KR102613085B1 - 미생물 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미생물 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전영동 힘을 이용한 미생물 검출 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 미생물 입자와 결합된 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 이용하여 미생물 입자를 검출함으로써, 배양 과정이 요구되지 않아 검출 시간이 빠르며, 농축을 통해 미생물 샘플의 농도를 증가시킴으로써 정확한 측정이 가능할 수 있다. 또한 본 발명은 미생물 검출소자를 구동하기 위하여 필요한 시스템과 관련된 기술로 샘플의 농축, 분리를 포함하는 전처리 소자를 이용함으로써 신속하고 정확한 다종 미생물 검출이 가능하다는 특징이 있다.
Description
본 발명은 미생물 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유전영동 힘을 이용한 미생물 검출 시스템에 관한 것이다.
유전영동은 1951년 Pohl에 의해 정의되었다. 유전영동은 불균일한 전기장에 입자가 놓였을 때, 입자에 유도된 쌍극자에 의해 입자에 방향성 있는 힘이 가해지는 현상을 말한다. 힘의 세기는 입자와 매질의 전기적 특성(electrical property)과 유전특성(dielectric property), 교류 전기장의 주파수 등에 따라 달라지며, 이를 이용하여 입자의 움직임을 제어할 수 있다. 유전영동 기술은 편극이 가능한 입자 모두에 적용 가능하기 때문에, 세포를 포함한 다양한 생물 입자의 이동, 분리, 포집 등에 활용될 수 있다.
미생물을 검출하기 위해 사용되는 종래의 절차는 전형적으로 시료를 배양하는 단계를 수반한다. 이 경우, 표적 미생물은 이러한 표적 미생물에 특이적인 배양 배지(culture medium)에서 배양될 수 있다. 이러한 가장 보편적으로 이용되는 배양법의 경우 24시간 이상 미생물 배양이 요구되어 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.
또한, 면역 크로마토그래피, RT-PCR 역시 검출 시간이 오래 걸리며, 소량의 샘플을 이용하여 미생물의 농도가 낮은 경우 정확한 검출이 어렵고, 오류 결과를 나타낼 가능성이 높다는 문제점이 있다.
따라서 정확한 검출을 위해서는 미생물 농도 증가를 위한 전처리 과정이 필요하다. 하지만 농축 기능과 통합된 센서는 매우 제한적이며, 기존 통합 센서의 경우 처리 속도가 매우 낮은 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 유전영동 힘을 이용한 미생물 검출 시스템를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 미생물 입자와 결합된 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 이용하여 미생물 입자를 검출하기 위한 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템은 샘플 용액을 수용하기 위한 샘플 수용부; 쉬스 유체를 수용하기 위한 쉬스 유체 수용부; 공기 압력을 발생시키기 위한 공압 펌프; 상기 공기 압력을 조절하기 위한 공압 조절기; 및 자성 입자 및 라텍스 입자가 결합된 미생물 복합체에 대응하는 유전영동 힘을 이용하여 상기 미생물 입자를 검출하는 검출부를 포함할 수 있다.
상기 미생물 검출 시스템의 상기 샘플 수용부 및 쉬스 유체 수용부는 공압 펌프로부터 발생된 공기 압력을 주입하기 위한 공기 주입 튜브 및 상기 수용부에 수용된 용액 및 쉬스 유체를 배출하기 위한 배출 튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 주입 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 상에 위치하고, 상기 배출 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 아래에 위치할 수 있다.
상기 미생물 검출 시스템은 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 공압 조절기를 조절하기 위한 DC 신호 발생기; 유전영동 힘을 형성시키기 위한 AC 신호 발생기; 및 상기 검출부의 전류값을 측정하는 록인 증폭기(Lock in amplifier)를 더 포함할 수 있다.
상기 미생물 탐지부는 상기 미생물 복합체를 농축하고, 상기 농축된 미생물 입자를 상기 검출부로 전달하는 농축부를 더 포함할 수 있으며, 상기 농축부는 샘플 수용부의 배출 튜브와 연결되고, 상기 미생물 복합체와 샘플 용액을 포함하는 미생물 샘플을 주입하는 제1주입부; 쉬스 유체 수용부의 배출 튜브와 연결되고, 쉬스 용액(sheath fluid)을 주입하는 제2주입부; 상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액을 이동시키는 농축 채널; 상기 쉬스 용액을 상기 검출부로 전달하는 제1배출부; 및 상기 샘플 용액을 배출하는 제2배출부를 포함할 수 있다.
상기 농축부는 상기 자성 입자에 자력(magnetic force)을 발생시키는 자석 부재를 더 포함하고, 상기 미생물 복합체는 상기 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 상기 농축 채널의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
상기 미생물 탐지부의 검출부는 상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액(sheath fluid)을 주입하는 주입부; 상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액(sheath fluid)을 이동시키는 검출 채널; 및 교류(alternating current, AC) 신호가 인가되고, 상기 교류 신호의 주파수에 따라 상기 미생물 복합체의 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 형성시킴으로써 상기 미생물 복합체를 포획하는 전극부를 포함할 수 있다.
상기 검출 채널의 일단은 상기 주입부와 결합되고, 상기 검출 채널의 타단은 상기 전극부와 결합되며, 상기 검출 채널의 너비(width)는 상기 검출 채널의 일단에서부터 상기 검출 채널의 타단까지 증가할 수 있다.
상기 미생물 복합체는 자성 입자에 작용하는 자력(magnetic force)에 의해 상기 검출 채널의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 미생물 입자와 결합된 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 이용하여 미생물 입자를 검출함으로써, 배양 과정이 요구되지 않아 검출 시간이 빠르며, 농축을 통해 미생물 샘플의 농도를 증가시킴으로써 정확한 측정이 가능할 수 있다. 또한 본 발명은 미생물 검출소자를 구동하기 위하여 필요한 시스템과 관련된 기술로 샘플의 농축, 분리를 포함하는 전처리 소자를 이용함으로써 신속하고 정확한 다종 미생물 검출이 가능하다는 특징이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 미생물 입자의 합성 방법에 따라 미생물 균종에 상관없이 미생물 수를 검출할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 탐지부를 도시한 도면이다.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물과 자성 입자의 합성 방법을 도시한 도면이고, 도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다종 미생물 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물과 라텍스 입자의 합성 방법을 도시한 도면이고, 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 라텍스 입자의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 5A 내지 5C는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 입자의 결합을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축부를 통한 미생물 입자의 농축을 도시한 도면이다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다.
도 8A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이고, 도 8B는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부의 미생물 포획에 따른 전기적 신호변화 그래프를 도시한 도면이다.
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 다종 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유채 채널내 입자의 거동 및 유전영동 힘을 도시한 도면이다.
도 11는 본 발명의 샘플 수용부 및 유체 수용부에서의 샘플 용액 및 쉬스 유체의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 탐지부를 도시한 도면이다.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물과 자성 입자의 합성 방법을 도시한 도면이고, 도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 다종 미생물 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물과 라텍스 입자의 합성 방법을 도시한 도면이고, 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 라텍스 입자의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 5A 내지 5C는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 입자의 결합을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축부를 통한 미생물 입자의 농축을 도시한 도면이다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다.
도 8A는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이고, 도 8B는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부의 미생물 포획에 따른 전기적 신호변화 그래프를 도시한 도면이다.
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 다종 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유채 채널내 입자의 거동 및 유전영동 힘을 도시한 도면이다.
도 11는 본 발명의 샘플 수용부 및 유체 수용부에서의 샘플 용액 및 쉬스 유체의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 미생물 검출 시스템은 미생물 탐지부(100), 공압 펌프(200), 공압 조절기(300), 샘플 수용부(400), 쉬스 유체 수용부(500), 폐수통(600) 및 제어부(700)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템은 상기 구성 요소가 배치될 수 있는 케이스를 더 포함할 수 있고, 검출된 미생물의 종류 및 농도 중 적어도 하나에 대한 정보를 시각적 및/또는 청각적으로 표시할 수 있는 출력부를 더 구비할 수 있다. 이러한 출력부는 스피커, 디스플레이장치 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 디스플레이장치는 액정 디스플레이(liquid crystal display: LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistorliquid crystal display: TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode: OLED), 플렉서블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display), 또는 전자잉크 디스플레이(e-ink display)를 포함할 수 있으며, 상기 출력부는 제어부(700)로부터 정보를 수신하여 표시할 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 미생물 탐지부(100)는 농축부(110) 및 검출부(120)를 포함할 수 있다.
농축부(110)는 라텍스 입자와 결합된 미생물 입자를 농축하고, 농축된 미생물 입자를 검출부(120)로 전달할 수 있다. 일 실시예에서, 미생물 입자는 라텍스 입자뿐만 아니라, 자성 입자가 더 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 농축부(110)는 제1주입부(111), 제2주입부(112), 농축 채널(113), 제1배출부(114), 제2배출부(115) 및 자성 부재(116)를 포함할 수 있다.
제1주입부(111)는 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 입자와 샘플 용액을 포함하는 미생물 샘플을 주입할 수 있으며, 상기 제1주입부(111)는 샘플 수용부(400)의 배출 튜브와 연결된다.
제2주입부(112)는 쉬스 용액(sheath fluid)을 주입할 수 있으며, 상기 제2주입부(112)는 쉬스 유체 수용부(500)의 배출 튜브와 연결된다.
농축 채널(113)은 자성 입자에 의해 미생물 입자를 쉬스 용액으로 이동시킬 수 있다.
제1배출부(114)는 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액을 검출부(120)로 전달할 수 있다. 제2배출부(115)는 미생물을 제외한 샘플 용액을 미생물 탐지부(100)의 하단에 위치하는 폐수통(600)으로 배출할 수 있다.
자성 부재(116)는 미생물 입자와 결합된 자성 입자에 자력(magnetic force)을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체는 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 농축 채널(113)의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
검출부(120)는 농축부(110)로부터 전달된 미생물 복합체의 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘(dielectrophoresis force, DEP force)을 이용하여 미생물 복합체를 검출할 수 있다.
일 실시예에서, 검출부(120)는 주입부(121), 검출 채널(122), 전극부(123) 및 배출부(124)를 포함할 수 있다.
주입부(121)는 농축부(110)로부터 전달된 라텍스 입자와 결합된 미생물 입자를 포함하는 쉬스 용액을 주입할 수 있다.
검출 채널(122)은 쉬스 용액에 포함된 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체를 이동시킬 수 있다. 검출 채널(122)의 일단은 주입부(121)와 결합되고, 검출 채널(122)의 타단은 전극부(123)와 결합될 수 있다. 이 경우, 검출 채널(122)의 너비(width)는 검출 채널(122)의 일단에서부터 타단까지 증가할 수 있다.
일 실시예에서, 미생물 입자는 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합되고, 자성 부재(116)를 통해 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 검출 채널(122)의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
전극부(123)는 교류(alternating current, AC) 신호가 인가되고, 교류 신호의 주파수에 따라 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 형성시킴으로써 미생물 복합체를 포획할 수 있다.
일 실시예에서, 전극부(123)는 전극 및 측정 센서 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 미생물 검출을 위한 전극은 1개 이상으로 제작될 수 있다.
배출부(124)는 포획된 미생물 복합체를 제외한 나머지 물질을 미생물 탐지부(100)의 하단에 위치하는 폐수통(600)으로 배출할 수 있다.
도 3A는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 입자와 미생물의 합성 방법을 도시한 도면이다. 도 3B는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 입자가 결합된 미생물의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 3A를 참고하면, S201 단계는, 자성 입자(magnetic particle, MP)와 단백질 입자(예: PA(protein A))를 화학적 결합(chemical binding)하는 단계이다. S203 단계는, 단백질 입자가 결합된 자성 입자(MP-PA)와 항체(antibody, Ab)를 리간드 결합(ligand binding)하는 단계이다. S205 단계는, 단백질 입자 및 항체가 결합된 자성 입자(MP-PA-Ab)를 미생물 입자와 결합하는 단계이다.
이 경우, 도 3B를 참고하면, 라텍스 입자가 결합되지 않고 자성 입자가 결합된 미생물 입자는 유사한 CM 인자(Clausius-Mossotti factor)를 나타내어 주파수 조건을 이용하여 미생물 균종에 따른 분리 검출이 어려움을 확인할 수 있다.
도 4A는 본 발명의 일 실시예에 따른 라텍스 입자와 미생물의 합성 방법을 도시한 도면이다. 도 4B는 본 발명의 일 실시예에 따른 라텍스 입자가 결합된 미생물의 CM 인자 그래프를 도시한 도면이다.
도 4A를 참고하면, S301 단계는, 라텍스 입자(Latex particle, LP)와 단백질 입자(예: PA(protein A))를 화학적 결합하는 단계이다. S303 단계는, 단백질 입자가 결합된 라텍스 입자(LP-PA)와 항체(Ab)를 리간드 결합하는 단계이다. S305 단계는, 단백질 입자 및 항체가 결합된 라텍스 입자(LP-PA-Ab)를 미생물 입자와 결합하는 단계이다.
도 4B를 참고하면, 라텍스 입자의 합성 시 미생물 입자의 균종에 따라 서로 다른 CM 인자를 나타내며, 이에 따라, 주파수 조건을 이용하여 각 전극부(123)에 서로 다른 균종의 미생물 입자를 포획할 수 있다. 또한, 각 전극부(123)의 신호 분석을 통해 미생물 입자의 균종에 따른 농도를 검출할 수 있다.
도 5A 내지 5C는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 입자의 결합을 도시한 도면이다.
도 5A를 참고하면, 자성 입자(805)(M)와 독립적으로 라텍스 입자(803)(L1)를 미생물 입자(801)과 합성할 수 있다.
도 5B를 참고하면, 자성 입자(805)(M)의 외부에 라텍스 입자(803)(L1)(예: 폴리머 물질)을 합성한 입자를 미생물 입자(801)과 합성할 수 있다. 도 4c를 참고하면, 자성 입자(805)(M)의 내부에 라텍스 입자(803)(L1)을 합성한 입자를 미생물 입자(801)과 합성할 수 있다.
일 실시예에서, 라텍스 입자는 미생물 종류에 따라 여러 종류(L1, L2, ..., Ln)가 사용될 수 있다. 이에 따라, 라텍스 입자(803)(L1)의 특성을 활용하여 미생물 입자(801)을 각 전극부(123)에 포획하고 검출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축부(110)를 통한 미생물 입자의 농축을 도시한 도면이다.
도 6을 참고하면, 농축부(110)의 자석 부재(116)의 둘레에 농축 채널(113)이 3차원 형상으로 감아져 형성될 수 있다. 이 경우, 자성 부재(116)는 제1주입부(111)를 통해 주입된 미생물 입자와 결합된 자성 입자에 자력(magnetic force)을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체는 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 농축 채널(113)의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
또한, 농축 채널(113)의 일 측면을 따라 이동하는 미생물 복합체는 제2주입부(112)를 통해 주입된 쉬스 용액에 의하여 이동할 수 있다. 이 경우, 검출부(120)의 전극부(123)에 포획된 미생물 입자에 의한 신호 변화를 측정하기 위해서는 용액의 전기 전도도가 일정하게 유지되어야 하기 때문에, 이를 위해, 쉬스 용액을 이용하여 용액의 전기 전도도를 일정하게 유지함으로써 미생물 입자의 포획 및 검출 환경을 제공할 수 있다.
이후, 제1배출부(114)는 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액을 검출부(120)로 전달할 수 있다. 제2배출부(115)는 샘플 용액을 외부로 배출할 수 있다.
이 경우, 미생물을 포함하지 않는 대부분의 샘플 유체가 제2배출부(114)로 흘러감으로 유체의 유속을 상당히 감소시킬 수 있다. 이는, 유체의 항력(drag force)을 낮추어 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물 복합체가 유전영동 힘에 의해 전극부(123)에 포획될 수 있는 환경을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 농축부(110)는 폴리에틸렌 튜브(polyethylene tube)와 소프트 리소그래피(soft-lithography)를 이용한 PDMS(polydimethylsiloxane) 채널로 제조될 수 있다.
도 7A 및 7B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다. 도 8A는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부에 의한 미생물의 CM인자 그래프를 도시한 도면이다. 도 8B는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극부에 의한 전기적 신호변화 그래프를 도시한 도면이다.
도 7A 및 7B를 참고하면, 주입부(121)를 통해 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합된 미생물이 주입되고, 자성 부재(116)를 통해 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 미생물은 검출 채널(122)의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
또한, 전극부(123)는 교류(AC) 신호가 인가되고, 교류 신호의 주파수에 따라 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 형성시킴으로써 미생물 복합체를 포획할 수 있다.
도 8A를 참고하면, 미생물은 주파수에 따른 CM 인자를 나타내며 포지티브 유전영동힘(positive DEP force, pDEP force)을 나타내는 영역의 주파수 조건을 이용하여 전극부에 미생물을 포획할 수 있다. 마찬가지로 미생물과 결합된 라텍스 입자에 대응한 유전영동힘을 이용하여 미생물을 전극부(123)에 포획 및 검출할 수 있다. 이때 미생물과 결합된 라텍스 입자의 특성에 따라 포지티브 유전영동힘(positive DEP force, pDEP force)을 나타내는 주파수 조건이 다르며 라텍스입자에 대응하는 주파수 조건을 이용하여 다종의 미생물을 전극부에 포획 및 검출할 수 있다.
도 8B를 참고하면, 미생물 입자는 용액보다 높은 어드미턴스(admittance)를 가지고 있어 미생물 입자가 전극부(123)에 포획됨으로써 두 전극 사이의 전류가 증가할 수 있다. 이러한 미생물 입자의 포획에 따른 신호 변화를 이용하여 미생물 입자의 농도를 검출할 수 있다.
도 9A 및 9B는 본 발명의 일 실시예에 따른 검출부를 통한 다종 미생물 입자의 검출을 도시한 도면이다.
도 9A 및 9B를 참고하면, 검출 채널(122)의 일단은 주입부(121)와 결합되고, 검출 채널(122)의 타단은 전극부(123)와 결합될 수 있다. 이 경우, 검출 채널(122)의 너비(width)는 검출 채널(122)의 일단에서부터 타단까지 증가할 수 있다.
이와 같이, 검출 채널(122)의 너비는 점차 넓어지는 구조로 설계되어 검출 채널(122)을 통해 이동하는 유체 속도가 점차 감소할 수 있다. 유체속도 감소를 통해 미생물의 작용하는 항력을 감소시킴으로써 유전영동 힘을 이용한 미생물의 포획 효율을 향상시켜줄 수 있다.
일 실시예에서, 전극부는 적어도 하나로 제작될 수 있으며, 전극부가 도 9A 및 9B와 같이 다수의 전극부(123-1 내지 123-3)로 제작되는 경우, 각 전극부에 서로 다른 미생물 입자를 포획함으로써 다양한 미생물 입자를 종류별로 검출할 수 있다.
구체적으로, 각 미생물 입자에 서로 다른 DEP 특성을 나타내는 라텍스 입자를 결합시킴으로써, 각 라텍스 입자의 유전영동 힘 발생에 대응하는 주파수 조건을 이용하여 각 전극부(123-1 내지 123-3) 별로 서로 다른 종류의 미생물 입자를 포획하고, 신호 세기 변화를 측정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유전영동 힘을 도시한 도면이다.
도 10을 참고하면, 미생물 입자는 라텍스 입자 및 자성 입자와 결합되고, 자성 부재(116)를 통해 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 검출 채널(122)의 일 측면을 따라 이동할 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 미생물 입자와 결합된 자성 입자에 작용하는 자력은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 는 자력, 는 매질 투자율(medium permeability), 는 CM 인자, 는 입자 투자율(particles permeability), 는 입자 반경(particles radius), 는 자기장(magnetic field), 는 위치 벡터(position vector)를 나타낸다.
검출 채널(122)의 너비는 점차 넓어지는 구조로 설계되어 검출 채널(122)을 통해 이동하는 유체 속도가 점차 감소할 수 있다.
이 경우, 유속 감소를 위한 검출 채널(122)에서, 미생물 입자에 작용하는 힘은 항력과 유전영동 힘을 포함할 수 있다. 여기서, 항력은 유속에 비례하여 증가하며, 항력이 높은 경우, 유전영동 힘에 의하여 미생물 입자가 포획되지 못하고 유체를 따라 흘러갈 수 있다.
따라서, 유전영동 힘을 이용하여 미생물 입자를 포획하기 위하여 항력 감소가 필요할 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 검출 채널(122)은 해당 채널의 너비를 점차 증가시켜 유체 속도를 감소시키고 이를 통해 항력을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 검출 채널(122)의 너비 구조에 따른 항력과 유전영동 힘 각각은 하기 <수학식 2>와 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, 는 항력, 는 매질의 점도(viscosity of medium), 는 입자 반경(particles radius), 는 유체 플로우의 속도(velocity of fluid flow)를 나타낸다.
여기서, 는 유전영동 힘, 는 매질의 유전율(permittivity of medium), 는 입자들의 반경(radius of the particles), 는 CM 인자, 는 전기장(electric field)을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 검출 시스템은 공압펌프(200) 및 공압 조절기(300)을 더 포함하고, 공압펌프(200)에 의하여 샘풀 용액 및 쉬스(sheath) 유체가 미생물 탐지부(100)로 주입되며, 공압 조절기(300)를 이용하여 정밀한 유량 조절이 가능하다.
상기 공압펌프(200)는 제어부(700)의 하단에 위치하는 소형의 공압펌프로, 공기압력을 발생시켜 샘플 수용부(400) 및 쉬스 유체 수용부(500)에 공기를 주입하여 샘플 용액 및 쉬스 유체(sheath fluid)를 상기 미생물 탐지부(100)로 전달할 수 있다.
즉, 공압 조절기(300)는 상기 공압펌프(200)에서 발생된 공기의 흐름을 제어하는 장치로, 샘플 수용부(400) 및 쉬스 유체 수용부(500)에 주입되는 공기의 양을 조절하여 상기 미생물 탐지부(100)로 주입되는 샘플 용액 및 쉬스 유체의 양을 정밀하게 제어할 수 있다. 구체적으로 상기 공압 조절기(300)는 상기 제어부(700)에서 발생되는 전압을 이용하여 상기 공압펌프(200)에서 발생되는 압력을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 11은 본 발명의 샘플 수용부 및 유체 수용부에서의 샘플 용액 및 쉬스 유체의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 샘플 수용부 및 쉬스 유체 수용부는 공압 펌프로부터 발생된 공기 압력을 주입하기 위한 공기 주입 튜브 및 상기 수용부에 수용된 용액 및 쉬스 유체를 배출하기 위한 배출 튜브를 포함할 수 있다. 따라서 상기 공기 주입 튜브는 각각 공압펌프(200) 또는 공압 조절기(300)와 연결되고, 상기 배출 튜브는 각각 미생물 탐지부(100)의 제1주입부(111) 및 제2주입부(112)와 연결되며, 각각의 튜브는 기타 유체의 흐름이 발생하지 않도록 밀폐되어 있다.
상기 공기 주입 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 상에 위치하고, 상기 배출 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 아래에 위치할 수 있다.
따라서 공압 조절기(300)에 의하여 샘플 수용부 및 쉬스 유체 수용부로 공기가 일정한 압력으로 주입되면, 상기 수용부에 주입된 공기에 의하여 밀페된 용기내 압력이 증가하게 된다. 이러한 증가된 압력에 의하여 수용부에 수용된 용액 및 쉬스 유체가 튜브를 따라 상기 미생물 탐지부(100)로 이동할 수 있다.
제어부(700)는 미생물 탐지부(100)의 전극부(123)에 의해 포획된 미생물 입자에 의한 전극부(123)의 전류값을 이용하여 미생물의 종류 및 농도 중 적어도 하나를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(700)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 제어부(700)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 미생물 검출 시스템(100)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(700)는 신호발생기와 Lock-in 증폭기(Lock in amplifier)를 포함하고 있으며, 유전영동 힘을 통해 미생물 거동을 제어하고 센서로부터 발생하는 전기적 신호를 검출하며, 농도에 따른 검정곡선(calibration curve)과 검출된 전기적 신호를 이용하여 샘플 내 미생물 농도를 측정하고 이를 디스플레이에 표시할 수 있다.
상기 제어부(700)는 미생물 검출 시스템의 각 구성요소에 필요한 전력을 공급할 수 있고, DC 신호 발생기 및 AC 신호 발생기를 포함할 수 있다.
상기 DC 신호 발생기는 DC 전압을 공압 조절기(300)에 인가하여 유량 조건을 정밀하게 제어하고, 상기 AC 신호 발생기는 AC 신호를 미생물 탐지부(100)의 전극부(123)에 인가하여 유전영동 힘을 이용하여 미생물을 포획할 수 있다.
측정이 끝난 용액은 미생물 탐지부(100)와 연결된 튜브를 통해 폐수통(600)으로 배출된다. 즉 농축부(110)의 제2배출부(115)는 미생물을 제외한 샘플 용액을 미생물 탐지부(100)의 하단에 위치하는 폐수통(600)으로 배출할 수 있다.
또한 검출부(120)의 배출부(124)는 포획된 미생물 복합체를 제외한 나머지 물질을 미생물 탐지부(100)의 하단에 위치하는 폐수통(600)으로 배출할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: 미생물 탐지부
110: 농축부
111: 제1주입부
112: 제2주입부
113: 농축 채널
114: 제1배출부
115: 제2배출부
116: 자성 부재
120: 검출부
121: 주입부
122: 검출 채널
123: 전극부
124: 배출부
200: 공압 펌프
300: 공압 조절기
400: 샘플 수용부
410: 샘플 수용부의 공기 주입 튜브
420: 샘플 수용부의 배출 튜브
500: 쉬스 유체 수용부
510: 쉬스 유체 수용부의 공기 주입 튜브
520: 쉬스 유체 수용부의 배출 튜브
600: 폐수통
700: 제어부
801: 미생물 입자
803: 라텍스 입자
805: 자성 입자
110: 농축부
111: 제1주입부
112: 제2주입부
113: 농축 채널
114: 제1배출부
115: 제2배출부
116: 자성 부재
120: 검출부
121: 주입부
122: 검출 채널
123: 전극부
124: 배출부
200: 공압 펌프
300: 공압 조절기
400: 샘플 수용부
410: 샘플 수용부의 공기 주입 튜브
420: 샘플 수용부의 배출 튜브
500: 쉬스 유체 수용부
510: 쉬스 유체 수용부의 공기 주입 튜브
520: 쉬스 유체 수용부의 배출 튜브
600: 폐수통
700: 제어부
801: 미생물 입자
803: 라텍스 입자
805: 자성 입자
Claims (10)
- 샘플 용액을 수용하기 위한 샘플 수용부;
쉬스 유체를 수용하기 위한 쉬스 유체 수용부;
공기 압력을 발생시키기 위한 공압 펌프;
상기 공기 압력을 조절하기 위한 공압 조절기;
자성 입자 및 라텍스 입자가 결합된 미생물 입자를 농축하여 미생물 복합체가 형성되는 농축부; 및
상기 미생물 복합체에 대응하는 유전영동 힘을 이용하여 상기 미생물 입자를 검출하는 검출부;를 포함하는 미생물 탐지부를 포함하며,
상기 농축부는 상기 미생물 복합체를 상기 검출부로 전달하는 것이며,
상기 농축부는
샘플 수용부의 배출 튜브와 연결되고, 상기 미생물 복합체와 샘플 용액을 포함하는 미생물 샘플을 주입하는 제1주입부;
쉬스 유체 수용부의 배출 튜브와 연결되고, 쉬스 용액(sheath fluid)을 주입하는 제2주입부;
상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액을 이동시키는 농축 채널;
상기 쉬스 용액을 상기 검출부로 전달하는 제1배출부;
상기 샘플 용액을 배출하는 제2배출부; 및
상기 자성 입자에 자력(magnetic force)을 발생시키는 자석 부재를 포함하며,
상기 미생물 복합체는 상기 자성 입자에 작용하는 자력에 의해 상기 농축 채널의 일 측면을 따라 이동하는 것이며,
상기 농축 채널은 상기 자석 부재의 둘레에 3차원 형상으로 감아져 형성되는 것인,
미생물 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 샘플 수용부 및 쉬스 유체 수용부는 공압 펌프로부터 발생된 공기 압력을 주입하기 위한 공기 주입 튜브 및 상기 수용부에 수용된 용액 및 쉬스 유체를 배출하기 위한 배출 튜브를 포함하는 미생물 검출 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 공기 주입 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 상에 위치하고, 상기 배출 튜브의 일단부는 용액면 및 유체면 아래에 위치하는 미생물 검출 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 미생물 검출 시스템은 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는
상기 공압 조절기를 조절하기 위한 DC 신호 발생기;
유전영동 힘을 형성시키기 위한 AC 신호 발생기;및
상기 검출부의 전류값을 측정하는 록인 증폭기를 포함하는 미생물 검출 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 검출부는
상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액(sheath fluid)을 주입하는 주입부;
상기 미생물 복합체를 포함하는 쉬스 용액(sheath fluid)을 이동시키는 검출 채널; 및
교류(alternating current, AC) 신호가 인가되고, 상기 교류 신호의 주파수에 따라 상기 미생물 복합체의 라텍스 입자에 대응하는 유전영동 힘을 형성시킴으로써 상기 미생물 복합체를 포획하는 전극부를 포함하는 미생물 검출 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 검출 채널의 일단은 상기 주입부와 결합되고, 상기 검출 채널의 타단은 상기 전극부와 결합되며, 상기 검출 채널의 너비(width)는 상기 검출 채널의 일단에서부터 상기 검출 채널의 타단까지 증가하는 미생물 검출 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 미생물 복합체는 자성 입자에 작용하는 자력(magnetic force)에 의해 상기 검출 채널의 일 측면을 따라 이동하는 미생물 검출 시스템.
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2020
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C M Yousuff 등, micromachines, 2017, 8권, 15호, 페이지 1-15.(2017.12.31.)* |
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Legal Events
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