KR101306341B1 - 원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템 - Google Patents

원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템 Download PDF

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Abstract

원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기 미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 미세유동 장치는, 회전체; 상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물; 및 상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하고, 상기 미세유동 구조물은 표적 물질을 포집한 자성비드를 세정 및 분리하고, 상기 자성비드에 대한 외부로부터의 전자기파 조사에 의해 핵산을 분리한다. 본 발명에 따른 미세유동 시스템은 본 발명의 미세유동 장치와 함께 상기 회전체를 구동하는 회전 구동부; 및 상기 세포용해 챔버에 레이저 어블레이션을 위한 레이저빔을 조사하는 레이저 광원을 포함한다.
미세유동 장치, 원심력, 핵산 추출, 자성비드

Description

원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기 미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템{Centrifugal force-based microfluidic device for nucleic acid extraction from biological sample and microfluidic system comprising the microfluidic system}
도 1은 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제1실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제2실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제3실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제4실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 미세유동 장치에서 유체 흐름을 제어하는 개방 밸브의 예를 보이는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 미세유동 장치에서 유체 흐름을 제어하는 폐쇄 밸브의 예를 보이는 평면도이다.
도 7은 상기 도 6에 도시된 폐쇄 밸브의 단면도이다.
도 8은 순수 파라핀 왁스와, 레이저 조사에 의해 발열하는 발열입자가 포함된 파라핀 왁스에 레이저를 조사할 때 녹는점 도달시간을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치의 분해 사시도이다.
도 10a 및 도 10b는 자석 위치 제어 장치가 부가된 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제5실시예를 보인다.
도 11a 내지 도 11k는 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치를 이용하여 혈액 샘플로부터 HBV의 DNA를 추출하는 과정을 보인다.
도 12은 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치를 이용하여 혈액 샘플로부터 추출된 HBV의 DNA로 실시간 PCR을 수행한 결과를 보인다.
도 13은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11: 시료 챔버 12: 버퍼 챔버
13: 자성비드 챔버 14: 혼합 챔버
15,17: 웨이스트 챔버 16: 세포용해 챔버
20,21,22,23,25,26,27: 채널 30,31,32,33,34,35: 개방 밸브
40,45,46,47: 폐쇄 밸브 50: 회전구동부
60: 외부에너지원 70: 광 검출부
100: 회전체 231: 자석
본 발명은 회전체 상에 마련된 미세유동 구조물에서 원심력에 의해 유체의 흐름을 제어하는 원심력 기반의 미세유동 장치에 관한 것이다. 한편, 본 발명은 생체시료로부터 표적 세포 또는 바이러스의 DNA을 추출할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이기도 하다.
일반적으로 미세유동 장치를 구성하는 미세유동 구조물에는 소량의 유체를 가두어 둘 수 있는 챔버와, 유체가 흐를 수 있는 채널, 유체의 흐름을 조절할 수 있는 밸브, 그리고 유체를 받아 소정의 기능을 수행할 수 있는 여러 가지 기능성 유닛 등이 포함될 수 있다. 소형의 칩(chip) 상에서 생화학적 반응을 포함한 시험을 수행할 수 있도록 칩 형태의 기판에 이러한 미세유동 구조물을 배치한 것을 일컬어 바이오 칩이라고 하고, 특히 여러 단계의 처리 및 조작을 하나의 칩에서 수행할 수 있도록 제작된 장치를 랩온어칩(lab-on-a chip)이라 한다.
미세유동 구조물 내에서 유체를 이송하기 위해서는 구동 압력이 필요한데, 구동 압력으로서 모세관압이 이용되기도 하고, 별도의 펌프에 의한 압력이 이용되기도 한다. 최근에는 콤팩트디스크 형상의 회전판에 미세유동 구조물을 배치하여 원심력을 이용하는 미세유동 장치들이 제안되고 있다. 이를 일컬어 랩온어씨디(lab-on-a CD) 혹은 랩씨디(Lab CD)라 하기도 한다. 그런데, 이 경우는 프레임에 고정되지 않고 움직이는 회전체의 특성상, 그 안에서 유체의 흐름을 제어하거나, 유닛의 온도를 제어하는 등의 조작이 용이하지 않다.
본 발명은 원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기 미세유동 장치를 포함한 미세유동 시스템에 관한 것으로, 원심력이 작용하는 회전체 상에 마련된 미세유동 구조물에 생체 시료를 주입하면, 상기 미세유동 구조물 내에서 수행되는 일련의 과정을 통해 상기 생체 시료로부터 특정 표적 물질을 분리 및 농축하고, 상기 분리된 표적 물질을 용해하여 PCR이 가능한 핵산을 제공할 수 있도록 구성된 미세유동 장치 및 상기 미세유동 장치와 이를 구동하는 장치를 포함하는 미세유동 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치는, 회전체; 상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물; 및 상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하고, 상기 미세유동 구조물은 표적 물질을 포집한 자성비드를 세정 및 분리하고, 상기 자성비드에 대한 외부로부터의 전자기파 조사에 의해 핵산을 분리한다. 상기 표적 물질은 세포 및 바이러스를 포함하는 생체 물질을 말한다.
여기서, 상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸 브(hydrophobic valve), 기계적 밸브(mechanical valve) 및 상전이 밸브(phase-change valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 상기 상전이 밸브는 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는 것이다.
상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것일 수 있고, 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치는, 회전체; 상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물; 및 상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하고, 상기 미세유동 구조물은,
시료를 수용하는 시료 챔버; 버퍼액을 수용하는 버퍼 챔버; 자성비드를 수용 하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 통로로 연결되어 상기 각각의 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 회전체의 중심에서 가장 먼 쪽에 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 자성비드와 시료액의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 자성비드 세정을 수행하는 혼합 챔버; 상기 혼합 챔버의 출구보다 회전체의 중심에 가까운 부분과 통로로 연결되어 상기 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및 상기 혼합 챔버의 출구와 통로로 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 자성비드를 포함한 유체를 수용하는 세포용해 챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 회전체의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포용해 챔버보다는 회전체의 중심에 가까이 배치되는 것이 바람직하다. 상기 버퍼챔버와 상기 혼합챔버를 연결하는 통로는 상기 혼합챔버의 출구와 인접한 부분에 연결될 수 있다. 한편, 상기 미세유동 장치는 상기 혼합챔버보다 회전체의 중심에 가깝게 배치되고 상기 혼합챔버에 연결되어 상기 혼합챔버에 자성비드를 공급하는 자성비드 챔버를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 자성비드 챔버와 상기 혼합 챔버를 연결하는 통로에 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 세포용해 챔버는 상기 유입된 유체중에서 자성비드를 모으고, 출구를 통해 나머지 유체를 배출할 수 있다. 상기 세포용해 챔버의 출구는 회전체의 중심을 향해 연장되어, 유체보다 밀도가 높은 자성비드를 원심력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 가두어 둘 수 있다. 상기 미세유동 장치는 상기 세포용해 챔버에 인접하 게 배치되어 자기력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 자성비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 구비할 수도 있다.
한편, 상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버로 연결된 통로와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 통로로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 원심분리 유닛은 예를 들면, 전혈을 혈구와 혈장으로 분리하고, 상층에 분리된 혈장만을 시료로서 상기 혼합 챔버로 공급할 수 있다.
상기 미세유동 장치에서 상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve), 기계적 밸브(mechanical valve) 및 상전이 밸브(phase-change valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 상기 상전이 밸브는 외부로부터 복사에너지를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 상전이 밸브는, 초기에 상기 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 개방 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상전이 밸브는, 초기 상태에 상기 밸브의 플러그는 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 폐쇄 밸브를 포함할 수 있다.
상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것일 수 있고, 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 미세유동 시스템은, 회전체와, 상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물, 그리고 상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적물질l)을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하는 미세유동 장치; 상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 및 상기 표적 물질을 포집한 자성비드에 전자기파를 조사하는 외부에너지원을 포함하고, 상기 미세유동 장치는 표적 물질을 포집한 자성비드를 세정 및 분리하고, 분리된 자성비드에 대한 전자기파의 조사에 의해 핵산을 분리하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve), 기계적 밸브(mechanical valve) 및 상전이 밸브(phase-change valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 상기 상전이 밸브는 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열 에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는 것이다.
상기 미세유동 장치가 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는, 다수의 상전이 밸브를 포함하는 경우, 상기 미세유동 시스템은 상기 레이저빔이 상기 다수의 상전이 밸브 중 선택된 하나의 상전이 밸브를 포함하는 영역에 도달하도록 상기 레이저 광원의 위치 또는 방향을 조정하는 레이저 광원 조정수단을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함할 수 있고, 고정된 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 적어도 하나의 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 전자기파의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함할 수도 있다.
상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것일 수 있고, 상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따른 미세유동 시스템은, 전술한 본 발명의 일 측면에 따른 미세유동 장치(시료 챔버, 버퍼 챔버, 혼합 챔버, 웨이스트 챔버 및 세포용해 챔버를 포함하는); 상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 및 상기 미세유동 장치의 세포용해 챔버에 전자기파를 조사하는 외부에너지원을 포함한다.
여기서, 상기 미세유동 장치의 각 구성요소들은 앞서 서술한 특징들을 가질 수 있다. 아울러, 상기 미세유동 장치가 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는, 다수의 상전이 밸브를 포함하는 경우에는, 상기 미세유동 시스템은 상기 전자기파가 상기 다수의 상전이 밸브 중 선택된 하나의 상전이 밸브를 포함하는 영역에 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함할 수 있고, 고정된 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 적어도 하나의 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 전자기파의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함할 수도 있다.
상기 본 발명의 다양한 실시 형태에 따른 미세유동 시스템을 이용하여 시료로부터 표적 물질의 핵산을 추출하는 방법은, 시료 챔버에 주입된 시료를 자성비드가 수용된 혼합 챔버로 이송하고, 혼합 챔버내에서 자성비드와 상기 시료를 혼합하여 상기 자성비드 표면에 표적 세포 또는 바이러스를 포집하고, 상기 자성비드와 시료의 혼합액을 원심분리하여 상층액을 웨이스트 챔버로 배출하고, 상기 버퍼 챔버에 수용된 버퍼액을 상기 혼합 챔버로 이송하고 상기 자성비드를 헹군 뒤 다시 원심분리하여 상층액을 웨이스트 챔버로 배출하고, 상기 혼합 챔버의 출구 부분에 모인 자성비드 혼합 유체를 상기 세포용해 챔버로 이송하고, 상기 세포용해 챔버에 상기 자성비드를 가두고 레이저를 조사하여 상기 자성비드 표면에 포집된 세포 또는 바이러스를 용해시키는 과정을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제1실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(101)는 대칭적 형상의 일 예로서 디스크 형상을 갖는 회전체(100)를 포함한다. 하나의 회전체(100)에는 하나 또는 다수의 미세유동 구조물이 마련될 수 있다. 예를 들면, 상기 회전체(100)를 수 개의 부채꼴 형태의 영역으로 나누고 각 영역마다 미세유동 구조물이 마련될 수 있다. 상기 도 1은 다수의 미세유동 구조물이 마련된 회전체(100)의 일 부분을 보이는 것이다. 상기 도면에서 윗쪽은 상기 회전체(100)의 중심부를, 아래쪽은 상기 회전체(100)의 외곽부를 나타낸다.
상기 회전체(100)에 마련된 미세유동 구조물은 다수의 챔버와 이들을 연결하는 다수의 통로, 그리고 상기 다수의 통로를 통한 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함한다. 이러한 구조물들은 서로 포개져서 상기 디스크 형상의 회전체(100)를 이루는 두 개의 디스크와 상기 두 개의 디스크가 마주하는 면 중 어느 한 쪽에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 두 개의 디스크 중 상부 디스크는 유체의 이동이나 반응에 대한 검출이 가능하도록 투명한 재료로 만들어 진 것이 바람직하다. 이와 같은 미세유동 구조물을 제조하는 방법은 본 발명의 기술 분야에서 이미 알려진 바 있다.
본 실시예에 따른 장치(101)에서 미세유동 구조물의 구성을 살펴보면 다음과 같다. 상기 미세유동 구조물은, 유체 시료를 수용하는 시료 챔버(11)와 버퍼액을 수용하는 버퍼 챔버(12)를 구비한다. 상기 시료 챔버(11) 및 상기 버퍼 챔버(12)는 각각 주입구(미도시)를 구비하고, 사용자는 상기 주입구를 통해 시료와 적절한 버퍼액을 주입할 수 있다.
상기 회전체(100)의 중심으로부터 상기 두 챔버보다 먼 위치에 는 혼합 챔버(14)가 배치되고, 상기 혼합 챔버(14)는 상기 시료 챔버(11) 및 상기 버퍼 챔버(12)와 각각 유체 이동 통로인 채널(21,22)을 통해 연결된다. 각 채널(21,22)에는 유체의 흐름을 통제하는 밸브(31,32)가 마련된다. 상기 혼합 챔버(14)는 상기 회전체(100)의 중심에서 가장 먼 쪽에 출구를 가지고, 상기 출구에는 밸브(34)가 마련된다. 상기 혼합 챔버(14)는 회전체의 중심에서 가까운 쪽 부분보다 먼 쪽 부분의 단면적이 좁은 것이 바람직하다. 즉, 상기 출구 밸브(34)에 가까운 부분의 단 면적이 좁은 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 출구 밸브(34) 안쪽의 일부분이 채널 형태로 만들어질 수도 있다. 한편, 상기 버퍼 챔버(12)와 상기 혼합 챔버(14)를 연결하는 채널(22)는 상기 혼합 챔버(14)의 출구에 인접한 부분에 연결될 수 있다. 상기 혼합 챔버(14)는 미리 주입된 자성비드(M1)를 수용하고, 상기 시료 챔버(11)로부터 시료를, 상기 버퍼 챔버(12)로부터 버퍼액을 공급 받을 수 있다.
상기 회전체(100)의 중심에서 상기 혼합 챔버(14)보다 먼 위치에는 웨이스트 챔버(15)가 배치된다. 상기 웨이스트 챔버(15)는 채널(25)을 통해 상기 혼합 챔버(14)의 상기 출구 밸브(34)에 가까운 부분, 즉 전술한 바와 같이 단면적이 좁은 부분에 연결될 수 있다. 다만, 상기 채널(25)이 연결된 부분과 상기 출구 밸브(34) 사이에는 상기 혼합 챔버(14)에 수용된 자성비드들이 모여 있을 수 있을 정도의 공간을 확보하는 것이 바람직하다. 상기 웨이스트 챔버(15)로 연결된 채널(25)에도 유체의 흐름을 통제하는 밸브(35,45)가 마련된다.
한편, 상기 회전체(100)의 중심으로부터 상기 혼합 챔버(14)의 출구보다 먼 위치에 세포용해 챔버(16)가 배치된다. 상기 세포용해 챔버(16)는 그 입구가 채널(26)을 통해 상기 혼합 챔버(14)의 출구와 연결된다. 상기 세포용해 챔버(16)의 출구는 회전체의 중심을 향해 연장될 수 있다. 이 경우, 상기 입구를 통해 유입된 자성비드(M1)를 원심력에 의해 상기 세포용해 챔버(16) 내에 가두어 둘 수 있다. 상기 세포용해 챔버(16)의 출구는 채널(27)을 통해 또 하나의 웨이스트 챔버(17)로 연결될 수 있다. 상기 세포용해 챔버(16)의 입구 및 출구와 연결된 각각의 채널(26,27)에는 각각 밸브(46,47)가 마련되어 상기 세포용해 챔버(16) 내에 농축된 자성비드(M1)가 포함된 유체를 가둘 수 있다.
전술한 두 웨이스트 챔버(15,17)에는 유체의 유입 시에 배기할 수 있는 배기구(29)가 각각 구비될 수 있으며, 이러한 배기구(29)는 앞서 언급된 여러 챔버들에도 구비될 수 있다.
상기 세포용해 챔버(16)는 그 표면에 표적 세포 또는 바이러스를 포집된 자성비드(M1)을 가두어 두고, 외부로부터의 전자기파 조사를 수반하는 세포용해 작업, 예를 들면 레이저 어블레이션(laser ablation)에 의한 세포용해 작업을 수행한다. 전자기파 및 자성 비드를 이용한 신속한 세포 용해는 액체 배지에서 가열 및 전자기파에 의한 어블레이션(ablation)에 의해 수행된다. 전자기파는 자성비드에 에너지를 공급하여 상기 자성비드에 부착된 세포에 열을 공급함과 동시에, 상기 자성비드에 물리적, 기계적 충격을 가함으로써 세포를 용해시킨다.
자성비드와 전자기파를 이용한 세포용해의 큰 장점중 하나는 핵산 분리 단계를 줄일 수 있다는 것인데, 이는 이러한 세포 용해가 단백질 변성을 수반하기 때문이다. 변성된 단백질 및 세포 찌꺼기는 자성비드에 다시 부착되고, 이러한 자성비드는 중력, 원심력 또는 자기력에 의해 핵산 추출 용액으로부터 분리될 수 있기 때문이다. 이는 표적 물질의 검출 한계를 낮추고, 핵산 추출 단계를 한 단계 줄임으로써 핵산 추출 시간을 대폭 절감하고, 신호 진폭을 증가시킴으로써 PCR을 통한 분석을 현저하게 개선한다. 전자기파 및 자성 비드를 이용하여 세포를 파괴하는데 요구되는 시간은 대략 30~40초 정도일 수 있다.
레이저 어블레이션이란 레이저 빔에 노출된 소재에 발생하는 현상을 총칭한 다. 레이저 어블레이션에 의해 소재 표면의 온도는 수백에서 수천도까지 급속히 상승하며 소재 표면의 온도가 증발점 이상으로 상승하면 액체 상태 재료의 증발과 함께 표면에서의 포화증기압도 급속히 상승한다. 포화증기압은 Clausius-Clapeyron 식에 의해 온도의 함수로 표시되며 고출력 펄스 레이저 가공의 경우 보통 수십기압 이상까지 상승한다. 증기의 분출과 함께 증기에 의해 소재 표면에 작용하는 압력을 반발압력이라고 하며 반발압력의 크기는 증기압을 Psat 라고 할 때 약 0.56Psat 정도 된다.
충격파는 주로 펄스 레이저와 같이 순간 강도가 매우 큰 레이저 가공에서 발생한다. 수나노 초 또는 수십나노 초 사이의 짧은 시간 동안에 온도가 증발점 이상으로 가열된 재료 표면에서 발생된 증기는 압력이 수기압에서 수십기압까지 상승하며, 주변의 대기 중으로 팽창해 나가면서 충격파를 형성한다. 매우 큰 압력으로 인해 팽창하는 증기는 소재에도 약 0.56Ps (여기에서 Ps 는 표면에서의 포화증기압이다)의 압력이 작용된다.
상기 레이저는 펄스 레이저 또는 연속파동 레이저를 포함할 수 있다. 너무 낮은 레이저 출력에서는 효율적으로 레이저 어블레이션 작업을 수행할 수 없으며, 레이저 출력은 연속파동(CW)의 경우 10mW 이상, 펄스 레이저의 경우 1mJ/펄스 이상을 전달해 주어야 한다. 바람직하게는 상기 펄스 레이저가 3mJ/펄스 이상이고, 연속파동 레이저가 100mW 이상의 출력을 가진다. 이는 연속파동의 경우 10mW 미만이고, 펄스 레이저의 경우 1mJ/펄스 미만이면 세포를 파괴하는 충분한 에너지 전달이 되지 않는 문제가 발생하기 때문이다.
레이저 어블레이션에 의한 세포용해를 수행하는 경우, 상기 레이저는 자성 비드가 흡수하는 특정 파장대에서 발생하는 것이어야 한다. 상기 레이저는 400nm 이상의 파장대에서 발생하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 레이저는 750nm ~ 1300nm의 파장대에서 발생하는 것이 바람직하다. 이는 400nm 미만의 파장에서는 핵산의 변성 또는 손상의 문제가 발생하기 때문이다. 또한, 상기 레이저는 하나 이상의 파장대에서 발생할 수 있다. 즉, 레이저는 상기 파장 범위내의 하나의 파장일 수도 있고, 파장이 서로 상이한 2 이상의 파장일 수도 있다.
상기 자성비드(M1)는 전혈, 타액, 소변 등의 생체 시료로부터 표적 물질(세포, 바이러스 등을 포함하는)을 포집할 수 있도록, 상기 표적 물질과의 특이적 결합이 가능한 표면을 갖는다. 상기 자성비드(M1)의 표면은 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 처리될 수 있다.
상기 항체는 원하는 특정 세포 또는 바이러스만 선택적으로 포집할 수 있기 때문에, 매우 낮은 농도의 세포 또는 바이러스를 검출하고자 하는 경우에 유용할 수 있다. 세포 또는 바이러스에 특이적으로 결합할 수 있는 항체가 결합된 자성비드는 Invitrogen, Qiagen 사 등에서 시판하고 있으며, 이의 예는 Dynabeads
Figure 112006091279750-pat00001
Genomic DNA Blood (Invitrogen), Dynabeads
Figure 112006091279750-pat00002
anti-E.coli O157(Invitrogen), CELLectionTM Biotin Binder Kit (Invitrogen), MagAttract Virus Min M48 Kit(Qiagen) 등이 있다. 상기 특정 항체가 결합된 자성 비드를 이용하여 디프테리 아 독소(Diphtheria toxin), 엔테로코커스 패시움(Enterococcus faecium), 헬리코박터 파일로리(Helicobacter pylori), HBV, HCV, HIV, 인플루엔자(Influenza) A, Influenza B, 리스테리아(Listeria), 마이코플라스마 뉴모니애(Mycoplasma pneumoniae), 슈도모나스 종(Pseudomonas sp.), 루벨라 바이러스(Rubella virus), 로타바이러스(Rotavirus) 등을 분리할 수 있다.
상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4, 또는 HfO2 등일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 금속 산화물은 바람직하게는 Al2O3 또는 TiO2 이며, 더욱 바람직하게는 Al2O3 이다. 상기 금속 산화물의 증착은 PVD(physical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 졸-겔 방법 등에 의해 수행될 수 있다. 자성 비드의 표면에에 금속 산화물을 증착하는 방법은 공지된 기술로서, 일반적으로 PVD(physical vapor deposition), ALD(atomic layer deposition), 졸-겔 방법 등에 의해 수행될 수 있다.
상기 자성비드(M1)는 크기가 50nm ~ 1,000㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는, 상기 자성 비드의 크기는 1㎛ ~ 50㎛ 일 수 있다. 또한, 상기 자성비드(M1)는 2 가지 이상의 크기를 갖는 비드로 혼합된 것일 수 있다. 즉, 상기 자성 비드(M1)는 동일한 크기일 수도 있고, 서로 상이한 크기를 갖는 자성 비드의 혼합물일 수도 있다.
상기 자성 비드(M1)의 재료로는 자성을 띠는 것이면 어느 것이라도 가능하다. 특히, 강자성를 띠는 Fe, Ni, Cr 의 금속 및 이의 산화물로 이루어진 군으로 부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제2실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(102)는 상기 도 1의 실시예에 따른 장치(101)와 대부분이 동일하다. 다만, 상기 혼합 챔버(14)보다 회전체(100)의 중심으로부터 가까운 위치에 자성비드(M1)를 수용하는 별도의 자성비드 챔버(13)를 더 구비하고, 상기 자성비드 챔버(13)와 상기 혼합 챔버(14)를 연결하는 채널(23)에 마련된 밸브(23)를 개방하여, 상기 자성비드(M1)를 상기 혼합 챔버(14)로 공급하는 구성을 갖는 다는 점에 차이가 있다. 여기서, 상기 자성비드(M1)는 소정의 유체에 분산된 형태로 상기 자성비드 챔버(13)에 주입되는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제3실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(103)는 상기 도 2의 실시예에 따른 장치(102)와 대부분이 동일하다. 다만, 상기 시료 챔버(11)의 출구와 상기 혼합 챔버(18) 사이에 원심분리 유닛(18)을 더 구비한다. 상기 원심분리 유닛(18)은 상기 시료 챔버(11)의 출구로부터 회전체(100)의 바깥쪽으로 연장된 상층액 채널(182)과 상기 채널(182)의 단부에 폭이 확장된 침전물 수집부(181)를 포함하고, 상기 상층액 채널(182)의 일 부분이 밸브(31) 및 채널(21)을 통해 상기 혼합 챔버(14)로 연결된다.
예를 들어, 상기 시료 챔버(11)에 전혈(whole blood)을 주입하고, 상기 회전체(100)를 회전시키면, 무거운 혈구들은 상기 침전물 수집부(181)에 수집되고, 상 기 상층액 채널(182)은 대부분 혈장으로 채워지게 된다. 이때, 상기 혼합 챔버(14)로 연결된 채널(21)의 밸브(31)가 개방되면, 상기 상층액 채널(182) 중에서 상기 채널(21)과 연결된 부분보다 회전의 중심에 가까운 부분에 채워져 있던 혈장이 상기 혼합 챔버(14)로 이송되게 된다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(103)는 상기 원심분리 유닛(18)에 의해 최종적인 핵산 추출액에 PCR 저해요소가 혼입될 가능성을 미리 감소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제4실시예를 개략적으로 보이는 평면도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(104)는 상기 도 3의 실시예에 따른 미세유동 장치(103)와 대부분이 동일하다. 다만, 상기 세포용해 챔버(16)에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 세포용해 챔버(16) 내에 자성비드(M1)를 모으는 자석(231)을 더 구비한다는 점에 차이가 있다.
상기 자석(231)은 상기 미세유동 장치(104)의 회전체(100) 저면, 상면 또는 양면에 배치될 수 있다. 또한 상기 자석(231)은 상기 회전체(100)에 대하여 고정되게 배치될 수도 있고, 이동 가능하되 필요한 시기에 상기 세포용해 챔버(16)에 인접하게 위치할 수 있도록 설치될 수도 있다. 상기와 같은 조건하에 상기 자석(231)은 상기 회전체(100)의 반지름 방향으로 이동할 수 있고, 빠르게 진동할 수도 있다. 레이저 어블레이션에 의한 세포 용해 시에 상기 자석(231)이 진동함으로써 상기 세포용해 챔버(16) 내의 자성비드(M1)를 진동시킬 수 있고, 이를 통해 세포용해 작업의 효율성을 더 높일 수 있다.
이상의 실시예들에 대한 설명에서 언급된 다수의 밸브(30,31,32,33,34,35, 40,45,46,47)는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve), 기계적 밸브(mechanical valve) 및 상전이 밸브(phase-change valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것일 수 있다. 상기 다수의 밸브는, 바람직하게는, 외부로부터 복사에너지를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는, 상전이 밸브일 수 있다.
이 때, 상기 상전이 밸브는, 초기에 상기 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 개방 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 상전이 밸브는, 초기 상태에 상기 밸브의 플러그는 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 폐쇄 밸브를 포함할 수도 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 미세유동 장치에서 유체 흐름을 제어하는 개방 밸브의 예를 보이는 단면도들이다. 상전이 밸브의 일 예인 개방 밸브(30)(도 1 내지 도4의 31,32,33,34,35에 대응됨)는 상온에서 고체 상태인 상전이 물질에 발열입자가 분산된 밸브 플러그(301)를 포함한다. 상기 고체 상태의 상기 밸브 플러그(301)가 배치된 초기 위치에 인접한 상기 채널(20)의 하류에는 그 폭 또는 깊이가 확장되어 여유공간을 제공하는 채널 확장부(302)가 배치된다.
상기 밸브 플러그(301)는 상온에서 채널(20)의 소정 부분을 빈틈없이 막아 입구(I)측으로 부터 유입되는 유체(F)의 흐름을 차단한다. 상기 밸브 플러그(301)는 고온에서 용융되어 상기 채널(20)의 출구(O)측으로 흐르면서 인접하게 배치된 채널확장부(302)로 이동하여, 유체(F)의 유로를 개방한 채로 응고(301' 참조)된다.
상기 밸브 플러그(301)에 열을 가하기 위해서 상기 미세유동 장치 외부에는 외부에너지원(미도시)이 배치되고, 상기 외부에너지원이 상기 밸브 플러그(301)의 초기 위치를 포함하는 영역에 복사에너지를 공급할 수 있다. 이때, 상기 외부에너지원은 레이저 빔(L)을 조사하는 레이저 광원이거나, 가시광선 또는 적외선을 조사하는 발광소자(light emitting diode) 또는 제논램프(Xenon)일 수 있고, 특히 레이저 광원인 경우 적어도 하나의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다. 상기 외부에너지원은 상기 밸브 플러그(301)에 포함된 발열입자가 흡수할 수 있는 복사에너지의 파장에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열입자로서 앞서 설명한, 표적 물질의 분리와 세포용해를 돕는 자성비드와 유사한 복사에너지 흡수 특성을 갖는 자성비드를 이용하는 경우에는, 레이저 어블레이션에 이용되는 레이저 광원을 그대로 이용하여 상기 상전이 밸브(30)를 작동시킬 수 있다.
전술한 채널(20) 구조물은 회전체(100)를 이루는 상부 디스크(110) 또는 하부 디스크(120) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 상부 디스크(110)는 외부에너지원(미도시)에서 조사된 전자기파가 상기 밸브 플러그(301)에 입사할 수 있도록 투과시키고, 외부에서 유체(F)를 관측할 수 있도록 할 수 있는, 광학적으로 투명한 재료로 만들어진 것이 바람직하다. 그 예로서, 유리 또는 투명 플라스틱 소재는 광학적 투명성이 우수하고, 제조 비용이 저렴하다는 면에서 유리하다.
상기 밸브 플러그(301)에 분산된 발열입자는 수천 마이크로미터(㎛) 폭을 갖는 채널(20) 내에서 자유롭게 이동 가능한 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 발열입자는 레이저가 조사되면 그 복사 에너지에 의해 온도가 급격히 상승하여 발열하는 성질을 가지며, 왁스에 고르게 분산되는 성질을 갖는다. 이러한 성질을 갖도록 상기 발열입자는 금속 성분을 포함하는 코어(core)와, 소수성(疏水性)을 띤 쉘(shell)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 발열입자는 강자성 물질인 Fe로 이루어진 코어와, 상기 Fe에 결합되어 Fe를 감싸는 복수의 계면활성성분(surfactant)으로 이루어진 쉘을 구비한 구조를 가질 수 있다. 통상적으로, 상기 발열입자들은 캐리어 오일(carrrier oil)에 분산된 상태로 제공된다. 소수성 표면구조를 갖는 상기 발열입자가 고르게 분산될 수 있도록 캐리어 오일도 소수성인 것이 바람직하다. 상전이 물질에 상기 발열입자들이 분산된 캐리어 오일을 부어 혼합함으로써 상기 밸브 플러그(301)를 제조할 수 있다. 상기 발열입자의 입자 형태는 상기 예로써 든 형태에 한정되는 것은 아니며, 중합체 비드, 퀀텀 닷(quantum dot) 또는 자성비드(magnetic bead)일 수도 있다.
상기 밸브 플러그(301)를 이루는 상전이 물질은 왁스(wax)일 수 있다. 상기 발열입자들이 흡수한 복사에너지를 열에너지의 형태로 주위에 전달하면 왁스는 이로인해 용융되어 유동성을 가지게 되며, 이로써 플러그(301)의 형태가 붕괴되고 유체(F)의 유로가 개방된다. 상기 플러그(401)를 구성하는 왁스는 적당한 녹는점을 가지는 것이 바람직하다. 녹는점이 너무 높으면 레이저 조사를 시작한 후 용융될 때까지 시간이 오래 소요되어 개방 시점의 정밀한 제어가 어려워지고, 반대로 녹는점이 너무 낮으면 레이저가 조사되지 않은 상태에서 부분적으로 용융되어 유체(F)가 누출될 수도 있기 때문이다. 상기 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.
한편, 상기 상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 상기 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다. 또한, 상기 열가소성 수지로는, COC, PMMA, PC, PS, POM, PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PSU, 또는 PVDF 등이 채용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 미세유동 장치에서 유체 흐름을 제어하는 폐쇄 밸브의 예를 보이는 평면도이고, 도 7은 상기 도 6에 도시된 폐쇄 밸브의 단면도이다. 상기 상전이 밸브의 다른 예인 폐쇄 밸브(40: 도 1 내지 도 4의 45,46,47에 대응됨)는 입구(I)와 출구(O)를 가지는 채널(20)과 상기 채널(20)의 중간에 연결된 밸브 챔버(402), 그리고 상온인 초기에는 고체 상태로서 상기 밸브 챔버(402) 내에 충전되어 있다가 가열되면 용융 및 팽창되면서 상기 채널(20)로 유입되고 다시 응고되면서 상기 채널(20)을 통한 유체(F)의 흐름을 차단하는 밸브 플러그(401)를 포함한다.
상기 폐쇄 밸브(40) 구조물 또한 전술한 개방 밸브(30)와 마찬가지로, 미세 유동 장치의 회전체(100)를 이루는 상부 디스크(110) 또는 하부 디스크(120) 내면에 형성된 입체 패턴에 의해 제공될 수 있다. 상기 상판(110)은 상기 전자기파(예를 들면, 레이저 빔)가 상기 밸브 플러그(401)에 더 잘 입사할 수 있도록 생기 밸브 챔버(402)에 대응되는 천공부(110A)를 가질 수도 있다.
상기 밸브 플러그를 이루는 상전이 물질(P)과 발열입자(M2)에 관한 사항은 앞서 개방 밸브(30)의 예를 통해 설명한 바와 같다. 또한, 상기 밸브 플러그(401)에 복사에너지(L)를 제공하는 복사열원(미도시)에 관한 사항도 앞서 설명한 바와 같다.
분산매인 상전이 물질(P)과 발열입자(M2)를 포함하는 밸브 플러그에 레이저 빔이 조사되면 상기 발열입자(M2)가 복사에너지를 흡수하여 상기 상전이 물질(P)을 가열시킨다. 이로 인해 상기 밸브 플러그(401)는 용융되면서 부피가 팽창하고, 연결된 통로(403)를 통해 상기 채널(20)로 유입된다. 상기 채널(20) 내에서 유체(F)와 접촉하면서 다시 냉각된 밸브 플러그(401)는 상기 채널(20)을 통한 유체(F)의 흐름을 차단한다.
도 8은 순수 파라핀 왁스와, 레이저 조사에 의해 발열하는 발열입자가 포함된 파라핀 왁스에 레이저를 조사할 때 녹는점 도달시간을 비교하여 나타낸 그래프이다. 실선으로 도시된 그래프가 순수(100%) 파라핀 왁스의 온도 그래프이고, 점선으로 도시된 그래프가 평균 직경 10 nm 의 발열입자가 분산된 캐리어 오일과 파라핀 왁스가 1 대 1 비율로 혼합된 50% 불순물(발열입자) 파라핀 왁스의 온도 그래프이며, 이점 쇄선으로 도시된 그래프는 평균 직경 10 nm 의 발열입자가 분산된 캐리 어 오일과 파라핀 왁스가 1 대 4 비율로 혼합된 20% 불순물(발열입자) 파라핀 왁스의 온도 그래프이다. 808 ㎚ 의 파장을 갖는 레이저가 실험에 사용되었다. 파라핀 왁스의 녹는점은 대략 섭씨 68 내지 74도이다. 상기 도 8를 참조하면, 순수 파라핀 왁스는 레이저 조사 후 20초 이상이 경과되어야 녹는점에 도달한다((ii) 참조). 반면에, 50% 불순물(발열입자) 파라핀 왁스 및 20% 불순물(발열입자) 파라핀 왁스는 레이저 조사 후 급속히 가열되어 대략 5초 만에 녹는점에 도달하는 것을 확인할 수 있다((i) 참조).
도 9는 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치의 분해 사시도이다. 본 실시예에 따른 미세유동 장치(104)는 상부 디스크(110)와 하부 디스크(120), 그리고 상부 디스크(110)와 하부 디스크(120)를 서로 부착시키는 양면 접착시트(115)로 구성될 수 있다. 상부 디스크(110) 및 하부 디스크(120)는 투명한 플라스틱 판, 예를 들면 폴리카보네이트(polycarbonate) 판으로 만들어질 수 있다.
상기 상부 디스크(110)에는 그 상하면을 관통하는 다수의 주입구(111)와 다수의 천공부(110A)가 마련된다. 상기 다수의 주입구(111)는 전술한 시료 챔버, 자성비드 챔버, 및 버퍼 챔버에 대응되는 위치에 각각 마련되고, 상기 다수의 천공부(110A)는 전술한 다수의 상전이 밸브에서 밸브 플러그 초기 위치에 대응되게 마련될 수 있다.
상기 하부 디스크(120)에는 소정의 깊이로 파여 상기 상부 디스크(110)와 함께 챔버 구조를 형성하는 다수의 홈(127)이 마련된다. 상기 소정의 깊이는 예를 들면, 3 mm일 수 있다. 또한, 상기 하부 디스크(120)에는 상부 디스크(110)와 함께 전술한 채널 확장부(302) 및 밸브 챔버(402)를 이루는 음각 구조물들이 더 마련될 수 있다.
상기 양면 접착시트(115)는 종래에 알려진 상용 양면 접착 테잎으로 만들어질 수 있다. 예를 들면, Flexmount DFM 200 Clear V-95150 POLY H-9 V-96 4, FLEXcon Inc., MA, USA 로 만들어질 수 있다. 양면 접착시트(115)에는 상기 다수의 홈(127)에 대응되는 다수의 챔버 윤곽(117)이 마련되고, 상기 도 4에서 설명된 채널들에 각각 대응되는 채널 윤곽(116)이 마련된다. 상기 채널 윤곽(116)은 그 폭이 1mm일 수 있다. 앞서 언급된 상용 양면 접착테잎의 두께는 100㎛이므로, 이 경우, 상기 상부 디스크(110)와 하부 디스크(120) 및 양면 접착시트(115)에 의해 형성된 채널의 깊이는 100㎛이다. 채널의 깊이는 상기 양면 접착시트(115)의 두께 선택에 따라 쉽게 변경될 수 있다.
전술한 주입구(111), 천공부(110A), 홈(127) 및 채널 윤곽(116) 등의 구조물들은 기존의 CNC(computer numerical contol) 가공(machining)에 의해 상기 상부 디스크(110), 하부 디스크(120) 및 양면 접착시트(115) 각각에 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 미세유동 장치의 구체적인 구조 및 규격은 하나의 예에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 상부 디스크(110)와 하부 디스크(120)는 양면 접착시트(115)에 의해 접합되는 대신, 써멀 본딩(thermal bonding), 저온 본딩(low temterature bonding), 화학 접착제에 의한 본딩(chemical bonding) 또는 초음파 본딩과 같이 다양한 플라스틱 본딩 방법에 의해 접합될 수 있다. 상기 채널 및 챔버의 규격은 미세유동 장치(104) 전체의 크기 및 처리하고자 하는 샘플의 용량 등에 따라 더 커지거나 작아질 수 있다. 또한, 전술한 실시예에서는 미세유동 구조물이 하나의 층에 마련되었지만, 미세유동 장치가 복수의 층으로 이루어지고, 각 층에 채널 및 챔버 등을 포함하는 미세유동 구조물이 마련되는 것도 가능하다.
도 10a 및 도 10b는 자석 위치 제어 장치가 부가된 본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치의 제5실시예를 보인다. 본 실시예에 따르면, 상기 도 4에 도시된 것과 같은 미세유동 장치의 아래에서 제1자석(230)의 위치를 제어함으로써 상기 미세유동 장치 내에서 자성비드를 이동시키거나 트랩핑(trapping)할 수 있도록 하는 자석 위치 제어 장치가 구비된다. 이러한 자석 위치 제어 장치의 일부 구성요소들은 상기 도 9에 도시된 것과 같이 조립된 미세유동 장치에서 하부 디스크(120)의 바닥 층에 일체로 구비될 수 있다.
자석 위치 제어 장치는 그 내부에 제1자석(230)을 수용하고, 상기 제1자석(230)의 이동 경로를 안내하는 가이드 레일(210) 및 상기 제1자석(230)의 이동 경로 중에서 회전의 중심으로부터 가장 가까운 위치에 대응되는 상기 미세유동 장치 외부에 배치된 제2자석(231)을 포함한다. 미세유동 장치가 회전할 때 상기 가이드 레일(210) 내의 제1자석(230)에는 반지름 바깥쪽 방향의 원심력과 상기 제2자석(231)에 의한 자기력(인력)이 작용하고, 제1자석(230)은 상기 두 힘이 평형을 이루는 위치로 이동하게 된다. 상기 제1자석(230)과 제2자석(231)은 영구자석으로서 서로 간에 인력이 작용하도록 배치된 것이다. 상기 제1자석(230)과 제2자석(231)으로는 영구자석의 일 예로서 이른바 네오디움 자석(Nd-Fe-B, JungWoo, Korea)이 채 용될 수 있다.
도 10a는 미세유동 장치가 시계방향(CW)으로 회전하는 경우를 나타낸다. 미세유동 장치가 대략 480rpm의 속도로 회전하면 상기 제1자석(230)이 B위치로 이동하고, 상기 미세유동 장치가 대략 180rpm의 속도로 회전하면 상기 제1자석(230)이 A위치로 이동한다. 상기 제1자석(230)을 B위치에서 A위치로 이동시킴으로써 원심력에 의해 혼합 챔버(14) 내에서 좁은 출구 밸브(34) 안쪽에 모여 있는 자성비드를 다시 상기 혼합 챔버(14)의 넓은 부분으로 끌어올릴 수 있다.
도 10b는 미세유동 장치가 반시계방향(CCW)으로 회전하는 경우를 나타낸다. 미세유동 장치가 대략 480rpm의 속도로 회전하면 상기 제1자석(230)이 C위치로 이동하고, 미세유동 장치의 회전속도가 대략 600rpm을 넘어서면 원심력이 자기력을 이기고 상기 제1자석(230)을 D위치까지 이동시킨다. 이러한 제1자석(230)의 움직임을 이용하여 미세유동 장치에서 원심력에 의해 상기 혼합 챔버(14) 내부로부터 채널(26)을 통해 이동해온 자성비드들이 세포용해 챔버(16)에 집속되도록 할 수 있다.
이상에서, 가이드 레일의 형상은 미세유동 장치 내에서의 챔버 및 채널들의 배치 형태 및 자성비드를 포함하는 유체의 이동 순서 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 상기 가이드 레일은 회전축으로부터의 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하고 상기 제1자석(230)의 이동을 가능하게 하는 통로이면 충분하다.
도 11a 내지 도 11k는 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치를 이용하여 혈액 샘플로부터 HBV의 DNA를 추출하는 과정을 보인다. 이하의 설명을 통해 본 발 명에 따른 미세유동 장치의 특징이 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실험에 앞서 자성비드(M1)를 준비한다.
1) 자성비드 및 표면 개질을 위한 항체 준비
비오틴이 부착된 B형 간염 바이러스 표면 항원에 특이적 친화성을 가지는 이차항체(Virostat, 1817, host animal: rabbit) 용액 10㎕를 준비한다.
2) 자성비드 세정
스트렙트아비딘으로 레이블된 직경 1.0㎛의 Dynabeads® Streptavidin C1 100㎕를 혼합하여 균질 용액을 제조하였다. 제조된 용액 100㎕를 튜브에 담고, 자석에 놓고 2분 동안 방치하였다. 피펫으로 상층액을 취해서 제거하였다. 튜브를 자석에서 꺼내고, 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4)을 100㎕ 첨가하고 혼합하였다. 다시 자석에 놓고 2분 동안 방치하였다. 피펫으로 상층액을 취해서 제거하였다. 튜브를 자석에서 꺼내고, 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4)을 100㎕ 첨가하고 혼합하였다.
3) 항체를 이용한 비드의 예비코팅
상기와 같이 준비된 비드 용액 100㎕에 비오틴이 부착된 HBV 이차항체(Virostat, 1817) 8㎍ 를 넣고 혼합하였다. 수차례 뒤집어 혼합하면서 실온에서 30분 동안 인큐베이션하였다. 자석을 이용하여 자성비드를 2분 동안 모으고, 상층액을 제거하였다. 세정 완충액(1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4) 2 ml 을 첨가하여 수차례 뒤집어 혼합하였다. 자석을 이용하여 비드를 1분 동안 모으고, 상층액을 제거하였다. 완충액 1(0.1% BSA를 포함하는 PBS, pH7.4) 100㎕를 첨가하여 예비코 팅된 자성 비드를 재현탁하였다.
위와 같은 과정으로 준비된 자성비드(M1)와 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치(104)를 이용하여 혈액 샘플로부터 HBV의 DNA 추출하는 실험을 다음과 같이 진행하였다.
먼저 시료 챔버(11)에 HBV가 스파이크된 혈액 100㎕를, 자성비드 챔버(13)에는 표면에 항체가 부착된 자성비드(M1) 용액 100㎕를, 버퍼 챔버(12)에는 PBS 버퍼액 100㎕를 각각 주입하고(도 11a 참조), 회전체(100)를 회전시키면서 원심분리 유닛(18)을 이용하여 상기 혈액 샘플을 원심분리한다(도 11b 참조).
그 다음, 상기 원심분리 유닛(18)과 혼합 챔버(14) 사이의 밸브(31)를 열어 분리된 혈장 30㎕를 상기 혼합 챔버(14)로 이송하는 한편(도 11c 참조), 상기 자성비드 챔버(13)와 혼합 챔버(14) 사이의 밸브(33)를 열어 자성비드(M1) 용액을 역시 상기 혼합 챔버(14)로 이송한다(도 11d 참조).
회전체(100)를 양 방향으로 번갈아가며 5분간 회전시키면서, 상기 자성비드(M1)을 혈장과 혼합하고 상기 자성비드(M1) 표면에 표적 세포인 HBV를 포집한다(도 11e 참조). 그런 다음, 회전체(100)를 다시 한 방향으로 회전시켜 자성비드(M1)를 상기 혼합 챔버(14)의 출구 쪽으로 집속한다(도 11f 참조).
상기 혼합 챔버(14)와 웨이스트 챔버(15) 사이의 개방 밸브(35)를 열어 상층액(HBV가 분리되고 남은 잔여 혈장)을 상기 웨이스트 챔버(15)로 배출하고(도 11g 참조), 상기 개방 밸브(35)와 같은 채널(25)에 배치된 폐쇄 밸브(45)를 닫는다(도 11h 참조). 그런 다음, 상기 버퍼 챔버(12)와 혼합 챔버(14) 사이의 개방 밸브(32) 를 열어 상기 버퍼액을 상기 혼합 챔버(14)로 이송한다(도 11i 참조).
다시 상기 회전체(100)를 양 방향으로 번갈아가며 20초간 회전시키면서, 상기 버퍼액으로 상기 자성비드(M1)을 세정한다(도 11j 참조). 그런 다음, 상기 혼합 챔버(14)의 출구에 마련된 개방 밸브(34)를 열고, 상기 혼합 챔버(14) 내의 자성비드(M1)를 포함한 유체를 세포용해 챔버(16)로 이송한다. 상기 유체는 상기 두 챔버(14,16) 사이의 채널(26)과 상기 세포용해 챔버(16)를 거쳐 또 하나의 웨이스트 챔버(17)로 이송되고, 그 과정에서 상기 표면에 HBV를 포집한 자성비드(M1)는 원심력 및 자기력에 의해 상기 세포용해 챔버(16) 내에 남겨진다(도 11k 참조).
그 다음, 상기 세포용해 챔버(16) 전/후의 폐쇄 밸브(46,47)를 닫고, 상기 세포용해 챔버(16)에 레이저빔을 조사하여 레이저 어블레이션을 수행한다. 이때, 전술한 바와 같이, 상기 자성비드(M1) 표면에 부착된 HBV가 파괴되면서 DNA를 내어 놓고, HBV의 파괴 시에 발생한 찌꺼기들은 다시 자성비드(M1) 표면에 부착된다. 따라서, 상기 세포용해를 마친 상기 세포용해 챔버(16)에서는 바로 PCR을 수행할 수 있을 정도의 DNA가 제공된다.
도 12은 상기 도 4의 실시예에 따른 미세유동 장치를 이용하여 혈액 샘플로부터 추출된 HBV의 DNA로 실시간 PCR을 수행한 결과를 보인다. 상기 도 11a 내지 도 11k와 같은 실험을 5차례 반복하고, 각각의 결과물을 이용하여 실시간 PCR을 수행한 결과를 보이는 것이다. 결과가 안정적일 뿐만 아니라, 숙련자의 수작업에 의한 결과와 비교해도 손색 없음을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 미세유동 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 사시 도이다. 본 발명에 따른 미세유동 시스템(105)은, 상기 회전체(100) 상에 마련된 것으로서 전술한 다양한 실시 형태에 따른 미세유동 장치와 상기 회전체(100)를 회전시키는 회전 구동부(50) 및 상기 회전체(100) 상의 선택된 영역에 레이저빔을 조사할 수 있는 레이저 광원(60)을 포함한다. 한편, 상기 미세유동 장치에서 이루어지는 반응의 중간 산물 또는 결과물을 광학적으로 관측할 수 있는 광 검출부(70)를 더 포함할 수도 있다.
상기 레이저 광원(60)은 전술한 레이저 어블레이션에 사용될 수 있는 것으로서, 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있고, 앞서 설명한 출력, 파장 등의 조건을 만족할 수 있는 것이면 족하다. 또한, 상기 미세유동 장치에 자성비드 등의 발열입자를 포함하는 상전이 밸브가 채용된 경우에는, 상기 상전이 밸브를 작동시키기 위해서도 사용될 수 있다.
상기 미세유동 시스템(105)은 상기 레이저 광원(60)의 위치 또는 방향을 조정하여, 이로부터 조사된 레이저빔이 상기 회전체(100) 상의 원하는 영역에, 구체적으로는, 상기 미세유동장치에 포함된 다수의 상전이 밸브(31) 또는 세포용해 챔버 중에서 선택된 것에 해당하는 영역에 집중적으로 도달할 수 있도록 하는, 레이저 광원 조정수단(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 도 13의 시스템(105)에서 외부에너지원 조정수단(미도시)은 회전체(100)를 향해 설치된 상기 레이저광원(60)을 그 위에 표시된 화살표 방향, 즉 회전체(100)의 반지름 방향으로 움직일 수 있다. 상기 레이저 광원(60)을 직선 이동시키는 메커니즘은 다양하게 제공될 수 있으며, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이므로 본 명세서에서는 그에 대한 설명을 생략한다.
한편, 상기 미세유동 시스템(105)은 상기 회전체(101)를 구동하는 회전 구동부(50)를 포함한다. 도면에 도시된 회전 구동부(50)는 상기 회전체(100)를 안착시키고, 회전력을 전달하기 위한 장치의 일 부분이고, 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 회전체(100)를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터 및 그와 관련된 부품들을 포함할 수 있다. 상기 회전 구동부(50)에 대한 구체적인 구성의 예는 본 명세서에서 생략하기로 한다. 상기 도 13의 시스템(101)에서 상기 레이저 광원(60)은 상기 레이저 광원 조정수단(미도시)과 상기 회전 구동부(50)의 도움으로 레이저빔을 상기 미세유동 장치의 회전체(100) 상에서 선택된 영역에 집중적으로 조사할 수 있다.
예를 들어, 현 시점에서 작동되어야 할 상전이 밸브(31)가 선택된 경우, 레이저광원(60)을 조준하기 시작하는 시점에 상기 상전이 밸브(31)의 위치를 파악하여 현재 레이저광원(60)의 위치와의 편차, Δ(r,θ)를 구한다. 그리고 회전 구동부(50)를 이용하여 상기 회전체(100)를 Δθ만큼 정역 회전시키고, 상기 레이저광원 조정수단(미도시)을 이용하여 상기 레이저광원(60)을 상기 회전체(100)의 반지름 방향으로 Δr만큼 이동시킬 수 있다.
상기 미세유동 장치의 회전체(100) 아래에는 제2자석(231)이 배치될 수 있다. 상기 제2자석(231)은 미세유동 장치 내의 자성비드에 직접적으로 영향을 미치거나, 상기 도 10a 및 도 10b에 도시된 실시예와 같이 미세유동장치 하부에 자석 위치 제어장치(미도시)가 구비된 경우 제1자석(230)을 통해 간접적으로 영향을 미 칠 수 있다. 상기 제2자석(231)은 회전체(100)의 반지름 방향으로 움직일 수 있도록 설치될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따른 핵산 추출용 미세유동 장치 및 상기 미세유동 장치를 포함하는 미세유동 시스템은, 상기 미세유동 장치에 시료를 주입하는 한 차례의 수작업만으로, 상기 미세유동 구조물 내에서 짧은 시간 내에 수행되는 일련의 과정을 통해 상기 생체 시료로부터 특정 셀(cell)을 분리 및 농축하고, 상기 분리된 셀(cell)을 용해하여 PCR이 가능한 DNA를 제공할 수 있다. 따라서, 숙련자의 많은 수작업을 필요로 했던 종래의 DNA 추출 작업을 극히 간소화하여 시간과 노력을 크게 절약할 수 있도록 하는 효과가 있다. 또한, 소량의 시료만으로 표적 물질의 DNA 추출을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (57)

  1. 회전체;
    상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물;
    상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하고,
    상기 미세유동 구조물은 표적 물질을 포집한 자성비드를 세정 및 분리하고, 상기 자성비드에 대한 외부로부터의 전자기파 조사에 의해 핵산을 분리하되, 상기 다수의 밸브 중 적어도 하나의 밸브는 상전이 밸브(phase-change valve)인 것을 특징으로 하는 원심력 기반의 핵산 추출용 미세유동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve) 및 기계적 밸브(mechanical valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는, 외부로부터 복사에너지를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  7. 회전체;
    상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물; 및
    상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하고, 상기 다수의 밸브 중 적어도 하나의 밸브는 상전이 밸브이며, 상기 미세유동 구조물은,
    시료를 수용하는 시료 챔버;
    버퍼액을 수용하는 버퍼 챔버;
    자성비드를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 통로로 연결되어 상기 각각의 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 회전체의 중심에서 가장 먼 쪽에 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 자성비드와 시료액의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 자성비드 세정을 수행하는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버의 출구보다 회전체의 중심에 가까운 부분과 통로로 연결되어 상기 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및
    상기 혼합 챔버의 출구와 통로로 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 자성비드를 포함한 유체를 수용하는 세포용해 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 회전체의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포용해 챔버보다는 회전체의 중심에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼챔버와 상기 혼합챔버를 연결하는 통로는 상기 혼합챔버의 출구와 인접한 부분에 연결된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 혼합챔버보다 회전체의 중심에 가깝게 배치되고 상기 혼합챔버에 연결되어 상기 혼합챔버에 자성비드를 공급하는 자성비드 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 자성비드 챔버와 상기 혼합 챔버를 연결하는 통로에 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버는 상기 유입된 유체중에서 자성비드를 모으고, 출구를 통해 나머지 유체를 배출하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버의 출구는 회전체의 중심을 향해 연장되어, 유체보다 밀도가 높은 자성비드를 원심력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 가두는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 자성비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버로 연결된 통로와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 통로로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve) 및 기계적 밸브(mechanical valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는, 외부로부터 복사에너지를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는,
    초기에 상기 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 개방 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  19. 제7항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는,
    초기 상태에 상기 밸브의 플러그는 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 폐쇄 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  20. 제7항에 있어서,
    상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  22. 제7항에 있어서,
    상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  23. 회전체와, 상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하는 미세유동 구조물, 그리고 상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드를 포함하되, 상기 다수의 밸브는 다수의 상전이 밸브를 포함하는 미세유동 장치;
    상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 및
    상기 표적 물질을 포집한 자성비드에 전자기파를 조사하는 외부에너지원을 포함하고,
    상기 미세유동 장치는 표적 물질을 포집한 자성비드를 세정 및 분리하고, 상기 자성비드에 대한 외부로부터의 전자기파 조사에 의해 핵산을 분리하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 미세유동 장치의 다수의 상전이 밸브는. 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하고,
    상기 전자기파가 상기 다수의 상전이 밸브 중 선택된 하나의 상전이 밸브를 포함하는 영역에 도달하도록 상기 레이저 광원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 더 포함하는 미세유동 시스템.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  26. 제23항에 있어서,
    상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  27. 제23항에 있어서,
    상기 외부에너지원은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 외부에너지원 조정수단은 고정된 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 적어도 하나의 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 레이저빔의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  31. 제23항에 있어서,
    상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  32. 제7항의 미세유동 장치;
    상기 미세유동 장치의 회전체를 구동하는 회전 구동부; 및
    상기 세포용해 챔버에 레이저 어블레이션을 위한 레이저빔을 조사하는 외부에너지원을 포함하는 미세유동 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 혼합 챔버는 상기 시료 챔버 및 상기 버퍼 챔버보다 회전체의 중심에서 멀리 배치되고, 상기 웨이스트 챔버 및 상기 세포용해 챔버보다는 회전체의 중심에 가까이 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 버퍼챔버와 상기 혼합챔버를 연결하는 통로는 상기 혼합챔버의 출구와 인접한 부분에 연결된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  35. 제32항에 있어서,
    상기 혼합챔버보다 회전체의 중심에 가깝게 배치되고 상기 혼합챔버에 연결되어 상기 혼합챔버에 자성비드를 공급하는 자성비드 챔버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 자성비드 챔버와 상기 혼합 챔버를 연결하는 통로에 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  37. 제32항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버는 상기 유입된 유체중에서 자성비드를 모으고, 출구를 통해 나머지 유체를 배출하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버의 출구는 회전체의 중심을 향해 연장되어, 유체보다 밀도가 높은 자성비드를 원심력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 가두는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 세포용해 챔버에 인접하게 배치되어 자기력에 의해 상기 세포용해 챔버 내에 자성비드를 모으는 자기장 형성물질을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  40. 제32항에 있어서,
    상기 시료 챔버 및 상기 혼합 챔버로 연결된 통로와 연결되고, 상기 시료 챔버에 수용된 시료를 원심분리하여 그 일부를 상기 통로로 배출하는 원심분리 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  41. 제32항에 있어서,
    상기 다수의 밸브는 모세관 밸브(capillary valve), 소수성 밸브(hydrophobic valve), 기계적 밸브(mechanical valve) 및 상전이 밸브(phase-change valve)를 포함하는 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  42. 제32항에 있어서,
    상기 미세유동 장치는. 외부로부터 조사된 전자기파를 흡수하는 발열입자와 상기 발열입자가 방출하는 열에 의해 용융되는 상전이 물질을 포함하는 밸브 플러 그를 구비하고, 상기 밸브 플러그의 통로 내에서의 위치에 따라 상기 통로를 통과하는 유체의 흐름을 통제하는, 다수의 상전이 밸브를 포함하고,
    상기 전자기파가 상기 다수의 상전이 밸브 중 선택된 하나의 상전이 밸브를 포함하는 영역에 도달하도록 상기 외부에너지원의 위치 또는 방향을 조정하는 외부에너지원 조정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 회전 구동부는 상기 회전체를 정속 및 정역 회전시킬 수 있는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 외부에너지원 조정수단은 상기 회전체를 향해 설치된 상기 외부에너지원을 상기 회전체의 반지름 방향으로 이동시키는 직선 이동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  45. 제42에 있어서,
    상기 외부에너지원은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 외부에너지원 조정수단은 고정된 외부에너지원으로부터 방출된 전자기파를 반사시키는 적어도 하나의 반사경, 및 상기 반사경의 각도를 조절하여 레이저빔의 경로를 변경하는 반사경 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  47. 제42항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는,
    초기에 상기 밸브 플러그가 상기 통로를 닫도록 배치되고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융되면서 상기 밸브 플러그의 초기 위치에 인접하게 마련된 여유 공간으로 이동하여 상기 통로를 여는 개방 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  48. 제42항에 있어서,
    상기 상전이 밸브는,
    초기 상태에 상기 밸브의 플러그는 상기 통로와 연결된 밸브 챔버에 배치되어 상기 통로를 열어두고, 상기 밸브 플러그가 열에 의해 용융 및 팽창되면서 상기 통로로 유입되어 상기 통로를 닫는 폐쇄 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  49. 제42항에 있어서,
    상기 외부에너지원은 레이저빔을 방출하는 레이저 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  50. 제32항에 있어서,
    상기 자성비드는, 그 표면이 표적 세포 또는 바이러스에 친화성을 갖는 항체 또는 금속 산화물로 개질된 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  51. 제49항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 Al2O3, TiO2, Ta2O3, Fe2O3, Fe3O4 및 HfO2로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  52. 제32항에 있어서,
    상기 자성 비드는 강자성체를 띠는 Fe, Ni, Cr 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 시스템.
  53. 제7항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 미세유동 장치를 이용한 핵산 추출방법으로서,
    시료 챔버에 주입된 시료를 자성비드가 수용된 혼합 챔버로 이송하고,
    혼합 챔버내에서 자성비드와 상기 시료를 혼합하여 상기 자성비드 표면에 표적 세포 또는 바이러스를 포집하고,
    상기 자성비드와 시료의 혼합액을 원심분리하여 상층액을 웨이스트 챔버로 배출하고,
    상기 버퍼 챔버에 수용된 버퍼액을 상기 혼합 챔버로 이송하고 상기 자성비드를 헹군 뒤 상기 자성비드와 버퍼액의 혼합 유체를 이송하면서 상기 세포용해 챔버 내에 자성비드를 분리하고,
    상기 세포용해 챔버에 외부로부터 전자기파를 조사하여 상기 자성비드 표면에 포집된 세포 또는 바이러스를 용해시키는 과정을 포함하는 미세유동 시스템을 이용한 표적 물질의 핵산 추출 방법.
  54. 회전체;
    상기 회전체에 배치되고, 다수의 챔버와 상기 다수의 챔버들을 연결하는 다수의 통로와 상기 통로에 배치되어 유체의 흐름을 통제하는 다수의 밸브를 포함하고, 상기 회전체의 회전에 따른 원심력을 이용하여 유체를 이송하되 상기 다수의 밸브 중 적어도 하나의 밸브는 상전이 밸브인 미세유동 구조물;
    상기 다수의 챔버 중 적어도 어느 하나에 수용되고, 해당 챔버로 유입된 생체 시료로부터 표적 물질을 선택적으로 포집하는 자성비드;
    상기 회전체의 상기 미세유동 구조물이 마련된 층과 다른 한 층에 일체로 형성된 것으로, 회전축으로부터의 거리가 서로 다른 여러 위치들을 연결하는 통로 형태를 가지고 그 내부에 제1자석이 이동 가능하게 안치된 가이드 레일; 및
    상기 회전체 외부에, 상기 가이드 레인 중에서 상기 회전판의 회전축에 가장 가까운 위치에 대응되는 위치에 적어도 일시적으로 고정되게 배치되는 제2자석을 포함하고, 상기 미세유동 구조물은,
    시료를 수용하는 시료 챔버;
    버퍼액을 수용하는 버퍼 챔버;
    자성비드를 수용하고, 상기 시료 챔버 및 버퍼 챔버와 통로로 연결되어 상기 각각의 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 유입되는 시료와 버퍼액을 수용하고, 회전체의 중심에서 가장 먼 쪽에 밸브가 마련된 출구를 가지며, 상기 자성비드와 시료액의 반응 및 상기 버퍼액을 이용한 자성비드 세정을 수행하는 혼합 챔버;
    상기 혼합 챔버의 출구보다 회전체의 중심에 가까운 부분과 통로로 연결되어 상기 통로에 배치된 밸브의 통제에 따라 상기 혼합 챔버로부터 배출되는 유체를 수용하는 웨이스트 챔버; 및
    상기 혼합 챔버의 출구와 통로로 연결되어 상기 출구로부터 배출되는 자성비드를 포함한 유체를 수용하는 세포용해 챔버를 포함하는 미세유동 장치.
  55. 제54항에 있어서,
    상기 제1자석과 상기 제2자석은 서로 인력이 작용하도록 배치된 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  56. 제54항에 있어서,
    상기 가이드 레일은 상기 회전체의 회전축에 가장 가까운 위치를 기준으로 해서 회전축으로부터 먼 쪽이 두 갈래로 갈라진 통로 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
  57. 제54항에 있어서,
    상기 가이드 레일은 상기 혼합챔버의 출구와 상기 세포용해 챔버에 각각 대응되는 위치들을 서로 연결하는 통로 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 미세유동 장치.
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