WO2019039911A9 - 시료 분석용 칩, 이를 포함하는 시료 분석용 디바이스, 그리고 시료 분석용 칩에 장착되는 카트리지 - Google Patents

시료 분석용 칩, 이를 포함하는 시료 분석용 디바이스, 그리고 시료 분석용 칩에 장착되는 카트리지 Download PDF

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Definitions

  • the delay unit includes a delay chamber in which the cleaning liquid from the cleaning liquid reservoir to the trapping passage can be stored, and a control unit that is provided between the delay chamber and the trapping passage, And a delay channel for allowing the trap channel to be discharged to the trap channel.
  • the cartridge may be made by a 3D printing method.
  • gene amplification means that a gene to be analyzed is amplified.
  • examples of the gene amplification include PCR (Polymerase Chain Reaction), Real-time PCR, Isothermal Amplification Reaction, and the like. In advance.
  • the washing liquid does not flow into the trapping passage 220 until the washing liquid reaches the predetermined amount in the delay chamber 242, the washing liquid is delayed to the trapping passage 220 rather than the sample. Therefore, it is possible to prevent the washing liquid from flowing into the trapping passage 220 before the substance containing the analyte is trapped in the trapping passage 220.
  • the collection chamber 272 is in the form of a chamber and is located radially outward of the sample analysis chip 1000 and communicates with the connection chamber 270.
  • the analyte and the first eluent and the second eluent separated from the trapping passage 220 are stored.
  • the analyte, the first eluent, and the second eluent, which are stored in the collection chamber 272 flow into the detection chamber introduction passage 276 by the centrifugal force generated when the sample analysis chip 1000 rotates.
  • the driving motor 330 is a portion that is mounted under the lower member 310 and rotates the sample analyzing chip 1000 mounted on the temperature adjusting unit 311.
  • the sample analyzing chip 1000 is rotated by the driving motor 330 to perform pre-processing, amplification and detection of the sample.

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Abstract

시료 분석용 칩을 제공한다. 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩은 시료 저장부, 시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하는 포획 통로, 상기 포획 통로와 연통하는 세척액 저장부 및 상기 포획 통로와 상기 세척액 저장부 사이에 구비되어 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 통과하는 지연부;를 포함하고, 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 지연부는 세척액이 시료보다 나중에 상기 포획 통로에 도달하도록 상기 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 시료 분석용 칩에 장착되며, 상기 시료 분석용 칩의 시료 저장부, 제1 용리액 저장부, 제2 용리액 저장부 및 세척액 저장부 중 적어도 하나에 삽입되어 대응되는 용액을 주입하기 위한 적어도 하나의 주입구를 포함하는, 카트리지를 제공한다.

Description

시료 분석용 칩, 이를 포함하는 시료 분석용 디바이스, 그리고 시료 분석용 칩에 장착되는 카트리지
본 출원은 시료 분석용 디바이스에 관한 것이다.
박테리아나 바이러스 질병의 진단을 위해서는 유전자 진단이 필수적이다.
유전자 진단은 시료 채취 단계, 샘플 전처리 단계(DNA 또는 RNA 추출), 유전자 증폭 단계 및 검출단계의 총 4단계의 과정으로 이루어진다.
하지만, 종래에는 각 단계가 별도의 장비 또는 장치에 의해 수행되기 때문에 고가의 분석 장치와 다량의 시료가 필요하고, 분석에 많은 시간이 소요되며, 진단 도중 시료가 오염될 가능성이 높고, 현장에서의 신속한 진단이 어렵다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 미세유동(microfluidic)에 기반한 마이크로 칩을 이용한 통합형 유전자 분석 장치가 개발되고 있다. 실험실 환경을 하나의 칩 상에 구현하였다는 의미로, 랩 온 어 칩(lab on a chip)이라고 불리운다.
하지만, 종래의 통합형 유전자 분석 장치도, 복잡한 칩 구조, 금속 전극 패터닝 및 실리콘/유리기판 기반 구조로 인한 고가의 제작 비용, 외부의 유입 펌프 및 다수의 튜브 시스템 필요에 의한 작동의 복잡성, 고집적 칩 구동 장치의 낮은 재현성, 시스템 구동의 자동화 부재 및 소형화 한계로 인한 현장진단의 어려움과 같은 문제점을 가지고 있어서, 개선이 요구되고 있다.
일례로 최근에 각광을 받고 있는 회전식 유전자 진단 디바이스 및 시스템은 디바이스의 회전을 통해 이에 투입된 시료의 전처리, 유전자 증폭 및 검출을 수행할 수 있는 장치이다. 하지만, 종래의 회전식 유전자 진단 디바이스는 다음과 같은 문제점이 존재하였다.
첫째로, 시료 내 DNA 또는 RNA 포획을 위한 포획 통로에 시료와 세척액이 순차적으로 유입되어야 하는데, 디바이스 회전 시 시료와 세척액이 동시에 포획 통로에 유입되는 문제점이다.
세척액은 포획 통로에 포획되지 않은 DNA 또는 RNA를 제외한 나머지 물질을 세척하는 역할을 하기 때문에 DNA 또는 RNA가 포획 통로에 모두 포획되고 난 이후 유입되는 것이 바람직하다. 시료 내 DNA 또는 RNA가 포획 통로에 포획되기도 전에 세척액이 유입되면 분석의 정확도가 저하된다.
둘째로, 하나의 디바이스에서 여러 질병의 진단이 불가능하다는 문제점이다. 조류인플루엔자의 경우에도 다양한 인플루엔자 바이러스가 존재하며, 어느 바이러스에 의해 질병이 유발되었는지는 분석이 필요하다.
하지만, 종래의 디바이스는 하나의 단위 공정부당 하나의 바이러스만을 분석할 수 있을 뿐이다. 따라서 시료 내 바이러스의 존재 여부를 확인하기 위해서는 다수의 장치, 인력 및 시간이 소요되므로 신속한 진단이 필요한 현장진단의 요구를 제대로 충족하지 못하고 있다.
셋째로, 시료 분석을 위해 수동으로 각각의 저장부에 용액을 주입하여야 하는 문제점이다. 현장진단(POCT)은 신속함이 가장 중요한 요소이나, 용액을 수동으로 각각의 저장부에 주입하는 경우 오염 위험이 존재하며, 시간도 오래 소요된다.
상기와 같은 문제점들은 유전자 진단의 정확도를 저하시키는 원인이 되며, 이러한 문제점들을 해결한 디바이스에 대한 필요성은 증가하고 있는 실정이다.
(특허문헌 1) 한국공개특허문헌 제10-2015-0031912호 (2015.03.25)
(특허문헌 2) 일본공개특허문헌 제2004-012290호 (2004.01.15)
본 출원은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것이다. 구체적으로 하나의 장치로 여러 바이러스의 진단을 동시에 수행할 수 있으며, 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 세척액이 시료보다 포획 통로에 늦게 도달되도록 하는 시료 분석용 칩을 제공하고자 한다.
또한, 본 출원은 시료 분석용 칩에 용액을 자동으로 주입하기 위한 카트리지를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 출원의 일 실시예는, 시료 저장부, 시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하는 포획 통로, 상기 포획 통로와 연통하는 세척액 저장부 및 상기 포획 통로와 상기 세척액 저장부 사이에 구비되어 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 통과하는 지연부를 포함하고, 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 지연부는 세척액이 시료보다 나중에 상기 포획 통로에 도달하도록 상기 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키도록 구성되는, 시료 분석용 칩을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 저장부는 상기 포획 통로보다 반경 방향 내측에 위치할 수 있다.
상기 세척액 저장부는 상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 내측에 위치할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지연부는, 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 저장될 수 있는 지연 챔버 및 상기 지연 챔버와 상기 포획 통로 사이에 구비되어 상기 지연 챔버에 저장된 세척액이 기결정된 양 이상인 경우에 상기 포획 통로로 배출되도록 하는 지연 채널을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지연 챔버의 반경 방향 최외측에는 출구가 구비되고, 상기 지연 채널은 상기 지연 챔버의 출구에 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지연 채널은, 상기 지연 챔버의 출구에서 반경 방향 내측을 향해 연장되는 제1 통로 및 상기 제1 통로의 끝에서 반경 방향 외측을 향해 연장되는 제2 통로를 포함하고, 상기 기결정된 양은 상기 지연 챔버에 저장되는 세척액의 높이가 상기 제1 통로의 길이와 일치되었을 때의 양일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 지연부는, 상기 세척액 저장부와 상기 지연 챔버 사이에 구비되어, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 세척액 저장부에 저장된 세척액을 상기 지연 챔버에 유입되도록 구성된 유입 채널을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유입 채널은, 상기 지연 챔버의 폭 방향과 나란한 방향으로 상기 지연 챔버에서 멀어지게 연장되는 제3 통로 및 상기 제3 통로의 끝에서 상기 제3 통로와 나란한 방향으로 상기 지연 챔버에 가까워지게 연장되는 제4 통로를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 내측에 위치하고, 상기 포획 통로와 연통하며, 내부에 상기 포획 통로에 포획된 분석 대상 물질을 분리하기 위한 제1 용리액이 저장된 제1 용리액 저장부 및 상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 내부에 상기 분석 대상 물질의 검출을 위한 제2 용리액이 저장된 제2 용리액 저장부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포획 통로와 상기 제2 용리액 저장부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 상기 포획 통로의 출구와 상기 제2 용리액 저장부에 연통하는 연결 챔버, 상기 연결 챔버보다 반경 방향으로 외측에 위치하도록 상기 연결 챔버와 연통하며, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 포획 통로에 포획되지 않은 시료와 상기 포획 통로를 통과한 세척액이 저장되는 폐기액 챔버 및 상기 연결 챔버보다 반경 방향으로 외측에 위치하도록 상기 연결 챔버와 연통하며, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 제1 용리액에 의해 분리된 분석 대상 물질, 상기 포획 통로를 통과한 제1 용리액 및 상기 제2 용리액이 저장되는 수집 챔버를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 저장부, 상기 세척액 저장부, 상기 제1 용리액 저장부 및 상기 제2 용리액 저장부 각각에는 용액 주입을 위한 주입공이 형성될 수 있다.
또한 본 출원은 시료 저장부, 시료에 함유된 분석 대상 물질의 포획, 세척 및 분리를 포함하는 전처리 과정이 수행될 수 있도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하도록 구성되는 전처리부 및 상기 전처리부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 상기 전처리부에 의해 전처리된 분석 대상 물질이 유입되도록 구성되며, 내부에 상기 분석 대상 물질의 검출을 위한 서로 상이한 프라이머가 각각 저장된 복수의 검출 챔버를 포함하는, 시료 분석용 칩을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 검출 챔버보다 반경 방향 내측에 위치하며, 상기 시료를 분석하기 위해 제1 회전 속도를 가지며 제1 방향으로 회전할 때, 상기 전처리부에서 전처리된 분석 대상 물질이 투입되는 투입 채널 및 상기 투입 채널의 복수의 출구에서 상기 복수의 검출 챔버로 각각 연장되어, 상기 시료를 분석하기 위해 제2 회전속도를 가지며 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 투입 채널에서 검출 챔버로 향하는 분석 대상 물질이 통과하는 복수의 연결 채널을 더 포함하고, 상기 투입 채널은, 상기 전처리부로부터 분석 대상 물질이 유입되는 입구에서 상기 제1 방향을 향해 연장될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 회전 속도를 가지며 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 검출 챔버로 분석 대상 물질을 투입하기 위해, 상기 복수의 연결 채널 중 적어도 하나의 연결 채널의 폭은 대응하는 상기 투입 채널의 출구의 폭보다 좁을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 연결 채널은, 상기 전처리부에 대해 멀리 있는 연결 채널일수록 길이가 더 짧을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 회전 속도는 상기 제1 회전 속도보다 빠를 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 분석용 칩의 중심에는 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 회전축에 대응하는 통공이 형성되며, 상기 복수의 검출 챔버 중 적어도 두 개의 검출 챔버와 상기 통공 사이의 거리는 동일하고, 상기 복수의 연결 채널은 상기 전처리부에 대해 멀리 있는 연결 채널일수록 길이가 더 짧을 수 있다.
또한 본 출원은 시료 분석용 칩, 상기 시료 분석용 칩이 안착되며, 상면에 온도 조절부가 구비된 하부 부재, 상기 하부 부재에 대해 상하이동 가능하도록 상기 하부 부재 위에 장착되는 상부 부재 및 상기 하부 부재 아래에 장착되어 상기 시료 분석용 칩을 회전시키는 구동 모터를 포함하고, 상기 시료 분석용 칩은, 시료 저장부, 시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하는 포획 통로, 상기 포획 통로와 연통하는 세척액 저장부 및 상기 포획 통로와 상기 세척액 저장부 사이에 구비되어 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 통과하는 지연부를 포함하고, 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 지연부는 세척액이 시료보다 나중에 상기 포획 통로에 도달하도록 상기 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키도록 구성되는, 시료 분석용 디바이스를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 시료 분석용 칩의 중심에는 회전축에 대응하는 통공이 형성되며, 상기 통공은, 상기 하부 부재의 온도 조절부로부터 위로 연장되는 기둥에 결합되어 상기 시료 분석용 칩이 회전할 때 회전축으로 작용할 수 있다.
또한 본 출원은, 시료 분석용 칩에 장착되며, 상기 시료 분석용 칩의 시료 저장부, 제1 용리액 저장부, 제2 용리액 저장부 및 세척액 저장부 중 적어도 하나에 삽입되어 대응되는 용액을 주입하기 위한 적어도 하나의 주입구를 포함하는, 카트리지를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 주입구는 분리 가능하게 삽입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 주입구와 각각 연통하고, 대응되는 용액을 저장하기 위한 적어도 하나의 용액 저장부를 더 포함하며, 상기 적어도 하나의 주입구는, 상기 시료 분석용 칩이 회전 시 상기 적어도 하나의 주입구를 통해 대응되는 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 적어도 하나의 용액 저장부와 연통될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 용액 저장부는, 상기 시료 저장부에 삽입될 수 있는 제1 주입구가 구비되며, 시료 내에 함유된 분석 대상 물질의 용출을 위한 용해 완충액(Lysis Buffer Solution)이 저장된 제1 용액 저장부 및 상기 세척액 저장부에 삽입될 수 있는 제2 주입구가 구비되며, 세척액이 저장된 제2 용액 저장부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 용리액 저장부에 삽입될 수 있는 제3 주입구가 구비되며, 제1 용리액이 저장된 제3 용액 저장부 및 제2 용리액 저장부에 삽입될 수 있는 제3 주입구가 구비되며, 제2 용리액이 저장된 제4 용액 저장부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제4 주입구는, 상기 시료 저장부에 형성된 주입공, 상기 세척액 저장부에 형성된 주입공, 상기 제1 용리액 저장부에 형성된 주입공 및 상기 제2 용리액 저장부에 형성된 주입공에 각각 분리 가능하게 삽입될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 카트리지는 3D 프린트 공법으로 제작될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 카트리지는 일회용 플라스틱 재질로 제작될 수 있다.
본 출원에 따르면, 세척액 저장부와 포획 통로 사이에 구비되는 지연부 구성을 통해 세척액이 시료보다 늦게 포획 통로에 유입되도록 함으로써, 시료가 충분히 포획 통로에 포획된 후 세척액이 유입되기 때문에 진단의 정확도가 향상된다.
또한, 복수의 검출 챔버가 구비되고 각각의 검출 챔버에는 서로 상이한 프라이머가 저장됨으로써, 여러 병원균의 진단이 하나의 장치에서 모두 수행될 수 있다.
또한, 유전자 증폭이 수행되는 경우 변색하는 EBT 지시약을 사용함으로써, 시료 내 의 분석 대상 물질의 유무를 육안으로 쉽게 관찰할 수 있다.
또한, 시료 분석용 칩에 분리 가능하게 장착되는 카트리지를 통해 용액을 자동으로 각각의 저장부에 주입할 수 있어, 기존의 진단에 소요되는 시간이 단축되고 편의성 측면이 향상된다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩과 카트리지가 결합되는 모습을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 시료 분석용 칩의 평면도이다.
도 3은 도 2의 시료 분석용 칩의 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 포획 통로의 출구를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5는 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키는 지연부를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 디바이스를 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 카트리지를 설명하기 위한 사시도이다.
도 8은 카트리지가 장착된 시료 분석용 칩이 회전함에 따라, 카트리지 내에 저장된 용액에 원심력이 가해지는 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩, 카트리지 및 시료 분석용 칩에 카트리지가 결합된 모습을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩, 카트리지 및 시료 분석용 디바이스를 이용하여 병원균을 진단한 결과를 나타낸 도면이다.
도 13a 내지 도 13i은 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩을 이용하여 분석 대상 물질을 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 유전자 증폭이란 분석하고자 하는 유전자가 증폭되는 것을 의미한다. 유전자 증폭의 예로서, PCR(Polymerase Chain Reaction, 중합효소연쇄반응), Real-time PCR, 등온 증폭 반응(Isothermal Amplification Reaction)이 있을 수 있으며, 분석하고자 하는 유전자를 증폭시키는 반응이면 제한되지 않고 이에 포함되는 것임을 미리 설명하여 둔다.
1. 시료 분석용 칩
첨부된 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000)에 대해 구체적으로 설명한다.
도 2를 참조하면, 시료 분석용 칩(1000)은 디스크 형상의 몸체(100)를 가질 수 있다. 몸체(100)의 중심에는 통공(H)이 형성된다. 통공(H)은 후술하는 시료 분석용 디바이스(2000)에 결합되어 회전 시 회전축에 대응하는 부분이다.
시료 분석용 칩(1000)은 원주 방향을 따라 순차적으로 배치되는 다수의 통합 공정부(200a, 200b)를 포함한다. 이하에서는, 통합 공정부가 2개인 것으로 설명하나, 이에 한정되는 것은 아니고 2개 이상의 통합 공정부를 가지는 것도 얼마든지 가능하다. 이하에서는 하나의 통합 공정부에 대해서만 상세히 설명한다.
시료 분석용 칩(1000)는 예를 들어, 3mm의 두께를 갖는 디스크 형상의 PMMA 일면에 CNC 밀링 머신을 이용해 가공하여 홈 형태로 정해진 패턴을 형성한 후 가공면에 PSA를 접착시켜서 제조될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 통합 공정부의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 출원의 실시예에 따른 통합 공정부(200a, 200b)는 몸체(100)에 패턴으로 각각 형성되며, 시료 저장부(210), 포획 통로(220), 세척액 저장부(230), 지연부(240), 제1 용리액 저장부(250), 제2 용리액 저장부(260), 연결 챔버(270) 및 복수의 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)를 포함한다.
시료 저장부(210)는 챔버 형태로서, 후술하는 포획 통로(220)의 입구(221)보다 반경 방향 내측으로 위치하고, 포획 통로(220)의 입구(221)와 연결된다. 시료 저장부(210)에는 외부로부터의 시료 주입을 위한 시료 주입공(211)이 형성된다. 시료 주입공(211)을 통해 시료가 시료 저장부(210) 내로 주입된 후에 시료 주입공(211)은 후술하는 카트리지(3000)와의 결합에 의해 밀봉된다. 시료 저장부(210)에 저장된 시료는 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 발생하는 원심력에 의해 포획 통로(220)의 입구(221)로 유입된다.
포획 통로(220)는 시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하는 부분이다. 시료 저장부(210)보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 시료 저장부(210)와 연통한다. 도 2 및 도 3에 도시된 것처럼 지그재그(zigzag) 형상을 가질 수 있으며, 내부에 실리카 비드와 같은 포획 수단(223)을 구비한다. 포획 통로(220)의 양단에는 각각 입구(221)와 출구(222)가 위치한다. 입구(221)는 통공(H)을 기준으로 반경 방향 내측으로 위치하고 출구(222)는 반경 방향 외측으로 위치한다. 포획 수단(223)에는 시료 내 함유된 분석 대상 물질을 포함하는 물질이 흡착된다. 도 4에 도시된 것처럼 포획 수단(223)의 크기는 출구(222)의 폭보다 크게 형성되어 포획 통로(220)로부터의 이탈이 방지된다.
세척액 저장부(230)는 챔버 형태로서, 시료 저장부(210)보다 반경 방향으로 내측에 위치하고 포획 통로(220)의 입구(221)와 연결된다. 세척액 저장부(230)에 저장된 세척액은 포획 수단(223)에 포획된 물질에서 분석 대상 물질을 제외한 나머지 성분을 포획 수단(223)으로부터 세척하여 제거한다. 세척액 저장부(230)에는 외부로부터의 세척액 주입을 위한 세척액 주입공(231)이 형성된다. 세척액 주입공(231)을 통해 세척액이 세척액 저장부(230) 내로 주입된 후에 세척액 주입공(231)은 양면 테이프 등에 의해 밀봉된다. 세척액 저장부(230)에 저장된 세척액은 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 발생하는 원심력에 의해 포획 통로(220)의 입구(221)로 유입된다.
지연부(240)는 포획 통로(220)와 세척액 저장부(230) 사이에 구비되어 세척액 저장부(230)에서 포획 통로(220)로 향하는 세척액이 통과하는 부분이다. 지연부(240)는 시료를 분석하기 위해 시료 분석용 칩(1000)가 회전할 때, 세척액이 시료보다 나중에 포획 통로(220)에 도달하도록 세척액 저장부(230)에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시킨다.
도 5를 참조하여, 지연부(240)의 구성에 대해 보다 상세히 설명한다. 지연부(240)는 유입 채널(241), 지연 챔버(242) 및 지연 채널(243)을 포함한다.
유입 채널(241)은 세척액 저장부(230)와 지연 챔버(242)를 연결하며, 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 세척액 저장부(230)에 저장된 세척액을 지연 챔버(242)에 유입되도록 하는 부분이다. 유입 채널(241)은 지연 챔버(242)의 폭 방향과 나란한 방향으로 지연 챔버(242)에서 멀어지게 연장되는 제3 통로(241a) 및 제3 통로(241a)의 끝에서 제3 통로(241a)와 나란한 방향으로 지연 챔버(242)에 가까워지게 연장되는 제4 통로(241b)를 포함한다.
지연 챔버(242)는 챔버 형태로서, 유입 채널(241)에 의해 유입된 세척액을 저장하는 부분이다. 지연 챔버(242)의 용량이 클수록 포획 통로(220)로 향하는 세척액의 유입이 지연될 수 있다. 지연 챔버(242)의 반경 방향 최외측에는 세척액이 유출되는 출구(242b)가 형성된다.
지연 채널(243)은 지연 챔버(242)의 출구(242b)와 연결되며, 지연 챔버(242)에 저장된 세척액이 포획 통로(220)로 지연 유입되도록 하는 부분이다. 구체적으로, 지연 채널(243)은 지연 챔버의 출구(242b)에서 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 내측을 향해 연장되는 제1 통로(243a) 및 제1 통로(243a)의 끝에서 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 외측을 향해 연장되는 제2 통로(243b)을 포함한다.
지연 채널(243)은 지연 챔버(242)에 저장된 세척액이 기결정된 양 이상인 경우 포획 통로(220)로 배출되도록 한다. 즉, 세척액이 제1 통로(243a)를 통과하여 제2 통로(243b)로 유입되기 위해서는 지연 챔버(242)에 저장된 세척액이 기결정된 양 이상이어야 한다. 여기서, 기결정된 양은 지연 챔버(242)에 저장된 세척액의 높이(h)가 제1 통로(243a)의 길이(L)와 일치되었을 때의 양이다. 이 경우, 시료 분석용 칩(1000)의 회전에 의해 발생하는 원심력보다 모세관 힘이 더 크게 작용하여 세척액이 제1 통로(243a)를 통과하여 제2 통로(243b)로 유입될 수 있는 것이다. 즉, 세척액이 지연 챔버(242)에 기결정된 양에 도달하기 전까지 세척액이 포획 통로(220)에 유입되지 않기 때문에, 세척액이 시료보다 포획 통로(220)에 지연 도달되는 것이다. 따라서 분석 대상 물질을 포함하는 물질이 포획 통로(220)에 포획되기도 전에 세척액이 포획 통로(220)에 유입되는 현상을 방지할 수 있다.
제1 용리액 저장부(250)는 챔버 형태로서, 시료 저장부(210)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 내측에 위치하고 포획 통로(220)의 입구(221)와 연통하는 부분이다. 제1 용리액 저장부(250)에는 제1 용리액이 저장된다. 제1 용리액은 포획 수단(223)에 흡착된 물질을 포획 수단(223)으로부터 분리시키는 용액이다. 예로서, 제1 용리액은 물이 이용될 수 있다. 제1 용리액 저장부(250)에는 외부로부터의 제1 용리액 주입을 위한 제1 용리액 주입공(251)이 형성된다. 제1 용리액 주입공(251)을 통해 제1 용리액이 제1 용리액 저장부(250) 내로 주입된 후에 제1 용리액 주입공(251)은 후술하는 카트리지(3000)와의 결합에 의해 밀봉된다. 제1 용리액 저장부(250)에 저장된 제1 용리액은 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 발생하는 원심력에 의해 제1 용리액 도입 통로(253)로 유입된다.
제1 용리액 도입 통로(253)는 제1 용리액 저장부(250)의 반경 방향 최외측에 위치하는 제1 용리액 저장부의 출구(252)와 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 내측으로 연장되는 제5 통로(253a) 및 제5 통로(253a)의 끝에 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 외측으로 연장되는 제6 통로(253b)를 포함한다. 제5 통로(253a)와 제6 통로(253b) 구성을 통해, 시료 분석용 칩(1000)가 회전하고 있을 때는 제1 용리액이 포획 통로(220)로 유입되지 않고, 시료 분석용 칩(1000)이 회전 정지 후 회전하게 되면 제1 용리액이 포획 통로(220)로 유입된다. 따라서, 시료와 세척액이 포획 통로(220)로 모두 유입되고 난 후 제1 용리액이 포획 통로(220)로 유입될 수 있는 것이다.
제2 용리액 저장부(260)는 챔버 형태로서, 시료 저장부(210)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하고 후술하는 연결 챔버(270)와 연통하는 부분이다. 제2 용리액 저장부(260)에는 제2 용리액이 저장된다. 제2 용리액은 분석 대상 물질의 유전자 증폭에 필요한 효소와, 지시약을 포함하는 용액이다. 여기서, 지시약은 유전자 증폭 시 변색하는 EBT(Eriochrome Black T) 지시약이 이용될 수 있다. 제2 용리액 저장부(260)에는 외부로부터의 제2 용리액 주입을 위한 제2 용리액 주입공(261)이 형성된다. 제2 용리액 주입공(261)을 통해 제2 용리액이 제2 용리액 저장부(260) 내로 주입된 후에 제2 용리액 주입공(261)은 후술하는 카트리지(3000)와의 결합에 의해 밀봉된다. 제2 용리액 저장부(260)에 저장된 제2 용리액은 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 발생하는 원심력에 의해 제2 용리액 도입 통로(263)로 유입된다.
제2 용리액 도입 통로(263)는 제2 용리액 저장부(260)의 반경 방향 최외측에 위치하는 제2 용리액 저장부의 출구(262)와 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 내측으로 연장되는 제7 통로(263a) 및 제7 통로(263a)의 끝에 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 외측으로 연장되는 제8 통로(263b)를 포함한다. 제7 통로(263a)와 제8 통로(263b) 구성을 통해, 시료 분석용 칩(1000)가 회전하고 있을 때는 제2 용리액이 연결 챔버(270)로 유입되지 않고, 시료 분석용 칩(1000)이 회전 도중 정지하게 되면 제2 용리액이 연결 챔버(270)로 유입된다. 따라서, 시료와 세척액이 포획 통로(220)로 모두 유입되고 난 후 제2 용리액이 연결 챔버(270)로 유입될 수 있는 것이다.
연결 챔버(270)는 챔버 형태로서, 포획 통로(220)와 제2 용리액 저장부(260)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하고, 포획 통로(220)의 출구(222)와 제2 용리액 저장부(260)의 제8 통로(263b)에 연통하는 부분이다. 따라서, 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 포획 통로(220)를 통과한 또는 제2 용리액 도입 통로(263)를 통과한 물질이 연결 챔버(270)를 통과하여 후술하는 폐기액 챔버(271)와 수집 챔버(272)에 유입될 수 있다.
폐기액 챔버(271)는 챔버 형태로서, 연결 챔버(270)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하고 연결 챔버(270)와 연통하는 부분이다. 폐기액 챔버(271)에는 분석 대상 물질을 제외한 나머지 불필요한 성분이 저장된다. 폐기액 챔버(271)는 시료와 세척액을 합한 크기의 용량을 가질 수 있다. 연결 챔버(270)와 폐기액 챔버(271)를 연결하는 연결 통로(273)에는 캐필러리 밸브(capillary valve)가 형성되어 폐기액 챔버(271)에 저장된 폐기액이 연결 챔버(270)로 다시 유입되는 것이 방지될 수 있다.
수집 챔버(272)는 챔버 형태로서, 연결 챔버(270)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하고 연결 챔버(270)와 연통하는 부분이다. 수집 챔버(272)에는 포획 통로(220)로부터 분리된 분석 대상 물질과 제1 용리액 및 제2 용리액이 저장된다. 수집 챔버(272)에 저장된 분석 대상 물질과 제1 용리액 및 제2 용리액은 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 발생하는 원심력에 의해 검출 챔버 도입 통로(276)로 유입된다.
검출 챔버 도입 통로(276)는 수집 챔버(272)의 반경 방향 최외측에 위치하는 출구(275)와 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 내측으로 연장되는 제9 통로(276a) 및 제9 통로(276a)의 끝에 연결되며 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향 외측으로 연장되는 제10 통로(276b)를 포함한다. 제9 통로(276a)와 제10 통로(276b) 구성을 통해, 시료 분석용 칩(3000)이 회전하고 있을 때는 수집 챔버(272)에 저장된 물질이 연결 챔버(270)로 유입되지 않고, 시료 분석용 칩(1000)이 회전 도중 정지하게 되면 수집 챔버(272)에 저장된 물질이 투입 채널(281)로 유입된다.
검출 챔버(280)는 분석 대상 물질의 증폭과 검출이 이루어지는 부분이다. 하나의 시료 분석용 칩(1000)을 이용하여 다수의 바이러스 또는 병원균을 한번에 검출하기 위해 검출 챔버(280)는 복수 개로 구비되는 것이 바람직하다. 도 2에는 하나의 통합 공정부에 20개의 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)가 있는 것으로 도시되나, 이에 한정되지 않고 20개 미만 또는 20개를 초과하는 검출 챔버(280)를 가지는 것도 얼마든지 가능한 일이다. 각각의 검출 챔버(280)에는 서로 상이한 프라이머가 저장될 수 있다. 각각의 검출 챔버와 통공(H) 사이의 거리는 동일한 것이 바람직하다.
투입 채널(281)는 검출 챔버 도입 통로(276)의 제10 통로(276b)의 끝에 연결되어 시료를 분석하기 위해 제1 회전 속도를 가지며 제1 방향으로 회전할 때, 수집 챔버(272)에서 물질이 투입되는 부분이다. 투입 채널(281)은 수집 챔버(272)로부터 물질이 유입되는 입구에서 제1 방향을 향해 연장될 수 있다. 여기서, 제1 방향은 시계 방향이고, 제1 회전 속도는 1000 RPM일 수 있다.
투입 채널(281)은 원심력에 의해 물질이 순차적으로 유입될 수 있도록 분주 구조(aliqoting structure)를 가질 수 있다. 분주 구조란 도 2에 도시된 것처럼 하나의 투입 채널(281)의 반경 방향 외측으로 복수 개의 출구가 연장되는 구조이다. 따라서, 시료 분석용 칩(1000)이 발생하는 원심력에 의해 투입 채널(281)의 복수의 출구 부분에 수집 챔버(272)로부터 물질이 유입되는 입구에서 제1 방향을 향해 물질이 순차적으로 유입될 수 있다.
연결 채널(282)은 투입 채널(281)의 복수의 출구에서 복수의 검출 챔버(280)로 각각 연장되어, 시료를 분석하기 위해 제2 회전속도를 가지며 제1 방향으로 회전할 때 투입 채널(281)에서 검출 챔버(282)로 향하는 분석 대상 물질이 통과하는 부분이다. 여기서 제2 회전속도는 5000 RPM일 수 있다. 투입 채널(281)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하며 투입 채널(281)의 출구의 폭보다 좁게 형성된다. 여기서 제2 회전속도는 5000 RPM일 수 있다. 따라서, 상기 제1 회전속도보다 빠른 제2 회전속도로 시료 분석용 칩(1000)이 회전할 때 물질이 반경 방향 외측으로 받는 원심력이 검출 챔버(280)로부터 반경 방향 내측으로 가해지는 모세관 힘보다 크게 되어 투입 채널(281)의 복수의 출구 각각에 수용된 물질이 검출 챔버(280)에 유입될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 연결 채널(282a, 282b, 282c, 282d, 282e, 282f, 282g, 282h, 282i, 282j, 282k, 282l, 282m, 282n, 282o, 282p, 282q, 282r, 282s, 282t)의 길이는 수집 챔버(272)에 대해 멀리 있는 연결채널일수록 짧다. 이는, 원주 방향으로 갈수록 위치하는 투입 채널(281)의 출구에 수용된 물질에 가해지는 원심력이 감소하므로, 감소된 원심력으로도 검출 챔버(280)에 유입될 수 있도록 하기 위함이다.
검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)는 챔버 형태로서, 연결 채널(282)보다 시료 분석용 칩(1000)의 반경 방향으로 외측에 위치하는 부분이다. 각각의 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)에는 서로 상이한 프라이머(primer)가 구비된다. 따라서, 각각의 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)에 유입된 분석 대상 물질은 프라이머와 무반응 또는 반응하여 제2 용리액에 포함된 지시약의 변색을 관찰함으로써, 시료 내 함유된 분석 대상 물질의 분석이 이루어질 수 있다.
2. 시료 분석용 디바이스
도 6을 참조하여, 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 디바이스(2000)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 디바이스(2000)는 하부 부재(310), 상부 부재(320) 및 구동 모터(330)를 포함한다.
하부 부재(310)의 상면에는 온도 조절부(311)가 구비된다. 온도 조절부(311)는 시료 분석용 칩(1000)의 검출 챔버(280)에 유입된 분석 대상 물질의 유전자 증폭 공정에 필요한 온도를 제공하는 부분이다. 온도 조절부(311)의 중심에는 온도 조절부(311)로부터 위를 향해 연장되는 기둥(312)이 형성된다. 통공(H)은 기둥(312)과 결합하여 후술하는 구동 모터(330)에 의한 시료 분석용 칩(1000) 회전 시, 회전축으로 작용하게 된다.
상부 부재(320)는 하부 부재(310)에 대해 상하이동 가능하도록 하부 부재(310)의 위에 장착되는 부분이다. 상부 부재(320)의 내부에는 시료 분석용 칩(1000)이 수용된다. 상부 부재(320)에 수용된 시료 분석용 칩(1000)이 온도 조절부(311)와 맞닿을 때까지 상부 부재(320)가 하부 부재(310)에 대해 상하이동하게 된다.
구동 모터(330)는 하부 부재(310)의 아래에 장착되어 온도 조절부(311)에 안착된 시료 분석용 칩(1000)을 회전시키는 부분이다. 구동 모터(330)에 의해 시료 분석용 칩(1000)이 회전함으로써, 시료의 전처리, 증폭 및 검출이 이루어질 수 있다.
3. 카트리지
도 7 및 도 8을 참조하여 본 출원의 실시예에 따른 카트리지(3000)에 대해 구체적으로 설명한다.
본 출원의 실시예에 따른 카트리지(3000)는 전술한 시료 분석용 칩(1000)에 장착되어, 시료 분석용 칩(1000)의 시료 저장부(210), 세척액 저장부(230), 제1 용리액 저장부(250) 및 제2 용리액 저장부(260) 중 적어도 하나의 저장부에 용액을 주입하는 부분이다.
도 7을 참조하면, 본 출원의 실시예에 따른 카트리지(3000)는 제1 용액 저장부(410), 제2 용액 저장부(420), 제3 용액 저장부(430) 및 제4 용액 저장부(440)를 포함한다.
제1 용액 저장부(410)에는 시료 내에 함유된 분석 대상 물질의 용출을 위한 용해 완충액(Lysis Buffer Solution)이 저장된다. 제1 용액 저장부(410)는 시료 분석용 칩(1000)의 시료 저장부(210)에 삽입될 수 있도록 일면으로부터 돌출되는 제1 주입구(411)를 가진다. 제1 주입구(411)는 시료 저장부(210)에 분리 가능하게 삽입될 수 있다. 제1 주입구(411)는 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 제1 주입구(411)를 통해 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 제1 용액 저장부(410)와 연통되는 것이 바람직하다. 이로써, 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 도 8에 도시된 것처럼 원심력이 내부에 저장된 용액에 온전히 가해질 수 있으므로, 용액이 내부에서 외부로 배출되지 않고 남아있는 소위 데드 스페이스(Dead Space)현상을 방지할 수 있다. 제1 주입구(411)에는 제1 용액 저장부(410)에 저장된 용액이 배출될 수 있도록 제1 주입홈(411a)이 관통 형성된다. 시료 분석용 칩(1000) 회전 시, 제1 용액 저장부(410)에 저장된 용액이 제1 주입홈(411a)을 통해 외부로 배출된다.
제2 용액 저장부(420)에는 포획 수단(223)에 포획된 물질에서 분석 대상 물질을 제외한 나머지 성분을 포획 수단(223)으로부터 세척하여 제거하는 세척액이 저장된다. 제2 용액 저장부(420)는 시료 분석용 칩(1000)의 세척액 저장부(230)에 삽입될 수 있도록 일면으로부터 돌출되는 제2 주입구(421)를 가진다. 제2 주입구(421)는 세척액 저장부(230)에 분리 가능하게 삽입될 수 있다. 제2 주입구(421)는 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 제2 주입구(421)를 통해 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 제2 용액 저장부(420)와 연통되는 것이 바람직하다 이로써, 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 도 8에 도시된 것처럼 원심력이 내부에 저장된 용액에 온전히 가해질 수 있으므로, 용액이 내부에서 외부로 배출되지 않고 남아있는 소위 데드 스페이스(Dead Space)현상을 방지할 수 있다. 제2 주입구(421)에는 제2 용액 저장부(420)에 저장된 용액이 배출될 수 있도록 제2 주입홈(421a)이 관통 형성된다. 시료 분석용 칩(1000) 회전 시, 제2 용액 저장부(420)에 저장된 용액이 제2 주입홈(421a)을 통해 외부로 배출된다.
제3 용액 저장부(430)에는 포획 수단(233)에 흡착된 분석 대상 물질의 분리를 위한 제1 용리액이 저장된다. 제3 용액 저장부(430)는 시료 분석용 칩(1000)의 제1 용리액 저장부(250)에 삽입될 수 있도록 일면으로부터 돌출되는 제3 주입구(431)를 가진다. 제3 주입구(431)는 제1 용리액 저장부(250)에 분리 가능하게 삽입될 수 있다. 제3 주입구(431)는 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 제3 주입구(431)를 통해 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 제3 용액 저장부(430)와 연통되는 것이 바람직하다 이로써, 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 도 8에 도시된 것처럼 원심력이 내부에 저장된 용액에 온전히 가해질 수 있으므로, 용액이 내부에서 외부로 배출되지 않고 남아있는 소위 데드 스페이스(Dead Space)현상을 방지할 수 있다. 제3 주입구(431)에는 제3 용액 저장부(430)에 저장된 용액이 배출될 수 있도록 제3 주입홈(431a)이 관통 형성된다. 시료 분석용 칩(1000) 회전 시, 제3 용액 저장부(430)에 저장된 용액이 제3 주입홈(431a)을 통해 외부로 배출된다.
제4 용액 저장부(440)에는 분석 대상 물질의 유전자 증폭에 필요한 효소와, 지시약을 포함하는 제2 용리액이 저장된다. 제4 용액 저장부(440)는 시료 분석용 칩(1000)의 제2 용리액 저장부(260)에 삽입될 수 있도록 일면으로부터 돌출되는 제4 주입구(441)를 가진다. 제4 주입구(441)는 제2 용리액 저장부(260)에 분리 가능하게 삽입될 수 있다. 제4 주입구(441)는 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 제4 주입구(441)를 통해 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 제4 용액 저장부(440)와 연통되는 것이 바람직하다 이로써, 시료 분석용 칩(1000) 회전 시 도 8에 도시된 것처럼 원심력이 내부에 저장된 용액에 온전히 가해질 수 있으므로, 용액이 내부에서 외부로 배출되지 않고 남아있는 소위 데드 스페이스(Dead Space)현상을 방지할 수 있다. 제4 주입구(441)에는 제4 용액 저장부(440)에 저장된 용액이 배출될 수 있도록 제4 주입홈(441a)이 관통 형성된다. 시료 분석용 칩(1000) 회전 시, 제4 용액 저장부(440)에 저장된 용액이 제4 주입홈(441a)을 통해 외부로 배출된다.
4. 검증 실험 1
본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000), 시료 분석용 디바이스(2000) 및 카트리지(3000)를 이용하여 진단의 우수성을 검증하기 위해 실험을 실시하였다. 후술하는 검증 실험들에서는 등온 증폭 반응(Isothermal Amplification Reaction)을 이용하여 유전자 증폭을 수행하였다.
먼저, 우유(milk) 속에 포함된 E.coli O157:H7 균을 검출하기 위해 실험을 실시하였다. 시료는 25μL의 우유를 이용하였고, 시료 내에 함유된 E.coli O157:H 의 농도는 4x103cells/μL이었다.
먼저, 카트리지(3000)의 제1 용액 저장부(410)에 저장된 75μL의 용해 완충액(Lysis Buffer Solution)에 준비된 시료를 로딩하고, 용해 완충액에 1분 간 E.coli O157:H7 균을 용해시켰다.
그리고, 카트리지(3000)의 각각의 주입구(411, 421, 431, 441)이 시료 분석용 칩(1000)의 각각의 저장부(210, 230, 250, 260)에 삽입되도록 하여 장착시켰다. 카트리지(3000)가 시료 분석용 칩(1000)에 장착되어 카트리지(3000)의 각각의 용액 저장부에서 용액이 시료 분석용 칩의 각각의 저장부(210, 230, 250, 260)에 주입되었다. 도 13a는 카트리지(3000) 장착 후 용액이 각각의 저장부(210, 230, 250, 260)에 주입된 모습을 나타낸 도면이다.
다음, 도 13b에 도시된 것처럼 반시계 방향으로 5000 RPM(ω0)의 회전 속도로 시료 분석용 칩(1000)을 회전시켰다. 시료 저장부(210)에 저장된 시료가 포획 통로(220)에 유입되었고, 포획 통로(220)의 포획 수단(223)에 흡착된 분석 대상 물질을 제외한 나머지 불필요한 물질이 연결 챔버(270)와 연결 채널(273)을 통해 폐기액 챔버(271)로 유입되었다.
다음, 도 13c에 도시된 것처럼 세척액 저장부(230)에 저장된 세척액이 지연부(240)를 통과하여 포획 통로(220)에 유입되었고, 포획 수단(223)에 포획된 물질에서 분석 대상 물질을 제외한 나머지 성분을 포획 수단(223)으로부터 세척하여 역시, 연결 챔버(270)와 연결 채널(273)을 통해 폐기액 챔버(271)로 유입되었다.
다음, 도 13d에 도시된 것처럼 시료 분석용 칩(1000)의 회전을 정지(ω1)시켰다. 시료 분석용 칩(1000)의 회전을 정지시키면 용액에 가해지는 원심력이 제거되기 때문에 모세관 힘에 의해 제1 용리액 저장부(250)와 제2 용리액 저장부(260)에 저장된 제1 용리액과 제2 용리액이 제1 용리액 도입 통로(253)와 제2 용리액 도입 통로(263)를 통과하였다.
다음, 도 13e에 도시된 것처럼 시계 방향으로 5000 RPM(ω2)의 회전 속도로 시료 분석용 칩(1000)을 회전시켰다. 제1 용리액은 포획 통로(220)로 유입되어 포획 수단(223)에 흡착된 물질을 포획 수단(223)으로부터 분리시켜 연결 챔버(270)를 통해 수집 챔버(272)로 유입되었고, 제2 용리액은 연결 챔버(270)를 통해 수집 챔버(272)로 유입되었다.
다음, 도 13f에 도시된 것처럼 시료 분석용 칩(1000)의 회전을 정지(ω1)시켰다. 시료 분석용 칩(1000)의 회전을 정지시키면 용액에 가해지는 원심력이 제거되기 때문에 모세관 힘에 의해 수집 챔버(272)에 저장된 물질이 검출 챔버 도입 통로(276)를 통과하였다.
다음, 도 13g에 도시된 것처럼, 시계 방향으로 1000 RPM(ω3)의 회전 속도로 시료 분석용 칩(1000)을 회전시켰다. 검출 챔버 도입 통로(276)를 통과한 물질이 투입 채널(281)에 유입되었고, 시료 분석용 칩(1000) 회전에 따라 투입 채널(281)에 유입된 물질이 시계 방향으로 원주 방향을 따라 연장된 투입 채널(281)의 복수의 출구에 유입되었다.
다음, 도 13h에 도시된 것처럼, 시계 방향으로 5000 RPM(ω2)의 회전 속도로 시료 분석용 칩(1000)을 회전시켰다. 투입 채널(281)의 복수의 출구에 저장된 물질이 출구보다 좁은 폭을 갖는 복수의 연결 채널(282)을 통과하여 각각의 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)에 유입된 것을 확인할 수 있었다.
다음, 온도 조절부(311)를 통해 63˚C의 온도로 1시간 동안 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d, 280e, 280f, 280g, 280h, 280i, 280j, 280k, 280l, 280m, 280n, 280o, 280p, 280q, 280r, 280s, 280t)를 가열하였다. 이 때, 유전자 증폭 과정이 진행되는 경우 도 13i에 도시된 것처럼 제2 용리액에 포함된 EBT 지시약의 변색(보라색->파란색)이 일어난다.
복수의 검출 챔버 중 제1 내지 제4 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d)에는 E.coli O157:H 프라이머가 저장되어 있었고, 제6 내지 제9 검출 챔버(280f, 280g, 280h, 280i)에는 Salmonella Typhimurium 프라이머가 저장되어 있었으며, 제11 내지 제14 검출 챔버(280k, 280l, 280m, 280n)에는 Vibrio parahaemolyticus 프라이머가 저장되어 있었고, 제16 내지 제19 검출 챔버(280p, 280q, 280r, 280s)에는 Listeria monocytogenes 프라이머가 저장되어 있었다. 제5, 10, 15 및 20 검출 챔버(280d, 280i, 280o, 280t)에는 프라이머가 저장되어 있지 않았다.
실험 결과, 도 10에 도시된 것처럼 제1 내지 제4 검출 챔버(280a, 280b, 280c, 280d)의 색만 파란색으로 변색한 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000), 시료 분석용 디바이스(2000) 및 카트리지(3000)를 이용하여 특이 병원균의 진단을 정확하고 간편하게 수행할 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다.
5. 검증 실험 2
본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000), 시료 분석용 디바이스(2000) 및 카트리지(3000)를 이용하여 동시에 여러 병원균의 진단이 가능한지 알아보기 위해 실험을 실시하였다.
실험과정은 전술한 4. 검증 실험 1과 동일하게 적용하였으며, 시료만을 (1) 25μL 우유 : E.coli O157:H7 균과 S.Typhimurium 균이 각각 4x103cells/μL 농도로 존재 (2) 25μL 우유 : E.coli O157:H7 균, S.Typhimurium 균 및 V.parahaemolyticus 균이 각각 4x103cells/μL 농도로 존재 (3) 25μL 우유 : E.coli O157:H7 균, S.Typhimurium 균, V.parahaemolyticus 균 및 L.monocytogenes 균이 각각 4x103cells/μL 농도로 존재로 변경하여 실험을 수행하였다.
실험 결과, 도 11에 도시된 것처럼 시료 내에 포함된 병원균의 종류가 늘어나더라도 각각의 병원균에 대해 진단이 가능함을 확인할 수 있었다.
6. 검증 실험 3
본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000), 시료 분석용 디바이스(2000) 및 카트리지(3000)를 이용하여 병원균의 검출한계(Limit Of Detection, LOD)를 확인하기 위해 실험을 실시하였다.
실험과정은 전술한 4. 검증 실험 1과 동일하게 적용하였으며, 시료만을 E.coli O157:H7 균, S.Typhimurium 균, V.parahaemolyticus 균 및 L.monocytogenes 균을 모두 포함하는 25μL 용량의 우유를 이용하고 (1) 시료 내에 포함된 병원균이 104cells (2) 시료 내에 포함된 병원균이 103cells (3) 시료 내에 포함된 병원균이 102cells, 총 3가지의 시료를 이용하여 실험을 실시하였다.
실험 결과, 도 12에 도시된 것처럼 시료가 병원균을 100cells만을 포함하여도 병원균에 대한 진단이 가능함을 확인할 수 있었다.
즉, 본 출원의 실시예에 따른 시료 분석용 칩(1000), 시료 분석용 디바이스(2000) 및 카트리지(3000)를 이용한 병원균의 검출한계(Limit Of Detection, LOD)는 102 cells임을 확인할 수 있었다.
이상, 본 명세서에는 본 출원을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 출원의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 출원의 보호범위는 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
(부호의 설명)
100: 몸체
200a, 200b: 통합 공정부
210: 시료 저장부
211: 시료 주입공
220: 포획 통로
221: 입구
222: 출구
223: 포획 수단
230: 세척액 저장부
231: 세척액 주입공
240: 지연부
241: 유입 채널
241a: 제3 통로
241b: 제4 통로
242: 지연 챔버
242a: 입구
242b: 출구
243: 지연 채널
243a: 제1 통로
243b: 제2 통로
250: 제1 용리액 저장부
251: 제1 용리액 주입공
253: 제1 용리액 도입 통로
253a: 제5 통로
253b: 제6 통로
260: 제2 용리액 저장부
261: 제2 용리액 주입공
262: 출구
263: 제2 용리액 도입 통로
263a: 제7 통로
263b: 제8 통로
270: 연결 챔버
271: 폐기액 챔버
272: 수집 챔버
273: 연결 통로
275: 출구
276: 검출 챔버 도입 통로
276a: 제9 통로
276b: 제10 통로
280: 검출 챔버
281: 투입 채널
282: 연결 채널
310: 하부 부재
311: 온도 조절부
312: 기둥
320: 상부 부재
330: 구동 모터
410: 제1 용액 저장부
411: 제1 주입구
420: 제2 용액 저장부
421: 제2 주입구
430: 제3 용액 저장부
431: 제3 주입구
440: 제4 용액 저장부
441: 제4 주입구
1000: 시료 분석용 칩
2000: 시료 분석용 디바이스
3000: 카트리지
H: 통공
S: 시료
W: 세척액
E1: 제1 용리액
E2: 제2 용리액

Claims (27)

  1. 시료 저장부;
    시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하는 포획 통로;
    상기 포획 통로와 연통하는 세척액 저장부; 및
    상기 포획 통로와 상기 세척액 저장부 사이에 구비되어 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 통과하는 지연부;를 포함하고,
    시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 지연부는 세척액이 시료보다 나중에 상기 포획 통로에 도달하도록 상기 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키도록 구성되는,
    시료 분석용 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료 저장부는 상기 포획 통로보다 반경 방향 내측에 위치하는,
    시료 분석용 칩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 세척액 저장부는 상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 내측에 위치하는,
    시료 분석용 칩.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지연부는,
    상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 저장될 수 있는 지연 챔버; 및
    상기 지연 챔버와 상기 포획 통로 사이에 구비되어 상기 지연 챔버에 저장된 세척액이 기결정된 양 이상인 경우에 상기 포획 통로로 배출되도록 하는 지연 채널;을 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 지연 챔버의 반경 방향 최외측에는 출구가 구비되고, 상기 지연 채널은 상기 지연 챔버의 출구에 연결되는,
    시료 분석용 칩.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 지연 채널은,
    상기 지연 챔버의 출구에서 반경 방향 내측을 향해 연장되는 제1 통로; 및
    상기 제1 통로의 끝에서 반경 방향 외측을 향해 연장되는 제2 통로;를 포함하고,
    상기 기결정된 양은 상기 지연 챔버에 저장되는 세척액의 높이가 상기 제1 통로의 길이와 일치되었을 때의 양인,
    시료 분석용 칩.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 지연부는,
    상기 세척액 저장부와 상기 지연 챔버 사이에 구비되어, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 세척액 저장부에 저장된 세척액을 상기 지연 챔버에 유입되도록 구성된 유입 채널;을 더 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유입 채널은,
    상기 지연 챔버의 폭 방향과 나란한 방향으로 상기 지연 챔버에서 멀어지게 연장되는 제3 통로; 및
    상기 제3 통로의 끝에서 상기 제3 통로와 나란한 방향으로 상기 지연 챔버에 가까워지게 연장되는 제4 통로;를 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 내측에 위치하고, 상기 포획 통로와 연통하며, 내부에 상기 포획 통로에 포획된 분석 대상 물질을 분리하기 위한 제1 용리액이 저장된 제1 용리액 저장부; 및
    상기 시료 저장부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 내부에 상기 분석 대상 물질의 검출을 위한 제2 용리액이 저장된 제2 용리액 저장부;를 더 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 포획 통로와 상기 제2 용리액 저장부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 상기 포획 통로의 출구와 상기 제2 용리액 저장부에 연통하는 연결 챔버;
    상기 연결 챔버보다 반경 방향으로 외측에 위치하도록 상기 연결 챔버와 연통하며, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 포획 통로에 포획되지 않은 시료와 상기 포획 통로를 통과한 세척액이 저장되는 폐기액 챔버; 및
    상기 연결 챔버보다 반경 방향으로 외측에 위치하도록 상기 연결 챔버와 연통하며, 상기 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 제1 용리액에 의해 분리된 분석 대상 물질, 상기 포획 통로를 통과한 제1 용리액 및 상기 제2 용리액이 저장되는 수집 챔버;를 더 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 시료 저장부, 상기 세척액 저장부, 상기 제1 용리액 저장부 및 상기 제2 용리액 저장부 각각에는 용액 주입을 위한 주입공이 형성된,
    시료 분석용 칩.
  12. 시료 저장부;
    시료에 함유된 분석 대상 물질의 포획, 세척 및 분리를 포함하는 전처리 과정이 수행될 수 있도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하도록 구성되는 전처리부; 및
    상기 전처리부보다 반경 방향으로 외측에 위치하고, 상기 전처리부에 의해 전처리된 분석 대상 물질이 유입되도록 구성되며, 내부에 상기 분석 대상 물질의 검출을 위한 서로 상이한 프라이머가 각각 저장된 복수의 검출 챔버;를 포함하는,
    시료 분석용 칩.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 검출 챔버보다 반경 방향 내측에 위치하며, 상기 시료를 분석하기 위해 제1 회전 속도를 가지며 제1 방향으로 회전할 때, 상기 전처리부에서 전처리된 분석 대상 물질이 투입되는 투입 채널; 및
    상기 투입 채널의 복수의 출구에서 상기 복수의 검출 챔버로 각각 연장되어, 상기 시료를 분석하기 위해 제2 회전속도를 가지며 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 투입 채널에서 검출 챔버로 향하는 분석 대상 물질이 통과하는 복수의 연결 채널;을 더 포함하고,
    상기 투입 채널은, 상기 전처리부로부터 분석 대상 물질이 유입되는 입구에서 상기 제1 방향을 향해 연장되는,
    시료 분석용 칩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 회전 속도를 가지며 상기 제1 방향으로 회전할 때, 상기 검출 챔버로 분석 대상 물질을 투입하기 위해, 상기 복수의 연결 채널 중 적어도 하나의 연결 채널의 폭은 대응하는 상기 투입 채널의 출구의 폭보다 좁은,
    시료 분석용 칩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 연결 채널은, 상기 전처리부에 대해 멀리 있는 연결 채널일수록 길이가 더 짧은
    시료 분석용 칩.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제2 회전 속도는 상기 제1 회전 속도보다 빠른,
    시료 분석용 칩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 시료 분석용 칩의 중심에는 시료를 분석하기 위해 회전할 때, 회전축에 대응하는 통공이 형성되며,
    상기 복수의 검출 챔버 중 적어도 두 개의 검출 챔버와 상기 통공 사이의 거리는 동일하고,
    상기 복수의 연결 채널은 상기 전처리부에 대해 멀리 있는 연결 채널일수록 길이가 더 짧은,
    시료 분석용 칩.
  18. 시료 분석용 칩;
    상기 시료 분석용 칩이 안착되며, 상면에 온도 조절부가 구비된 하부 부재;
    상기 하부 부재에 대해 상하이동 가능하도록 상기 하부 부재 위에 장착되는 상부 부재; 및
    상기 하부 부재 아래에 장착되어 상기 시료 분석용 칩을 회전시키는 구동 모터;를 포함하고,
    상기 시료 분석용 칩은,
    시료 저장부;
    시료에 함유된 분석 대상 물질을 포획하도록 구성되고, 상기 시료 저장부와 연통하는 포획 통로;
    상기 포획 통로와 연통하는 세척액 저장부; 및
    상기 포획 통로와 상기 세척액 저장부 사이에 구비되어 상기 세척액 저장부에서 상기 포획 통로로 향하는 세척액이 통과하는 지연부;를 포함하고,
    시료를 분석하기 위해 회전할 때, 상기 지연부는 세척액이 시료보다 나중에 상기 포획 통로에 도달하도록 상기 세척액 저장부에서 유입되는 세척액의 통과를 지연시키도록 구성되는,
    시료 분석용 디바이스.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 시료 분석용 칩의 중심에는 회전축에 대응하는 통공이 형성되며,
    상기 통공은, 상기 하부 부재의 온도 조절부로부터 위로 연장되는 기둥에 결합되어 상기 시료 분석용 칩이 회전할 때 회전축으로 작용하는,
    시료 분석용 디바이스.
  20. 시료 분석용 칩에 장착되며, 상기 시료 분석용 칩의 시료 저장부, 제1 용리액 저장부, 제2 용리액 저장부 및 세척액 저장부 중 적어도 하나에 삽입되어 대응되는 용액을 주입하기 위한 적어도 하나의 주입구를 포함하는,
    카트리지.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주입구는 분리 가능하게 삽입되는,
    카트리지.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주입구와 각각 연통하고, 대응되는 용액을 저장하기 위한 적어도 하나의 용액 저장부를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 주입구는, 상기 시료 분석용 칩이 회전 시 상기 적어도 하나의 주입구를 통해 대응되는 용액이 주입될 수 있도록 회전축에서 가장 먼 위치에서 적어도 하나의 용액 저장부와 연통되는,
    카트리지.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 용액 저장부는,
    상기 시료 저장부에 삽입될 수 있는 제1 주입구가 구비되며, 시료 내에 함유된 분석 대상 물질의 용출을 위한 용해 완충액(Lysis Buffer Solution)이 저장된 제1 용액 저장부; 및
    상기 세척액 저장부에 삽입될 수 있는 제2 주입구가 구비되며, 세척액이 저장된 제2 용액 저장부;를 포함하는,
    카트리지.
  24. 제23항에 있어서,
    제1 용리액 저장부에 삽입될 수 있는 제3 주입구가 구비되며, 제1 용리액이 저장된 제3 용액 저장부; 및
    제2 용리액 저장부에 삽입될 수 있는 제3 주입구가 구비되며, 제2 용리액이 저장된 제4 용액 저장부;를 더 포함하는,
    카트리지.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 주입구는, 상기 시료 저장부에 형성된 시료 주입공, 상기 세척액 저장부에 형성된 세척액 주입공, 상기 제1 용리액 저장부에 형성된 제1 용리액 주입공 및 상기 제2 용리액 저장부에 형성된 제2 용리액 주입공에 각각 분리 가능하게 삽입되는,
    카트리지.
  26. 제20항에 있어서,
    상기 카트리지는 3D 프린트 공법으로 제작되는 것을 특징으로 하는,
    카트리지.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 카트리지는 일회용 플라스틱 재질로 제작되는,
    카트리지.
PCT/KR2018/009807 2017-08-24 2018-08-24 시료 분석용 칩, 이를 포함하는 시료 분석용 디바이스, 그리고 시료 분석용 칩에 장착되는 카트리지 WO2019039911A2 (ko)

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