투과막을 구비한 고분자 전해질막; 및 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 통해 상기 제1 이온 선택적 투과막 양단에 제1 전압을 인가하는 제1 전극 유닛과, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 통해 상기 제2 이온 선택적 투과막 양단에 제2 전압을 인가하는 제2 전극 유닛을 구비한 전극 유닛;을 포함하며, 상기 제1 이온 선택적 투과막은, 인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역에서 증폭된 전기장을 이용하여 상기 세포를 용해하고, 상기 제2 이온 선택적 투과막은, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제2 이온 농도 결핍 영역에서 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리하며, 상기 제1 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 직교하도록 제공되며, 상기 제2 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 경사지도록 제공되는, 다기능 미세 유체 장치가 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a main channel through which a fluid containing a cell passes; A pair of first buffer solution channels and a pair of second buffer solution channels separated from the main channel along the main channel and adjacent to both sides of the main channel; A first ion selective permeable membrane connecting the main channel and the pair of first buffer solution channels to lyse the cells, and connecting the main channel and the pair of second buffer solution channels to each other A polymer electrolyte membrane having a second ion selective permeation membrane separating the intracellular components; And a first electrode unit for applying a first voltage across the first ion selective permeation membrane through the pair of first buffer solution channels, and the second ion selective transmission through the pair of second buffer solution channels. An electrode unit having a second electrode unit for applying a second voltage across the membrane, wherein the first ion selective permeable membrane comprises a first ion concentration formed by ion concentration polarization caused by the first voltage applied thereto. The cells are lysed using an electric field amplified in the deficient region, and the second ion selective permeable membrane is formed in the second ion concentration deficient region formed by the ion concentration polarization caused by the applied second voltage. Intracellular components are separated according to electrophoretic mobility, wherein the first ion selective permeable membrane is provided to be orthogonal to the main channel, and the second ion selective permeable membrane is the A multifunctional microfluidic device is provided, which is provided to be inclined to the main channel.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 메인 채널에 제1 이온 선택적 투과막 및 제2 이온 선택적 투과막을 순차로 구비하고, 제1 이온 선택적 투과막의 제1 이온 농도 결핍 영역에서는 증폭된 전기장을 이용하여 세포를 용해하고, 제2 이온 선택적 투과막의 제2 이온 농도 결핍 영역에서는 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리함으로써, 하나의 장치 내에서 세포의 용해와 용해된 세포의 세포내 성분들(예컨대, 단백질, DNA, 세포소기관 등)의 분리를 동시에 수행할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a first ion-selective permeable membrane and a second ion-selective permeable membrane are sequentially provided in the main channel, and the cells are amplified in the first ion concentration deficient region of the first ion-selective permeable membrane using an amplified electric field. Lysing and separating the intracellular components of the lysed cells according to electrophoretic mobility in the second ion concentration deficient region of the second ion selective permeable membrane, thereby lysing the cells and intracellular components of the lysed cells in one device. Separation (eg, protein, DNA, organelles, etc.) can be performed simultaneously.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 장치 내부에 전극을 설치할 필요가 없기 때문에 제작이 용이하고 전기분해에 의한 기포 문제로부터 비교적 자유로우며, 구동이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 세포를 분석하는 전체 과정을 하나의 장치 내에서 구현할 수 있어 그 활용도가 매우 높다.Moreover, according to one embodiment of the present invention, since it is not necessary to provide an electrode inside the apparatus, it is easy to manufacture, relatively free from the bubble problem by electrolysis, and has the advantage of being easy to drive. In addition, the entire process of cell analysis can be implemented in a single device, which is very useful.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치의 내부를 메인 채널을 중심으로 상부에서 바라본 절단 평면도이다.
도 3은 도 2의 영역 Z1을 시뮬레이션한 도면이다.
도 4a는 도 2의 영역 A를 도시한 확대도이며,
도 4b는 도 4a의 제1 이온화 영역(IDZ1)에서의 세포 용해 과정을 설명하기 위한 도면이며,
도 4c는 도 4b의 세포 용해 과정에서 용해된 세포막 파편이 제1 이온 선택적 투과막에 부착되는 것을 도시한 것이며,
도 4d는 제1 전압의 크기를 증가시킬 경우 세포막 외에 핵막까지도 용해될 수 있음을 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 영역 B를 도시한 확대도이다.
도 6은 도 2의 영역 B에서 전기 영동 이동도를 다르게 만든 형광 단백질의 분리를 도시한 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic diagram of the multifunctional microfluidic device which concerns on one Embodiment of this invention.
2 is a cutaway plan view of the inside of the multifunctional microfluidic device according to an embodiment of the present invention viewed from above with respect to the main channel.
3 is a diagram simulating the region Z1 of FIG. 2.
4A is an enlarged view illustrating region A of FIG. 2,
FIG. 4B is a diagram for explaining a cell lysis process in the first ionization region IDZ1 of FIG. 4A.
FIG. 4C illustrates that the cell membrane fragments lysed during the cell lysis process of FIG. 4B are attached to the first ion selective permeable membrane.
Figure 4d shows that when the magnitude of the first voltage can be increased, even nuclear membranes can be dissolved in addition to the cell membranes.
FIG. 5 is an enlarged view illustrating region B of FIG. 2.
FIG. 6 shows the isolation of fluorescent proteins with different electrophoretic mobility in region B of FIG. 2.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity, elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치의 모식도(100)이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치의 내부를 메인 채널을 중심으로 상부에서 바라본 절단 평면도(200)이다.1 is a schematic diagram 100 of a multifunctional microfluidic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cutaway plan view of the inside of the multifunctional microfluidic device according to an embodiment of the present invention viewed from the top of a main channel. 200.

우선, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치(100)는, 기판(101)과 챔버(102)를 포함하며, 챔버(102) 내부에는 메인 채널(110), 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122), 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132), 유체 집속용 용액 유입 통로(111), 제1 이온 선택적 투과막(140) 및 제2 이온 선택적 투과막(150)을 구비한 고분자 전해질막(140, 150)이 구비될 수 있다. First, referring to FIGS. 1 and 2, the multifunctional microfluidic device 100 of one embodiment of the present invention includes a substrate 101 and a chamber 102, and the main channel 110 is formed inside the chamber 102. ), A pair of first buffer solution channels 121, 122, a pair of second buffer solution channels 131, 132, a solution inflow passage 111 for fluid concentrating, a first ion selective permeation membrane 140, and The polymer electrolyte membranes 140 and 150 having the second ion selective permeation membrane 150 may be provided.

구체적으로, 챔버(102)의 하부에 위치하는 기판(101)은, 유리, 실리콘, 고분자 합성수지(플라스틱; plastic), 파이렉스(pyrex), 이산화 실리콘(silicon dioxide), 질화 실리콘(silicon nitride), 석영(quartz), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA: polymethylmethacrylate), 폴리카보네이트(PC: polycarbonate), 아크릴 또는 사이클릭 올레핀 공중합체 (COC: cyclic olefin copolymer) 중 어느 하나로 제조될 수 있다. Specifically, the substrate 101 positioned below the chamber 102 may include glass, silicon, polymer synthetic resin (plastic), pyrex, silicon dioxide, silicon nitride, and quartz. (quartz), polymethylmethacrylate (PMMA: polymethylmethacrylate), polycarbonate (PC: polycarbonate), acrylic or cyclic olefin copolymer (COC: cyclic olefin copolymer) can be made of any one.

상술한 기판(101) 표면에는 세포를 포함하는 유체가 통과하는 메인 채널(110)과, 메인 채널(110)과 분리되어 메인 채널(110)을 따라 메인 채널(110)의 양측에 인접하게 구비된 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122), 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132) 및 유체 집속용 용액 유입 통로(111)가 형성될 수 있다.The surface of the substrate 101 described above is provided with a main channel 110 through which fluid containing cells passes, and separated from the main channel 110 to be adjacent to both sides of the main channel 110 along the main channel 110. A pair of first buffer solution channels 121 and 122, a pair of second buffer solution channels 131 and 132, and a fluid inflow passage 111 may be formed.

상술한 메인 채널(110)은 예를 들면, PDMS(Polydimethlysiloxane) 및 일반적인 사진 식각 공정(photolithography)을 이용하여 챔버(102)의 표면에 식각될 수 있다.The main channel 110 described above may be etched on the surface of the chamber 102 using, for example, polydimethlysiloxane (PDMS) and general photolithography.

한편, 고분자 전해질막(140, 150)은 메인 채널(110)과 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122)을 연결하며 세포를 용해하는 제1 이온 선택적 투과막(140)과, 메인 채널(110)과 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132)을 연결하며 용해된 세포의 세포내 성분들을 분리하는 제2 이온 선택적 투과막(150)으로 구성될 수 있다. 본 발명에서 세포를 용해한다는 의미는 세포막(cell membrane)을 용해한다는 것을 의미한다.Meanwhile, the polymer electrolyte membranes 140 and 150 connect the main channel 110 and the pair of first buffer solution channels 121 and 122 and the first ion selective permeable membrane 140 to dissolve cells, and the main channel. The second ion selective permeable membrane 150 may be connected to the pair of second buffer solution channels 131 and 132 to separate the intracellular components of the lysed cells. In the present invention, lysing a cell means lysing a cell membrane.

제1 이온 선택적 투과막(140)은, 메인 채널(110)에 직교하도록 제공되며, 인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역(도 4a의 IDZ1 참조)에서 증폭된 전기장을 이용하여 세포를 용해할 수 있다.The first ion selective permeable membrane 140 is provided to be orthogonal to the main channel 110, and is formed of a first ion concentration deficient region due to ion concentration polarization caused by an applied first voltage (see IDZ1 in FIG. 4A). Cells can be lysed using the electric field amplified in.

또한, 제2 이온 선택적 투과막(150)은, 메인 채널(110)에 경사지도록 제공되며, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제2 이온 농도 결핍 영역(도 5의 IDZ2 참조)에서 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리할 수 있다. 제2 이온 선택적 투과막(150)의 경사 각도는 45도 정도일 수 있는데, 이는 이온 농도 결핍 영역에서의 소용돌이(vortex)로 인해 야기되는 흐름 불안정(flow instability)를 저감하기 위함이다.In addition, the second ion selective permeable membrane 150 is provided to be inclined to the main channel 110, and is formed in the second ion concentration deficient region (IDZ2 of FIG. 5) formed due to ion concentration polarization caused by the applied second voltage. Intracellular components of lysed cells can be separated according to electrophoretic mobility. The inclination angle of the second ion selective permeable membrane 150 may be about 45 degrees to reduce the flow instability caused by the vortex in the ion concentration deficiency region.

상술한 이온 농도 분극 현상(ion concentration polarization, ICP)은 특정 이온들이 나노 채널 혹은 이온 선택적 투과막을 통과할 때 발생하는 전기화학 전달 현상이다. The ion concentration polarization (ICP) described above is an electrochemical transfer phenomenon that occurs when specific ions pass through a nanochannel or an ion selective permeable membrane.

이온 농도 분극 현상은 양이온(cation) 또는 음이온(anion)만을 통과시킬 수 있는 이온 선택적 투과막(ion-selective membrane)을 중심으로 양단에 직류 전압(DC bias)을 인가하면, 예를 들어 양이온 선택적 투과막의 경우, 막의 양극(anode side)에 존재하는 양이온들은 막을 통과하지만, 음이온들은 막을 통과하지 못한다.Ion concentration polarization is based on an ion-selective membrane that allows only cations or anions to pass, and a DC bias is applied across both ends. In the case of membranes, cations present on the anode side of the membrane pass through the membrane, but anions do not pass through the membrane.

동시에, 전기적 중성(electroneutrality)을 위해, 막의 양극에 남아 있는 음이온들은 서로 반발하여 막에서 멀어지고, 막의 음극(cathode side)에는 양이온들이 끌려오게 된다 이로 인해 막의 양극에는 이온의 농도가 매우 낮은 이온결핍영역(ion depletion region)이 발생하고, 막의 음극 쪽에는 이온의 농도가 매우 높은 이온 과다 영역(ion enrichment region)이 발생하는데, 이를 이온 농도 분극 현상이라 한다.At the same time, for electroneutrality, the anions remaining at the anode of the membrane repel each other away from the membrane, attracting positive ions at the cathode side of the membrane, resulting in very low ion concentration at the anode of the membrane. An ion depletion region occurs and an ion enrichment region having a very high concentration of ions occurs on the cathode side of the membrane, which is called an ion concentration polarization phenomenon.

한편, 상술한 고분자 전해질막(140, 150)은 양이온 또는 음이온 중 어느 하나가 통과하는 다수의 나노 채널을 포함할 수 있다.Meanwhile, the polymer electrolyte membranes 140 and 150 described above may include a plurality of nanochannels through which any one of a cation and an anion passes.

일 예로, 고분자 전해질막(140, 150)은 듀퐁(DuPontTM)사의 상품명 나피온(NAFION®)이 사용될 수 있다. 나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머로, 선택적으로 양이온은 통과하되, 음이온은 통과하지 못하는 나노 채널을 포함할 수 있다.For example, the polymer electrolyte membranes 140 and 150 may use a brand name Nafion® manufactured by DuPontTM. Nafion is a polymer having sulfonic acid groups introduced into the backbone of polytetrafluoroethylene, and may optionally include nanochannels that allow cations to pass but not anions.

상술한 고분자 전해질막(140, 150)은 기판(101) 표면에 미세 유동 패터닝 방법(microflow patterning method)에 의해 패터닝될 수 있다.The polymer electrolyte membranes 140 and 150 may be patterned on the surface of the substrate 101 by a microflow patterning method.

한편, 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122)은, 메인 채널(110)을 기준으로 메인 채널(110)의 양측에 대칭되도록 배치될 수 있다. 또한, 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132)은, 메인 채널(110)을 중심으로 메인 채널(110)의 양측에 비대칭되도록 배치될 수 있다(도 2 참조).Meanwhile, the pair of first buffer solution channels 121 and 122 may be arranged to be symmetrical to both sides of the main channel 110 with respect to the main channel 110. In addition, the pair of second buffer solution channels 131 and 132 may be arranged to be asymmetrical on both sides of the main channel 110 about the main channel 110 (see FIG. 2).

상술한 실시예에서 메인 채널(110)의 폭은 약 600㎛이고, 완충 용액 채널(121, 122, 131, 132)의 폭은 약 100㎛이며, 각 채널 높이는 약 40㎛일 수 있다. 그리고, 이온 선택적 투과막들(140, 150)의 높이는 대략 1㎛ 에서 5㎛일 수 있다.In the above-described embodiment, the width of the main channel 110 is about 600 μm, the widths of the buffer solution channels 121, 122, 131, and 132 are about 100 μm, and each channel height may be about 40 μm. In addition, the heights of the ion selective permeable membranes 140 and 150 may be about 1 μm to 5 μm.

또한, 상술한 메인 채널(110)의 단부에는 제2 이온 선택적 투과막(150)에 의해 분리된 세포내 성분들이 포집되어 배출되는, 격벽(도 5의 112a 참조)에 의해 구획된 분리 배출부(112)가 형성될 수 있다.In addition, at the end of the main channel 110 described above, a separate discharge part partitioned by a partition wall (see 112a of FIG. 5) in which intracellular components separated by the second ion selective permeable membrane 150 are collected and discharged. 112 may be formed.

한편, 전극 유닛(V1, V2, GND1, GND2)은, 제1 전극 유닛(V1, GND1) 및 제2 전극 유닛(V2, GND2)을 포함할 수 있다.Meanwhile, the electrode units V1, V2, GND1, and GND2 may include the first electrode units V1 and GND1 and the second electrode units V2 and GND2.

제1 전극 유닛(V1, GND1)은 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122) 중 상부 완충 용액 채널(121)에 인가되는 양극 전극(V1)과, 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122) 중 하부 완충 용액 채널(122)에 인가되는 접지 전극(GND1)을 포함할 수 있다. The first electrode units V1 and GND1 may include the anode electrode V1 applied to the upper buffer solution channel 121 among the pair of first buffer solution channels 121 and 122, and the pair of first buffer solution channels ( The ground electrode GND1 may be applied to the lower buffer solution channel 122 of the 121 and 122.

구체적으로, 양극 전극(V1)은, 상부 완충 용액 채널(121)의 2개의 유입구(121a, 121b) 중 좌측 유입구(121a)에 인가될 수 있으며, 나머지 유입구(121b)는 플로팅 상태일 수 있다. 마찬가지로, 접지 전극(GND1)은 하부 완충 용액 채널(122)의 2개의 유입구(122a, 122b) 중 우측 유입구(122b)에 인가될 수 있으며, 나머지 유입구(122a)는 플로팅 상태일 수 있다.In detail, the anode electrode V1 may be applied to the left inlet 121a of the two inlets 121a and 121b of the upper buffer solution channel 121, and the remaining inlets 121b may be in a floating state. Similarly, the ground electrode GND1 may be applied to the right inlet 122b of the two inlets 122a and 122b of the lower buffer solution channel 122, and the remaining inlets 122a may be in a floating state.

마찬가지로 제2 전극 유닛(V2, GND)은, 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132) 중 상부 완충 용액 채널(131)에 인가되는 양극 전극(V2)과, 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132) 중 하부 완충 용액 채널(132)에 인가되는 접지 전극(GND2)을 포함할 수 있다.Similarly, the second electrode units V2 and GND include the positive electrode V2 applied to the upper buffer solution channel 131 among the pair of second buffer solution channels 131 and 132, and the pair of second buffer solutions. One of the channels 131 and 132 may include a ground electrode GND2 applied to the lower buffer solution channel 132.

구체적으로, 양극 전극(V2)은 상부 완충 용액 채널(131)의 2개의 유입구(131a, 131b) 중 좌측 유입구(131a)에 인가될 수 있으며, 나머지 유입구(131b)는 플로팅 상태일 수 있다. 마찬가지로, 접지 전극(GND2)은 하부 완충 용액 채널(132)의 2개의 유입구(132a, 132b) 중 우측 유입구(132b)에 인가될 수 있으며, 나머지 유입구(132a)는 플로팅 상태일 수 있다.In detail, the anode electrode V2 may be applied to the left inlet 131a of the two inlets 131a and 131b of the upper buffer solution channel 131, and the remaining inlet 131b may be in a floating state. Similarly, the ground electrode GND2 may be applied to the right inlet 132b of the two inlets 132a and 132b of the lower buffer solution channel 132, and the remaining inlets 132a may be in a floating state.

이와 같이, 외부 전극(V1, V2, GND1, GND2)을 통해 전압을 인가함으로써, 전극에 대한 전기 화학적 반응, 예컨대 기포 발생에 의해 야기되는 문제점을 해소할 수 있다.As such, by applying a voltage through the external electrodes V1, V2, GND1, and GND2, the problem caused by the electrochemical reaction, for example, bubble generation, to the electrodes can be solved.

또한, 유체 집속용 용액 유입 통로(111)는 메인 채널(110)로부터 경사지게 구비되며, 유체 집속용 용액 유입구(111a)를 통해 완충 용액이 투입될 수 있다.In addition, the fluid inflow solution inlet passage 111 may be inclined from the main channel 110, and a buffer solution may be introduced through the fluid inflow solution inlet 111a.

유체 집속용 용액 유입 통로(111)로 투입된 완충 용액은 용해된 세포를 포함하는 유체와 메인 채널(110)에서 혼합되며, 메인 채널(110)로부터 공급된 용해된 세포를 포함하는 유체를 메인 채널(110)의 한쪽 벽면으로 집중시킬 수 있다. 이와 같이, 유체 집속용 용액 유입 통로(111)에서 공급되는 완충 용액에 의해 메인 채널(110)로부터 공급된 용해된 세포를 포함하는 유체가 메인 채널(110)의 한쪽 벽면으로 집중되는 현상을 유체 집속(flow focusing)이라 한다. The buffer solution introduced into the fluid concentrating solution inflow passage 111 is mixed in the main channel 110 with the fluid containing the lysed cells, and the fluid including the lysed cells supplied from the main channel 110 is supplied to the main channel ( It can be focused on one wall of 110). As such, the fluid concentrating phenomenon is that the fluid including the lysed cells supplied from the main channel 110 is concentrated on one wall of the main channel 110 by the buffer solution supplied from the fluid inflow passage 111. (flow focusing).

상술한 완충 용액 및 유체는, 염화 칼륨(KCl) 용액, pH가 7.1인 1mM DSP(Dibasic Sodium Phosphate) 용액 등을 포함할 수 있다.The above-mentioned buffer solution and fluid may include a potassium chloride (KCl) solution, a 1 mM DSP (Dibasic Sodium Phosphate) solution having a pH of 7.1, and the like.

한편, 챔버(102)에는 세포를 포함하는 유체를 유입하기 위한 샘플 유입부(110a), 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122) 중 상부 완충 용액 채널(121)에 완충 용액을 유입하기 위한 제1 완충 용액 유입부(121a) 및 제2 완충 용액 유입부(121b)와, 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122) 중 하부 완충 용액 채널(122)에 완충 용액을 유입하기 위한 제3 완충 용액 유입부(122a) 및 제4 완충 용액 유입부(122b), 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132) 중 상부 완충 용액 채널(131)에 완충 용액을 유입하기 위한 제5 완충 용액 유입부(131a) 및 제6 완충 용액 유입부(131b), 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132) 중 하부 완충 용액 채널(132)에 완충 용액을 유입하기 위한 제7 완충 용액 유입부(132a) 및 제8 완충 용액 유입부(132b), 완충 용액이 유입되는 유체 집속용 용액 유입부(111a) 및 분리된 세포내 성분이 배출되는 분리 배출부(112)가 더 구비될 수 있다.Meanwhile, in the chamber 102, the buffer solution is introduced into the upper buffer solution channel 121 of the sample inlet 110a and the pair of first buffer solution channels 121 and 122 for introducing a fluid including cells. A first buffer solution inlet 121a and a second buffer solution inlet 121b for supplying a buffer solution to the lower buffer solution channel 122 of the pair of first buffer solution channels 121 and 122. A fifth buffer for introducing the buffer solution into the upper buffer solution channel 131 of the third buffer solution inlet 122a and the fourth buffer solution inlet 122b and the pair of second buffer solution channels 131 and 132. Buffer solution inlet 131a and the sixth buffer solution 131b, the seventh buffer solution for introducing the buffer solution to the lower buffer solution channel 132 of the pair of second buffer solution channels 131, 132 Inlet 132a and eighth buffer solution inlet 132b, fluid concentrating solution inlet 111a into which buffer solution is introduced, and separated intracellular resistance This separation discharge is that the discharge unit 112 may be further provided.

또한, 세포를 포함하는 유체가 유입되는 샘플 유입부(110a) 및 완충 용액이 유입되는 유체 집속용 용액 유입부(111a)에는 실린지 펌프가 연결될 수 있으며, 이 실린지 펌프의 동작에 의해 일정한 유속으로 유체가 공급될 수 있다. In addition, a syringe pump may be connected to the sample inlet part 110a into which the fluid containing the cells flows and the fluid inlet solution inlet part 111a into which the buffer solution flows, and a constant flow rate may be caused by the operation of the syringe pump. Fluid may be supplied to the.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다기능 미세 유체 장치의 동작 원리를 설명한다.Hereinafter, the operation principle of the multifunctional microfluidic device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.

이하 본 발명의 기본 원리에 대해 설명한다. 샘플 유입부(110a)를 통해 유입된 세포를 포함한 유체는 메인 채널(110)을 통해 이동한다. 제1 전극(V1, GND1)을 통해 제1 이온 선택적 투과막(140)의 양단에 제1 전압이 인가되면, 인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역(도 4a의 IDZ1)에서 증폭된 전기장으로 인해 세포가 용해된 후, 메인 채널(110)을 따라 제2 이온 농도 결핍 영역(도 5의 IDZ2)으로 이동한다.Hereinafter, the basic principle of the present invention will be described. Fluid including cells introduced through the sample inlet 110a moves through the main channel 110. When a first voltage is applied to both ends of the first ion selective transmission membrane 140 through the first electrodes V1 and GND1, a first ion concentration deficiency region formed due to ion concentration polarization caused by the applied first voltage. After the cells are lysed due to the electric field amplified in IDZ1 of FIG. 4A, they move along the main channel 110 to the second ion concentration deficient region (IDZ2 of FIG. 5).

한편, 유체 집속용 용액 유입 통로(111)로 투입된 완충 용액은 용해된 세포를 포함하는 유체와 메인 채널(110)의 영역 B(도 2의 B 참조)에서 혼합되며, 메인 채널(110)로부터 공급된 용해된 세포를 포함하는 유체를 메인 채널(110)의 한쪽 벽면으로 집중시킬 수 있다 Meanwhile, the buffer solution introduced into the fluid concentrating solution inflow passage 111 is mixed with the fluid containing the lysed cells in the region B of the main channel 110 (see B of FIG. 2) and supplied from the main channel 110. Fluid containing the lysed cells can be concentrated to one wall of the main channel (110)

또한, 제2 전극(V2, GND2)을 통해 제2 이온 선택적 투과막(150)의 양단에 제2 전압이 인가되면, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 제2 이온 농도 결핍 영역(도 5의 IDZ2 참조)이 형성되며, 제2 이온 농도 결핍 영역(도 5의 IDZ2 참조)에서는 용해된 세포의 세포내 성분들의 전기적 특성, 즉 전기영동이동도에 따라 메인 채널(110)의 벽면으로부터 반발되어 분리될 수 있다.In addition, when a second voltage is applied to both ends of the second ion selective permeable membrane 150 through the second electrodes V2 and GND2, the second ion concentration deficient region is caused by the ion concentration polarization caused by the applied second voltage. (See IDZ2 in FIG. 5) is formed, and in the second ion concentration deficient region (see IDZ2 in FIG. 5), the wall surface of the main channel 110 depends on the electrical properties of the intracellular components of the lysed cells, ie, electrophoretic mobility. Can be separated from and rebounded from.

도 3은 도 2의 영역 Z1을 시뮬레이션한 도면으로, 도면부호 110은 메인 채널을, 도면부호 122는 하부 완충 용액 채널을, 도면부호 140은 제1 이온 선택적 투과막(140)의 단일 나노 채널을 도시한 것이며, (a)는 제1 이온 선택적 투과막(140) 양단에 인가된 제1 전압에 의해 메인 채널(110) 측에 생성된 이온 농도가 낮은 이온 결핍 영역을 나타낸 것으로, 좌측 및 아래는 거리를, 우측은 양이온 농도를 의미하며, (b)는 메인 채널(110) 측에 생성된 이온 농도 결핍 영역에서의 증폭된 전기장(V/m)을 도시한 것으로, 좌측 및 아래는 거리를, 우측은 전기장(V/m)을 도시한 것이다. 여기서, 인가된 제1 전압의 크기는 7V이다.FIG. 3 is a diagram simulating the region Z1 of FIG. 2, where 110 is the main channel, 122 is the lower buffer solution channel, and 140 is the single nano channel of the first ion selective permeable membrane 140. As shown in the figure, (a) shows an ion depletion region having a low ion concentration generated on the main channel 110 side by a first voltage applied across the first ion selective permeable membrane 140. Distance, the right side represents the cation concentration, (b) shows the amplified electric field (V / m) in the ion concentration deficiency region generated on the main channel 110 side, the left and bottom represents the distance, The right side shows the electric field (V / m). Here, the magnitude of the applied first voltage is 7V.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 메인 채널(110)의 제1 이온 농도 결핍 영역(후술하는 도 4a의 IDZ1 참조)에서는 낮은 이온 농도로 인해 전기장이 증폭됨을 알 수 있으며, 이러한 전기장은 후술하는 바와 같이 세포를 용해하는데 이용될 수 있다.As shown in (b) of FIG. 3, it can be seen that the electric field is amplified by the low ion concentration in the first ion concentration deficient region of the main channel 110 (see IDZ1 in FIG. 4A described later). It can be used to lyse cells as described below.

한편, 도 4a는 도 2의 영역 A를 도시한 확대도이다.4A is an enlarged view of the area A of FIG. 2.

도 4a에서 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제1 완충 용액 채널(121, 122)를 통해 제1 이온 선택적 투과막(140)의 양단에 제1 전압이 인가되면 이온 농도 분극 현상으로 인해 제1 이온 농도 결핍 영역(IDZ1)이 형성될 수 있으며, 제1 이온 농도 결핍 영역(IDZ1)에서의 증폭된 전기장으로 인해 메인 채널(110)을 통해 이동되는 세포(C1)는 제1 이온 농도 결핍 영역(IDZ1)에서 용해될 수 있다.As shown in FIG. 4A, when a first voltage is applied to both ends of the first ion selective permeation membrane 140 through the pair of first buffer solution channels 121 and 122, the first ion is caused by the ion concentration polarization phenomenon. The concentration deficient region IDZ1 may be formed, and the cell C1 that is moved through the main channel 110 due to the amplified electric field in the first ion concentration deficient region IDZ1 may have a first ion concentration deficient region IDZ1. Can be dissolved).

한편, 도 4b는 도 4a의 제1 이온화 영역(IDZ1)에서의 세포 용해 과정을 설명하기 위한 도면이다(기준자(scale bar)는 100㎛). 세포 내부에 존재하는 녹색 형광 단백질(Green Fluorescent Protein, GFP)이 세포막 용해 이후 주변 환경으로 흩어지는 과정으로, (a)는 세포 용해 전, (b)는 용해 중인 세포를, (c)는 세포가 완전히 용해된 상태를, (d)는 세포가 완전히 용해된 후의 핵을 도시하고 있다. 4B is a diagram for explaining a cell lysis process in the first ionization region IDZ1 of FIG. 4A (scale bar is 100 μm). Green Fluorescent Protein (GFP) inside the cell is dispersed in the surrounding environment after membrane lysis. (A) before lysis, (b) lysing cells, and (c) In the fully lysed state, (d) shows the nucleus after the cells are completely lysed.

제1 이온 농도 결핍 영역(IDZ1)의 제1 이온 선택적 투과막(140)에 인가된 제1 전압은 130V이며, 제2 이온 농도 결핍 영역(IDZ2)의 제2 이온 선택적 투과막(150)에 인가된 제2 전압은 0V로 하였다.The first voltage applied to the first ion selective permeable membrane 140 of the first ion concentration deficient region IDZ1 is 130V and the second ion selective permeable membrane 150 of the second ion concentration deficient region IDZ2 is applied. The obtained second voltage was 0V.

도 4b의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 이온화 영역(IDZ1)에서 세포의 세포막이 용해되어 세포 내부에 들어있던 녹색 형광 단백질이 주변으로 흩어짐을 알 수 있고, 세포핵(nucleus)은 용해되지 않고 세포가 있던 자리에 남게 됨을 알 수 있다.As shown in (a) to (d) of Figure 4, the cell membrane of the cell is dissolved in the first ionization region (IDZ1) it can be seen that the green fluorescent protein contained in the cell is scattered around the nucleus (nucleus) ) Does not dissolve and remains where the cells were.

한편, 도 4c는 도 4b의 세포 용해 과정에서 용해된 세포막 파편이 제1 이온 선택적 투과막에 부착되는 것을 도시한 것이다(기준자(scale bar)는 200㎛).On the other hand, Figure 4c shows that the cell membrane fragments dissolved in the cell lysis process of Figure 4b is attached to the first ion-selective permeable membrane (scale bar 200㎛).

도 4c에 도시된 바와 같이, 세포 용해 과정에서 용해된 세포막 파편(cell membrane debris)은 제1 이온 선택적 투과막의 표면에만 부착되고 있음을 알 수 있다. 상술한 세포 용해 과정은 대략 2000개의 세포에 대해 30분간 진행하였으며, 이러한 세포막 파편의 부착으로 인한 장치의 성능 저하는 일어나지 않았다.As shown in FIG. 4C, it can be seen that the cell membrane debris dissolved during the cell lysis process is attached only to the surface of the first ion selective permeable membrane. The cell lysis procedure described above proceeded for approximately 2000 cells for 30 minutes, and no deterioration of the device due to adhesion of such membrane debris occurred.

한편, 도 4d는 제1 전압의 크기를 증가시킬 경우 세포내의 핵막까지도 용해될 수 있음을 도시한 것으로(기준자(scale bar)는 100㎛), (a)는 세포 용해 후의 핵막을, (b) 세포 용해 후에 핵막이 소실된 핵을, (c)는 핵 내의 성분들이 분리 배출부내의 격벽(112a)에 걸려있는 상태를 도시하고 있다.On the other hand, Figure 4d shows that even if the increase in the magnitude of the first voltage can also dissolve the nuclear membrane in the cell (scale bar is 100㎛), (a) is a nuclear membrane after cell lysis, (b (C) shows the state in which the nuclear membrane is missing after cell lysis, and the components in the nucleus are hung on the partition wall 112a in the separation outlet.

도 4d에 도시된 바와 같이, 제1 전압의 크기를 증가시킬 경우 세포막(cell membrane) 외에 핵막(nuclear envelope)까지도 용해될 수 있음을 알 수 있다. 인가된 제1 전압의 크기는 대략 200V 정도이다.As shown in FIG. 4D, when the magnitude of the first voltage is increased, it may be understood that even a nuclear envelope may be dissolved in addition to the cell membrane. The magnitude of the applied first voltage is approximately 200V.

도 5는 도 2의 영역 B를 도시한 확대도이다. FIG. 5 is an enlarged view illustrating region B of FIG. 2.

도 5에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 제2 완충 용액 채널(131, 132)을 통해 제2 이온 선택적 투과막(150) 양단에 제2 전압을 인가하면, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 제2 이온 농도 결핍 영역(IDZ2)이 형성되며, 제2 이온 농도 결핍 영역(IDZ2)에서는 용해된 세포의 세포내 성분들(C)이 전기 영동 이동도에 따라 분리될 수 있다.As shown in FIG. 5, when a second voltage is applied across the second ion selective permeation membrane 150 through a pair of second buffer solution channels 131 and 132, the ion concentration by the applied second voltage Due to the polarization phenomenon, the second ion concentration deficient region IDZ2 is formed, and in the second ion concentration deficient region IDZ2, intracellular components C of the lysed cells may be separated according to electrophoretic mobility.

구체적으로, 제1 이온 농도 결핍 영역에서 용해된 세포의 세포내 성분들(C)을 포함하는 유체는 메인 채널(110)을 통해 제2 이온 농도 결핍 영역(IDZ2)로 이동하게 되며, 이때 유체 집속용 용액 유입 통로(111)에서 공급되는 완충 용액에 의해 용해된 세포의 세포내 성분들(C)은 메인 채널(110)의 한쪽 벽면으로 집중될 수 있다. Specifically, the fluid containing the intracellular components (C) of the cells lysed in the first ion concentration deficiency region is moved to the second ion concentration deficiency region (IDZ2) through the main channel 110, where the fluid concentration Intracellular components C of cells lysed by the buffer solution supplied from the solution solution inflow passage 111 may be concentrated on one wall of the main channel 110.

이후 용해된 세포의 세포내 성분들(C)은 제2 이온 농도 결핍 영역(IDZ2)에서는 전기 영동 이동도에 따라 메인 채널(110)의 벽면으로부터 전기적인 반발력을 받게 되며, 전기 영동 이동도가 클수록 벽면으로부터의 반발 거리가 멀어지게 된다. 이를 통해 용해된 세포의 세포내 성분들(C)이 포집되어 격벽(112a)에 의해 구획된 분리 배출부(112)를 통해 배출될 수 있다.The intracellular components (C) of the lysed cells are then subjected to electrical repulsion from the wall of the main channel 110 in accordance with the electrophoretic mobility in the second ion concentration deficient region (IDZ2), the greater the electrophoretic mobility The distance of repulsion from the wall becomes far. In this way, intracellular components C of the lysed cells are collected and discharged through the separation discharge part 112 partitioned by the partition wall 112a.

마지막으로, 도 6은 도 2의 영역 B에서 전기 영동 이동도를 다르게 만든 형광 단백질의 분리를 도시한 것으로(기준자(scale bar)는 200㎛), GFP(Green Fluorescent Protein)는 녹색 형광 단백질을, RFP(Red Fluorescent Protein)는 적색 형광 단백질을 의미하며, (a)는 GFP의 전기 영동 이동도(EP mobility)를 RFP의 전기 영동 이동도보다 크게 만든 경우를, (b)는 RFP의 전기 영동 이동도를 GFP의 전기 영동 이동도보다 크게 만든 경우이다.Finally, FIG. 6 shows the separation of fluorescent proteins with different electrophoretic mobilities in region B of FIG. 2 (scale bar is 200 μm), and Green Fluorescent Protein (GFP) is used for green fluorescent protein. Red Fluorescent Protein (RFP) refers to a red fluorescent protein, (a) shows that the electrophoretic mobility of GFP is greater than the electrophoretic mobility of RFP, and (b) the electrophoresis of RFP. This is the case when the mobility is made larger than the electrophoretic mobility of GFP.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, GFP의 전기 영동 이동도(EP mobility)가 RFP의 전기 영동 이동도보다 크기 때문에, GFP가 RFP에 비해 메인 채널의 벽면으로부터 반발 거리가 더 커서 GFP와 RFP를 잘 분리할 수 있음을 알 수 있다.As shown in (a) of FIG. 6, since the electrophoretic mobility of the GFP is greater than the electrophoretic mobility of the RFP, the GFP has a larger repulsion distance from the wall of the main channel than the RFP. It can be seen that RFP can be separated well.

마찬가지로, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, RFP의 전기 영동 이동도(EP mobility)가 GFP의 전기 영동 이동도보다 크기 때문에, RFP가 GFP에 비해 메인 채널의 벽면으로부터 반발 거리가 더 커서 GFP와 RFP를 잘 분리할 수 있음을 알 수 있다.Similarly, as shown in FIG. 6 (b), since the electrophoretic mobility of the RFP is greater than the electrophoretic mobility of the GFP, the RFP has a larger repulsion distance from the wall of the main channel than the GFP. It can be seen that GFP and RFP can be separated well.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 메인 채널에 제1 이온 선택적 투과막 및 제2 이온 선택적 투과막을 순차로 구비하고, 제1 이온 선택적 투과막의 제1 이온 농도 결핍 영역에서는 증폭된 전기장을 이용하여 세포를 용해하고, 제2 이온 선택적 투과막의 제2 이온 농도 결핍 영역에서는 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리함으로써, 하나의 장치 내에서 세포의 용해와 용해된 세포의 세포내 성분들(예컨대, 단백질, DNA, 세포소기관 등)의 분리를 동시에 수행할 수 있다.As described above, according to the exemplary embodiment of the present invention, the main channel includes a first ion selective permeable membrane and a second ion selective permeable membrane sequentially, and is amplified in the first ion concentration deficient region of the first ion selective permeable membrane. Cells are lysed and lysed in one device by lysing the cells using an electric field and separating the intracellular components of the lysed cells according to electrophoretic mobility in the second ion concentration deficient region of the second ion selective permeable membrane. Isolation of intracellular components of cells (eg, proteins, DNA, organelles, etc.) can be performed simultaneously.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 장치 내부에 전극을 설치할 필요가 없기 때문에 제작이 용이하고 전기분해에 의한 기포 문제로부터 비교적 자유로우며, 구동이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라 세포를 분석하는 전체 과정을 하나의 장치 내에서 구현할 수 있어 그 활용도가 매우 높다.Moreover, according to one embodiment of the present invention, since it is not necessary to provide an electrode inside the apparatus, it is easy to manufacture, relatively free from the bubble problem by electrolysis, and has the advantage of being easy to drive. In addition, the entire process of cell analysis can be implemented in a single device, which is very useful.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It is intended to limit the scope of the claims by the appended claims, and that various forms of substitution, modification and change can be made without departing from the spirit of the present invention as set forth in the claims to those skilled in the art. Will be self explanatory.

101: 기판
102: 챔버
100: 다기능 미세 유체 장치의 모식도
200: 다기능 미세 유체 장치의 절단 평면도
110: 메인 채널
111: 유체 집속용 용액 유입 통로
112: 분리 배출부
112a: 격벽
121, 122: 한 쌍의 제1 완충 용액 채널
131, 132: 한 쌍의 제2 완충 용액 채널
140: 제1 이온 선택적 투과막
150: 제1 이온 선택적 투과막
IDZ1: 제1 이온 농도 결핍 영역
IDZ2: 제2 이온 농도 결핍 영역101: substrate
102: chamber
100: Schematic diagram of the multifunctional microfluidic device
200: cutting top view of the multifunctional microfluidic device
110: main channel
111: fluid inlet passage for fluid concentrating
112: separation outlet
112a: bulkhead
121, 122: pair of first buffer solution channels
131, 132: pair of second buffer solution channels
140: first ion selective permeable membrane
150: first ion selective permeable membrane
IDZ1: first ion concentration deficiency region
IDZ2: second ion concentration deficiency region

Claims (9)

세포를 포함하는 유체가 통과하는 메인 채널;
상기 메인 채널을 따라 상기 메인 채널과 분리되어 상기 메인 채널의 양측에 인접하게 구비된 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 및 한 쌍의 제2 완충 용액 채널;
상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 연결하며 상기 세포를 용해하는 제1 이온 선택적 투과막과, 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 연결하며 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 분리하는 제2 이온 선택적 투과막을 구비한 고분자 전해질막; 및
상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 통해 상기 제1 이온 선택적 투과막 양단에 제1 전압을 인가하는 제1 전극 유닛과, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 통해 상기 제2 이온 선택적 투과막 양단에 제2 전압을 인가하는 제2 전극 유닛을 구비한 전극 유닛;
을 포함하는, 다기능 미세 유체 장치.
A main channel through which the fluid containing the cells passes;
A pair of first buffer solution channels and a pair of second buffer solution channels which are separated from the main channel along the main channel and adjacent to both sides of the main channel;
A first ion selective permeable membrane connecting the main channel and the pair of first buffer solution channels to lyse the cells, and connecting the main channel and the pair of second buffer solution channels to each other A polymer electrolyte membrane having a second ion selective permeation membrane for separating intracellular components; And
A first electrode unit applying a first voltage across the first ion selective permeable membrane through the pair of first buffer solution channels, and the second ion selective permeable membrane through the pair of second buffer solution channels An electrode unit having a second electrode unit for applying a second voltage at both ends;
Including, multifunctional microfluidic device.
제1항에 있어서,
상기 제1 이온 선택적 투과막은,
인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역에서 증폭된 전기장을 이용하여 상기 세포를 용해하는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The first ion selective permeable membrane,
A multifunctional microfluidic device for lysing said cells using an electric field amplified in a first ion concentration deficiency region formed due to ion concentration polarization caused by an applied first voltage.
제1항에 있어서,
상기 제2 이온 선택적 투과막은,
인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제2 이온 농도 결핍 영역에서 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리하는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The second ion selective permeable membrane,
A multifunctional microfluidic device for separating intracellular components of lysed cells according to electrophoretic mobility in a second ion concentration deficiency region formed due to ion concentration polarization caused by an applied second voltage.
제1항에 있어서,
상기 제1 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 직교하도록 제공되며,
상기 제2 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 경사지도록 제공되는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The first ion selective permeable membrane is provided to be orthogonal to the main channel,
And the second ion selective permeable membrane is provided to be inclined to the main channel.
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널은, 상기 메인 채널을 중심으로 상기 메인 채널의 양측에 대칭되도록 배치되며,
상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널은, 상기 메인 채널을 중심으로 상기 메인 채널의 양측에 비대칭 되도록 배치되는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The pair of first buffer solution channels are arranged to be symmetrical to both sides of the main channel about the main channel,
And the pair of second buffer solution channels are arranged asymmetrically on either side of the main channel about the main channel.
제1항에 있어서,
상기 다기능 미세 유체 장치는,
상기 제2 이온 선택적 투과막에 의해 분리된 세포내 성분들이 포집되어 배출되는, 격벽에 의해 구획된 분리 배출부;
를 더 포함하는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The multifunctional microfluidic device,
A separate discharge part partitioned by a partition wall, in which intracellular components separated by the second ion selective permeable membrane are collected and discharged;
Further comprising, multifunctional microfluidic device.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 유닛은,
상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 중 상부 완충 용액 채널에 인가되는 양극 전극과,
상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 중 하부 완충 용액 채널에 인가되는 접지 전극을 포함하며,
상기 제2 전극 유닛은,
상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널 중 상부 완충 용액 채널에 인가되는 양극 전극과,
상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널 중 하부 완충 용액 채널에 인가되는 접지 전극을 포함하는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The first electrode unit,
An anode electrode applied to an upper buffer solution channel of the pair of first buffer solution channels;
A ground electrode applied to a lower buffer solution channel of the pair of first buffer solution channels,
The second electrode unit,
An anode electrode applied to an upper buffer solution channel of the pair of second buffer solution channels;
And a ground electrode applied to a lower buffer solution channel of the pair of second buffer solution channels.
제1항에 있어서,
상기 다기능 미세 유체 장치는,
상기 메인 채널로부터 경사지게 구비되어 완충 용액이 투입되는 유체 집속용 용액 유입 통로를 더 포함하는, 다기능 미세 유체 장치.
The method of claim 1,
The multifunctional microfluidic device,
A multifunctional microfluidic device further comprising a fluid inflow passage for inclining the main channel to inject a buffer solution.
세포를 포함하는 유체가 통과하는 메인 채널;
상기 메인 채널을 따라 상기 메인 채널과 분리되어 상기 메인 채널의 양측에 인접하게 구비된 한 쌍의 제1 완충 용액 채널 및 한 쌍의 제2 완충 용액 채널;
상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 연결하며 상기 세포를 용해하는 제1 이온 선택적 투과막과, 상기 메인 채널과 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 연결하며 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 분리하는 제2 이온 선택적 투과막을 구비한 고분자 전해질막; 및
상기 한 쌍의 제1 완충 용액 채널을 통해 상기 제1 이온 선택적 투과막 양단에 제1 전압을 인가하는 제1 전극 유닛과, 상기 한 쌍의 제2 완충 용액 채널을 통해 상기 제2 이온 선택적 투과막 양단에 제2 전압을 인가하는 제2 전극 유닛을 구비한 전극 유닛;을 포함하며,
상기 제1 이온 선택적 투과막은, 인가된 제1 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제1 이온 농도 결핍 영역에서 증폭된 전기장을 이용하여 상기 세포를 용해하고,
상기 제2 이온 선택적 투과막은, 인가된 제2 전압에 의한 이온 농도 분극 현상으로 인해 형성되는 제2 이온 농도 결핍 영역에서 상기 용해된 세포의 세포내 성분들을 전기 영동 이동도에 따라 분리하며,
상기 제1 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 직교하도록 제공되며,
상기 제2 이온 선택적 투과막은, 상기 메인 채널에 경사지도록 제공되는, 다기능 미세 유체 장치.A main channel through which the fluid containing the cells passes;
A pair of first buffer solution channels and a pair of second buffer solution channels separated from the main channel along the main channel and adjacent to both sides of the main channel;
A first ion selective permeable membrane connecting the main channel and the pair of first buffer solution channels to lyse the cells, and connecting the main channel and the pair of second buffer solution channels to each other A polymer electrolyte membrane having a second ion selective permeation membrane separating the intracellular components; And
A first electrode unit for applying a first voltage across the first ion selective permeable membrane through the pair of first buffer solution channels, and the second ion selective permeable membrane through the pair of second buffer solution channels It includes; the electrode unit having a second electrode unit for applying a second voltage at both ends;
The first ion selective permeable membrane dissolves the cells using an electric field amplified in a first ion concentration deficient region formed due to ion concentration polarization caused by an applied first voltage,
The second ion selective permeable membrane separates intracellular components of the lysed cells according to electrophoretic mobility in a second ion concentration deficient region formed due to ion concentration polarization caused by an applied second voltage.
The first ion selective permeable membrane is provided to be orthogonal to the main channel,
And the second ion selective permeable membrane is provided to be inclined to the main channel.
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