KR20230114664A

KR20230114664A - 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자

Info

Publication number: KR20230114664A
Application number: KR1020220040716A
Authority: KR
Inventors: 양성; 이예성; 김수성
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-03-31
Publication date: 2023-08-01

Abstract

본 발명은 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 검출대상 미생물이 포함된 미지 용액의 미생물을 음파 영동을 통해 기준 용액에 포함되도록 치환함으로써 미생물 치환액을 생성하고, 상기 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하는 전처리 유닛과, 상기 전처리 유닛에서 측정된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 미생물 치환액을 유전 영동을 통해 미생물 농축액과 여과액으로 분리한 후, 상기 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정하는 미생물 농도 측정 유닛을 포함하며, 전처리된 미생물 치환액의 전기적 특성 정보에 기초하여 헤링본 전극부에 전력을 공급하여 양의 유전 영동의 힘을 통해 미생물과 여과액으로 고효율로 분리할 수 있으며, 미생물 치환액 수용부에 유입되는 치환액의 흐름에 기초하여 헤링본 전극부를 설계함으로써 미생물에 양의 유전 영동의 힘이 잘 인가될 수 있는 효과가 있다.

Description

미지 용액내 미생물 농도 검출 소자{Microbial concentration detection element in unknown solution}

본 발명은 미지용액 내 미생물 농도 검출 소자에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전처리된 미지 용액에서 양의 유전 영동의 힘을 이용하여 미생물의 농도를 검출하는 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자에 관한 것이다.

유전영동은 1951년 Pohl에 의해 정의되었다. 유전영동은 불균일한 전기장에 입자가 놓였을 때, 입자에 유도된 쌍극자에 의해 입자에 방향성 있는 힘이 가해지는 현상을 말한다. 힘의 세기는 입자와 매질의 전기적 특성(electrical property)과 유전특성(dielectric property), 교류 전기장의 주파수 등에 따라 달라지며, 이를 이용하여 입자의 움직임을 제어할 수 있다. 유전영동 기술은 편극이 가능한 입자 모두에 적용 가능하기 때문에, 세포를 포함한 다양한 생물 입자의 이동, 분리, 포집 등에 활용될 수 있다.

미생물을 검출하기 위해 사용되는 종래의 절차는 전형적으로 시료를 배양하는 단계를 수반한다. 이 경우, 표적 미생물은 이러한 표적 미생물에 특이적인 배양 배지(culture medium)에서 배양될 수 있다. 이러한 가장 보편적으로 이용되는 배양법의 경우 24시간 이상 미생물 배양이 요구되어 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.

또한, 면역 크로마토그래피, RT-PCR 역시 검출 시간이 오래 걸리며, 소량의 샘플을 이용하여 미생물의 농도가 낮은 경우 정확한 검출이 어렵고, 오류결과를 나타낼 가능성이 높다는 문제점이 있다.

따라서 정확한 검출을 위해서는 미생물 농도 증가를 위한 전처리 과정이 필요하다. 하지만 농축 기능과 통합된 센서는 매우 제한적이며, 기존 통합 센서의 경우 처리 속도가 매우 낮은 문제가 있으며, 이에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

한국공개특허 제10-2020-0011456호: 미생물 및 기타 분석물을 검출, 정량화, 및/또는 추적하기 위한 진단 검정법

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 유전 영동의 힘을 이용한 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자를 제공하는 것이다.

또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미생물에 유전 영동의 힘이 원활하게 인가되는 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자는 검출대상 미생물이 포함된 미지 용액의 미생물을 음파 영동을 통해 기준 용액에 포함되도록 치환함으로써 미생물 치환액을 생성하고, 상기 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하는 전처리 유닛과, 상기 전처리 유닛에서 측정된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 미생물 치환액을 유전 영동을 통해 미생물 농축액과 여과액으로 분리한 후, 상기 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정하는 미생물 농도 측정 유닛을 포함한다.

상기 전처리 유닛은 상기 미지 용액과 기준 용액이 각각 투입되는 투입부와, 상기 음파 영동을 통해 상기 투입부에서 투입된 미지 용액에 포함된 미생물을 상기 기준 용액에 포함되도록 치환하여 미생물 치환액을 생성하는 치환부와, 상기 치환부에서 치환된 미생물 치환액과 미지 용액을 각각 배출하는 제1 배출부와, 상기 제1 배출부에서 배출된 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하는 전기적 특성 산출부를 포함한다.

상기 전기적 특성 산출부는 상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스에 기초하여 전기적 특성 정보를 산출하는 산출부를 포함한다.

상기 임피던스 측정부는 상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액에 인가되는 전류를 측정하는 전류 측정부와, 상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함한다.

상기 전기적 특성 정보는 전기 전도도, 유전율 및 CM(Clausius-Mossotti)인자이다.

상기 미생물 농도 측정 유닛은 상기 미생물 치환액을 양의 유전 영동의 힘을 이용하여 미생물 농축액과 여과액으로 분리하는 분리부와, 상기 분리부에서 분리된 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정하는 농도 측정부와, 상기 분리부로부터 분리된 미생물 농축액과 여과액을 각각 배출하는 제2 배출부를 포함한다.

상기 분리부는 상기 미생물 치환액을 수용하는 치환액 수용부와, 상기 치환액 수용부에 다수개가 설치되며, 전극이 절곡점을 중심으로 소정각도 절곡되게 연장된 헤링본 패턴 형상으로 형성되어 상기 치환액 수용부내 미생물 치환액에 포함된 미생물이 양의 유전 영동의 힘에 의해 상기 절곡점들을 따라 이동함으로써 상기 미생물 치환액을 미생물 농축액과 여과액으로 분리시키는 헤링본 전극부와, 상기 헤링본 전극부에서 양의 유전 영동의 힘이 발생할 수 있도록 상기 전기적 특성 산출부에서 산출된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 헤링본 전극부에 전력을 인가하는 제1 전력인가부를 포함한다.

상기 헤링본 전극부는 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하며, 상기 제1 및 제2 전극부는 소정간격 이격되어 순차적으로 배열되되, 상기 제1 전극부는 상기 치환액 수용부에 유입되는 미생물 치환액에 포함된 미생물에 양의 유전 영동의 힘을 원활하게 인가하여 상기 미생물이 상기 절곡점들로 유도될 수 있도록 상기 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제1 전극들로 이루어지며, 상기 제2 전극부는 양의 유전 영동의 힘이 원활하게 인가될 수 있도록 상기 제1 전극부를 통과하는 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정 간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제2 전극들으로 이루어지되, 상기 제1 전극은 서로 상이한 각도로 형성되며, 상기 제2 전극은 서로 일정한 각도로 형성된다.

상기 농도 측정부는 상기 치환액 수용부에 설치되며, 양의 유전 영동의 힘으로 미생물 농축액에 농축된 미생물을 포획하는 검출 전극부와, 상기 검출 전극부에서 양의 유전 영동의 힘이 발생할 수 있도록 상기 검출 전극부에 소정 시간 전력을 인가하는 제2 전력인가부와, 상기 검출 전극부에서 소정 시간 발생한 전기 신호 변화를 측정함으로써 총 미생물 농도를 측정하는 미생물 농도 검출부를 포함한다.

상기 검출 전극부는 한쌍 이상의 IDE 전극으로 이루어진다.

상기 미생물 농도 측정 유닛으로부터 배출되는 미생물 농축액에서 미생물의 균주별 농도를 검출하는 전기 화학센서 유닛을 더 포함하며, 상기 전기 화학센서 유닛은 상기 미생물 농축액이 주입되는 샘플 용액 주입부와, 상기 샘플 용액 주입부에 연결되며, 반응 용액이 주입되는 반응 용액 주입부와, 상기 샘플 용액 주입부와 연결되며, 상기 미생물 농축액과 상기 반응 용액이 순차적으로 수용되는 용액 수용부와, 상기 용액 수용부에서 수용된 미생물 농축액의 미생물을 소정시간 인큐베이션하는 인큐베이션부와, 상기 인큐베이션부에서 인큐베이션된 미생물의 균주별 농도를 측정하는 미생물 균주별 농도 측정부와, 상기 용액 수용부에 연결되며, 상기 용액 수용부에서 미생물 농축액 또는 반응 용액을 배출하는 용액 배출부를 포함한다.

상기 샘플 용액 주입부에 설치되며, 미생물 농축액 또는 반응 용액의 이동을 차단하는 차단밸브와, 상기 인큐베이션부가 인큐베이션된 미생물의 균주별 농도를 측정하기 위한 것으로서 미생물 농축액과 반응 용액이 순차적으로 상기 용액 수용부에 수용되도록 상기 차단밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자는 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 본 발명은 전처리된 미생물 치환액의 전기적 특성 정보에 기초하여 헤링본 전극부에 전력을 공급함으로써 양의 유전 영동의 힘을 통해 미생물 치환액을 미생물 농축액과 여과액으로 분리할 수 있다.

(2) 본 발명은 미생물 치환액 수용부에 유입되는 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 헤링본 전극부를 설계함으로써 미생물에 양의 유전 영동의 힘을 원활하게 인가할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 전처리 유닛을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 치환부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 전기적 특성 산출부를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 미생물 농도 측정 유닛을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 미생물 치환 용액 수용부를 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 농도 검출 소자의 전기 화학센서 유닛을 도시한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 '미지 용액내 미생물 농도 검출 소자'에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자(10)는 전처리 유닛(100), 미생물 농도 측정 유닛(200) 및 전기 화학센서 유닛(300)을 포함한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 전처리 유닛(100)은 검출대상 미생물이 포함된 미지 용액의 미생물을 음파 영동을 통해 기준 용액에 포함되도록 치환함으로써 미생물 치환액을 생성하고, 상기 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출한다.

상기 전처리 유닛(100)은 투입부(110), 치환부(120), 제1 배출부(130) 및 전기적 특성 산출부(140)를 포함한다.

상기 투입부(110)는 제1 투입부(112)와 제2 투입부(114)를 포함한다. 상기 제1 투입부(112)에는 검출대상 미생물이 포함된 미지 용액이 주입된다. 상기 제2 투입부(114)는 상기 미지 용액과 동일한 양의 기준 용액이 주입된다. 상기 기준 용액은 용매에 포함된 미지 입자 또는 미생물을 치환하기 위해 사용하는 쉬스 용액(sheath fluid)일 수 있다.

상기 치환부(120)는 상기 투입부(112)에서 투입된 미지 용액과 미지 용액은 혼합되지 않고 계면을 유지하면서 각각 주입되며, 이때, 음파 영동을 통해 상기 투입부(110)에서 투입된 미지 용액에 포함된 미생물이 상기 기준 용액에 포함되도록 치환하여 미생물 치환액을 생성한다. 상기 치환부(120)는 미생물 치환액을 생성함으로써 후술되는 양의 유전 영동의 힘을 미생물 치환액에 인가할 때 미지 용액의 용매 영향을 배제할 수 있다.

상기 음파 영동에 사용되는 음파는 IDE(Interdigitated electrode)구조로 형성된 표면 탄성파 또는 벌크 탄성파일 수 있다.

상기 제1 배출부(130)는 치환액 배출부(131)와 잔류 용액 배출부(132)를 포함한다.

상기 치환액 배출부(131)에서는 상기 치환부(120)에서 검출대상 미생물이 포함된 미지 용액이 음파 영동을 통해 치환됨으로써 생성된 미생물 치환액이 배출된다.

상기 잔류 용액 배출부(132)에서는 상기 치환부(120)에서 검사대상 미생물이 포함된 미지 용액이 기준 용액으로 치환됨으로써 검사대상 미생물이 포함되지 않은 잔류 용액이 배출된다.

상기 전기적 특성 산출부(140)는 상기 제1 배출부(130)에서 배출되는 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하며, 상기 미지 용액의 미생물이 기준 용액으로 정상적으로 치환되었는지 여부를 확인한다. 상기 전기적 특성 정보는 전기 전도도, 유전율 및 CM(Clausius-Mossotti)인자일 수 있다.

상기 전기적 특성 산출부(140)는 임피던스 측정부(142)와 산출부(144)를 포함한다.

상기 임피던스 측정부(142)는 잔류 용액 배출부(132)에서 배출되는 미생물 치환액의 임피던스를 측정하며, 전류 측정부(142a)와 전압 측정부(142b)를 포함한다.

상기 전류 측정부(142a)와 전압 측정부(142b)에서는 D/C전류 및 D/C전압을 미생물 치환액에 인가하면, 상기 전기적 특성 산출부(140)에서는 전기 전도도를 산출할 수 있으나 상기 유전율을 산출할 수 없다. 따라서 상기 전류 측정부(142a)와 전압 측정부(142b)은 A/C전류 및 A/C전압을 미생물 치환액에 인가한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 미생물 농도 측정 유닛(200)은 상기 전처리 유닛(100)에서 측정된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 미생물 치환액을 유전 영동을 통해 미생물 농축액과 여과액으로 분리한 후, 상기 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정한다.

상기 미생물 농도 측정 유닛(200)은 분리부(210), 농도 측정부(220) 및 제2 배출부(230)를 포함한다.

상기 분리부(210)는 미생물 치환액을 양의 유전 영동의 힘(dielectrophoresis force, DEP force)을 이용하여 미생물 농축액과 여과액으로 분리한다.

상기 분리부(210)는 치환액 수용부(212), 헤링본 전극부(216) 및 제1 전력인가부(미도시)를 포함한다.

상기 치환액 수용부(212)는 상기 제1 배출부(130)로부터 배출되는 미생물 치환액이 수용되며, 상기 헤링본 전극부(216)가 다수개 설치된다.

상기 헤링본 전극부(216)는 전극이 절곡점을 중심으로 소정각도 절곡되게 연장된 헤링본 패턴 형상으로 형성된다.

상기 헤링본 전극부(216)는 상기 치환액 수용부(212)내 미생물 치환액에 포함된 미생물이 양의 유전 영동의 힘에 의해 상기 절곡점들을 따라 이동됨으로써, 상기 미생물 치환액을 미생물 농축액과 여과액으로 분리한다. 구체적으로 상기 헤링본 전극부는(216) 상기 치환액 배출부(131)에서 배출되어 상기 치환액 수용부(212)로 유입된 미생물 치환액이 상기 제2 배출부(230)를 향해 이동하는 과정에서 상기 미생물 치환액에 포함된 미생물을 상기 절곡점으로 유도함으로써 미생물 농축액으로 분리된다. 그리고상기 절곡점으로 유도되는 미생물을 제외한 여과액이 상기 제2 배출부(230)로 이동하게 된다.

상기 헤링본 전극부(216)는 제1 전극부(216a)와 제2 전극부(216b)를 포함한다.

상기 제1 전극부(216a)는 상기 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제1 전극들로 이루어지되, 상기 제1 전극은 서로 상이한 각도로 형성된다. 상기 제1 전극은 상기 미생물 치환액의 상기 치환액 수용부(212)에 유입시, 미생물 치환액에 나타나는 항력(Drag force)에 의해 곡률형태의 미생물 치환액 흐름에서도 양의 유전 영동의 힘을 원활하게 인가하여 상기 미생물을 상기 절곡점들로 유도한다.

상기 제2 전극부(216b)는 상기 제1 전극부(216a)를 통과하는 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정 간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제2 전극들로 이루어지되, 상기 제2 전극은 서로 일정한 각도로 형성된다. 상기 제2 전극은 상기 제1 전극부(216a)를 통과하는 미생물 치환액의 직선형태의 흐름에서 양의 유전 영동의 힘을 원활하게 인가한다.

상기 제1 및 제2 전극부(216b)는 소정간격 이격되어 순차적으로 배열된다.

상기 제1 전력인가부는 상기 전기적 특성 산출부(140)에서 산출된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 헤링본 전극부(216)에 전력을 인가한다. 구체적으로 상기 제1 전력인가부는 상기 CM 인자에 기초하여 상기 헤링본 전극부(216)에 미생물 농축액과 여과액의 분리에 적합한 교류(Alternating Current)전력을 인가함에 따라 상기 치환액 수용부(212)에는 전기장(electric field)이 형성된다. 따라서 상기 헤링본 전극부(216)에는 미생물 치환액에 양의 유전 영동의 힘이 발생된다.

상기 농도 측정부(220)는 상기 분리부(210)에서 분리된 미생물 농축액의 미생물 농도를 측정한다.

상기 농도 측정부(220)는 검출 전극부(222), 제2 전력인가부(미도시) 및 미생물 농도 검출부(미도시)를 포함한다.

상기 검출 전극부(222)는 상기 치환액 수용부(212)에 설치되며, 양의 유전 영동의 힘으로 미생물 농축액에 농축된 미생물을 포획한다.

상기 검출 전극부(222)는 한쌍 이상의 IDE 전극을 포함할 수 있다. 그러나 상기 검출 전극부(222)에 포함된 전극쌍의 수는 경우에 따라 사용자가 미생물 검출 민감도를 향상시키기 위해 증가될 수 있다.

상기 제2 전력 인가부는 상기 검출 전극부(222)에 소정 시간 전력을 인가한다. 구체적으로 상기 제2 전력 인가부는 소정 시간 교류(Alternating Current)전력을 상기 검출 전극부(222)에 인가함으로써 상기 검출 전극부(222)에서 양의 유전 영동의 힘이 발생할 때 포획되는 미생물의 과다 포획으로 제 기능을 상실하는 것을 방지한다.

상기 미생물 농도 검출부는 상기 검출 전극부(222)에서 소정 시간 발생한 전기 신호 변화를 측정함으로써 총 미생물 농도를 측정한다.

상기 제2 배출부(230)는 농축액 배출부(232)와 여과액 배출부(234)를 포함한다.

상기 농축액 배출부(232)에서는 상기 치환액 수용부(212)에서 미생물이 농축된 미생물 농축액이 배출되며, 상기 여과액 배출부(234)에서는 상기 치환액 수용부(212)에서 미생물이 분리됨으로써 생성된 여과액이 배출된다.

도 8을 참조하면, 상기 전기 화학센서 유닛(300)은 샘플 용액 주입부(310), 반응 용액 주입부(320), 용액 수용부(330), 인큐베이션부(미도시), 미생물 균주별 농도 측정부(340), 용액 배출부(350), 차단밸브(360) 및 제어부(미도시)를 포함한다.

상기 샘플 용액 주입부(310)는 상기 농축액 배출부(232)로부터 배출되는 미생물 농축액이 주입된다.

상기 반응 용액 주입부(320)는 상기 샘플 용액 주입부(310)과 연결되며, 상기 인큐베이션부의 작동을 위해 반응 용액이 주입된다.

상기 용액 수용부(330)는 상기 샘플 용액 주입부(310)과 연결되며, 상기 미생물 농축액과 상기 반응 용액이 순차적으로 수용된다.

상기 인큐베이션부는 상기 용액 수용부(330)에 다수개가 설치되며, 상기 용액 수용부에서 수용된 미생물 농축액의 미생물을 소정시간 동안 인큐베이션 한다. 상기 인큐베이션은 미생물을 포획하기 위해 미생물(항원)과 항체의 결합을 실시하는 일련의 과정을 말한다.

상기 인큐베이션부는 미생물을 종류별로 포획할 수 있도록 서로 상이한 종류의 항체가 각각 고정되어 있다.

상기 미생물 균주별 농도 측정부(340)는 상기 인큐베이션부에서 인큐베이션된 미생물의 균주별 농도를 측정한다. 이때 미생물의 균주별 농도를 측성하기 위해서 상기 용액 수용부에는 상기 반응 용액이 주입되며, 상기 미생물 농축액은 배출된다.

상기 미생물 균주별 농도 측정부(340)는 미생물과 항체의 결합으로 발생하는 반응 용액의 전기 화학 신호 변화(산화 환원 반응에 의해 발생하는 전류 또는 전압값)를 측정함으로써 미생물의 균주별 농도를 측정한다.

상기 용액 배출부(350)는 상기 용액 수용부에 연결되며, 상기 미생물 농축액 또는 반응 용액이 배출된다.

상기 차단밸브(360)는 미생물 농축액 또는 반응 용액의 이동을 차단한다. 상기 차단밸브(360)는 상기 샘플 용액 주입부(310)에 설치되며, 상기 미생물 농축액의 이동을 차단하는 제1 차단밸브(362)와, 상기 반응 용액 주입부(320)에 설치되며, 상기 반응 용액의 이동을 차단하는 제2 차단밸브(364)를 포함한다.

상기 제어부는 상기 미생물 농축액과 샘플 용액이 순차적으로 상기 용액 수용부(330)에 수용되도록 상기 제1 및 제2 차단밸브(362, 364)를 제어한다. 구체적으로 상기 제어부는 상기 제2 차단밸브(364)를 차단함으로써 상기 미생물 농축액을 상기 용액 수용부(330)으로 주입시킨다. 또한, 상기 제어부는 상기 제1 차단부(362)를 차단함으로써 상기 반응 용액을 상기 용액 수용부(330)에 주입시킨다.

또한 상기 제어부는 경우에 따라 상기 미생물 농축액과 반응 용액을 주입 또는 배출하도록 전반을 제어할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자(10)는 상기 전처리 유닛(100), 미생물 농도 측정 유닛(200) 및 전기 화학센서 유닛(300)을 집중 매개변수 모델(lumped parameter model)을 통해 상호 연결함으로써 전기적 기능을 유지한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액 내 미생물 농도 검출 소자(10)는 전기 화학센서 유닛(300), 미생물 농도 측정 유닛(200) 및 전처리 유닛(100)순으로, 저항값을 설계함으로써 상호 전기적 기능을 유지한다. 보다 구체적으로 저항값의 설계는 상기 전처리 유닛(100), 미생물 농도 측정 유닛(200) 및 전기 화학센서 순서로 상호 연결하면 저항값이 달라져 제 기능을 상실하므로 전기 화학센서 유닛(300), 미생물 농도 측정 유닛(200) 및 전처리 유닛(100)순으로 저항값을 설계한다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자(10)의 작동과정은 다음과 같다.

미지 용액과 기준 용액이 각각 투입부(110)에 투입되면, 치환부(120)가 음파 영동을 통해 상기 투입부(110)에서 투입된 미지 용액에 포함된 미생물을 상기 기준 용액에 포함되도록 치환하여 미생물 치환액을 생성하게 된다. 이때, 상기 제1 배출부(130)에서는 미생물 치환액이 배출되며, 동시에 전기적 특성 산출부(140)가 상기 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하게 된다.

이어서 상기 미생물 치환액 수용부(212)에 상기 제1 배출부(130)로부터 배출되는 상기 미생물 치환액이 수용된다. 또한, 상기 미생물 치환액의 항력이 흐름에 따라 발생된다.

또한 상기 치환액 수용부(212)는 상기 제1 전력인가부가 상기 전기적 특성정보에 기초한 전력을 헤링본 전극부(216)에 인가함으로써 양의 유전 영동의 힘이 발생된다.

따라서 상기 미생물 치환액은 양의 유전 영동의 힘에 의해 미생물이 상기 헤링본 전극부(216)의 절곡점을 따라 이동됨으로써 미생물 농축액으로 분리되며, 상기 미생물 치환액에 발생하는 항력으로 제2 배출부(230)를 향해 이동됨으로써 여과액으로 분리된다. 동시에 미생물 농도 검출부가 상기 미생물 농축액에 소정시간 전력을 인가하여 발생하는 전기 신호 변화를 측정함으로써 미생물 농도를 파악할 수 있다.

한편, 미생물 균주별 농도를 파악하기 위해 상기 제어부가 상기 제2 차단부(364)를 차단하고, 미생물 농축액이 샘플 용액 주입부(310)를 통해 상기 용액 수용부(330)로 주입된다. 이어서, 상기 인큐베이션부는 미생물 농축액의 미생물에 대해 인큐베이션을 실시한다.

상기 인큐베이션부가 소정 시간 동안 상기 미생물에 대한 인큐베이션을 마치면, 상기 제어부가 상기 제1 차단부(362)를 차단하며, 상기 반응 용액 주입부(320)을 통해 상기 반응 용액이 상기 용액 수용부(330)로 주입된다. 동시에 용액 수용부(330)에 수용된 미생물 농축액은 상기 용액 배출부(350)으로 배출되게 된다.

이어서, 상기 미생물 균주별 농도 측정부(340)은 상기 반응 용액의 산화 환원 반응에 의해 발생하는 전류 또는 전압값과 같은 전기 신호 변화를 측정함으로써 포획된 미생물의 균주별 농도를 파악할 수 있다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자(10)는 전처리된 미생물 치환액의 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 헤링본 전극부(216)에 전력을 공급함으로써 미생물 치환액을 양의 유전 영동의 힘을 통해 미생물 농축액과 여과액으로 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 미지 용액내 미생물 농도 검출 소자(10)는 치환액 수용부(212)에 유입되는 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 상기 헤링본 전극부(216)를 설계함으로써 미생물에 양의 유전 영동의 힘이 원활하게 인가할 수 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

100: 전처리 유닛
110: 투입부
112: 제1 투입부
114: 제2 투입부
120: 치환부
130: 제1 배출부
140: 전기적 특성 산출부
142: 임피던스 측정부
142a: 전류 측정부
142b: 전압 측정부
144: 산출부
200: 미생물 농도 측정 유닛
210: 분리부
212: 치환액 수용부
216: 헤링본 전극부
216a: 제1 전극부
216b: 제2 전극부
220: 농도 측정부
222: 검출 전극부
230: 제2 배출부
300: 전기 화학센서 유닛
310: 샘플 용액 주입부
320: 반응 용액 주입부
330: 용액 수용부
340: 미생물 균주별 농도 측정부
350: 용액 배출부
360: 차단밸브
362: 제1 차단밸브
364: 제2 차단밸브

Claims

검출대상 미생물이 포함된 미지 용액의 미생물을 음파 영동을 통해 기준 용액에 포함되도록 치환함으로써 미생물 치환액을 생성하고, 상기 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하는 전처리 유닛과;
상기 전처리 유닛에서 측정된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 미생물 치환액을 유전 영동을 통해 미생물 농축액과 여과액으로 분리한 후, 상기 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정하는 미생물 농도 측정 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제1 항에 있어서,
상기 전처리 유닛은
상기 미지 용액과 기준 용액이 각각 투입되는 투입부와;
상기 음파 영동을 통해 상기 투입부에서 투입된 미지 용액에 포함된 미생물을 상기 기준 용액에 포함되도록 치환하여 미생물 치환액을 생성하는 치환부와;
상기 치환부에서 치환된 미생물 치환액과 미지 용액을 각각 배출하는 제1 배출부와;
상기 제1 배출부에서 배출된 미생물 치환액의 전기적 특성 정보를 산출하는 전기적 특성 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제2 항에 있어서,
상기 전기적 특성 산출부는
상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와;
상기 임피던스 측정부에서 측정된 임피던스에 기초하여 전기적 특성 정보를 산출하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제3 항에 있어서,
상기 임피던스 측정부는
상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액에 인가되는 전류를 측정하는 전류 측정부와;
상기 제1 배출부에서 배출되는 미생물 치환액에 인가되는 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제3 항에 있어서,
상기 전기적 특성 정보는 전기 전도도, 유전율 및 CM(Clausius-Mossotti)인자인 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제5 항에 있어서,
상기 미생물 농도 측정 유닛은
상기 미생물 치환액을 양의 유전 영동의 힘을 이용하여 미생물 농축액과 여과액으로 분리하는 분리부와;
상기 분리부에서 분리된 미생물 농축액에서 미생물의 농도를 측정하는 농도 측정부와;
상기 분리부로부터 분리된 미생물 농축액과 여과액을 각각 배출하는 제2 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제6 항에 있어서,
상기 분리부는
상기 미생물 치환액을 수용하는 치환액 수용부와;
상기 치환액 수용부에 다수개가 설치되며, 전극이 절곡점을 중심으로 소정각도 절곡되게 연장된 헤링본 패턴 형상으로 형성되어 상기 치환액 수용부내 미생물 치환액에 포함된 미생물이 양의 유전 영동의 힘에 의해 상기 절곡점들을 따라 이동함으로써 상기 미생물 치환액을 미생물 농축액과 여과액으로 분리시키는 헤링본 전극부와;
상기 헤링본 전극부에서 양의 유전 영동의 힘이 발생할 수 있도록 상기 전기적 특성 산출부에서 산출된 전기적 특성 정보에 기초하여 상기 헤링본 전극부에 전력을 인가하는 제1 전력인가부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제7 항에 있어서,
상기 헤링본 전극부는 제1 전극부와 제2 전극부를 포함하며,
상기 제1 및 제2 전극부는 소정간격 이격되어 순차적으로 배열되되,
상기 제1 전극부는 상기 치환액 수용부에 유입되는 미생물 치환액에 포함된 미생물에 양의 유전 영동의 힘을 원활하게 인가하여 상기 미생물이 상기 절곡점들로 유도될 수 있도록 상기 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제1 전극들로 이루어지며,
상기 제2 전극부는 양의 유전 영동의 힘이 원활하게 인가될 수 있도록 상기 제1 전극부를 통과하는 미생물 치환액의 흐름에 기초하여 소정 간격 상호 이격되어 배열된 다수의 제2 전극들으로 이루어지되
상기 제1 전극은 서로 상이한 각도로 형성되며,
상기 제2 전극은 서로 일정한 각도로 형성되는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제7 항에 있어서,
상기 농도 측정부는
상기 치환액 수용부에 설치되며, 양의 유전 영동의 힘으로 미생물 농축액에 농축된 미생물을 포획하는 검출 전극부와;
상기 검출 전극부에서 양의 유전 영동의 힘이 발생할 수 있도록 상기 검출 전극부에 소정 시간 전력을 인가하는 제2 전력인가부와;
상기 검출 전극부에서 소정 시간 발생한 전기 신호 변화를 측정함으로써 총 미생물 농도를 측정하는 미생물 농도 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제9 항에 있어서,
상기 검출 전극부는 한쌍 이상의 IDE 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제1 항에 있어서,
상기 미생물 농도 측정 유닛으로부터 배출되는 미생물 농축액에서 미생물의 균주별 농도를 검출하는 전기 화학센서 유닛을 더 포함하며,
상기 전기 화학센서 유닛은
상기 미생물 농축액이 주입되는 샘플 용액 주입부와;
상기 샘플 용액 주입부에 연결되며, 반응 용액이 주입되는 반응 용액 주입부와;
상기 샘플 용액 주입부와 연결되며, 상기 미생물 농축액과 상기 반응 용액이 순차적으로 수용되는 용액 수용부와;
상기 용액 수용부에서 수용된 미생물 농축액의 미생물을 소정시간 인큐베이션하는 인큐베이션부와;
상기 인큐베이션부에서 인큐베이션된 미생물의 균주별 농도를 측정하는 미생물 균주별 농도 측정부와;
상기 용액 수용부에 연결되며, 상기 용액 수용부에서 미생물 농축액 또는 반응 용액을 배출하는 용액 배출부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.
제11 항에 있어서,
상기 샘플 용액 주입부에 설치되며, 미생물 농축액 또는 반응 용액의 이동을 차단하는 차단밸브와;
상기 인큐베이션부가 인큐베이션된 미생물의 균주별 농도를 측정하기 위한 것으로서 미생물 농축액과 반응 용액이 순차적으로 상기 용액 수용부에 수용되도록 상기 차단밸브를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는
미지 용액내 미생물 농도 검출 소자.