KR20230067718A - 유전자 증폭 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
유전자 증폭장치 및 방법에 관한 것이다. 일 실 시예에 따르면 유전자 증폭 장치는, 실링 용액이 주입되는 제 1인렛, 샘플 용액이 주입되는 제 2인렛, 상기 샘플 용액, 및 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 상부유로를 포함하는 상부본체, 상기 상부본체와 구조적으로 연결되고, 상기 상부본체의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 하부유로를 포함하는 하부본체, 상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 유전자 증폭 칩, 및 상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 다공성 매질을 포함할 수 있다.
Description
유전자 증폭 장치 및 방법과 관련된다.
임상 혹은 환경과 관련된 시료의 분석은 일련의 생화학적, 화학적, 기계적 처리과정을 통하여 이루어진다. 최근 에는 생물학적인 시료의 진단이나 모니터링을 위한 기술개발이 상당한 관심을 끌고 있다. 최근 핵산을 기반으로 한 분자진단 방법은 그 정확도 및 민감도가 우수하여 감염성 질환이나 암진단, 약물유전체학, 신약 개발 등에서 활용도가 상당히 증가하고 있다. 이러한 다양한 목적에 따라 시료를 간편하고 정밀하게 분석하기 위하여 미세 유체 소자가 널리 사용되고 있다.
유전자 증폭 칩을 이용한 유전자 증폭 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따른 유전자 증폭장치는, 실링 용액이 주입되는 제 1인렛, 샘플 용액이 주입되는 제 2인렛, 샘플 용액, 및 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 상부유로를 포함하는 상부본체, 상부본체와 구조적으로 연결되고, 상부본체의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 하부유로를 포함하는 하부본체, 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 유전자 증폭 칩 및, 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 다공성 매질을 포함할 수 있다.
상부유로는, 주입된 샘플 용액 및 실링 용액을 유전자 증폭 칩의 방향으로 안내하는 주입로, 유전자 증폭 칩의 상부에 배치되는 주유로, 및 주유로를 통과한 샘플 용액, 및 실링 용액을 다공성 매질의 방향으로 안내하는 배출로를 포함하고, 하부유로는, 주입된 실링 용액을 유전자 증폭 칩의 방향으로 안내하는 주입로, 유전자 증폭 칩의 하부에 배치되는 주유로, 및 주유로를 통과한 실링 용액을 다공성 매질의 방향으로 안내하는 배출로를 포함할 수 있다.
상부유로와 하부유로의 주유로 중 적어도 하나는,
주입로 에서부터 배출로의 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.
상부유로와 하부유로의 주유로 중 적어도 하나의 경사각은 0도 이상, 35도 이하일 수 있다
상부유로와 하부유로의 주입로 및 배출로 중 적어도 하나는, 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향에 따른 폭이 일정하지 않을 수 있다.
상부유로와 하부유로의 주입로는, 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 선형적으로 좁아질 수 있다.
상부유로와 하부유로의 배출로는, 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 선형적으로 넓어질 수 있다.
상부유로와 하부유로의 주입로 및 배출로의 폭은 1μm이상, 5mm 이하이고, 상부유로와 하부유로의 주유로의 폭은 1μm이상, 10cm 이하일 수 있다.
상부본체는, 상부유로의 양측에 형성되어, 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 보조채널을 더 포함할 수 있다.
보조채널은 상부유로와 단차지게 형성될 수 있다.
상부유로, 및 하부유로는 물과의 접촉각이 90도 이하인, 친수성 재질로 형성될 수 있다.
실링 용액은, 샘플 용액과 혼합되지 않는 비극성 용액일 수 있다.
다공성 매질은, 친수성 재질로 형성되며, 복수의 기공, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체를 포함할 수 있다.
기공, 또는 핀 형태의 마이크로 구조체의 지름은 0.001μm이상, 100μm이하이고, 상부유로와 하부유로의 폭보다 작으며, 복수의 기공 사이의 간격, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체 사이의 간격은 0.001μm이상, 100μm이하일 수 있다.
제 1인렛의 직경은, 제 2인렛의 직경보다 클 수 있다.
제 1인렛의 직경은 상부유로의 주입로의 폭보다 크거나 같고, 제 2인렛의 직경은 0.1μm이상, 4500μm이하일 수 있다.
상부본체는, 다공성 매질의 상부에 배치되는 기압 유지용 홀을 더 포함할 수 있다.
유전자 증폭 칩은 기판, 및 기판의 상부면에서 하부면 방향으로 관통되도록 형성되고, 내부에서 유전자 증폭반응이 발생하는 관통 홀 어레이를 포함할 수 있다.
유전자 증폭 칩은, 기판의 상부면, 하부면, 및 각 관통홀의 격벽 중 적어도 하나에 배치되어, 수신된 광을 통해 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 미세유체 검출장치는, 유전자 증폭장치, 유전자 증폭장치의 유전자 증폭 칩에서 유전자 증폭반응이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에, 샘플 용액에 광을 조사하고 샘플 용액으로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 광학부, 및 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 프로세서를 포함할 수 있고, 이때 유전자 증폭장치는, 실링 용액이 주입되는 제 1인렛, 샘플 용액이 주입되는 제 2인렛, 샘플 용액, 및 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 상부유로를 포함하는 상부본체, 상부본체와 구조적으로 연결되고, 상부본체의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 하부유로를 포함하는 하부본체, 상부본체와 하부본체 사이에 삽입되는 유전자 증폭 칩, 및 상부본체와 하부본체 사이에 삽입되는 다공성 매질을 포함할 수 있다.
외부의 동력 없이 자체적으로 샘플 용액, 및 비극성 용액을 로딩, 및 배출시킬 수 있어, 유전자 증폭의 편의성, 및 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치를 도시한 것이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 정면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다.
도 3b, 및 3c는 보조채널의 구조, 및 효과에 관한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩을 도시한 것이다.
도 4b는 광-열 필름이 증착된 유전자 증폭 칩의 측면을 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8은 실시예들에 따른 미세유체 검출장치의 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 정면도이다.
도 2b는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다.
도 3b, 및 3c는 보조채널의 구조, 및 효과에 관한 도면이다.
도 4a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩을 도시한 것이다.
도 4b는 광-열 필름이 증착된 유전자 증폭 칩의 측면을 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8은 실시예들에 따른 미세유체 검출장치의 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 유전자 증폭장치 및 방법의 다양한 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치(100)를 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 유전자 증폭장치(100)는 상부 본체(110), 하부 본체(120), 유전자 증폭 칩(130), 및 다공성 매질(140)을 포함할 수 있다.
상부 본체(110)는 제 1인렛(111), 제 2인렛(112), 상부 유로(113), 유전자 증폭 칩 고정 기둥(114), 및 기압 유지용 홀(115)을 포함할 수 있다.
제 1인렛(111)은 실링 용액이 주입되는 인렛, 제 2인렛(112)은 샘플 용액이 주입되는 인렛일 수 있다.
실링 용액은 샘플 용액과 혼합되지 않는 비극성 용액일 수 있다. 이때, 실링 용액은 오일일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 유전자 증폭 칩(130)에 샘플 용액이 로딩되어 유전자 증폭반응이 일어날 때, 유전자 증폭 칩(130)의 상부면과 하부면이 기체와 접촉되어 있으면, 유전자 증폭과정에서 샘플 용액이 증발하여 빠르게 손실될 수 있다. 이때 실링 용액이 유전자 증폭 칩(130)의 상부면, 하부면 등에 도포됨으로써 로딩된 샘플 용액의 손실을 방지할 수 있다.
샘플 용액은 호흡기 분비물, 혈액, 소변, 땀, 눈물, 침 중의 적어도 하나를 포함하는 체액(bio-fluid), 폐결핵(upper respiratory tract)의 스왑(swab) 샘플, 또는 이러한 체액이나 스왑 샘플 등을 다른 매질에 분산시킨 용액의 형태일 수 있다. 이때, 다른 매질은 물, 식염수, 알코올, 인산 완충 식염수, 바이러스 전달 매체(vital transport media) 등을 포함하며 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 샘플의 부피는 1~ 1000 μL일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
샘플 용액은 미생물을 포함할 수 있다. 미생물은 RNA(ribonucleic acid) 바이러스, DNA(deoxyribonucleic acid) 바이러스, PNA(peptide nucleic acid) 바이러스, LNA(locked nucleic acid) 바이러스 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex), 박테리아, 병원균, 세균, 균, 올리고펩티드(oligopeptide), 단백질(protein) 및 톡신(toxin) 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
미생물은 내부에 유전자를 포함할 수 있다. 유전자는 RNA(ribonucleic acid), DNA(deoxyribonucleic acid), PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid) 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex)등을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1에는 제 1인렛(111), 및 제 2인렛(112)이 원형의 형상인 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않고 예컨대 제 1인렛(111), 및 제 2인렛(112)의 형상은 사각형, 오각형 등의 다각형으로 형성될 수 있다.
유전자 증폭 칩 고정 기둥(114)은 도시된 바와 같이 유전자 증폭 칩(130)의 상부에 배치되어, 상부본체(110)와 하부본체(120) 사이에 삽입된 유전자 증폭 칩(130)이 외부로 이탈하지 않도록 고정시키는 역할을 수행할 수 있다.
기압 유지용 홀(115)은 다공성 매질(140)의 상부에 배치될 수 있다. 기압 유지용 홀(115)은 상부유로(113), 하부유로(122), 및 다공성 매질(140) 내부의 기체 압력을 대기압으로 유지시키는 역할을 수행할 수 있다. 이때 기압 유지용 홀(115)의 지름은 10μm 이상 5mm이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
설명의 편의를 위해 도 1에 도시되지는 않았으나, 상부본체(110)는 유전자 증폭 칩의 삽입 홈(미도시), 및 다공성 매질의 삽입 홈(미도시)를 더 포함할 수 있다. 각 삽입 홈은 하부본체(120)의 유전자 증폭 칩의 삽입 홈(123), 및 다공성 매질의 삽입 홈(124)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
하부 본체(120)는 제 1인렛 연결부(121), 하부유로(122), 유전자 증폭칩의 삽입 홈(123), 및 다공성 매질의 삽입 홈(124)을 포함할 수 있다.
제 1인렛 연결부(121)는 도 1에 도시된 바와 같이 상부본체(110)의 제 1인렛(111)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 상부본체(110)의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액은 하부본체(120)의 제 1인렛 연결부(121)를 통해 하부본체(120)로 주입될 수 있다.
하부본체(120)의 유전자 증폭 칩의 삽입 홈(123)과 상부본체(110)의 유전자 증폭 칩의 삽입 홈(미도시) 사이에 유전자 증폭 칩(130)이 삽입될 수 있고, 하부본체(120)의 다공성 매질의 삽입 홈(124)과 상부본체(110)의 다공성 매질의 삽입 홈(미도시) 사이에 다공성 매질(140)이 삽입될 수 있다.
설명의 편의를 위해 도 1에 도시되지는 않았으나, 하부본체(120)는 유전자 증폭 칩 고정기둥(미도시)를 더 포함할 수 있고, 이때 하부본체(120)의 유전자 증폭 칩 고정기둥(미도시)는 상부본체(110)의 유전자 증폭 칩 고정 기둥(114)에 대응되는 위치에 배치될 수 있다.
상부유로(113), 및 하부유로(122)는 유리, 실리콘, 세라믹, 그래파이트(graphite) 등의 무기물, 아크릴계, PET(PolyEthylene Terephtalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 등의 물질로 형성될 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
상부유로(113)를 통해 샘플 용액이 유전자 증폭칩(130)에 로딩될 수 있고, 상부유로(113), 및/또는 하부유로(122)를 통해 샘플 용액, 및 실링 용액이 다공성 매질(140)의 방향으로 이동될 수 있다. 이때 주입된 샘플 용액, 및 실링 용액은 모세관 현상에 의해 이동할 수 있다.
예를 들어, 주입된 샘플 용액은 상부유로(113)를 통한 모세관 현상에 의해 유전자 증폭 칩(130)에 로딩될 수 있고, 이때 유전자 증폭 칩(130)에 로딩되지 않은 샘플 용액은 상부유로(113)를 통한 모세관 현상에 의해 다공성 매질(140)의 방향으로 이동될 수 있다. 이후 주입된 실링 용액은 상부유로(113), 및 하부유로(122)를 통한 모세관 현상에 의해 유전자 증폭 칩(130) 및 다공성 매질(140)의 방향으로 이동될 수 있다. 이때 실링 용액은 상부유로(113), 하부유로(122), 유전자 증폭 칩(130)의 상부면과 하부면, 다공성 매질(140)을 모두 채울 수 있고, 그에 따라 유전자 증폭 칩(130)에 로딩된 샘플 용액과 기체와의 접촉을 방지할 수 있다.
상부유로(113) 내부 또는 외부에 샘플 용액의 전처리를 위한 물질이나 구조물(미도시) 등이 형성될 수 있고, 이때, 샘플 용액은 상부유로(113)를 통해 유전자 증폭 칩(130)에 로딩되기 전에 전처리될 수 있다. 예를 들어, 가열, 화학적 처리, 마그네틱 비드(magnet beads)를 이용한 처리, 고상 추출(solid phase extraction), 초음파를 이용한 처리 등의 전처리가 수행될 수 있다. 상부유로(113)는 전처리된 샘플에서 미세입자를 차단하고 유체만을 통과시키는 기능을 수행하는 필터(미도시)를 포함할 수도 있다. 필터는 미세 구멍을 갖는 일층 또는 다층의 막 형상의 필터일 수 있으며, 구멍의 크기에 따라 원하는 크기의 미세입자를 차단할 수 있다. 필터(미도시)는 예컨대, 실리콘(Silicon), PVDF(polyvinylidene fluoride), 폴리에테르술폰(Polyethersulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 유리섬유(Glass Fiber), 폴리프로필렌(Polypropylene), 셀룰로스(Cellulose), 혼합 셀룰로스 에스테르(Mixed cellulose esters), PTFE(Polytetrafluoroethylene), 폴리에틸렌 테레프타레이트(Polyethylene Terephthalate), PVC(Polyvinyl chloride), 나일론(Nylon), 포스포셀룰로스(Phosphocellulose), DEAE(Diethylaminoethyl cellulose) 등의 재료로 제조될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 구멍의 모양은 예컨대 원형, 사각형, 슬릿 형상, 글래스 파이버에 의한 불규칙한 형상 등 다양한 모양일 수 있다.
또한 상부유로(113)는 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 실리콘(Si) 포토닉스(photonics) 구조물, 2D 마이크로/나노 소재/구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 상부유로(113)는 샘플의 온도를 조절하기 위한 광학(optical) 또는 전기적(electrical) 발열 특성을 갖는 구조물을 포함할 수 있다.
상부유로(113)는 증폭하고자 하는 유전자 별 반응물을 포함하고 있을 수 있다. 이때 증폭하고자 하는 유전자는 예컨대 RNA(ribonucleic acid), DNA(deoxyribonucleic acid), PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid) 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex), 올리고펩티드(oligopeptide), 단백질(protein) 및 톡신(toxin)등 일 수 있다. 유전자에 대한 반응물은 예컨대 역전사 효소, 중합 효소, 리가아제(ligase), 페록시다아제(peroxidase), 프라이머(primer) 및 프로브(probe) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 프라이머는 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 예컨대, 대상 특정 단일 가닥 올리고뉴클레오타이드(target specific single strand oligonucleotide)로 구성될 수 있다. 또한, 프로브는 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 예컨대, 대상 특정 단일 가닥 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide), 형광 물질 및 활성 감소제(quencher) 등을 포함할 수 있다. 프로브는 여러 다른 종류의 물질들이 용해된 용액 상에서 특정 표적 분자와 상호 작용하여 특징적인 형광 신호를 나타낼 수 있다. 이러한 특징적인 신호는 유전자 증폭장치의 광학부 및/또는 프로세서에 의해 소정 시간 동안 추적, 검출 및 처리되어 증폭된 유전자 검출에 활용될 수 있다.
상부유로(113), 및/또는 하부유로(122)는 모세관 현상을 용이하게 하기 위한 재질, 및 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 상부유로(113), 및/또는 하부유로(122)는 물과의 접촉각이 90도 이하인 친수성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상부유로(113), 및/또는 하부유로(122)는 물과의 접촉각은 10도 이하인 재질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 예로, 상부유로(113), 및/또는 하부유로(122)의 폭, 및/또는 높이가 일정하지 않을 수 있다. 또 다른 예로, 상부유로(113)가 모세관현상을 용이하게 하기 위한 보조채널을 더 포함할 수 있다. 이하 도 2a 내지 3c를 통해 모세관 현상을 용이하게 발생시키기 위한 유전자 증폭장치(100)의 구조를 자세히 설명한다.
도 2a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 정면도이다. 도 2a에는 제 1인렛(111), 제 2인렛(112), 상부유로(113a, 113b, 113c), 제 1인렛 연결부(121), 하부유로(122a, 122b, 122c), 유전자 증폭 칩(130), 다공성 매질(140), 및 기압 유지용 홀(115)이 도시되어 있다.
상부유로는 주입된 샘플 용액, 및 실링 용액을 유전자 증폭 칩(130)의 방향으로 안내하는 주입로(113a), 유전자 증폭 칩(130)의 상부에 배치되는 주유로(113b), 및 주유로(113b)를 통과한 샘플 용액, 및 실링 용액을 다공성 매질(140)의 방향으로 안내하는 배출로(113c)를 포함할 수 있다.
하부유로는 주입된 실링 용액을 유전자 증폭 칩(130)의 방향으로 안내하는 주입로(122a), 유전자 증폭 칩(130)의 하부에 배치되는 주유로(122b), 및 주유로(122b)를 통과한 실링 용액을 다공성 매질(140)의 방향으로 안내하는 배출로(122c)를 포함할 수 있다.
상부유로의 주입로(113a)의 높이(hi), 및 하부유로의 주입로(122a)의 높이(hi,u)는 1μm이상, 10mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상부유로의 배출로(113c)의 높이(ho), 및 하부유로의 배출로(122c)의 높이(ho,u)는 1μm이상, 10mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때 상부유로의 배출로(113c)의 높이(ho), 및 하부유로의 배출로(122c)의 높이(ho, u)는 각각 hi - Ltanα, 및 hi,u - Ltanα u 로 표현될 수 있다. 이때 L은 주유로(113b, 122b)의 길이를 의미하고, α, α u 는 아래에서 볼 바와 같이 각각 상부유로 주유로(113b)의 경사각, 및 하부유로 주유로(122b)의 경사각을 의미한다.
상부유로의 주유로(113b), 및/또는 하부유로의 주유로(122b)의 높이는 일정하지 않을 수 있다. 예를 들어, 상부유로의 주유로(113b), 및/또는 하부유로의 주유로(122b)는 도 2a에 도시된 바와 같이 주입로(113a, 122a)에서부터 배출로(113c, 122c)의 방향으로 경사지게 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상부유로의 상부유로의 주유로(113b)는 경사각(α) 를 가질 수 있고, 하부유로의 주유로(122b)는 경사각(α u ) 를 가질 수 있다. 이때 경사각(α), 및 경사각(α u )는 0도 이상 35도 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 도 2a에는 경사각(α), 및 경사각(α u )이 일정한 것으로 도시되어 있으나 이에 제한되지 않고, 상부유로의 주유로(113b), 및/또는 하부유로의 주유로(122b)의 높이는 비선형적으로 감소할 수도 있다. 이때 경사각(α)과 경사각(α u )은 서로 상이할 수 있다.
이와 같이 상부유로의 주유로(113b), 및/또는 하부유로의 주유로(122b)가 주입로(113a, 122a)에서부터 배출로(113c, 122c)의 방향으로 경사지게 형성됨으로써, 주입로와 배출로의 높이 차이로 인해 주유로(113b, 122b)에서의 샘플 용액, 및/또는 실링 용액의 이동이 원활할 수 있다. 또한 주유로(113b, 122b)가 경사지게 형성됨으로써 후술할 바와 같이 샘플 용액, 및/또는 실링 용액의 유동방향에 따른 라플라스 힘(Laplace pressure) 크기의 차원에서도 더 용이한 모세관 현상이 발생할 수 있다.
도 2b는 일 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다. 도 2b에는 제 1인렛(111), 제 2인렛(112), 상부유로의 주입로(113a), 상부유로의 주유로(113b), 상부유로의 배출로(113c), 다공성 매질(140)이 도시되어 있다.
주입로(113a), 및/또는 배출로(113c)는 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향, 즉 제 1인렛(111)에서부터 다공성 매질(140)로의 방향에 따른 폭이 일정하지 않을 수 있다.
도 2b를 참조하면, 주입로(113a)의 폭은 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 좁아질 수 있고, 배출로(113c)의 폭은 샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 넓어질 수 있다. 도 2b에는 주입로(113a), 및 배출로(113c)의 폭이 선형적으로 좁아지거나, 넓어지는 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 도 2b에는 평면도가 도시되어 있기 때문에 하부유로는 도시되지 않으나, 하부유로의 주입로, 배출로는 도 2b의 상부유로의 주입로(113a), 배출로(113c)와 동일한 형상일 수 있다. 다만 이에 제한되지 않고 상부유로의 주입로(113a), 상부유로의 배출로(113c), 하부유로의 주입로, 및 하부유로의 배출로 중 어느 하나, 또는 일부만이 제 1인렛(111)에서부터 다공성 매질(140)로의 방향에 따른 폭이 일정하지 않을 수도 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이 유동방향에 따라 주입로(113a)의 폭이 좁아짐으로써, 유동방향에 따른 라플라스 힘(Laplace pressure)이 증가할 수 있고, 그에 따라 모세관 현상에 의한 유동속도가 증가할 수 있다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 유전자 증폭장치의 평면도이다. 도 3a를 참조하면, 유전자 증폭장치의 상부본체는 제 1인렛(111), 제 2인렛(112), 상부유로(113), 기압 유지용 홀(115), 및 보조채널(116) 포함할 수 있다.
d1은 제 1인렛의 직경, d2는 제 2인렛의 직경, wi는 상부유로의 주입로의 폭, wm은 상부유로의 주유로의 폭, wo는 상부유로의 배출로의 폭, L은 상부유로 주유로의 길이를 의미한다.
제 1인렛(111)의 직경(d1)은 제 2인렛(112)의 직경(d2)보다 클 수 있다. 이때, 제 1인렛(111)의 직경(d1)은 상부유로(113)의 주입로의 폭(wi)보다 크거나 같고, 상부유로(113)의 주입로의 폭(wi)에 보조채널의 폭의 두배를 더한 값보다 작거나 같을 수 있다. 제 2인렛(112)의 직경(d2)은 0.1μm이상, 4500μm이하일 수 있다. 다만 제 1인렛(111)과 제 2인렛(112)의 직경 크기(d1, d2)는 이에 제한되지 않는다.
상부유로의 주입로의 폭(wi), 및 상부유로의 배출로의 폭(wo)은 1μm이상, 5mm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상부유로의 주유로의 폭(wm)은 1μm이상, 10cm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 상부유로의 주유로는 도 3a에 도시된 바와 같이 주입로에서부터 배출로의 방향으로 폭(wm)이 넓어졌다가 다시 감소하는 형태로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상부유로 주유로의 길이(L)는 1μm 이상, 10cm 이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니고, 유전자 증폭 칩(130)의 형상에 따라 자유로이 변형될 수 있다.
보조채널(116)은 상부유로(113)의 양측에 형성될 수 있다. 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액은 상부유로(113), 하부유로(122)뿐 아니라 상부유로(113)의 양측에 형성된 보조채널(116)을 통해서도 모세관현상에 의해 이동할 수 있다. 도 3b, 3c를 통해 상세히 설명한다. 도 3b, 및 3c는 보조채널의 구조, 및 효과에 관한 도면이다.
도 3b는 도 3a의 일 단면(K)을 도시한 것이다. 도 3b에는, 유전자 증폭 칩(130), 상부유로(130), 및 상부유로 양측에 형성된 보조채널(116)이 도시되어 있다. wi, hi 는 각각 상부유로 주입로의 폭과 높이, a, h는 각각 보조채널의 폭과 높이를 의미한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 보조채널(116)은 상부유로(113)와 단차지게, 즉 높낮이가 다르게 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 달리 상부유로(113)의 높이(hi)와, 보조채널(116)의 높이(h)는 동일할 수도 있고, 또는 상부유로(113)의 높이(hi)가, 보조채널(116)의 높이(h)보다 더 클 수도 있다. 이때 보조채널(116)의 폭(a)과 높이(h)는 1μm이상, 5mm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3c는 보조채널의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3c의 (1)과 (2)는 보조채널이 형성되지 않은 경우를 도시한 것이고, (3)과 (4)는 보조채널이 형성된 경우를 도시한 것이다.
유로의 모든 면이 친수성일 경우 모서리에서의 액체의 작은 곡률 반경에 의해 매우 큰 라플라스 힘이 발생하여 모서리를 따라 매우 빠른 유동이 형성된다(Corner flow). 도 3c의 (1)과 (2)를 참조하면, 유로의 모서리를 따라 더 빠른 유동이 형성된 것을 알 수 있다. 이로 인해 유로 내 고른 유동이 형성되지 못하고 기포가 발생할 수 있다.
이러한 현상은 도 3c의 (3)과 (4)에 도시된 바와 같이 유로의 일부 면에 보조채널을 배치함으로써 해결될 수 있다. 유로의 양측에 보조채널이 있으면 해당 방향으로는 구동 압력이 0이 되어 유동이 발생하지 못하기 때문에 모서리를 통한 빠른 유동 방지가 가능하다.
즉 보조채널은 한정된 부피를 갖는 샘플 용액이 외부의 동력없이 모세관현상에 의해 지속적으로 상부유로를 통해 다공성 매질의 방향으로 이동하는데 도움을 줄 수 있다.
유전자 증폭장치의 하부본체는 보조채널을 포함하지 않을 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 샘플 용액은 상부유로(113)를 따라 유전자 증폭 칩(130)에 로딩될 수 있고, 이때 샘플 용액이 포함하고 있는 유전자가 증폭될 수 있다.
유전자 증폭 칩(130)은 상부본체(110)와 하부본체(120) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어 유전자 증폭 칩(130)은 전술한 바와 같이 상부본체(110)와 하부본체(120)가 포함할 수 있는 유전자 증폭 칩의 삽입 홈(예: 123)에 삽입될 수 있다. 유전자 증폭 칩(130)의 형태, 및 유전자 증폭 칩(130)에 배치된 광-열 필름을 도 4a, 및 4b를 통해 설명한다.
도 4a는 일 실시예에 따른 유전자 증폭 칩을 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면, 유전자 증폭 칩(130)은 기판(131), 기판의 상부면(132), 기판의 하부면(133), 및 관통 홀(134) 어레이를 포함한다.
기판(131)은 실리콘(Si), 유리(Glass), 고분자(polymer), 금속(metal), 세라믹, 그래파이트(graphite) 등의 무기물, 아크릴계, PET(PolyEthylene Terephtalate), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리스틸렌(polystylene), 폴리프로필렌(polypropylene) 중 어느 하나로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이때 기판(131)은 물과의 접촉각이 90도 이하인 친수성 재질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
기판의 두께, 즉 기판(131)의 상부면(132)에서부터 하부면(133)까지의 길이는 1mm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 자유로이 변형이 가능하다.
관통 홀(134)은 도시된 바와 같이 기판(131)의 상부면(132)에서 하부면(133)방향으로 관통되도록 형성될 수 있다. 관통 홀(134)을 형성할 때, 심도 반응성-이온 에칭(DRIE)을 포함하는 에칭, CMP 공정을 포함하는 시닝이 수행될 수 있다. 관통 홀(134)의 부피는 1nL이하일 수 있으며, 관통 홀(134)의 개수는 적어도 2만개 이상일 수 있다. 관통 홀(134)은 원통 또는 육각 기둥일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 기타 다각기둥 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 관통 홀(134)의 형태가 육각기둥인 경우, 관통 홀(134)의 단면적의 빗 거리(diagonal distance)는 100μm 이하일 수 있다. 다만 이러한 관통 홀(134)의 개수, 형태, 또는 부피와 같은 특성은 이에 제한되는 것이 아니고, 자유로이 변형이 가능하다.
관통 홀(134) 내부에서는 유전자 증폭반응이 일어난다. 이때, 각 관통 홀(134)에서 RNA 샘플을 역전사 효소를 이용하여 역전사하는 과정이 수행될 수도 있다. 유전자 증폭반응은 예컨대 PCR(polymerase chain reaction) 증폭 및 등온 증폭 중의 적어도 하나를 포함하는 핵산 증폭 반응, 산화-환원 반응 및 가수분해 반응 등을 포함할 수 있다. 이때 유전자는 RNA(ribonucleic acid), DNA(deoxyribonucleic acid), PNA(peptide nucleic acid), LNA(locked nucleic acid) 중의 하나 또는 둘 이상의 복합체(duplex)등을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다. 각 관통 홀(134)에서 유전자 증폭반응이 수행되는 동안 유전자 증폭장치의 광학부 및/또는 프로세서에 의해 광학적 신호가 측정되며, 측정된 광학적 신호를 기초로 증폭된 유전자가 검출될 수 있다. 이때, 광학적 신호는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명 등을 포함할 수 있다. 이와 같이 유전자 증폭 칩(130)은 예컨대 표적 DNA 주형의 유무 및 정량 정보 등을 감지하는데 활용될 수 있다.
각 관통 홀(134) 내부 또는 관통 홀(134) 어레이 입구에 기체의 버블을 제거하기 위한 구조(미도시) 예컨대, 버블 트랩(bubble trap)이나 버블 제거 부재/챔버, 및/또는 가스 투과 부재(gas permeable material) 등이 배치될 수도 있다.
유전자 증폭 칩(130)은 외부의 광원에 대하여 반응하는 광학적 발열 소자, 예컨대 광-열 필름을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않고 유전자 증폭 칩(130)은 광학적 발열 소자 대신 전기적 열 특성을 갖도록 펠티어(peltier) 소자 등의 전기적 발열 소자 등을 포함할 수도 있다. 이하 설명의 편의를 위해 광학적 발열 소자의 일 예인, 광-열 필름이 증착된 유전자 증폭 칩(130)의 형태를 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4b는 광-열 필름이 증착된 유전자 증폭 칩(130)의 측면을 도시한 것이다.
도 4b를 참조하면, 유전자 증폭 칩(130)은 전술한 기판(131), 기판의 상부면(132), 기판의 하부면(133), 및 관통 홀(134) 어레이 외에, 광-열 필름(135)을 더 포함할 수 있다. 도 4b는 기판의 상부면(132), 기판의 하부면(133), 및 관통 홀의 격벽에 광-열 필름(135)이 증착된 상태를 도시하였다. 이때 광-열 필름(135)은 패턴으로 증착될 수 있다.
다만 도 4b에 도시된 바와 달리, 기판의 상부면(132), 기판의 하부면(133), 및 관통 홀의 격벽 중 어느 하나에만 광-열 필름(135)이 증착될 수 있고, 기판의 상부면(132), 및 기판의 하부면(133)에만 광-열 필름(135)이 증착될 수도 있다. 이때, 기판의 상부면(132), 기판의 하부면(133), 및 관통 홀의 격벽에 모두 광-열 필름(135)이 증착된 경우보다, 공정 복잡도 또는 제조비용 측면에서 유리할 수 있다.
광-열 필름(135)의 두께는 10μm 이하일 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한 광-열 필름(135)은 금속층(metal layer)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않고 광-열 필름(135)은 금속을 산화시킨 물질, 준금속, 및 비금속으로 구성될 수도 있다. 예를 들어 광-열 필름(135)은 적외선 흡수능이 우수하여 레이저 조사시 광열변환 효과가 우수한 산화 텅스텐계 물질로 구성될 수도 있다.
광-열 필름(135)은 나노 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광-열 필름(135)은 지름 50nm 이하, 두께 50nm이하의 나노 입자, 나노 막대(nanorod), 나노 디스크(nanodisc), 또는 나노 섬(nanoisland)으로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고 이외에도 다양한 나노 구조로 형성되는 것이 가능하다.
또한 광-열 필름(135)은 도 4b에 도시되지는 않았지만, 카본블랙, 가시광선 염료, 자외선 염료, 적외선 염료, 형광 염료, 방사선 편광 염료, 안료, 금속 화합물, 및 다른 적합한 흡수 재료를 광-열 변환 물질로 추가적으로 포함할 수도 있다.
광-열 필름(135)은 광원으로부터 광을 수신하고, 수신된 광을 통해 열을 발생(photonic heating)시킬 수 있다. 이때 광-열 필름(135)이 유전자 증폭 칩(130)의 복수의 위치에 증착 됨으로써, 온도를 균일하게 제어하는 것이 가능하고, 열 발생 효율이 증가한다.
유전자 증폭 칩(130)은 전술한 광-열 필름(135)외에도, 기판(131)과 광-열 필름(135) 사이에 배치되어 광-열 필름(135)의 접착력을 향상시키는 접착 막(미도시), 광-열 필름(135)과 기판(131) 사이의 접착력을 향상시키는 별도의 구성(미도시), 광-열 필름(135)을 감싸도록 부착되어 관통 홀 내부에서의 유전자 증폭과정을 방해하는 것을 방지하는 보조 필름(미도시), 광열 효과를 증폭시키기 위한 기타 물질(미도시)등을 더 포함할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 다공성 매질(140)은 상부본체(110)와 하부본체(120) 사이에 삽입될 수 있다. 예를 들어 다공성 매질(140)은 전술한 바와 같이, 상부본체(110)와 하부본체(120)가 포함할 수 있는 다공성 매질의 삽입 홈(예: 124)에 삽입될 수 있다.
다공성 매질(140)은 친수성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 매질(140)은 솜, 여과지, 하이드로젤, 및 스펀지 등으로 형성될 수 있다.
다공성 매질(140)은 복수의 기공, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체를 포함할 수 있다. 이때, 기공, 또는 핀 형태의 마이크로 구조체의 지름은 상부유로와 하부유로의 폭보다 작고, 0.001μm이상, 100μm이하일 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니다. 복수의 기공 사이의 간격, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체 사이의 간격은 0.001μm이상, 100μm이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다공성 매질(140)은 부피 대비 넓은 표면적을 갖고, 큰 흡습성을 가짐으로써, 상부유로(113)보다 더욱 강한 힘으로 샘플 용액을 잡아당겨 빠르게 샘플 용액을 흡수할 수 있다. 이때 다공성 매질(140)은 제한된 길이로 많은 샘플 용액과 실링 용액을 흡수할 수 있어 유전자 증폭장치(100)의 소형화에 도움을 줄 수 있다.
도 5 내지 도 8은 실시예들에 따른 미세유체 검출장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 미세유체 검출장치(500)는 유전자 증폭장치(510), 광학부(520) 및 프로세서(530)를 포함한다. 유전자 증폭장치(510)은 도 1 내지 4b를 참조하여 앞에서 자세히 설명하였으므로 이하 광학부(520), 및 프로세서(530)를 중심으로 설명한다.
광학부(520)는 마이크로/나노 관통 홀 어레이의 각 관통 홀에서 유전자 증폭 반응이 수행되는 동안 광학적 신호를 측정한다. 이때, 광학적 신호는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명 등을 포함한다. 광학부(520)는 마이크로/나노 관통 홀의 샘플 용액에 광을 조사하는 광원과 마이크로/나노 관통 홀의 샘플 용액에서 반사된 광학적 신호를 검출하는 검출기를 포함할 수 있다. 광원은 LED, 레이저(laser), VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 검출기는 광전자증폭관(photomultiplier tube), 포토디텍터(photo detector), 광전자증폭관(photomultiplier tube) 어레이, 포토디텍터(photo detector) 어레이, CMOS 이미지 센서(complementary metal-oxide semiconductor) 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 또한, 광학부(520)는 특정 파장을 통과시키기 위한 필터, 마이크로/나노 관통 홀로부터 방출되는 광을 검출기 방향으로 향하도록 조절하는 미러(mirror), 마이크로/나노 관통 홀로부터 방출되는 광을 집광하는 렌즈(lens) 등을 더 포함할 수 있다.
프로세서(530)는 광학부(520)와 전기적으로 연결될 수 있으며 광학부(520)의 광원의 구동을 제어할 수 있다. 또한, 검출기로부터 광학적 신호를 수신하여 광학적 신호를 분석하고, 분석 결과를 기초로 생체분자를 검출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(530)는 검출기에 의해 검출된 디지털 핵산 증폭 결과, 및 푸아송 분포(Poisson distribution)를 기반으로 증폭된 유전자의 정량을 분석할 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 실시예의 미세유체 검출장치(600)는 전술한 도 5의 미세유체 검출장치(500)의 구성에 전처리부(610)를 더 포함할 수 있다.
전처리부(610)는 예컨대 상부유로의 주입로에 존재하는 샘플 용액을 가열하거나, 화학적 처리, 마그네틱 비드(magnet beads)를 이용한 처리, 고상 추출(solid phase extraction), 초음파를 이용한 처리 등의 전처리를 수행할 수 있다. 이를 위해, 전처리부(610)는 상부유로의 주입로의 내부 및/또는 외부에 배치된 마그네틱 비드, 초음파 장치, 광학적/전기적 가열 장치 등의 전처리를 위한 다양한 물질이나 구조물 등을 포함할 수 있으며, 이러한 물질이나 구조물 등을 제어할 수 있다. 전처리부(610)의 적어도 일부 기능은 프로세서(530)에 통합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 실시예의 미세유체 검출장치(700)는 도 5 또는 도 6의 실시예의 미세유체 검출장치(500,600) 구성에 온도제어부(710)를 더 포함할 수 있다.
온도제어부(710)는 상부유로, 및/또는 유전자 증폭 칩의 각 관통홀에 존재하는 샘플 용액의 온도를 조절할 수 있다.
일 예로, 온도 제어부(710)는 상부유로의 주입로에 존재하는 샘플 용액의 온도가 95
이상의 등온, 또는 30~60
에서 등온을 유지하도록 제어할 수 있다.
다른 예로, 온도 제어부(710)는 유전자 증폭 칩에 로딩된 샘플 용액의 온도를 예컨대 열 용해 온도, 역전사 온도, 및 유전자 증폭온도로 각각 제어할 수 있다.
이때, 온도 제어부(710)는 전기적 가열부, 및/또는 광학 가열부를 포함할 수 있고, 전기적 가열부, 및/또는 광학 가열부를 이용하여 샘플 용액의 온도를 제어할 수 있다.
전기적 가열부는 예컨대 발열 소자 및/또는 펠티에 소자 등을 포함할 수 있다. 광학 가열부는 예컨대 유전자 증폭장치(510)의 외부에 배치되어 유전자 증폭장치(510)가 포함하는 유전자 증폭 칩을 향해 광을 조사하는 하나 이상의 광원 등을 포함할 수 있다.
또한, 온도제어부(710)는 유전자 증폭장치(510) 내부 또는 외부에 배치되어 상부유로, 및 유전자 증폭 칩에 존재하는 샘플 용액의 온도를 측정하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 이때, 온도 센서는 온도의존성 전동기력(EMF)을 생성하는 바이메탈 접합을 갖는 서모커플, 온도 비례의 전기 저항을 갖는 재료를 포함하는 저항성 서모미터, 서미스터(thermistors), IC 온도센서, 콰르츠(quartz) 서모미터 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 8을 참조하면, 본 실시예의 미세유체 검출장치(800)는 도 7, 도 8 또는 도 9의 실시예의 미세유체 검출장치(500,600,700)의 구성에 저장부(810), 출력부(820), 및 통신부(830)를 더 포함할 수 있다.
저장부(810)는 예를 들어 유전자 증폭을 위한 각종 기준 정보 및/또는 유전자 증폭 결과 등을 출력할 수 있다. 저장부(810)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
출력부(820)는 예를 들어 유전자 증폭 과정, 유전자 증폭 결과 및/또는, 유전자 증폭과정에서 사용자와의 인터랙션 정보 등을 출력할 수 있다. 출력부(820)는 시각적 출력 모듈(예: 디스플레이), 음성 출력 모듈(예: 스피커), 햅틱 모듈 등을 이용하여 시각적, 청각적 및 촉각적 방법 등으로 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
통신부(830)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(830)는 미세유체 검출장치(800)에서 생성된 데이터, 예컨대 유전자 증폭 결과 등을 외부 장치로 전송할 수 있으며, 외부 장치로부터 유전자 증폭, 및/또는 유전자 증폭 결과 분석에 필요한 데이터를 수신할 수 있다. 이때, 외부 장치는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(830)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 일 실시예에 따른 유전자 증폭방법의 흐름도이다.
도 9의 유전자 증폭방법은 도 5내지 도 8의 실시예들에 따른 미세유체 검출장치(500,600,700,800)에 의해 수행될 수 있다. 앞에서 자세히 설명하였으므로 이하 중복 설명을 최소화하기 위해 간단하게 설명한다.
먼저, 샘플 용액이 주입되는 인렛에 샘플 용액을 주입할 수 있다(910).
다음, 주입된 샘플 용액이 모세관 현상에 의해 유전자 증폭 칩에 로딩될 수 있다(920).
주입된 샘플 용액은 상부유로를 따라 모세관 현상에 의해 이동할 수 있으며, 이때 상부유로는 모세관 현상을 용이하게 하기 위한 재질, 및 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 상부유로는 물과의 접촉각이 10도 이하인 재질로 형성될 수 있다. 다른 예로, 상부유로의 주유로가, 주입로 에서부터 배출로의 방향으로 경사지게 형성되거나, 및/또는 주입로와 배출로가 샘플 용액이 흘러가는 방향에 따른 폭이 일정하지 않을 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 유전자 증폭 칩에 로딩되지 않은 샘플 용액은 모세관 현상에 의해 유전자 증폭장치가 포함하는 다공성 매질의 방향으로 이동될 수 있다(930)
이때 상부유로의 모세관 현상을 용이하게 하기 위한 재질과 구조, 및/또는 다공성 매질의 강한 친수성으로 인해 모세관 현상이 용이할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 실링 용액이 주입되는 인렛에 실링 용액을 주입할 수 있다(940).
이때, 실링 용액이 주입되는 인렛의 직경은 샘플 용액이 주입되는 인렛의 직경보다 클 수 있다. 실링 용액은 샘플 용액과 혼합되지 않는 비극성 용액, 예컨대 오일 일 수 있다. 유전자 증폭 칩에 샘플 용액이 로딩되어 유전자 증폭반응이 일어날 때, 유전자 증폭 칩의 상부면과 하부면이 기체와 접촉되어 있으면, 유전자 증폭과정에서 샘플 용액이 증발하여 빠르게 손실될 수 있다. 이때 실링 용액이 유전자 증폭 칩의 상부면, 하부면 등에 도포됨으로써 로딩된 샘플 용액의 손실을 방지할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 주입된 실링 용액이 모세관 현상에 의해 다공성 매질의 방향으로 이동될 수 있다(950). 이때, 실링 용액은 상부유로, 하부유로, 상부유로의 양측에 형성된 보조채널을 통해 이동하며 유전자 증폭 칩의 상부면과 하부면등에 도포될 수 있고, 이때 로딩된 샘플 용액의 손실을 방지할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
다음, 유전자 증폭 칩에서 유전자 증폭반응이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에 샘플 용액의 광학적 신호를 측정하고, 측정된 광학적 신호를 이용하여 증폭된 유전자의 정량을 분석할 수 있다. 이때, 광학부의 광원으로 유전자 증폭 칩에 소정 파장의 광을 소정 시간 동안 조사하여, 유전자 증폭 칩의 샘플로부터 방출되는 형광, 인광, 흡광, 표면 플라즈몬 공명 등의 광학적 신호를 검출하고, 검출된 광학적 신호와 푸아송 분포를 기초로 증폭된 유전자의 정량을 분석할 수 있다. 자세한 설명은 생략한다.
한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 유전자 증폭장치
110: 상부본체 120: 하부본체
130: 유전자 증폭 칩 140: 다공성 매질
500, 600, 700, 800: 미세유체 검출장치
510: 유전자 증폭장치 520: 광학부
530: 프로세서 610: 전처리부
710: 온도제어부 810: 저장부
820: 출력부 830: 통신부
110: 상부본체 120: 하부본체
130: 유전자 증폭 칩 140: 다공성 매질
500, 600, 700, 800: 미세유체 검출장치
510: 유전자 증폭장치 520: 광학부
530: 프로세서 610: 전처리부
710: 온도제어부 810: 저장부
820: 출력부 830: 통신부
Claims (20)
- 실링 용액이 주입되는 제 1인렛, 샘플 용액이 주입되는 제 2인렛, 상기 샘플 용액, 및 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 상부유로를 포함하는 상부본체;
상기 상부본체와 구조적으로 연결되고, 상기 상부본체의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 하부유로를 포함하는 하부본체;
상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 유전자 증폭 칩; 및
상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 다공성 매질을 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부유로는,
상기 주입된 샘플 용액 및 실링 용액을 상기 유전자 증폭 칩의 방향으로 안내하는 주입로, 상기 유전자 증폭 칩의 상부에 배치되는 주유로, 및 주유로를 통과한 샘플 용액, 및 실링 용액을 상기 다공성 매질의 방향으로 안내하는 배출로를 포함하고,
상기 하부유로는,
상기 주입된 실링 용액을 상기 유전자 증폭 칩의 방향으로 안내하는 주입로, 상기 유전자 증폭 칩의 하부에 배치되는 주유로, 및 주유로를 통과한 실링 용액을 상기 다공성 매질의 방향으로 안내하는 배출로를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 주유로 중 적어도 하나는,
상기 주입로 에서부터 상기 배출로의 방향으로 경사지게 형성되는 유전자 증폭장치.
- 제 3항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 주유로 중 적어도 하나의 경사각은 0도 이상, 35도 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 주입로 및 배출로 중 적어도 하나는,
샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향에 따른 폭이 일정하지 않은 유전자 증폭장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 주입로는,
샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 선형적으로 좁아지는 유전자 증폭장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 배출로는,
샘플 용액, 또는 실링 용액이 흘러가는 방향을 따라 폭이 선형적으로 넓어지는 유전자 증폭장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 상부유로와 하부유로의 주입로 및 배출로의 폭은 1μm이상, 5mm 이하이고,
상기 상부유로와 하부유로의 주유로의 폭은 1μm이상, 10cm 이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부본체는,
상기 상부유로의 양측에 형성되어, 상기 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 보조채널을 더 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 보조채널은,
상기 상부유로와 단차지게 형성되는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부유로, 및 하부유로는,
물과의 접촉각이 90도 이하인, 친수성 재질로 형성되는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 실링 용액은,
상기 샘플 용액과 혼합되지 않는 비극성 용액인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 다공성 매질은,
친수성 재질로 형성되며, 복수의 기공, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 13항에 있어서,
상기 기공, 또는 핀 형태의 마이크로 구조체의 지름은 0.001μm이상, 100μm이하이고, 상기 상부유로와 하부유로의 폭보다 작으며,
상기 복수의 기공 사이의 간격, 또는 복수의 핀 형태의 마이크로 구조체 사이의 간격은 0.001μm이상, 100μm이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 1인렛의 직경은, 상기 제 2인렛의 직경보다 큰 유전자 증폭장치.
- 제 15항에 있어서,
상기 제 1인렛의 직경은 상부유로의 주입로의 폭보다 크거나 같고,
상기 제 2인렛의 직경은 0.1μm이상, 4500μm이하인 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 상부본체는,
상기 다공성 매질의 상부에 배치되는 기압 유지용 홀을 더 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 유전자 증폭 칩은,
기판, 및 상기 기판의 상부면에서 하부면 방향으로 관통되도록 형성되고, 내부에서 유전자 증폭반응이 발생하는 관통 홀 어레이를 포함하는 유전자 증폭장치.
- 제 18항에 있어서,
상기 유전자 증폭 칩은,
상기 기판의 상부면, 하부면, 및 각 관통홀의 격벽 중 적어도 하나에 배치되어, 수신된 광을 통해 열을 발생시키는 광-열 필름을 포함하는 유전자 증폭장치.
- 유전자 증폭장치;
상기 유전자 증폭장치의 유전자 증폭 칩에서 유전자 증폭반응이 진행되는 동안, 또는 유전자 증폭이 완료된 후에, 샘플 용액에 광을 조사하고 샘플 용액으로부터 산란, 또는 반사된 광학적 신호를 측정하는 광학부; 및
상기 광학적 신호를 분석하여 증폭된 유전자를 검출하는 프로세서를 포함하되,
상기 유전자 증폭장치는,
실링 용액이 주입되는 제 1인렛, 샘플 용액이 주입되는 제 2인렛, 상기 샘플 용액, 및 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 상부유로를 포함하는 상부본체;
상기 상부본체와 구조적으로 연결되고, 상기 상부본체의 제 1인렛으로부터 주입된 실링 용액이 모세관현상에 의해 이동하는 하부유로를 포함하는 하부본체;
상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 유전자 증폭 칩; 및
상기 상부본체, 및 하부본체 사이에 삽입되는 다공성 매질을 포함하는 미세유체 검출장치.
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