WO2021215783A1 - 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서 - Google Patents

유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서 Download PDF

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WO2021215783A1
WO2021215783A1 PCT/KR2021/004925 KR2021004925W WO2021215783A1 WO 2021215783 A1 WO2021215783 A1 WO 2021215783A1 KR 2021004925 W KR2021004925 W KR 2021004925W WO 2021215783 A1 WO2021215783 A1 WO 2021215783A1
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fluid
membrane
channel
storage case
biosensor
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PCT/KR2021/004925
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황현두
최재규
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주식회사 비비비
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    • B01L2300/041—Connecting closures to device or container
    • B01L2300/044—Connecting closures to device or container pierceable, e.g. films, membranes

Definitions

  • the present invention relates to a biosensor capable of easily introducing a fluid into a channel, and more particularly, to a biosensor capable of easily introducing a fluid in a fluid chamber into a channel to react with a sample.
  • POCT point-of-care
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0033110 (2013.04.03)
  • an object of the present invention is to provide a biosensor capable of easily introducing a fluid in a fluid chamber into a channel to react with a sample.
  • a fluid storage case in which the fluid is stored; a first membrane to which external pressure is applied; a second membrane torn when the external pressure is applied to the first region of the first membrane and through which the fluid stored in the fluid storage case passes; a channel through which the fluid stored in the fluid storage case flows when the second membrane is torn; and a substrate forming a lower end of the channel, wherein the fluid stored in the fluid storage case moves to the channel through the second membrane by applying pressure to the second region of the first membrane.
  • a biosensor with easy channel inflow.
  • it further includes a fluid pressure unit formed to press the second region of the first membrane, and the amount of fluid passing through the second membrane is controlled according to the length or area of the fluid pressure unit. It is preferable to be
  • the distance between the first membrane and the second membrane is configured to be smaller than the inner depth of the fluid storage case, so that the fluid in the fluid chamber can easily flow into the channel.
  • the fluid in the fluid chamber can be easily introduced into the channel to react with the sample.
  • the fluid introduced into the channel may flow in one direction to react with the sample.
  • FIG. 1 is a block diagram of a biosensor that facilitates channel inflow of a fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of a biosensor that facilitates channel inflow of a fluid according to another preferred embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a portion of the upper surface of the biosensor, which facilitates the inflow of a fluid into a channel, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 4 shows another internal structure of the fluid chamber 14 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a protrusion formed on a substrate in the biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the actual appearance of the membrane pressure unit 11 and the fluid pressure unit 12 of the biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing an actual state in which the second membrane 21 of the biosensor is torn according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 illustrates a state in which a fluid flows into the channel 30 through the second membrane 21 of the biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a biosensor in which a fluid can easily flow into a channel, wherein the fluid storage case in which the fluid is stored, the first membrane to which external pressure is applied, and the first area of the first membrane are torn when the external pressure is applied, a second membrane through which the fluid stored in the fluid storage case passes, a channel through which the fluid stored in the fluid storage case flows when the second membrane is torn, and a substrate forming a lower end of the channel, 1 It is characterized in that the fluid stored in the fluid storage case moves to the channel through the second membrane by applying pressure to the second region of the membrane, and the fluid in the fluid chamber easily flows into the channel to react with the sample. can do.
  • Terms including an ordinal number such as second, first, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
  • the biosensor in the present specification includes a target material included in a sample and a fluid (reagent or buffer solution) that can induce a specific reaction, and is involved in converting this reaction into an electrical or optical signal, It is preferable that the device is manufactured to detect the presence or absence of a target material.
  • FIG. 1 is a block diagram of a biosensor that facilitates channel inflow of a fluid according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the biosensor according to the present embodiment includes a first membrane 10 , a fluid storage case 20 , a second membrane 21 , a channel 30 , and a substrate 40 . .
  • FIG. 1 ( a ) shows a state in which the fluid is stored in the fluid chamber 14 of the fluid storage case 20 . Fluid is contained in the fluid chamber 14 by the first membrane 10 and the second membrane 21 which are impermeable membranes.
  • FIG. 1( b ) shows that when the pressure bar 100 presses the corresponding region of the first membrane 10 directly above the second membrane 21 , the first membrane 10 is bent downward, and the second membrane (21) shows the torn state.
  • FIG. 1( c ) shows that when the pressure bar 100 presses another area of the first membrane 10 that is a certain distance away from the area directly above the second membrane 21 , it is stored in the fluid storage case 20 . It shows that the fluid flows in both directions of the channel 30 through the hole 22 connected to the torn second membrane 21 .
  • the first membrane 10 is a flexible and elastic impermeable membrane, and preferably has impermeable properties to fluids and gases.
  • the first membrane 10 may be made of silicone or urethane.
  • the first membrane 10 is attached to cover the upper end of the fluid storage case 20 to seal the fluid storage case 20 so that the fluid stored in the fluid storage case 20 does not flow to the outside.
  • one first membrane 10 is shown to cover the upper end of the fluid storage case 20 , but at least two or more first membranes 10 may cover the upper end of the fluid storage case 20 .
  • the fluid stored in the fluid storage case 20 is preferably a blood washing, measurement, and reaction fluid sample.
  • the fluid may be a reagent, a buffer solution, or the like.
  • the fluid storage case 20 is made of an impermeable material to contain the fluid in the fluid chamber 14 .
  • the impermeable material is preferably PC (PolyCarbonate), PMMA (Poly Methyl Methacrylate), and COC (Cyclic Olefin Copolymer).
  • PC PolyCarbonate
  • PMMA Poly Methyl Methacrylate
  • COC Cyclic Olefin Copolymer
  • COC has excellent mechanical strength, heat resistance, chemical resistance, and optical properties, and is a material that can be mass-produced using injection molding equipment.
  • one fluid chamber 14 is shown in the fluid storage case 20 shown in FIG. 1
  • at least two fluid chambers 14 may be formed in the fluid storage case 20 .
  • One hole 22 may be formed for each fluid chamber 140 in the hole 22 formed in the lower portion of the fluid chamber 14 , and two or more holes 22 may be formed in one fluid chamber 140 . It is also possible to be
  • the second membrane 21 is a membrane sealing the hole 22 formed in the lower portion of the fluid storage case 20 .
  • the second membrane 21 is not flexible and is an impermeable membrane that can be torn, and preferably has impermeable properties to fluids and gases.
  • the second membrane 21 is preferably made of aluminum foil.
  • the pressure bar 100 presses the area of the first membrane 10 separated from the area directly above the second membrane 21 by a certain distance, the fluid stored in the fluid storage case 20 is torn in the second It flows into the channel 30 through the hole 22 connected to the membrane 21 .
  • the channel 30 is a passage through which the fluid formed by the lower portion of the fluid storage case 20 and the upper portion of the substrate 40 flows.
  • the channel 30 serves to provide a space for reacting with the reagent while the sample input from the sample inlet formed at one end moves to the other end.
  • FIG. 2 is a block diagram of a biosensor that facilitates channel inflow of a fluid according to another preferred embodiment of the present invention.
  • the biosensor according to the present embodiment includes a first membrane 10 ′, a membrane pressure unit 11 , a fluid pressure unit 12 , a third membrane 13 , a fluid storage case 20 , and a second membrane 21 , a channel 30 , and a substrate 40 .
  • FIG. 2( a ) shows a state in which the fluid is stored in the fluid chamber 14 of the fluid storage case 20 .
  • a fluid is contained in the fluid chamber 14 by the first membrane 10 ′ and the second membrane 21 , which are impermeable membranes.
  • a third membrane 13 as a permeable membrane is additionally disposed on the first membrane 10 ′ as an impermeable membrane.
  • the first membrane 10' is an impermeable membrane that is not flexible and has low elasticity, and preferably has impermeability to fluids and gases.
  • the first membrane 10' is preferably made of aluminum foil.
  • the first membrane 10 ′ is attached to cover the upper end of the fluid storage case 20 to seal the fluid storage case 20 so that the fluid stored in the fluid storage case 20 does not flow to the outside.
  • the method of bonding the fluid storage case 20 and the first membrane 10' to each other may include thermal welding, ultrasonic welding, high-frequency welding, laser welding, solvent welding, double-sided adhesive tape, or adhesive.
  • the thermal fusion bonding is a heating process and a bonding process in which the fluid storage case 20 and the first membrane 10' are heated with a heat transfer plate, pressed together in a molten state, and then cooled to combine them together. can be configured.
  • Ultrasonic welding is performed by irradiating ultrasonic waves to the bonding site of the fluid storage case 20 and the first membrane 10', using heat generated by molecular vibrations to compress and cool the surface of the bonding area in a molten state to combine them together. will be.
  • the fluid stored in the fluid storage case 20 is preferably a blood washing, measurement, and reaction fluid sample.
  • the fluid may be a reagent, a buffer solution, or the like.
  • one fluid chamber 14 is shown in the fluid storage case 20 shown in FIG. 2
  • at least two or more fluid chambers 14 may be formed in the fluid storage case 20 .
  • One hole 22 may be formed for each fluid chamber 140 in the hole 22 formed in the lower portion of the fluid chamber 14 , and two or more holes 22 may be formed in one fluid chamber 140 . It is also possible to be
  • the second membrane 21 is a membrane sealing the hole 22 formed in the lower portion of the fluid storage case 20 .
  • the second membrane 21 is an impermeable membrane that is not flexible and can be torn, and preferably has impermeable properties to fluids and gases.
  • the second membrane 21 is preferably made of aluminum foil.
  • the first membrane 10 ′ of FIG. 2 is an impermeable membrane, it is different from the first membrane 10 of FIG. 1 in that it is not flexible and has low elasticity.
  • the first membrane 10 ′ is an impermeable membrane. It is preferred that the membrane be flexible and elastic. However, it is difficult to find an impervious, flexible and elastic material. Therefore, it is preferable to combine the flexible and elastic third membrane 13 with the first membrane 10 ′ even though it is permeable to configure it as shown in FIG. 2 .
  • the third membrane 13 is a flexible and elastic permeable membrane and may be made of a silicone material.
  • FIG. 2( b ) shows that when the pressure bar 100 presses the corresponding region 11 of the first membrane directly above the second membrane 21 , the first membrane 10 is bent downward, and the second membrane (21) shows the torn state.
  • Figure 2 (c) shows that when the pressure bar 100 presses the fluid pressure unit 12, the fluid stored in the fluid storage case 20 is channeled through the hole 22 connected to the torn second membrane 21. 30) shows the flow in both directions.
  • the fluid pressure unit 12 applies pressure to the fluid stored in the fluid chamber 14 and moves the fluid to the channel 30 through the second membrane 21 .
  • the channel 30 is a passage through which the fluid formed by the lower portion of the fluid storage case 20 and the upper portion of the substrate 40 flows.
  • FIG 3 is a view showing a portion of the upper surface of the biosensor, which facilitates the inflow of a fluid into a channel, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the membrane pressure unit 11 , the fluid pressure unit 12 , and the membrane exposed unit 15 are shown on the upper surface of the biosensor, and the channel 30 is formed below the upper surface. A sample is injected into the sample inlet so that blood flows through the channel 30 .
  • the sample injected into the sample inlet may be a material including a target material.
  • the sample may be a secretion secreted from a living body.
  • the sample may be blood, plasma, serum, saliva, urine, or the like.
  • the sample may be a substance obtained for research purposes.
  • the specimen may be a DNA sample or an RNA sample obtained at the scene of the incident, and may be a DNA sample, RNA sample, etc. extracted from animal cells and viruses.
  • the sample is injected through the sample inlet and flows through the channel 30 so that the sample comes into contact with the electrode 60 in the channel.
  • the second membrane 21 is torn, and the fluid stored in the fluid chamber 14 by applying pressure to the fluid pressure unit 12 is transferred to the second membrane. It may be introduced into the channel 30 through 21 .
  • the fluid introduced into the channel 30 may wash the sample in the channel 30 to form a uniform sample distribution, or may react with the sample to facilitate measurement.
  • the fluid stored in the fluid chamber 14 may not sufficiently flow into the channel 30 through the second membrane 21 .
  • the fluid pressure unit 12 is disposed on the upper end of the membrane exposed surface 15 to apply pressure to the first membrane 10 or the third membrane 13 below.
  • the fluid stored in the fluid chamber 14 decreases with the second membrane 21 . It flows rapidly into the channel 30 through the Accordingly, by increasing or decreasing the length L, the width W, or the area of the fluid pressure unit 12, the flow rate of the fluid channel can be adjusted.
  • the channel 30 serves as a movement passage for the sample and provides a space to react with the reagent, but has a relatively wide diameter compared to other spaces in the channel 30 to form a reaction chamber that is a space where the sample and the reagent react.
  • FIG 4 shows another internal structure of the fluid chamber 14 according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the depth from the first membrane 10 covering the fluid chamber 14 to the floor is denoted by D, and between the second membrane 21 and the first membrane 10 of the fluid chamber 14 . If the distance of is d, the relation D > d is satisfied.
  • the pressure bar 100 moves through the area of the first membrane 10 .
  • the second membrane 21 can be easily touched. That is, the smaller the distance between the second membrane 21 and the first membrane 10 is, the easier it is to tear the second membrane 21 using the pressure bar 100 .
  • FIG. 5 is a view showing a protrusion formed on a substrate in the biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a convex protrusion 50 is formed on the substrate 40, and the protrusion 50 rises from the substrate 40 into the channel 30 and comes into contact with the lower end of the fluid storage case 20, the channel ( 30) is blocked, so that the flow of the fluid introduced into the channel is guided in the direction in which the electrode 60 is located.
  • the protrusion 50 rises from the substrate 40 into the channel 30, it may be pushed up by external pressure, and when the fluid is sensed, the protrusion 50 may rise, or a separate driving unit may be provided. have.
  • a capture molecule capable of specifically binding to a target material may be fixed to one of the two electrodes, and the other electrode may be formed of an electrode material.
  • the biosensor is used to confirm the presence or absence of the target material based on a potential difference between the two electrodes.
  • the potential difference between the two electrodes may vary depending on whether the target material is bound to the capture molecule formed on the electrode.
  • FIG. 6 is a view showing the actual appearance of the membrane pressure unit 11 and the fluid pressure unit 12 of the biosensor according to an embodiment of the present invention.
  • a circular region corresponding to the membrane pressure unit 11 and a rectangular portion corresponding to the fluid pressure unit 12 may be identified.
  • FIG. 7 is a view showing an actual state in which the second membrane 21 of the biosensor is torn according to a preferred embodiment of the present invention, and is the state of FIG. 2(b).
  • FIG. 8 shows a state in which a fluid flows into the channel 30 through the second membrane 21 of the biosensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and is the state of FIG. 2(b).
  • a passage (two rows) connected to the channel 30 is visible at the upper end of the membrane pressure unit 11, whereas in FIG. As the fluid flows and the transparency is changed, it can be confirmed that the passage is not visible.

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Abstract

본 발명은 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서에 관한 것으로서 유체가 보관된 유체 보관 케이스, 외부 압력이 가해지는 제1 멤브레인, 상기 제1 멤브레인의 제1 영역에 상기 외부 압력이 가해지면 찢어지고, 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 통과하는 제2 멤브레인, 상기 제2 멤브레인이 찢어지면 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 흘러들어가는 채널, 및 상기 채널의 하단을 형성하는 기판을 포함하고, 상기 제1 멤브레인의 제2 영역에 압력을 가하여 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 상기 제2 멤브레인을 통해 상기 채널로 이동하는 것을 특징으로 하며, 유체 체임버 내의 유체를 용이하게 채널로 유입시켜 시료와 반응하도록 할 수 있다.

Description

유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서
본 발명은 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체 체임버 내의 유체를 용이하게 채널로 유입시켜 시료와 반응하도록 할 수 있는 바이오센서에 관한 것이다.
고령화 사회의 도래로 질병 예방 및 조기진단을 위한 현장검사(POCT)에 대한 요구가 증대되면서, 멤브레인(membrane)을 이용한 바이오 센서 및 미세유관(Micro fluidic channel)을 이용한 바이오센서 등 다양한 현장 진단키트가 상용화 되었고, 이러한 제품에 대한 수요 역시 급진적으로 증가하고 있다. 다만, 아직까지 대형병원 등 임상 분석실에서 사람에 의해 진행되는 ELISA 방식의 질병 진단 방법의 질병 진단 정확도 및 민감도에 비해 다양한 현장 진단키트의 질병 진단 정확도 및 민감도는 현저히 떨어지는 문제가 있다.
질병 진단 정확도 및 민감도가 떨어지는 원인 중 하나는 혈액분포가 불균질하여 검출 정확도를 저해하기 때문인데, 이는 별도의 외력을 제공하지 않고 모세관힘에 의해 시료 등의 이동 및 반응이 수행되는 바이오센서의 특성상 추가적이고 비용이 높은 기구 설계나, 사람의 세척(washing) 작업 없이는 혈액 분포를 균일하게 하기는 어려운 실정이다.
따라서 채널 내의 불필요한 혈액을 간단히 세척하여 검출 정확도를 향상시킬 필요가 있다. 또한, 혈액과 반응하는 시약을 채널 내로 공급할 때, 시약 공급속도를 제어하는 수단이 없어 혈액과 시약을 빠르게 반응시킬 수 있는 수단이 필요한 상황이다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0033110호 (2013.04.03)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유체 체임버 내의 유체를 용이하게 채널로 유입시켜 시료와 반응하도록 할 수 있는 바이오 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 유체가 보관된 유체 보관 케이스; 외부 압력이 가해지는 제1 멤브레인; 상기 제1 멤브레인의 제1 영역에 상기 외부 압력이 가해지면 찢어지고, 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 통과하는 제2 멤브레인; 상기 제2 멤브레인이 찢어지면 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 흘러들어가는 채널; 및 상기 채널의 하단을 형성하는 기판을 포함하고, 상기 제1 멤브레인의 제2 영역에 압력을 가하여 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 상기 제2 멤브레인을 통해 상기 채널로 이동하는 것을 특징으로 하는 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 상기 제1 멤브레인의 제2 영역을 누를 수 있도록 형성된 유체 압력부를 더 포함하고, 상기 유체 압력부의 길이 또는 면적에 따라 상기 제2 멤브레인을 통과하는 유체의 양이 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판에 볼록한 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부가 상기 채널 안으로 올라가게 되면, 상기 채널의 일단을 막아 상기 채널로 유입된 유체가 상기 일단으로 흐르는 것을 차단할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이의 거리가 상기 유체 보관 케이스의 내부 깊이 보다 작도록 구성하여 유체가 유체 체임버 내의 유체가 채널로 손쉽게 유입되도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유체 체임버 내의 유체를 용이하게 채널로 유입시켜 시료와 반응하도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 유체 체임버 내의 유체가 채널로 유입되는 속도를 제어할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따르면, 채널 내로 유입된 유체가 한 방향으로 흐르도록 하여 시료와 반응하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 상부면의 일부를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체 체임버(14)의 또 다른 내부 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서에 있어서, 기판에 돌출부가 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 멤브레인 압력부(11)와 유체 압력부(12)의 실제 모습을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 제2 멤브레인(21)이 찢어진 상태의 실제 모습을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 제2 멤브레인(21)으로 유체가 채널(30)로 흘러나가는 상태를 도시한 것이다.
본 발명은 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서에 관한 것으로서 유체가 보관된 유체 보관 케이스, 외부 압력이 가해지는 제1 멤브레인, 상기 제1 멤브레인의 제1 영역에 상기 외부 압력이 가해지면 찢어지고, 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 통과하는 제2 멤브레인, 상기 제2 멤브레인이 찢어지면 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 흘러들어가는 채널, 및 상기 채널의 하단을 형성하는 기판을 포함하고, 상기 제1 멤브레인의 제2 영역에 압력을 가하여 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 상기 제2 멤브레인을 통해 상기 채널로 이동하는 것을 특징으로 하며, 유체 체임버 내의 유체를 용이하게 채널로 유입시켜 시료와 반응하도록 할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시 예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서의 바이오 센서는, 시료 내에 포함된 타겟 물질과 특정 반응이 유도될 수 있는 유체(시약이나 버퍼액)를 포함하고, 이러한 반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환하는 데에 관여하여, 시료 내의 타겟 물질의 유무를 감지할 수 있도록 제작된 소자인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 바이오 센서는 제1 멤브레인(10), 유체 보관 케이스(20), 제2 멤브레인(21), 채널(30), 및 기판(40)을 포함하여 구성된다.
도 1을 참조하면, 도 1(a)는 유체 보관 케이스(20)의 유체 체임버(14)에 유체를 보관한 상태를 도시한 것이다. 불침투성 멤브레인인 제1 멤브레인(10)과 제2 멤브레인(21)에 의해 유체 체임버(14)에 유체가 보관된다.
도 1(b)는 압력 막대(100)가 제2 멤브레인(21)의 바로 위에 대응하는 제1 멤브레인(10)의 영역을 누르게 되면, 제1 멤브레인(10)이 아래로 휘어지고, 제2 멤브레인(21)이 찢어진 상태를 도시한 것이다.
도 1(c)는 압력 막대(100)가 제2 멤브레인(21)의 바로 위에 대응하는 영역으로부터 일정 거리 떨어진 제1 멤브레인(10)의 다른 영역을 누르게 되면, 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체가 찢어진 제2 멤브레인(21)과 연결된 홀(22)을 통해 채널(30)의 양방향으로 흐르는 것을 도시한 것이다.
제1 멤브레인(10)은 플렉서블하고 탄성이 있는 불침투성 멤브레인으로서, 유체와 기체에 대해 불침투성 성질을 갖는 것이 바람직하다. 제1 멤브레인(10)은 실리콘 또는 우레탄 등으로 이루어질 수 있다.
제1 멤브레인(10)은 유체 보관 케이스(20)의 상단을 덮도록 부착되어 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체가 외부로 흐르지 않도록 유체 보관 케이스(20)를 밀봉한다. 본 발명의 도면에서는 하나의 제1 멤브레인(10)이 유체 보관 케이스(20)의 상단을 덮도록 도시되어 있으나, 적어도 2개 이상의 제1 멤브레인(10)으로 유체 보관 케이스(20)의 상단을 덮을 수 있다.
유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체는 혈액 세척용(washing), 측정용(measurement), 반응용(reaction) 유체 샘플인 것이 바람직하다. 상기 유체는 시약, 버퍼액 등이 될 수 있다.
유체 보관 케이스(20)는 불침투성 재료로 이루어져 유체 체임버(14)에 유체를 보관한다. 불침투성 재료는 PC(PolyCarbonate), PMMA(Poly Methyl Methacrylate), 및 COC(Cyclic Olefin Copolymer) 등이 사용되는 것이 바람직하다. 특히 COC는 기계적 강도가 우수하고 내열성, 내화학성 및 광학적으로 우수한 특성이 있으며, 사출성형 장비를 이용하여 대량생산이 가능한 재료이다.
도 1에 도시된 유체 보관 케이스(20)는 유체 체임버(14)가 하나 도시되어 있으나, 유체 보관 케이스(20)내에 적어도 2개 이상의 유체 체임버(14)가 형성될 수 있다. 유체 체임버(14)의 하부에 형성된 홀(22)은 각 유체 체임버(140) 마다 한개의 홀(22)이 형성될 수도 있고, 하나의 유체 체임버(140)에 2개 이상의 홀(22)이 형성되는 것도 가능하다.
제2 멤브레인(21)은 유체 보관 케이스(20)의 하부에 형성된 홀(22)을 봉인하는 멤브레인이다. 제2 멤브레인(21)은 제1 멤브레인(10)과 달리 플렉서블하지 않고, 찢어질 수 있는 불침투성 멤브레인으로서, 유체와 기체에 대해 불침투성 성질을 갖는 것이 바람직하다. 제2 멤브레인(21)은 알루미늄 호일로 이루어지는 것이 바람직하다.
압력 막대(100)가 제2 멤브레인(21)의 바로 위에 대응하는 제1 멤브레인(10)의 영역을 누르게 되면, 제1 멤브레인(10)이 아래로 휘어지게 되고, 제2 멤브레인(21)이 찢어지게 된다.
한편, 압력 막대(100)가 제2 멤브레인(21)의 바로 위에 대응하는 영역으로부터 일정 거리 떨어진 제1 멤브레인(10)의 영역을 누르게 되면, 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체가 찢어진 제2 멤브레인(21)과 연결된 홀(22)을 통해 채널(30)로 흐르게 된다.
채널(30)은 유체 보관 케이스(20)의 하부와 기판(40)의 상부가 형성한 유체가 흐르는 통로이다. 채널(30)은 한 쪽 끝에 형성된 시료 주입구로부터 투입된 시료가 다른 쪽 끝으로 이동하는 동안 시약과 반응하는 공간을 제공하는 역할을 한다. 유체 보관 케이스(20)내에 2개 이상의 유체 체임버(14)가 형성되거나 2개 이상의 홀(22)이 형성되어 있는 경우 유체가 흐르게 되는 채널(30)이 2개 이상이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시 예에 따른 바이오 센서는 제1 멤브레인(10'), 멤브레인 압력부(11), 유체 압력부(12), 제3 멤브레인(13), 유체 보관 케이스(20), 제2 멤브레인(21), 채널(30), 및 기판(40)을 포함하여 구성된다.
도 2(a)는 유체 보관 케이스(20)의 유체 체임버(14)에 유체를 보관한 상태를 도시한 것이다. 불침투성 멤브레인인 제1 멤브레인(10')과 제2 멤브레인(21)에 의해 유체 체임버(14)에 유체가 보관된다. 도 2의 바이오 센서는 불침투성 멤브레인인 제1 멤브레인(10') 위에 침투성 멤브레인인 제3 멤브레인(13)이 추가로 배치된다.
제1 멤브레인(10')은 플렉서블하지 않고 탄성이 낮은 불침투성 멤브레인으로서, 유체와 기체에 대해 불침투성 성질을 갖는 것이 바람직하다. 제1 멤브레인(10')은 알루미늄 호일로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 멤브레인(10')은 유체 보관 케이스(20)의 상단을 덮도록 부착되어 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체가 외부로 흐르지 않도록 유체 보관 케이스(20)를 밀봉한다. 유체 보관 케이스(20)와 제1 멤브레인(10')의 접착방법은 열 융착, 초음파 융착, 고주파 융착, 레이저 융착, 용매 융착, 양면 접착 테이프 또는 접착제에 의해 상호 접합 가능하다. 상기 열융착 결합은 유체 보관 케이스(20)와 제1 멤브레인(10')의 결합부위를 전열판으로 가온하여 표면이 용융된 상태에서 서로 압착시킨 후에 냉각시켜서 일체로 결합하는 것으로 가열공정과 결합공정으로 구성될 수 있다. 초음파 융착은 유체 보관 케이스(20)와 제1 멤브레인(10')의 결합부위에 초음파를 조사하여 분자진동에 따른 발열을 이용하여 접착부위의 표면이 용융된 상태에서 압착 및 냉각하여 일체로 결합시키는 것이다.
유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체는 혈액 세척용(washing), 측정용(measurement), 반응용(reaction) 유체 샘플인 것이 바람직하다. 상기 유체는 시약, 버퍼액 등이 될 수 있다.
도 2에 도시된 유체 보관 케이스(20)는 유체 체임버(14)가 하나 도시되어 있으나, 유체 보관 케이스(20)내에 적어도 2개 이상의 유체 체임버(14)가 형성될 수 있다. 유체 체임버(14)의 하부에 형성된 홀(22)은 각 유체 체임버(140) 마다 한개의 홀(22)이 형성될 수도 있고, 하나의 유체 체임버(140)에 2개 이상의 홀(22)이 형성되는 것도 가능하다.
제2 멤브레인(21)은 유체 보관 케이스(20)의 하부에 형성된 홀(22)을 봉인하는 멤브레인이다. 제2 멤브레인(21)은 플렉서블하지 않고, 찢어질 수 있는 불침투성 멤브레인으로서, 유체와 기체에 대해 불침투성 성질을 갖는 것이 바람직하다. 제2 멤브레인(21)은 알루미늄 호일로 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2의 제1 멤브레인(10')은 불침투성 멤브레인이기는 하지만, 플렉서블하지 않고 탄성이 낮은 멤브레인이라는 점이 도 1의 제1 멤브레인(10)과의 차이점이다. 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체를 제2 멤브레인(21)과 연결된 홀(22)을 통해 채널(30)의 양방향으로 흐르도록 펌핑을 하기 위해서는 제1 멤브레인(10')이 불침투성 멤브레인이면서도 플렉서블하고 탄성이 있는 멤브레인인 것이 바람직하다. 그러나 불침투성이면서 플렉서블하고 탄성이 있는 재료는 찾기 어려운 실정이다. 따라서, 침투성일지라도 플레서블하고 탄성이 있는 제3 멤브레인(13)을 제1 멤브레인(10')과 결합하여 도 2와 같이 구성하는 것이 바람직하다.
제3 멤브레인(13)은 플렉서블하고 탄성이 있는 침투성 멤브레인으로 실리콘 소재로 이루어질 수 있다.
도 2(b)는 압력 막대(100)가 제2 멤브레인(21)의 바로 위에 대응하는 제1 멤브레인의 영역(11)을 누르게 되면, 제1 멤브레인(10)이 아래로 휘어지고, 제2 멤브레인(21)이 찢어진 상태를 도시하고 있다.
도 2(c)는 압력 막대(100)가 유체 압력부(12)를 누르게 되면, 유체 보관 케이스(20)에 보관된 유체가 찢어진 제2 멤브레인(21)과 연결된 홀(22)을 통해 채널(30)의 양방향으로 흐르는 것을 도시한 것이다.
유체 압력부(12)는 유체 체임버(14)에 보관된 유체에 압력을 가하여 상기 유체를 제2 멤브레인(21)을 통해 채널(30)로 이동시킨다.
채널(30)은 유체 보관 케이스(20)의 하부와 기판(40)의 상부가 형성한 유체가 흐르는 통로이다. 유체 보관 케이스(20)내에 2개 이상의 유체 체임버(14)가 형성되거나 2개 이상의 홀(22)이 형성되어 있는 경우 유체가 흐르게 되는 채널(30)이 2개 이상이 될 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서의 상부면의 일부를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 바이오 센서의 상부면에 멤브레인 압력부(11), 유체 압력부(12), 멤브레인 노출부(15)가 나타나 있고, 채널(30)은 상부면 아래쪽에 형성되어 있다. 시료 주입구로 시료가 주입되어 혈액이 채널(30)을 흐르게 된다.
시료 주입구로 주입되는 시료는 타겟 물질을 포함한 물질일 수 있다. 일 예로, 상기 시료는 생체로부터 분비된 분비물일 수 있다. 상기 검체는 혈액, 혈장, 혈청, 타액, 소변, 등일 수 있다. 다른 예로, 상기 검체는 연구 목적으로 획득된 물질일 수 있다. 상기 검체는 사건 현장에서 획득된 DNA 샘플, RNA 샘플 등일 수 있고, 동물의 세포 및 바이러스 등으로부터 추출된 DNA 샘플, RNA 샘플 등일 수 있다.
시료 주입구로 시료가 주입되어 채널(30)을 흐르면서 채널 내의 전극(60)에 시료가 닿게 된다. 한편, 멤브레인 압력부(11) 하단에 있는 멤브레인에 압력을 가함으로써, 제2 멤브레인(21)을 찢고, 유체 압력부(12)에 압력을 가하여 유체 체임버(14) 내에 보관된 유체가 제2 멤브레인(21)을 통해 채널(30)로 유입될 수 있다. 채널(30)로 유입된 유체는 채널(30) 내의 시료를 세척하여 균일한 시료 분포를 형성하도록 하거나, 시료와 반응하여 측정을 용이하도록 할 수 있다.
압력 막대(100)을 이용하여 멤브레인 압력부(11) 하단에 있는 멤브레인에 압력을 가함으로써, 제2 멤브레인(21)을 찢는 것이 바람직하다.
제2 멤브레인(21)이 찢어지기만 해서는 유체 체임버(14) 내에 보관되어 있는 유체가 제2 멤브레인(21)을 통해서 충분히 채널(30)로 유입되지 않을 수 있다.
따라서, 유체 압력부(12)에 압력을 가하여 유체 체임버(14) 내에 보관된 유체가 제2 멤브레인(21)으로 원활히 흘러갈수 있도록 한다.
유체 압력부(12)는 멤브레인 노출면(15)의 상단에 배치되어 아래의 제1 멤브레인(10) 또는 제3 멤브레인(13)에 압력을 가하게 된다.
도 3을 참조하면, 유체 압력부(12)의 길이방향 길이 L과 폭 W가 길어질수록 또는 유체 압력부(12)의 면적이 클수록 유체 체임버(14) 내에 보관된 유체가 제2 멤브레인(21)을 통해 채널(30)로 빠르게 흘러가게 된다. 따라서, 유체 압력부(12)의 길이 L, 폭 W, 또는 면적을 늘리거나 줄임으로써, 유체의 채널 유입속도를 조절할 수 있다.
채널(30)의 한 쪽 끝에는 시료 주입구로부터 투입된 시료가 채널의 다른 쪽 끝으로 이동하는 동안 유체 체임버(14) 내에 보관되어 있는 유체(예를 들면, 시약)과 반응하는 공간을 제공하는 것이 바람직하다. 채널(30)은 시료의 이동 통로 역할을 함과 동시에 시약과 반응하도록 공간을 제공하되, 채널(30) 내 다른 공간에 비해 상대적으로 직경이 넓어서 시료와 시약이 반응하는 공간인 반응챔버가 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유체 체임버(14)의 또 다른 내부 구조를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 유체 체임버(14)를 덮고 있는 제1 멤브레인(10)으로부터 바닥까지의 깊이를 D라고 하고, 유체 체임버(14)의 제2 멤브레인(21)과 제1 멤브레인(10)사이의 거리를 d라고 하면, D>d인 관계를 만족하고 있다.
유체 체임버(14) 내의 제2 멤브레인(21)과 제1 멤브레인(10)사이의 거리 d가 유체 체임버(14)의 깊이 D보다 작은 경우, 압력 막대(100)가 제1 멤브레인(10) 영역을 누를 때 제2 멤브레인(21)에 쉽게 닿을 수 있다. 즉, 제2 멤브레인(21)과 제1 멤브레인(10)사이의 거리가 작으면 작을수록 제2 멤브레인(21)을 압력 막대(100)를 이용하여 찢기 쉬워진다.
뿐만 아니라 제2 멤브레인(21)과 제1 멤브레인(10)사이의 거리를 줄임으로써, 제1 멤브레인(10)에 압력을 가하여 유체 체임버(14) 내의 유체를 찢어진 제2 멤브레인(21)과 연결된 홀(22)을 통해 채널(30)로 흐르게 할 때, 유체에 강한 압력이 가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서에 있어서, 기판에 돌출부가 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 기판(40)에 볼록한 돌출부(50)가 형성되고, 돌출부(50)가 기판(40)으로부터 채널(30) 안으로 올라가 유체 보관 케이스(20)의 하단과 닿게 되면, 채널(30)의 일단을 막게 되므로, 채널로 유입된 유체의 흐름을 전극(60)이 있는 방향으로 가이드하게 된다.
돌출부(50)가 기판(40)으로부터 채널(30) 안으로 올라가는 방법으로는 외부 압력에 의해 밀려올라갈 수도 있고, 유체를 센싱하면 돌출부(50)가 상승하도록 할 수도 있으며, 별도의 구동부를 구비할 수도 있다.
전극(60)에 접촉하는 2개 이상의 접촉핀 및 전극(60)을 통해 전송되는 전류량을 측정 및 분석하여 시료 분석값을 생성하는 신호처리부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 2개의 전극 중 하나의 전극에는 타겟 물질과 특이적으로 결합할 수 있는 포획 분자가 고정되어 있을 수 있고 또 다른 하나의 전극은 전극물질로 구성될 수 있다.
바이오 센서는 상기 2개의 전극 사이의 전위차에 기초하여 상기 타겟 물질의 유무를 확인하기 위해 이용된다. 상기 2개의 전극 사이의 전위차는 상기 전극 상에 형성된 포획 분자에 상기 타겟 물질이 결합하였는지 여부에 따라 변동될 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 멤브레인 압력부(11)와 유체 압력부(12)의 실제 모습을 나타낸 것이다.
도 6과 도 3을 참조하면, 멤브레인 압력부(11)에 대응하는 원형 영역과 유체 압력부(12)에 대응하는 사각형 부분을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 제2 멤브레인(21)이 찢어진 상태의 실제 모습을 나타낸 것으로, 도 2(b)의 상태이다.
도 6과 대비하여 보면, 멤브레인 압력부(11)의 아래에 있는 제2 멤브레인(21)이 압력에 의해 구멍이 뚫린 모습을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 바이오 센서의 제2 멤브레인(21)으로 유체가 채널(30)로 흘러나가는 상태를 도시한 것으로 도 2(b)의 상태이다.
다시 도 7을 참조하면, 멤브레인 압력부(11)의 상단에 채널(30)로 연결된 통로(두 개의 줄)가 보이고 있는 반면, 도 8에서는 구멍이 뚫린 제2 멤브레인(21)을 거쳐 상기 통로에 유체가 흐르게 되어 투명도가 변하게 됨으로써, 통로가 보이지 않고 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 유체가 보관된 유체 보관 케이스;
    외부 압력이 가해지는 제1 멤브레인;
    상기 제1 멤브레인의 제1 영역에 상기 외부 압력이 가해지면 찢어지고, 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 통과하는 제2 멤브레인;
    상기 제2 멤브레인이 찢어지면 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 흘러들어가는 채널; 및
    상기 채널의 하단을 형성하는 기판을 포함하고,
    상기 제1 멤브레인의 제2 영역에 압력을 가하여 상기 유체 보관 케이스에 보관된 유체가 상기 제2 멤브레인을 통해 상기 채널로 이동하는 것을 특징으로 하는 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인의 제2 영역을 누를 수 있도록 형성된 유체 압력부를 더 포함하고,
    상기 유체 압력부의 길이 또는 면적에 따라 상기 제2 멤브레인을 통과하는 유체의 양이 제어되는 것을 특징으로 하는 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 기판에 볼록한 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부가 상기 채널 안으로 올라가게 되면, 상기 채널의 일단을 막아 상기 채널로 유입된 유체가 상기 일단으로 흐르는 것을 차단하는 것을 특징으로 하는 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인과 상기 제2 멤브레인 사이의 거리가 상기 유체 보관 케이스의 내부 깊이 보다 작은 것을 특징으로 하는 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서.
PCT/KR2021/004925 2020-04-22 2021-04-20 유체의 채널 유입이 용이한 바이오 센서 WO2021215783A1 (ko)

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