WO2018062686A1 - 종이접기 기반의 시료 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 실시예들은 종이접기를 기반으로 선택적 이온 투과층에 전계를 가하여 특정 영역에 표적물질을 농축시키고, 종이를 압착시켜 미세공의 크기가 조절된 여과층을 통해 표적물질을 원하는 위치에 농축시키고 비표적물질을 분리시킬 수 있는 시료 분리 장치를 제공한다.

Description

종이접기 기반의 시료 분리 장치
본 실시예가 속하는 기술 분야는 특정 구간에 표적 물질을 농축시킬 수 있고 저비용 제조가 가능한 생체 시료 분리 장치에 관한 것이다. 본 발명은 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구사업(페이퍼기반 분자체 농축 기작 및 급성질환용 솔루션 개발)의 결과물에 해당한다(과제고유번호: 1345256126).
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
현대 의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서 미래의학은 치료의학 중심이 아니라, 예방의학(Preventive Medicine), 예측의학(Predictive Medicine), 맞춤의학(Personalized Medicine)의 3P를 구현하는 것으로 패러다임이 변화하고 있다. 이를 구체적으로 실현하기 위해서는 질병의 조기발견 및 조기치료 등이 중요한 수단이 되고 있으며, 이를 위한 수단으로서 바이오마커(biomarker)에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.
바이오마커는 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말한다. 바이오마커에는 핵산 DNA, RNA(유전자), 단백질, 지방질, 대사물질 등과 그 패턴의 변화 등이 이용되고 있다. 즉, 당뇨병의 진단을 위한 혈중 포도당 같은 간단한 물질부터 글리벡의 치료 타겟인 만성골수성백혈병의 BCR-ABL 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.
DNA(Deoxyribonucleic Acid)는 핵내에 존재하는 유전자 물질이며, 유전자는 생물체가 생성하는 단백질의 종류를 결정해주는 화학 정보가 저장된 곳이다. 인체를 구성하는 정보들은 DNA를 분석함으로써 파악할 수 있으며, 질병의 예방 및 치료를 위하여 다양한 DNA 분석 기법이 연구 개발 및 활용되고 있다. DNA를 이용하여 질병을 분석하기 위해서는 PCR(Polymerase Chain Reaction)이라는 유전자 증폭기술을 사용하고 있다. PCR은 DNA의 이중나선을 연속적으로 분리시켜 생긴 단일가닥을 새로운 이중나선을 만드는 원본으로 사용하기 위하여 열에 안정한 DNA 중합효소로 가열 및 냉각을 반복하는 것으로서, 우선 DNA에 열을 가하여 2개의 사슬로 나눈다. 이것에 '프라이머(primer)'라고 하는 짧은 DNA를 추가하여 냉각하면 프라이머가 DNA에 결합하게 된다. 이것에 DNA 폴리머라아제(Polymerase)라는 효소를 더하면 프라이머 부분이 출발점이 되어 DNA가 복제된다. 이 '가열 및 냉각'이라고 하는 1사이클로 DNA는 2배가 된다. 이것을 수십 회 반복하면 약 1시간에 DNA는 수십억 배로 불어난다.
단백질(protein)은 아미노산(amino acid)이라고 하는 비교적 단순한 분자들이 연결되어 만들어진 복잡한 분자로, 대체적으로 분자량이 매우 큰 편이다. 단백질을 이루고 있는 아미노산에는 약 20 종류가 있는데, 이 아미노산들이 화학결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)를 만든다. 이때 아미노산들의 결합을 펩티드결합이라 하며, 이러한 펩티드결합이 여러(poly-)개 존재한다는 뜻에서 폴리펩티드라 부른다. 넓은 의미에서 단백질도 폴리펩티드라 할 수 있으며, 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩티드라 하고, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 이와 같은 단백질은 생물체의 몸을 구성하는 대표적인 분자이며, 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할과 면역을 담당하는 물질이다. 단백질은 이처럼 생체를 구성하고 생체내의 반응 및 에너지 대사에 참여하는 매우 중요한 유기물이다.
상기와 같은 DNA 또는 단백질을 분석하여 암 또는 질병의 발연 및 진행 정도를 파악할 수 있다. 특히 암 등의 난치병 조기진단과 치료를 위해서는 혈액 속에 들어 있는 단백질 중 정상세포가 암세포로 발전하는 초기 단계에서 미세한 변화를 보이는 지표 단백질을 찾아내는 혈액지문분석 기법이 알려져 있다. 혈액지문분석이란, 암의 유무에 따라 인체의 대사 물질들이 변화될 수 있다는데 착안하여, 암환자들의 혈액 내에 존재하는 대사 물질들의 질량분석데이터를 종합적으로 분석해 패턴의 변화추이를 통해 암 발생 여부를 진단하는 기법이다. 혈액지문분석은 혈액으로부터 곧바로 암 발생 여부를 진단할 수 있어 신속하게 정보를 획득할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 현재 단백질 분석을 위한 기술 및 소자들은 나노 기술을 이용함으로써 소자의 제작이 어렵고 비교적 고가이어서 보급화 되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단백질 분석 장치에 고감도의 센서가 필요하거나 적은 양의 샘플로는 정확한 분석이 어렵다는 단점이 있다. 한편 최근에는 나노기술과 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 발전으로 이를 단일의 유체 소자 내에 나노 구조물로 패터닝하여 적은 양의 시료만으로도 필요로 하는 물질을 신속히 분리 및 정제할 수 있게 되었으며, 이러한 기술들을 생명공학 및 의료공학 분야에 적용하고자 하는 노력들이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 발전된 MEMS/NEMS 기술은 보다 정밀하게 나노구조물을 원하는 위치에 수 나노의 오차한계로 패터닝할 수 있게 되었으며, 이러한 기술은 미세유체채널과 결합되어 미세종합분석시스템(micro total analysis system; m-TAS) 또는 랩온어칩 (Lab-on-a-chip)으로 활발히 연구되고 있다.
특히 유리나 기타 무겁고 비싼 재료를 이용하여 적은 양의 샘플 시료에서도 생체 분자를 농축하여 검출 정확도를 향상시킬 수 있는 생체 분자 농축 및 분리 장치를 구현하는 방식이 알려져 있으며, 이는 분석 대상 물질을 좁은 관이나 얇은 판을 통해 확산시키면서 일정 위치에 표적 물질을 농축할 수 있도록 막을 형성하는 방식이다. 하지만 이러한 방식들은 농축 및 분리 장치의 제조가 어렵거나 많은 비용이 들어가고 장치가 크고 무겁거나 취급이 불편한 점 등의 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들은 종이접기를 기반으로 선택적 이온 투과층에 전계를 가하여 특정 영역에 표적물질을 농축시키고 분리시켜 저비용으로 제조가 가능한 생체 시료 분리 장치를 제공하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 실시예들은 종이를 압착시켜 미세공의 크기가 조절된 여과층을 통해 표적물질(수집 대상물)을 원하는 위치에 농축시키고 비표적물질(분리 대상물)을 분리시키는 데 발명의 다른 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 미리 정해진 간격으로 접혀질 수 있고, 접혀지는 기본 단위가 되는 복수개의 베이스 유닛들을 포함하는 베이스, 상기 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 코팅층, 상기 코팅층에 의하여 영역이 정의되고 상기 베이스 유닛에 각각 위치하며, 측정하고자 하는 시료에 포함되어 분리하고자 하는 타겟 물질 또는 상기 시료에서 상기 타겟 물질을 제외한 분리 대상 물질을 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공하는 복수개의 레저버들, 및 상기 레저버들 중 적어도 일부의 레저버와 적어도 일부 중첩하여 위치하며 이온을 선택적으로 투과시키는 선택적 이온 투과층;을 포함하는 시료 분리 장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 복수의 베이스 유닛들을 포함하며 상기 복수의 베이스 유닛들이 접히도록 형성된 베이스, 상기 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 코팅층, 상기 코팅층에 의하여 영역이 설정되어 상기 복수의 베이스 유닛들에 위치하며, 상기 시료로부터 분리하려는 수집 대상물 또는 상기 시료에 포함된 상기 수집 대상물이 아닌 분리 대상물을 저장하거나 이동시키는 복수의 레저버들, 상기 복수의 레저버들 중에서 일부의 레저버와 결합하여 이온을 선택적으로 투과시키는 선택적 이온 투과층, 및 상기 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 상기 수집 대상물의 이동 경로의 중간에 위치하여 상기 분리 대상물을 여과하는 여과층을 포함하는 시료 분리 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 종이접기를 기반으로 선택적 이온 투과층에 전계를 가하여 특정 영역에 표적물질을 농축시키고 분리시켜 저비용으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 종이를 압착시켜 미세공의 크기가 조절된 여과층을 통해 표적물질을 원하는 위치에 농축시키고 분리시킬 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 생체 시료 분리 장치의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치에서의 슬립 레이어 유닛을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 농축 및 분리 영역을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 코팅층을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치가 접힌 상태를 도시한 것이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 실험 과정 및 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 접힘 과정을 도시한 것이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치 및 그에 따른 모의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 여과층을 포함하는 생체 시료 분리 장치의 정면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 여과층의 동작을 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 시료 분리 장치를 나타낸다.
본 실시예의 생체 시료 분리 장치는 생체 시료의 분석을 용이하게 하기 위하여 성분의 물성 차이에 따른 분리를 이용하여 타겟 물질의 농축과 분리 대상 물질의 분리가 일어나도록 한다. 여기서 물성의 차이는 이동성(mobility), 질량(mass), 전하(charge), 크기(size) 등을 포함하는 개념이다. 분리 과정에서 전기영동(electrophoresis) 및 전기삼투(electro-osmosis)의 특성을 이용하여 이온 농도 분극(ion concentration polarization)을 발생시키고, 시료를 농축 및 분리 할 수 있다. 이 결과 얻어진 농축된 표적 물질은 ICP(inductively coupled plasma)와 같은 발광 분광 분석법으로 반응을 판별할 수 있으며, 특히 본 발명에서는 수 ng 이하의 전혈 내의 바이오마커(biomarker)를 수 천 배 이상 농축 할 수 있으므로 육안으로도 반응 판별이 용이하고 조기 질병 검출 및 진단이 가능하도록 할 수 있다. 표적 물질로는 단백질(protein), 핵산(DNA, RNA), 스테로이드(steroid), 콜레스테롤(cholesterol), 엑소좀(exosome) 등이 있으며, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 시료 분리 장치의 설계에 따라 적합한 물질이 포함된 시료가 사용될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 명세서의 일실시예에 따른 생체 시료 분리 장치(10)는 베이스(100), 코팅층(200), 레저버(300) 및 선택 이온 투과막(400)을 포함한다.
베이스(100)는 미리 정해진 간격으로 접혀질 수 있고, 접혀지는 기본 단위가 되는 복수개의 베이스 유닛들을 포함한다. 베이스(100)는 적어도 일부 섬유 조직을 갖는 재료를 포함하며, 상기 코팅층(200)은 상기 베이스(100)에 부가하여 결합되고, 상기 선택적 이온 투과층(400)이 형성된 공간은 상기 코팅층(200)이 존재하지 않는 공간을 적어도 일부 포함하며 상기 공간을 통해 상기 시료 또는 표적 물질이 이동하도록 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 종이를 베이스(100)로 이용한 예를 제시하고 있지만, 베이스(100)의 종류는 이에 한정되지 않으며, PET(polyethylene terephthalate)도 가능하다. 특히 베이스(100)는 소수성 물질과 결합이 잘되거나, 소수성 물질이 침투 가능한 구조를 갖는 재질이 바람직하다.
종이의 경우 원가가 저렴할 뿐만 아니라, 탄성 및 성형성이 좋고, 소수성 물질과 흡착, 침투시키는 형태로 종이 위에 일정한 두께를 갖는 코팅층(200)을 형성시키는 것이 용이하며, 소수성 코팅물질과의 결합력도 우수하다. 이러한 코팅층은 시료를 저장하고, 일정 성분을 이동시키기 위한 채널을 형성하는 것도 용이한 장점이 있다.
종이의 경우 파이버 형태로 구성된 친수성 재료로서, 이러한 경우 파이버 구조에 따라 모세관이 형성되고, 여기에 액체를 떨어뜨렸을 때 모세관 현상에 의해 액체가 이동하게 된다. 즉, 이러한 모세관 현상을 이용하면 별도로 외부에서 동력을 제공하지 않더라도 액체를 이동시킬 수 있으며, 이러한 드래그 포스(drag force)을 이용한다면, 생체분자의 농축을 위해 분별된 성분의 이동이 용이해 질 수 있다. 종이 이외에도 파이버 형태의 친수성 재료로 알려진 다른 물질들도 종이와 같이 사용 가능하다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 농축이 진행될 때, 어느 정도 농축이 되면 농축 플러그가 서서히 이동할 수 있다. 이러한 경우에 드래그 포스를 반대로 취해줄 수 있다면 농축비 향상에 있어서 많은 도움이 된다. 이러한 드래그 포스를 모세관 현상을 이용하면 추가적인 동력없이 진행할 수 있기 때문에 효과적이다.
코팅층(200)은 상기 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분한다.
본 실시예에서 소수성 물질은 대표적으로 알코올 지방산 에스터로서 왁스(Wax) 등을 사용 할 수 있다. 이 경우 베이스(100)에 왁스를 인쇄하거나 가열하여 결합시킬 수 있다. 다만 여기에 한정되지 않으며, 아크릴(Acrylics), 올레핀(Olefins), 아미드, 이미드, 스티렌, 카보네이트, 비닐 아세탈, 디엔(Dienes), 비닐, 에스테르, 비닐에스테르, 케톤, 플루오로카본이나 테플론(Teflon), PDMS, 실란(Silane)등에서 선택되는 성분을 포함할 수 있다. 그 외에도 알킬실란 계열의 실리클래드(Siliclad) 등이 있고, 실리콘 계열으로는 하이드라이드 터미네이티드 폴리디메틸실록산(Methylhydrosiloxane-Dimethysiloxane Copolymer) 등이 있다.
일반적으로 재료에서 물질이 소수성을 띄게 되는 경우는 물과 닿는 표면의 구조에 의한 영향과 재료의 표면 자체의 특성에 의한 영향으로 소수성을 가질 수 있다. 특히, 베이스인 종이에 코팅을 하여 마이크로 채널(20)을 형성하는 경우는 후자에 해당하며, 종이에 왁스를 코팅하여 채널을 형성하는 것은 종이라는 친수성 재료에 채널로 사용할 부분을 제외하고 다른 부분을 소수성을 띄게 하기 위함이다. 이러한 소수성의 성질은 베이스를 종이와 비슷한 파이버(fiber) 소재를 이용할 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로, 셀룰로오스 페이퍼 이외에 파이버 계열의 베이스를 사용하는 것도 가능하다.
레저버들(300)은 도면에 예시된 바와 같이 310 내지 340 레저버를 포함하여 예시될 수 있다. 레저버들은 상기 코팅층에 의하여 영역이 정의되고 상기 베이스 유닛에 각각 위치하며, 측정하고자 하는 시료에 포함되어 분리하고자 하는 타겟 물질 또는 상기 시료에서 상기 타겟 물질을 제외한 분리 대상 물질을 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공한다. 각각의 레저버들(300)은, 도시된 바와 같이 원형으로 구현될 수 있음은 물론, 삼각형, 사각형 및 별모양 등의 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 각 베이스 유닛에 포함되는 레저버들(300)의 모양이 반드시 동일하게 구현되어야 하는 것은 아니다.
레저버들(300)은 점습된 시료, 예컨대 분석하고자 하는 단백질 시료 또는 도전성 액체(버퍼)가 저장되거나 이동하는 경로를 제공 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레저버들(300)는 베이스(100)의 적어도 일면에 있어서, 코팅층(200)과 결합하지 아니하고 노출된 공간으로 구현 될 수 있다.
상술한 레저버들(300)은 베이스(100)에 위치하는 코팅층(200)에 의하여 형성되는 물리적인 공간으로서, 본 실시예에서는 베이스(100)에 소수성 물질인 왁스를 결합시키는 방법으로서 종이 위에 소수성 물질의 패턴을 코팅시키는 방법을 개시한다. 왁스 패터닝 방법에 대하여 특별한 제한은 없고, 종이와 소수성 물질을 단순히 접합시키는 것, 종이에 소수성 물질을 침투시킨 상태로 결합시키는 것도 가능하지만, 바람직하게는 시료의 누수를 방지하기 위하여 소수성 물질을 종이에 침투되도록 결합시키는 것이 바람직하다. 종이의 경우 원가가 저렴할 뿐만 아니라, 탄성 및 성형성이 좋고, 소수성 물질과 흡착, 침투시키는 형태로 종이 위에 일정한 두께를 갖는 코팅층을 형성시키는 것이 용이하며, 소수성 코팅물질과의 결합력도 우수하다.
베이스(100)는 다공성 멤브레인(Porous Membrane)을 포함할 수 있으며, 베이스(100)의 두께를 조절하여 시료가 분리 및 농축되는 정도로서 분해능을 제어할 수 있다. 예를 들어, 베이스(100)가 종이인 경우 종이의 두께를 50 ㎛, 180 ㎛, 350 ㎛ 등으로 차등 적용하여 분해능을 조절할 수 있고, 베이스(100)의 미세공(Pore)의 크기를 조절하여 전기영동(EP, electrophoresis)의 효율을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 처리의 대상이 되는 시료 또는 버퍼는 레저버(300)에 미리 투여 되고(Pre-wetted) 베이스(100)를 접어 분리가 진행되도록 할 수 있으며, 또 다른 실시예에 따르면 베이스(100)의 레저버에 미리 물질을 투여하지 아니하고(Un-wetted) 처리의 대상이 되는 시료 또는 버퍼를 별도의 슬립 레이어 유닛(600)의 슬립 레이어 레저버(630)에 투여하여 접혀진 베이스(100)의 특정 구간에 삽입하거나 인젝션 베이스 유닛(150)의 인젝션 레저버(153)에 투여하고 베이스(100)를 접어 분리를 진행 할 수 있다.
선택적 이온 투과층(400)은 복수의 레저버들 중 적어도 일부의 레저버와 적어도 일부 중첩하여 위치하여 이온을 선택적으로 투과시킨다. 패턴된 선택적 이온 투과막(400)은 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다.
선택적 이온 투과막(400)은 마이크로플로우 패터닝(microflow patterning)이나 피펫팅(pipetting) 기법을 이용하여 접착층(20)에 직접 기지정된 패턴에 따라 소정의 두께와 영역을 갖는 나피온(Nafion) 멤브레인(membrane)으로 형성될 수 있다.
여기에서 선택적 이온 투과 물질을 패터닝하는 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 마이크로 채널에서 타겟 물질의 농축 효율을 높이고, 농축 비율을 제어하기 위한 방법으로서, 기존의 프린팅 기법들(예컨대, 잉크젯 프린팅)을 이용하여 선택적 이온 투과물질을 형성시키는 것이 바람직하다. 다만, 저비용으로 용이하게 제조가 가능한 생체 시료 분리 장치(10)를 제공하고자 하는 경우, 미리 형성된 나피온 멤브레인을 컷팅(cutting)하여 패턴을 형성하고 베이스(100)에 부착 할 수 있다. 선택적 이온 투과막(400)은 수백나노에서 수십 마이크로미터의 두께를 갖도록 형성될 수 있으며, 수십에서 수백 마이크로 미터의 폭을 갖는 사각 패턴으로 형성될 수 있다. 선택적 이온 투과층(400)은 나피온(Nafion) 이외에도 PSS(Polystyrene Sulfonate), PAH(Polyallylamine Hydrochloride) 등의 고분자 전해질(Polyelectrolyte)로도 구현될 수 있으며, 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 물질로 구현되더라도 무방하다.
선택적 이온 투과막(400)은 특정 이온 물질을 선택적으로 투과시키는 막으로서 나노 필터(nano filter)의 기능을 수행하는 나노 채널(nano channel)을 구현하기 위한 구성요소이다. 선택적 이온 투과막(400)은 일예로 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 나노 필터로서 기능할 수 있다. 선택적 이온 투과막(400)이 나피온(nafion)으로 구현되는 경우, 나피온의 화학 구조 중 SO3-로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 비히클 기전(vehicle mechanism)에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 선택적 이온 투과막(400)은 나노 필터의 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 시료의 분리 및 농축이 용이하게 일어나고 전위차에 의한 시료 분리의 효과를 극대화하기 위하여 베이스(100) 말단에 인접한 베이스 유닛에 위치하는 레저버(300)에 선택적 이온 투과층(400)을 결합시켜 실시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치(10)의 평면도를 나타낸다. 도 1을 참조하여 도 2를 설명하면 다음과 같다.
제1 말단 베이스 유닛(110)은 베이스(100)를 구성하는 베이스 유닛 중 일측 말단에 위치한 베이스 유닛이며, 제2 말단 베이스 유닛(120)은 타측 말단에 위치한 베이스 유닛이다. 제1 및 2 말단 베이스 유닛(110, 120)은 베이스(100)가 접혀져 시료의 분리가 진행되는 경우에 전압이 인가되고 베이스를 지지하는 역할을 수행 할 수 있다.
제1 말단 베이스 유닛(110)에는 소수성 물질을 포함하는 코팅층(200)이 도포되거나 컷팅되어 부착될 수 있으며, 상기 코팅층(200)으로 구분되는 영역인 제1 말단 레저버(310) 및 베이스(100)에 전압을 인가하여 시료의 분리 및 농축이 일어나도록 하기 위한 제1 전극(510)이 위치할 수 있다.
제2 말단 베이스 유닛(120)에는 소수성 물질을 포함하는 코팅층(200)이 도포되거나 컷팅되어 부착될 수 있으며, 상기 코팅층(200)으로 구분되는 영역인 제2 말단 레저버(320) 및 베이스(100)에 전압을 인가하여 시료의 분리 및 농축이 일어나도록 하기 위한 제2 전극(520)이 위치할 수 있다.
제3 말단 베이스 유닛(130)은 제1 말단 베이스 유닛(110)과 인접한 베이스 유닛은 이며, 제4 말단 베이스 유닛(140)은 제2 말단 베이스 유닛(120)과 인접한 베이스 유닛이다.
제3 말단 레저버(330)는 제3 말단 베이스 유닛(130)에 위치하며 상기 제1 말단 레저버(310)와 연결된다. 제4 말단 레저버(340)는 4 말단 베이스 유닛(140)에 위치하며 상기 제2 말단 레저버(320)와 연결된다. 제3 및 4 말단 레저버(330,340)는 선택적 이온 투과막(400)과 연결되어 이온의 선택적 투과가 일어나도록 한다.
상기 연결의 의미는 양측 레저버 사이에 코팅층(200)이 도포되거나 컷팅되어 부착되지 않은 채널이 존재함을 의미한다. 연결되어 있는 레저버(300)들 사이에서는 시료, 버퍼 등이 모세관 현상에 의하여 상호 이동 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 제1 말단 레저버(310) 및 제2 말단 레저버(320) 사이에 전위차가 발생되도록 각각 양의 전극, 음의 전극 또는 접지(Ground)가 연결될 수 있도록 하고 제1 말단 레저버(310)와 연결된 제3 말단 레저버(330) 및 제2 말단 레저버(320)과 연결된 제4 말단 레저버(340)에 위치한 선택적 이온 투과막(400) 양단으로 전위차가 발생함에 따라 이온 농도 분극(ICP,ion concentraion polarization)에 의해 시료가 분리 및 농축되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치(10)의 평면도를 나타낸다. 도 1 및 도 2를 참조하여 도 3을 설명하면 다음과 같다.
인젝션 베이스 유닛(150)은 인젝션 베이스 유닛 코팅층(151), 인젝션 레저버(153), 및 인젝션 채널(155)을 포함할 수 있다.
인젝션 베이스 유닛(150)은 제1 내지 4 말단 베이스 유닛(110, 120, 130, 140)이 아닌 베이스 유닛과 직접적으로 연결되고, 베이스(100)가 접혀지는 경우에 외부에 적어도 일부 위치하는 베이스 유닛이다.
인젝션 베이스 유닛 코팅층(151)은 인젝션 베이스 유닛의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분한다.
인젝션 베이스 유닛(150)에는 시료 또는 버퍼의 흡착을 방지하기 위한 코팅층(200)이 적어도 일부 도포되거나 컷팅되어 부착되는 방식으로 위치할 수 있으며, 코팅층(151)에 의하여 구분되는 공간으로서 레저버인 인젝션 레저버(153) 및 연결된 베이스 유닛의 레저버와 인젝션 레저버(153)를 연결하고 처리 대상 시료 등의 이동 경로가 될 수 있는 인젝션 채널(155)이 위치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인젝션 레저버(153) 및 인젝션 채널(155)은 코팅층(200)과 결합하지 아니하고 노출된 베이스(100)의 적어도 일면으로 구현될 수 있다.
인젝션 베이스 유닛(150)은 레저버에 점습시키기 위한 처리 대상 시료 또는 버퍼 등을 주입하는 용도를 가진다. 본 발명의 일 실시예로서, 인젝션 베이스 유닛(150)을 통하여 혈액 샘플 등을 주입하고난 후, 연결되는 베이스 유닛과 인젝션 베이스 유닛(150)을 절취하여 샘플이 다시 확산(dispersion)되는 것을 방지 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 2에서의 생체 시료 분리 장치(10)에 더하여 슬립 레이어 유닛(600)을 추가적으로 도시한 것이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 도 4를 설명하면 다음과 같다.
도 4는 생체 시료 분리 장치(10)에 있어서, 접혀질 수 있는 베이스(100)에 추가적으로 구성될 수 있는 슬립 레이어 유닛(600)을 도시한다.
슬립 레이어 유닛(600)은 시료 등이 흡착 될 수 있는 슬립 레이어 베이스(610), 슬립 레이어 베이스(610)의 적어도 일부 영역에 위치하여 시료 등의 흡착을 방지하는 슬립 레이어 코팅층(620), 슬립 레이어 코팅층(620)에 의하여 영역이 정의되고 측정하고자 하는 시료를 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공하는 슬립 레이어 레저버(630)를 포함할 수 있다. 또한 슬립 레이어 유닛(600)을 베이스(100)에 삽입하거나 제거할 때 손잡이 역할을 할 수 있는 지지부(640)를 더 포함 할 수 있고, 지지부(640)는 베이스(100) 또는 슬립 레이어 유닛(600)과 동일한 소재 또는 플라스틱으로 구현 될 수 있다.
슬립 레이어 유닛(600)은 슬립 레이어 레저버(630)에 시료를 점습하고 베이스(100)의 특정 구간에 삽입하여 시료의 분리 및 농축을 진행할 수 있고, 레저버에 시료 등을 점습시키거나 인젝션 베이스 유닛(150)을 통하여 시료 등을 점습시킨 후 베이스(100)의 특정 구간에 삽입하고 분리 및 농축을 진행 하여 특정 구간에서의 농축된 타겟 물질 또는 분리 대상 물질을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 농축 및 분리 영역을 도시한 것이다. 도 2를 참조하여 도 5를 설명하면 다음과 같다.
베이스(100)의 기본 단위인 베이스 유닛은 필요에 따라 적어도 하나를 절취하여 상기 시료의 타겟 물질 또는 분리 대상 물질을 선택적으로 채득할 수 있도록 할 수 있다.
베이스(100)는 일정 간격으로 접혀질 수 있으며 이때 접혀지는 기본 단위로서 베이스 유닛들은 서로 중첩되고, 베이스(100) 양단에 전위차를 발생시키면, 시료 등은 중첩된 레저버들을 통하여 전기삼투(electroosmosis flow, EOF) 또는 전기영동(electrophoresis, EP)과 시료 성분의 이동성(mobility)의 차이로 인하여 분리 및 농축 된다. 이때 하나 이상의 베이스 유닛에 대하여 필요에 따라 특정 구간을 절취(Separation)하여 표적 물질 또는 분리 대상 물질을 선택적으로 획득할 수 있다.
예를 들어, 혈장의 성분 중 알부민(Albumin) 및 글로블린(Globulin)은 혈장 내에 가장 많은 볼륨을 갖는 단백질(Proteins) 성분으로서, 신호의 잡음이 되어 분리가 요구된다. 따라서 본 발명의 실시예로서 혈장(Plasma)을 처리 대상 시료로 하여 분리를 진행하는 경우, 레저버에 직접 투여되거나 별도 레저버에 의하여 혈장 시료가 수용되고 베이스(100) 양단에 전위를 가해주면 혈장 성분의 분리(Separation)가 일어나고, 도 5에서와 같이 분리된 알부민 및 글로블린이 농축된 베이스 유닛을 분리할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 코팅층의 형성 방법에 대하여 도시한다.
코팅층(200)은 시료의 흡착을 방지하기 위한 소수성 물질을 포함하고, 물리적 절단 방식인 컷팅에 의해 일정 패턴의 상기 소수성 물질의 코팅막을 형성한 후 베이스(100)의 양면에 부착되거나, 상기 소수성 물질을 상기 패턴에 따라 도포하는 패터닝에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 코팅층(200)은 베이스(100)와 결합하여 시료 등이 베이스(100)에 흡착되는 것을 방지하고, 코팅층(200)과 결합되지 않고 노출된 베이스(100)인 레저버 기타 채널을 통하여 시료 등이 저장되거나 이동하도록 할 수 있다.
코팅층(200)은 도 6a와 같이 이미 만들어진 막 형태의 물질을 원하는 패턴으로 컷팅 하여 베이스(100) 양단에 부착 또는 가열 부착 하거나, 도 6b와 같이 베이스(100)에 원하는 패턴으로 도포 및 침투시켜 형성 할 수 있다. 다만 레저버들(300)간에 시료의 이동이 발생하는 본 발명의 특성상 도포 및 침투시켜 제작함이 시료 등의 손실을 방지할 수 있어 바람직할 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치(10)가 접힌 상태를 도시한 것이다. 도 7을 설명하면 다음과 같다.
시료 분리 장치(10)는 복수개의 베이스 유닛들이 접혀진 구조를 가지며, 선택적으로 접혀진 구조가 해제될 수 있도록 마련된 베이스(100), 베이스 유닛 각각의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 코팅층(200), 코팅층(200)에 의하여 영역이 정의되고 상기 베이스 유닛에 각각 위치하며, 측정하고자 하는 시료에 포함되어 분리하고자 하는 타겟 물질 또는 상기 시료에서 상기 타겟 물질을 제외한 분리 대상 물질을 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공하는 복수개의 레저버들(300) 및 상기 레저버들 중 적어도 일부의 레저버와 적어도 일부 중첩하여 위치하며 이온을 선택적으로 투과시키는 선택적 이온 투과층(400)을 포함할 수 있다.
시료 분리 장치(10)는 베이스(100)을 구비하고, 베이스(100)는 일정 간격을 가지는 베이스 유닛이 서로 중첩되도록 접혀진다. 이때 제1 말단 베이스 유닛(110)과 제2 말단 베이스 유닛(120)은 다른 베이스 유닛과 중첩되지 않고 전체 베이스(100)의 지지대가 될 수 있다. 베이스(100)에는 일정한 형태로 패턴된 코팅층(200)이 결합하고, 각각의 베이스 유닛에는 코팅층과 결합하지 않고 노출된 베이스(100)로서 시료 등이 저장 또는 이동할 수 있는 레저버(300)가 위치할 수 있다.
접혀진 베이스(100)에 있어서, 레저버(300)는 서로 겹쳐지도록 구현될 수 있으며 이때 겹쳐진 레저버들(300)간에 시료 등이 이동될수 있다. 상기 레저버들 중, 제1 말단 베이스 유닛(110)에 위치하는 레저버(300)는 제1 말단 레저버(510) 이며 제2 말단 베이스 유닛(120)에 위치하는 레저버(300)는 제2 말단 레저버(320)이다. 제1 말단 레저버(310)에는 제1 전극(510)이 연결될 수 있으며, 제2 말단 레저버(320)에는 제2 전극(520)이 연결 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 전극에는 V+를 인가하고, 제2 전극은 접지(Ground) 하여 전압을 인가하고 전기삼투(EOF), 전기영동(EP) 현상을 이용하여 시료 등이 분리되도록 구현 될 수 있다.
제1 말단 베이스 유닛(110)과 인접하는 베이스 유닛은 제3 말단 베이스 유닛(130) 이며 제3 말단 레저버(310)가 위치하고, 제 2 말단 베이스 유닛(120)과 인접하는 베이스 유닛은 제4 말단 베이스 유닛(140)이며 제4 말단 레저버(340)이 위치한다. 제3 말단 레저버(330) 및 제4 말단 레저버(340)에는 이온을 선별적으로 투과시키는 선택적 이온 투과막(400)이 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 시료 분리 장치(10)는 제1 말단 레저버(310)에 연결되는 제1 전극(510) 및 제 2 말단 레저버(320)에 연결되는 제2 전극(520)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 시료 분리 장치(10)는 베이스(100)의 일측 말단에 위치하고 베이스(100)의 지지대가 되는 제1 말단 베이스(110)에 위치하는 레저버(300)로서 제1 말단 레저버(310), 베이스(100)의 타측 말단에 위치하고 베이스의 지지대가 되는 제2 말단 베이스(120)에 위치하는 레저버로서 제2 말단 레저버(320), 레저버들 중 제1 말단 베이스 유닛(110)과 인접한 제3 말단 베이스 유닛(130)에 위치하고 제1 말단 레저버(310)와 연결되는 레저버(300)인 제3 말단 레저버(330) 및 제 2 말단 베이스 유닛(120)과 인접한 제 4 말단 베이스 유닛(140)에 위치하고 제2 말단 레저버(320)와 연결되는 레저버(300)인 제4 말단 레저버(340)를 더 포함할 수 있다.
시료 분리 장치(10)는 제1 내지 4 말단 베이스 유닛(110, 120, 130, 140)이 아닌 베이스 유닛과 직접적으로 연결되고 접혀진 베이스(100) 외부에 적어도 일부 위치하며 샘플 등의 투여를 위한 인젝션 베이스 유닛(150)을 더 포함할 수 있다.
인젝션 베이스 유닛(150)에는 시료 또는 버퍼의 흡착을 방지하기 위한 코팅층(200)이 적어도 일부 도포되거나 컷팅되어 부착되는 방식으로 결합될 수 있으며, 코팅층(200)이 결합되지 않고 노출된 베이스로서 레저버(300)인 인젝션 레저버(153) 및 코팅층(200)이 결합되지 않고 노출되어 상기 연결된 베이스 유닛의 레저버와 상기 인젝션 레저버(153)을 연결하는 처리 대상 시료 등의 이동 경로인 샘플 인젝션 채널(155)이 위치할 수 있다.
인젝션 베이스 유닛(150)은 레저버(300)에 점습시키기 위한 처리 대상 시료 또는 버퍼 등을 주입하는 용도를 가진다. 본 발명의 일 실시예로서, 인젝션 베이스 유닛(150)을 통하여 혈액 샘플 등을 주입하고 난 후, 연결되는 베이스 유닛과 인젝션 베이스 유닛(150)을 절취할 수 있도록 하여 샘플이 다시 확산(Diffuse)되는 것을 방지 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 베이스(100)와 별도로 존재하는 슬립 레이어 유닛(600)은 슬립 레이어 레저버(630)에 시료 등을 점습하거나 점습하지 아니하고 접혀진 베이스(100)의 특정 구간에 삽입 후 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 시료 등의 분리를 진행하고 슬립 레이어 유닛(600)을 회수하여 특정 구간에서 농축되거나 분리된 시료 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 내용으로서 시료 분리 장치(10)에 전압을 인가하는 경우, 선택적 이온 투과막을 통한 농축의 일 실시예는 다음과 같다.
예를 들어, 레저버(300)들에 혈액 샘플이 투여되면, 레저버(300)와 선택적 이온 투과막(400)이 중첩된 영역에서, 선택적 이온 투과막(400)의 표면에 혈액 유체가 접촉되면서 둘 사이에 서로 다른 성질의 유도 전하가 발생한다. 이와 같이 유체 내에 발생한 유도 전하들이 존재하는 특정한 층을 전기 이중층(Electric Double Layer, EDL)이라고 한다. 이때 양단에 배치된 제1 말단 레저버(310) 및 제2 말단 레저버(320)에 외부 전원이 인가되어 전압차가 발생하면, 전압차에 따른 전기장에 의해 유체 내에 존재하는 이온들이 각 이온의 전기적 성질과 반대인 전극쪽으로 이끌리게 된다. 이와 같이 이온들이 전기적 성질에 따라서 레저버(300)사이에서 움직이면서 점성력에 의해 유체 입자들을 같이 이끌고 가게 된다. 따라서 전체적인 유체의 유동이 발생하게 되며, 이와 같은 유체의 이동현상을 전기삼투(electro-osmosis flow, EOF)라고 하고, 이온의 움직임을 전기영동(electrophoresis, EP)이라 한다.
이러한 전기영동(electrophoresis) 및 전기삼투(electro-osmosis)의 특성은 선택적 이온 투과막(ipsm)으로 구현된 나노 채널 근처에서 그 특성이 달라져, 이온 농도 분극(ion concentration polarization)이 발생한다. 따라서, 나노 채널로서 기능하는 선택적 이온 투과막(400)과 중첩 배치된 레저버들(300)의 반응 영역에서 음극쪽에는 이온 농축(enrichment)이 발생하고, 양극쪽에서는 이온 결핍(depletion)이 발생하게 된다. 이때, 결핍된 낮은 이온농도와 그에 따른 높은 전기장에 의해 결핍 영역(depletion zone)이 전하(charge)를 띈 단백질에 대해 일종의 전기적 장벽(electric barrier)으로 작용을 하게 된다. 그 결과 단백질은 결핍 영역을 통과하지 못하고 그 앞에 농축된다. 즉 표적 물질인 단백질이 레저버(300)들 내의 결핍 영역 앞에 매우 빠른 시간에 농축된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 분리 장치를 이용한 실험 과정 및 결과를 도시한 것이다. 도 7을 참조하여 도 8를 설명하면 다음과 같다.
도 8a는 전압을 인가하지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 7 및 도 8a를 참조하면, 레저버(300)에 오렌지G염료(1mg/ml orange G dye), 인산 완충 식염수(phosphate buffer saline, PBS)용액으로서 처리 대상 시료를 각 레저버(300)당 1ml씩 투여하고, 제3 말단 레저버(330) 및 제4 말단 레저버(340)에 선택적 이온 투과막(400)이 위치하도록 한다.
도 8b는 전압을 인가한 상태를 도시하고 있다. 도 7 및 도 8b를 참조하면, 베이스(100)를 베이스 유닛이 서로 겹쳐져 각 레저버들(300)의 영역이 중첩되도록 접은 후, 제1 말단 레저버(310)에 제1 전극(510)을 연결하고 제2 말단 레저버(320)에 제2 전극(520)을 연결한 후 제1 전극(510)은 접지(Ground)하고, 제2 전극(520)에는 100V의 전압을 10분간 인가한 후 베이스(100)를 펼친 결과를 도시한 것이다. 이때 선택적 이온 투과막(400)의 효과로서 이온 농도 분극(ICP)이 발생하고, 그 결과 V+를 인가한 베이스 유닛에 가까워질수록 시료의 농도가 짙어지고 시료의 고갈 영역(depletion area)과 농축 영역(preconcentrated area)이 확연히 구분되도록 분리가 일어남을 확인 할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 접힘 과정을 도시한 것이다.
베이스(100)는 미리 정해진 간격에 따라 접힐 수 있도록 마련될 수 있다. 이때 미리 정해진 간격으로서 접히는 단위가 되는 것을 베이스 유닛으로 정의하며, 접히는 방식은 도 9에 도시된 것과 같이 계단접기(Pleat Fold)에 의하여 각 베이스 유닛에 위치한 레저버(300)들이 인접한 레저버(300)와 맞닿도록 접히게 할 수 있다. 각각의 레저버들(300)은, 도시된 바와 같이 원형으로 구현될 수 있음은 물론, 삼각형, 사각형 및 별모양 등의 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 각 베이스 유닛에 포함되는 레저버들(300)의 모양이 반드시 동일하게 구현되어야 하는 것은 아니다.
복수의 레저버들 중에서 수집 대상물이 농축되는 위치는 전계의 세기, 이동 채널의 길이, 베이스 유닛의 두께, 미세공의 크기에 따라 달라질 수 있다. Origami-chip 또는 VFAs(Vertical Flow Assays) 구조는 기존의 LFAs(Lateral Flow Assays)보다 반응시간(Reaction Time)을 줄일 수 있고, 선간 간섭(Line Interference)을 줄일 수 있으며, 특히 Hook Effect를 제거할 수 있다.
특히, 레이어 중간에 간단하게 레이어를 추가할 수 있다. 즉, 레이어 마다 또는 하나의 레이어에 여러 개의 레저버를 형성하여 각기 다른 타겟을 선택적으로 검출할 수도 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치 및 그에 따른 모의 실험 결과를 도시한 것이다. 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 분리 장치를 도시하고 있으며, 도 1 내지 9에서 도시한 시료 분리 장치(10)의 일 실시예로서, 이동 경로를 제공하는 복수개의 레저버들로 구성되는 시료 분리 채널을 복수개 구비한 것을 도시한 것이다. 시료 분리 장치(10)에 있어서 복수개의 레저버들(300)은, 시료 분리 장치(10)가 베이스 유닛의 간격으로 접혀진 경우에, 서로 인접하여 시료 분리 채널을 형성할 수 있다. 이때, 도 10a와 같이 각각의 단위 베이스 유닛이 복수개의 레저버(300)들을 포함하여, 복수개의 시료 분리 채널을 형성하고 각각 다른 시료를 동시에 분리, 농축할 수 있다. 도 10a에 도시된 시료 분리 장치(10)는, 접혀질 수 있으며, A 시료 분리 채널, B 시료 분리 채널, C 시료 분리 채널 및 D 시료 분리 채널을 포함한다.
도 10b는 도10a에서 도시한 복수개의 시료 분리 채널을 구비하는 시료 분리 장치(10)를 이용 하여 서로 다른 시료에 대한 모의 실험의 결과를 예시한 것이다. 도 10a와 같이 복수개의 시료 분리 채널을 구비하는 시료 분리 장치(10)를 이용하여, 양단에 각각 V+전압과 접지(Ground)를 인가한 경우에 시료의 분리 및 농축이 일어나고, 서로 다른 시료인 A~D에 대하여 각기 다른 분리 및 농축 결과가 획득된다. 점선은 시료 분리 장치의 접혀질 수 있는 단위 간격을 표시한 것으로, 본 발명의 베이스 유닛 간격에 해당한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 여과층을 포함하는 생체 시료 분리 장치의 정면도이다. 시료 분리 장치는 베이스, 코팅층, 복수의 레저버들, 선택적 이온 투과층, 및 여과층을 포함한다.
베이스는 복수의 베이스 유닛들을 포함하며 복수의 베이스 유닛들(1110)이 접히도록 형성된다. 복수의 베이스 유닛들 중에서 적어도 일부의 베이스 유닛들은 분리될 수 있다.
코팅층은 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분한다.
복수의 레저버들은 코팅층에 의하여 영역이 설정되어 복수의 베이스 유닛들에 위치한다. 복수의 레저버들은 시료로부터 분리하려는 수집 대상물을 저장하거나 이동시킨다. 또는 복수의 레저버들은 시료에 포함된 수집 대상물이 아닌 분리 대상물을 저장하거나 이동시킨다.
베이스의 일측 말단에 위치한 제1 말단 베이스 유닛(1150)은 제1 말단 레저버를 포함하고, 베이스의 타측 말단에 위치한 제2 말단 베이스 유닛(1160)은 제2 말단 레저버를 포함한다. 시료 분리 장치는 제1 말단 베이스 유닛에 연결된 제1 전극 및 상기 제2 말단 베이스 유닛에 연결된 제2 전극을 추가로 포함할 수 있다.
선택적 이온 투과층은 복수의 레저버들 중에서 일부의 레저버와 결합하여 이온을 선택적으로 투과시킨다. 선택적 이온 투과층의 개수는 복수일 수 있다. 복수의 선택적 이온 투과층들(1130, 1140)은 수집 대상물의 이동 방향에 따라 기 설정된 거리를 두고 분리되어 위치할 수 있다. 복수의 선택적 이온 투과층들은 제1 말단 레저버 및 제2 말단 레저버에 각각 연결된다.
복수의 선택적 이온 투과층들에 전계(1190)를 인가하여 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 수집 대상물의 이동 경로 중간에 수집 대상물을 농축한다. 시료 분리 장치는 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 수집 대상물의 이동 경로, 즉, 시료 분리 채널에 농축 영역(1104)을 형성한다.
여과층(1101 ~ 1103)은 복수의 베이스 유닛들(1110)이 접혀서 형성하는 수집 대상물의 이동 경로(1120)의 중간에 위치하여 분리 대상물을 여과한다. 여과층은 다공성 멤브레인을 포함하며, 여과층에서의 미세공의 크기는 미리 설정될 수 있다. 여과층의 미세공(Pore)의 크기는 수집 대상물의 크기보다 크고 상기 분리 대상물의 크기보다 작다.
시료 분리 장치는 수집 대상물의 크기에 따라 기 설정된 크기를 갖는 여과층을 시료 분리 채널에 삽입하거나 접어서 단계적으로 분리가 가능한 시료 분리 채널을 형성한다. 즉, 시료 분리 장치는 수집 대상물과 분리 대상물을 분리할 수 있다.
여과층은 복수의 베이스 유닛들 중에서 말단에 위치하지 않은 베이스 유닛과 직접적으로 연결되며, 복수의 베이스 유닛들이 접히는 과정에서 수집 대상물의 이동 경로의 중간에 여과층이 삽입되도록 형성될 있다. 예컨대, 도 3에 예시된 인젝션 베이스 유닛(150)과 같이 베이스에 연결될 수 있다.
한편, 여과층은 도 4에 예시된 슬립 레이어 유닛과 같이 겹쳐진 베이스 유닛들 중간에 삽입이 가능하도록 형성될 수 있다. 삽입이 용이하도록 여과층은 손잡이를 포함할 수 있다.
여과층의 개수는 복수이며, 복수의 여과층은 상기 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 수집 대상물의 이동 경로 상에 위치하여 두 개 이상의 분리 대상물들을 단계적으로 분리할 수 있다.
여과층은 여과층에 가해진 압력의 세기 또는 미세공의 크기를 표시하는 표시부를 추가로 포함할 수 있다.
수집 대상물이 농축되는 위치는 전계의 세기, 이동 채널의 길이, 베이스 유닛의 두께, 베이스의 미세공의 크기, 여과층의 미세공의 크기, 및 여과층의 위치에 따라 달라질 수 있다. 시료 분리 장치는 수집 대상물의 이동 경로 상에서 미리 분리 대상물을 분리시켜 수집 대상물이 농축되는 위치를 조절할 수 있다.
멤브레인(예컨대, 베이스 유닛 또는 여과층)을 압착하는 방법은 간단하게 핸드 프레스 머신(Hand Press Machine)을 이용하여 압력할 수 있다. 로드셀(Load Cell)과 같은 압력의 강도를 측정해주는 센서 위에 고정된 멤브레인을 압착한다. 로드 셀에 연결된 압력 표시기를 통하여 가해진 압력을 확인하며 압력의 세기에 따른 멤브레인의 물리적 변화를 관찰할 수 있다.
압력 표시기는 아날로그 방식의 압력 세기를 디지털 신호로 변환해주는 장치이다. 압력 표시기는 종이에 가해지는 압력의 크기에 따라 종이의 두께(Thickness)와 미세공 크기(Pore Size)가 변화하는 것을 나타낸다. 압력의 세기에 따라 미세공의 크기가 확연하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 예컨대, 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통하여, 압착된 종이의 미세공을 분석할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 시료 분리 장치의 여과층의 동작을 도시한 것이다.
도 12를 참조하면, 생체 시료 분리 장치의 분리 채널의 중간에는 복수의 여과층들 및 농축 영역이 형성될 수 있다. 예컨대, 복수의 여과층들은 제1 여과층(1101), 제2 여과층(1102), 제3 여과층(1103) 및 농축 영역(1104)을 형성할 수 있다. 복수의 여과층들(1101, 1102, 1103)은 기계적이거나 물리적인 방법을 이용하거나 상용화된 각기 다른 멤브레인을 이용하여 각각 다른 미세공 크기를 갖는다.
좌측에서 우측방향으로 전계를 가하게 되면 전반적으로 대상 물질들도 좌측에서 우측으로 움직이게 됩니다. 즉, 선택적 이온 투과층에 전계를 가하여 복수의 대상물들을 농축시키고, 동시에 복수의 대상물들은 일부의 여과층을 통과하거나 일부의 여과층을 통과하지 못하고 분리된다.
제1 여과층(1101)의 미세공의 크기가 10 ㎛이면 10 ㎛보다 큰 물질 A가 여과되고, 제2 여과층(1102)의 미세공의 크기가 1 ㎛이면 1 ㎛보다 큰 물질 B가 여과되고, 제3 여과층(1103)의 미세공의 크기가 100 ㎚이면 100 ㎚보다 큰 물질 C가 여과되고, 최종적으로 물질 D를 농축시켜 농촉 영역(1104)을 형성한다. 각각 다른 미세공 크기(Pore Size)를 갖는 멤브레인에 의해 점차적으로 A, B, C는 분리되게 되며, 결국에는 가장 작은 D 파티클(Particle)(예컨대, 엑소좀(Exosomes))만을 분리할 수 있게 됩니다. 결론적으로 순수한 D 타겟 만을 분리 및 농축할 수 있습니다. 여과층을 이용하여 분리 채널 상에서 분리 대상물(A, B, C)을 여과함으로써, 베이스 유닛의 전체 갯수를 줄이고 농축 영역의 위치를 조절할 수 있고, 농축 시간을 줄일 수 있다.
농축된 수집 대상물이 포함된 베이스 유닛은 베이스로부터 분리가 용이하도록 작은 구멍이 미리 뚫린 절취선을 포함할 수 있다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 미리 정해진 간격으로 접혀질 수 있고, 접혀지는 기본 단위가 되는 복수개의 베이스 유닛들을 포함하는 베이스;
    상기 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 코팅층;
    상기 코팅층에 의하여 영역이 정의되고 상기 베이스 유닛에 각각 위치하며, 측정하고자 하는 시료에 포함되어 분리하고자 하는 타겟 물질 또는 상기 시료에서 상기 타겟 물질을 제외한 분리 대상 물질을 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공하는 복수개의 레저버들; 및
    상기 레저버들 중 적어도 일부의 레저버와 적어도 일부 중첩하여 위치하며 이온을 선택적으로 투과시키는 선택적 이온 투과층
    을 포함하는 시료 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스의 일측 말단에 위치한 제1 말단 베이스 유닛은 상기 레저버로서 제1 말단 레저버를 포함하고, 상기 베이스의 타측 말단에 위치한 제2 말단 베이스 유닛은 상기 레저버로서 제2 말단 레저버를 포함하며, 상기 제1 말단 레저버와 상기 제2 말단 레저버는 각각 상기 선택적 이온 투과층과 연결되는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 선택적 이온 투과층은 상기 제1 말단 베이스 유닛과 인접한 제3 말단 베이스 유닛에 위치하는 상기 레저버인 제3 말단 레저버 및 상기 제 2 말단 베이스 유닛과 인접한 제 4 말단 베이스 유닛에 위치하는 상기 레저버인 제4 말단 레저버에 위치하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 베이스 유닛 중 말단에 위치하지 않은 베이스 유닛과 직접적으로 연결되고 상기 베이스가 접혀질 때 외부에 적어도 일부 위치하며, 샘플을 주입하기 위한 인젝션 베이스 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서 상기 인젝션 베이스 유닛의 적어도 일면에는,
    상기 인젝션 베이스 유닛의 적어도 일부 영역에 위치하여 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 인젝션 베이스 유닛 코팅층;
    상기 복수개의 베이스 유닛 중 말단에 위치하지 않은 베이스 유닛에 포함된 레저버와 연결되고 처리 대상 시료를 투입하기 위하여 점습되는 인젝션 레저버; 및
    상기 코팅층에 의하여 영역이 구분되고, 상기 베이스 유닛의 레저버와 상기 인젝션 레저버를 연결하는 처리 대상 시료의 이동 경로인 샘플 인젝션 채널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스는 다공성 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    슬립 레이어 베이스, 상기 슬립 레이어 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하는 슬립 레이어 코팅층 및 상기 슬립 레이어 코팅층에 의하여 영역이 정의되고 측정하고자 하는 시료를 적어도 일부 흡착하여 저장하거나 이동 경로를 제공하는 슬립 레이어 레저버를 포함하며 상기 베이스에 포함되는 적어도 일부의 베이스 유닛 사이에 삽입 또는 제거가 가능하도록 마련된 슬립 레이어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 슬립 레이어 레저버는 시료의 투입을 위하여 처리 대상이 되는 시료 또는 도전성 액체로 점습된 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 레저버들은 처리 대상이 되는 시료 또는 도전성 액체로 점습된 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 베이스 유닛은 필요에 따라 적어도 하나를 절취하여 상기 시료의 타겟 물질 또는 분리 대상 물질을 선택적으로 채득할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층은 시료의 흡착을 방지하기 위한 소수성 물질을 포함하고, 물리적 절단 방식인 컷팅에 의해 일정 패턴의 상기 소수성 물질의 코팅막을 형성한 후 상기 베이스의 양면에 부착되거나, 상기 소수성 물질을 상기 패턴에 따라 도포하는 패터닝에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  12. 복수의 베이스 유닛들을 포함하며 상기 복수의 베이스 유닛들이 접히도록 형성된 베이스;
    상기 베이스의 적어도 일부 영역에 위치하여 시료의 흡착을 방지하고 저장 공간 또는 이동 경로를 구분하는 코팅층;
    상기 코팅층에 의하여 영역이 설정되어 상기 복수의 베이스 유닛들에 위치하며, 상기 시료로부터 분리하려는 수집 대상물 또는 상기 시료에 포함된 상기 수집 대상물이 아닌 분리 대상물을 저장하거나 이동시키는 복수의 레저버들;
    상기 복수의 레저버들 중에서 일부의 레저버와 결합하여 이온을 선택적으로 투과시키는 선택적 이온 투과층; 및
    상기 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 상기 수집 대상물의 이동 경로의 중간에 위치하여 상기 분리 대상물을 여과하는 여과층
    을 포함하는 시료 분리 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 여과층은 다공성 멤브레인을 포함하며,
    상기 여과층의 미세공(Pore)의 크기는 상기 수집 대상물의 크기보다 크고 상기 분리 대상물의 크기보다 작은 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 여과층을 압착하여 상기 미세공의 크기를 조절하며,
    상기 여과층은 상기 여과층에 가해진 압력의 세기 또는 상기 미세공의 크기를 표시하는 표시부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 여과층의 개수는 복수이며, 상기 복수의 여과층은 상기 복수의 베이스 유닛들이 접혀서 형성하는 상기 수집 대상물의 이동 경로 상에 위치하여 두 개 이상의 분리 대상물들을 단계적으로 분리하는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 여과층은 상기 복수의 베이스 유닛들 중에서 말단에 위치하지 않은 베이스 유닛과 직접적으로 연결되며,
    상기 복수의 베이스 유닛들이 접히는 과정에서 상기 수집 대상물의 이동 경로의 중간에 상기 여과층이 삽입되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 분리 장치.
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