KR20220101877A - 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 - Google Patents

나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20220101877A
KR20220101877A KR1020210003906A KR20210003906A KR20220101877A KR 20220101877 A KR20220101877 A KR 20220101877A KR 1020210003906 A KR1020210003906 A KR 1020210003906A KR 20210003906 A KR20210003906 A KR 20210003906A KR 20220101877 A KR20220101877 A KR 20220101877A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
solution
biomolecules
nanofilter
power
Prior art date
Application number
KR1020210003906A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102554772B1 (ko
Inventor
김기범
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020210003906A priority Critical patent/KR102554772B1/ko
Publication of KR20220101877A publication Critical patent/KR20220101877A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102554772B1 publication Critical patent/KR102554772B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M47/00—Means for after-treatment of the produced biomass or of the fermentation or metabolic products, e.g. storage of biomass
    • C12M47/06—Hydrolysis; Cell lysis; Extraction of intracellular or cell wall material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/027—Nanofiltration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M45/00—Means for pre-treatment of biological substances
    • C12M45/07—Means for pre-treatment of biological substances by electrical or electromagnetic forces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N13/00—Treatment of microorganisms or enzymes with electrical or wave energy, e.g. magnetism, sonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09—Recombinant DNA-technology
    • C12N15/10—Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA
    • C12N15/1003—Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor
    • C12N15/1017—Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor by filtration, e.g. using filters, frits, membranes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6806—Preparing nucleic acids for analysis, e.g. for polymerase chain reaction [PCR] assay

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Plant Pathology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오 분자 추출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노필터를 이용하여 핵산을 추출하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예는 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터; 상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극; 상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및 상기 제1 전극을 이동시키는 전극 이동 수단;을 포함한다.

Description

나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치{METHOD FOR EXTRACTING BIO MOLECULES USING NANO-FILTER}
본 발명은 바이오 분자 추출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노필터를 이용하여 핵산을 추출하는 장치에 관한 것이다.
최근 세포, 박테리아 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 기술에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
일반적으로, 생물학적 물질에서 핵산을 분리하는 방식은 세 가지로 나눌 수 있는데 마그네틱 비드를 사용하여 자석으로 흡착된 핵산을 분리해내는 방법, 실리카겔이 충진된 컬럼을 이용해서 용액을 용출하는 방법으로 컬럼 내에 DNA가 포함된 용액을 충진한 후 음압을 가하여 용액을 제거한 후 DNA를 실리카겔로부터 떨어뜨리는 방법, 그리고 최근에는 핵산과 특이적으로 결합하는 실리카나 유리섬유를 멤브레인으로 제조한 후, 상기 멤브레인이 하면에 구비된 필터 키트를 전기영동용 튜브에 삽입한 후 원심분리를 이용하여 DNA 분자를 분리하는 방법 등 사용되기도 한다.
실리카나 유리섬유는 단백질, 세포 대사 물질들과 결합 비율이 낮으므로 상대적으로 높은 농도의 핵산을 얻을 수 있다. 그러나, 자성입자를 이용하는 대부분의 핵산 추출 장비는 종래의 기술을 단순히 자동화한 것으로, 장비의 부피가 크고, 추출 과정 중 피펫 등에 묻은 용액이 다른 시험용기에 떨어져, 교차오염이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 원심분리방식은 처리할 수 있는 시료의 개수가 제한되어 있으며 유리섬유를 이용하는 방법은 많은 처리 단계를 수행해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이외에도 현재의 핵산 추출방법은 시료의 종류에 따라 제거 효율이 달라진다거나 추출되는 핵산의 양이 감소한다거나 실험시간의 증가 등의 문제점을 초래할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제10-2018-0073353호에서는 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분되는 두 용액에 직류 전류를 인가하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 이러한 나노필터를 이용한 핵산 추출 방법은 종래의 방법보다 저전력으로 신속히 핵산을 분리할 수 있으나, 핵산 추출 효율이 2~5% 정도로 높지 않은 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노필터를 이용하여 바이오 분자를 추출함에 있어, 바이오 분자 추출 효율을 높이고, 추출 시간을 감소시킬 수 있는 바이오 분자 추출 장치를 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예는 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터; 상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극; 상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및 상기 제1 전극을 이동시키는 전극 이동 수단;을 포함한다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 이동 수단은, 상기 제1 전극을 상기 나노필터를 향하여 이동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극은, 판상의 형상이고, 상기 나노필터와 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극은, 상기 나노필터의 일면과 평행한 일면을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극에는 상기 제1 전극을 관통하는 복수의 관통홀이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 전극은, 메시(mesh) 형상이고, 상기 나노필터와 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 전극 이동 수단은, 상기 교류 전원에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 교류 전류가 인가되면, 상기 제1 전극을 상기 나노필터와 가까운 방향으로 이동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되는 전압이 상기 나노포어에 인가되는 전압, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극 사이의 계면에 인가되는 전압 및 상기 제2 용액과 상기 제2 전극 사이의 계면에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상이고 106 Hz 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가될 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액일 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.
본 발명에 따르면, 나노필터를 이용하여 바이오 분자를 추출하는 시스템에서, 일정 주파수 이상의 교류 전류와 오프셋 전압을 인가하게 되면 바이오 분자의 추출 효율을 현저히 증가할 수 있게 된다.
또한, 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출할 때, 추출될 바이오 분자가 포함된 용액에 침지되어 있는 전극을 나노필터 방향으로 이동시킴으로써, 바이오 분자를 추출하는 시간을 크게 단축할 수 있다.
그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 상기에 기술된 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 추출 장치에 사용되는 나노필터의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 개시된 제조공정으로 제조된 나노필터의 전자주사현미경(SEM)사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 전기화학적 회로(electrochemical circuit)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 바이오 분자 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 8은 박테리아 초기 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 적층되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자나 부재를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 '제1', '제2' 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "바이오 분자(biomolecule)"는 생물체에 존재하는 분자 및 이온에 대해 넓은 의미로 사용되는 용어로, 세포 분열, 형태형성 또는 발생과 같은 일반적인 생물학적 과정에 필수적인 분자들이다. 생체분자에는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산과 같은 대형 고분자 뿐만 아니라 1차 대사산물, 2차 대사산물, 천연물과 같은 저분자가 포함되며, 예컨대, 핵산(nucleic acid), 엑소좀(exosome) 등이 있을 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 "핵산(nucleic acid)"은 푸린염기 및 피리미딘 염기, 당, 인산으로 이루어진 고분자물질로 발견자 F Miescher는 세포핵에서 발견한 신물질을 뉴클레인(nuclein)이라 하였고 후에 핵에 다량으로 존재하는 산성물질이라는 뜻으로 핵산이란 명칭이 붙었다. 염기, 펜토오스 및 인산으로 구성된 뉴클레오티드가 인산기에 스테르결합으로 중합되어 긴사슬 모양의 분자를 형성하고 있다. 핵산분자에는 5'→ 3' 이라는 방향성(극성; polarity)이 있고 이것은 핵산구조나 기능에 관련된 중요한 특성 중의 하나로 당 부분이 데옥시리보오스인 데옥시리보핵산(DNA), 리보오스인 리보핵산(RNA)으로 대별된다.
본 명세서에서 사용되는 "반도체소자(semiconductor device)"는 반도체를 소재로 하여 만든 회로소자이며 여기에 사용되는 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨아세나이드(GaAs) 등이다. 대부분의 용도에서 열전자소자를 대체해 오고 있다. 이들의 반도체에는 n형/p형/진성(眞性) 등 성질상 구분이 있으며, 그들을 단체(單體)로 또는 몇 개를 서로 접합해서 사용한다. 다이오드나 트랜지스터, 사이리스터 등과 빛이나 방사선을 검출하는 것, 온도를 느끼는 것, 자기장이나 압력에 민감한 것 등 여러 가지 특성의 것이 있는데, 각 방면에서 널리 사용되고 있다.
본 명세서에서 사용되는 "웨이퍼(wafer)"는 반도체 직접 회로를 만드는 재료가 되는 얇은 원판으로 실리콘(Si)이나 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 ingot(단결정 기둥)을 적당한 지름으로 얇게 썬 둥근 판을 말한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하는 장치로, 전기장 인가에 의해 나노포어를 통해 이동할 수 있는 바이오 분자를 추출할 때 이용될 수 있으며, 특히 핵산 추출에 이용될 수 있다. 이하에서는 바이오 분자가 핵산인 경우에 대해 설명하나, 본 발명에서 바이오 분자가 핵산으로 한정되는 것은 아니다.
핵산의 추출은 생물학적 연구분야에서 필수적인 단계로 DNA 증폭을 위한 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 위해 다량의 정제된 핵산을 필요로 하는데 종래에는 연구인력의 수작업으로 생물학적 물질 또는 핵산을 분리하였으나 상기 방법은 복잡한 과정으로 인해 많은 시간이 소요됨에 따라 고비용이 발생하고 낮은 생산 수율을 나타내는 등 여러 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 생물학적 시료로부터 목적하는 생물학적 물질 또는 핵산을 추출하기 위한 자동화 장치의 제조에 관한 많은 연구가 수행되고 있는데 이러한 점에서 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 종래의 복잡한 과정 및 낮은 생산 수율 등 여러 한계점을 극복한 핵산 추출 장치라 할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 제1 용기(110), 제2 용기(120), 나노필터(130), 제1 전극(140), 제2 전극(150), 교류 전원(160) 및 전극 이동 수단(170)을 구비한다.
제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 각각 내부에 수용부가 형성되어 있으며, 제1 용기(110)에는 제1 용액(115)이 담지되며, 제2 용기(120)에는 제2 용액(125)이 담지된다. 제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 나노필터(nanofilter, 130)에 의해 구획되며, 나노필터(130)에는 복수의 나노포어(nanopore)가 균일하게 형성되어 있다. 제1 전극(140)은 제1 용기(110)의 수용부에 배치되어 제1 용액(115)에 침지되고, 제2 전극(150)은 제2 용기(120)의 수용부에 배치되어 제2 용액(125)에 침지된다.
제1 용액(115)은 핵산 분자와 같은 반도체 분자를 포함하는 시료를 포함하고, 제2 용액(125)은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액을 포함한다. 이때, 이때 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.
제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텔루르(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 각각 단일층이거나 복합층일 수도 있다.
전극 이동 수단(170)은 제1 전극을 이동시켜 핵산 분자와 같은 반도체 분자의 추출 시간을 감소시키기 위한 것으로, 상세한 내용은 후술한다.
교류 전원(160)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어, 바이오 분자 추출 장치(100)에 교류 전류를 인가한다. 그리고 교류 전원(160)은 오프셋 전압(offset voltage)을 더 인가할 수 있다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 3 V일 수 있다.
이와 같이, 제1 용기(110)에 핵산 분자를 포함하는 시료가 포함된 제1 용액(115)을 담지하고, 제2 용기(120)에 PCR 반응액이 포함된 제2 용액(125)을 담지한 후, 2개의 전극(140, 150)과 전기적으로 연결된 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하면, 전하를 띄고 있는 핵산 분자가 나노필터(130)에 형성되어 있는 나노포어를 통해 이동하게 되는데, 제1 용액(115)에 포함된 여러 생물학적 물질 중 나노크기(nanosize)를 가진 핵산만이 나노포어를 통해 이동할 수 있어, 고순도의 핵산을 별도의 추출 및 정제 장치나 추출 및 정제 과정 없이 신속하고 효율적으로 추출할 수 있고, 추출된 핵산은 바로 연구에 이용할 수 있다.
복수의 나노포어가 균일하게 형성된 구조를 갖는 나노필터(130)는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 본 발명에서 나노필터(130)의 물질, 제조방법 등은 특별히 한정되지 않는다. 나노필터(130)의 제조공정의 일 예를 도 2에 나타내었다.
도 2에 도시된 제조공정은 일반적인 반도체소자(semiconductor device) 제조공정에 이용되는 일반적인 제조공정으로, 먼저, 반도체의 재료가 되는 웨이퍼(wafer)의 상, 하부 멤브레인에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 질화실리콘(SiN)층을 500nm 정도의 두께로 증착한다. 이후, 상부 질화실리콘층 상에 임프린트 레지스트를 코팅하고, 임프린팅함으로써 패턴을 형성한다. 패턴은 200nm 정도의 간격으로 형성한다. 이때 패턴의 간격이 나노포어의 크기를 결정하게 된다. 그리고 이 패턴을 이용하여 상부 질화실리콘층의 일부를 건식식각(dry etching)한다. 이후, 하부 질화실리콘층에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 하부 질화실리콘층을 노출시킨다. 그리고 하부 질화실리콘층을 건식식각한 이후, 포토레지스트를 제거한다. 이후, 실리콘 웨이퍼를 KOH 수용액을 이용하여 습식식각(wet etching)하여 상부 질화실리콘층의 후면을 노출시킨다. 그리고 상부 질화실리콘층의 후면(backside)을 부분적으로 식각하게 되면 균일한 나노포어를 형성할 수 있게 된다.
도 3은 상기의 방법으로 제조된 나노필터의 주사전자현미경 사진이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기의 방법으로 나노필터를 제조하는 경우, 복수의 나노포어가 균일하게 형성되었음을 알 수 있다. 다만, 상기의 나노필터 제조방법은 복수의 나노포어를 균일하게 형성시키는 일 예에 해당할 뿐, 본 발명을 제한하지 않음은 물론이다. 상기에서 도시하고 설명한 방법 외에 나노포어를 균일하게 형성할 수 있는 다른 방법을 이용하여 나노필터를 제조할 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
나노필터(130)의 소재는 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물, 또는 반도체산화물일 수 있다, 상기 반도체는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga)화합물, 실리콘카바이드(SiC), 셀레늄(Se), 질화붕소(BN), 인화붕소(BP), 비소화붕소(BAs)일 수 있다. 상기 금속질화물은 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄나이트라이드(AlN), 탄탈룸나이트라이드(TaN), 인듐나이트라이드(InN), 갈륨나이트라이드(GaN)일 수 있고, 상기 반도체질화물은 실리콘나이트라이드(SiNx)일 수 있다. 상기 금속인화물은 인화알루미늄(AlP), 인화인듐(InP), 인화갈륨(GaP)일 수 있고, 상기 금속 황화물은 몰리브덴디설파이드(MoS)일 수 있으며, 상기 금속비소화물은 갈륨아세나이드(GaAs), 인듐아세나이드(InAs), 알루미늄아세나이드(AlAs) 또는 카드뮴아세나이드(Cd3As2)일 수 있으며, 상기 금속인화물은 코발트포아스파이드(CoP), 인화철(FeP), 니켈포스파이드(NiP), 바나듐포스파이드(VP), 텅스텐포스파이드(WP), 알루미늄포스파이드(AlP), 인듐포스파이드(InP)일 수 있다. 상기 금속산화물은 제1산화구리(Cu2O), 제2산화구리(CuO), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 티타늄옥사이드(TiO2), 하프늄옥사이드(HfO2)일 수 있으며, 상기 반도체산화물은 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 게르마늄옥사이드(GeO2)일 수 있다.
나노필터(130)의 두께는 10 nm 내지 5 μm일 수 있으나, 적절히 조절되어 제작될 수 있고 나노포어의 크기도 3 내지 300 nm의 직경으로 시료의 종류와 연구자의 목적에 따라 적절히 조절될 수 있다.
본 발명의 연구자들은 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 바이오 분자를 추출할 때 추출 효율을 높이기 위해 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로(electrochemical circuit) 분석을 실시하였다. 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로를 도 4에 개략적으로 나타내었다.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전류 흐름을 살펴보면, 교류 전원(160)을 통해 인가된 전류가 제1 전극(140), 제1 용액(115), 나노필터(130)의 나노포어, 제2 용액(125), 제2 전극(150) 순으로 흐르게 된다(역순도 가능하다). 2개의 전극(140, 150)은 도체이므로 큰 저항이 없으나, 2개의 용액(115, 125)과 나노필터(130)에는 각각 저항과 정전용량이 병렬이 연결된 회로를 갖게 된다. 그리고 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에는 전하 이동(charge transfer)에 대한 저항과 전기이중층(electrical double layer)에 의해 형성된 정전용량이 병렬로 연결된 회로를 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 병렬로 연결된 저항과 정전용량 5개가 직렬로 연결된 구조를 갖게 된다.
도 4에서, 나노필터(130)의 나노포어의 저항과 정전용량은 각각 Rpore(포어저항)와 Cpore(포어정전용량)로 나타내었고, 제1 용액(115)의 저항과 정전용량은 각각 Rs1(제1 용액저항), Cs1(제1 용액정전용량)으로 나타내었으며, 제2 용액(125)의 저항과 정전용량은 각각 Rs2(제2 용액저항), Cs2(제2 용액 정전용량)로 나타내었다. 그리고 제1 전극(140)과 제1 용액(115)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct1(제1 계면저항), Cdl1(제1 계면정전용량)으로 나타내었고, 제2 전극(150)과 제2 용액(125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct2(제2 계면저항), Cdl2(제2 계면정전용량)로 나타내었다.
바이오 분자 추출 효율을 높이기 위해서는 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 바이오 분자를 포함하는 시료가 포함되어 있는 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 큰 전압이 인가되어야 하고, 나노포어(130)에 인가되는 전압, 제1 용액(115)과 제1 전극(140) 사이의 계면에 인가되는 전압 및 제2 용액(125)과 제2 전극(150) 사이의 계면에 인가되는 전압은 작은 전압이 인가되어야 한다. 즉, 전체 회로의 임피던스 중 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)의 임피던스가 차지하는 비중이 증가할수록 바이오 분자 추출 효율이 증가하게 된다. 그러나 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항인 계면저항(Rct1, Rct2)이 전체 회로의 다른 저항들에 비해 매우 큰 값을 가지므로, 전체 회로에서 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않게 된다. 따라서 전체 회로에서 교류 전원이 아니라 직류 전원을 통해 직류 전류가 인가되면, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않아 바이오 분자 추출 효율이 크지 않게 된다.
그러나 본 발명에서와 같이 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하는 경우, 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전기이중층에 의해 형성된 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스는 인가되는 교류 전류의 주파수(frequency)가 커질수록 작아지는 특성을 보이므로, 교류 전류의 주파수를 소정의 값 이상으로 증가시키면, 계면저항(Rct1, Rct2)을 무시할 수 있을 정도로 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스가 작아지게 할 수 있어, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 회로를 구성할 수 있게 된다. 본 명세서에서 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 의미는 저항과 정전용량이 병렬로 연결되어 있을 때, 정전용량에 의한 임피던스가 저항에 비해 현저히 작아, 전체 임피던스의 값과 정전용량에 의한 임피던스의 값의 차이가 거의 없는 경우를 의미한다.
이와 같이 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시될 정도로 하는 주파수의 교류 전류 전류를 인가하는 경우, 전체 회로에서 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에 인가되는 전압보다 용액(115, 125)에 인가되는 전압이 더 크게 되어, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 존재하는 바이오 분자가 더 큰 전기장을 받아 이동하게 되며, 이는 곧 바이오 분자 추출 효율이 증가하는 결과를 가져오게 된다. 따라서, 교류 전원(160)은 교류 전원(160)을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하여 바이오 분자 추출 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.
도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 100mM인 경우, 인가되는 교류 전류의 주파수 변화에 따른 전체 회로의 임피던스 값을 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 도 5의 A구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면의 계면저항(Rct1, Rct2)과 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의해 결정되며, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)이 감소하여, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향이 감소하게 되는 것을 알 수 있다. 도 5의 B구간은 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값은 크게 변화하지 않는 구간으로, B구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 크게 좌우된다. 도 5의 C구간은 다시 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가함에 따라 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 구간으로, 용액(115, 125)의 용액정전용량(Cs1, Cs2)에 의한 임피던스 값이 영향을 미치는 구간에 해당한다.
따라서, 바이오 분자의 추출 효율을 높이기 위해서는 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)이나 용액정전용량(Cs1, Cs2)이 전체 회로의 임피던스에 큰 영향을 미치는 도 5의 B구간이나 C구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 필요하다. 다만, 전력소모를 감소시키기 위해서는 도 5의 B구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 더 바람직하다.
도 6은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.
바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화는 전체 회로에서 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에만 영향을 미친다. 즉, 시료의 농도가 증가하게 되면, 용액저항(Rs1, Rs2)만 감소하게 되고, 다른 저항이나 정전용량은 변화하지 않는다. 따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값이 크게 변화하지 않는 구간에서의 임피던스 값은 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 큰 영향을 받으므로, 이 구간에서의 용액저항(Rs1, Rs2)은 시료의 농도가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 바와 같이, 시료의 농도가 증가하여 용액저항(Rs1, Rs2)이 감소하게 되면, 용액(115, 125)에 인가되는 전압을 증가시키기 위해서 보다 큰 주파수를 갖는 교류 전류가 인가해야 됨을 알 수 있다.
즉, 교류 전원(160)은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가해야 바이오 분자 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도에 따라 변경될 수 있으나, 교류 전원은 10Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 그리고 전력 소모를 감소하기 위해 106Hz 이하의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 바이오 분자 추출 효율을 증가시키기 위해서는 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하면, 바이오 분자가 보다 큰 전기장을 받아 이동을 보다 활발히 하게 되나, 오프셋 전압(offset voltage)을 인가하지 않는다면, 바이오 분자의 이동에 방향성이 부여되지 않아, 바이오 분자가 제1 용액(115)과 제2 용액(125) 사이를 계속 왔다갔다 할 수도 있다. 따라서, 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 보다 큰 전압이 인가되도록 하기 위해서, 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것도 필요하지만, 바이오 분자의 이동에 방향성을 부여하여 바이오 분자 추출 효율을 증가시키 위해서는 오프셋 전압을 함께 인가하여야 한다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V를 인가할 수 있다.
도 7은 오프셋 전압에 따른 추출효율을 나타낸 도면이다. 각 농도별 그래프 중 가장 왼쪽 그래프는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이고, 각 농도별 그래프 중 가운데 그래프는 교류 전류와 1V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이며, 각 농도별 그래프 중 가장 오른쪽 그래프는 직류 전류를 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 함께 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 오프셋 전압이 1V인 경우보다 2V인 경우가 추출 효율이 유의미하게 더 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 오프셋 전압이 2V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 차이가 크지 않음에 반해, 오프셋 전압이 1V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 편차가 커서, 오프셋 전압이 2V 이상 인가되는 것이 더 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 8은 E.coli 박테리아 초기 농도별 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 위에 나타낸 그래프는 104Hz 주파수를 갖는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이고, 아래에 나타낸 그래프는 2V 직류 전류를 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, 도 7과 마찬가지로 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가한 것을 알 수 있다. 초기 농도가 어느 수준 이상인 경우, 즉 103(CFU)이하로 매우 작은 경우를 제외하면, 50% 이상의 추출 효율을 나타내 매우 우수한 추출 효율을 나타낸 것을 알 수 있다.
도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 E.coli 박테리아 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 오프셋 전압은 2V를 인가하였다.
도 9를 참조하면, 1Hz 주파수의 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 낮았으나, 102Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 현저히 증가하였으며, 그 이후에는 더 큰 주파수를 인가하여도 추출 효율이 크게 증가하지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서 전력소모를 줄이기 위해 106Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가할 필요성은 크지 않다.
상술한 바와 같이, 나노필터(130)를 이용하여 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하면, 추출 효율을 현저히 증가시킬 수 있다. 다만, 상기의 방법으로 바이오 분자를 추출할 때 추출되는 바이오 분자의 양은 교류 전류를 인가하는 시간에 비례하는데, 제1 용액에 포함된 바이오 분자를 모두 추출하는데 많은 시간이 소모될 수 있다. 특히, 제1 용액의 양이 증가할수록 바이오 분자를 추출하는데 더욱 많은 시간이 소요된다. 이는 제1 용액의 양이 증가하면 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 사이의 간격이 증가하여 인가되는 전기장의 크기가 감소하기 때문이다.
본 실시예에서는 바이오 분자 추출에 소요되는 시간을 단축시키기 위해, 도 1 에 도시된 바와 같이 제1 전극(140)을 이동시키는 전극 이동 수단(170)을 구비한다. 전극 이동 수단(170)은 제1 전극(140)을 나노필터(130)를 향하여 이동시킨다. 교류 전원(160)에 의해 제1 전극(140)과 제2 전극(150)에 교류 전류가 인가되면, 전극 이동 수단(170)은 제1 전극(140)을 나노필터(130)와 가깝게 이동시킨다. 이와 같이 제1 전극(140)을 나노필터(130)와 가깝게 이동시키면, 제1 전극(140)과 제2 전극(150) 사이의 간격이 감소하여 더 큰 전기장이 인가하게 되고, 이에 따라 제1 용액(115) 내의 바이오 분자의 이동 속도가 증가하므로, 바이오 분자 추출 시간을 감소시킬 수 있게 된다.
이때, 제1 전극(140)은 도 1에 도시된 바와 같이 막대 형태일 수 있으나, 바이오 분자의 추출 시간을 더욱 감소시키기 위해, 도 10에 도시된 바와 같이 판상의 형상을 가질 수 있다. 판상의 제1 전극(140a)은 나노필터(130)와 마주보도록 배치되며, 보다 효율을 높이기 위해 판상의 제1 전극(140a)의 일면은 나노필터(130)의 일면과 평행하도록 배치된다. 그리고 제1 용액(115) 내의 바이오 분자들의 원활한 이동을 위해 판상의 제1 전극(140a)에는 복수의 관통홀(142)가 형성될 수 있다.
다른 실시예로 도 11에 도시된 바와 같이 제1 전극(140b)은 메시(mesh) 형상일 수 있다. 메시 형상의 제1 전극(140b)은 제1 용액(115) 내의 바이오 분자들의 움직임을 보다 균일하고 원활하게 할 수 있다. 메시 형상의 제1 전극(140b)은 메탈 메시(metal mesh)에 백금(Pt)과 같은 노블 메탈(noble metal)을 도금하여 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하면 바이오 분자 추출 효율이 증가하게 되고, 바이오 분자를 추출할 때 제1 전극을 이동시켜 전극 사이의 간격을 가깝게 하면 바이오 분자 추출 시간을 감소시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 발명의 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 추출 대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하는 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터;
    상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극;
    상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원; 및
    상기 제1 전극을 이동시키는 전극 이동 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극 이동 수단은,
    상기 제1 전극을 상기 나노필터를 향하여 이동시키는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    판상의 형상이고, 상기 나노필터와 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    상기 나노필터의 일면과 평행한 일면을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극에는 상기 제1 전극을 관통하는 복수의 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은,
    메시(mesh) 형상이고, 상기 나노필터와 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극 이동 수단은,
    상기 교류 전원에 의해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 교류 전류가 인가되면, 상기 제1 전극을 상기 나노필터와 가까운 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원은,
    상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원은,
    상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원은,
    상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되는 전압이 상기 나노포어에 인가되는 전압, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극 사이의 계면에 인가되는 전압 및 상기 제2 용액과 상기 제2 전극 사이의 계면에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상이고 106 Hz 이하인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원은,
    상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  13. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  14. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고,
    상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.
KR1020210003906A 2021-01-12 2021-01-12 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 KR102554772B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210003906A KR102554772B1 (ko) 2021-01-12 2021-01-12 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210003906A KR102554772B1 (ko) 2021-01-12 2021-01-12 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220101877A true KR20220101877A (ko) 2022-07-19
KR102554772B1 KR102554772B1 (ko) 2023-07-12

Family

ID=82607146

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210003906A KR102554772B1 (ko) 2021-01-12 2021-01-12 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102554772B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110126992A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 한국과학기술연구원 고분자 용액이 채워진 나노채널과 오프셋된 사인파형 전기장을 이용한 핵산 서열 분석 방법
KR20120000520A (ko) * 2010-06-25 2012-01-02 서울대학교산학협력단 나노 포어 구조를 이용한 ｄｎａ 분석용 장치, 분석 방법 및 ｐｃｒ 정량 검출 장치
KR20190038531A (ko) * 2019-04-01 2019-04-08 서울대학교산학협력단 나노 필터를 이용한 핵산 추출 장치 및 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110126992A (ko) * 2010-05-18 2011-11-24 한국과학기술연구원 고분자 용액이 채워진 나노채널과 오프셋된 사인파형 전기장을 이용한 핵산 서열 분석 방법
KR20120000520A (ko) * 2010-06-25 2012-01-02 서울대학교산학협력단 나노 포어 구조를 이용한 ｄｎａ 분석용 장치, 분석 방법 및 ｐｃｒ 정량 검출 장치
KR20190038531A (ko) * 2019-04-01 2019-04-08 서울대학교산학협력단 나노 필터를 이용한 핵산 추출 장치 및 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102554772B1 (ko) 2023-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11986775B2 (en) Methods and apparatus for forming apertures in a solid state membrane using dielectric breakdown
KR102077037B1 (ko) 나노 필터를 이용한 핵산 추출 장치 및 방법
US7052616B2 (en) Fabrication of molecular scale devices using fluidic assembly
US20150377831A1 (en) Digital microfluidic devices and methods employing integrated nanostructured electrodeposited electrodes
WO2017041056A1 (en) Chemically-sensitive field effect transistors, systems, and methods for manufacturing and using the same
WO2010037085A1 (en) Dna sequencing and amplification systems using nanoscale field effect sensor arrays
US8501668B2 (en) Drug screening via nanopore silicon filters
CN108368466B (zh) 生物体分子测定装置
KR102222090B1 (ko) 나노 필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 및 방법
US20080230389A1 (en) Electrochemical Detector Integrated on Microfabricated Capillary Electrophoresis Chip and Method of Manufacturing the Same
KR102554772B1 (ko) 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치
KR102554784B1 (ko) 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치
EP3344980A1 (en) Chemically-sensitive field effect transistors, systems, and methods for manufacturing and using the same
KR102554785B1 (ko) 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치
KR102554774B1 (ko) 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치
KR102554787B1 (ko) 나노필터를 이용한 바이오 분자 추출 장치 및 방법
WO2019060042A1 (en) METHOD FOR SINGLE FLUID ADDRESSING OF A NANOPORE
KR101763515B1 (ko) 그래핀/실리콘 바이오 센서를 이용한 dna 검출 장치 및 그 방법
US20190310225A1 (en) Microfluidic organic electrochemical transistor sensors for real time nitric oxide detection
KR102449459B1 (ko) 나노필터를 이용한 단백질 분석 장치
WO2022100423A1 (en) Tailorable electrode capping for microfluidic devices
CN107192747B (zh) 一种可变电容式微纳米生物检测芯片及其加工方法
Kleps et al. New micro-and nanoelectrode arrays for biomedical applications
JP2001213699A (ja) 結晶調製用装置、結晶調製方法および該装置用キット
US11845079B2 (en) Integrated silicon platform for electronic biosensors

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right