KR102321662B1 - 이미지 백화를 이용한 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템 및 이를 이용한 미소유체 반응 관찰 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지 백화 현상의 측정으로 미소유체의 이동 및 반응 진행이 실시간으로 제어 및 관측되는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템과 이를 이용한 미소유체 반응 관찰 방법에 관한 것으로서, 미소 유체가 내부에서 이동가능하고 내부에 반응 챔버(15)가 형성된 플랫폼인 플레이트(10)와, 반응 챔버(15)를 향해 빛을 조사시키는 광원(60) 및, 반응 챔버(15)가 상기 빛을 받아서 반사시키는 빛인 반사광을 수광하여 분석하는 단말기 모듈(70)을 포함함으로써, 극히 미세한 시료의 이동과 반응시간 통제가 육안 관찰 없이도 완전 자동으로 정확하게 제어될 수 있는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템과 이를 이용한 미소유체 반응 관찰 방법을 제공하고자 한다.
Description
본 발명은 이미지 백화 현상의 측정으로 미소유체의 이동 및 반응 진행이 실시간으로 제어 및 관측되는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템과 이를 이용한 미소유체 반응 관찰 방법에 관한 것이다.
효소를 표식자로 하여 항원항체반응(抗原抗體反應)을 이용한 항원(抗原) 또는 항체량(抗體量) 측정 방법을 일반적으로 효소면역분석법으로 총칭한다. 이 방법을 개발한 Enbvall은 최초, 면역흡착제(免疫吸着濟, immunosorbent)를 사하여 이를 Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay(ELISA)라고 부르나 최근에는 방법이 어떠하든 효소면역측정법(酵素免疫反應法)의 총칭(總稱)으로 Enzyme-LinKed ImmunoSpecific Assay(ELISA)로 부르자는 의견이 우세하고 있다. ELISA는 실험방법이 간단하고 정확할 뿐만 아니라 많은 샘플을 한번에 분석할 수 있다는 장점 때문에, 실제 의료 분야뿐만 아니라 단백질 연구 시 가장 많이 사용되는 실험이기도 하다.
종래의 ELISA에서는 96개의 시료 비커 또는 튜브가 96개의 삽입 홀이 형성된 플레이트에 종횡으로 빽빽하게 삽입되어 이루어지는 96-well plate가 이용되어 공정이 수행되며, 비교적 장시간이 소요된 후에 색채로 판독 가능한 자료가 제공된다. 그리고 소요되는 시료의 양은 비커 또는 튜브를 일정 수위만큼 채울 수 있는 양이어야 하므로, 특히 고가의 시료의 경우 공정 수행에 상당한 비용이 소요된다.
따라서 현장에서의 즉석 진단이 필요한 경우에는 장시간이 소요되는 문제와비용 문제로 인해 적용되기 힘든 문제가 있다.
특히 최근 전세계로 퍼진 코로나19 바이러스에 대한 방역 과정에서, 진단에 필요한 기구가 부족하여 방역에 상당한 곤란을 겪고, 즉석 진단이 이루어지기 힘듦으로 인해 코로나 대처를 위한 방역에서 최대 난점이 빠른 진단이 이루어지지 못하는 문제임이 밝혀진 상태이다.
하지만 항체면역반응의 경우 연구소의 학술적 실험뿐만 아니라 광범위한 병원 현장의 시급한 처방을 위해서 광범위하게 이용되고 있으므로 시급한 치료를 위해서는 신속하게 수행될 필요가 있다. 그러나 종래 ELISA 공정은 상당한 시간과 비용 및 노력이 소요되므로 현장 의료의 요구에 부응하지 못하여 제때 정확한 진단을 통한 치료를 받지 못하는 경우가 너무 많다.
ELISA로 이루어지는 반응 과정은 도 1에 도시된 바와 같이 항체 포획 과정과, 포획된 항체에 목표로 하는 항원을 결합시키는 과정과, 항체-항원 결합체에 다시 샌드위치 형태로 항체를 결합시키면서 표식자를 항체와 함께 결합시키는 과정 및, 효소기질을 마지막으로 결합시키는 과정으로 이루어진다. 이때 각 반응 단계마다 항원 또는 항체 등의 시료를 주입시키고 장시간 반응을 기다려야 하고, 각 반응 중간에는 불필요한 반응물들을 세척해서 제거시키는 과정도 필요하다. 따라서 한번의 면역반응에 막대한 시간이 소요될 수밖에 없으며, 종래의 96-well 플레이트가 사용될 경우 반응이 가시적으로 판별될 수 있기 위해 고가의 시료가 상당량이 사용되어 상당한 비용이 소요된다.
한편 종래의 96-well 플레이트 이외에, 종래에는 보다 간단한 검사, 즉 소변이나 땀 또는 즉석 혈액 채취를 통한 임신진단 테스트나 혈당검사와 같은 즉석검사를 위한 핵심적인 도구로서 펄프 재질의 리트머스 용지나 그와 유사한 종이 재질이 사용된다. 이때 리트머스 용지는 일정 부위에 체액과 반응하여 색상이 변하는 항체 물질이 발라져 있고, 상기 일정 부위와 일정한 간격을 두고 체액을 리트머스 용지에 적시면 체액이 펄프 재질의 미세 틈새를 모세관 현상으로 이동하여 항체 물질까지 도달되면서 일어나는 반응으로 인한 변색을 육안으로 판단하여 검사가 이루어진다.
그런데, 이러한 리트머스 용지에서 체액이 이동되는 원리로 모세관 현상이 이용될 경우 반응 시간이 정확하게 제어될 수 없는 문제가 있다. 왜냐하면 혈액의 경우 점도는 연령에 따라 다르므로 리트머스 용지의 모세관 압력에 의한 반응 시간이 연령에 따라 다르게 나타나기 때문이다. 또한 혈액 이외의 체액 성분도 체액에 포함된 단백질 성분의 농도가 연령마다 다를 수 있으며, 이러한 경우 체액이 모세관 현상으로 이동 중 리트머스 용지의 미세한 통로를 단백질 덩어리가 막아버리게 되면서 실제로는 유사한 증상의 환자라도 연령대의 차이 및 기타 이유로 인해 검사 결과가 상당히 다르게 나타날 우려가 있다.
따라서 종래의 ELISA 수행에 사용되던 96-well plate 보다 훨씬 신속하게 항체면역반응 분석이 이루어질 수 있으면서도, 극미량의 시료로도 분석이 가능하여 소요되는 비용도 훨씬 저렴하고, 복수의 반응 과정이 중간 세척을 포함하여 자동으로 수행되어 실험자의 노고가 감소될 수 있으며, 또한 최소한의 크기로 콤팩트 하게 제작 되면서도 다중 반응이 가능하여, 진단이 시급한 위중한 환자에 대해서도 현장에서 신속하게 면역 항체 검사가 가능하여 각종 전염병의 예방과 확산 방지에도 결정적으로 기여할 수 있는 반응 장치에 대한 기술이 요청된다.
또한 혈액을 포함한 체액의 이동이 모세관 현상에 의존되지 않고 그 자체로 온전하게 이동되어 이동통로가 적체되는 단백질로 인해 막히는 현상이 원천적으로 해결될 수 있으면서도 즉석에서 활용 가능하여, 비 특이적 반응이 배재됨으로써 종래 리트머스 용지가 사용된 검사 장비보다 현저하게 정확한 결과를 도출할 수 있는 검사 장비에 대한 기술이 요청된다.
특히 ELISA는 반응 사이에 워싱 버퍼 등의 세척도 필요하고, 세척 후 추가적인 액체 시료에 의한 반응공정이 필요하므로, 현재에는 ELISA의 전 공정이 현장에서 이루어질 수 있는 휴대 가능한 즉석 테스트 플랫폼에 대한 기술은 전무한 실정이다.
한편, 휴대 가능한 소형 장비를 사용하여 미량의 시료 만으로 면역 반응을 수행 하려면 미량의 시료를 정밀하게 다루어야 한다. 즉 반응이 수행되는 지점에 정량을 주입시켜야만 고 해상도의 반응 결과를 얻을 수 있다.
그런데 단지 휴대가능한 크기로만 제작된다면, 더군다나 고요한 실험실이 아닌 현장에서 면역반응이 수행되어야 한다면 미량의 시료를 제어하는데 있어 시료의 양과 속도 조절이 실패하여 비싼 시료가 낭비될 우려가 있으며, 보다 신속한 결과를 얻는데 방해가 될 수 있다.
따라서 장비의 소형화 및 시료 양의 최소화가 궁극적으로 이루어지기 위해서는 숙련도가 없는 초심자라 하더라도 정확한 정량 반응 작업을 수행할 수 있을 정도로 시료의 이동이 정확하게 제어될 수 있는 수단이 필요하다.
특허등록공보 제10-1515020호(공고일자: 2015. 04. 24)
이에 본 발명은 시료 반응 검사, 특히 복잡한 공정과 두 종류 이상의 시약이 투입되어야 하는 항체면역반응검사가 휴대가능한 하나의 장비로 이루어질 수 있게 되어 항체면역반응검사의 공정과 신속성이 종래보다 비약적으로 향상될 수 있을 뿐만아니라, 극히 미세한 시료의 이동과 반응시간 통제가 육안 관찰 없이도 완전 자동으로 정확하게 제어될 수 있는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼 시스템은 액체가 통과 가능한 마이크로채널(16)이 내부에 길게 형성되고, 마이크로채널(16)의 소정 부위에 면역반응이 발생하도록 항체가 고정화된 반응 챔버(15)가 마련되며, 마이크로채널(16)의 단부에 형성되어 외부와 마이크로채널(16)을 연통시키는 주입구(12)가 형성된 판 형태의 부재인 플레이트(10)와, 상기 반응 챔버(15)를 향해 빛을 조사시키는 광원(60) 및, 상기 반응 챔버(15)가 상기 빛을 받아서 반사시키는 빛인 반사광을 수광하여 분석하는 단말기 모듈(70)을 포함하여, 상기 반사광의 색채 분석이 단말기 모듈(70)을 통해 실시간으로 이루어져, 시료 또는 세척액이 반응 챔버(15)에 채워지는 정도가 상기 반사광의 색채 변화에 따라 실시간으로 관측됨으로써, 시료 또는 세척액의 양의 제어가 정밀하게 이루어질 수 있어, 극미량의 체액(S1)으로도 즉석에서 고해상도의 검출 반응 테스트가 가능하다.
여기서 바람직하게는 상기 광원(60)이 반응 챔버(15)를 향해 조사시키는 빛은 레이저 광이고, 상기 색채 정보는 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합될수록 색이 밝아지는 RGB 가산혼합 데이터이며, 상기 RGB 가산혼합 데이터를 실시간으로 분석하여 상기 반응 챔버(15)에 유체가 채워진 양을 분석하는 유체 검출 앱이 단말기 모듈(70)에 탑재되어, 상기 반사광의 RGB 값이 분석됨으로써 수행된다.
이 경우 바람직하게는 상기 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 채액(S1)을 마이크로채널(16) 내부로 흡입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 체액(S1)을 이동시키는 마이크로 펌프(20)가 더 구비되고, 상기 마이크로펌프(20)는 마이크로채널(16)과 연마이크로채널(16) 내부통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시킴으로써 상기 플레이트(10) 간에 서로 상대 가변될 때 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져, 롤러 바의 상대적 위치 변화로 시료를 이송시키며, 상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키는 마이크로 모터를 포함하는 구동 모듈(50) 및, 상기 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 무선으로 연결시키도록 구동 모듈(50)에 설치되는 통신 모듈이 마련되되, 유체 검출 앱은 구동 모듈(50)을 제어하여 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 마이크로 모터를 구동하여 상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키고, 상기 통신 모듈이 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 연결시키면, 구동 모듈(50)의 작동이 시작되어 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시켜 미리 준비된 시료 또는 세척액을 마이크채널(16) 내부로 진입시킨 후 상기 시료 또는 세척액을 반응 챔버(15)로 이동시키며, RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 유체 검출 앱이 상기 마이크로 모터를 정지시킴으로써, 자동으로 상기 시료 또는 세척액이 반응 챔버(15) 내로 유입되는 흐름이 중단되고, 상기 유체 검출 앱이 마이크로 모터를 정지시키는 시간은 시료가 반응 챔버(15) 내에서 반응 또는 세척을 완료하는데 소요되는 시간으로 미리 설정된 규정 체류 시간이다.
또한 상기 플레이트(10)에는 바람직하게는 단부가 마이크로채널(16)의 소정 부위에 연결되는 미세채널로서, 상기 반응 챔버(15)로 세척 용액(W) 또는 액체 시료를 공급할 수 있는 분기 채널(17)이 더 마련되어, 극미량의 체액(S1)으로도 즉석에서 고해상도의 검출 반응 테스트가 가능하고, 상기 반응 챔버(15)에 적어도 하나 이상의 액체 시료가 공급 가능함으로써, 다단계 면역반응 테스트가 가능하며, 상기 분기 채널(17)에는 상기 반응 챔버(15)로 공급될 세척 용액(W) 또는 액체 시료가 체류되는 시료 챔버(171,172)가 분기 채널(17)의 일정 부위에 하나이상 형성된다.
이때 상기 분기 채널(17)의 일단은 바람직하게는 마이크로채널(16)에 연결되며, 분기 채널(17)의 타단에는 상기 체액(S1)과 상기 세척 용액(W)이나 액체 시료 중 어느 하나는 정지시키고 나머지는 마이크로 펌프(20)로 이동될 수 있도록 마이크로 펌프(20)로 이동되는 대상을 선택시키는 채널 선택구동 밸브(30)가 마련되고, 상기 채널 선택구동 밸브(30)는 탄성재질의 블록 형태의 부재로서, 내부에는 분기 채널(17)과 연통되는 제2음압 채널(311)이 형성되고, 상기 롤러 바(22)가 상기 블록 형태의 부재 상부를 압박시키면서 굴러감으로써 제2음압 채널(311)이 밀폐됨으로 인해 분기 채널(17)의 타단이 밀폐되되, 상기 채널 선택구동 밸브(30)의 길이는 탄성 블록(21)보다 짧게 형성되며 탄성 블록(21)에 병렬로 배치됨으로써, 상기 단말기 모듈(70)은 유체 검출 앱을 통하여 마이크로채널(16) 내부의 시료이동 뿐만아니라 분기 채널(17) 내부의 시료 이동도 함께 제어시킨다.
한편, 본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템을 이용한 미소유체 반응 관찰 방법은 상기 반응 챔버(15) 내부에 반응 물질을 도포하여 준비하는 단계와, 상기 마이크로채널(16)에 반응에 필요한 시료 용액을 주입시키는 단계 및, 상기 시료 용액을 마이크로채널(16)을 통하여 반응 챔버(15)로 이동시키면서 빛을 상기 반응 챔버(15)에 조사시켜, 반응 챔버(15)로부터 반사되는 빛의 색채 정보를 분석함으로써, 반응 챔버(15) 내부에 시료 용액이 채워지는 정도를 실시간으로 체크하는 단계를 포함한다.
이때 바람직하게는 상기 빛은 레이저 광이고, 상기 색채 정보는 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합될수록 색이 밝아지는 RGB 가산혼합 데이터이며, 상기 실시간으로 체크하는 단계에 앞서서, 반응 챔버(15)에 상기 시료 용액이 채워지기 전에 상기 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 초기 RGB 가산혼합 데이터 값을 기록하는 단계를 더 포함한다.
이 경우 바람직하게는 상기 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 시료를 마이크로채널(16) 내부로 주입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 시료를 이동시키는 마이크로 펌프(20)가 더 구비되고, 상기 마이크로펌프(20)는 마이크로채널(16)과 연통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시킴으로써 상기 플레이트(10) 간에 서로 상대 가변될 때 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져, 롤러 바의 상대적 위치 변화로 시료를 이송시키며, 상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키는 마이크로 모터를 포함하는 구동 모듈(50);이 마련되되, 상기 단말기 모듈(70)에는 상기 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 RGB 가산혼합 데이터 값을 실시간으로 분석하는 유체 검출 앱이 탑재되고, 상기 유체 검출 앱은 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 상기 마이크로 모터를 제어하여 롤러 바 또는 플레이트 중 어느 하나가 가변되도록 구동시키며, 상기 시료 용액을 주입시키는 단계와, 실시간으로 체크하는 단계에서는, 시료 용액을 반응 챔버(15)로 이동시키는 과정을 유체 검출 앱을 이용하여 자동으로 제어한다.
여기서 상기 실시간으로 체크하는 단계에서는 바람직하게는 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 실시간 RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 상기 마이크로모터가 자동으로 정지되고 모듈 시료의 반응 또는 세척에 소요되는 시간인 규정 체류 시간동안 마이크로모터의 정지가 유지된 다음, 상기 규정 체류 시간이 경과되면 자동으로 마이크로모터의 작동이 시작되어 반응 또는 세척 후의 시료를 이동시키도록 구동 모듈(50)을 유체 검출 앱이 제어하게 시킨다.
본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템은 시료 반응 검사, 특히 복잡한 공정과 두 종류 이상의 시약이 투입되어야 하는 항체면역반응검사가 휴대가능한 하나의 장비로 이루어질 수 있게 되어 항체면역반응검사의 공정과 신속성이 종래보다 비약적으로 향상될 수 있을 뿐만아니라, 극히 미세한 시료의 이동과 반응시간 통제가 육안 관찰 없이도 완전 자동으로 정확하게 제어될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 항원-항체 반응을 이루는 각 구성요소와 반응 과정의 개념도,
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼 시스템의 개념도,
도 2b는 도 2a에서 마이크로 플랫폼의 일 실시예를 나타낸 사시도 및 평면도,
도 2c는 도 2b에 따른 마이크로 플랫폼의 작동상태도,
도 2d는 반응 챔버의 사진과, 반응 챔버에 시료가 채워지는 상태가 레이저 반사광을 일정 시간 간격별로 수광한 이미지 및 RGB 그래프,
도 2e는 5단계로 세분된 미백효과의 반사광 이미지 및 비교 그래프,
도 2f는 도 2b에 따른 반응 챔버에 대한 입사각 및 굴절율의 개념도,
도 2g는 반응 챔버에서 시료의 반응 단계에 따른 Hue값의 이미지와 그래프,
도 2h는 도 2f의 입사각으로 반사율과 반사도를 구하는 프레넬 수식,
도 2i는 각 시료 농도에 따른 Hue 값을 나타낸 그래프들,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 플랫폼의 사시도,
도 3b는 도 3a에 마이크로펌프 및 채널 선택구동 밸브가 추가된 실시예의 사
시도,
도 4a는 도 3c에서 플레이트에 대한 첫 번째 실시예의 분해사시도,
도 4b는 도 3c에서 플레이트에 대한 두 번째 실시예의 분해사시도,
도 4c는 도 4b에서 반응 챔버와 마이크로펌프 및 채널 선택구동 밸브(30)가
추가된 분해사시도,
도 5a는 도 3b의 평면도,
도 5b는 도 5a에서 4b-4b선에 따라 절개된 측단면도,
도 5c는 도 5a에서 4c-4c선에 따라 절개된 측단면도,
도 5d는 도 5a의 정면을 시간 순서로 나타낸 정단면도,
도 5e는 도 3b에 구동모듈이 결합된 사진,
도 5f와 도 5g는 마이크로펌프의 작동원리를 순서대로 나타낸 측면도,
도 5h는 채널 선택구동 밸브의 원리를 순서대로 나타낸 사진,
도 6a 및 도 6b는 도 5c에서 반응 챔버의 부분 확대도,
도 7a 및 도 7c는 도 6a 및 도 6b에 따른 반응 챔버의 변형 실시예를 나타내
는 측단면도와 결합도 및 작용상태도,
도 8 내지 도 11은 종래기술에 따른 면역반응과 본 발명에 따른 마이크로 플
랫폼의 면역반응의 정확도 및 소요 시약의 양을 나타낸 그래프와 표,
도 2a는 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼 시스템의 개념도,
도 2b는 도 2a에서 마이크로 플랫폼의 일 실시예를 나타낸 사시도 및 평면도,
도 2c는 도 2b에 따른 마이크로 플랫폼의 작동상태도,
도 2d는 반응 챔버의 사진과, 반응 챔버에 시료가 채워지는 상태가 레이저 반사광을 일정 시간 간격별로 수광한 이미지 및 RGB 그래프,
도 2e는 5단계로 세분된 미백효과의 반사광 이미지 및 비교 그래프,
도 2f는 도 2b에 따른 반응 챔버에 대한 입사각 및 굴절율의 개념도,
도 2g는 반응 챔버에서 시료의 반응 단계에 따른 Hue값의 이미지와 그래프,
도 2h는 도 2f의 입사각으로 반사율과 반사도를 구하는 프레넬 수식,
도 2i는 각 시료 농도에 따른 Hue 값을 나타낸 그래프들,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 플랫폼의 사시도,
도 3b는 도 3a에 마이크로펌프 및 채널 선택구동 밸브가 추가된 실시예의 사
시도,
도 4a는 도 3c에서 플레이트에 대한 첫 번째 실시예의 분해사시도,
도 4b는 도 3c에서 플레이트에 대한 두 번째 실시예의 분해사시도,
도 4c는 도 4b에서 반응 챔버와 마이크로펌프 및 채널 선택구동 밸브(30)가
추가된 분해사시도,
도 5a는 도 3b의 평면도,
도 5b는 도 5a에서 4b-4b선에 따라 절개된 측단면도,
도 5c는 도 5a에서 4c-4c선에 따라 절개된 측단면도,
도 5d는 도 5a의 정면을 시간 순서로 나타낸 정단면도,
도 5e는 도 3b에 구동모듈이 결합된 사진,
도 5f와 도 5g는 마이크로펌프의 작동원리를 순서대로 나타낸 측면도,
도 5h는 채널 선택구동 밸브의 원리를 순서대로 나타낸 사진,
도 6a 및 도 6b는 도 5c에서 반응 챔버의 부분 확대도,
도 7a 및 도 7c는 도 6a 및 도 6b에 따른 반응 챔버의 변형 실시예를 나타내
는 측단면도와 결합도 및 작용상태도,
도 8 내지 도 11은 종래기술에 따른 면역반응과 본 발명에 따른 마이크로 플
랫폼의 면역반응의 정확도 및 소요 시약의 양을 나타낸 그래프와 표,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템은 판 형태의 부재인 플레이트(10)와, 광원(60) 및, 단말기 모듈(70)을 포함한다.
도 2a는 플레이트(10)와, 광원(60) 및, 단말기 모듈(70)을 함께 보여주는 개념도이며, 도 2b는 플레이트(10)의 구성을 보여주는 사시도와 평면도이다.
플레이트(10)는 도 2b에 도시된 바와 같이 액체가 통과 가능한 마이크로채널(16)이 내부에 길게 형성되고, 마이크로채널(16)의 소정 부위에 반응 챔버(15)가 마련되며, 마이크로채널(16)의 단부에 형성되어 외부와 마이크로채널(16)을 연통시키는 주입구(12)가 형성된 판 형태의 부재이다. 이때 반응 챔버(15)에는 면역 반응이 발생하도록 항체가 코팅될 수 있다.
플레이트(10)는 상기 구성 이외에도 도 2b에 도시된 것처럼 통상의 96-웰이 커버(156)로서 상부에 결합되는 반응 챔버 부양 칼럼(155)이 구비될 수 있고, 이때 반응 챔버(15)는 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 상면에 형성될 수 있다. 또한 플레이트(10)에는 분기 채널(17) 및 채널 선택구동 밸브(30)가 형성될 수도 있다. 이에 대해서는 뒤에서 후술하기로 한다.
광원(60)은 광원(60)에서 조사되는 빛 또는 광원(60)에서 조사된 빛이 피사체에 반사되는 반사광이 각 색채 요소로 분해되어 분석될 수 있는 빛이라면 어떤 빛이든 무방하다.
광원(60)은 보다 높은 해상도의 색채 분석을 위해 레이저 광을 조사하는 레이저 광원일 수 있다. 이때 광원(60)으로부터 조사된 빛이 반응 챔버(15)에서 반사되는 빛 또한 레이저 광이다.
단말기 모듈(70)은 빛의 수광이 가능하도록 카메라가 설치되고, 수광 과정에서 얻어지는 이미지가 분석될 수 있는 앱이 설치 가능하여야 하므로 통상의 스마트폰이 대표적으로 이에 해당될 수 있다. 또한 스마트폰 이외에도 태블릿 PC 내지 기타 앱 설치가 가능하면서 카메라가 설치된 기기라면 종류에 특별한 제한은 없다.
플레이트(10)는 마이크로채널(16)을 통하여 극히 미세한 양의 시료를 반응 챔버(15)로 이동시켜서 면역반응이 수행되므로, 면역반응에 필요한 시료의 양이 획기적으로 절감된다. 이 경우 시료의 이동을 정밀하게 제어시키는 기술이 요청된다. 도 2b 및 2c에 도시된 바와 같이 후술하게 될 롤러 바(22)와 탄성 블록(21)으로 이루어지는 마이크로펌프(20)로 시료의 이동이 이루어질 수도 있고 또는 도시되진 않았지만 주사기 형태의 시린지 펌프로 시료의 이동이 이루어질 수도 있다.
이때 마이크로펌프(20)와 시린지 펌프(미도시) 모두 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시킴으로써 시료를 이동시킨다.
그런데 시료의 양이 극히 미세하다보니 음압을 형성시킴에 있어 음압 세기 조절이 약간만 문제가 생기더라도 반응 챔버(15)에서 반응이 수행되는데 필요한 시료의 양에 미달되어 반응의 해상도가 낮아지거나 또는 반응 수행에 필요한 시료의 양을 너무 초과하게 되어 반응의 결과를 정확하게 얻지 못하는 문제가 발생될 수 있다.
하지만, 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼 시스템은 종래처럼 값비싼 장비가 갖추어진 실험실이 아니라 현장에서 즉석으로 면역 반응의 수행이 가능할 것을 목표로 하는 점에서 이러한 음압 조절의 정밀도는 반드시 해결되어야 할 과제이므로, 이 과제를 해결하게 위해 본 발명에서는 반응 챔버(15)를 향해 빛을 조사시키는 광원(60)과, 광원(60)에서 조사된 빛이 반응 챔버(15)에 반사된 빛인 반사광을 분석하는 단말기 모듈(70)이 마련된다.
이때 광원(60)이 반응 챔버(15)를 향해 조사시키는 빛은 레이저 광이고, 상기 색채 정보는 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합될수록 색이 밝아지는 RGB 가산혼합 데이터이며, 상기 RGB 가산혼합 데이터를 실시간으로 분석하여 반응 챔버(15)에 유체가 채워진 양을 분석하는 유체 검출 앱이 단말기 모듈(70)에 탑재되어, 상기 반사광의 RGB 값에 따라 반응 챔버(15)에 유체가 채워지는 양이 제어된다.
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 채액(S1)을 마이크로채널(16) 내부로 흡입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 체액(S1)을 이동시키는 마이크로 펌프(20)가 설치될 수 있다.
여기서 마이크로펌프(20)는 마이크로채널(16)과 연마이크로채널(16) 내부통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시킴으로써 상기 플레이트(10) 간에 서로 상대 가변될 때 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져, 롤러 바의 상대적 위치 변화로 시료를 이송시킨다.
또한 도 5e의 사진을 참조하면, 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키는 마이크로 모터를 포함하는 구동 모듈(50)이 설치될 수 있다. 이때 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 무선으로 연결시키도록 구동 모듈(50)에 설치되는 통신 모듈(미도시)이 마련될 수 있다.
이로써, 상기 유체 검출 앱은 구동 모듈(50)을 제어하여 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 마이크로 모터를 구동하여 상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시킨다.
그리고 상기 통신 모듈(미도시)이 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 연결시키면, 구동 모듈(50)의 작동이 시작되어 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시켜 미리 준비된 시료 또는 세척액을 마이크채널(16) 내부로 진입시킨 후 상기 시료 또는 세척액을 반응 챔버(15)로 이동시킨다.
여기서 RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 유체 검출 앱이 상기 마이크로 모터를 정지시킴으로써, 자동으로 상기 시료 또는 세척액이 반응 챔버(15) 내로 유입되는 흐름이 중단되고, 상기 유체 검출 앱이 마이크로 모터를 정지시키는 시간은 시료가 반응 챔버(15) 내에서 반응 또는 세척을 완료하는데 소요되는 시간으로 미리 설정된 규정 체류 시간이 된다.
즉, 유체 검출 앱이 초기화되면 마이크로 모터와 도 2a에서 스마트폰으로 도시된 단말기 모듈(70)이 연결되고, 마이크로 모터가 PDMS 액츄에이터, 즉 탄성 블록(21) 위로 롤러 바(22)를 움직이기 시작하여 시료 용액을 반응 챔버(15)에 로드할 수 있다. 반응 챔버(15)가 비워질 때까지 유체 검출 앱은 빈 반응 챔버(15)의 RGB 가산혼합 데이터 값(이하에서 "RGB값"이라 부르기로 한다)을 초기 값으로 평가한다. 롤러가 PDMS액츄에이터, 즉 탄성 블록(21) 위로 계속 이동함에 따라, 시료 용액은 반응 챔버(15)로 로딩되기 시작한다.
시료가 반응 챔버(15)를 채우자마자 유체 검출 앱은 반응 챔버(15)의 RGB값의 변화를 감지하고 개별 ELISA와 같은 면역반응에 대한 반응단계로서 미리 정의된 특정시간, 즉 시료가 반응 챔버(15) 내에서 반응 또는 세척을 완료하는데 소요되는 시간으로 미리 설정된 규정 체류 시간동안 모터를 정지시킨다. 따라서 다른 시료 용액이 반응 챔버(15)에 자동화된 형태로 로딩되도록 절차가 반복된다.
참고로 여기서의 시료는 도 1에 도시된 바와 같이 혈액이나 땀 또는 소변과 같은 항원(Antigen)을 담지한 체액(S1), 또는 2차 항체-항원 복합체(S3), 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5), 또는 세척용액 중 어느 하나일 수 있다. 이 경우 2차 항체(S2)는 마이크로채널(16)의 입구, 즉 항원을 담지한 체액(S1)이 지나가는 자리에 미리 도포될 수 있고, 포획 항체(S4)는 반응 챔버(15)에 미리 도포될 수 있다.
그리고 예시적으로 표적이 되는 항원은 NT-proBNP일 수 있으나, 반드시 표준 ELISA 반응 절차에만 본 발명에 따른 시스템이 사용되는 것은 아니며, 여러종류의 면역 반응이나 전염병 및 만성 질환의 진단에 이용될 수 있다.
반응 챔버(15)의 RGB값은 도 2d와 같이 레이저 소스인 광원(60)에 의해 결정된다.
점선으로 표시된 반응 챔버(15)를 보여주는 단말기 모듈(70)인 스마트폰 화면의 이미지는 도 2d의 (b)에서 5 ~ 87lux 범위의 8가지 레이저 광 강도에 대한 해당 스크린샷과 함께 표시되어 있다. 이 현상은 레이저 소스로 인한 이미지 백화 현상, 즉 빛의 강도가 카메라 측정한도 보다 커서 색상을 제대로 표현하지 못하고 흰색으로 포화되는 현상으로 인해 발생된다. 이는 카메라가 받아들이는 색의 강도가 너무커서 측정 범위를 넘어서게 되면, R, G 및 B의 값이 모두 포화된 상태가 되기 때문이다. 즉, 흰색은 R, G 및 B의 모든 색 구성 요소를 갖기 때문에, 레이저 강도가 너무 높으면 스마트폰 카메라로 캡처한 이미지가 흰색으로 표시되어 진다. 따라서 반사광이 강도가 커질수록 흰색이 나타나는 원리를 이용하면, 흰색 성분을 분석해서 반사광의 강도를 측정할 수 있다. 즉, 빨간색 레이저를 이용해서 반사광의 실제 색이 빨간색인 경우에도, 특정 강도 이상의 반사광에서는 화면의 색이 흰색으로 바뀌면서 G값과 B값이 증가한다. 본 개발에서는 G값의 변화가 B값의 변화보다 커서, G값의 변화를 분석해서 반사광의 강도를 계산하였다. 측정결과에 따르면, G값이 37lux를 초과하면 G값의 변화가 크게 나타나기 때문에 37 럭스 강도의 레이저 소스가 선택될 수 있다. 도 2d의 (c) 그래프를 보면 레이저에서 B 및 R값의 변화는 전체 광 강도 범위에서 G값의 변화에 비해 작다.
도 2d에 도시 된 광학 시연에 기초하여, 비거나 채워진 반응 챔버(15)의 RGB값은 37lux 강도의 레이저 소스가 사용되어 기록될 수 있다. 도 2e의 (a)는 스마트폰 카메라를 사용하여 녹화 한 비디오에서 추출된 5개의 실시간 RGB값을 나타내며 액체는 반응 챔버(15)에 로드된 후 반응 챔버(15)를 떠난다. 반응 챔버(15)로 들어가고 나가는 유체의 5개의 순차적 이미지가 도 2e의 (b)와 (c)에 도시되어있다. 도 2e의 (a) 내지 (c)와 같이, 반응 챔버(15)가 채워 졌을 때, G 및 B 값은 챔버의 빈 상태에 비해 감소된다. 특히 반응 챔버(15)에서 감소된 밝기로 인해 G값이 R 값과 B값 보다 더 감소 하였다. 반응 챔버(15)에 유체가 채워짐에 따라 반사량이 줄어들어 앞에서 설명한 이미지 백화 현상이 발생하고 도 2f에 게시된 Snell의 법칙과 프레넬 방정식을 사용하여 반응 챔버 전체의 광학적 발생이 명확하게 설명될 수 있다.
도 2e의 (d)는 광원(60)으로부터 조사되는 레이저 입사광 강도에 따른 상대 G값을 보여준다. 상대 G값은 10 lux에서 비교적 낮은데, 이는 낮은 광 강도에서 외부에서 들어오는 빛의 영향이 크기 때문이다. 빛의 세기가 37lux에서 증가할 때 빛의 세기는 외부 조명 효과를 극복하기에 충분하여, 명확한 이미지 백화 현상이 발생된다.
이런 이유로 빛의 세기가 37 lux보다 큰 경우에는, 주변 영상이 외부 빛 효과를 감소시키기에 알맞고, 반응 챔버(15)가 유체로 채워질 때 G값의 차이는 상대적으로 높다. 하지만, 레이저 강도가 너무 클 경우에는 백화 현상이 포화되어 반응 챔버(15)가 비어있을 때와 채워질 때의 상대 G 값 차이가 감소되므로 레이저 강도는 37lux일 경우에 가장 적합하다.
도 2f에 도시된 반응 챔버(15)의 개략도는 반응 챔버(15)에서 반응이 진행되는 상부 반응 존(1552) 공간을 시료 유체가 채워지는 동안 RGB값의 변화가 일어나는 원리를 빛의 입사와 굴절 각으로 보여주는 광학현상이 표현되어 있다.
반응 챔버(15)에 입사된 레이저광은 반응 챔버(15)의 상부에서 4개의 상이한 광학매체를 통해 이동한다. 공기(n_1 = 1.0), 커버(156)로 사용되는 폴리스티렌 96-웰카트리지(이하에서 "96-웰"이라 부르기로 한다)(n_2 = 1.59), 상부 반응 존(1552)이 비어있어 진공 상태(n_3 = 1.0)인 반응 챔버(15) 또는 유체가 채워진 반응 챔버(15) 내의 투명한 액체(n_water = 1.33) 및, PDMS기둥(n_4 = 1.40)인 반응 챔버 부양 칼럼(155)에서 레이저광이 매체 1 내지 3의 경로를 통과할 때, 매체1 및 3의 굴절률은 동일하다.
따라서 Snell의 굴절법칙에 따라 θ_3=θ_1이고, 여기서 θ_3 및 θ_1은 각각 커버(156)로 사용되는 96-웰을 통과하면서 굴절되는 레이저 광선 각도와 96-웰에 입사되는 레이저 광선 각도이며, 둘 다 대략 45ㅀ도라고 가정된다.
반응 챔버(15)에 입사된 레이저광은 커버(156) 상면에서 부분적으로 반사되기 때문에, 반사량은 프레 넬 방정식의 반사 계수로부터 추정 될 수있다.
레이저광으로 생성된 전자기파의 평행 반사 계수(r∥) 및 수직 반사 계수(r⊥)는 도 2h에서 첫 번째 식인 프레넬 방정식으로 얻어진다.
반사도는 상기 반사 계수의 제곱으로 정의되며, 도 2h의 두 번째 식으로 표현된다.
그리고 유효 반사도(Reff)는 도 2h의 세 번째 식으로 표현된다.
결과적으로, 도 2h의 식들로부터 계산되는 유효 반사율은 반응 챔버(15)가 비어 있을 경우 Reff = 3.658%로 계산된다. 반응 챔버(15)에 유체가 채워지면 반응 챔버(15)의 굴절률이 1.33으로 바뀌고 굴절 광선은 법선 방향으로 방향을 바꾸어 Snell의 법칙에 따라 θ_3 = 42.2 ㅀ이다. 이것이 PDMS 재질인 반응 챔버 부양 칼럼(155)에 대한 레이저 광선의 유효 입사각이기 때문에, 도 2f에서 반응 챔버(15) 내부에 유체가 채워지는 공간인 상부 반응 존(1552)에 유체가 채워지는 경우의 유효 반사율은 Reff = 0.119 %이므로 유효 반사율이 현저하게 감소됨을 알 수 있다. 감소된 반사율은 시료가 반응 챔버에 로딩되는 동안 G 값을 감소시킨다.
따라서 반응 챔버(15) 내부공간, 즉 도 2f에서 상부 반응 존(1552)가 시료로 채워질 때, 레이저 조사로 인한 반응 챔버(15) 내부공간에서의 반사율의 변화는 RGB 값의 변화를 가져 왔으며, 이 원리는 스마트폰에서 유체 검출 앱의 작동 알고리즘 개발에 이용될 수 있고, 최종적으로 마이크로채널(16) 내부의 유체 이동이 반응 챔버(15) 내부공간에 유체가 채워지는 정도에 따라 자동으로 제어될 수 있다.
프레넬 방정식으로 계산 된 데이터와 경험적 데이터의 유효 반사율에는 약간의 편차가 있다. 이 편차는 플레이트(10)에서 반응 챔버(15) 주위에서의 반사로 인해 발생된다. 이러한 반사는 결과 RGB 값에 미미한 영향을 미치므로 무시할 수 있다.
도 2g에는 종래에 96-웰 플레이트를 비롯한 분석장비가 갖추어진 실험실에서만 행해지던 효소 면역 시험인 일명 엘라이사(ELISA) 실험 공정이 본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템으로 수행된 경우에 다양한 농도의 항원 농도에 따른 Hue값 그래프와(도 2g의 (a)), 표적 항원이 함유된 시료가 반응 챔버(15) 내부로 점차 채워짐에 따른 반응 챔버(15)의 비색 변화와(도 2g의 (b)), 상이한 농도의 항원을 검출하면서 수동 및 자동 실험 과정 동안의 비색 색조 값 그래프(도 2g의 (c)) 및, 수동 실험과 자동 실험 간의 표준 편차(도 2g의 (d))가 표현되어 있다.
도 2i의 (a)에는 세척 용액(W) 또는 희석액의 양에 따른 색채 값의 변화가, 도 2i의 (b)에는 2차항체-항원 복합체(S3)의 농도에 따른 색채 값의 변화가, 도 2i의 (c)에는 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)의 농도에 따른 색채 값의 변화, 도 2i의 (d)에는 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)가 효소 기질 중간체(S6)와 반응하는 시간에 따른 색채 값의 변화가 각각 그래프로 도시되어 있다. 여기서 색채 값의 측정은 모두 단말기 모듈(70)인 스마트폰의 색채 분석 앱을 통해 이루어진다.
도 2i의 실험 결과를 통해 가장 비용 효율적으로 색채 값이 명확하게 드러나는 시료의 최소 양이 결정될 수 있다. 다만 이때 결정되는 양은 수행되는 반응의 종류나 목적에 따라 달라질 수 있을 것이다.
이하에서는 플레이트(10)와 마이크로펌프(20), 채널 선택구동 밸브(30) 및, 탄성판(40)의 작용에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 후술하게 될 롤러 바(22)와 플레이트(10) 간의 상대 가변을 발생시키는 구동 모듈(50)은 바로 단말기 모듈(70)에 탑재된 유체 분석 앱으로 제어된다.
플레이트(10)는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이 액체가 통과 가능한 마이크로채널(16)이 내부에 길게 형성되고, 마이크로채널(16)의 소정 부위가 면적이 확장된 형태로 형성되는 반응 챔버(15)가 마련되며, 마이크로채널(16)의 단부에 형성되어 외부와 마이크로채널(16)을 외부와 연통시키는 주입구(12)가 형성된 판 형태의 부재이다.
특히 본 발명에 따른 플레이트(10)에는 마이크로채널(16)의 소정 부위에 연결되는 미세채널인 분기 채널(17)이 마련된다.
분기 채널(17)은 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 일종의 분기 관 형태로 형성되며, 분기 채널(17)의 일정 지점에는 반응 챔버(15)로 공급될 세척 용액(W) 또는 액체 시료가 대기를 위하여 체류되는 시료 챔버(171,172)가 형성된다.
도 1에 도시된 면역반응의 각 단계를 살펴보면, 2차 항체와 포획 항체는 각각 후술하게 될 멤브레인 필터(13) 및 반응 챔버(15)에 미리 도포시켜서 준비될 수 있다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같이 항원이 2차 항체 및 포획 항체와 각각 결합하여 복합체를 이룬 상태에서 효소 기질과 반응시켜 식별가능한 표지를 생성시키려면, 먼저 반응의 정확도를 위해 효소 기질과 복합체의 반응 이전에 반응 챔버를 세척시켜야 하고, 그 후에 효소 기질을 반응시켜야 한다.
이처럼 미리 고정 및 도포시킬 수 없는 세척액이나 반응물질을 순차적으로 반응 챔버(15)로 이동시키기 위해서는 마이크로채널(16)과 반응 챔버(15) 만으로는 물리적으로 불가능한 문제가 있다.
이러한 문제의 해결을 위해 본 발명에서는 도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이 분기 채널(17)이 마이크로채널(16)과는 별개로 형성되되 분기 채널(17)이 마이크로채널(16)의 일 부위에 접속되고, 분기 채널(17)의 일정 지점에 추가적으로 필요한 세척액이나 필요한 효소기질중간체와 같은 반응물질이 언제든지 반응 챔버(15)로 공급될 수 있게 저장되는 장소가 형성된다.
이처럼 액체 형태의 반응물질이나 세척액이 선택적으로 반응 챔버(15)로 공급될 수 있는 분기 챔버가 마련됨으로써, 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼은 첫째, 도 3a 및 도 3b 또는 도 5b와 같이 간단하게 휴대 가능한 장비로 형성될 수 있으면서도, 둘째, 즉석에서 복잡한 다단계 반응이 요구되는 ELISA 면역 반응이 현장에서 즉석으로 이루어질 수 있으며, 셋째, 극미량의 시료와 시약만 있더라도 후술하게 될 도 8 내지 도 10의 자료에서 볼 수 있듯이 종래 실험실에서 장시간 행해지는 면역반응보다 오히려 더 높은 정확도를 가지는 결과를 얻을 수 있다.
따라서 복잡한 다단계 반응 절차가 모두 하나의 휴대용 마이크로 플랫폼에서 수행 가능하도록 분기 채널(17)이 마련됨으로써, 현재 세계적으로 대유행되는 펜데믹 질병의 전염 상황에서도, 특히 장비 상황이 열악한 현장에서도 빠른 시간 내에 최종적인 면역반응 결과를 높은 정확도로 얻을 수 있으므로, 향후 세계적인 대규모 방역임무에서 획기적인 진단효율을 현실화 시킬 수 있어, 방역의 신속, 체계화, 광범위한 보급, 및 펜데믹의 조기 종식을 가져올 수 있을 것으로 보인다.
분기 채널(17) 내부의 세척 용액(W)이나 액체 형태의 반응물질을 선택적으로 반응 챔버(15)로 이동시키는 작용에 대해서는 플레이트(10)의 구조와, 멤브레인 필터(13) 및, 마이크로펌프(20)에 대해 순차적으로 살펴본 다음 자세하게 후술하기로 한다.
플레이트(10)를 구성하는 판 형태의 부재는 두 개의 판인 하부 몸체(191)와 상부 몸체(192)가 서로 접합된 하나의 접합 몸체(19) 형태로 제작될 수 있다.
이때 마이크로채널(16)과 반응 챔버(15)는 도 4a에 도시된 것처럼 상부 몸체(192)의 저면에 패턴 형태로 새겨지거나 또는 하부 몸체(191)의 상면에(미도시) 새겨져서 제작될 수 있다. 이 경우에 상부몸체(192)와 하부 몸체(191) 간의 접합은 접착제나 테이프 또는 열 융착 등 공지의 어떤 접합 방식도 채택 가능하다.
이와 같이 상부 몸체(192)와 하부 몸체(191)가 서로 접합되고, 둘 중 어느 하나에 마이크로채널(16)이 패턴 형태의 가공으로 형성되면 하나의 판체 내부에 천공 형태로 가공하는 힘든 공정을 거치지 않더라도 플레이트(10)의 제작이 단순한 공정으로 이루어질 수 있다.
또는 마이크로채널(16)은 도 4b 내지 도 4c에 도시된 실시예에 따르면, 하부 몸체(191)와 상부 몸체(192) 사이에 배치되어, 하부 몸체(191)와 상부 몸체(192)를 서로 접합시키는 접착 성분을 포함하는 판 형태의 부재인 접착 패널(193)에 패턴 형태로 형성될 수 있다. 이때 패턴 형태로 형성되는 마이크로 채널(16)은 접착 패널(193)을 관통하는 형태로 새겨질 수도 있다. 접착 패널(193)에 대해서는 보다 상세하게 후술하기로 한다.
멤브레인 필터(13)는 주입구(12)에 설치되어, 플레이트(10) 외부와 마이크로채널(16) 내부를 차단시키는 작용을 한다. 다만 이때의 차단은 유체가 통과 할 수 있는 상태로 차단되는 것을 말한다.
멤브레인 필터(13)의 설치는 도 4b에 도시된 바와 같이 멤브레인 필터(13)의 저면에 마련되는 필터 접착 층(131)으로 플레이트(10) 상면에 접합되는 형태로 설치될 수 있다. 여기서 필터 접착 층(131)은 통상의 접착제일 수도 있고 또는 양면 테이프일 수도 있다.
특히 멤브레인 필터(13)는 상부 또는 내부에 상기 체액과 반응하는 시료가 도포되어, 멤브레인 필터(13)를 통과하는 샘플 체액이 시료와 반응한 다음 마이크로채널(16)로 유입되되, 체액과 시료의 반응을 위한 혼합은 롤러 바(22)의 가변되어 음압 채널(211)에 발생되는 음압으로 촉진된다. 즉 샘플 체액이 멤브레인 필터(13)를 통과할 수 있게 만드는 구동력은 마이크로펌프(20)로부터 제공되는 것이다.
또는 도 4b에 도시된 바와 같이 멤브레인 필터(13)와 주입구(12) 사이에는 액체가 통과 가능한 패드로서, 상기 체액(S1)에 함유된 항원에 결합된 1차 항체를 인식하여 결합하는 2차 항체(S2)가 도포된 2차 항체 패드(14)가 배치되되, 2차 항체 패드(14)는 멤브레인 필터(13)보다 면적이 작게 형성되고, 2차 항체 패드(14)의 테두리에는 멤브레인 필터(13)를 플레이트(10)의 상면에 접착시키는 접착층이 설치됨으로써, 멤브레인 필터(13)를 통과하는 체액(S1)이 전량 2차 항체 패드(14)를 통과하여, 체액(S1)과 2차 항체(S2)가 반응하여 형성되는 2차항체-항원 복합체(S3)가 마이크로 채널(16)로 진입될 수 있다.
마이크로 펌프(20)는 전술한 바와 같이 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 채액(S1)이 멤브레인(13)필터를 통과하여 마이크로채널(16) 내부로 흡입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 체액(S1)을 이동시킨다.
마이크로 펌프(20)는 도 3a에 도시된 바와 같이 직접 플레이트(10)에 설치되지 않고 외부에 별도로 마련되거나, 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 플레이트(10) 상면에 설치될 수도 있다.
마이크로 펌프(20)는 보다 구체적으로 도 4c에 도시된 바와 같이 마이크로채널(16)과 연통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시키면서 가변됨으로써 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져 수동으로 구동되거나, 또는 롤러 바(22) 및 탄성 블록(21) 대신에 시린지 펌프(미도시)로 이루어져 자동으로 구동될 수도 있다.
여기서 도 3b 및 2b에 도시된 바와 같이 분기 채널(17)의 일단은 마이크로채널(16)에 연결되고, 분기 채널(17)의 타단에는 채널 선택구동 밸브(30)가 설치될 수 있다.
채널 선택구동 밸브(30)는 멤도 3b에 도시된 제1 또는 제2대기 챔버(171,172)에 저장된 세척 용액(W) 또는 효소 기질 중간체(S6)를 반응 챔버(15)를 향하여 이송시키거나 또는 정지시키도록 선택적으로 분기 채널(17)을 제어시킨다. 이와 같은 선택적인 이동 또는 정지 작용은 선택구동 밸브가 분기 채널(17)의 타단을 개방 또는 폐쇠시킴으로써, 마이크로펌프(20)가 발생시키는 음압을 분기 채널(17) 내부에 발생시키거나 또는 해제시킴으로써 이루어진다.
이때 채널 선택구동 밸브(30)도 마이크로펌프(20)와 마찬가지로 도 3a에 도시된 바와 같이 직접 플레이트(10)에 설치되지 않고 외부에 별도로 마련되거나, 또는 도 3b에 도시된 바와 같이 플레이트(10) 상면에 설치될 수도 있다.
채널 선택구동 밸브(30)는 보다 구체적으로 도 4c에 도시된 바와 같이 탄성 재질의 블록 형태의 부재로서, 내부에는 분기 채널(17)과 연통되는 제2음압 채널(311)이 형성되고, 롤러 바(22)가 상기 블록 형태의 부재 상부를 압박시키면서 굴러감으로써 제2음압 채널(311)이 밀폐됨으로 인해 분기 채널(17)의 타단이 밀폐되되, 채널 선택구동 밸브(30)의 길이는 탄성 블록(21)보다 짧게 형성되며 탄성 블록(21)에 병렬로 배치된다. 참고로 분기 채널(17)의 일단이 마이크로채널(16)에 접속되는 지점을 이하에서 '접속점(173)'이라 칭하기로 한다.
채널 선택구동 밸브(30)는 탄성 재질의 블록 형태의 부재이므로, 채널 선택 구동 밸브(30)의 내부에 형성된 제2음압 채널(311) 역시 롤러 바(22)가 상부에서 굴러가면서 압력이 가해지면 도 5d의 왼쪽에 도시된 바와 같이 밀폐되므로, 롤러 바(22)가 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키더라도 세척 용액(W)과 효소 기질 중간체(S6)는 마이크로채널(16)을 향해 전진하지 못하고 오히려 약간 후퇴하게 된다.
하지만 채널 선택구동 밸브(30)는 탄성 블록(21) 보다 짧게 형성되므로, 롤러 바(22)가 탄성 블록(21) 및 내부의 음압 채널(211)은 압박시키면서 동시에 채널 선택구동 밸브(30)로부터 이격되어 제2음압 채널(311)은 개방된 채로 유지되는 구간이 형성될 수 있다.
이때 만일 주입구(12)를 밀폐시킨다면 분기 채널(17)에 존재하는 액체상태의 물질이 접속점(173)을 지나 마이크로채널(16) 내부로 진입될 수 있다. 따라서 롤러 바(22)가 채널 선택구동 밸브(30)와 탄성 블록(21) 상부를 동시에 압박시킬 경우에는 마이크로채널(16) 내부의 물질만 이동되고, 롤러 바(22)가 채널 선택구동 밸브(30)와는 이격된 상태에서 탄성 블록(21) 상부에서만 굴러간다면 분기 채널(17) 내부의 세척 용액(W) 및 효소 기질 중간체(S6)가 반응 챔버(15)를 향해 이동하게 된다.
이러한 과정이 도 5h의 사진에 순차적으로 나타나 있다. 도 5h에 대한 반응 순서에 대해서는 후술하기로 한다.
또한 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼은 휴대성의 극대화를 위해 장치가 보다 소형화 될 수 있도록 탄성 블록(21)은 플레이트(10) 상부에 배치됨으로써 음압 채널(211)이 마이크로채널(16)의 상부에 위치하고, 마이크로채널(16)의 단부와 음압 채널(211)의 단부를 연결시키는 연결 채널(212)이 형성됨으로써, 마이크로채널(16)과 연결 채널(212)과 음압 채널(211)이 나란하게 연결되는 통로가 연결 채널(212)을 중심으로 절곡되는 형태로 형성된다.
이때 채널 선택구동 밸브(30)는 플레이트(10) 상부에 배치되어 제2음압 채널(311)이 분기 채널(17)의 상부에 위치하고, 분기 채널(17)의 타단과 제2음압 채널(311)의 단부를 연결시키는 제2연결 채널(312)이 형성됨으로써, 분기 채널(17)과 제2연결 채널(312)과 제2음압 채널(311)이 순서대로 나란하게 연결되는 통로가 제2연결 채널(312)을 중심으로 절곡되는 형태로 형성된다.
즉 음압을 발생시키는 위치가 마이크로채널(16)의 뒤로 나란하게 연결되는 것이 아니라 도 5b에 도시된 바와 같이 절곡되어 접히는 형태로 형성됨으로써 사실상 마이크로펌프(20)의 설치로 인하여 추가되는 부피가 최소화 된다. 또한 도 5c에 도시된 바와 같이 채널 선택구동 밸브(30) 역시 제2연결 채널(312)을 중심으로 하여 제2음압 채널(311)과 분기 채널(17)이 서로 포개지는 형태로 형성됨으로써, 채널 선택구동 밸브(30)의 설치로 인해 장치의 부피가 최소화 될 수 있다.
탄성 블록(21)은 탄성 재질로 이루어져, 음압 채널(211)의 상부를 누르면 탄성 변형이 음압 채널(211)까지 전해져서 누른 부위가 막히게 된다. 단지 제자리에서 탄성 블록(21)을 누르기만 하면 누른 부위만 막힐 뿐이지만, 본 발명과 같이 롤러 바(22)로 탄성 블록(21)을 가압시키면서 전진 또는 후진시킨다면, 도 5f 및 도 5g를 시간 순서대로 볼 경우 음압 채널(211)의 막힌 부위가 이동되는 결과가 되므로, 음압 채널(211)과 연통되는 마이크로채널(16) 내부의 강제 기류 이동이 일어난다. 즉 음압이 형성되는 부위가 이동되므로 만약 마이크로채널(16) 내부에 도 5f와 같이 검은색으로 표시된 액체가 있으면 도 5g에 도시된 방향으로 이동되는 것이다.
그리고 탄성 블록(21)은 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이 하부 판(21b)과 범퍼(21a)로 이루어져서 범퍼(21a)의 저면에 음압 채널(211)이 패턴 형태로 가공된 후 범퍼(21a)와 하부 판(21b)이 접합되어 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 플랫폼은 이와 같이 음압 유발 지점이 정지상태가 아니라 이동 가능하게 구성되는 마이크로펌프(20)가 마이크로채널(16)과 연통됨으로써, 극소량의 체액 샘플만으로도 일체의 낭비 없이 전량 미세한 마이크로채널(16) 내부로 유입시켜 이동시킬 수 있음으로 해서, 종래 다량의 시료가 필요했던 ELISA와 같은 면역 반응 실험에서 문제된 고가의 시료 소모가 대폭적으로 절약될 수 있고, 극소량의 체액으로도 반응 실험이 가능하여 실험에 소요되는 시간이 현저하게 감소되어 현장에서 긴급한 실험이 필요한 상황에도 이용 가능하다.
또한 종래 리트머스 시험지를 이용한 임신이나 당뇨 검사와 같이 펄프 재질의 미세 모세관 구조를 이용하여 체액을 이동시키던 검사 키트에서 문제되던 연령이나 체질 기타 조건에 따른 점도의 차이로 인한 검사의 낮은 정확도 문제가 원천적으로 해결되는 효과가 있다.
왜냐하면 앞서 배경기술 란에서 설명된 바와 같이 체액에 함유된 단백질의 점도가 다를 경우 체액이 펄프 재질의 미세 구조를 모세관 현상에 따라 이동되는 과정 중에 단백질 성분이 모세관에 적체되면서 모세관을 막게 됨으로써 체액에 함유된 항원과 반응하도록 일정 간격 이격시킨 지점에 도포된 항체까지 체액이 원래의 상태대로 도달되지 못하는 결과가 초래되기 때문이다.
또한 종래 리트머스 시험지를 이용한 검사 키트는 혈액이나 땀 또는 오줌과 같은 체액의 이동이 리트머스 시험지를 구성하는 펄프 재질의 미세 모세관 현상에 의존하기 때문에 이동 속도가 모세관 현상으로 전파되는 속도로 고정되어 있어서, 실험 상황에 따라 체액의 이동 속도를 제어하는 것은 불가능한 문제가 있다.
반면 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에서는 체액의 이동이 음압 발생 지점을 가변 가능하게 이동시키는 마이크로펌프(20)로 구동되므로, 체액의 이동 속도를 얼마든지 제어 가능함으로써, 필요에 따라 체액을 정지시키거나 또는 신속하게 이동시키는 것이 자유롭게 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에 따라 도 1에 도시된 면역 반응이 수행되는 전 공정이 도 5h에 실린 9커트의 사진에 순차적으로 표현되어 있다.
먼저 도 5h의 (a) 내지 (e)에는 체액(S1)이 멤브레인 필터(13)를 통과하면서 멤브레인 필터(13)에 도포된 2차 항체(S2)와 결합하여 2차항체-항원 복합체(S3)로 형성된 후 2차항체-항원 복합체(S3)가 반응 챔버(15)로 이동하여 반응 챔버(15)에 도포된 포획 항체(S4)와 반응하여 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)로 형성되는 과정이 순서대로 나타나 있다. 이때 도 5h의 (a) 내지 (e)에서는 롤러 바(22)가 탄성 블록(21)과 채널 선택구동 밸브(30) 상부를 동시에 압박하면서 구름으로써 분기 채널(17) 내부의 시료들은 마이크로채널(16)을 향해 이동하지 못하는 상태이다.
도 4의 (f)에서는 롤러 바(22)가 채널 선택구동 밸브(30)로부터 이탈되어 탄성 블록(21) 상부에만 압박을 가함으로써, 드디어 분기 채널(17) 내부의 세척 용액(W)과 효소 기질 중간체(S6)가 접속점(173)을 통과하여 반응 챔버(15)로 이동된다. 도 4의 (g)는 세척 용액(W)이 반응 챔버(15)를 세척시켜서, 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)를 제외한 노이즈 발생원이 될 수 있는 잔류물을 제거시킨 상태이고, 도 4의 (i)는 효소 기질 중간체(S6)가 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)와 반응하여 관찰 가능한 표지에 해당되는 색체가 부여된 상태이다.
이와 같이 분기 채널(17) 및 분기 채널(17) 내부의 액체 시료의 진행이 제어될 수 있도록 채널 선택구동 밸브(30)가 마련됨으로써, 휴대 가능하게 콤팩트한 크기로 제작되는 마이크로 플랫폼으로 종래에 많은 시간과 비싼 시약이 소요되던 ELISA 면역 반응의 전 과정이 현장에서 신속하게 수행 가능하게 된다.
참고로 롤러 바(22)와 플레이트(10) 간의 상대 가변은 도 5e에 도시된 사진과 같은 형태의 구동 모듈(50)이 설치됨으로써 수행될 수 있다. 도 5e의 사진을 참조하면, 구동 모듈(50)은 플레이트(10)를 전진 또는 후진시키는 리니어 모터 또는 공압이나 유압으로 작동되는 액추에이터와, 롤러 바(22) 양 단을 자유 회전 가능하게 고정시키는 베어링으로 구성될 수 있다.
반응 챔버(15)는 반응 챔버(15)가 상부 몸체(192)의 상면에 형성되는 실시예와, 상부 몸체(192)와 하부 몸체(191) 사이에 형성되는 두 가지 실시예가 있을 수 있다.
반응 챔버(15)가 상부 몸체(192)와 하부 몸체(191) 사이에 형성되는 실시예는 도 4a에 도시된 바와 같이 마이크로 채널(16)이 일부 구간에서 확장되어 반응 관찰이 가능한 정도의 면적으로 형성되는 형태이다. 이때 도 4a에 도시된 것처럼 반응챔버로 형성된 면적에는 포획 항체(S4)가 미리 도포되어, 체액(S1)이 2차 항체 패드를 통과함으로써 2차항체-항원복합체(S3)로 형성된 상태로 반응 챔버(15)에 도달하여 포획 항체(S4)와 반응하면, 반응 챔버(15) 내부에서 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)로 형성된다. 이 경우 반응 챔버(15)의 상부에 대응되는 위치의 상부 몸체(19)는 투명하게 제작되어 반응 과정이 관찰될 수 있다.
반응 챔버(15)가 상부 몸체(192) 위에 형성되는 실시예에서는 도 4b에 도시된 바와 같이 반응 챔버(15)는 마이크로채널(16)의 소정 부위에 형성되는 단절구간(BS)과, 단절구간(BS)으로 분리된 두 개의 마이크로 채널(16)의 마주보는 두 단부 위치에 대응되게 상부 몸체(192)에 형성되는 두 개의 관통공인 채널 연통구(154)와, 투명한 판재로서 두 개의 채널 연통구를 동시에 덮을 수 있게 배치되는 투명 캡(151)과, 두 개의 채널 연통구(154)를 모두 둘러싸게 배치되어 투명 캡(151)과 상부 몸체(192)의 상면을 접착시키는 캡 설치용 접착 층(1511)로 이루어진다.
이때 투명 캡(151)의 저면과 상부 몸체(192)의 상면과 캡 설치용 접착층(1511)의 내측으로 둘러싸이는 공간은 반응이 발생되는 반응 존(152)으로 형성된다.
이때 도 4b의 실시에에서도 도 4a의 실시예와 마찬가지로 반응챔버로 형성된 면적에는 포획 항체(S4)가 미리 도포되어, 도 4a의 실시예와 동일한 반응이 이루어질 수 있다.
참고로, 도 1에 표시된 기호들은 각각 S1은 항원이 포함된 체액 시료, S2는 2차 항체(S2), S3는 2차항체-항원 복합체(S3), S4는 포획 항체(S4), S5는 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5), S6는 식별용 효소라 칭하기로 한다.
이와 같이 복잡한 ELISA 반응검사도 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼으로 수행될 수 있고, ELISA 보다 간단한 면역정량법은 얼마든지 즉석에서 단시간 안에 실행될 수 있다.
또한 예를 들어 간단한 임신 테스트기로 마이크로 플랫폼이 활용될 경우, 종래의 리트머스 시험지에 기반한 임신테스트기는 항원으로 인식되는 HCG와 반응하여 색채를 띠는 항체가 목적 지점에 부착되어 있으나, 체액 성분의 연령별 또는 체질별 농도 차로 인해 많은 오차가 발생될 수 있고, 특히 임신테스트기가 이상이 발생되어도 육안으로 식별하기 힘들어 임신인데도 임신이 아닌 것으로 오인될 우려도 있다.
반면 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에서는 반응 존(152)이 육안으로 관찰 가능하고, 연령이나 체질이 달라도 체액 시료의 막힘 현상 없이 즉각 반응 존(152)으로 체액 시료가 이송되므로 펄프 재질의 모세관 현상에 의존한 이송 방법에 비해 현저하게 정확도와 신뢰도가 향상될 수 있다.
그리고 반응 존(152)의 육안 관찰을 위해 반응 챔버(15) 상부는 투명한 원형 판 형태의 투명 캡(151)이 설치된다.
이때 투명 캡(151)은 투명 재질의 폴리카보네이트로 제작될 수도 있으나, 투명한 재질이라면 반드시 이에 한정되진 않는다. 투명 캡(151)의 고정은 반응 캡 저면의 가장자리와 플레이트(10) 사이, 즉 상부 몸체(192)의 상면 중에서 투명 캡(151)이 설치되는 지점 중 가장자리에 양면테이프와 같은 캡 설치용 접착 층(1511)이 형성됨으로써 이루어진다. 따라서 반응 캡의 투명도가 저하되는 등 열화가 발생되어도 손쉽게 새것으로 교체가 가능하다.
한편, 반응 챔버(15)의 위치를 부양시킴과 아울러 마이크로채널(16)의 길이를 보다 연장시켜 시료 체액의 이동을 더욱 쉽게 제어시킬 수 있도록 반응 챔버 부양 칼럼(155)이 설치될 수 있다.
반응 챔버 부양 칼럼(155)은 도 7a 및 6b에 도시된 바와 같이 일정한 높이를 가지는 수직 기둥 형상의 부재로서, 저면은 플레이트(10) 상면, 즉 상부 몸체(192)와 밀착되며, 상면 중심에는 상기 반응 존(152)과 동일한 형태의 상부 반응 존(1552)이 형성되고, 내부에는 상면으로부터 저면까지 관통되는 형태의 두 개의 수직 마이크로채널(1551)이 형성되어 구성된다. 그리고 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 설치는 도 7a에 도시된 바와 같이 칼럼 접착 층(1555)에 의한 접착으로 이루어질 수 있다.
여기서 두 개의 수직 마이크로채널(1551)은 각각 상부 몸체(192)에 형성된 두 개의 채널 연통구(154)와 하나씩 이어지도록 대응되는 위치에 배치된다.
반응 챔버 부양 칼럼(155)의 상부에는 커버(156)가 결합된다. 도 7a 및 도 7b를 기준으로 보면, 커버(156)의 천정 하부에서 반응이 수행되므로 커버(156)의 상면 또는 커버(156) 전체는 투명하게 제작된다.
특히 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 상부는 도 7a에 도시된 바와 같이 통상의 면역 반응 검사용 96웰 플레이트를 구성하는 비커의 내부에 수밀하게 삽입될 수도 있다. 즉 96웰 플레이트를 구성하는 비커가 커버(156)로 활용될 수도 있다.
이 경우 커버(156) 또는 96웰용 비커가 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 상부에 설치되기 전에 커버(156)의 천정 또는 96웰용 비커의 천정에는 포획 항체(S4)나 2차 항체(S2)가 미리 도포될 수 있다.
반응 챔버 부양 칼럼(155)은 이와 같이 구성됨으로써 세 가지 작용을 하게 된다.
첫째는 반응 챔버(15) 자체를 플레이트(10)의 상면보다 훨씬 높게 부양시킴으로써 반응 과정의 관찰이 더욱 용이할 수 있도록 만든다.
둘째는 마이크로채널(16)의 길이가 반응 챔버 부양 칼럼(155) 높이의 두 배만큼 연장되는 효과가 있어 마이크로채널(16) 내부를 통과하는 시료의 제어가 더욱 용이해진다. 왜냐하면 특히 순차적인 반응을 위해 둘 이상의 시료를 마이크로 채널(16) 내부로 통과시키려면 서로 간의 간격이 확보될수록 제어가 용이하기 때문이다.
셋째는 종래 96well plate를 사용한 면역 반응 검사에 있어서, 96well 각각을 구성하는 비커(156) 내부에 앞서 언급된 포획 항체(S4)를 미리 고정시키는 방법 자체는 종래기술과 동일할 수 있지만, 종래에는 각 비커(156) 자체에 각종 반응물을 투여하여 비커(156)를 측면으로 관찰하면서 색체 변화를 관찰하였으므로 상당한 고가의 시약이 소모될 수밖에 없으며, 더욱이 고가의 시약 소모량이 많을수록 그만큼 반응시간 또한 더욱 장시간이 소요되어 결국 현장에서 즉석으로 긴급한 면역반응 테스트를 96well로 진행하는 것이 거의 불가능하다.
본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에서는 이러한 종래의 ELISA 반응에 사용되던 96well plate의 단점을 극복하면서도 또한 종래의 96well plate를 폐기하는 것이 아니라 그대로 재활용될 수 있도록 포획 항체(S4)가 고정된 96well 각각의 비커(156)를 그대로 활용하여 뒤집어서 결합시킬 수 있도록 만드는 것이 바로 반응 챔버 부양 칼럼(155)인 것이다.
여기서 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 저면부터 상면까지 연결되는 수직 마이크로채널(1551)은 두 개가 내장되어 하나는 시료를 상부 반응 존(1552) 까지 공급 시키는 통로로 작용되고 나머지 하나는 시료를 상부 반응 존(1552)으로부터 배출시키는 통로로 작용된다.
반응 챔버 부양 칼럼(155)이 설치된 경우에도 검사의 전체 절차는 반응 챔버(15)만 형성된 경우와 거의 동일하다. 다만 도 3b에 도시된 바와 같이 2차항체-항원 복합체(S3)가 상부 반응 존(1552) 까지 도달되는 거리와 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)가 반응 존(152)으로부터 배출되는 거리가 보다 길어지므로 롤러 바(22)의 이동 거리가 다소 길어질 수 있다.
참고로 도 3b에는 외부로부터 체액(S1)이 2차 항체 패드(14)를 통과하여 주입구로 진입되면서 2차 항체(S2)와 결합하여 2차항체-항원 복합체(S3)로 형성된 다음, 마이크로채널(16)을 따라 진행되다가 채널 연통구(154)를 통해 수직 마이크로채널(1551)을 타고 반응 챔버 부양 칼럼(155)의 상부로 올라가서 포획 항체(S4)와 결합함으로써 2차항체-포획항체-항원 복합체(S5)로 형성되는 ELISA의 전 과정이 차례로 도시되어 있다.
한편 도 8 내지 도 9는 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼이 사용될 경우와 종래의 리트머스 시험지 형태의 검사 키트가 사용될 경우의 측정 결과의 정확도와 관련된 그래프이다. 참고로 도 8에서 'Proposed method' 또는 도 9에서 proposed 96well LOC(Lab-On-a-Chip)'으로 표현된 것이 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼을 지칭하고 'Lateral flow assay device'로 표현된 것이 종래의 리트머스 시험지가 사용된 검사 키트를 지칭한다.
도 8 및 도 9에서는 트로포닌 I와 베타 항원을 함유하는 알부민의 서로 다른 농도에 대하여 간섭으로 인한 오차가 발생하는 경우를 예로 들었다. 도 8 및 도 9에 나타난 바와 같이 종래의 검사 키트의 경우가 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에 비해 간섭으로 인한 오차율이 훨씬 높은 것을 알 수 있다.
또한 도 10의 그래프와 도 11의 표에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 마이크로 플랫폼에서 소요되는 시료 및 시약의 양은 종래의 방법에 비해 훨씬 작다.
한편, 본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰 방법의 내용은 앞서 설명된 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템에 대한 설명과 사실상 동일하거나 중복되므로 간략하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 미소유체 반응 관찰 방법은 반응 챔버(15) 내부에 반응 물질을 도포하여 준비하는 단계와, 마이크로채널(16)에 반응에 필요한 시료 용액을 주입시키는 단계 및, 시료 용액을 마이크로채널(16)을 통하여 반응 챔버(15)로 이동시키면서 빛을 상기 반응 챔버(15)에 조사시켜, 반응 챔버(15)로부터 반사되는 빛의 색채 정보를 분석함으로써, 반응 챔버(15) 내부에 시료 용액이 채워지는 정도를 실시간으로 체크하는 단계를 포함한다.
여기서 상기 빛은 레이저 광이고, 상기 색채 정보는 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합될수록 색이 밝아지는 RGB 가산혼합 데이터이며, 상기 실시간으로 체크하는 단계에 앞서서, 반응 챔버(15)에 상기 시료 용액이 채워지기 전에 상기 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 초기 RGB 가산혼합 데이터 값을 기록하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때 단말기 모듈(70)에는 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 RGB 가산혼합 데이터 값을 실시간으로 분석하는 유체 검출 앱이 탑재되고, 유체 분석 앱은 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 상기 마이크로 모터를 제어하여 롤러 바 또는 플레이트 중 어느 하나가 가변되도록 구동시키며, 상기 시료 용액을 주입시키는 단계와, 실시간으로 체크하는 단계에서는, 시료 용액을 반응 챔버(15)로 이동시키는 과정을 유체 검출 앱을 이용하여 자동으로 제어한다.
이 경우 상기 실시간으로 체크하는 단계에서는 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 실시간 RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 상기 마이크로모터가 자동으로 정지되고 모듈 시료의 반응 또는 세척에 소요되는 시간인 규정 체류 시간동안 마이크로모터의 정지가 유지된 다음, 상기 규정 체류 시간이 경과되면 자동으로 마이크로모터의 작동이 시작되어 반응 또는 세척 후의 시료를 이동시키도록 구동 모듈(50)을 유체 검출 앱이 제어하게 시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
S1 : 체액 S2 : 2차 항체
S3 : 2차항체-항원 복합체 S4 : 포획 항체
S5 : 2차항체-포획항체-항원 복합체 S6 : 효소 기질 중간체
W : 세척 용액 10 : 플레이트
12 : 주입구 13 : 멤브레인 필터
14 : 2차 항체 패드 15 : 반응 챔버
16 : 마이크로채널 17 : 분기 채널
19 : 접합 몸체 20 : 마이크로펌프
21 : 탄성 블록 22 : 롤러 바
30 : 채널 선택구동 밸브 40 : 탄성판
50 : 구동 모듈 60 : 광원
70 : 단말기 모듈 131 : 필터 접착 층
151 : 투명 캡 152 : 반응 존
153 : 접착 면 154 : 채널 연통구
155 : 반응 챔버 부양 칼럼
156 : 커버 171 : 제1대기 챔버
172 : 제2대기 챔버 173 : 접속점
191 : 하부 몸체 192 : 상부 몸체
193 : 접착 시트 211 : 음압 채널
212 : 연결 채널 311 : 제2음압 채널
312 : 제2연결 채널 1511 : 캡 설치용 접착 층
1551 : 수직 마이크로채널 1552 : 상부 반응 존
1555 : 칼럼 접착 층
S3 : 2차항체-항원 복합체 S4 : 포획 항체
S5 : 2차항체-포획항체-항원 복합체 S6 : 효소 기질 중간체
W : 세척 용액 10 : 플레이트
12 : 주입구 13 : 멤브레인 필터
14 : 2차 항체 패드 15 : 반응 챔버
16 : 마이크로채널 17 : 분기 채널
19 : 접합 몸체 20 : 마이크로펌프
21 : 탄성 블록 22 : 롤러 바
30 : 채널 선택구동 밸브 40 : 탄성판
50 : 구동 모듈 60 : 광원
70 : 단말기 모듈 131 : 필터 접착 층
151 : 투명 캡 152 : 반응 존
153 : 접착 면 154 : 채널 연통구
155 : 반응 챔버 부양 칼럼
156 : 커버 171 : 제1대기 챔버
172 : 제2대기 챔버 173 : 접속점
191 : 하부 몸체 192 : 상부 몸체
193 : 접착 시트 211 : 음압 채널
212 : 연결 채널 311 : 제2음압 채널
312 : 제2연결 채널 1511 : 캡 설치용 접착 층
1551 : 수직 마이크로채널 1552 : 상부 반응 존
1555 : 칼럼 접착 층
Claims (13)
- 액체가 통과 가능한 마이크로채널(16)이 내부에 형성되고, 마이크로채널(16)의 소정 부위에 반응 챔버(15)가 마련되며, 마이크로채널(16)의 단부에 형성되어 외부와 마이크로채널(16)을 연통시키는 주입구(12)가 형성된 판 형태의 부재인 플레이트(10)와;
상기 마이크로채널(16) 또는 반응 챔버(15)를 향해 빛을 조사시키는 광원(60); 및,
상기 마이크로채널(16) 또는 반응 챔버(15)가 상기 빛을 받아서 반사시키는 빛인 반사광을 수광하여 분석하는 단말기 모듈(70);을 포함하여,
상기 반사광에 대한 광학 분석이 단말기 모듈(70)을 통해 실시간으로 이루어져, 시료 또는 세척액이 반응 챔버(15)에 채워지는 정도가 상기 반사광의 변화에 따라 실시간으로 관측됨으로써, 시료 또는 세척액의 제어가 정밀하게 이루어질 수 있어, 고해상도의 검출 반응 테스트의 정밀한 자동화가 가능하고,
상기 광원(60)은 반응 챔버(15)를 향해 특정 파장을 갖는 적외선 또는 레이저를 조사시키는 적외선 광원 또는 레이저 광원이고,
상기 반사광에 대한 광학 분석은 반응 챔버가 비워졌을 때와 유체가 채워졌을 때 발생하는 반사광의 강도 차이에 대한 분석이며,
상기 반사광에 대한 광학 분석은 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합된 RGB 가산혼합 데이터이고,
상기 RGB 가산혼합 데이터를 실시간으로 분석하여 상기 마이크로채널(16) 또는 반응 챔버(15)에 유체가 채워진 양을 분석하는 유체 검출 앱이 단말기 모듈(70)에 탑재되어, 상기 반사광의 RGB 값에 따라 반응 챔버(15)에 유체가 채워지는 양이 제어되는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 반사광의 강도가 소정 강도 이상으로 커지면, 반사광을 수광한 단말기 모듈(70)이 수광된 반사광을 현출시키는 이미지에 백화현상이 발생되는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 유체 검출 앱은 상기 백화현상이 발생될 때, RGB의 세가지 색 중에서 변화량이 가장 큰 것으로 관측된 색을 인식하여 상기 변화량이 가장 큰 색의 변화량으로 마이크로채널(16) 혹은 반응 챔버(15)에 유체가 채워진 양을 도출해 내는 알고리즘이 탑재되는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 반응 챔버(15)는 면역 반응이 발생하도록 항체가 코팅된 반응 챔버인 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 체액(S1)을 마이크로채널(16) 내부로 흡입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 체액(S1)을 이동시키는 마이크로 펌프(20);가 더 구비되고,
상기 마이크로펌프(20)는 마이크로채널(16)과 마이크로채널(16) 내부와 연통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시킴으로써 상기 플레이트(10) 간에 서로 상대 가변될 때 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져, 롤러 바의 상대적 위치 변화로 시료를 이송시키며,
상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키는 마이크로 모터를 포함하는 구동 모듈(50); 및,
상기 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 무선으로 연결시키도록 구동 모듈(50)에 설치되는 통신 모듈;이 마련되되,
상기 유체 검출 앱은 구동 모듈(50)을 제어하여 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 마이크로 모터를 구동하여 상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키고,
상기 통신 모듈이 단말기 모듈(70)과 구동 모듈(50)을 연결시키면, 구동 모듈(50)의 작동이 시작되어 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시켜 미리 준비된 시료 또는 세척액을 마이크채널(16) 내부로 진입시킨 후 상기 시료 또는 세척액을 반응 챔버(15)로 이동시키며,
RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 유체 검출 앱이 상기 마이크로 모터를 정지시킴으로써, 자동으로 상기 시료 또는 세척액이 반응 챔버(15) 내로 유입되는 흐름이 중단되고,
상기 유체 검출 앱이 마이크로 모터를 정지시키는 시간은 시료가 반응 챔버(15) 내에서 반응 또는 세척을 완료하는데 소요되는 시간으로 미리 설정된 규정 체류 시간인 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 플레이트(10)에는 단부가 마이크로채널(16)의 소정 부위에 연결되는 미세채널로서, 상기 반응 챔버(15)로 세척 용액(W) 또는 액체 시료를 공급할 수 있는 분기 채널(17)이 더 마련되어, 극미량의 체액(S1)으로도 즉석에서 고해상도의 검출 반응 테스트가 가능하고,
상기 반응 챔버(15)에 적어도 하나 이상의 액체 시료가 공급 가능함으로써, 다단계 면역반응 테스트가 가능한 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 제8항에 있어서,
상기 분기 채널(17)의 일단은 마이크로채널(16)에 연결되며, 분기 채널(17)의 타단에는 상기 체액(S1)과 상기 세척 용액(W)이나 액체 시료 중 어느 하나는 정지시키고 나머지는 마이크로 펌프(20)로 이동될 수 있도록 마이크로 펌프(20)로 이동되는 대상을 선택시키는 채널 선택구동 밸브(30);가 마련되고,
상기 채널 선택구동 밸브(30)는 탄성재질의 블록 형태의 부재로서, 내부에는 분기 채널(17)과 연통되는 제2음압 채널(311)이 형성되고, 상기 롤러 바(22)가 상기 블록 형태의 부재 상부를 압박시키면서 굴러감으로써 제2음압 채널(311)이 밀폐됨으로 인해 분기 채널(17)의 타단이 밀폐되되,
상기 채널 선택구동 밸브(30)의 길이는 탄성 블록(21)보다 짧게 형성되며 탄성 블록(21)에 병렬로 배치됨으로써,
상기 단말기 모듈(70)은 유체 검출 앱을 통하여 마이크로채널(16) 내부의 시료이동 뿐만 아니라 분기 채널(17) 내부의 시료 이동도 함께 제어시키는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템. - 제1항으로 이루어지는 미소유체 반응 관찰용 마이크로 플랫폼 시스템을 이용한 미소유체 반응 관찰 방법으로서,
상기 반응 챔버(15) 내부에 반응 물질을 도포하여 준비하는 단계와;
상기 마이크로채널(16)에 반응에 필요한 시료 용액을 주입시키는 단계; 및,
상기 시료 용액을 마이크로채널(16)을 통하여 반응 챔버(15)로 이동시키면서 빛을 상기 반응 챔버(15)에 조사시켜, 반응 챔버(15)로부터 반사되는 빛의 색채 정보를 분석함으로써, 반응 챔버(15) 내부에 시료 용액이 채워지는 정도를 실시간으로 체크하는 단계;를 포함하는 미소유체 반응 관찰 방법. - 제10항에 있어서,
상기 빛은 레이저 광이고,
상기 색채 정보는 빨강(RED)과 초록(GREEN) 및 파랑(BLUE)의 세 종류의 광원이 혼합될수록 색이 밝아지는 RGB 가산혼합 데이터이며,
상기 실시간으로 체크하는 단계에 앞서서, 반응 챔버(15)에 상기 시료 용액이 채워지기 전에 상기 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 초기 RGB 가산혼합 데이터 값을 기록하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰 방법. - 제11항에 있어서,
상기 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시켜, 시료를 마이크로채널(16) 내부로 주입시키거나, 마이크로채널(16) 내부의 시료를 이동시키는 마이크로 펌프(20);가 더 구비되고,
상기 마이크로펌프(20)는 마이크로채널(16)과 연통되는 음압 채널(211)이 내부에 형성되는 탄성 블록(21)과, 탄성 블록(21) 상부에서 탄성 블록(21)을 압박시킴으로써 상기 플레이트(10) 간에 서로 상대 가변될 때 마이크로채널(16) 내부에 음압을 발생시키는 롤러 바(22)로 이루어져, 롤러 바의 상대적 위치 변화로 시료를 이송시키며,
상기 플레이트(10) 또는 롤러 바(22) 중 어느 하나를 가변시키는 마이크로 모터를 포함하는 구동 모듈(50);이 마련되되,
상기 단말기 모듈(70)에는 상기 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 RGB 가산혼합 데이터 값을 실시간으로 분석하는 유체 검출 앱이 탑재되고,
상기 유체 검출 앱은 RGB 가산혼합 데이터 값이 일정한 수준에 도달될 때 까지 상기 마이크로 모터를 제어하여 롤러 바 또는 플레이트 중 어느 하나가 가변되도록 구동시키며,
상기 시료 용액을 주입시키는 단계와, 실시간으로 체크하는 단계에서는, 시료 용액을 반응 챔버(15)로 이동시키는 과정을 유체 검출 앱을 이용하여 자동으로 제어하는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰 방법. - 제12항에 있어서,
상기 실시간으로 체크하는 단계에서는 반응 챔버(15)에서 반사되는 반사광의 실시간 RGB 가산혼합 데이터 값이 상기 일정한 수준에 도달되면 상기 마이크로모터가 자동으로 정지되고 모듈 시료의 반응 또는 세척에 소요되는 시간인 규정 체류 시간동안 마이크로모터의 정지가 유지된 다음, 상기 규정 체류 시간이 경과되면 자동으로 마이크로모터의 작동이 시작되어 반응 또는 세척 후의 시료를 이동시키도록 구동 모듈(50)을 유체 검출 앱이 제어하게 시키는 것을 특징으로 하는 미소유체 반응 관찰방법.
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| JP3729011B2 (ja) * | 2000-02-14 | 2005-12-21 | セイコーエプソン株式会社 | マイクロリアクタ |
| KR101515020B1 (ko) | 2013-11-13 | 2015-04-24 | 에스케이텔레콤 주식회사 | 햅텐 및 이에 결합하는 항체를 레퍼런스 항체로 이용하는 면역학적 측정 방법 및 상기 레퍼런스 항체를 이용한 면역학적 측정장치 |
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-
2020
- 2020-08-14 KR KR1020200102538A patent/KR102321662B1/ko active IP Right Grant
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