KR102655106B1 - Integrated microcapillary electrophoresis system and microcapillary electrophoresis chip therefor - Google Patents

Integrated microcapillary electrophoresis system and microcapillary electrophoresis chip therefor Download PDF

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Abstract

통합 미세모세관 전기영동 시스템으로, 미세모세관 전기영동칩; 상기 미세모세관 전기영동칩으로 전기영동을 위한 전압을 공급하는 휴대전화; 및 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 승압하여 상기 미세모세관 전기영동칩에 승압된 전압을 공급하기 위한 승압수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템이 제공된다. It is an integrated microcapillary electrophoresis system, including a microcapillary electrophoresis chip; A mobile phone that supplies voltage for electrophoresis to the microcapillary electrophoresis chip; and a boosting means for receiving power from the mobile phone, boosting the voltage, and supplying the boosted voltage to the microcapillary electrophoresis chip.

Description

통합 미세모세관 전기영동 시스템 및 이를 위한 미세모세관 전기영동 칩{ Integrated microcapillary electrophoresis system and microcapillary electrophoresis chip therefor}Integrated microcapillary electrophoresis system and microcapillary electrophoresis chip therefor}

본 발명은 통합 미세모세관 전기영동 시스템 및 이를 위한 미세모세관 전기영동 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의, 고전압 공급 장치 없이, 작은 크기로 이동가능한 형태로 휴대전화의 전원을 활용하여 전기영동을 수행하며, 휴대전화로 이를 조작할 수 있는, 통합 미세모세관 전기영동 시스템 및 이를 위한 미세모세관 전기영동 칩에 관한 것이다. The present invention relates to an integrated microcapillary electrophoresis system and a microcapillary electrophoresis chip therefor. More specifically, the present invention relates to an integrated microcapillary electrophoresis system and a microcapillary electrophoresis chip for the same. More specifically, the present invention relates to electrophoresis using the power of a mobile phone in a small, portable form without a separate high voltage supply device. It relates to an integrated microcapillary electrophoresis system and a microcapillary electrophoresis chip therefor that can be operated using a mobile phone.

지난 20년 동안 세계 보건 기구와 전 세계 많은 국가는 코로나바이러스 질병의 확산을 통제하기 위해 노력하고 있다. 표면에 왕관 모양의 스파이크가 있는 양성 감각 단일 가닥 RNA 바이러스인 코로나바이러스는 사람 간에 전염될 수 있으며 일반적으로 가벼운 호흡기 질환을 유발한다(WHO, 2020). For the past two decades, the World Health Organization and many countries around the world have been working to control the spread of the coronavirus disease. Coronaviruses, which are benign sense single-stranded RNA viruses with crown-shaped spikes on their surface, can be transmitted from person to person and usually cause mild respiratory illness (WHO, 2020).

2002년 중국 광둥성에서 발생한 최초의 중증급성호흡기증후군 코로나바이러스(SARS-CoV)는 약 10%의 사망률로 전 세계적으로 8000명 이상의 확인 사례를 초래하였으며(WHO, 2003), 2012년 사우디아라비아 제다에서 중동호흡기증후군(MERS)이 처음 보고됐다.Severe acute respiratory syndrome coronavirus (SARS-CoV), which first emerged in Guangdong Province, China in 2002, resulted in more than 8000 confirmed cases worldwide with a mortality rate of approximately 10% (WHO, 2003), and was first reported in the Middle East in Jeddah, Saudi Arabia in 2012. Respiratory syndrome (MERS) was first reported.

베타 코로나바이러스(MERS-CoV)는 27개국에 퍼져 약 2500명의 확인 사례를 일으켰고 약 34%의 높은 사망률을 보였다(WHO, 2018; Zaki et al., 2012). 2019년 12월, 중국 우한에서 또 다른 신종 코로나바이러스(SARS-CoV-2)의 발병이 보고되었는데, 발병 후 1년 반이 지난 2021년 7월 6일 기준으로 1억 8,300만 건이 넘는 사례와 거의 400만 명이 사망하였다(WHO, 2021).Beta coronavirus (MERS-CoV) has spread to 27 countries, causing approximately 2500 confirmed cases and a high mortality rate of approximately 34% (WHO, 2018; Zaki et al., 2012). In December 2019, an outbreak of another novel coronavirus (SARS-CoV-2) was reported in Wuhan, China, with over 183 million cases and almost 4 million people died (WHO, 2021).

일부 국가에서 전염병이 진정될 조짐을 보이기 시작했지만 많은 국가에서는 새로운 SARS-CoV-2 변종 확산으로 계속 어려움을 겪고 있다. 보건 기관과 정부는 증가하는 SARS-CoV-2 테스트를 처리하고, 효과적인 치료법을 찾고, 백신을 개발 및 배포함으로써 전염병을 통제해야 하는 과도한 부담을 안고 있다(Taleghani and Taghipour, 2021). Although some countries are starting to show signs of the pandemic subsiding, many continue to struggle with the spread of new SARS-CoV-2 variants. Health institutions and governments are under excessive burden to control the pandemic by handling the increasing number of SARS-CoV-2 tests, finding effective treatments, and developing and distributing vaccines (Taleghani and Taghipour, 2021).

백신 개발은 알려진 변이체에 대해 긍정적인 결과를 보여주지만 다가오는 SARS-CoV-2 변종에 대해 동일한 면역 효과를 유지한다는 보장은 없으며, 이 대유행을 통제하는 열쇠 중 하나는 휴대형의 신속한 진단 시스템을 개발하고, 감염된 개인을 적절히 초기에 격리하는 것에 있다. While vaccine development shows positive results against known variants, there is no guarantee that it will maintain the same immune effectiveness against upcoming SARS-CoV-2 variants, and one of the keys to controlling this pandemic is developing portable, rapid diagnostic systems; The goal is to appropriately isolate infected individuals early on.

다른 형태의 바이러스 감염성 폐렴에 사용되는 것과 유사한 SARS-CoV-2의 기존 검출 방법 중 하나인 PCR은 형광진단기와 용이하게 결합될 수 있으나, 겔 전기영동은 이동식 유전자 진단 플랫폼과 결합되기 어려운데, 그 이유는 큰 버퍼 저장 챔버와 복잡한 전기구성 때문이다. PCR, one of the existing detection methods for SARS-CoV-2 similar to that used for other types of viral pneumonia, can be easily combined with fluorescence diagnostics, but gel electrophoresis is difficult to combine with mobile genetic diagnostic platforms. This is due to the large buffer storage chamber and complex electrical configuration.

한편, 미세모세관 전기영동(mCE)은 고속, 고분해능, 낮은 시료 소모량으로 높은 분자 분석 성능을 보여주었다(Hajba and Guttman, 2017; Khatri et al., 2017; Kim et al., 2012; La

Figure 112021114529795-pat00001
n et al., 2017; Lin et al., 2017; Pan et al., 2018; Voeten et al., 2018). 미세모세관 전기영동법은, 핵산, 단백질 또는 아미노산과 같은 화학 물질 및 생체 분자의 분리 및 검출에 광범위하게 적용된다(Curtis Saunders et al., 2013; Heiger et al., 1990; Kong et al., 2019; Li et al., 2018; Liang et al., 2019; Skeidsvoll and Ueland, 1996; Sudor1994; Novotny Sunada와 Blanch, 1997).Meanwhile, microcapillary electrophoresis (mCE) showed high molecular analysis performance with high speed, high resolution, and low sample consumption (Hajba and Guttman, 2017; Khatri et al., 2017; Kim et al., 2012; La
Figure 112021114529795-pat00001
n et al., 2017; Lin et al., 2017; Pan et al., 2018; Voeten et al., 2018). Microcapillary electrophoresis is widely applied to the separation and detection of chemical and biomolecules such as nucleic acids, proteins, or amino acids (Curtis Saunders et al., 2013; Heiger et al., 1990; Kong et al., 2019; Li et al., 2018; Liang et al., 2019; Skeidsvoll and Ueland, 1996; Sudor1994; Novotny Sunada and Blanch, 1997).

하지만 기존 mCE 시스템은 전원 스위치의 수동 조작에 한계가 있었고 형광 검출은 별도의 검출기 시스템에 의해 수행되었다. 센싱 모듈과 관련하여 휴대전화 카메라는 비색 키랄 인식(Ping et al., 2018), 비색 병원성 탐지(H. Van Nguyen et al., 2020), HUE 값 기반 등온 증폭 탐지(HQ Nguyen et al., 2020) 및 형광 검출(Gou et al., 2018; Priye et al., 2018) 등에 사용되었지만 디지털 이미지는 휴대전화에 단순히 저장되었을 뿐, 이에 대한 정량적 데이터 분석은 여전히 부족한 상태이다. 따라서, 휴대전화를 이용한 새로운 미세모세관 전기영동 시스템의 개발이 필요하다. However, the existing mCE system had limitations in manual operation of the power switch, and fluorescence detection was performed by a separate detector system. Regarding the sensing module, the mobile phone camera can be used for colorimetric chiral recognition (Ping et al., 2018), colorimetric pathogenicity detection (H. Van Nguyen et al., 2020), and HUE value-based isothermal amplification detection (HQ Nguyen et al., 2020). ) and fluorescence detection (Gou et al., 2018; Priye et al., 2018), but digital images are simply stored on mobile phones, and quantitative data analysis is still lacking. Therefore, the development of a new microcapillary electrophoresis system using a mobile phone is necessary.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 휴대전화와 통합된 새로운 미세모세관 전기영동 시스템을 제공하는 것이다. Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a new microcapillary electrophoresis system integrated with a mobile phone.

본 발명은 통합 미세모세관 전기영동 시스템으로 미세모세관 전기영동칩; 상기 미세모세관 전기영동칩으로 전기영동을 위한 전압을 공급하는 휴대전화; 및 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 승압하여 상기 승압된 전압을 상기 미세모세관 전기영동칩에 공급하기 위한 승압수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템을 제공한다. The present invention is an integrated microcapillary electrophoresis system that includes a microcapillary electrophoresis chip; A mobile phone that supplies voltage for electrophoresis to the microcapillary electrophoresis chip; and a boosting means for receiving power supplied from the mobile phone, boosting the voltage, and supplying the boosted voltage to the microcapillary electrophoresis chip.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 미세모세관 전기영동칩은, 교차하는 두 개의 미세모세관으로 구성되며, 상기 미세 모세관 중 하나의 양 단부에는 샘플이 채워지는 샘플 챔버(S) 및 폐기챔버(W)가 구비되며, 나머지의 양 단부에는 음극(C) 및 양극(A) 챔버가 구비된다. In one embodiment of the present invention, the microcapillary electrophoresis chip is composed of two intersecting microcapillaries, and both ends of one of the microcapillaries include a sample chamber (S) filled with a sample and a waste chamber (W). is provided, and cathode (C) and anode (A) chambers are provided at both ends of the remainder.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 미세모세관은 수직으로 교차한다. In one embodiment of the invention, the microcapillaries cross vertically.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 승압수단은, 상기 샘플챔버(S)와 폐기챔버(W)가 구비된 미세 모세관에 샘플스택전압을 인가하기 위한 부스트 컨버터; 및 상기 음극(C) 및 양극(A) 챔버가 구비된 또 다른 미세 모세관에 분리전압을 인가하기 위한 또 다른 부스트 컨버터를 포함한다. In one embodiment of the present invention, the boosting means includes: a boost converter for applying a sample stack voltage to the microcapillary tube provided with the sample chamber (S) and the waste chamber (W); and another boost converter for applying a separation voltage to another fine capillary equipped with the cathode (C) and anode (A) chambers.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 부스터 컨버터의 동작에 따라 인가되는 샘플스택전압에 의하여 상기 샘플은 이동하여 상기 미세 모세관을 채우며, 상기 분리전압 인가에 따라 상기 미세 모세관을 채운 샘플은 상기 또 다른 미세 모세관으로 양극(A) 방향으로 이동하여 샘플내 물질 크기에 따라 분리된다. In one embodiment of the present invention, the sample moves and fills the micro capillary by the sample stack voltage applied according to the operation of the booster converter, and the sample that fills the micro capillary according to the application of the separation voltage is moved by the sample stack voltage applied according to the operation of the booster converter. It moves toward the anode (A) through a capillary tube and is separated according to the size of the material in the sample.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 분리된 샘플 내 물질은 상기 휴대전화의 카메라를 통하여 위치가 판별되며, 상기 위치는 2 개의 브래킷 래더의 이동시간을 기준으로 결정된다. In one embodiment of the present invention, the location of the material in the separated sample is determined through the camera of the mobile phone, and the location is determined based on the movement time of the two bracket ladders.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템은, 상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템과 통신 연결된 휴대전화에 의하여 조작되며, 상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템에서의 전기영동 작동을 위한 릴레이 온-오프를 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 제어한다. In one embodiment of the present invention, the integrated microcapillary electrophoresis system is operated by a mobile phone that is in communication with the integrated microcapillary electrophoresis system, and includes a relay on for electrophoresis operation in the integrated microcapillary electrophoresis system. -Off is controlled by receiving power from the mobile phone.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템에서의 전기영동도 형광 측정을 위한 레이저 파워를 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받는다. In one embodiment of the present invention, laser power for measuring electrophoresis and fluorescence in the integrated microcapillary electrophoresis system is supplied from the mobile phone.

본 발명은 또한 상술한 미세모세관 전기영동 시스템에 사용되는 미세모세관 전기영동 칩과, 상술한 미세모세관 전기영동 시스템을 조작하며, 전기영동도를 표시하기 위한 명령어로 기록된 휴대전화용 애플리케이션을 제공한다.The present invention also provides a microcapillary electrophoresis chip used in the above-described microcapillary electrophoresis system, and a mobile phone application recorded with commands for operating the above-described microcapillary electrophoresis system and displaying the electropherogram. .

본 발명에 따른 통합 μCE 시스템은, 별도의, 고전압 공급 장치 없이, 작은 크기로 이동가능한 형태이며 휴대전화로 조작할 수 있다. 또한 휴대전화는 2개의 부스트 컨버터와 여기된 레이저에 전력을 공급할 뿐만 아니라 전원 스위치의 릴레이도 제어할 수 있다. 또한 실시간으로 진단 결과에 대한 형광 신호를 검출하기 위해 휴대전화의 CMOS 카메라를 사용할 수 있으며. 또한 기록된 형광강도 vs. 실행 시간의 데이터가 모세관 전기영동도로 변환되어 휴대전화에 표시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 μCE 플랫폼은 사용자 편의성으로 다양한 현장 분자진단 분야에 적용될 수 있다.The integrated μCE system according to the present invention is small, portable, and can be operated with a mobile phone without a separate high-voltage supply device. The phone can also power the two boost converters and the excited laser, as well as control the relay of the power switch. You can also use your phone's CMOS camera to detect fluorescence signals for diagnostic results in real time. Additionally, the recorded fluorescence intensity vs. Data from the run time can be converted to a capillary electropherogram and displayed on a mobile phone. Therefore, the μCE platform according to the present invention can be applied to various fields of on-site molecular diagnosis due to user convenience.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 시스템의 모식도 및 동작방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 SAR-CoV-2 검출을 위한 모노플렉스 및 멀티플렉스 CE 분석 결과로, (A) Small bracket ladder (SL) 및 large bracket ladder (LL)에 대한 두 개의 피크. (B) S 유전자 및 (C) SL 및 LL을 포함하는 SAR-CoV-2의 N 유전자에 대한 피크 분석. (D) SAR-CoV-2의 S 및 N 유전자에 대한 다중 피크 분석 결과이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 통합 휴대용 μCE 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 μCE 시스템의 디지털 이미지로, (A) 휴대용 형 μCE 시스템의 개요; (B) 시스템 내부 구성 요소의 배열; (C) 휴대전화, 마이크로 컨트롤러, 릴레이, 부스트 컨버터 2개, 레이저, 20X 대물렌즈 및 μCE 칩으로 구성된 통합 μCE 시스템의 디지털 이미지의 평면도이다. 1 is a diagram illustrating a schematic diagram and operating method of a diagnostic system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the results of monoplex and multiplex CE analysis for SAR-CoV-2 detection, (A) two peaks for small bracket ladder (SL) and large bracket ladder (LL). Peak analysis for (B) S gene and (C) N gene of SAR-CoV-2 including SL and LL. (D) This is the result of multiple peak analysis for the S and N genes of SAR-CoV-2.
Figure 3 is a schematic diagram of a mobile integrated portable μCE system according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is a digital image of an integrated μCE system according to an embodiment of the present invention, showing (A) an overview of the portable type μCE system; (B) Arrangement of internal components of the system; (C) Top view of a digital image of the integrated μCE system consisting of a mobile phone, microcontroller, relay, two boost converters, laser, 20X objective lens, and μCE chip.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있다.Before explaining the present invention in detail, the terms or words used in this specification should not be construed as unconditionally limited to their ordinary or dictionary meanings, and the inventor of the present invention should not use the terms or words in order to explain his invention in the best way. The concepts of various terms can be appropriately defined and used.

더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.Furthermore, it should be noted that these terms and words should be interpreted with meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니다.That is, the terms used in this specification are only used to describe preferred embodiments of the present invention, and are not used with the intention of specifically limiting the content of the present invention.

이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.It should be noted that these terms are defined in consideration of various possibilities of the present invention.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Additionally, in this specification, singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates a different meaning.

또한, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.Additionally, it should be noted that even if similarly expressed in plural, it may have a singular meaning.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.Throughout this specification, when a component is described as “including” another component, it does not exclude any other component, but includes any other component, unless specifically stated to the contrary. It could mean that you can do it.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있다.Furthermore, when a component is described as being “installed within or connected to” another component, this component may be installed in direct connection or contact with the other component.

또한, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있다.In addition, they may be installed at a certain distance, and in the case where they are installed at a certain distance, there may be a third component or means for fixing or connecting the component to another component. .

한편, 상기 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.Meanwhile, it should be noted that the description of the third component or means may be omitted.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.On the other hand, when a component is described as being “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that no third component or means is present.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.Likewise, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "immediately between", or "neighboring" and "directly neighboring", have the same meaning. It should be interpreted as

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용된다.In addition, in this specification, terms such as "one side", "other side", "one side", "the other side", "first", "second", etc. refer to one component with respect to another component. It is used to clearly distinguish from elements.

하지만, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.However, it should be noted that the meaning of the corresponding component is not limited by such a term.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 한다.In addition, in this specification, terms related to position such as “top”, “bottom”, “left”, “right”, etc., if used, should be understood as indicating the relative position of the corresponding component in the corresponding drawing.

또한, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니 된다.Additionally, unless the absolute location is specified, these location-related terms should not be understood as referring to the absolute location.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미한다.Moreover, in the specification of the present invention, terms such as “… unit”, “… unit”, “module”, “device”, etc., when used, mean a unit capable of processing one or more functions or operations.

이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.It should be noted that this can be implemented by hardware or software, or a combination of hardware and software.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.In the drawings attached to this specification, the size, position, connection relationship, etc. of each component constituting the present invention is exaggerated, reduced, or omitted in order to convey the idea of the present invention sufficiently clearly or for convenience of explanation. It may be described, and therefore its proportions or scale may not be exact.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.In addition, hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of configurations that are judged to unnecessarily obscure the gist of the present invention, for example, known technologies including prior art, may be omitted.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 통합 미세모세관 전기영동 시스템으로, 미세모세관 전기영동칩; 상기 미세모세관 전기영동칩으로 전기영동을 위한 전압을 공급하는 휴대전화; 및 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 승압하여 상기 승압된 전압을 상기 미세모세관 전기영동칩에 공급하기 위한 승압수단을 포함한다. 즉, 본 발명은 5V에 불과한 휴대전화의 출력 전압을 2 개의 독립적인 부스트 컨버터(boost converter)를 포함하는 승압수단으로, 주입-스태킹(Injection-stacking (IS))과 분리-검출(Separation-detection (SD)) 단계에 필요한 전압을 공급하여 실질적으로 휴대전화와 통합되어 구동되는 새로운 개념의 통합 미세모세관 전기영동 시스템을 제공한다In order to solve the above problems, the present invention is an integrated microcapillary electrophoresis system, which includes a microcapillary electrophoresis chip; A mobile phone that supplies voltage for electrophoresis to the microcapillary electrophoresis chip; and a boosting means for receiving power from the mobile phone, boosting the voltage, and supplying the boosted voltage to the microcapillary electrophoresis chip. In other words, the present invention uses injection-stacking (IS) and separation-detection means to boost the output voltage of a mobile phone, which is only 5V, including two independent boost converters. (SD)) provides a new concept of integrated microcapillary electrophoresis system that is practically integrated with a mobile phone and operates by supplying the voltage required for the step.

통합 따른 미세모세관 전기영동 시스템 구성Composition of integrated microcapillary electrophoresis system

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진단 시스템의 모식도 및 동작방법을 설명하는 도면으로, 본 발명에 따른 미세모세관 전기영동 시스템((μCE)은 서로 교차하는 2개의 미세모세관 채널 구조를 갖는다. Figure 1 is a diagram illustrating a schematic diagram and operating method of a diagnostic system according to an embodiment of the present invention. The microcapillary electrophoresis system ((μCE)) according to the present invention has a structure of two microcapillary channels crossing each other.

즉, 본 발명의 일 실시에에 따른 미세모세관 미세모세관 전기영동칩은, 교차하는 두 개의 미세모세관으로 구성되며, 미세 모세관 중 하나의 양 단부에는 샘플이 채워지는 샘플 챔버(S) 및 폐기챔버(W)가 구비된다. 즉, 전압 인가에 따라 상기 샘플 챔버(S)의 샘플은 상기 폐기챔버(W)로 이동하여 샘플 스태킹 영역인 상기 미세모세관을 채우게 된다. That is, the microcapillary electrophoresis chip according to one embodiment of the present invention is composed of two intersecting microcapillaries, and both ends of one of the microcapillaries include a sample chamber (S) filled with a sample and a waste chamber ( W) is provided. That is, as voltage is applied, the sample in the sample chamber (S) moves to the waste chamber (W) and fills the microcapillary tube, which is the sample stacking area.

상기 샘플이 채워지는 미세모세관과 교차하는 상기 또 다른 미세모세관의 양 단부에는 음극(C) 및 양극(A) 챔버가 구비되며, 상기 음극(C)과 양극 챔버(A)는 전압이 인가되는 전도성 전극과, 흐르는 샘플이 채워지는 저장소인 챔버가 결합된 형태이다. Cathode (C) and anode (A) chambers are provided at both ends of the another microcapillary that intersects the microcapillary filled with the sample, and the cathode (C) and anode chamber (A) are conductive to which a voltage is applied. It is a combination of an electrode and a chamber, which is a reservoir filled with a flowing sample.

도 1을 참조하면, 먼저 휴대전화 등을 통한 사용자 조작에 따라 제 1 부스트 컨버터가 구동되어 휴대전화의 전압을 380V까지 승압되며, 주입 단계가 시작된다. 주입 단계 동안 샘플 저장챔버(S)와 폐기챔버(W) 사이에 전기장이 적용되어 PCR 앰플리콘이 S에서 W로 이동하여 샘플 저장챔버(S)와 폐기챔버 사이의 미세모세관 영역인 샘플스택영역을 채우게 된다(도 1의 E). 본 명세서에서 샘플 저장챔버(S)와 폐기챔버(W) 사이의 미세모세관 영역을 채우기 위하여 인가되는 전압은 이하 “스택 전압”으로 지칭한다. Referring to Figure 1, first, the first boost converter is driven according to user operation through a mobile phone, etc. to boost the voltage of the mobile phone to 380V, and the injection stage begins. During the injection step, an electric field is applied between the sample storage chamber (S) and the disposal chamber (W), so that the PCR amplicon moves from S to W and moves to the sample stack area, which is the microcapillary area between the sample storage chamber (S) and the disposal chamber. It is filled (E in Figure 1). In this specification, the voltage applied to fill the microcapillary region between the sample storage chamber (S) and the disposal chamber (W) is hereinafter referred to as “stack voltage.”

이후 전원 공급을 음극(C) 및 양극(A) 챔버로 스위칭하여야 하는데, 이는 샘플 스택 영역에 쌓인 샘플을 A 방향으로 이동시키기 위한 전기장을 인가하기 위함이다. Afterwards, the power supply must be switched to the cathode (C) and anode (A) chambers, in order to apply an electric field to move the samples accumulated in the sample stack area in the A direction.

이후 음극(C) 및 양극(A)로 전환된 전원시스템을 통하여 전압을 인가, 샘플 스택 영역에 쌓인 PCR 앰플리콘을 A쪽으로 옮겨 크기에 따라 분리한다(도 1F). 본 명세서에서 샘플 분리를 위하여 음극(C) 및 양극(A)으로 인가되는 전압은 이하 “분리전압”으로 지칭한다. Afterwards, voltage is applied through the power system converted to the cathode (C) and anode (A), and the PCR amplicons accumulated in the sample stack area are moved to A and separated according to size (Figure 1F). In this specification, the voltage applied to the cathode (C) and anode (A) for sample separation is hereinafter referred to as “separation voltage.”

본 발명의 일 실시예에서 상기 분리 전압은 마이크로 채널의 크기에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, DNA 시퀀싱을 위한 μCE 칩은 단일 염기로 전기영동도를 얻기 위해 길고 좁은 분리 채널이 필요한데. 이 경우 좁은 채널로 염기를 이동시키기 위해서는 높은 전원 공급 장치(~1000V)가 필요하다(Woolley et al., 1996). In one embodiment of the present invention, the separation voltage can be adjusted depending on the size of the microchannel. For example, μCE chips for DNA sequencing require long, narrow separation channels to obtain electropherograms with a single base. In this case, a high power supply (~1000 V) is required to move the base through the narrow channel (Woolley et al., 1996).

하지만, 본 발명은 휴대전화나 휴대용 배터리의 전압을 승압수단 즉, 부스트 컨버터를 통하여 380 V까지만 승압할 수 있으므로, 본 발명은 보다 정확한 물질 검출을 위하여 낮은 백그라운드 기준선을 갖는 4 종류의 앰플리콘을 사용하였다. 본 발명의 일 실시예에서 각 앰플리콘의 크기 간격은 80bp이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. However, since the present invention can only boost the voltage of a mobile phone or portable battery to 380 V through a boost converter, the present invention uses four types of amplicons with low background baselines for more accurate substance detection. did. In one embodiment of the present invention, the size interval of each amplicon was 80bp, but the scope of the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 상기 μCE 시스템의 조작과 측정 결과 획득은 모두 휴대전화와 같은 사용자 단말을 통하여 수행되며, 전기영동을 위한 전압 또한 휴대전화 출력전압을 별도의 승압수단으로 원하는 측정 단계별로 독립적으로 승압한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 미세모세관 전기영동 시스템은 전압-조작-측정-통신까지 모두 휴대전화와 완벽히 통합되어 사용될 수 있다. The operation of the μCE system and acquisition of measurement results according to the present invention are all performed through a user terminal such as a mobile phone, and the voltage for electrophoresis is also independently boosted for each desired measurement step by a separate boosting means. will be. Therefore, the microcapillary electrophoresis system according to the present invention can be used in complete integration with a mobile phone, including voltage-manipulation-measurement-communication.

이를 위하여 본 발명의 일 실시예는 이를 위한 별도의 조작 토글 메뉴를 실행할 수 있는 명령어로 구성된 애플리케이션을 휴대전화로 사용하였으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. For this purpose, one embodiment of the present invention uses a mobile phone application composed of commands that can execute a separate operation toggle menu for this purpose, and this all falls within the scope of the present invention.

도 1에서 도시된 앱에서는 (A) 토글 메뉴 아이콘(), (B) "작업" 메뉴, (C) "모니터" 메뉴를 순서대로 선택하여 μCE 시스템을 조작한다. "모니터" 메뉴의 화면에서 문자 "a"를 입력하여 IS 단계의 첫 번째 부스트 컨버터를 개방하고, 두 번째 부스트 컨버터를 폐쇄한다. 첫 번째 부스트 컨버터를 폐쇄하고 SD 단계를 위해 두 번째 부스트 컨버터를 개방하는 문자 "b"; 모든 부스트 컨버터를 닫는 문자 "c". 문자 "d"는 통합 μCE 시스템의 완전 자동 작동을 동작하기 위한 메뉴이다. In the app shown in Figure 1, the μCE system is operated by sequentially selecting (A) the toggle menu icon (), (B) the "Action" menu, and (C) the "Monitor" menu. Enter the letter "a" on the screen in the "Monitor" menu to open the first boost converter of the IS stage and close the second boost converter. letter "b" to close the first boost converter and open the second boost converter for the SD stage; The letter "c" closes all boost converters. The letter "d" is a menu for operating fully automatic operation of the integrated μCE system.

통합 미세모세관 전기영동 시스템 구동Drives an integrated microcapillary electrophoresis system

본 발명에 따른 μCE 시스템의 구동은 IS 및 SD 단계의 두 단계로 구성된다. CE 동작을 위해서 5V에 불과한 휴대전화의 출력 전압을 증가시켜야 하는데, 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 부스터 컨버터(승압기)의 승압수단을 사용하여 휴대전화의 5 V를 승압, IS 및 SD 단계별로 출력전압을 독립적으로 제어하였다. The operation of the μCE system according to the present invention consists of two stages, the IS and SD stages. For CE operation, the output voltage of the mobile phone, which is only 5V, must be increased. In the present invention, as shown in Figure 1, the 5V of the mobile phone is boosted using the boosting means of two booster converters (boosters), IS and The output voltage was independently controlled for each SD step.

즉, 본 발명의 일 실시예에서 IS용 부스터 회로는 380V 출력 전압을 샘플 스택 전압으로, SD용 부스터 회로는 295V 출력 전압을 분리 전압으로 하였다. That is, in one embodiment of the present invention, the IS booster circuit used 380V output voltage as the sample stack voltage, and the SD booster circuit used 295V output voltage as the separation voltage.

본 발명의 일 실시예에 따른 출력 전압은 μCE 채널, PCR 앰플리콘 크기, 전원을 고려하여 결정되며, 본 발명의 범위는 상술한 수치 범위에 제한되지 않는다. The output voltage according to one embodiment of the present invention is determined considering the μCE channel, PCR amplicon size, and power source, and the scope of the present invention is not limited to the above-described numerical range.

본 발명의 일 실시예에서는 μCE 분석을 위해 2 개의 브래킷 래더(80bp 및 320bp)와 SAR-CoV-2(S 유전자(159bp) 및 N 유전자(241bp)) 2개의 PCR 앰플리콘을 선택하였다. In one embodiment of the present invention, two bracket ladders (80bp and 320bp) and two PCR amplicons of SAR-CoV-2 (S gene (159bp) and N gene (241bp)) were selected for μCE analysis.

본 발명의 일 실시예에 따른 μCE 칩의 분리 채널 길이는 비교적 짧기 때문에(25 mm) CE 피크의 중첩을 최소화하기 위해 80bp 간격으로 앰플리콘 크기를 설계하였다. 하지만, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않으며, 브래킷 래더의 염기 길이와, 각 기준 염기길이는 칩 구조에 따라 CE 피크의 중첩을 최소화하기 위하여 달리 구성될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. Since the separation channel length of the μCE chip according to one embodiment of the present invention is relatively short (25 mm), the amplicon size was designed at 80bp intervals to minimize overlap of CE peaks. However, the scope of the present invention is not limited to this, and the base length of the bracket ladder and each reference base length may be configured differently to minimize overlap of CE peaks depending on the chip structure, and this is all within the scope of the present invention. .

짧은 브래킷 래더, S 유전자, N 유전자 및 긴 브래킷 래더의 크기는 각각 80 bp, 159 bp, 241 bp 및 320 bp이다. 길이 간격(80bp)이 크기 때문에 4개의 앰플리콘을 모두 스태킹 섹션(C와 A 사이의 미세모세관 영역)에 균등하게 로드하려면 전원 공급 장치와 주입 시간을 최적화해야 하는데, 그렇지 않으면 스태킹 영역에 있는 각 앰플리콘의 양이 달라서 불균형한 형광 피크가 발생하거나 가장 작거나 큰 피크가 드롭아웃될 수도 있기 때문이다. The sizes of the short bracket ladder, S gene, N gene, and long bracket ladder are 80 bp, 159 bp, 241 bp, and 320 bp, respectively. Due to the large length gap (80 bp), the power supply and injection time must be optimized to load all four amplicons evenly into the stacking section (microcapillary region between C and A), otherwise each ampoule in the stacking region This is because different amounts of recon may result in unbalanced fluorescence peaks or the smallest or largest peaks may be dropped.

본 발명의 일 실시예에서는 주입시간을 100초로 고정하고 포텐셔미터로 295V~380V 범위의 출력전압을 선별하였다. IS 단계에서 100초 동안 380V를 사용하면 스택 섹션에서 4개의 앰플리콘이 균등하게 분포되어 전기영동도에서 균형 잡힌 피크를 보여주는 것으로 나타났다. SD 단계의 경우 분리전압은 295V로, 이는 전기영동도에서 4개의 분리된 피크를 표시하기 위해 4개의 앰플리콘을 명확하게 분리하는 데 최적이었으며, 이 4개의 피크는 모두 낮은 배경 신호로 잘 분리되어 220초 이내에 감지될 수 있었다. In one embodiment of the present invention, the injection time was fixed at 100 seconds and the output voltage in the range of 295V to 380V was selected using a potentiometer. Using 380 V for 100 seconds in the IS step, the four amplicons were found to be evenly distributed in the stacked sections, showing balanced peaks in the electropherogram. For the SD step, the separation voltage was 295 V, which was optimal for clearly separating the four amplicons to display four separate peaks in the electropherogram, all of which were well separated with low background signal. It could be detected within 220 seconds.

통합 미세모세관 전기영동 시스템의 광학진단Optical diagnostics of an integrated microcapillary electrophoresis system

휴대전화의 파워는 블루 도트 레이저를 턴-온하는데 활용되었다. 휴대전화 조작에 따라 'b' 명령이 실행되면, 주입 단계가 완료됨과 동시에 레이저 전원이 켜지고 비디오 녹화가 시작된다. The cell phone's power was utilized to turn on the blue dot laser. When the 'b' command is executed according to the mobile phone operation, the injection step is completed and the laser power is turned on and video recording begins.

μCE 동안 분리된 앰플리콘의 형광 신호를 감지하려면 분리 채널 하단상의 CMOS 카메라 초점을 분리 채널 하단과 일치시켜야 한다. 또한 신호 분해능을 높이려면 검정색 배경과의 형광 대비를 최대로 하여야 하는데, 이를 위해서 본 발명의 일 실시예는 휴대전화와 μCE 칩의 스탠딩 각도는 물론 카메라와 μCE 칩의 감지점 사이의 거리도 최적화하였다. To detect the fluorescence signal of the separated amplicons during μCE, the focus of the CMOS camera on the bottom of the separation channel must be aligned with the bottom of the separation channel. In addition, to increase signal resolution, the fluorescence contrast with the black background must be maximized. To this end, an embodiment of the present invention optimizes the standing angle of the mobile phone and the μCE chip as well as the distance between the detection point of the camera and the μCE chip. .

이를 위하여 먼저 μCE 칩의 하부를 다양한 각도로 기울이고 블루 도트 레이저를 조사하였다. 각도가 45도일 때 검출 지점은 가장 높은 에너지로 여기된 레이저의 수렴광을 받을 수 있었다. 기울어진 각도가 45도보다 작거나 크면 빛이 낮은 에너지로 감지 지점에서 발산하여 높은 배경 잡음을 유발하였다. 따라서, μCE 칩의 바닥을 45°로 고정하였다. 휴대전화의 서 있는 각도 또한 최적화하여 최적의 초점을 나타내는 70°각도로 결정하였다. For this purpose, the bottom of the μCE chip was first tilted at various angles and a blue dot laser was irradiated. When the angle was 45 degrees, the detection point could receive the converging light from the laser excited with the highest energy. When the tilt angle was less than or greater than 45 degrees, light radiated from the detection point with low energy, causing high background noise. Therefore, the bottom of the μCE chip was fixed at 45°. The standing angle of the mobile phone was also optimized and an angle of 70° was determined to represent optimal focus.

70도의 각도는 좋은 초점을 얻었지만 목표 지점은 70도를 제외하고 카메라 초점에서 벗어났다. An angle of 70 degrees achieved good focus, but the target point was out of camera focus except at 70 degrees.

본 발명의 일 실시예에서는 휴대전화와 μCE의 스탠딩 앵글 외에도 카메라와 μCE 칩 사이의 길이도 최적화하였다. 즉, 근거리에서는 카메라의 초점이 맞지 않는 반면, 원거리에서는 휴대전화 화면에서 감지 지점이 너무 작게 나타나 데이터 처리 중에 형광 이미지가 흐릿하게 나타났다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 카메라 초점은 115mm로, 이 길이 조건에서 형광 신호와 배경의 대비가 높았으며, 그 결과 배경 시그널이 감소하고 형광 검출 감도가 향상되었습니다. 2차 부스터 회로를 켜자마자 웹 기반 앱이 바로 실행돼 분리된 DNA 밴드의 형광 신호를 기록했다.In one embodiment of the present invention, in addition to the standing angle of the mobile phone and the μCE, the length between the camera and the μCE chip was also optimized. In other words, the camera was out of focus at close range, while at a distance, the detection spot appeared too small on the mobile phone screen and the fluorescent image appeared blurry during data processing. Therefore, the optimal camera focus according to one embodiment of the present invention was 115 mm, and under this length condition, the contrast between the fluorescence signal and the background was high, resulting in a decrease in the background signal and improved fluorescence detection sensitivity. As soon as the secondary booster circuit was turned on, the web-based app was immediately launched and recorded the fluorescence signal of the separated DNA band.

통합 미세모세관 전기영동 시스템을 통한 SAR-CoV-2 분석SAR-CoV-2 analysis via integrated microcapillary electrophoresis system

본 발명에 따른 통합 미세모세관 전기영동 시스템을 S 유전자(159bp)와 N 유전자(241bp)의 2개의 PCR 앰플리콘을 표적으로 하여 SAR-CoV-2 분석에 적용하였다. The integrated microcapillary electrophoresis system according to the present invention was applied to SAR-CoV-2 analysis by targeting two PCR amplicons of the S gene (159 bp) and the N gene (241 bp).

전기영동에서 피크의 절대 이동 시간은 CE 작동 조건, 겔 매트릭스 조건 및 온도와 같은 다양한 요인의 영향을 받을 수 있으므로 상대 이동 시간 비율을 계산하기 위해 짧은 브래킷 래더(SL)(80bp) 및 긴 브래킷 래더(LL)(320bp)를 CE 분석에 사용하여 상대적 이동 시간 비율을 계산하였다. In electrophoresis, the absolute migration time of a peak can be affected by various factors such as CE operating conditions, gel matrix conditions, and temperature, so to calculate the relative migration time ratio, we used a short bracket ladder (SL) (80 bp) and a long bracket ladder (80 bp). LL) (320 bp) was used in CE analysis to calculate the relative migration time ratio.

이 경우, 브래킷 래더를 기준으로 사용하면 절대 용출 시간에 관계없이 높은 정확도로 표적 물질의 표적 피크를 원하는 피크 위치로 할당하여 판단할 수 있는 장점이 있다. In this case, using the bracket ladder as a standard has the advantage of being able to assign and determine the target peak of the target material to the desired peak position with high accuracy regardless of the absolute elution time.

도 2는 SAR-CoV-2 검출을 위한 모노플렉스 및 멀티플렉스 CE 분석 결과로, (A) SL 및 LL에 대한 두 개의 피크. (B) S 유전자 및 (C) SL 및 LL을 포함하는 SAR-CoV-2의 N 유전자에 대한 피크 분석. (D) SAR-CoV-2의 S 및 N 유전자에 대한 다중 피크 분석 결과이다.Figure 2 shows the results of monoplex and multiplex CE analysis for SAR-CoV-2 detection, (A) two peaks for SL and LL. Peak analysis for (B) S gene and (C) N gene of SAR-CoV-2 including SL and LL. (D) This is the result of multiple peak analysis for the S and N genes of SAR-CoV-2.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서는 각각 용출 시간이 53초와 148초인 짧은 브래킷 래더(SL)와 긴 브랫킷 래더(LL)를 분리하였다(도 2A). Referring to Figure 2, in one embodiment of the present invention, a short bracket ladder (SL) and a long bracket ladder (LL) with elution times of 53 seconds and 148 seconds, respectively, were separated (Figure 2A).

이후 두 개의 브래킷 래더와 함께 S 유전자를 표적으로 하는 앰플리콘(S, 159bp)을 분석하였다. 도 5B에서 SL 피크, S 유전자 피크 및 LL 피크는 각각 94초, 131초 및 204초에서 나타나는 3개의 명확한 피크를 보여주었다. Afterwards, the amplicon (S, 159bp) targeting the S gene was analyzed along with two bracket ladders. In Figure 5B, the SL peak, S gene peak, and LL peak showed three clear peaks appearing at 94 s, 131 s, and 204 s, respectively.

따라서 S 유전자 피크의 상대 이동 시간비는 다음 식에 의해 0.3334 ± 0.003으로 계산되었습니다.Therefore, the relative migration time ratio of the S gene peak was calculated as 0.3334 ± 0.003 by the following equation:

상대적 이동 시간비 = (표적 피크와 짧은 브래킷 래더간 이동시간차)/(2개의 브래킷 래더간 이동시간차)Relative movement time ratio = (movement time difference between target peak and short bracket ladder)/(movement time difference between two bracket ladders)

마찬가지로, N 유전자의 앰플리콘 또한 두 개의 브랫킷 래더(SL, LL)를 이용하여 분석하였고(도 2C), SL, N 유전자 및 LL의 용출 시간은 73초, 134초 및 168초로 측정되었다. Similarly, the amplicon of the N gene was also analyzed using two bracket ladders (SL, LL) (Figure 2C), and the elution times of SL, N gene, and LL were measured to be 73 seconds, 134 seconds, and 168 seconds.

따라서 N 유전자 피크의 상대 이동 시간비는 0.6380 ± 0.004로 계산되었으며, 마지막으로 브래킷 래더가 있는 SAR-CoV-2의 두 유전자는 제안된 시스템에 대한 다중 μCE 분석을 위해 분리되었다. Therefore, the relative migration time ratio of the N gene peak was calculated as 0.6380 ± 0.004, and finally, the two genes of SAR-CoV-2 with bracket ladder were separated for multiple μCE analysis for the proposed system.

4개의 모든 피크는 백그라운드 기준선과 명확하게 분리되었으며 2개의 표적 피크는 2개의 브래킷 래더의 중간에 위치하였다(도 2D). All four peaks were clearly separated from the background baseline, and the two target peaks were located in the middle of the two bracket ladders (Figure 2D).

도 2D의 결과는 도 2A-C와 비교하여 보면, 각 피크에 대한 절대 용출 시간이 변경되었지만, S 유전자와 N 유전자의 상대 이동 시간 비율은 0.3304 및 0.6339로 결정되며, 이 값은 하기 표 1의 모노플렉스 분석 데이터와 상당히 일치하였다.Comparing the results in Figure 2D with Figures 2A-C, the absolute elution time for each peak has changed, but the relative migration time ratios of the S and N genes are determined to be 0.3304 and 0.6339, and these values are shown in Table 1 below. It was in good agreement with the monoplex analysis data.

[표 1][Table 1]

이동형 통합 미세모세관 전기영동 시스템Portable integrated microcapillary electrophoresis system

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동형 통합 휴대용 μCE 시스템의 개략도이다. Figure 3 is a schematic diagram of a mobile, integrated, portable μCE system according to one embodiment of the present invention.

도 3에서 (A) 휴대전화 관련 μCE 시스템의 개요; (B) (i) 4개의 저장소를 패터닝하기 위한 2mm 두께의 PMMA, (ii) 샘플 스택 μCE 채널을 패터닝하기 위한 1mm 두께의 PMMA 층 (iii) 하부기판인 0.175mm 두께의 PMMA 층 (iv) μCE 미세모세관 채널구조 (C) 통합 μCE 시스템의 개별 구성요소 및 각 구성요소간 연결구조, (D) 마이크로 컨트롤러, 2채널 릴레이 및 2개의 부스트 컨버터 간의 세부 회로 연결을 나타낸다. 도 3의 C에서 휴대전화는 마이크로 컨트롤러에 연결되어 레이저와 2채널 릴레이에 전력을 공급하고 제어 명령을 제공하며, 릴레이는 스위치 역할을 하며 마이크로 컨트롤러로부터 명령을 받아 μCE 칩의 주입 및 분리 단계를 제어하는 *?*두 개의 부스트 컨버터 회로를 켜고 끄며 이는 상술한 바와 같다. 또한 도 3의 D에서 빨간색과 주황색 선은 전원선을 나타내고 검은색 선은 접지선을 나타내며 녹색과 보라색 선은 신호선을 나타낸다. In Figure 3 (A) Overview of the mobile phone-related μCE system; (B) (i) 2 mm thick PMMA for patterning the four reservoirs, (ii) 1 mm thick PMMA layer for patterning the sample stack μCE channels, (iii) 0.175 mm thick PMMA layer as the underlying substrate, and (iv) μCE. Shows the microcapillary channel structure (C) the individual components of the integrated μCE system and the connection structure between each component, and (D) the detailed circuit connection between the microcontroller, two-channel relay, and two boost converters. In Figure 3C, the mobile phone is connected to the microcontroller to power and provide control commands to the laser and the two-channel relay. The relay acts as a switch and receives commands from the microcontroller to control the injection and separation stages of the μCE chip. Turns on and off the two boost converter circuits as described above. Additionally, in D of Figure 3, red and orange lines represent power lines, black lines represent ground lines, and green and purple lines represent signal lines.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 μCE 시스템의 디지털 이미지로, (A) 휴대용 형 μCE 시스템의 개요; (B) 시스템 내부 구성 요소의 배열; (C) 휴대전화, 마이크로 컨트롤러, 릴레이, 부스트 컨버터 2개, 레이저, 20X 대물렌즈 및 μCE 칩으로 구성된 통합 μCE 시스템의 디지털 이미지의 평면도이다. Figure 4 is a digital image of an integrated μCE system according to an embodiment of the present invention, showing (A) an overview of the portable type μCE system; (B) Arrangement of internal components of the system; (C) Top view of a digital image of the integrated μCE system consisting of a mobile phone, microcontroller, relay, two boost converters, laser, 20X objective lens, and μCE chip.

본 발명에 따른 통합 μCE 시스템은, 별도의 고전압 공급 장치 없이, 작은 크기로 이동가능한 형태이며 휴대전화로 조작할 수 있다. 한 휴대전화는 2개의 부스트 컨버터와 여기된 레이저에 전력을 공급할 뿐만 아니라 전원 스위치의 릴레이도 제어할 수 있다. 또한 실시간으로 진단 결과에 대한 형광 신호를 검출하기 위해 휴대전화의 CMOS 카메라를 사용할 수 있으며. 또한 기록된 형광강도 vs. 실행 시간의 데이터가 모세관 전기영동도로 변환되어 휴대전화에 표시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 μCE 플랫폼은 사용자 편의성으로 다양한 현장 분자진단 분야에 적용될 수 있는 장점이 있다. The integrated μCE system according to the present invention is small, portable, and can be operated with a mobile phone without a separate high voltage supply device. One cell phone can power the two boost converters and the excited laser as well as control the relay of the power switch. You can also use your phone's CMOS camera to detect fluorescence signals for diagnostic results in real time. Additionally, the recorded fluorescence intensity vs. Data from the run time can be converted to a capillary electropherogram and displayed on a mobile phone. Therefore, the μCE platform according to the present invention has the advantage of being applicable to various fields of on-site molecular diagnosis due to user convenience.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments and attached drawings. For those skilled in the art to which the present invention pertains, it will be clear that components according to the present invention can be replaced, modified, and changed without departing from the technical spirit of the present invention.

Claims (12)

통합 미세모세관 전기영동 시스템으로
미세모세관 전기영동칩;
상기 미세모세관 전기영동칩으로 전기영동을 위한 전압을 공급하는 휴대전화; 및
상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 승압하여 상기 승압된 전압을 상기 미세모세관 전기영동칩에 공급하기 위한 승압수단을 포함하고,
상기 승압수단은,
샘플챔버(S)와 폐기챔버(W)가 구비된 미세 모세관에 샘플스택전압을 인가하기 위한 부스트 컨버터; 및
음극(C) 및 양극(A) 챔버가 구비된 또 다른 미세 모세관에 분리전압을 인가하기 위한 또 다른 부스트 컨버터를 포함하며,
상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템은 상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템과 통신 연결된 휴대전화에 의하여 조작되며,
휴대전화는 샘플스택전압 인가 시에 상기 부스트 컨버터를 개방하고 상기 또 다른 부스트 컨버터를 폐쇄하고, 분리전압 인가 시에 상기 부스트 컨버터를 폐쇄하고 상기 또 다른 부스트 컨버터를 개방하는 조작이 가능한 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. With an integrated microcapillary electrophoresis system
Microcapillary electrophoresis chip;
A mobile phone that supplies voltage for electrophoresis to the microcapillary electrophoresis chip; and
It includes a boosting means for receiving power from the mobile phone, boosting the voltage, and supplying the boosted voltage to the microcapillary electrophoresis chip,
The pressure boosting means is,
A boost converter for applying a sample stack voltage to a microcapillary tube equipped with a sample chamber (S) and a waste chamber (W); and
It includes another boost converter for applying a separation voltage to another microcapillary equipped with a cathode (C) and anode (A) chamber,
The integrated microcapillary electrophoresis system is operated by a mobile phone connected to the integrated microcapillary electrophoresis system,
The mobile phone is capable of opening the boost converter and closing the other boost converter when applying the sample stack voltage, and closing the boost converter and opening the other boost converter when the separation voltage is applied. Integrated microcapillary electrophoresis system. 제 1항에 있어서,
상기 미세모세관 전기영동칩은, 교차하는 두 개의 미세모세관으로 구성되며,
미세 모세관 중 하나의 양 단부에는 샘플이 채워지는 샘플 챔버(S) 및 폐기챔버(W)가 구비되며,
나머지의 양 단부에는 음극(C) 및 양극(A) 챔버가 구비되는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 1,
The microcapillary electrophoresis chip consists of two intersecting microcapillaries,
A sample chamber (S) filled with a sample and a waste chamber (W) are provided at both ends of one of the microcapillaries,
An integrated microcapillary electrophoresis system, characterized in that cathode (C) and anode (A) chambers are provided at both ends of the remainder. 제 2항에 있어서,
상기 미세모세관은 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템.According to clause 2,
An integrated microcapillary electrophoresis system, wherein the microcapillaries cross vertically. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 부스트 컨버터의 동작에 따라 인가되는 샘플스택전압에 의하여 상기 샘플은 이동하여 상기 미세 모세관을 채우며,
상기 분리전압 인가에 따라 상기 미세 모세관을 채운 샘플은 상기 또 다른 미세 모세관으로 양극(A) 방향으로 이동하여 샘플내 물질 크기에 따라 분리되는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 1,
The sample moves and fills the microcapillary by the sample stack voltage applied according to the operation of the boost converter,
An integrated microcapillary electrophoresis system, wherein upon application of the separation voltage, the sample filling the microcapillary moves toward the anode (A) to the other microcapillary and is separated according to the size of the material in the sample. 제 5항에 있어서,
상기 분리된 샘플 내 물질은 상기 휴대전화의 카메라를 통하여 위치가 판별되는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 5,
An integrated microcapillary electrophoresis system, characterized in that the location of the substance in the separated sample is determined through the camera of the mobile phone. 제 6항에 있어서,
상기 위치는 2 개의 브래킷 래더의 이동시간을 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 6,
An integrated microcapillary electrophoresis system, characterized in that the position is determined based on the movement time of the two bracket ladders. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템에서의 전기영동 작동을 위한 릴레이 온-오프를 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받아 제어하는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 1,
An integrated microcapillary electrophoresis system, characterized in that the relay on-off for electrophoresis operation in the integrated microcapillary electrophoresis system is controlled by receiving power from the mobile phone. 제 1항에 있어서,
상기 통합 미세모세관 전기영동 시스템에서의 분리된 샘플의 전기영동도 형광 측정을 위한 레이저 파워를 상기 휴대전화로부터 전력을 공급받는 것을 특징으로 하는 통합 미세모세관 전기영동 시스템. According to clause 1,
An integrated microcapillary electrophoresis system, characterized in that laser power for electrophoresis and fluorescence measurement of separated samples in the integrated microcapillary electrophoresis system is supplied from the mobile phone. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 7항, 제 9항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 미세모세관 전기영동 시스템에 사용되는 미세모세관 전기영동 칩.A microcapillary electrophoresis chip used in the microcapillary electrophoresis system according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, and 9 to 10. 제 1항 내지 제 3항, 제 5항 내지 제 7항, 제 9항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 미세모세관 전기영동 시스템을 조작하며, 전기영동도를 표시하기 위한 명령어로 기록된 휴대전화용 애플리케이션.Operating the microcapillary electrophoresis system according to any one of claims 1 to 3, 5 to 7, and 9 to 10, and carrying a device recorded with instructions for displaying the electropherogram. Application for phone.
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