KR20130135111A - 다-채널 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 다-채널 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법에 관한 것으로서, 이에 따르면 박막 형상의 미세유동 칩을 이용하는 다양한 생물학적 반응을 수행함에 있어서, 상당히 작은 1 이상의 유입부에 동일한 극소량의 액체를 신속하게 분배하여 주입할 수 있고, 단 1회의 사용자 조작으로 상기 1 이상의 유입부에 극소량의 액체의 양을 정확하게 분배할 수 있고, 더 나아가 핵산 추출 반응 시간을 상당히 단축시켜 연이은 다양한 생물학적 검출 또는 분석 반응을 신속하게 진행할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

다-채널 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법{Multi-channel device for distributing liquid sample, device for extracting nucleic acid comprising the same, and method for extracting nucleic acid using the same}
본 발명은 액체 유입부를 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩에 생물학적 시료 또는 시약과 액체를 동시에 정확하게 분배하기 위한 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법에 관한 것이다.
최근 유전자 수준에서 질병을 진단, 치료, 또는 예방하기 위하여 세포, 박테리아, 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 기술이 핵산 증폭 반응 기술과 연계되어 널리 활용되고 있다. 또한, 질병의 진단, 치료, 또는 예방 이외에도 맞춤형 신약 개발, 법 의학, 환경 호르몬 검출 등 다양한 분야에서 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 기술이 요구되고 있는 실정이다. 종래 핵산 추출 기술의 일 예로서는 세포를 포함하는 시료를 SDS나 프로테이나아제(proteinase) K로 처리하여 가용화한 후 페놀로 단백질을 변성 제거하여 핵산을 정제하는 방법이 있었다. 그러나, 페놀 추출법은 많은 처리 단계를 수행해야 하기 때문에 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 핵산 추출 효율이 연구자의 경험과 노련성에 의해 크게 좌우되어 신뢰성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다. 최근에는 이러한 문제를 해소하기 위해 핵산과 특이적으로 결합하는 실리카나 유리섬유를 이용하는 키트가 사용되기도 한다. 상기 실리카나 유리섬유는 단백질, 세포 대사 물질들과 결합 비율이 낮으므로 상대적으로 높은 농도의 핵산을 얻을 수 있다. 이와 같은 방법은 페놀법과 비교했을 때 간편하다는 장점은 있지만, 중합효소 연쇄 반응(PCR) 등의 효소 반응을 강하게 저해시키는 카오트로픽 시약이나 에탄올을 이용하기 때문에 이들 물질을 완전히 제거해야 하며, 이를 이유로 조작이 매우 번거롭고 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 최근 필터를 사용하여 핵산을 직접 정제하는 방법이 국제 공개특허 제00/21973호에 개시되었는데, 이 방법은 시료를 필터에 통과시켜 세포를 필터에 흡착시킨 후 필터에 흡착된 세포를 용해시키고 필터로 여과시킨 후 필터에 흡착된 핵산을 세척 및 용출시키는 것이다. 그러나 세포를 필터에 흡착시킨 후 핵산을 용출시키기 위해서는 세포의 종류에 따라 필터를 선택해야만 한다는 문제가 있고, 사용 장치들이 대형이고 복잡하여 연구자가 용이하게 사용할 수 없는 단점이 있다.
또한, 다양한 생물학적 반응 수행시 반응 용기에 극소량의 시료 또는 시약과 같은 액체를 주입하는 장치는 필수적이다. 종래 반응 용기는 대부분 튜브 형상을 띠고, 더 나아가 극소량의 부피를 갖는 튜브를 복수 개로 장착-나열한 멀티 튜브 등도 사용되고 있다. 따라서, 이러한 반응 용기에 극소량의 시료 또는 시약과 같은 액체를 주입, 혼합, 또는 배출하기 위해 일반적으로 사용되는 기기는 피펫(pipette) 및 팁(tip)이다. 그러나 상기 피펫 및 팁은 반응 용기에 주입하는 액체의 양을 사용자 손 조작으로 조절하여 그 정확도가 만족스럽지 않고, 특히 박막 형상의 미세유동 칩의 작은 크기의 1 이상의 유입부에 액체를 주입할 때에는 아주 미세한 배출구를 갖는 팁과 이에 맞춰 설계된 피펫이 요구되는 등 매우 번거롭다. 또한, 피펫은 다수의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩을 이용하여 반응을 수행하는 경우 동일한 시료 또는 시약 등을 정확하고 신속하게 분배하지 못하여 매우 번거롭다. 따라서, 박막 형상의 미세유동 칩을 사용하는 생물학적 반응에서 작은 크기의 1 이상의 유입부에 신속하고 정확하게 극소량의 시료 또는 시약을 동시에 정확하게 분배할 수 있고, 사용자 편리성이 개선되어 신속하게 반응을 수행할 수 있는 액체 배분 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 일 실시예는 1 이상의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩의 1 이상의 유입구에 생물학적 시료 또는 시약과 같은 극소량의 액체를 신속하고 정확하게 분배할 수 있고, 사용자 조작 편리성이 개선된, 다-채널 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 실시예는 박막 형상의 기판; 상기 기판의 일 말단 영역에 배치된 단일 액체 주입구; 및 상기 기판의 다른 일 말단 영역에 배치되되, 상기 단일 액체 주입구와 채널을 통해 유체 소통가능하게 연결된, 1 이상 짝수 개의 액체 배출구를 포함하는 것으로서, 상기 채널은 일 말단이 상기 단일 액체 주입구 측으로 연결되고 다른 말단은 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하도록 구현되어 상기 액체 배출구 측에 연결된 채널 패턴을 구비하는, 1 이상의 단위 채널 영역을 포함하는 것인, 다-채널 액체 분배 장치를 제공한다.
본 발명의 제1 실시예에 있어서,
상기 액체 배출구는 2N 개로 구현되고, 상기 채널은 상기 단일 액체 주입구로부터 상기 2N 개의 액체 배출구까지 형성된 N개의 단위 채널 영역을 포함하고, 상기 N 이하 i번째 단위 채널 영역은 2i-1 개의 개시 채널(3100) 및 상기 2i-1 개의 개시 채널로부터 각각 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하는 2i 개의 분지 채널(3200)을 포함하되, 상기 1번째 단위 채널 영역 중 개시 채널 측 말단은 상기 단일 액체 주입구와 연결되고, 상기 N번째 단위 채널 영역 중 분지 채널 말단은 각각 상기 2N 개의 액체 배출구와 연결되는 것으로서, 상기 N 및 i는 자연수일 수 있다.
본 발명의 제2 실시예는 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상 짝수 개의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩(microfluidic chip)(1)에 있어서, 상기 1 이상의 유입부를 통해 상기 1 이상의 반응 채널 내로 액체를 하향 주입하기 위한 것으로서, 상기 1 이상의 유입부 수와 일치하는 액체 배출구를 구비하는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치; 및 상기 미세유동 칩의 1 이상의 유입부와 상기 다-채널 액체 분배 장치의 1 이상의 액체 배출구를 유체 소통가능하게 연결하는 유체 전달 수단을 포함하는, 다-채널 액체 분배 주입 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 실시예는 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 것으로서, 유입부, 상기 유입부와 연결된 채널 영역, 및 상기 채널 영역과 연결된 유출부를 포함하는 것으로서, 상기 채널 영역은 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부를 포함하는 것인, 1 이상의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 핵산 추출용 미세유동 칩; 상기 1 이상의 유입부 수와 일치하는 액체 배출구를 구비하는, 본 발명의 제1 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치; 및 상기 미세유동 칩의 1 이상의 유입부와 상기 다-채널 액체 분배 장치의 1 이상의 액체 배출구를 유체 소통가능하게 연결하는 유체 전달 수단을 포함하는, 핵산 추출 장치를 제공한다.
본 발명의 제3 실시예에 있어서,
상기 미세유동 칩의 1 이상의 유출부 영역 말단이 고정 장착될 수 있도록 구현된 칩 유출부 영역 말단 장착부, 상기 미세유동 칩의 1 이상의 유출부 상단에 각각 대응하는 1 이상의 상향 액체 흡입구, 및 상기 1 이상의 상향 액체 흡입구와 유체 소통 가능하게 연결된 1 이상의 액체 저장 챔버를 구비하는 액체 저장 용기를 더 포함할 수 있다.
상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비할 수 있다.
상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비하고, 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비할 수 있다.
상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비하고, 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하고, 상기 핵산 분리부와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터를 구비할 수 있다.
상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비할 수 있다.
상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하고, 상기 핵산 분리부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터를 구비할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예는 본 발명의 제3 실시예에 따른 핵산 추출 장치를 제공하는 단계; 생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계; 및 상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계를 포함하는, 핵산 추출 방법을 제공한다.
본 발명의 제5 실시예는 본 발명의 제3 실시예에 따른 핵산 추출 장치를 제공하는 단계; 생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계; 상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계; 및 상기 핵산 추출 산물을 상기 액체 저장 용기의 액체 저장 챔버에 저장하는 단계를 포함하는, 핵산 추출 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 다-채널 액체 분배 장치, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법에 관한 것으로서, 이에 따르면 박막 형상의 미세유동 칩을 이용하는 다양한 생물학적 반응을 수행함에 있어서, 상당히 작은 1 이상의 유입부에 동일한 극소량의 액체를 신속하게 분배하여 주입할 수 있고, 단 1회의 사용자 조작으로 상기 1 이상의 유입부에 극소량의 액체의 양을 정확하게 분배할 수 있고, 더 나아가 핵산 추출 반응 시간을 상당히 단축시켜 연이은 다양한 생물학적 검출 또는 분석 반응을 신속하게 진행할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치를 도시한다.
도 2 내지 3은 도 1에 따른 다-채널 액체 분배 장치의 채널 중 단위 채널 영역을 도시한다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 주입 장치를 도시한다.
도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩을 상세하게 설명하고, 이를 이용한 핵산 추출 방법을 도시한다.
도 11 내지 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 저장 용기를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩과 액체 저장 용기가 결합된 상태에서 생물학적 시료 또는 시약과 같은 액체의 이동 경로를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치, 미세유동 칩, 및 액체 저장 용기가 결합된 상태에서 생물학적 시료 또는 시약과 같은 액체의 이동 경로를 도시한다.
도 16 내지 17은 타사 핵산 추출 장치와 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치를 각각 이용한 핵산 추출 실험의 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 이하 기술된 설명은 본 발명의 일 실시예들을 쉽게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 그러한 설명으로부터 본 발명의 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2)를 도시한다.
도 1에 따르면, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)는 박막 형상의 기판(1000); 상기 기판의 일 말단 영역에 배치된 단일 액체 주입구(2000); 및 상기 기판의 다른 일 말단 영역에 배치되되, 상기 단일 액체 주입구와 채널(3000)을 통해 유체 소통가능하게 연결된, 1 이상 짝수 개의 액체 배출구(4000)를 포함하는 것으로서, 상기 채널(3000)은 그 일 말단이 상기 단일 액체 주입구 측으로 연결되고 다른 말단은 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하도록 구현되어 상기 액체 배출구 측에 연결된 채널 패턴을 구비하는, 1 이상의 단위 채널 영역을 포함한다.
상기 기판(1000)은 극소량의 액체를 수용하고 그 수용된 액체가 이동할 수 있도록 구현된 미세 공간, 즉 채널을 구비한다. 상기 기판(1000)은 얇은 판과 같은 박막(thin film) 형상으로 구현되어 극소량의 액체가 요구되는 생물학적 또는 생화학적 반응에서 시료 또는 시약의 양을 절약할 수 있고, 미세한 양까지 조절 가능하게 한다. 상기 기판(1000)은 후술할 단일 액체 주입구(2000), 채널(3000), 복수의 액체 배출구(4000)의 기저(base) 역할을 수행하기 때문에 이러한 모듈들(2000, 3000, 4000)을 지지하고 이들을 쉽게 제조할 수 있게 하는 재질, 예를 들어 플라스틱, 실리콘, 금속, 세라믹 등으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다-채널 액체 분배 장치(2)는 1 이상의 유입부를 구비하는 반응 용기에 단 1회의 조작으로 동일한 양의 시료 또는 시약을 동시에 배분하기 위한 것이다. 따라서, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)는 하나의, 즉 단일 액체 주입구(2000) 및 이와 유체 소통가능하게 연결된 복수의, 예를 들어 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)를 구비할 수 있다. 더 상세하게는, 상기 단일 액체 주입구(2000)는 상기 기판(1000)의 일 말단 영역에 배치되고, 상기 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)는 상기 기판의 다른 일 말단 영역에 배치되고, 이들은 채널(3000)을 통해 유체 소통가능하게 연결되어 상기 단일 액체 주입구(2000)로부터 상기 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)로 액체가 이동할 수 있는 구조로 구현된다. 한편, 상기 단일 액체 주입구(2000)와 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)는 박막 형상의 기판(1000)의 일 표면에서 상향으로 배치될 수도 있고, 상기 박막 형상의 기판(1000)의 양 표면에 각각 상향 및 하향으로 배치될 수도 있다. 참고로, 도 1의 하단 그림은 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)의 단일 액체 주입구(2000) 및 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)가 상기 박막 형상의 기판(1000)의 일 표면에 모두 상향으로 배치된 것을 예시하고 있다.
도 2 내지 3은 도 1에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2)의 채널(3000) 중 단위 채널 영역(3500)을 도시한다.
도 2에 따르면, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)의 채널(3000)은 그 일 말단이 상기 단일 액체 주입구(2000) 측으로 연결되고, 다른 말단은 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하도록 구현되어 상기 액체 배출구(4000a, 4000b) 측에 연결된 채널 패턴을 구비하는, 1 이상의 단위 채널 영역(3500)을 포함한다. 상기 단위 채널 영역(3500)은 상기 단일 액체 주입구(2000)로부터 상기 1 이상의 짝수 개의 액체 배출구(4000)로 유체 소통가능하게 연속적으로 구현된 채널(3000) 중 임의로 구획된 일 영역일 수 있다. 따라서, 상기 단위 채널 영역(3500)은 상기 다-채널 액체 분배 장치(2) 내에서 1 이상 구현되어 상기 단일 액체 주입구(2000)와 상기 액체 배출구(4000) 간의 연속적인 유로를 형성하게 할 수 있다. 도 2에 도시된 것은 1개의 단위 채널 영역(3500)임을 가정한다. 상기 1개의 단위 채널 영역(3500)의 일 말단은 상기 단일 액체 주입구(2000)와 직접 연결되고, 다른 말단은 상기 1 이상의 짝수 개, 즉 2개의 액체 배출구(4000a, 4000b)와 직접 연결된다. 이 경우 사용자가 상기 단일 액체 주입구(2000)에 일정한 양(F)의 액체를 주입하면, 상기 주입된 액체는 상기 단위 채널 영역(3500)의 일 말단과 연결된 채널을 따라 이동하다가(F) 다른 말단에서 두 갈래로 분할된 채널을 따라 유량이 1/2씩 분배되어(1/2F) 상기 2개의 액체 배출구(4000a, 4000b)로 이동한다. 이 경우 분배되는 유량을 정확하게 1/2씩 분배하기 위하여 일반적인 전기회로 공식을 사용할 수 있다. 즉, 단일 액체 주입구(2000)에 도입되는 액체는 동일한 물성을 갖기 때문에, 두 갈래로 분할된 2개의 채널의 단면적은 전기회로 공식 및 그에 따른 저항값을 고려하여 분할 전 1개의 채널의 단면적과 비교를 통해 구현할 수 있다.
더 나아가, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)는 상기 1 이상 짝수 개의 액체 배출구(4000)의 수를 미리 결정하면, 액체 분배 수를 쉽게 결정할 수 있다. 구체적으로, 상기 액체 배출구는 2N 개로 구현되고, 상기 채널은 상기 단일 액체 주입구로부터 상기 2N 개의 액체 배출구까지 형성된 N개의 단위 채널 영역을 포함하고, 상기 N 이하 i번째 단위 채널 영역은 2i-1 개의 개시 채널 및 상기 2i-1 개의 개시 채널로부터 각각 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하는 2i 개의 분지 채널을 포함하되, 상기 1번째 단위 채널 영역 중 개시 채널 측 말단은 상기 단일 액체 주입구와 연결되고, 상기 N번째 단위 채널 영역 중 분지 채널 말단은 각각 상기 2N 개의 액체 배출구와 연결되는 것으로서, 상기 N 및 i는 자연수인 다-채널 액체 분배 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 따르면, 액체 배출구(4000)를 4개로 결정하면(4000a, 4000b, 4000c, 4000d), 상기 채널(3000)은 상기 단일 액체 주입구(2000)로부터 4개의 액체 배출구(4000a, 4000b, 4000c, 4000d)까지 2개의 단위 채널 영역(3500, 3500')을 포함하고, 상기 단위 채널 영역 중 1번째 단위 채널 영역(3500)은 1개의 개시 채널(3100) 및 상기 1개의 개시 채널(3100)로부터 각각 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하는 2개의 분지 채널(3200, 1/2F)을 포함하고, 상기 단위 채널 중 2번째 단위 채널 영역(3500')은 2개의 개시 채널(3100') 및 상기 2개의 개시 채널(3100')로부터 각각 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하는 4개의 분지 채널(3200', 1/4F)을 포함하고, 이 경우 상기 1번째 단위 채널 영역(3500) 중 개시 채널(3100) 측 말단은 상기 단일 액체 주입구(2000)와 연결되고, 상기 2번째 단위 채널 영역(3500') 중 분지 채널(3200') 말단은 상기 4개의 액체 배출구(4000a, 4000b, 4000c, 4000d)와 연결된다.
도 4 내지 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩(1)을 개략적으로 도시한다.
상기 미세유동 칩(1)은 다양한 반응, 예를 들어 생물학적 또는 생화학적 반응을 위해 사용되는 것으로서 이러한 반응이 일어나는 1 이상의 반응 채널(70)을 구비한다. 도 4 내지 6에 따르면, 상기 미세유동 칩(1)은 8개의 반응 채널(70)을 구비하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 반응 채널(70)은 양 말단에 유입부(10) 및 유출부(60)를 구비하고, 생물학적 시료 또는 시약과 같은 액체는 상기 유입부(10)를 통해 상기 반응 채널(70) 내부로 도입되고, 상기 생물학적 반응 산물 또는 폐기물과 같은 액체는 상기 유출부(60)를 통해 배출된다. 상기 미세유동 칩(1)은 얇은 판과 같은 박막(thin film) 형상으로 구현되고, 소량의 액체를 수용할 수 있는 공간을 포함할 수 있다. 상기 미세유동 칩(1)은 극소량의 액체, 예를 들어 생물학적 시료, 및 그로부터 핵산을 추출하기 위한 시약을 이용한 생물학적 반응에 유용하게 사용될 수 있다. 상기 미세유동 칩(1)의 상세 구조 및 용도에 관해서는 후술하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 주입 장치를 도시한다.
도 6에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 주입 장치는 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상 짝수 개의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩(microfluidic chip)(1)에 있어서, 상기 1 이상의 유입부(10)를 통해 상기 1 이상의 반응 채널 내로 액체를 하향 주입하기 위한 것으로서, 상기 1 이상의 유입부 수(10, 8개)와 일치하는 액체 배출구(4000, 8개)를 구비하는, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2); 및 상기 미세유동 칩(1)의 1 이상의 유입부(10)와 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)의 1 이상의 액체 배출구(4000)를 유체 소통가능하게 연결하는 유체 전달 수단(4)을 포함한다. 이 경우 상기 미세유동 칩(1)은 핵산 추출 반응, 중합효소 연쇄반응(PCR) 등에 사용될 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2) 및 상기 유체 전달 수단(4)을 통해 상기 미세유동 칩(1)에 전달되는 액체는 각 반응에 필수적인 시료 또는 시약일 수 있다. 상기 유체 전달 수단(4)은 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2)의 1 이상 짝수 개의 액체 배출구(4000)의 배치 방향과 관련이 있다. 도 6에 따르면, 상기 액체 배출구(4000)의 액체 배출 방향은 상향으로 구현되어 있고, 상기 박막 형상의 미세유동 칩(1)의 유입부(10)도 상향으로 구현되어 있기 때문에, 상기 다-채널 액체 분배 장치(2)로부터 상기 미세유동 칩(1)으로 액체를 전달하기 위해서는 이들을 유체 소통가능하게 연결하는 별도 유체 전달 수단(4)이 필요한 경우가 있다. 그러나, 비록 도시되지는 않았지만, 만약 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2)의 액체 배출구(4000)가 하향으로 구현되어 있고, 상기 1 이상 짝수 개의 액체 배출구(4000) 하단에 상기 미세유동 칩(1)의 유입부 영역이 장착되는 영역이 존재하여 상기 하향 액체 배출구(4000)와 상기 미세유동 칩(1)의 유입부가 밀착 연결될 수 있다면, 위와 같은 별도의 유체 전달 수단(4)이 요구되지 않을 수 있음은 물론이다.
도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩을 상세하게 설명하고, 이를 이용한 핵산 추출 방법을 도시한다. 도 7 내지 10에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩은 핵산 추출 용도로 사용될 수 있다. 이하, 도 7 내지 10에 있어서, 상기 미세유동 칩은 "핵산 추출용 미세유동 칩"이라고 한다.
상기 핵산 추출용 미세유동 칩(microfluidic chip)이란 핵산 추출을 위한 구조물, 즉 유입부(inlet), 유출부(outlet), 상기 유입부 및 유출부를 연결하는 채널(channel), 제1 필터, 및 제2 필터 등의 규격이 밀리미터(mm) 또는 마이크로미터(㎛) 단위에서 구현되는 초소형 칩(chip)을 말한다.
도 7a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 유입부(10), 상기 유입부(10)와 연결된 채널 영역(70), 및 상기 채널 영역(70)과 연결된 유출부(60)를 포함하고, 상기 채널 영역(70)은 상기 유입부(10)를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부(20)를 포함하되, 도 7b 내지 7g와 같이 생물학적 시료로부터 핵산을 효율적으로 추출하기 위한 다양한 모듈을 구비할 수 있다.
도 7b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30)를 구비하고, 도 7c에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30)를 구비하고, 상기 제1 필터(30)와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40)를 구비할 수 있으며, 도 7d에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30)를 구비하고, 상기 제1 필터(10)와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45, 비드)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40)를 구비하고, 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터(50)를 구비할 수 있고, 도 7e에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30)를 구비하고, 상기 제1 필터(10)와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45, 멤브레인)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40)를 구비하고, 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터(50)를 구비할 수 있으며, 도 7f에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45, 멤브레인)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40)를 구비할 수 있고, 도 7g에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 상기 유입부(10)와 연결된 채널 영역에 가열부(20)가 배치되되, 상기 가열부(20)와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45)이 구비되어 있는 핵산 분리부(40)를 구비하고, 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터(50)를 구비할 수 있다.
상기 생물학적 시료는 DNA 또는 RNA 등과 같은 핵산을 포함하는 생물학적 물질로서, 예를 들어, 동물 세포, 식물 세포, 병원균, 곰팡이, 박테리아, 바이러스 등을 포함하는 액체 시료일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 유입부(10)는 상기 생물학적 시료 또는 핵산 추출을 위한 용액 등이 상기 미세유체 칩 내부로 도입되는 부분이고, 상기 유출부(60)는 상기 생물학적 시료로부터 획득된 핵산, 핵산 추출을 위한 용액, 기타 폐기물(waste) 등이 상기 미세유체 칩 외부로 배출되는 부분이다. 이 경우 필요에 따라 유입부(10)와 유출부(60)는 그 역할을 달리하여 각각 유출부 및 유입부 역할을 수행할 수도 있다. 상기 핵산 추출을 위한 용액은 핵산 추출 시 요구되는 모든 용액을 포함하고, 예를 들어 증류수, 핵산 결합 버퍼(binding buffer), 용출 버퍼(elution buffer) 등일 수 있다. 한편, 상기 유입부(10) 및 상기 유출부(60)는 채널(70)을 통해 유체 소통 가능하게 연결되고, 이하 상세하게 설명될 가열부(20), 제1 필터(30), 핵산 분리부(40), 제2 필터(50) 등의 구성요소는 상기 채널(70)에 연결 배치되어 각 기능을 수행할 수 있다. 상기 채널(70)은 다양한 규격으로 구현될 수 있지만, 상기 채널의 폭(width) 및 깊이(depth)는 각각 0.001 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 이하 설명될 제1, 제2, 제3, 제4 채널 영역은 상기 유입부(10)로부터 상기 유출부(60)까지의 순차적 배치를 의미할 뿐, 상기 채널(70) 내의 특정 위치로 제한되는 것은 아니다.
상기 가열부(20)는 상기 유입부(10)를 통해 도입된 용액(생물학적 시료 포함)에 외부로부터 열이 가해지는 부분으로서, 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 배치된다. 예를 들어, 상기 유입부(10)를 통해 세포, 박테리아, 또는 바이러스를 포함하는 시료가 도입되는 경우 상기 세포, 박테리아, 또는 바이러스가 상기 가열부(20)에 도달하면 순간적으로 약 80 내지 100도(℃)로 가열되어 상기 세포, 박테리아, 또는 바이러스의 외벽이 파괴되고 그 세포 내 물질이 외부로 방출되게 된다(cell lysis). 상기 가열부(20)는 이하 설명될 핵산 추출 장치의 가열 모듈(600)로부터 접촉식 또는 비-접촉식 방식으로 열을 공급받을 수 있다.
상기 제1 필터(30)는 유체 흐름 방향으로 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행하는 것으로서, 예를 들어 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 필터(30)는 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되고, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있도록 구현된다. 상기 제1 필터(30)는 상기 가열부(20)에서 가열에 의해 생긴 용해 산물 중 핵산보다 큰 크기의 물질을 상기 가열부(20)에 포집하되, 핵산 및 그에 상응하는 크기를 갖는 물질은 통과시켜 이를 이하 설명될 핵산 분리부(40)로 이동시킨다. 상기 제1 필터(30)는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비할 수 있고, 0.01 내지 10 밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 제1 필터(30)는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm)의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 핵산 분리부(40)는 핵산 또는 이에 상응하는 크기를 갖는 물질 중에서 상기 핵산을 선택적으로 분리하기 위한 것이다. 도 7에 따르면, 상기 핵산 분리부(40)는 상기 제1 필터(30)와 이하 설명될 제2 필터(50) 사이의 공간으로서, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질(45)이 구비되어 있다. 상기 핵산 결합 물질(45)은 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 모든 물질일 수 있다. 상기 핵산 결합 물질(45)은 핵산 결합 작용기가 부착된 것으로서, 예를 들어, 실리카(SiO2) 비드, 바이오틴(biotin), 스트렙타비딘(strptavidin) 부착 비드, 또는 멤브레인(membrane)일 수 있다. 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드 또는 멤브레인은 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.001 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 핵산 분리부(40)는 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드 또는 멤브레인을 다양한 함량 및 규격으로 포함할 수 있으나, 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 이내가 바람직하다. 상기 핵산 결합 물질(45)에 핵산이 특이적으로 결합된 후 상기 핵산 분리부(40)의 내부를 세척하여 이물질을 제거하면 상기 핵산 결합부(40)에는 표적 핵산-핵산 결합 물질(45)의 복합체(complex)만 남아 있게 된다. 그 후 상기 핵산 분리부(40)에 용출 버퍼(elution buffer)가 제공되면 상기 표적 핵산이 상기 복합체로부터 분리될 수 있다.
상기 제2 필터(50)는 유체 흐름 방향으로 상기 포어를 통해 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행하는 것으로서, 예를 들어 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 필터(50)는 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되고, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있도록 구현된다. 상기 제2 필터(50)는 상기 핵산 분리부(40)에서 상기 핵산 결합 물질(45)을 포집하되, 상기 핵산 결합 물질(45)로부터 분리된 핵산은 통과시켜 이를 상기 유출부(60)로 이동시킨다. 상기 제2 필터(50)는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.1 내지 100 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 상기 제2 필터(50)는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.3 밀리미터(mm)의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도이다.
도 8에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도를 확인할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 은 제1 판(100); 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널(70)이 배치된 제2 판(200); 및 상기 제2 판(200) 상에 배치되되 상기 유입부(10) 및 상기 유출부(60)가 배치된 제3 판(300)을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 다양한 재질로 구현될 수 있으나, 바람직하게는 플라스틱 재질로 구현될 수 있다. 이와 같이, 플라스틱 재질을 사용하는 경우 플라스틱 두께 조절만으로 열 전달 효율을 증대시킬 수 있고, 제작 공정이 단순하여 제조 비용을 크게 절감시킬 수 있다. 한편, 상기 제1 판(100) 및 제3 판(300)은 폴리디메틸실옥산(polydimethylsiloxane, PDMS), 사이클로올레핀코폴리머(cycle olefin copolymer, COC), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetharcylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리프로필렌카보네이트(polypropylene carbonate, PPC), 폴리에테르설폰(polyether sulfone, PES), 및 폴리에틸렌텔레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 재질을 포함하고, 상기 제2 판(200)은 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 사이클로올레핀 코폴리머(cycloolefin copolymer, COC), 폴리아미드(polyamide, PA), 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether, PPE), 폴리스티렌(polystyrene, PS), 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone, PEEK), 폴리테트라프로오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride, PVC), 폴리비닐리덴 플로라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate, PBT), 불소화에틸렌프로필렌(fluorinated ethylenepropylene, FEP), 퍼플로로알콕시알칸(perfluoralkoxyalkane, PFA), 및 그의 조합물로 구성된 군으로부터 선택되는 열 가소성 수지 또는 열 경화성 수지 재질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제3 판의 유입부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 유출부는 직경 0.1 내지 5.0 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되고, 상기 제1판 및 제3 판의 두께는 0.01 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현되며, 상기 제2 판의 두께는 30 마이크로미터(㎛) 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 필요에 따라 1 이상의 유입부, 유출부, 및 이를 연결하는 채널로 구현될 수 있고, 이 경우 하나의 칩 상에서 1 이상의 생물학적 시료로부터 핵산을 추출할 수 있어서 신속하고 효율적으로 핵산을 추출할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 장착된 핵산 추출 장치의 개요도이다.
도 9에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치는 이미 설명된 핵산 추출용 미세유동 칩(1); 상기 미세유동 칩(1)이 장착되도록 구현된 칩 장착 모듈(500); 상기 칩 장착 모듈(500)에 장착된 상기 미세유동 칩(1)의 가열부(20)에 열을 가할 수 있도록 구현된 가열 모듈(600); 및 상기 칩 장착 모듈(500)에 장착된 상기 미세유동 칩(1)의 유입부(10) 및/또는 유출부(60)와 연결되어 상기 미세유동 칩(1) 내부로 핵산 추출을 위한 용액을 도입하거나 및/또는 상기 미세유동 칩(1) 내부에 존재하는 용액을 외부로 배출할 수 있도록 구현된 유체 제어 모듈(700)을 포함할 수 있다.
상기 핵산 추출 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩(1)이 장착된 상태에서 핵산 추출을 위한 모든 단계를 수행할 수 있도록 구현된 장치로서, 상기 언급된 칩 장착 모듈(500), 가열 모듈(600), 및 유체 제어 모듈(700) 이외에도 기타 핵산을 추출하기 위해 요구되는 다양한 모듈을 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치는 모든 단계가 자동화 방식으로 구현될 수 있고, 중합효소 연쇄 반응(PCR) 장치와 연계되어 핵산 추출 이후 핵산 증폭 반응이 즉시 진행될 수 있도록 구현될 수 있다.
상기 핵산 추출용 미세유동 칩(1)은 이미 설명된 바와 같다.
상기 칩 장착 모듈(500)은 상기 미세유동 칩(1)이 장착되는 부분이다. 상기 칩 장착 모듈(500)은 상기 미세유동 칩(1)의 접촉 면의 형상에 대응하여 다양하게 구현될 수 있다.
상기 가열 모듈(600)은 상기 미세유동 칩(1)이 상기 칩 장착 모듈(500)에 장착되었을 때 상기 미세유동 칩(1)의 가열부(20)에 열을 공급하는 모듈이다. 상기 가열 모듈(600)은 다양하게 구현될 수 있으나, 접촉식 열 블록(heating block)이 바람직하다.
상기 유체 제어 모듈(700)은 상기 칩 장착 모듈(500)에 장착된 상기 미세유동 칩(1)의 유입부(10) 및/또는 유출부(60)와 연결되어 상기 미세유동 칩(1) 내부로 핵산 추출을 위한 용액을 도입하거나 및/또는 상기 미세유동 칩(1) 내부에 존재하는 용액을 외부로 배출할 수 있도록 구현된 모듈이다. 상기 유체 제어 모듈(700)은 다양한 구성요소를 포함할 수 있는데, 예를 들어 유체 이동 통로인 미세 채널, 유체 이동의 구동력을 제공하는 공압 펌프, 유체 이동의 개폐를 제어할 수 있는 밸브, 및 핵산 결합 버퍼, 용출 버퍼, 실리카 겔(silica gel), 증류수(DW) 등 핵산 추출을 위해 요구되는 다양한 용액을 포함하는 저장 챔버 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치는 상기 미세유동 칩(1), 상기 가열 모듈(600), 및 상기 유체 제어 모듈(700)을 자동으로 제어하기 위한 전자 제어 모듈(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 상기 전자 제어 모듈은 미리 저장된 프로그램에 따라 상기 미세유동 칩(1) 내에서 정량의 핵산이 추출될 수 있도록 상기 각 모듈들을 정밀하게 제어할 수 있다. 상기 미리 저장된 프로그램이라 함은 예를 들어, 이하 상세하게 설명될 핵산 추출 방법에 관한 일련의 단계에 관한 프로그램을 포함한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법의 흐름도이다. 구체적으로, 도 10a 내지 10d는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 전제로 하는 다양한 핵산 추출 방법을 도시한다.
도 10a에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 도 7f에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); 상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 단계(생물학적 시료 용해 단계); 상기 용해 물질로부터 핵산 결합 물질(멤브레인)을 통해 핵산을 분리하는 단계(핵산 분리 단계); 선택가능한 단계로서, 핵산 분리 과정에서 발생한 이물질을 제거하는 단계(이물질 제거 단계); 및 상기 핵산을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계)를 포함할 수 있다.
도 10b에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 도 7b 또는 7c에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); 상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 단계(생물학적 시료 용해 단계); 상기 용해 단계로부터 획득된 물질을 상기 미세유동 칩의 제1 필터로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통해 통과시키고, 상기 제1 필터를 통과하지 아니한 물질을 제거하는 단계(제1 필터를 통한 여과 단계); 상기 제1 필터를 통과한 물질로부터 핵산을 분리하는 단계(핵산 분리 단계); 선택가능한 단계로서, 핵산 분리 과정에서 발생한 이물질을 제거하는 단계(이물질 제거 단계); 및 상기 핵산을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계)를 포함할 수 있다.
도 10c에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 도 7g에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); 상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 단계(생물학적 시료 용해 단계); 상기 용해 물질로부터 핵산 결합 물질(비드)을 통해 핵산을 분리하는 단계(핵산 분리 단계); 선택가능한 단계로서, 핵산 분리 과정에서 발생한 이물질을 제거하는 단계(이물질 제거 단계); 상기 핵산 결합 물질로부터 상기 핵산을 분리시키고, 상기 분리된 핵산을 상기 제2 필터로 이동시킨 후 제2 필터를 통해 통과시키는 단계(제2 필터를 통한 여과 단계); 및 상기 핵산을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계)를 포함할 수 있다.
도 10d에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 도 7d 또는 7e에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); 상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 단계(생물학적 시료 용해 단계); 상기 용해 단계로부터 획득된 물질을 상기 미세유동 칩의 제1 필터로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통해 통과시키고, 상기 제1 필터를 통과하지 아니한 물질을 제거하는 단계(제1 필터를 통한 여과 단계); 상기 용해 물질로부터 핵산 결합 물질(비드 또는 멤브레인)을 통해 핵산을 분리하는 단계(핵산 분리 단계); 선택가능한 단계로서, 핵산 분리 과정에서 발생한 이물질을 제거하는 단계(이물질 제거 단계); 상기 핵산 결합 물질로부터 상기 핵산을 분리시키고, 상기 분리된 핵산을 상기 제2 필터로 이동시킨 후 제2 필터를 통해 통과시키는 단계(제2 필터를 통한 여과 단계); 및 상기 핵산을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계)를 포함할 수 있다.
도 11 내지 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 저장 용기를 도시한다.
도 11에 따르면, 상기 액체 저장 용기(5000)는 상기 미세유동 칩(1)에 의한 반응이 종료된 후 반응 산물을 저장 및 보관하기 위한 것으로서, 상기 미세유동 칩(1)의 1 이상의 유출부(60) 영역 말단이 고정 장착될 수 있도록 구현된 칩 유출부 영역 말단 장착부(5100), 상기 미세유동 칩(1)의 1 이상의 유출부(60) 상단에 각각 대응하는 1 이상의 상향 액체 흡입구(5200), 및 상기 1 이상의 상향 액체 흡입구(5200)와 유체 소통 가능하게 연결된 1 이상의 액체 저장 챔버(5300)를 구비한다. 도 12 내지 13은 상기 미세유동 칩(1)의 1 이상의 유출부(60)를 통해 배출되는 액체가 상기 액체 저장 용기(5000) 내에서 이동하는 과정을 설명한다. 예를 들어, 상기 미세유동 칩(1) 내에서 핵산 추출 반응이 완료된 후, 상기 액체 저장 용기(5000)가 상기 칩 유출부 영역 말단 장착부(5100)에 고정 장착되고, 원하는 핵산을 포함하는 용액(E1, E2)이 상기 1 이상의 유출부(60)를 통해 배출되면, 상기 핵산 포함 용액(E1, E2)은 상기 액체 저장 용기(5000)의 1 이상의 상향 액체 흡입구(5200)를 통해 도입되고, 상기 액체 저장 용기(5000) 내 채널을 통해 이동하여(F1, F2) 상기 1 이상의 액체 저장 챔버(5300)에 도달하게 된다(S1, S2). 그 후, 상기 액체 저장 용기(5000)를 상기 미세유동 칩(1)으로부터 분리하여 별도로 핵산 포함 용액을 저장 및 보관할 수 있고, 연이은 핵산 검출 및 분석 과정에서 상기 핵산 포함 용액을 추가 활용할 수 있는 실익이 있게 된다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩(1)과 액체 저장 용기(5000)가 결합된 상태에서 생물학적 시료 또는 시약과 같은 액체의 이동 경로를 도시한다. 이 경우 상기 미세유동 칩(1)과 액체 저장 용기(5000) 내에서의 액체의 연속적인 이동을 가능하게 하는 구동력은 상기 미세유동 칩(1)의 1 이상의 유입부(10)과 연결된 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2), 또는 임의의 펌프 또는 실린지 등으로부터 제공받을 수 있다. 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2), 미세유동 칩(1), 및 액체 저장 용기(5000)가 결합된 상태에서 생물학적 시료 또는 시약과 같은 액체의 이동 경로를 도시한다.
상술한 바와 같은 핵산 추출 장치를 전제로, 본 발명의 일 실시예는 편리하고, 신속하며 효율적인 초고속 핵산 추출 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 핵산 추출 방법은 상술한 핵산 추출 장치를 제공하는 단계; 생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계; 및 상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계를 포함할 수 있고, 제2 핵산 추출 방법은 상술한 핵산 추출 장치를 제공하는 단계; 생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계; 상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계; 및 상기 핵산 추출 산물을 상기 액체 저장 용기의 액체 저장 챔버에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 실시예 1 내지 2에서는 타사 핵산 추출 장치(Qiagen 사)와 비교하여, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하면서 핵산 추출물의 산출량과 진행 시간을 파악하고, 더 나아가 중합효소 연쇄반응(PCR)을 통해 핵산 추출물의 결과 신뢰성을 재차 확인하였다.
실시예 1. 핵산 추출의 산출량 및 진행시간 확인
먼저, 결핵균주 세포를 대상으로 타사 제품에 포함된 일반적인 튜브(tube) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 각각 이용하여 DNA를 추출한 후 그 산출량 및 진행시간을 확인하였다.
타사 핵산 분리 장치를 이용한 핵산 추출 단계는 아래와 같다. 결핵균주 세포를 준비하고, 상기 결핵균주 세포를 6% NaOH 및 4% NaLC와 1:1:1 비율로 혼합하여 샘플 용액으로 제조하였다. 그 후, 상기 샘플 용액을 원심분리하여 상층액을 제거하였다(10분, 7500rpm, 4℃). 그 후, 상기 샘플 용액에 20㎕ Proteinase K를 첨가하고, 56℃에서 상기 샘플 용액이 투명해질 때까지 방치하였다. 그 후, 상기 샘플 용액에 200㎕ AL buffer를 첨가하고 15초 동안 혼합하고, 56℃에서 10분 동안 방치하였다. 그 후, 상기 샘플 용액을 컬럼에 옮긴 후 1분 동안 원심분리하였다(8000rpm). 그 후, 500㎕ AW 1 buffer를 첨가한 후 1분 동안 원심분리하였다(8000rpm). 그 후, 500㎕ AW 2 buffer를 첨가한 후 1분 동안 원심분리하였다(14,000rpm). 그 후 재차 1분 동안 원심분리하였다(14,000rpm). 그 후 새로운 튜브에 상기 컬럼을 두고 AE buffer 200㎕를 첨가한 후 3분 동안 방치하였다. 그 후, 1분 동안 원심분리 후 DNA를 용출하였다. 그 결과, 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 약 30분 정도가 소요되었다.
뒤이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2), 유체 전달 수단(4), 및 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 이용하여 동일한 결핵균주 세포로부터 핵산을 추출하였는데, 상세 과정은 아래와 같다.
결핵균주 세포를 준비하고, 상기 결핵균주 세포를 6% NaOH 및 4% NaLC와 1:1:1 비율로 혼합하여 샘플 용액으로 제조하였다. 그 후, 도 7에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩{25×72×2mm, 실리카 비드(OPS Diagnostics, LLC), 필터(Whatman)}의 1 이상의 유입부에 도입하였다. 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유입부에 실리카 겔(silica gel) 및 1X DNA 결합 버퍼(binding buffer) 300 ㎕을 도입한 후 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 가열부를 95℃로 급속 가열하였다. 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유입부를 통해 샘플 용액 중 폐기물을 제거하고 용출 버퍼(elution buffer) 100 ㎕를 도입하였다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2) 및 유체 전달 수단(4)을 사용하여 시약을 상기 핵산 추출용 미세 유동 칩에 도입하였다. 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유출부를 통해 최종 산물을 획득하고(본 발명의 일 실시예에 따른 액체 저장 용기 사용), 확인한 결과 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 전체 5분 정도가 소요되었다.
상기 실험 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 다-채널 액체 분배 장치(2), 유체 전달 수단(4), 및 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 이용하면, 핵산 추출 산물의 양은 그대로 유지될 수 있는데 반해, 기존 핵산 추출 방법과는 달리 총 소요시간은 상당하게 단축할 수 있다는 점을 확인할 수 있다.
실시예 2. 타사 제품 및 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 각각의 DNA 산물의 중합효소 연쇄반응( PCR ) 결과
상기 실시예 1에서 획득된 DNA 산물의 신뢰성을 확보하기 위하여 상기 DNA 산물을 기초로 하여 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 진행하였다.
상기 중합효소 연쇄 반응(PCR)은 타사 제품(Bio-Rad: CFX connect 장비)를 이용하였다. 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 수행하기 위한 PCR 시료 및 시약은 실시간 PCR 혼합용액(TOYOBO SYBR qPCR mix) 10 마이크로리터(㎕), 정방향 프라이머(Forward Primer) 2 마이크로리터(㎕), 역방향 프라이머(Reverse Primer, 10μM) 2 마이크로리터(㎕), 주형 DNA(Template DNA, 1ng) 1 마이크로리터(㎕), 증류수(DW) 5 마이크로리터(㎕) 등을 포함하는 총 20 마이크로리터(㎕)를 준비하였다. 그 후, 95℃, 30 sec 조건으로 Pre-denaturation 단계를 수행하고(1 cycle), 95℃, 5 sec 조건으로 Denaturation 단계 및 72-65℃, 30 sec 조건으로 Anealing & Extension 단계를 수행하였다(40 cycle).
하기 표 1은 핵산 추출 산물에 관한 실시간 PCR 결과(Ct value)를 보여주고, 도 16은 핵산 추출 방법을 이용하여 획득한 핵산 추출 산물에 관한 실시간 PCR 결과를 PCR 주기별 형광도로 측정한 그래프이며, 도 17은 최종 PCR 산물의 겔(gel) 전기영동의 사진이다. 도 16의 그래프 곡선은 각각의 핵산 추출 방법에 의한 DNA 산물의 PCR 결과 곡선(X축: 주기, Y축: 형광도)이다.
구분(gDNA copies / rxn) Ct value
Non template(1) -
Plasmid DNA(1×105 copies)(2) 18.32
1×106(3) 16.77
1×103(4) 26.00
(1)은 음성 대조군이고, (2)는 양성 대조군이다.
상기 PCR 결과를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 장치를 이용한 핵산 추출 방법은 핵산 추출 산물의 결과 신뢰도를 유지 또는 개선함과 동시에 핵산 추출 단계를 상당하게 감소시켜 반응 소요 시간을 훨씬 단축할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (12)

  1. 박막 형상의 기판;
    상기 기판의 일 말단 영역에 배치된 단일 액체 주입구; 및
    상기 기판의 다른 일 말단 영역에 배치되되, 상기 단일 액체 주입구와 채널을 통해 유체 소통가능하게 연결된, 1 이상 짝수 개의 액체 배출구;
    를 포함하는 것으로서,
    상기 채널은 일 말단이 상기 단일 액체 주입구 측으로 연결되고 다른 말단은 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하도록 구현되어 상기 액체 배출구 측에 연결된 채널 패턴을 구비하는, 1 이상의 단위 채널 영역을 포함하는 것인,
    다-채널 액체 분배 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체 배출구는 2N 개로 구현되고, 상기 채널은 상기 단일 액체 주입구로부터 상기 2N 개의 액체 배출구까지 형성된 N개의 단위 채널 영역을 포함하고, 상기 N 이하 i번째 단위 채널 영역은 2i-1 개의 개시 채널 및 상기 2i-1 개의 개시 채널로부터 각각 두 갈래로 분할되어 유량을 1/2로 분배하는 2i 개의 분지 채널을 포함하되, 상기 1번째 단위 채널 영역 중 개시 채널 측 말단은 상기 단일 액체 주입구와 연결되고, 상기 N번째 단위 채널 영역 중 분지 채널 말단은 각각 상기 2N 개의 액체 배출구와 연결되는 것으로서, 상기 N 및 i는 자연수인 것인, 다-채널 액체 분배 장치.
  3. 양 말단에 유입부 및 유출부가 구현된 1 이상 짝수 개의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 미세유동 칩(microfluidic chip)에 있어서, 상기 1 이상의 유입부를 통해 상기 1 이상의 반응 채널 내로 액체를 하향 주입하기 위한 것으로서,
    상기 1 이상의 유입부 수와 일치하는 액체 배출구를 구비하는, 제1항 또는 제2항에 따른 다-채널 액체 분배 장치; 및
    상기 미세유동 칩의 1 이상의 유입부와 상기 다-채널 액체 분배 장치의 1 이상의 액체 배출구를 유체 소통가능하게 연결하는 유체 전달 수단;
    을 포함하는, 다-채널 액체 분배 주입 장치.
  4. 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 것으로서, 유입부, 상기 유입부와 연결된 채널 영역, 및 상기 채널 영역과 연결된 유출부를 포함하는 것으로서, 상기 채널 영역은 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부를 포함하는 것인, 1 이상의 반응 채널을 구비하는 박막 형상의 핵산 추출용 미세유동 칩;
    상기 1 이상의 유입부 수와 일치하는 액체 배출구를 구비하는, 제1항 또는 제2항에 따른 다-채널 액체 분배 장치; 및
    상기 미세유동 칩의 1 이상의 유입부와 상기 다-채널 액체 분배 장치의 1 이상의 액체 배출구를 유체 소통가능하게 연결하는 유체 전달 수단;
    을 포함하는, 핵산 추출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩의 1 이상의 유출부 영역 말단이 고정 장착될 수 있도록 구현된 칩 유출부 영역 말단 장착부, 상기 미세유동 칩의 1 이상의 유출부 상단에 각각 대응하는 1 이상의 상향 액체 흡입구, 및 상기 1 이상의 상향 액체 흡입구와 유체 소통 가능하게 연결된 1 이상의 액체 저장 챔버를 구비하는 액체 저장 용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비하고, 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터를 구비하고, 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하고, 상기 핵산 분리부와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동 칩은 상기 유입부와 연결된 채널 영역에 가열부가 배치되되, 상기 가열부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부를 구비하고, 상기 핵산 분리부와 연결된 채널 영역에 배치되되 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는, 핵산 추출 장치.
  11. 제4항에 따른 핵산 추출 장치를 제공하는 단계;
    생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계; 및
    상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계;
    를 포함하는, 핵산 추출 방법.
  12. 제5항에 따른 핵산 추출 장치를 제공하는 단계;
    생물학적 시료 또는 시약을 상기 다-채널 액체 분배 장치 및 유체 전달 수단을 통해 상기 핵산 추출용 미세유동 칩에 주입하는 단계;
    상기 핵산 추출용 미세유동 칩을 구동하여 상기 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 단계; 및
    상기 핵산 추출 산물을 상기 액체 저장 용기의 액체 저장 챔버에 저장하는 단계;
    를 포함하는, 핵산 추출 방법.
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