KR20220106271A - 유체 채널에서 자성입자의 내부 환류를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자성입자를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자성입자의 순환을 이용한 분리장치 및 분리 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 분리 장치는 자성입자에 고정되는 피분리 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 채널;
상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;
상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 유체 항력이 제1 자석의 자력보다 작은 영역으로 이동시키는 제2 자석; 및
자성입자들을 포함한다.

Description

유체 채널에서 자성입자의 내부 환류를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법{Appratuses for seperation using the magnetically driven internal reflux of magnetic particles inside a fluidic channel and methodes using thereof}

본 발명은 자성입자를 이용한 분리 장치 및 이를 이용하는 분리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자성입자의 순환을 이용한 분리장치 및 분리 방법에 관한 것이다.

시료 속 병원성 균, 바이러스, 단백질을 비롯한 바이오마커의 농도 검사는 환자 및 샘플시료 속 병원성 균, 바이러스, 단백질을 비롯한 바이오마커의 농도 검사는 환자 및 샘플의 상태를 판단할 수 있는 중요한 지표로 사용되고 있다. 따라서 상기 물질들의 조기 검출을 통해 질병에 대한 신속한 대처와 예방이 가능하다. 하지만 이러한 물질들은 시료 속에 미량만 존재하기 때문에 대용량 시료 속에서 대상 물질을 신속히 분리 및 농축하는 기술이 필수적이다.

이를 위해 대상 물질과 결합 가능한 자성을 가지는 입자를 이용하여 복합 시료 내 대상 물질을 선택적으로 포집한 후 외부 자기장을 이용하여 분리 및 농축하는 기술이 개발되었다.

그러나 자성입자를 이용하여 대상 물질을 포집하는 과정은 한정된 양의 자성입자 표면에 고정된 포집용 물질과 대상 물질간의 결합반응에 기반하므로 물과 같이 대용량 시료에 적용할 경우 두 물질간 결합 효율이 감소하여 기술의 신속성 및 기능성, 편이성이 감소하는 원인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 자성입자가 배치된 유체 채널에 대상 물질이 포함된 시료를 흘려보내 결합 효율을 높이는 방법이 개발되었다. 하지만 흐르는 유체의 항력에 의해서 자성입자가 유실되기 때문에, 빠른 유속의 적용이 어렵다는 문제가 있다. 대한민국 특허 출원 10-2019-0112817호에서는 전도성 유로에 자기장을 이용해서 자성입자로 이루어진 가상 그물을 형성함으로서, 유체에 의해서 자성입자가 유체의 흐름 방향으로 움직일 때 렌츠의 법칙에 의해 반대 방향의 힘이 작용하도록 하여, 유로에 고정된 자성입자들이 흘러떠내려 가는 것을 방지하는 방안이 제시된다. 하지만 전도성 유로가 요구되고, 유량이 높아지면 자성입자의 손실량이 커지는 문제가 발생한다는 점에서 한계가 있다.

이에 따라, 채널에 유체 재순환 구조를 추가하여 적은 양의 자성입자로 신속하게 대상 물질을 포집하는 기술이 개발되었지만, 재순환을 위해 추가적인 채널 및 기계적 장치가 필요하기 때문에 장치의 크기가 커지고 복잡해지는 단점이 존재한다.

따라서, 자기장의 의해서 고정되어 있다가 유체에 의해서 흘러 떠내려간 자성입자들을 간단하게 원위치로 복원시킬 수 있는 장치나 방법에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 유체의 흐름에 의해서 자기장에 의해서 고정된 자성입자들이 유실되는 것을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 유체의 흐름에 의해서 자기장에 의해서 고정된 자성입자들이 유실되는 것을 해결할 수 있는 새로운 분리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 유체의 흐름에 의해서 자기장에 의해서 고정되었다가 유실된 자성입자들을 자기적으로 순환시켜 입자 유출량 감소 및 병원균 포집 효율을 증가시킬 수 있는 새로운 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서,

유체 채널;

상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;

상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 유체 항력이 제1 자석의 자력보다 작은 영역으로 이동시키는 제2 자석; 및

제1 자석 및 제2 자석 사이를 왕복하는 자성입자들을 포함하는 분리 방법을 제공한다.

이론적으로 한정된 것은 아니지만, 제1 자석의 자기장에 의해서 상류에 고정된 자성입자들이 유체 항력의 증가에 의해서 유체 항력이 큰 중심부에서 이탈되면 하류에 위치한 제2 자석이 이탈된 자성입자들을 유체 항력이 작은 유로의 주변부 영역으로 이동시키게 되고, 유체 항력이 작은 영역으로 이동된 자성입자들은 다시 제1 자석에 끌려서 상류로 환류되며, 이로 인해 자성입자들은 제1 자석과 제2 자석 사이를 왕복하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 자석은 자성입자를 유체 채널의 상류에 고정하고, 유실되어 제2 자석에 의해서 유체항력이 낮은 영역으로 이동된 자성입자를 상류 방향으로 환류시키기 위한 것이다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 자석은 영구자석의 배열일 수 있으며, 바람직하게는 자성입자들은 유체 체널을 가로질러 가상 필터형태를 이루도록 유체 채널을 가로지르는 선형 자기력선들을 포함하는 자기장을 제공할 수 있으며, 상기 영구자석 배열은 평행한 자석 배열, 할바흐(Halbach) 배열, 할바흐 고리를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 제1 자석을 이루는 영구자석 배열은 내부에 자기장이 유체 채널의 단면을 균일하게 채울 수 있도록 12개의 자석을 인접한 자석간 자화 방향의 차이가 60°도로 배치된 할바흐 고리일 수 있다. 이러한 할바흐 고리는 자기장은 고리의 입구 및 출구보다 중심부에서 강한 자력을 형성하여 자성입자들이 중심부 방향으로 잡아당기며 균일한 자기장으로 자성입자들이 유체 채널의 단면을 균일하게 채우는 막을 형성할 수 있도록 하고, 이로 인해 대상 물질이 자성입자와 결합하지 못하고 유체 채널의 빈 공간으로 통과하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제2 자석은 유체의 항력에 의해서 제1 자석의 자기장에서 이탈되어 흘러 떠내려가는 자성입자들을 항력이 작은 영역으로 이동시켜, 제1 자석의 자력에 의해 상류 방향으로 환류시키기 위해 설치되는 영구자석의 배열일 수 있다.

본 발명에 있어서, 제2 자석은 유체 항력이 유체 채널의 중심보다 벽면에서 약해지므로, 자성입자를 중심부에서 벽면으로 잡아당기는 힘을 제공하는 영구자석의 배열일 수 있다.

본 발명에 있어서, 제2 자석은 자성입자를 자성입자를 상류방향으로 밀어주는 힘을 추가로 제공하는 역추진 자석 고리일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 역추진 자석 고리는 유로를 중심으로 인접한 자석간 자화방향 차이가 90°간격으로 배치되는 4개의 정육면체 자석들로 이루어질 수 있다.

본 발명에 있어서, 제2 자석은 제1 자석과 소정간격 이격하여 배치되며, 제2 자석에 의해서 항력이 적은 영역으로 이동된 자성입자가 제1 자석에 의해서 환류될 수 있도록, 제1 자석의 자력이 항력이 적은 영역에서의 항력보다 큰 거리내에서 이격되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시에 있어서, 제1 자석과 제2 자석의 간격은 제1 자석의 자력과 유속을 고려하여 결정될 수 있으며, 제1 자석과의 거리가 지나치게 멀게 되면 자성입자들이 제2 자석에 의해서 항력이 작은 벽면으로 이동하더라도 제1 자석의 자력이 약해 환류되지 않고 벽면에 고정된 상태를 유지하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 유체 채널은 유체가 통과할 수 있는 모든 종류의 채널일 수 있으며, 따라서 그 소재나 형태에 제한을 두지 않는다.

본 발명의 실시에, 상기 유체 채널은 세라믹, 고분자, 금속, 및 이들의 복합 재료로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 유리관 또는 플라스틱관일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 자성입자는 자력에 반응하는 자성을 띤 입자로 이해된다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 자성입자는 자성 나노입자들, 자성 나노입자 사슬, 자성 나노입자와 비자성 나노입자의 복합체, 자성 나노입자와 비자성 나노입자의 클러스터 또는 코팅된 자성 나노입자일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 자성입자는 자력에 의해서 자화되는 자성입자 일 수 있으며, 채널을 통과하는 자기력선을 따라서 채널을 가로질러 고정될 수 있다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 자성입자는 자기력선을 따라서 가상 그물 형태로 고정될 수 있다. 상기 자성입자는 외부 자력을 제거하면 유체와함께 흘러가 채널 외부로부터 배출될 수 있다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 자성입자들은 공지된 방법을 통해서 제조해서 사용하는 것이 가능하며, 또한 상업적으로 구입해서 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 자성입자는 사산화삼철(Fe₃O₄)와 같이 자력에 반응하여 자성을 띠는 미세입자일 수 있다.

본 발명에 있어서, 피분리 물질은 자기장에 의해서 채널에 고정된 자성입자에 의해서 분리될 수 있는 한 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 피분리 물질은 고정된 자성입자에 의해 형성된 망상 구조에 의한 필터링, 자성입자와의 물리-화학적 결합, 자성입자와의 정전기적 결합, 항원-항체와 같은 생물학적 결합에 의해서 자성입자에 결합할 수 있다.

본 발명의 일 실시에 있어서, 상기 피분리 물질은 병원성 미생물일 수 있다. 상기 병원성 미생물은 식품 등에 포함되어 식중독을 일으킬 수 있는 식중독균일 수 있으며, 예를 들어, 장관출혈성 대장균 O157:H7, 병원대장균, 살모넬라균, 황색포도상구균, 장염비브리오, 리스테리아균, 캠필로벡터균, 바실러스세레우스균 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 피분리 물질이 병원성 미생물일 경우, 상기 자성입자는 시료에 포함된 병원성 미생물과 결합 가능한 자성입자일 수 있다. 병원성 미생물과 결합 가능한 자성입자는 자성입자 및 이의 표면에 배치된 항체, 앱타머 또는 분자각인 고분자를 포함할 수 있으며, 상기 항체, 앱타머 또는 분자각인 고분자는 병원성 미생물과 결합할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 자성입자는 피분리 물질 중 일부의 물질에 선택적으로 결합할 수 있으며, 이를 이용하여 시료에 포함된 물질의 선택적 분리가 가능하게 된다. 일 예로, 각 미생물들을 선택적으로 포집하는 자성입자를 이용하여 채널 내에 다중 가상그물을 형성시킬 경우, 다중 병원성 미생물을 종별로 별도의 위치에서 포집할 수 있다.

본 발명에 있어서, 역추진 자석 고리는 영구자석 고리의 바깥쪽 모서리에 강한 자속 밀도가 형성되도록 배치한 자석고리로, 이때 생기는 자기장에 의해 고리 내 자성입자들은 고리의 바깥쪽 관 벽 부분에 배열된다.

나아가, 영구자석 배열과 역추진 자석 고리를 동시에 배열했을 때 두 자석 고리 사이를 지나는 자성입자들은 고리 사이 한쪽 벽에 형성되는 강한 자속밀도로 인해 벽으로 몰리게 된다. 벽에서는 채널의 중앙보다 낮은 항력이 가해지기 때문에 벽으로 몰린 입자들은 영구자석 배열의 자기장에 의해 영구자석 배열 내부로 돌아가는 내부 환류 현상이 일어날 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 유체 채널은 유리관, 플라스틱 채널을 포함해 유체가 통과할 수 있는 모든 종류의 채널로 그 소재나 형태에 제한을 두지 않으며, 영구자석 배열 및 역추진 자석 고리는 유체 채널의 외부, 내부, 측면에 배치할 수 있어 그 배치에 제한을 두지 않는다.

본 발명은 일 측면에 있어서,

유체 채널;

상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;

상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 유체 항력이 제1 자석의 자력보다 작은 영역으로 이동시키는 제2 자석; 및

제1 자석 및 제2 자석 사이를 왕복하는 자성입자들을 포함하는 분리 장치를 제공하는 단계; 및

상기 분리 장치의 유체 채널에 상기 자성입자들에 결합하는 피분리 물질을 포함하는 시료를 공급하는 단계를 포함하는 분리 방법을 제공한다.

본 발명은 일 측면에서,

유체 채널의 주변에 할바흐 고리를 설치하여 자성입자들을 고정시키고, 고정된 자성입자들을 이용하여 시료를 분리하는 하는 것을 특징으로 하는 분리 장치를 제공한다.

본 발명은 일 측면에서,

유체 채널의 상류에 자성입자 가상 그물을 형성하는 제1 자석을 제공하고, 유체 채널의 하류에 상류 방향으로 자성입자들을 밀어주는 제2 자석을 제공하여, 자성입자들이 제1 자석과 제2 자석 사이를 순환하는 분리 장치를 제공한다.

본 발명은 일 측면에서,

유체 채널;

상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;

상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 채널의 벽면 방향으로 이동시키는 제2 자석; 및

제1 자석 및 제2 자석 사이를 왕복하는 자성입자들을 포함하는 분리 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 제1 자석을 이루는 영구자석 배열을 이용해 자성입자로 구성된 가상필터를 형성할 수 있고 이를 통해 효율적으로 타겟 물질을 포집할 수 있다. 또한, 제1 자석에 의해서 가상 그물의 자성입자는 액체 시료의 주입으로 인한 항력에 대항하고 큰 크기의 불순물을 통과시켜, 가상그물이 유체 채널 내에서 그 구조를 유지하는 현상이 일어날 수 있으며, 다양한 물질과 결합할 수 있는 자성입자를 이용해 가상 필터를 형성시킬 경우, 다중 물질을 한 번에 포집할 수 있고 이들을 간단히 회수하여 작은 부피안에 농축할 수 있다.

본 발명에 의하면, 제1 자석을 이루는 영구자석 배열의 후미에 역추진 자석 고리를 배치하여 추가적인 채널이나 기계적 장치 없이도 자성입자의 내부 순환을 유도할 수 있으며 이를 통하여 높은 유속에서도 안정적으로 대상 물질을 포집할 수 있다. 즉, 본 발명은 복잡한 처리 과정이나 부피가 큰 장비 없이도 자성입자와 간단한 자석 배열 및 이들의 배치를 이용하여 신속하게 대상 물질을 포집하고, 포집된 대상 물질을 쉽게 회수하여 다양한 상황에 적용할 수 있어 활용범위가 넓은 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분리장치의 개요를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 분리장치에 설치된 자석 배열의 자기장 상태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 분리 장치에 사용되는 할바흐 고리 및 가상필터를 보여주는 도면이다. (a) 사진 (b) 자기장 분포, (c) 할바흐 고리에 고정된 자성입자들의 이미지. 스케일바는 1 mm
도 4는 본 발명에 따른 분리장치에서 자성입자들의 움직임을 보여주는 도면이다. 도 4a는 제2 자석이 없는 상태를 보여주며, 도 4b 내지 도 4d는 제1 자석과 제2 자석의 거리에 따른 자성입자들의 움직임을 보여주는 도면이다. 도 3b는 1cm, 도 3c는 2cm, 도 3d는 3cm 이다.
도 5는 본 발명에 따른 분리장치에서 할바흐 고리와 역추진 자석 고리의 조합에 의해서 대장균이 포획되는 원리를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 분리장치에서 제2 자석의 설치여부에 따른 포집효율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 분리장치에서 자석간 거리에 따른 포집효율을 보여주는 그래프이다.
도 8은 사슬형 자성 나노입자의 합성과정을 보여주는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

분리장치

도 1에서와 같이, 유리관으로 이루어진 유체 채널(10)의 상류에는 자성입자를 유체 채널(10)을 가로질러 필터형태로 고정하기 위해서 제1 자석(20)을 배치하고, 유체채널(10)의 하류에는 자성입자를 항력이 작은 벽면으로 이동시켜 제1 자석(20)의 자력에 의해서 상류 방향으로 순환되도록 제1 자석(10)과 소정 간격 이격하여 제2 자석(30)을 배치하였다.

제1 자석(20)은 12개의 사다리꼴 자석들로 이루어진 할바흐 고리이며, 각 자석은 인접한 자석들과 60도의 자화 방향 각도를 가지고 있다. 사다리꼴 형태의 자석은 높이 4 cm, 두께 2.5cm의 자석을 사용하였으며, 배열의 중앙부에는 유체 채널이 지나갈 수 있는 공간이 있다.

제2 자석(30)은 4개의 정육면체 자석들이 인접한 자석들과 90도의 자화 방향 각도를 가지도록 배치되었다. 정육면체 자석은 1.2×1.2×1.2 cm³크기의 자석을 사용했으며. 맞은편 자석과의 사이 간격은 2.5 cm이며, 중앙에 유체 채널이 지나갈 수 있는 공간이 있다.

유체 채널(10)은 영구자석 배열의 중앙을 관통하는 직경 3.2 mm유리관을 배치시킨다. 자성입자는 표면에 고분자가 고정된 산화철 자성나노입자를 사용하였다.

유체채널(10)은 아크릴 틀을 이용하여 제1 자석(20)인 할바흐 고리와 제2 자석(30)인 역추진 자석 고리의 중심을 통과하도록 고정하였다. 제1 자석(20)과 제2 자석(30)도 역시 아크릴 틀을 이용하여 위치를 고정시켰다. 유리관 끝에는 영구자석 1개(도시되지 않음)를 두어 입자들을 수거하는 데 사용하였다.

도 2 및 도 3에서와 같이, FEMM 및 COMSOL을 이용하여 계산한 자기장 분포를 적용하면, 제1 자석(20)을 이루는 할바흐 고리의 단면에 대해 내부 자기장이 선형으로 균일하게 분포하는 것을 보여준다. 또한, 도 2b에서 도시된 바와 같이, 측면에서 할바흐 고리의 자기장 분포를 관찰하면, 자석고리에서 양 옆으로 멀어질수록 자기장의 세기가 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 이에 따라 만약 입자가 할바흐 고리의 오른쪽에 위치할 경우 왼쪽으로 자기력을 받게 되어 할바흐 고리와 가까워진다. 따라서 자성입자들은 도 2c에 도시된 바와 같이, 할바흐 고리의 내부에서 중심부 단면에서 하나의 면 형태로 이루면서 고정된다.

도 2d는 제2 자석(30)을 역추진 자석 고리의 단면에 대한 자기장 분포를 관찰하면, 역추진 자석 고리을 이루는 자석들의 자화방향은 radial orientation을 가져 내부의 자기장이 상쇄된다. 도 2e에서 측면에 대한 역추진 자석 고리의 자기장 분포를 관찰하면, 할바흐 고리와 반대로 역추진 자석 고리는 양 끝단 주변에서 자기장의 세기가 가장 높다. 그리고 역추진 자석 고리의 양 끝단에서는 채널 중심으로부터 채널 벽면에 가까워질수록 자기장이 증가한다. 이에 따라 자성나노입자는 도 2에 도시된 바와 같이, 역추진 자석 고리의 전단에서 유체 채널 벽면으로 밀집된다.

도 4a에서 도시된 바와 같이, 역추진 자석 고리로 이루어진 제2 자석을 제거하고 유체채널에 할바흐 고리만 설치한 상태에서, 8 mg의 자성나노입자를 주입하고 할바흐 고리를 이용하여 입자들을 배열시킨 뒤, 15 mL/min의 유량으로 물을 주입할 경우, 자성나노입자들이 할바흐 고리 뒤쪽으로 유출되었다. 대부분의 자성나노입자들은 강한 유체의 항력에 의해 유체를 따라 흘러내려가는 반면, 일부 입자들은 튜브 벽을 따라 다시 할바흐 고리로 되돌아왔다. 이는 유체의 선속도가 유체채널의 중앙에서 가장 높고, 유체 채널 벽과 가까울수록 낮기 때문이다. 따라서 유체 채널 중앙에서 유출된 자성나노입자 중 벽으로 밀려난 일부는 유체에 의한 항력을 약하게 받기 때문에 할바흐 고리에 의한 자기력에 의해 다시 돌아오게 된다.

도 4b 내지 도 4d에서는 할바흐 고리로 이루어진 제1 자석(20)의 하류에 역추진 자석 고리로 이루어진 제2 자석(30)을 설치하고, 그 간격에 따른 입자들의 움직임을 관찰하였다.

도 4b 및 도 4c는 제1 자석(20)과 제2 자석(30)사이의 간격을 변화시켰을 때 15 mL/min의 유량 하에서 유출된 자성나노입자의 거동을 나타낸다. 도 4b는 1cm 이격된 경우, 도 4c는 2cm 이격된 경우, 도 4d는 3cm 이격된 경우이다.

도 4b 및 도 4c와 같이, 제1 자석(20)과 제2 자석(30)사이의 간격이 좁은 경우에는 제1 자석(20)인 할바흐 고리에서 유출된 입자들이 제2 자석(30)인 역추진 자석 고리에 의해 항력이 작은 유리채널(10)의 벽으로 밀려난 뒤 제1 자석(20)인 할바흐 고리로 되돌아오는 내부 환류가 형성되었으며 제1 자석(20)과 제2 자석(30)간의 거리가 적절히 더 넓게 이격된 도 4b에서 활발한 내부 환류가 일어났다.

이에 반해, 도 4d에서 도시된 바와 같이, 제1 자석(20)과 제2 자석(30) 사이의 간격이 넓어진 경우에는 제1 자석(20)인 할바흐 고리에서 유출된 입자들이 제2 자석(30)인 역추진 자석 고리에 의해 항력이 작은 유리채널(10)의 벽으로 밀려난 뒤 제1 자석(20)인 할바흐 고리로 되돌아가지 못하고 벽면에 고정되었다. 이는 제1 자석(20)과 제2 자석(30)의 간격이 3cm가 되면 유출된 입자들이 제2 자석(30)에 의해 벽으로 밀리더라도, 제1 자석(20)인 할바흐 고리와의 거리가 멀어 당겨지는 자기력을 충분히 받지 못하기 때문에 순환이 일어나기 보다는 튜브 벽에 쌓이는 모습이 관찰되었다.

실시예 : 병원성 대장균 포집

본 실험은 식중독을 일으키는 병원성 대장균 [Escherichia coli O157:H7]을 대상으로 진행되었다. 상기 분리 장치의 유리관에 대장균을 포함하는 증류수 시료를 흘려주어 대장균-자성나노입자 복합체를 형성시켰다. 이와 같은 과정을 개략적으로 도 5에 나타내었다. 도 5의 제1 자석(20)은 할바흐 고리를 간단하게 도시한 것이다.

이 때 내부 순환 가상 그물의 대장균 포집 효율을 파악하기 위해 대장균 시료 용액과 가상 그물에 포집되지 못하고 빠져나온 대장균 용액을 수거하여 고체 배지에 도말한 뒤 16 시간 배양하여 미포집된 대장균의 수를 측정하였다. 자석 배치에 따른 가상 그물의 포집 효율을 도 6에 나타내었다. 또한, 도 7에 보이는 바와 같이, 자석간 거리가 특정 거리일 때 내부 환류로 인한 자성입자와 병원균 간의 유효충돌 증가로 최대 포집 효율을 나타내고 그 이상으로 증가할수록 가상 그물의 포집 효율이 감소하는 경향이 있었으며, 영구자석 배열간 거리가 2cm에서 90 % 이상의 포집 효율을 가지는 것을 알 수 있었다.

비교 예

제1 자석(20)만을 이용하여 가상그물을 형성시킨 뒤 분당 15 mL의 유량에서 포집 효율을 비교하였다. 대장균 시료 용액과 포집되지 못하고 빠져나온 대장균 용액을 수거하여 고체배지에 도말한 뒤 16시간 배양하여 포집효율을 측정하였다. 그 결과 도 6에 보이는 바와 같이, 제1 자석(20)에 의한 가상그물만 있는 경우에는 41%의 포집 효율을 보였고 제2 자석(30)에 의한 내부 순환구조가 함께 있는 경우에는 92%의 포집 효율을 보였다.

이는 내부 순환 구조로 인해 높은 유속에서 가상 그물 구조로부터 유출되는 입자들이 다시 가상그물 구조로 돌아가 조밀한 그물 구조를 장시간 유지할 수 있기 때문이다.

MNC의 합성법.

산화철(Fe₃O₄) MNP가 200 ℃에서 15시간동안 테플론 라이닝 오토 클레이브에서 염화철, 구연산 나트륨, 우레아 및 폴리 아크릴 아미드의 수열반응에 의해서 합성되었다. 120 mL의 에탄올에 48 mg의 MNP를 분산시킨 후, 4 mL의 APTES가 용액에 추가되었다. 용액을 밤새 유지하여 입자 표면에 아민 그룹을 생성하였다. 아민 관능화된 MNPs(amine-MNPs)는 영구 자석으로 수집되었으며, 에탄올로 3 회 세척하고 탈 이온수에 분산시켰다. 알지네이트 코팅 MNP (Alg-MNPs)를 합성하기 위해서, EDC-NHS 커플링 반응을, 80mg의 EDC와 0.4g의 NHS를 포함하는 2mL의 DI 물에 3 wt % 알긴산 나트륨 용액 700 ㎕을 첨가하여 15 분 동안 유지하여 수행하였다. 그런 다음 용액을 아민-MNP와 혼합하고, 용액을 흔들면서 밤새 유지하였다. 영구 자석을 이용하여 Alg-MNP가 수집하고, 탈 이온수로 3 회 세척하였다. 선형자기장은 구연산 (최종 농도 0.1M) 첨가와 함께 즉시 0.1 mg/mL의 Alg-MNP에 적용되었으며, 1 시간 동안 유지하여, 알긴산과 구연산간의 정전기 상호 작용을 통해 MNC를 생성하였다. 자성입자 크기는 가상 그물의 안정성과 박테리아에 대한 결합 효율성에 영향을 미침을 주목할 필요가 있다. 더 큰 MNP는 더 높은 유속에서 유동 채널 내부에 유지 될 수 있지만, 그러나 입자 크기가 커질수록 MNP의 표면적은 감소하고 박테리아에 대한 결합 효율이 감소합니다. MNC를 DI 물로 3회 세척한 후, 0.1 g/mL PEI 용액 200 μL 용액이 40 mL의 0.5 mg/mL MNC에 투입되고, MNP 용액은 볼텍스 혼합 후 1 시간 동안 유지하였다. 잔류 PEI는 DI 물로 세척하여 PEI 코팅된 MNC(PEI-MNC) 또는 PEI 코팅된 MNP(PEI-MNP)를 얻었다. 도 8은 PEK-MNCs의 제조 과정을 도시한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

10 : 유체 채널
20 : 제1 자석
30 : 제2 자석

Claims (12)

1. 자성입자에 고정되는 피분리 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 채널;
   상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;
   상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 유체 항력이 제1 자석의 자력보다 작은 영역으로 이동시키는 제2 자석; 및
   자성입자들을 포함하는 분리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 자석은 유체 채널을 가로지르는 선형 자기력선들을 포함하는 자기장을 제공하는 영구 자석의 배열인 것을 특징으로 하는 분리 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 영구자석 배열은 평행한 자석 배열, 할바흐(Halbach) 배열, 할바흐 고리를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 자석은 영구 자석의 사이에 균일한 세기의 자기장을 형성하도록 배치된 자석 배열인 것을 특징으로 하는 분리장치.
5. 제1항에 있어서,
   제2 자석은 자성입자를 중심부에서 벽면으로 잡아당기는 힘을 제공하는 영구자석의 배열인 것을 특징으로 하는 분리장치.
6. 제1항에 있어서,
   제2 자석은 벽면으로 잡아당기면서 자성입자를 상류방향으로 밀어주는 힘을 추가로 제공하는 영구자석 배열인 것을 특징으로 하는 분리 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유체 채널은 세라믹, 고분자, 금속, 및 이들의 복합 재료로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 분리 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 자성입자는 자성 나노입자, 자성 나노입자 사슬, 자성 나노입자와 비자성 나노입자의 복합체, 자성 나노입자와 비자성 나노입자의 클러스터 또는 코팅된 자성 나노입자로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
9. 제1항에 있어서,
   피분리 물질은 고정된 자성입자에 의해 형성된 망상 구조에 의한 필터링, 자성입자와의 물리-화학적 결합, 자성입자와의 정전기적 결합, 항원-항체와 같은 생물학적 결합 중 적어도 하나의 결합에 의해서 자성입자에 결합되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 피분리 물질은 단백질, 화학물질, 병원균, 바이러스로 이루어진 그룹에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 분리 장치.
11. 유체 채널,
    상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석,
    상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 유체 항력이 제1 자석의 자력보다 작은 영역으로 이동시키는 제2 자석, 및
    제1 자석 및 제2 자석 사이를 왕복하는 자성입자들을 포함하는 분리 장치를 제공하는 단계; 및
    상기 분리 장치의 유체 채널에 상기 자성입자들에 결합하는 피분리 물질을 포함하는 시료를 공급하는 단계를 포함하는 분리 방법.
12. 자성입자에 고정되는 피분리 물질을 포함하는 유체가 흐르는 유체 채널;
    상기 유체 채널의 상류에서 자성입자들을 고정시키는 제1 자석;
    상기 유체 채널의 하류에서 자성입자들을 채널의 벽면 방향으로 이동시키는 제2 자석; 및
    상기 제1 자석과 제2 자석 사이를 왕복하는 자성입자들을 포함하는 분리 장치.
    

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