KR20210032704A - 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스, 이를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템, 및 이의 방법 - Google Patents
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Abstract
드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스가 개시된다. 상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스는, 2개의 드롭렛을 생성하는 드롭렛 발생 채널, 상기 2개의 드롭렛의 각각의 내부 물질들을 혼합하는 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널, 및 상기 2개의 드롭렛을 2 종류의 드롭렛으로 분리하는 드롭렛 분리 채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 시료 분석 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용하여 표면증강라만 산란 신호를 동시에 측정하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
최근 소형 마이크로플루이딕 디바이스(microfluidic device)를 이용하여 미량 시료를 자동으로 분석할 수 있는 다양한 기술들이 개발되고 있다. 특히, 최근 개발된 표면증강라만 측정기술을 이용하면 마이크로플루이딕 칩에서 흐르는 유체의 고감도 정량분석이 가능하며, 나노입자의 앙상블 효과(ensemble-averaged effect)에 의하여 측정 재현성 또한 증진시킬 수 있다.
즉, 표면증강라만산란 신호 측정은 나노입자들의 응집정도에 따라 측정의 감도와 재현성이 결정되는데, 시간에 따른 나노입자의 응집상태를 직접 제어하는 것은 매우 어렵기 때문이다. 따라서, 마이크로플루이딕 디바이스를 통하여 나노입자 용액과 시료 용액을 정밀하게 설계된 채널을 통해 균일하게 혼합한 다음, 혼합된 유체가 흐르는 채널에 레이저 고정하여 일정시간동안 모아진 표면증강라만산란 평균 신호를 측정함으로써 측정 감도와 재현성을 증진시킬 수 있다.
그러나, 유체의 흐름을 제어하기 위하여 사용하는 펌프의 맥동과 라만 측정을 위한 레이저 주사 환경 등의 변화에 따라 측정 결과가 달라지는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 디바이스 내부에서 표준 신호와 시료 신호를 구분하여 측정할 수 있는 새로운 분석 기술이 요구되고 있다. 또한, 이를 통해 측정 결과의 정확성과 재현성을 획기적으로 높일 필요성이 요구되고 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 일련의 분석과정을 연속적으로 수행할 수 있으며 다양한 시료의 분석 환경과 장비의 상태 등에 따른 보정을 간편하게 수행할 수 있는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 디바이스 내부에서 표준 신호와 시료 신호를 구분하여 측정할 수 있는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 일련의 분석과정을 연속적으로 수행할 수 있으며 다양한 시료의 분석 환경과 장비의 상태 등에 따른 보정을 간편하게 수행할 수 있는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 제공한다.
상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스는,
2개의 드롭렛을 생성하는 드롭렛 발생 채널;
상기 2개의 드롭렛의 각각의 내부 물질들을 혼합하는 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널; 및
상기 2개의 드롭렛을 2 종류의 드롭렛으로 분리하는 드롭렛 분리 채널;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 드롭렛 발생 채널(은 상기 2개의 드롭렛을 운반하는 제 1 운반 액체의 주입을 위한 제 1 운반 액체 주입로와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 운반 액체는 소수성 액체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 드롭렛 발생 채널은 상기 2개의 드롭렛을 위한 2개의 시료를 각각 주입하는 제 1 시료 주입부 및 제 2 시료 주입부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2개의 시료는 보정 신호를 제공하는 제 1 금나노로 이루어진 제 1 시료 및 측정 신호를 제공하는 제 2 금나노, 마이크로 자성입자, 분석물질로 이루어진 제 2 시료인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 금나노는 제 1 표지 물질들이 표면에 부착되며, 상기 제 2 금나노는 제 2 표지 물질들이 표면에 부착되며 타깃물질에 선택적으로 반응하는 제 1 리셉터들이 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로 자성입자는 표면에 타깃 물질과 결합하는 제 2 리셉터들이 표면에 부착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 금나노 및 제 2 금나노는 구형 형상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 드롭렛 분리 채널의 일측에는 상기 자성입자의 존재여부에 따라 상기 2 종류의 드롭렛으로 분리하기 위한 상기 자석 박스가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널은 굴곡이 짧게 반복되는 제 1 구간 및 굴곡이 상기 제 1 구간의 굴곡보다 길게 반복되는 제 2 구간으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 혼합 유도 채널은 상기 2개의 드롭렛을 미리 설정되는 간격으로 조절하기 위한 제 2 운반 액체를 주입하는 제 2 운반 액체 주입로와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 운반 액체는 친수성 액체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 드롭렛 분리 채널은 분리된 2 종류의 드롭렛 중 하나를 유도하는 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널 및 분리된 2 종류의 드롭렛 중 나머지 하나를 유도하는 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널 중 어느 하나에는 2개의 드롭렛의 신호를 동시에 수집하는 광신호 측정부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2개의 드롭렛의 신호는 단일 광신호 스펙트럼으로 획득되며, 상기 2개의 드롭렛의 신호 중 하나는 보정신호이고 나머지 하나는 측정 신호로 구분되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널의 말단 각각은 2개의 드롭렛을 배출하는 배출구에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 2개의 드롭렛은 교차로 생성되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스; 상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스에 설치되어 미리 설정되는 일정 시간 동안 드롭렛들의 신호를 수집하는 광신호 측정부; 수집된 수집 신호를 처리하여 단일 신호 스펙트럼상 라만 신호량을 획득하는 신호 처리부; 및 상기 라만 신호량을 이용하여 신호 보정을 하는 분석부;를 포함하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스에 설치되는 광신호 측정부가 미리 설정되는 일정 시간 동안 드롭렛들의 신호를 수집하는 단계; (b) 신호 처리부가 수집된 수집 신호를 처리하여 단일 신호 스펙트럼상 라만 신호량을 획득하는 단계; 및 (c) 분석부(1020)가 상기 라만 신호량을 이용하여 신호 보정을 하는 단계;를 포함하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 별도의 보정을 위한 분석 과정을 수행하지 않고도 정확한 분석 결과를 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 현장진단에서 이용되는 소형 측정시스템의 가변적 환경에 대응할 수 있는 표면증강라만산란 기반 진단/분석 디바이스로의 응용이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 해당 디바이스를 통해 얻어지는 보정신호와 분석신호를 하나의 스펙트럼으로 얻어 분리 분석을 수행하며, 이를 통해 진단의 재현성과 정확성을 증진시킬 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보정 신호와 측정 신호를 한 채널에서 동시에 측정할 수 있는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스의 채널 구성을 보여주는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 표면증강 라만신호를 낼 수 있는 금 나노입자들의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금나노 신호의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리셉터가 부착되는 마이크로 자성입자의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 타깃물질에 의하여 금나노와 마이크로 자성입자가 타깃물질-리셉터 결합을 통하여 복합체를 구성하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛을 교차로 발생시키는 교차 드롭렛 발생 채널의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 분리 채널의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛의 신호를 수집하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 보정 신호 및 측정 신호로 구분하여 분석하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템의 구성 블럭도이다.
도 11 및 12는 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용하여 라만 신호를 측정하고, 이를 보정하여 정량 분석하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 표면증강 라만신호를 낼 수 있는 금 나노입자들의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금나노 신호의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리셉터가 부착되는 마이크로 자성입자의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 타깃물질에 의하여 금나노와 마이크로 자성입자가 타깃물질-리셉터 결합을 통하여 복합체를 구성하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛을 교차로 발생시키는 교차 드롭렛 발생 채널의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 분리 채널의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛의 신호를 수집하는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 보정 신호 및 측정 신호로 구분하여 분석하는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템의 구성 블럭도이다.
도 11 및 12는 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용하여 라만 신호를 측정하고, 이를 보정하여 정량 분석하는 과정을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, “및/또는”은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다” 및/또는 “구성된다”는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등의 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 대해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스, 이를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템, 및 이의 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 보정 신호와 측정 신호를 한 채널에서 동시에 측정할 수 있는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)의 채널 구성을 보여주는 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)는, 드롭렛 발생 채널(130), 제 1 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2), 드롭렛 분리 채널(180), 제 1 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1,150-2), 배출구(170) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
친수성 용액 시료의 드롭렛을 발생시키기 위해서 무극성(또는 소수성) 운반 액체 주입로(110-1)를 통해 무극성 운반 액체가 주입된다. 드롭렛 발생 채널(130)에서 무극성 운반 액체의 유압과 제 1 및 제 2 시료 주입부(120-1,120-2)의 유압 변차에 의해 제 1 시료 주입부(120-1)와 제 2 시료 주입부(120-2)에서 주입된 친수성 용액의 드롭렛이 교차로 발생하여 흐르게 된다. 제 1 및 제 2 시료 주입부(120-1,120-2)는 각각 제 1 시료(즉 금나노1) 및 제 2 시료(즉, 금나노2, 자성입자, 분석물질)를 주입하는 기능을 수행한다.
제 1 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2)에서는 진행되는 드롭렛 내부의 물질들을 효율적으로 혼합하기 위하여 드롭렛들이 굽어진 채널을 연속적으로 통과하는 구조로 설계된다. 부연하면, 제 1 혼합 유도 채널(140-1)은 굴곡이 짧게 반복되는 제 1 구간(140-1-1)과 굴곡이 제 1 구간보다 길게 반복되는 제 2 구간(140-1-2)으로 구성될 수 있다. 이와 유사하게, 제 2 혼합 유도 채널(140-2)도 굴곡이 짧게 반복되는 제 1 구간 및 굴곡이 길게 반복되는 제 2 구간으로 구성될 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2)는 직결로 연결된다. 즉, 제 1 혼합 유도 채널(140-1)의 말단에 제 2 혼합 유도 채널(140-2)의 입구부가 연결된다.
이때, 제 2 혼합 유도 채널(140-2)은 2개의 드롭렛을 미리 설정되는 간격으로 조절하기 위한 간격 조절용 운반 액체를 주입하는 간격 조절용 운반 액체 주입로(110-2)와 연결될 수 있다.
드롭렛 분리 채널(180)의 일측에는 드롭렛 내부에 있는 자성입자, 잔여 물질 등에 따라 2 종류의 드롭렛으로 분리된다. 이를 위해 자석(191)이 구비되는 자석박스(190)가 설치된다. 즉, 고정된 자석(191)에 의해 두 종류의 드롭렛으로 분리되어 흐를 수 있도록 설계된다.
분리된 드롭렛은 두 종류의 드롭렛이 교차형태로 광신호 측정부(160)를 지나게 되며 광신호 측정부(160)에서는 교차로 진행하는 드롭렛들의 신호를 동시에 수집한다. 도 1에서는 광신호 측정부(160)가 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1)에 설치되는 것으로 도시하였으나, 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2)에 설치될 수도 있다. 물론, 양쪽 채널(150-1,150-2) 모두에 설치될 수도 있다.
이 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)는 2개의 서로 다른 시료의 드롭렛 신호를 동시에 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 칩 내부의 작동부에 의하여 자성입자 기반의 복합체를 분리하여 별도의 시료 정화 과정 없이 검출이 가능하다.
또한, 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1) 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2) 의 말단 각각은 2개의 드롭렛을 배출하는 배출구(170)에 연결될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 표면증강 라만신호를 낼 수 있는 금 나노입자들의 개념도이다. 도 2를 참조하면, 서로 다른 성질(소수성과 친수성)을 가지는 두 운반 액체의 흐름을 통하여 구현되는 드롭렛 (droplet) 디바이스에서는 생성되는 각 친수성 드롭렛이 생화학 반응계로 이용될 수 있다. 서로 다른 표면증강라만산란 신호를 가지는 금 나노입자 복합체를 각각 합성하고, 두 종류의 금 나노입자가 각각의 독립적인 드롭렛을 형성할 수 있도록 채널이 형성된다. 부연하면, 측정하고자 하는 타깃 물질을 분석할 수 있는 시료 주입부(120-1,120-2)에 주입되는 시료들의 구성물질들이 도 2에 도시된다.
표면증강 라만신호를 낼 수 있는 금 나노입자들로 각각 금 나노입자에는 서로 다른 표지물질(210,220)이 부착된다. 제 1 금나노(201)는 보정 신호를 제공하며 제 1 시료 주입부(120-1)로 주입된다. 제 2 금나노(202)는 측정 신호를 제공하고 시료에 선택적으로 반응할 수 있는 리셉터(230)가 부착되어 있으며 제 2 시료 주입부(120-2)로 주입된다. 각각의 금 나노입자는 신호를 분리하여 분석할 수 있으며 형태는 수십nm 직경의 구형이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 금나노 신호의 개념도이다. 도 3을 참조하면, 금나노1 신호는 제 1 금나노 신호를 나타내고, 금나노2 신호는 제 2 금나노 신호를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리셉터가 부착되는 마이크로 자성입자(410)의 개념도이다. 도 4를 참조하면, 제 2 시료 주입부(120-2)에 주입된 시료 용액으로부터 타깃 물질을 분리하기 위한 마이크로 자성입자(410)로 리셉터(430)가 부착되어 있다. 마이크로 자성입자(4120)의 형태는 수 μm의 직경을 가지는 구형 물질이 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 타깃물질에 의하여 제 2 금나노(202)와 마이크로 자성입자(410)가 타깃물질-리셉터 결합을 통하여 복합체를 구성하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 타깃물질(510)에 의하여 제 2 금나노(202)와 마이크로 자성입자(410)가 타깃물질-리셉터 결합을 통하여 타깃 물질-리셉터 결합 기반 복합체(500)를 구성하는 도면이다. 이 복합체는 제 2 시료 주입부(120-2)에 의해 발생된 드롭렛 내부에서 형성되어 디바이스에 설치된 자석(191)에 의해 분리된다. 타깃물질은 질병진단에 이용되는 바이오마커 단백질 물질이며, 표지물질은 금나노입자가 특성적인 나노플라즈모닉 시그널을 발광하게 하는 리퍼터 화합물이다. 타겟물질 (항원)과 리셉터1 (항체)는 일반적인 항원-항체 반응에 의하여 결합한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛을 교차로 발생시키는 교차 드롭렛 발생 채널의 개념도이다. 도 6을 참조하면, 드롭렛을 교차로 발생시키는 교차 드롭렛 발생 채널로 앞서 도 1에서 설명한 바와 같이, 무극성 운반 액체 주입로(110-1)를 통해 주입된 무극성 운반 액체의 유압과 시료 주입부(120-1,120-2)의 유압 변차에 의해 제 1 시료 주입부(120-1)과 제 2 시료 주입부(120-2)에서 주입된 친수성 용액의 드롭렛을 교차로 발생시켜 제 1 드롭렛(160-1)과 제 2 드롭렛(160-2)이 교차로 생성된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 분리 채널(180)의 개념도이다. 도 7을 참조하면, 드롭렛 분리 채널(도 1의 180)로 자석(191)에 의해 제 2 금나노(도 2의 202)와 타깃물질(도 5의 510), 마이크로 자성입자(도 4의 410)가 혼합된 주 드롭렛으로부터 타깃 물질-리셉터 결합 기반 복합체(500)를 자석(191)에 의해 분리한다. 이후, 드롭렛을 2 갈래의 채널로 쪼갠 다음, 검출 드롭렛과 비검출 드롭렛으로서 분리하여 진행할 수 있도록 하는 채널 구조이다. 진행된 드롭렛은 검출 드롭렛과 비검출 드롭렛으로 나뉘며, 검출 드롭렛에는 복합체(500)를 형성하지 않고 남아 있는 반응 여액이 존재하며 반응 여액에 남아 있는 제 2 금나노(202)의 신호를 측정한다. 제 1 금나노(201)가 포함된 드롭렛은 자성입자가 없기 때문에 검출, 비검출 드롭렛 모두 같은 상태로 진행된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛의 신호를 수집하는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 광신호 측정부(810)의 한쪽에 레이저를 고정하여 일정시간동안 드롭렛 들의 신호를 수집한다. 드롭렛의 신호를 수집하는 동안 드롭렛들은 제 1 드롭렛과 제 2 드롭렛이 교차로 진행하게 되며 측정되는 신호는 동시에 획득된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 보정 신호 및 측정 신호로 구분하여 분석하는 개념도이다. 도 9를 참조하면, 획득한 신호는 단일 신호 스펙트럼으로 얻어지며 스펙트럼의 제 1 금나노 및 제 2 금나노로부터 오는 고유의 피크(peak)로부터 보정 신호(신호 1)과 측정 신호(신호 2)로 구분하여 분석한다. 보정 신호 대비 측정 신호의 변화량을 통해 검출의 재현성과 정확성을 증진시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템(1000)의 구성 블럭도이다. 도 10을 참조하면, 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템(1000)은 일정시간동안 드롭렛 들의 신호를 수집하는 광신호 측정부(160), 수집된 수집 신호를 처리하여 단일 신호 스펙트럼상 라만 신호량을 획득하는 신호 처리부(1010), 및 상기 라만 신호량을 이용하여 신호 보정을 하는 보정부(1020) 등으로 구성될 수 있다.
도 9에 기재된 신호 처리부(160), 보정부(1020)는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 11 및 12는 본 발명의 일실시예에 따른 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용하여 라만 신호를 측정하고, 이를 보정하여 정량 분석하는 과정을 나타내는 흐름도이다. 도 11을 먼저 참조하면, 제 1 및 제 2 시료 주입부(120-1,120-2)를 통해 각각 제 1 시료(즉 금나노1) 및 제 2 시료(즉, 금나노 2, 자성입자, 분석물질(즉, 타깃물질))가 주입되고, 무극성 운반 액체 주입로(110-1)를 통해 운반 액체 주입이 이루어지면, 운반 액체에 의한 교차 드롭렛(드롭렛1,드롭렛2)이 생성된다(단계 S110,S1120-1,S1120-2,S1130,S1140).
이후, 제 1 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2)에 의해 각각 드롭렛1 및 드롭렛2에 대해 내부 물질 혼합이 진행되며, 드롭렛1에 대해서는 금나노1를 포함하므로 변화가 없고, 드롭렛2에 대해서는 복합체(500)가 형성된다(단계 S1150,S1160).
이후, 드롭렛 분리 채널(180)에서 자석에 의해 드롭렛2에 따른 복합체(500)를 분리한다(단계 S1170).
부연하면, 서로 다른 성질(소수성과 친수성)을 가지는 두 액체의 흐름을 통하여 구현되는 드롭렛 (droplet) 디바이스에서는 생성되는 각 친수성 드롭렛이 생화학 반응계로 이용될 수 있다. 서로 다른 표면증강라만산란 신호를 가지는 금 나노입자 복합체를 각각 합성하고, 두 종류의 금나노 입자가 각각의 독립적인 드롭렛을 형성된다. 드롭렛1에서는 우리가 원하는 분석 반응을 유도하고 교차로 형성된 드롭렛2에서는 표준 신호용 금 나노입자만이 주입되어 드롭렛1과 같은 구동 환경에 노출된다.
도 11을 참조하면, 단계 S1170이후, 비검출 드롭렛과 검출 드롭렛으로 분리되며, 검출 드롭렛은 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1)로 유입되고, 비검출 드롭렛은 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2)로 유입된다(단계 S1210,S1220). 비검출 드롭렛의 경우, 금나노1만 존재하는 비검출 드롭렛1과 금나노1과 복합체가 존재하는 비검출 드롭렛2로 구성될 수 있다. 검출 드롭렛의 경우, 금나노1만 존재하는 검출 드롭렛1과 금나노2만 존재하는 검출 드롭렛2로 구성될 수 있다.
이후, 광신호 측정부(160)가, 광신호 측정을 통해, 농도가 일정한 드롭렛1의 금나노1로부터 나오는 라만신호(internal standard)와 농도가 다른 분석물질로 인하여 농도가 변화되는 드롭렛2의 금나노2로부터 나오는 라만신호(시료 시그널)를 동시에 측정하면, 신호 처리부(1010)가 이를 통해 단일 신호 스펙트럼을 획득한다(단계 S1230,S1240).
이후, 분석부(1020)에서 단일 신호 스펙트럼상 신호1 및 신호2의 위치로부터 각각 라만 신호량1 및 라만 신호량2를 획득하고, 라만 신호량1과 라만 신호량2의 비율을 산출하여 신호 보정을 수행한다(단계 S1250-1,S1250-2,S1260). 신호 보정은 시료로부터 발생되는 금나노2의 신호세기를 internal standard 금나노1의 신호세기로 나눈 값을 사용하며 (I2/I1), 이를 통하여 주변 환경이나 기기 부품의 미세 변화에 의하여 발생되는 측정 오차를 보정할 수 있다.
라만신호(internal standard)의 시그널 세기를 이용하여 시료의 시그널을 측정할 때마다 보정함으로써 디바이스의 외적 요인(예, 검출기의 상태, 광원의 세기 등)의 변화를 최소화시켜 정확한 정량분석을 수행할 수 있게 한다.
부연하면, 해당 드롭렛들은 1체와 2체가 교차로를 통과한 다음 동일 채널에서 교차적으로 흐를 수 있도록 설계됨으로, 광신호 측정부(160)에서 레이저를 고정하여 일정 시간동안 신호를 수집하면 드롭렛1과 드롭렛2의 신호를 동시에 측정할 수 있다. 이와 같이 얻어진 라만 신호로부터 표준 신호와 시료 신호를 분리하여 측정한 다음 표준 신호를 이용하고 시료 신호를 보정하면 정확하고 재현성있는 라만 신호를 획득하는 것이 가능하다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스
110-1: 무극성 운반 액체 주입로
110-2: 간격 조절용 운반 액체 주입로
120-1: 제 1 시료 주입부
120-2: 제 2 시료 주입부
130: 드롭렛 발생 채널
140-1: 제 1 혼합 유도 채널
140-2: 제 2 혼합 유도 채널
150-1: 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널
150-2: 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널
160: 광신호 측정부
170: 배출구
180: 드롭렛 분리 채널
190: 자석 박스
191: 자석
110-1: 무극성 운반 액체 주입로
110-2: 간격 조절용 운반 액체 주입로
120-1: 제 1 시료 주입부
120-2: 제 2 시료 주입부
130: 드롭렛 발생 채널
140-1: 제 1 혼합 유도 채널
140-2: 제 2 혼합 유도 채널
150-1: 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널
150-2: 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널
160: 광신호 측정부
170: 배출구
180: 드롭렛 분리 채널
190: 자석 박스
191: 자석
Claims (16)
- 2개의 드롭렛을 생성하는 드롭렛 발생 채널(130);
상기 2개의 드롭렛의 각각의 내부 물질들을 혼합하는 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2); 및
상기 2개의 드롭렛을 2 종류의 드롭렛으로 분리하는 드롭렛 분리 채널(180);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 드롭렛 발생 채널(130)은 상기 2개의 드롭렛을 운반하는 제 1 운반 액체의 주입을 위한 제 1 운반 액체 주입로(110-1)와 연결되며, 상기 제 1 운반 액체는 소수성 액체인 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 드롭렛 발생 채널(130)은 상기 2개의 드롭렛을 위한 2개의 시료를 각각 주입하는 제 1 시료 주입부 및 제 2 시료 주입부(120-1,120-2)와 연결되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 3 항에 있어서,
상기 2개의 시료는 보정 신호를 제공하는 제 1 금나노(201)로 이루어진 제 1 시료 및 측정 신호를 제공하는 제 2 금나노(202), 마이크로 자성입자(410), 분석물질로 이루어진 제 2 시료인 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 금나노(201)는 제 1 표지 물질들(210)이 표면에 부착되며, 상기 제 2 금나노(202)는 제 2 표지 물질들(220)이 표면에 부착되며 타깃물질(510)에 선택적으로 반응하는 제 1 리셉터들(230)이 부착되며, 상기 마이크로 자성입자(410)는 표면에 타깃 물질(510)과 결합하는 제 2 리셉터들(430)이 표면에 부착되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 금나노 및 제 2 금나노(201,202)는 구형 형상인 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 4 항에 있어서,
상기 드롭렛 분리 채널(180)의 일측에는 상기 마이크로 자성입자(410)의 존재여부에 따라 상기 2 종류의 드롭렛으로 분리하기 위한 자석 박스(190)가 설치되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2)은 굴곡이 짧게 반복되는 제 1 구간(140-1-1) 및 굴곡이 상기 제 1 구간(140-1-2)의 굴곡보다 길게 반복되는 제 2 구간(140-1-2)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 혼합 유도 채널(140-2)은 상기 2개의 드롭렛을 미리 설정되는 간격으로 조절하기 위한 제 2 운반 액체를 주입하는 제 2 운반 액체 주입로(110-2)와 연결되며, 상기 제 2 운반 액체는 친수성 액체인 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서
상기 드롭렛 분리 채널(180)은 분리된 2 종류의 드롭렛 중 하나를 유도하는 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1) 및 분리된 2 종류의 드롭렛 중 나머지 하나를 유도하는 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2)과 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1) 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2) 중 어느 하나에는 2개의 드롭렛의 신호를 동시에 수집하는 광신호 측정부(160)가 설치되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 11 항에 있어서,
상기 2개의 드롭렛의 신호는 단일 광신호 스펙트럼으로 획득되며, 상기 2개의 드롭렛의 신호 중 하나는 보정신호(신호 1)이고 나머지 하나는 측정 신호(신호 2)로 구분되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 10 항에 있어서,
상기 제 1 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-1) 및 제 2 분리 드롭렛 혼합 유도 채널(150-2) 의 말단 각각은 2개의 드롭렛을 배출하는 배출구(170)에 연결되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2개의 드롭렛은 교차로 생성되는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스.
- 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100);
상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)에 설치되어 미리 설정되는 일정 시간 동안 드롭렛들의 신호를 수집하는 광신호 측정부(810);
수집된 수집 신호를 처리하여 단일 신호 스펙트럼상 라만 신호량을 획득하는 신호 처리부(1010); 및
상기 라만 신호량을 이용하여 신호 보정을 하는 분석부(1020);를 포함하며,
상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)는,
2개의 드롭렛을 생성하는 드롭렛 발생 채널(130);
상기 2개의 드롭렛의 각각의 내부 물질들을 혼합하는 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2); 및
상기 2개의 드롭렛을 2 종류의 드롭렛으로 분리하는 드롭렛 분리 채널(180);을 포함하는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템
- (a) 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)에 설치되는 광신호 측정부(810)가 미리 설정되는 일정 시간 동안 드롭렛들의 신호를 수집하는 단계;
(b) 신호 처리부(1010)가 수집된 수집 신호를 처리하여 단일 신호 스펙트럼상 라만 신호량을 획득하는 단계; 및
(c) 분석부(1020)가 상기 라만 신호량을 이용하여 신호 보정을 하는 단계;를 포함하며,
상기 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스(100)는,
2개의 드롭렛을 생성하는 드롭렛 발생 채널(130);
상기 2개의 드롭렛의 각각의 내부 물질들을 혼합하는 제 1 혼합 유도 채널 및 제 2 혼합 유도 채널(140-1,140-2); 및
상기 2개의 드롭렛을 2 종류의 드롭렛으로 분리하는 드롭렛 분리 채널(180);을 포함하는 것을 특징으로 하는 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 방법.
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|---|---|---|---|
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| KR1020190114060A KR102283315B1 (ko) | 2019-09-17 | 2019-09-17 | 드롭렛 마이크로플루이딕 디바이스, 이를 이용한 표면증강라만 산란 신호 동시 측정 시스템, 및 이의 방법 |
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| KR20210032704A true KR20210032704A (ko) | 2021-03-25 |
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| Publication number | Publication date |
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| KR102283315B1 (ko) | 2021-07-29 |
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