KR102222090B1 - Method and device for extracting bio molecules using nano-filters - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바이오 분자 추출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노 필터를 이용하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for extracting biomolecules, and more particularly, to an apparatus and method for extracting nucleic acids using a nano filter.
최근 세포, 박테리아 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 기술에 관하여 많은 연구가 이루어지고 있다. Recently, a lot of research has been conducted on techniques for extracting nucleic acids from biological samples such as cells, bacteria or viruses.
일반적으로, 생물학적 물질에서 핵산을 분리하는 방식은 세 가지로 나눌 수 있는데 마그네틱 비드를 사용하여 자석으로 흡착된 핵산을 분리해내는 방법, 실리카겔이 충진된 컬럼을 이용해서 용액을 용출하는 방법으로 컬럼 내에 DNA가 포함된 용액을 충진한 후 음압을 가하여 용액을 제거한 후 DNA를 실리카겔로부터 떨어뜨리는 방법, 그리고 최근에는 핵산과 특이적으로 결합하는 실리카나 유리섬유를 멤브레인으로 제조한 후, 상기 멤브레인이 하면에 구비된 필터 키트를 전기영동용 튜브에 삽입한 후 원심분리를 이용하여 DNA 분자를 분리하는 방법 등 사용되기도 한다. In general, there are three methods of separating nucleic acids from biological materials. A method of separating magnetically adsorbed nucleic acids using magnetic beads, and a method of eluting a solution using a column filled with silica gel. After filling a solution containing DNA, applying negative pressure to remove the solution, and dropping the DNA from silica gel, and recently, silica or glass fibers that specifically bind to nucleic acids are prepared as a membrane, and the membrane is located on the lower surface. A method of separating DNA molecules using centrifugation after inserting the provided filter kit into a tube for electrophoresis is also used.
실리카나 유리섬유는 단백질, 세포 대사 물질들과 결합 비율이 낮으므로 상대적으로 높은 농도의 핵산을 얻을 수 있다. 그러나, 자성입자를 이용하는 대부분의 핵산 추출 장비는 종래의 기술을 단순히 자동화한 것으로, 장비의 부피가 크고, 추출 과정 중 피펫 등에 묻은 용액이 다른 시험용기에 떨어져, 교차오염이 발생할 수 있다는 문제점이 있고, 원심분리방식은 처리할 수 있는 시료의 개수가 제한되어 있으며 유리섬유를 이용하는 방법은 많은 처리 단계를 수행해야 하기 때문에 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 이외에도 현재의 핵산 추출방법은 시료의 종류에 따라 제거 효율이 달라진다거나 추출되는 핵산의 양이 감소한다거나 실험시간의 증가 등의 문제점을 초래할 수 있다. Since silica or glass fiber has a low binding ratio with proteins and cellular metabolites, a relatively high concentration of nucleic acid can be obtained. However, most of the nucleic acid extraction equipment using magnetic particles is a simple automation of the conventional technology, and the volume of the equipment is large, and there is a problem that the solution on the pipette during the extraction process falls into another test container, and cross-contamination may occur. , The centrifugation method has a disadvantage in that the number of samples that can be processed is limited, and the method using glass fiber requires a lot of time because it has to perform many processing steps. In addition, the current nucleic acid extraction method may cause problems such as a change in removal efficiency depending on the type of sample, a decrease in the amount of extracted nucleic acid, or an increase in experiment time.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국 공개특허 제10-2018-0073353호에서는 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분되는 두 용액에 직류 전류를 인가하여 핵산을 추출하는 장치 및 방법을 개시하고 있다. 이러한 나노필터를 이용한 핵산 추출 방법은 종래의 방법보다 저전력으로 신속히 핵산을 분리할 수 있으나, 핵산 추출 효율이 2~5% 정도로 높지 않은 문제점이 있다.In order to solve this problem, Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2018-0073353 discloses an apparatus and method for extracting nucleic acids by applying a direct current to two solutions separated by nanofilters in which nanopores are formed. The nucleic acid extraction method using such a nanofilter can quickly separate nucleic acids with lower power than conventional methods, but there is a problem that the nucleic acid extraction efficiency is not as high as 2 to 5%.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 나노필터를 이용하여 바이오 분자를 추출함에 있어, 핵산 추출 효율을 높일 수 있는 바이오 분자 추출 방법 및 추출 장치를 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The problem to be solved by the present invention is to solve the above-described problems, and to provide a biomolecule extraction method and an extraction apparatus capable of increasing nucleic acid extraction efficiency in extracting biomolecules using a nanofilter. However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예는 제1 용액과 제2 용액 사이에 배치되며, 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터; 상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극; 상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원;을 포함하고, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 중 어느 하나는, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 교류 전류에 의해 상기 나노필터에 형성되어 있는 나노포어를 통해 이동이 가능한 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함한다.An embodiment of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention for solving the above problems is a nanofilter disposed between a first solution and a second solution, and in which nanopores are formed; A first electrode immersed in the first solution; A second electrode immersed in the second solution; And an AC power source electrically connected to the first electrode and the second electrode, wherein any one of the first solution and the second solution is applied to the nanofilter by an AC current applied through the AC power source. It includes a sample containing a biomolecule that can move through the nanopores formed in.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the AC power is a frequency at which a voltage equal to or higher than a predetermined ratio among voltages applied through the AC power is applied to the first solution and the second solution. Alternating current of can be applied.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the AC power source includes a first interface resistance against charge transfer formed on the first solution and the first electrode, and the second solution An alternating current having a frequency at which the second interface resistance to charge transfer formed on the second electrode can be neglected may be applied.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the AC power may apply an AC current having a frequency at which the extraction efficiency of the biomolecule is equal to or higher than a preset efficiency.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기설정된 효율은 20%일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the preset efficiency may be 20%.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the frequency of the AC power may be 10 Hz or more.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 106 Hz 이하일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the frequency of the AC power may be 10 6 Hz or less.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가될 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, an offset voltage may be further applied to the AC power.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the offset voltage may be 0.1 to 5.0 V.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 중 어느 하나는 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 다른 하나는 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, one of the first solution and the second solution is a sample containing a nucleic acid molecule, and the other is distilled water, a buffer solution, or a polymerase chain reaction (PCR). ) It may be a reaction solution.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the sample containing the nucleic acid molecule may be blood, serum, plasma, urine, sweat, tear, tissue, or cell lysate.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어는 3 내지 300 nm의 직경을 가질 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the nanopores may have a diameter of 3 to 300 nm.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노필터의 두께는 10 nm 내지 5 μm일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the thickness of the nanofilter may be 10 nm to 5 μm.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노필터의 소재는, 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물 및 반도체산화물으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention, the material of the nanofilter is a semiconductor, a metal, a metal nitride, a semiconductor nitride, a metal sulfide, a semiconductor sulfide, a metal phosphide, a semiconductor phosphide, a metal arsenide, a semiconductor It may be one or more selected from the group consisting of arsenic, metal oxide, and semiconductor oxide.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예는 나노포어(nanopore)가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구분된 두 구획에 각각 추출대상이 되는 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액과 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액을 위치시키는 단계; 및 상기 제1 용액에 침지되어 있는 제1 전극과 상기 제2 용액에 침지되어 있는 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원을 통해 교류 전류를 인가하여 상기 바이오 분자를 추출하는 단계;를 포함할 수 있다.One embodiment of the biomolecule extraction method according to the present invention for solving the above problems is to prepare a sample containing a biomolecule to be extracted in two compartments separated by a nanofilter in which nanopores are formed. Positioning a first solution containing and a second solution for supporting the extracted biomolecules; And extracting the biomolecules by applying an AC current through an AC power source electrically connected to the first electrode immersed in the first solution and the second electrode immersed in the second solution. I can.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the AC power is a frequency at which a voltage equal to or higher than a predetermined ratio among voltages applied through the AC power is applied to the first solution and the second solution. Alternating current of can be applied.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the AC power source includes a first interface resistance against charge transfer formed on the first solution and the first electrode, and the second solution and the second electrode. It is possible to apply an alternating current of a frequency at which the second interfacial resistance for charge transfer formed in is negligible.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은, 상기 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가할 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the AC power may apply an AC current having a frequency at which the extraction efficiency of the biomolecule is equal to or higher than a preset efficiency.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 기설정된 효율은 20%일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the preset efficiency may be 20%.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the frequency of the AC power may be 10 Hz or more.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원의 주파수는 106 Hz 이하일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the frequency of the AC power may be 10 6 Hz or less.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가될 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, an offset voltage may be further applied to the AC power.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the offset voltage may be 0.1 to 5.0 V.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR 반응액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the first solution may be a sample containing nucleic acid molecules, and the second solution may be distilled water, a buffer solution, or a PCR reaction solution.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the sample containing the nucleic acid molecule may be blood, serum, plasma, urine, sweat, tear, tissue, or cell lysate.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노포어는 3 내지 300 nm의 직경을 가질 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the nanopores may have a diameter of 3 to 300 nm.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노필터의 두께는 10 nm 내지 5 μm일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the thickness of the nanofilter may be 10 nm to 5 μm.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일부 실시예들에 있어서, 상기 나노필터의 소재는, 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물 및 반도체산화물으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.In some embodiments of the biomolecule extraction method according to the present invention, the material of the nanofilter is a semiconductor, a metal, a metal nitride, a semiconductor nitride, a metal sulfide, a semiconductor sulfide, a metal phosphide, a semiconductor phosphide, a metal arsenide, a semiconductor It may be one or more selected from the group consisting of arsenic, metal oxide, and semiconductor oxide.
본 발명에 따르면, 나노 필터를 이용하여 바이오 분자를 추출하는 시스템에서, 일정 주파수 이상의 교류 전류와 오프셋 전압을 인가하게 되면 바이오 분자의 추출 효율을 현저히 증가할 수 있게 된다.According to the present invention, in a system for extracting biomolecules using a nano filter, when an alternating current and an offset voltage of more than a certain frequency are applied, the extraction efficiency of the biomolecules can be remarkably increased.
그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 상기에 기술된 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these effects are exemplary, and the scope of the present invention is not limited by the above-described effects.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 분자 추출 장치에 사용되는 나노필터의 제조공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 개시된 제조공정으로 제조된 나노필터의 전자주사현미경(SEM)사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치의 전기화학적 회로(electrochemical circuit)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 바이오 분자 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 8은 박테리아 초기 농도에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 추출 효율을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.1 is a diagram schematically showing an embodiment of a biomolecule extraction apparatus according to the present invention.
2 is a diagram schematically showing a manufacturing process of a nanofilter used in the biomolecule extraction apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing an electron scanning microscope (SEM) photograph of a nano filter manufactured by the manufacturing process disclosed in FIG. 2.
4 is a diagram schematically showing an electrochemical circuit of the biomolecule extraction apparatus according to the present invention.
5 is a view showing the results of analyzing the electrochemical circuit shown in FIG. 4 using an electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
6 is a diagram showing the results of analysis using an electrochemical impedance analysis method according to a change in concentration of a sample containing a biomolecule.
7 is a diagram showing the extraction efficiency according to the initial DNA concentration.
8 is a diagram showing the extraction efficiency according to the initial concentration of bacteria.
9 is a view showing the extraction efficiency according to the frequency of the applied AC current.
10 is a flowchart showing an embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. In addition, in the drawings, the thickness or size of each layer is exaggerated for convenience and clarity of description.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 적층되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자나 부재를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.Throughout the specification, when referring to that one component, such as a film, region, or substrate, is positioned “on”, “stacked” or “coupled” to another component, the one component is directly It may be construed that there may be other components that are "on", "stacked", or "coupled" of the component to contact or intervene therebetween. On the other hand, when one component is referred to as being positioned "directly on", "directly stacked", or "directly coupled" of another component, it is interpreted that there are no other components intervening therebetween. do. Uniform symbols refer to uniform elements. As used herein, the term “and/or” includes any and all combinations of one or more of the corresponding listed items. In addition, throughout the specification, when a part is "connected" to another part, it is not only "directly connected", but also "electrically connected" with another element or member interposed therebetween. Includes cases.
본 명세서에서 '제1', '제2' 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.In the present specification, terms such as'first' and'second' are used to describe various members, parts, regions, layers and/or parts, but these members, parts, regions, layers and/or parts are these terms. It is obvious that it should not be limited by. These terms are only used to distinguish one member, part, region, layer or portion from another region, layer or portion. Accordingly, a first member, part, region, layer or part to be described below may refer to a second member, part, region, layer or part without departing from the teachings of the present invention.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.Also, relative terms such as “top” or “above” and “bottom” or “below” may be used herein to describe the relationship of certain elements to other elements as illustrated in the figures. It may be understood that relative terms are intended to include other orientations of the device in addition to the orientation depicted in the figures. For example, if an element is turned over in the figures, elements depicted as being on the top side of other elements will have orientation on the bottom side of the other elements. Therefore, the term “top” as an example may include both “bottom” and “top” directions depending on the particular orientation of the drawing. If the device is oriented in a different direction (rotated by 90 degrees with respect to the other direction), the relative descriptions used herein can be interpreted accordingly.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.The terms used in this specification are used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates another case. Also, as used herein, “comprise” and/or “comprising” specify the presence of the mentioned shapes, numbers, steps, actions, members, elements and/or groups thereof. And does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, actions, members, elements and/or groups.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the drawings, for example, depending on manufacturing techniques and/or tolerances, variations of the illustrated shape can be expected. Therefore, the embodiments of the inventive concept should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in the present specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.
본 명세서에서 사용되는 "바이오 분자(biomolecule)"는 생물체에 존재하는 분자 및 이온에 대해 넓은 의미로 사용되는 용어로, 세포 분열, 형태형성 또는 발생과 같은 일반적인 생물학적 과정에 필수적인 분자들이다. 생체분자에는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산과 같은 대형 고분자 뿐만 아니라 1차 대사산물, 2차 대사산물, 천연물과 같은 저분자가 포함되며, 예컨대, 핵산(nucleic acid), 엑소좀(exosome) 등이 있을 수 있다. As used herein, "biomolecule" is a term used in a broad sense for molecules and ions present in an organism, and is a molecule essential for general biological processes such as cell division, morphogenesis, or development. Biomolecules include not only large polymers such as proteins, carbohydrates, lipids, and nucleic acids, but also small molecules such as primary metabolites, secondary metabolites, and natural products, such as nucleic acids and exosomes. I can.
본 명세서에서 사용되는 "핵산(nucleic acid)"은 푸린염기 및 피리미딘 염기, 당, 인산으로 이루어진 고분자물질로 발견자 F Miescher는 세포핵에서 발견한 신물질을 뉴클레인(nuclein)이라 하였고 후에 핵에 다량으로 존재하는 산성물질이라는 뜻으로 핵산이란 명칭이 붙었다. 염기, 펜토오스 및 인산으로 구성된 뉴클레오티드가 인산기에 스테르결합으로 중합되어 긴사슬 모양의 분자를 형성하고 있다. 핵산분자에는 5'→ 3' 이라는 방향성(극성; polarity)이 있고 이것은 핵산구조나 기능에 관련된 중요한 특성 중의 하나로 당 부분이 데옥시리보오스인 데옥시리보핵산(DNA), 리보오스인 리보핵산(RNA)으로 대별된다.As used herein, "nucleic acid" is a high molecular substance consisting of a purine base, a pyrimidine base, sugar, and phosphoric acid. The discoverer F Miescher called the new material found in the cell nucleus nuclein. Nucleic acid was given the name meaning that it is an acidic substance that exists. Nucleotides composed of base, pentose and phosphoric acid are polymerized with a stere bond to a phosphoric acid group to form a long chain-shaped molecule. Nucleic acid molecules have a 5'→ 3'orientation (polarity), which is one of the important properties related to the structure and function of nucleic acids. Deoxyribonucleic acid (DNA), the sugar part is deoxyribose, and ribonucleic acid (RNA), ribose. It is roughly divided into.
본 명세서에서 사용되는 "반도체소자(semiconductor device)"는 반도체를 소재로 하여 만든 회로소자이며 여기에 사용되는 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨아세나이드(GaAs) 등이다. 대부분의 용도에서 열전자소자를 대체해 오고 있다. 이들의 반도체에는 n형/p형/진성(眞性) 등 성질상 구분이 있으며, 그들을 단체(單體)로 또는 몇 개를 서로 접합해서 사용한다. 다이오드나 트랜지스터, 사이리스터 등과 빛이나 방사선을 검출하는 것, 온도를 느끼는 것, 자기장이나 압력에 민감한 것 등 여러 가지 특성의 것이 있는데, 각 방면에서 널리 사용되고 있다.The "semiconductor device" used herein is a circuit device made of a semiconductor material, and the semiconductors used therein are silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), and the like. It has been replacing thermoelectric devices in most applications. These semiconductors are classified in terms of properties such as n-type/p-type/intrinsic, and they are used as a single substance or by bonding several of them together. There are various characteristics such as diodes, transistors, thyristors, etc. that detect light or radiation, feel temperature, and are sensitive to magnetic fields or pressure, and are widely used in various fields.
본 명세서에서 사용되는 "웨이퍼(wafer)"는 반도체 직접 회로를 만드는 재료가 되는 얇은 원판으로 실리콘(Si)이나 갈륨아세나이드(GaAs) 등을 성장시켜 얻은 ingot(단결정 기둥)을 적당한 지름으로 얇게 썬 둥근 판을 말한다.The "wafer" used in this specification is a thin disk that is used to make a semiconductor integrated circuit, and an ingot (single crystal column) obtained by growing silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs), etc., is thinly cut into a suitable diameter. Refers to the round plate.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치에 대한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 1 is a diagram schematically showing an embodiment of a biomolecule extraction apparatus according to the present invention.
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출하는 장치로, 전기장 인가에 의해 나노포어를 통해 이동할 수 있는 바이오 분자를 추출할 때 이용될 수 있으며, 특히 핵산 추출에 이용될 수 있다. 이하에서는 바이오 분자가 핵산인 경우에 대해 설명하나, 본 발명에서 바이오 분자가 핵산으로 한정되는 것은 아니다.The
핵산의 추출은 생물학적 연구분야에서 필수적인 단계로 DNA 증폭을 위한 중합 효소 연쇄 반응(PCR)을 위해 다량의 정제된 핵산을 필요로 하는데 종래에는 연구인력의 수작업으로 생물학적 물질 또는 핵산을 분리하였으나 상기 방법은 복잡한 과정으로 인해 많은 시간이 소요됨에 따라 고비용이 발생하고 낮은 생산 수율을 나타내는 등 여러 한계가 존재하였다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 생물학적 시료로부터 목적하는 생물학적 물질 또는 핵산을 추출하기 위한 자동화 장치의 제조에 관한 많은 연구가 수행되고 있는데 이러한 점에서 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 종래의 복잡한 과정 및 낮은 생산 수율 등 여러 한계점을 극복한 핵산 추출 장치라 할 수 있다.Nucleic acid extraction is an essential step in the field of biological research and requires a large amount of purified nucleic acid for polymerase chain reaction (PCR) for DNA amplification. As it takes a lot of time due to a complicated process, there are several limitations, such as high cost and low production yield. In order to overcome this limitation, many studies have been conducted on the manufacture of an automated device for extracting a desired biological material or nucleic acid from various biological samples. In this respect, the
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)는 제1 용기(110), 제2 용기(120), 나노필터(130), 제1 전극(140), 제2 전극(150) 및 교류 전원(160)을 구비한다. 1, the
제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 각각 내부에 수용부가 형성되어 있으며, 제1 용기(110)에는 제1 용액(115)이 담지되며, 제2 용기(120)에는 제2 용액(125)이 담지된다. 제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 나노필터(nanofilter, 130)에 의해 구획되며, 나노필터(130)에는 복수의 나노포어(nanopore)가 균일하게 형성되어 있다. 제1 전극(140)은 제1 용기(110)의 수용부에 배치되어 제1 용액(115)에 침지되고, 제2 전극(150)은 제2 용기(120)의 수용부에 배치되어 제2 용액(125)에 침지된다. The
제1 용액(115)과 제2 용액(125) 중 어느 하나는 핵산 분자를 포함하는 시료를 포함하고, 다른 하나는 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액을 포함한다. 본 실시예에서는 제1 용액(115)에 핵산 분자를 포함하는 시료가 포함되고, 제2 용액(115)에 증류수, 완충액 또는 PCR 반응액이 포함된다. 이때, 이때 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액일 수 있다.One of the
제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈룸(Ta), 텔루르(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 각각 단일층이거나 복합층일 수도 있다.The
교류 전원(160)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어, 바이오 분자 추출 장치(100)에 교류 전류를 인가한다. 그리고 교류 전원(160)은 오프셋 전압(offset voltage)을 더 인가할 수 있다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V일 수 있으며, 바람직하게는 2 내지 3V일 수 있다.The
이와 같이, 제1 용기(110)에 핵산 분자를 포함하는 시료가 포함된 제1 용액(115)을 담지하고, 제2 용기(120)에 PCR 반응액이 포함된 제2 용액(125)을 담지한 후, 2개의 전극(140, 150)과 전기적으로 연결된 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하면, 전하를 띄고 있는 핵산 분자가 나노필터(130)에 형성되어 있는 나노포어를 통해 이동하게 되는데, 제1 용액(115)에 포함된 여러 생물학적 물질 중 나노크기(nanosize)를 가진 핵산만이 나노포어를 통해 이동할 수 있어, 고순도의 핵산을 별도의 추출 및 정제 장치나 추출 및 정제 과정 없이 신속하고 효율적으로 추출할 수 있고, 추출된 핵산은 바로 연구에 이용할 수 있다.In this way, the
도 1에서는 제2 용기(120)가 상부에 배치되고, 제1 용기(110)가 하부에 배치되며, 제2 용기(120)가 제1 용기(110)의 수용부 내에 배치되는 형태로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다. 즉, 제1 용기(110)와 제2 용기(120)의 위치, 배치 등과 관계없이 나노필터(130)에 의해 제1 용기(110)와 제2 용기(120)가 구획되고, 제1 용기(110)에 담지된 제1 용액(115) 및/또는 제2 용기(120)에 담지된 제2 용액(125)에 포함된 바이오 분자가 교류 전류에 의해 나노필터(130)에 형성된 나노포어를 통해 이동이 가능한 구조를 갖는다면, 제1 용기(110), 제2 용기(120) 및 나노필터(130)의 배치는 한정되지 않는다.In FIG. 1, the
복수의 나노포어가 균일하게 형성된 구조를 갖는 나노필터(130)는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 본 발명에서 나노필터(130)의 물질, 제조방법 등은 특별히 한정되지 않는다. 나노필터(130)의 제조공정의 일 예를 도 2에 나타내었다.The
도 2에 도시된 제조공정은 일반적인 반도체소자(semiconductor device) 제조공정에 이용되는 일반적인 제조공정으로, 먼저, 반도체의 재료가 되는 웨이퍼(wafer)의 상, 하부 멤브레인에 LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 방법에 의해 질화실리콘(SiN)층을 500nm 정도의 두께로 증착한다. 이후, 상부 질화실리콘층 상에 임프린트 레지스트를 코팅하고, 임프린팅함으로써 패턴을 형성한다. 패턴은 200nm 정도의 간격으로 형성한다. 이때 패턴의 간격이 나노포어의 크기를 결정하게 된다. 그리고 이 패턴을 이용하여 상부 질화실리콘층의 일부를 건식식각(dry etching)한다. 이후, 하부 질화실리콘층에 포토레지스트(photoresist)를 도포하고 포토리소그래피(photolithography) 공정을 통해 하부 질화실리콘층을 노출시킨다. 그리고 하부 질화실리콘층을 건식식각한 이후, 포토레지스트를 제거한다. 이후, 실리콘 웨이퍼를 KOH 수용액을 이용하여 습식식각(wet etching)하여 상부 질화실리콘층의 후면을 노출시킨다. 그리고 상부 질화실리콘층의 후면(backside)을 부분적으로 식각하게 되면 균일한 나노포어를 형성할 수 있게 된다.The manufacturing process shown in FIG. 2 is a general manufacturing process used in a general semiconductor device manufacturing process. First, LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) on upper and lower membranes of a wafer used as a semiconductor material. A silicon nitride (SiN) layer is deposited to a thickness of about 500 nm by the method. Thereafter, an imprint resist is coated on the upper silicon nitride layer and imprinted to form a pattern. Patterns are formed at intervals of about 200 nm. At this time, the spacing of the pattern determines the size of the nanopores. Then, a part of the upper silicon nitride layer is dry etched using this pattern. Thereafter, a photoresist is applied to the lower silicon nitride layer, and the lower silicon nitride layer is exposed through a photolithography process. Then, after dry etching the lower silicon nitride layer, the photoresist is removed. Thereafter, the silicon wafer is wet etched using an aqueous KOH solution to expose the rear surface of the upper silicon nitride layer. In addition, when the backside of the upper silicon nitride layer is partially etched, uniform nanopores can be formed.
도 3은 상기의 방법으로 제조된 나노필터의 주사전자현미경 사진이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기의 방법으로 나노필터를 제조하는 경우, 복수의 나노포어가 균일하게 형성되었음을 알 수 있다. 다만, 상기의 나노필터 제조방법은 복수의 나노포어를 균일하게 형성시키는 일 예에 해당할 뿐, 본 발명을 제한하지 않음은 물론이다. 상기에서 도시하고 설명한 방법 외에 나노포어를 균일하게 형성할 수 있는 다른 방법을 이용하여 나노필터를 제조할 수 있으며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.3 is a scanning electron micrograph of the nanofilter manufactured by the above method. As shown in FIG. 3, when a nanofilter is manufactured by the above method, it can be seen that a plurality of nanopores are uniformly formed. However, the method of manufacturing the nanofilter is only an example of uniformly forming a plurality of nanopores, and does not limit the present invention. In addition to the method illustrated and described above, a nanofilter may be manufactured using another method capable of uniformly forming nanopores, and the present invention is not limited thereto.
나노필터(130)의 소재는 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물, 또는 반도체산화물일 수 있다, 상기 반도체는 도핑되거나 도핑되지 않은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga)화합물, 실리콘카바이드(SiC), 셀레늄(Se), 질화붕소(BN), 인화붕소(BP), 비소화붕소(BAs)일 수 있다. 상기 금속질화물은 티타늄나이트라이드(TiN), 알루미늄나이트라이드(AlN), 탄탈룸나이트라이드(TaN), 인듐나이트라이드(InN), 갈륨나이트라이드(GaN)일 수 있고, 상기 반도체질화물은 실리콘나이트라이드(SiNx)일 수 있다. 상기 금속인화물은 인화알루미늄(AlP), 인화인듐(InP), 인화갈륨(GaP)일 수 있고, 상기 금속 황화물은 몰리브덴디설파이드(MoS)일 수 있으며, 상기 금속비소화물은 갈륨아세나이드(GaAs), 인듐아세나이드(InAs), 알루미늄아세나이드(AlAs) 또는 카드뮴아세나이드(Cd3As2)일 수 있으며, 상기 금속인화물은 코발트포아스파이드(CoP), 인화철(FeP), 니켈포스파이드(NiP), 바나듐포스파이드(VP), 텅스텐포스파이드(WP), 알루미늄포스파이드(AlP), 인듐포스파이드(InP)일 수 있다. 상기 금속산화물은 제1산화구리(Cu2O), 제2산화구리(CuO), 비스무스옥사이드(Bi2O3), 티타늄옥사이드(TiO2), 하프늄옥사이드(HfO2)일 수 있으며, 상기 반도체산화물은 실리콘옥사이드(SiO2) 또는 게르마늄옥사이드(GeO2)일 수 있다. The material of the
나노필터(130)의 두께는 10 nm 내지 5 μm일 수 있으나, 적절히 조절되어 제작될 수 있고 나노포어의 크기도 3 내지 300 nm의 직경으로 시료의 종류와 연구자의 목적에 따라 적절히 조절될 수 있다.The thickness of the
본 발명의 연구자들은 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 바이오 분자를 추출할 때 추출 효율을 높이기 위해 상술한 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로(electrochemical circuit) 분석을 실시하였다. 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로를 도 4에 개략적으로 나타내었다.Researchers of the present invention performed an electrochemical circuit analysis of the above-described
본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전류 흐름을 살펴보면, 교류 전원(160)을 통해 인가된 전류가 제1 전극(140), 제1 용액(115), 나노필터(130)의 나노포어, 제2 용액(125), 제2 전극(150) 순으로 흐르게 된다(역순도 가능하다). 2개의 전극(140, 150)은 도체이므로 큰 저항이 없으나, 2개의 용액(115, 125)과 나노필터(130)에는 각각 저항과 정전용량이 병렬이 연결된 회로를 갖게 된다. 그리고 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에는 전하 이동(charge transfer)에 대한 저항과 전기이중층(electrical double layer)에 의해 형성된 정전용량이 병렬로 연결된 회로를 갖게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치(100)의 전기화학적 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 병렬로 연결된 저항과 정전용량 5개가 직렬로 연결된 구조를 갖게 된다.Looking at the current flow of the
도 4에서, 나노필터(130)의 나노포어의 저항과 정전용량은 각각 Rpore(포어저항)와 Cpore(포어정전용량)로 나타내었고, 제1 용액(115)의 저항과 정전용량은 각각 Rs1(제1 용액저항), Cs1(제1 용액정전용량)으로 나타내었으며, 제2 용액(125)의 저항과 정전용량은 각각 Rs2(제2 용액저항), Cs2(제2 용액 정전용량)로 나타내었다. 그리고 제1 전극(140)과 제1 용액(115)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct1(제1 계면저항), Cdl1(제1 계면정전용량)으로 나타내었고, 제2 전극(150)과 제2 용액(125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항과 전기이중층에 의해 형성된 정전용량은 각각 Rct2(제2 계면저항), Cdl2(제2 계면정전용량)로 나타내었다.In FIG. 4, resistance and capacitance of the nanopores of the
바이오 분자 추출 효율을 높이기 위해서는 바이오 분자를 포함하는 시료가 포함되어 있는 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 큰 전압이 인가되어야 한다. 즉, 전체 회로의 임피던스 중 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)의 임피던스가 차지하는 비중이 증가할수록 바이오 분자 추출 효율이 증가하게 된다. 그러나 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전하 이동에 대한 저항인 계면저항(Rct1, Rct2)이 전체 회로의 다른 저항들에 비해 매우 큰 값을 가지므로, 전체 회로에서 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않게 된다. 따라서 전체 회로에서 교류 전원이 아니라 직류 전원을 통해 직류 전류가 인가되면, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 인가되는 전압이 크지 않아 바이오 분자 추출 효율이 크지 않게 된다.In order to increase the biomolecule extraction efficiency, a large voltage must be applied to the
그러나 본 발명에서와 같이 교류 전원(160)을 통해 교류 전류를 인가하는 경우, 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에서의 전기이중층에 의해 형성된 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스는 인가되는 교류 전류의 주파수(frequency)가 커질수록 작아지는 특성을 보이므로, 교류 전류의 주파수를 소정의 값 이상으로 증가시키면, 계면저항(Rct1, Rct2)을 무시할 수 있을 정도로 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의한 임피던스가 작아지게 할 수 있어, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 회로를 구성할 수 있게 된다. 본 명세서에서 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시된 상태의 의미는 저항과 정전용량이 병렬로 연결되어 있을 때, 정전용량에 의한 임피던스가 저항에 비해 현저히 작아, 전체 임피던스의 값과 정전용량에 의한 임피던스의 값의 차이가 거의 없는 경우를 의미한다.However, when an AC current is applied through the
이와 같이 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향력이 무시될 정도로 하는 주파수의 교류 전류 전류를 인가하는 경우, 전체 회로에서 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면에 인가되는 전압보다 용액(115, 125)에 인가되는 전압이 더 크게 되어, 제1 용액(115) 및/또는 제2 용액(125)에 존재하는 바이오 분자가 더 큰 전기장을 받아 이동하게 되며, 이는 곧 바이오 분자 추출 효율이 증가하는 결과를 가져오게 된다. 따라서, 교류 전원(160)은 교류 전원(160)을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하여 바이오 분자 추출 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.In this way, when an AC current with a frequency such that the influence of the interface resistance (R ct1 , R ct2 ) is negligible is applied, the voltage applied to the interface between the
도 4에 도시된 전기화학적 회로를 전기화학적 임피던스 분석법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)을 이용하여 분석한 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 100mM인 경우, 인가되는 교류 전류의 주파수 변화에 따른 전체 회로의 임피던스 값을 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.The results of analyzing the electrochemical circuit shown in FIG. 4 using an electrochemical impedance spectroscopy (EIS) are shown in FIG. 5. 5 is a diagram showing impedance values of the entire circuit according to a frequency change of an applied AC current when the concentration of a sample containing biomolecules is 100 mM. In this case, the offset voltage was 0V.
도 5에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 것을 알 수 있다. 도 5의 A구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 전극(140, 150)과 용액(115, 125)의 계면의 계면저항(Rct1, Rct2)과 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)에 의해 결정되며, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가할수록 계면정전용량(Cdl1, Cdl2)이 감소하여, 계면저항(Rct1, Rct2)의 영향이 감소하게 되는 것을 알 수 있다. 도 5의 B구간은 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값은 크게 변화하지 않는 구간으로, B구간에서의 전체 회로의 임피던스 값은 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 크게 좌우된다. 도 5의 C구간은 다시 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가함에 따라 전체 회로의 임피던스 값이 감소하는 구간으로, 용액(115, 125)의 용액정전용량(Cs1, Cs2)에 의한 임피던스 값이 영향을 미치는 구간에 해당한다. As shown in FIG. 5, it can be seen that as the frequency of the applied AC current increases, the impedance value of the entire circuit decreases. The impedance value of the entire circuit in section A of FIG. 5 is based on the interfacial resistance (R ct1 , R ct2 ) and the interfacial capacitance (C dl1 , C dl2 ) of the interface between the
따라서, 바이오 분자의 추출 효율을 높이기 위해서는 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)이나 용액정전용량(Cs1, Cs2)이 전체 회로의 임피던스에 큰 영향을 미치는 도 5의 B구간이나 C구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 필요하다. 다만, 전력소모를 감소시키기 위해서는 도 5의 B구간에 해당하는 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 더 바람직하다.Therefore, in order to increase the extraction efficiency of biomolecules, the solution resistance (R s1 , R s2 ) or the solution capacitance (C s1 , C s2 ) of the
도 6은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화에 따른 전기화학적 임피던스 분석법을 이용하여 분석한 결과를 나타낸 도면이다. 이 경우 오프셋 전압은 0V이었다.6 is a diagram showing the results of analysis using an electrochemical impedance analysis method according to a change in concentration of a sample containing biomolecules. In this case, the offset voltage was 0V.
바이오 분자를 포함하는 시료의 농도 변화는 전체 회로에서 용액(115, 125)의 용액저항(Rs1, Rs2)에만 영향을 미친다. 즉, 시료의 농도가 증가하게 되면, 용액저항(Rs1, Rs2)만 감소하게 되고, 다른 저항이나 정전용량은 변화하지 않는다. 따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 인가되는 교류 전류의 주파수가 증가하더라도 전체 회로의 임피던스 값이 크게 변화하지 않는 구간에서의 임피던스 값은 용액저항(Rs1, Rs2)에 가장 큰 영향을 받으므로, 이 구간에서의 용액저항(Rs1, Rs2)은 시료의 농도가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 도 6에 도시된 바와 같이, 시료의 농도가 증가하여 용액저항(Rs1, Rs2)이 감소하게 되면, 용액(115, 125)에 인가되는 전압을 증가시키기 위해서 보다 큰 주파수를 갖는 교류 전류가 인가해야 됨을 알 수 있다. The change in the concentration of the sample containing biomolecules affects only the solution resistance (R s1 , R s2) of the solutions 115 and 125 in the entire circuit. That is, when the concentration of the sample increases, only the solution resistance (R s1 , R s2 ) decreases, and other resistances or capacitances do not change. Therefore, as shown in Fig. 6, even if the frequency of the applied AC current increases, the impedance value in the section in which the impedance value of the entire circuit does not change significantly is affected most by the solution resistance (R s1 , R s2 ). , It can be seen that the solution resistance (R s1 , R s2 ) in this section decreases as the concentration of the sample increases. However, as shown in FIG. 6, when the concentration of the sample increases and the solution resistance (R s1 , R s2 ) decreases, an alternating current having a higher frequency in order to increase the voltage applied to the
즉, 교류 전원(160)은 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가해야 바이오 분자 추출 효율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도에 따라 변경될 수 있으나, 교류 전원은 10Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 그리고 전력 소모를 감소하기 위해 106Hz 이하의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다.That is, as the concentration of the sample containing the biomolecules increases, the
상술한 바와 같이, 바이오 분자 추출 효율을 증가시키기 위해서는 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 상기에서 살펴본 바와 같이, 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하면, 바이오 분자가 보다 큰 전기장을 받아 이동을 보다 활발히 하게 되나, 오프셋 전압(offset voltage)을 인가하지 않는다면, 바이오 분자의 이동에 방향성이 부여되지 않아, 바이오 분자가 제1 용액(115)과 제2 용액(125) 사이를 계속 왔다갔다 할 수도 있다. 따라서, 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 보다 큰 전압이 인가되도록 하기 위해서, 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가하는 것도 필요하지만, 바이오 분자의 이동에 방향성을 부여하여 바이오 분자 추출 효율을 증가시키 위해서는 오프셋 전압을 함께 인가하여야 한다. 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V를 인가할 수 있다.As described above, in order to increase the biomolecule extraction efficiency, it is preferable to apply an alternating current having a frequency of at least a certain level. As described above, when an alternating current having a frequency of a certain level or higher is applied, the biomolecules receive a larger electric field and move more actively, but if an offset voltage is not applied, the biomolecules are directional. Because this is not given, the biomolecules may continuously move back and forth between the
도 7은 오프셋 전압에 따른 추출효율을 나타낸 도면이다. 각 농도별 그래프 중 가장 왼쪽 그래프는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이고, 각 농도별 그래프 중 가운데 그래프는 교류 전류와 1V 오프셋 전압을 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이며, 각 농도별 그래프 중 가장 오른쪽 그래프는 직류 전류를 인가한 경우 추출 효율을 나타낸 것이다.7 is a diagram showing extraction efficiency according to an offset voltage. The leftmost graph of each concentration graph shows the extraction efficiency when AC current and 2V offset voltage are applied, and the middle graph of each concentration graph shows the extraction efficiency when AC current and 1V offset voltage are applied. Among the graphs by concentration, the rightmost graph shows the extraction efficiency when DC current is applied.
도 7을 참조하면, 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 함께 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 오프셋 전압이 1V인 경우보다 2V인 경우가 추출 효율이 유의미하게 더 증가한 것을 알 수 있다. 또한, 오프셋 전압이 2V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 차이가 크지 않음에 반해, 오프셋 전압이 1V인 경우에는 초기 DNA 농도에 따른 추출 효율의 편차가 커서, 오프셋 전압이 2V 이상 인가되는 것이 더 바람직하다는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the extraction efficiency is very small when only DC current is applied. On the other hand, it can be seen that when AC current and offset voltage are applied together, extraction efficiency is significantly increased compared to when only DC current is applied. In addition, it can be seen that the extraction efficiency is significantly increased when the offset voltage is 2V than when the offset voltage is 1V. In addition, when the offset voltage is 2V, the difference in extraction efficiency according to the initial DNA concentration is not large, whereas when the offset voltage is 1V, the difference in extraction efficiency according to the initial DNA concentration is large. It can be seen that it is more desirable.
도 8은 E.coli 박테리아 초기 농도별 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 위에 나타낸 그래프는 104Hz 주파수를 갖는 교류 전류와 2V 오프셋 전압을 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이고, 아래에 나타낸 그래프는 2V 직류 전류를 인가한 경우의 추출 효율을 나타낸 것이다.8 is a diagram showing the extraction efficiency according to the initial concentration of E. coli bacteria. At this time, the graph shown above shows the extraction efficiency when an AC current having a frequency of 10 4 Hz and a 2V offset voltage are applied, and the graph shown below shows the extraction efficiency when a 2V DC current is applied.
도 8을 참조하면, 도 7과 마찬가지로 직류 전류만 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 작은 것을 알 수 있다. 이에 비해, 교류 전류와 오프셋 전압을 인가한 경우에는 직류 전류만 인가한 경우에 비해 추출 효율이 현저히 증가한 것을 알 수 있다. 초기 농도가 어느 수준 이상인 경우, 즉 103(CFU)이하로 매우 작은 경우를 제외하면, 50% 이상의 추출 효율을 나타내 매우 우수한 추출 효율을 나타낸 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the extraction efficiency is very small when only direct current is applied as in FIG. 7. In contrast, when AC current and offset voltage were applied, extraction efficiency was significantly increased compared to when only DC current was applied. Except for the case where the initial concentration is more than a certain level, that is , very small as 10 3 (CFU) or less, it can be seen that the extraction efficiency is 50% or more, indicating very excellent extraction efficiency.
도 9는 인가되는 교류 전류의 주파수에 따른 E.coli 박테리아 추출 효율을 나타낸 도면이다. 이때 오프셋 전압은 2V를 인가하였다.9 is a diagram showing the efficiency of extracting E. coli bacteria according to the frequency of the applied alternating current. At this time, 2V was applied as the offset voltage.
도 9를 참조하면, 1Hz 주파수의 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 매우 낮았으나, 102Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가한 경우에는 추출 효율이 현저히 증가하였으며, 그 이후에는 더 큰 주파수를 인가하여도 추출 효율이 크게 증가하지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서 전력소모를 줄이기 위해 106Hz 이상의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가할 필요성은 크지 않다.Referring to FIG. 9, when an AC current having a frequency of 1 Hz was applied, the extraction efficiency was very low, but when an AC current having a frequency of 10 2 Hz or higher was applied, the extraction efficiency was significantly increased, and thereafter, the higher frequency It can be seen that even if is applied, the extraction efficiency does not increase significantly. Therefore, it is not necessary to apply an AC current having a frequency of 10 6 Hz or more to reduce power consumption.
상술한 바와 같이, 나노 필터(130)를 이용하여 전기장을 인가하여 바이오 분자를 추출하면, 간단한 방법을 추출 및 정제과정을 수행할 수 있다. 다만, 직류 전류를 인가하면 추출 효율이 높지 않은 문제점이 있었으나, 교류 전류를 인가하면 추출 효율을 현저히 증가시킬 수 있게 된다. 이를 위해 교류 전원은 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가한다. 이때 기설정된 효율은 20% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 40% 이상, 더욱 바람직하게는 50% 이상일 수 있다. 즉, 일정 수준 이상의 주파수를 갖는 교류 전류와 오프셋 전압을 이용하면 추출 효율을 50% 이상이 되도록 할 수 있게 된다.As described above, when biomolecules are extracted by applying an electric field using the nano-
이상에서는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 장치에 대해 도시하고 설명하였다. 이하에서는 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법에 대해 설명한다. In the above, the biomolecule extraction apparatus according to the present invention has been illustrated and described. Hereinafter, a biomolecule extraction method according to the present invention will be described.
도 10은 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예를 수행하는 흐름도이다. 10 is a flowchart illustrating an embodiment of a method for extracting biomolecules according to the present invention.
본 실시예에 따른 바이오 분자 추출 방법은 도 1에 도시된 바이오 분자 추출 장치(100)를 이용하여 설명하나, 이에 한정된 것은 아니며, 나노포어가 형성되어 있는 나노필터에 의해 구획되며, 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출할 수 있는 장치라면 다른 장치를 이용할 수도 있다.The biomolecule extraction method according to the present embodiment is described using the
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 분자 추출 방법의 일 실시예는 우선, 제1 용기(110)에 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하는 제1 용액(115)을 위치시키고, 제2 용기(120)에 추출 후의 바이오 분자를 담지하기 위한 제2 용액(125)를 위치시킨다(S1010). 예컨대, 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액이다. 그리고 제2 용액은 증류수, 완충액 또는 PCR 반응액이다. 제1 용기(110)와 제2 용기(120)는 나노포어가 형성되어 있는 나노필터(130)로 구획되며, 나노포어는 3 내지 300nm의 직경을 갖고, 나노필터의 두께는 10nm 내지 5μm일 수 있다. 나노필터(130)의 소재는 반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물, 또는 반도체산화물일 수 있다. 나노필터(130)의 구체적인 소재는 상술한 것으로 대체하고 여기서는 생략한다.Referring to FIG. 10, in an embodiment of the method for extracting biomolecules according to the present invention, first, a
다음으로, 제1 용액(115)에 침지되어 있는 제1 전극(140)과 제2 용액(125)에 침지되어 있는 제2 전극(150)과 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원을 통해 교류 전류를 인가하여 바이오 분자를 추출한다(S1020). Next, an AC current is applied through an AC power source electrically connected to the
상술한 바와 같이, 바이오 분자의 추출 효율을 높이기 위해, 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 제1 용액(115)과 제2 용액(125)에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 교류 전원(160)을 통해 인가한다. 이를 위해 교류 전류는 상술한 바와 같이, 제1 용액(115)과 제1 전극(140)에 형성된 전하 이동에 대한 제1 계면저항(Rct1)과 제2 용액(125)과 제2 전극(150)에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항(Rct2)이 무시될 수 있는 주파수 이상의 주파수를 갖는 것이 바람직하다. As described above, in order to increase the extraction efficiency of biomolecules, an alternating current having a frequency such that a voltage equal to or higher than a predetermined ratio among voltages applied through an AC power source is applied to the
또한, 교류 전원(160)은 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가한다. 이때 기설정된 효율은 20%일 수 있으며, 바람직하게는 40% 이상, 더욱 바람직하게는 추출 효율이 50% 이상이 되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가한다. 이를 위해 교류 전원(160)은 10 ~ 106Hz의 주파수를 갖는 교류 전류를 인가한다.In addition, the
그리고 상술한 바와 같이, 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가할수록 제1 용액(115)의 제1 용액저항(Rs1)이 감소하므로, 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하여야 높은 추출 효율을 획득할 수 있다.And, as described above, as the concentration of the sample containing biomolecules increases, the first solution resistance (R s1 ) of the
또한, 상술한 바와 같이, 바이오 분자의 이동에 방향성을 부여하기 위해 교류 전원은 오프셋 전압을 인가하는 것이 바람직하며, 이때 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0V일 수 있고, 바람직하게는 2 ~ 3V의 오프셋 전압을 인가한다.In addition, as described above, it is preferable to apply an offset voltage to the AC power source in order to give direction to the movement of the biomolecules, and at this time, the offset voltage may be 0.1 to 5.0V, preferably an offset voltage of 2 to 3V. Is applied.
이와 같은 방법으로 바이오 분자를 추출하게 되면, 보다 간단한 방법으로 신속히 높은 추출 효율로 바이오 분자를 추출할 수 있게 된다.When biomolecules are extracted in this way, it is possible to quickly extract biomolecules with high extraction efficiency with a simpler method.
이상에서 본 발명의 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and is not departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Anyone with knowledge can implement various modifications, as well as such modifications will be within the scope of the description of the claims.
또한, 본 발명의 범위는 상기 발명의 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the description of the invention, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and the concept of equivalents thereof are interpreted as being included in the scope of the present invention. It should be.
Claims (30)
상기 제1 용액 내에 침지되는 제1 전극;
상기 제2 용액 내에 침지되는 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 교류 전원;을 포함하고,
상기 제1 용액과 상기 제2 용액 중 어느 하나는, 상기 교류 전원을 통해 인가되는 교류 전류에 의해 상기 나노필터에 형성되어 있는 나노포어를 통해 이동이 가능한 바이오 분자를 포함하는 시료를 포함하며,
상기 교류 전원은,
상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가하고,
상기 바이오 분자는, 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산, 엑소좀 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.A nanofilter disposed between the first solution and the second solution and having nanopores formed thereon;
A first electrode immersed in the first solution;
A second electrode immersed in the second solution; And
Including; AC power supply electrically connected to the first electrode and the second electrode,
Any one of the first solution and the second solution includes a sample containing biomolecules that are movable through nanopores formed in the nanofilter by an alternating current applied through the alternating current power,
The AC power supply,
The first interface resistance for charge transfer formed on the first solution and the first electrode and the second interface resistance for charge transfer formed on the second solution and the second electrode are of negligible frequency. Applying an alternating current,
The biomolecule is a biomolecule extraction apparatus comprising at least one selected from proteins, carbohydrates, lipids, nucleic acids, and exosomes.
상기 교류 전원은,
상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 1,
The AC power supply,
Apparatus for extracting biomolecules, characterized in that applying an AC current having a frequency such that a voltage equal to or higher than a predetermined ratio among voltages applied through the AC power source is applied to the first solution and the second solution.
상기 교류 전원은,
상기 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 1,
The AC power supply,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that applying an alternating current of a frequency at which the extraction efficiency of the biomolecules exceeds a preset efficiency.
상기 기설정된 효율은 20%인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 4,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the preset efficiency is 20%.
상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the frequency of the AC power is 10 Hz or more.
상기 교류 전원의 주파수는 106 Hz 이하인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 6,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the frequency of the AC power is 10 6 Hz or less.
상기 교류 전원은,
상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
The AC power supply,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that applying an alternating current of a higher frequency as the concentration of the sample containing the biomolecule increases.
상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the offset voltage is further applied to the AC power.
상기 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 9,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the offset voltage is 0.1 to 5.0 V.
상기 제1 용액과 상기 제2 용액 중 어느 하나는 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 다른 하나는 증류수, 완충액, 또는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 반응액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
One of the first solution and the second solution is a sample containing nucleic acid molecules, and the other is distilled water, a buffer solution, or a PCR (Polymerase Chain Reaction) reaction solution.
상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method of claim 11,
The biomolecule extraction device, characterized in that the sample containing the nucleic acid molecule is blood, serum, plasma, urine, sweat, tear, tissue or cell lysate.
상기 나노포어는 3 내지 300 nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the nanopores have a diameter of 3 to 300 nm.
상기 나노필터의 두께는 10 nm 내지 5 μm인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 and 5,
Biomolecule extraction apparatus, characterized in that the thickness of the nanofilter is 10 nm to 5 μm.
상기 나노필터의 소재는,
반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물 및 반도체산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 장치.The method according to any one of claims 1, 2, 4 or 5,
The material of the nanofilter,
Biomolecule extraction, characterized in that at least one selected from the group consisting of semiconductors, metals, metal nitrides, semiconductor nitrides, metal sulfides, semiconductor sulfides, metal phosphides, semiconductor phosphides, metal arsenides, semiconductor arsenides, metal oxides and semiconductor oxides Device.
상기 제1 용액에 침지되어 있는 제1 전극과 상기 제2 용액에 침지되어 있는 제2 전극과 전기적으로 연결되어 있는 교류 전원을 통해 교류 전류를 인가하여 상기 바이오 분자를 추출하는 단계;를 포함하고,
상기 교류 전원은,
상기 제1 용액과 상기 제1 전극에 형성된 전하 이동(charge transfer)에 대한 제1 계면저항과 상기 제2 용액과 상기 제2 전극에 형성된 전하 이동에 대한 제2 계면저항이 무시될 수 있는 주파수의 교류 전류를 인가하고,
상기 바이오 분자는, 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산, 엑소좀 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.A first solution containing a sample containing a biomolecule to be extracted and a second solution for supporting the biomolecule after extraction are placed in two compartments separated by a nanofilter in which a nanopore is formed. step; And
Extracting the biomolecules by applying an AC current through an AC power source electrically connected to a first electrode immersed in the first solution and a second electrode immersed in the second solution; and
The AC power supply,
The first interface resistance for charge transfer formed on the first solution and the first electrode and the second interface resistance for charge transfer formed on the second solution and the second electrode are of negligible frequency. Applying an alternating current,
The biomolecule is a biomolecule extraction method comprising at least one selected from proteins, carbohydrates, lipids, nucleic acids, and exosomes.
상기 교류 전원은,
상기 교류 전원을 통해 인가되는 전압 중 기설정된 비율 이상의 전압이 상기 제1 용액과 상기 제2 용액에 인가되도록 하는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 16,
The AC power supply,
Biomolecule extraction method, characterized in that applying an AC current having a frequency such that a voltage equal to or greater than a predetermined ratio among voltages applied through the AC power source is applied to the first solution and the second solution.
상기 교류 전원은,
상기 바이오 분자의 추출 효율이 기설정된 효율 이상이 되는 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 16,
The AC power supply,
Biomolecule extraction method, characterized in that applying an alternating current of a frequency at which the extraction efficiency of the biomolecules is equal to or higher than a preset efficiency.
상기 기설정된 효율은 20%인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 19,
Biomolecule extraction method, characterized in that the preset efficiency is 20%.
상기 교류 전원의 주파수는 10 Hz 이상인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
Biomolecule extraction method, characterized in that the frequency of the AC power is 10 Hz or more.
상기 교류 전원의 주파수는 106 Hz 이하인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 21,
Biomolecule extraction method, characterized in that the frequency of the AC power is 10 6 Hz or less.
상기 교류 전원은,
상기 바이오 분자를 포함하는 시료의 농도가 증가함에 따라 더 큰 주파수의 교류 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
The AC power supply,
Biomolecule extraction method, characterized in that applying an alternating current of a higher frequency as the concentration of the sample containing the biomolecule increases.
상기 교류 전원은 오프셋 전압이 더 인가되는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
Biomolecule extraction method, characterized in that the offset voltage is further applied to the AC power.
상기 오프셋 전압은 0.1 내지 5.0 V인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 24,
Biomolecule extraction method, characterized in that the offset voltage is 0.1 to 5.0 V.
상기 제1 용액은 핵산 분자를 포함하는 시료이고, 상기 제2 용액은 증류수, 완충액, 또는 PCR 반응액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
The first solution is a sample containing nucleic acid molecules, and the second solution is distilled water, a buffer solution, or a PCR reaction solution.
상기 핵산 분자를 포함하는 시료는 혈액, 혈청, 혈장, 소변, 땀, 눈물, 조직 또는 세포 파쇄액인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method of claim 26,
The biomolecule extraction method, characterized in that the sample containing the nucleic acid molecule is blood, serum, plasma, urine, sweat, tear, tissue or cell lysate.
상기 나노포어는 3 내지 300 nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
The method for extracting biomolecules, wherein the nanopores have a diameter of 3 to 300 nm.
상기 나노필터의 두께는 10 nm 내지 5 μm인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
Biomolecule extraction method, characterized in that the thickness of the nanofilter is 10 nm to 5 μm.
상기 나노필터의 소재는,
반도체, 금속, 금속질화물, 반도체질화물, 금속황화물, 반도체황화물, 금속인화물, 반도체인화물, 금속비소화물, 반도체비소화물, 금속산화물 및 반도체산화물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 바이오 분자 추출 방법.The method according to any one of claims 16, 17, 19 or 20,
The material of the nanofilter,
Biomolecule extraction, characterized by at least one selected from the group consisting of semiconductors, metals, metal nitrides, semiconductor nitrides, metal sulfides, semiconductor sulfides, metal phosphides, semiconductor phosphides, metal arsenides, semiconductor arsenides, metal oxides and semiconductor oxides Way.
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