KR101406347B1 - Microfluidic chip for extracting nucleic acid, device comprising the same, and method for extracting nucleic acid using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핵산 추출용 미세유동 칩, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용하는 핵산 추출 방법에 관한 것으로서, 이에 따르면 기존의 핵산 추출 장치 및 핵산 추출 방법과는 달리, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있다.The present invention relates to a microfluidic chip for nucleic acid extraction, a nucleic acid extracting apparatus including the same, and a nucleic acid extracting method using the same, which, unlike existing nucleic acid extracting apparatuses and nucleic acid extracting methods, can be miniaturized, In addition, reliable nucleic acid extraction efficiency can be maintained and / or improved.
Description
본 발명은 세포, 박테리아, 또는 바이러스와 같은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for extracting a nucleic acid from a biological sample such as a cell, a bacterium, or a virus.
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. Recently, techniques for extracting nucleic acids from biological samples such as cells, bacteria, or viruses have been widely used in connection with nucleic acid amplification reaction techniques in order to diagnose, treat, or prevent disease at a gene level. In addition to the diagnosis, treatment, or prevention of diseases, technologies for extracting nucleic acids from biological samples in various fields such as customized drug development, forensic medicine, and environmental hormone detection are required.
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.As an example of a conventional nucleic acid extraction technique, there is a method of treating a sample containing cells with SDS or proteinase K, followed by solubilization, and denaturing the protein with phenol to purify the nucleic acid. However, since the phenol extraction method requires a lot of processing steps, it takes a lot of time and the efficiency of the nucleic acid extraction depends greatly on the experience and the skill of the researcher. In recent years, a kit using silica or glass fiber that specifically binds to nucleic acid has been used to solve this problem. Since the silica or glass fiber has a low binding ratio with proteins and cellular metabolites, a relatively high concentration of nucleic acid can be obtained. Such a method is advantageous compared with the phenol method, but since it uses a chaotropic reagent or ethanol which strongly inhibits the enzyme reaction such as PCR, it is necessary to completely remove these substances, This is a very cumbersome and time-consuming disadvantage. A method of directly purifying nucleic acids using recent filters is disclosed in WO 00/21973, which involves passing a sample through a filter to adsorb the cells to the filter, dissolving the adsorbed cells in the filter, After filtration, the nucleic acid adsorbed on the filter is washed and eluted. However, in order to elute the nucleic acid after adsorbing the cells on the filter, there is a problem in that a filter must be selected according to the type of the cell, and there are disadvantages that the apparatuses are large and complex and can not be used easily by researchers.
상기와 같은 종래 핵산 추출 기술의 문제점을 해결하고자,In order to solve the problems of the conventional nucleic acid extraction technology,
본 발명은 기존의 핵산 추출 장치 및 핵산 추출 방법과는 달리, 초소형화 및 초고속화가 가능하고, 아울러 신뢰성 있는 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선할 수 있는 미세유동 칩(microfluidic chip), 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용하는 핵산 추출 방법을 제공하기 위함이다.The present invention relates to a microfluidic chip which can be miniaturized and ultra-high-speed unlike conventional nucleic acid extraction devices and nucleic acid extraction methods, can maintain and / or improve reliable nucleic acid extraction efficiency, A nucleic acid extracting apparatus, and a nucleic acid extracting method using the same.
본 발명의 일 구체예는 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 것으로서, 유입부; 상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부; 상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터; 상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부; 상기 핵산 분리부와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터; 및 상기 제2 필터와 연결된 유출부를 포함하는, 핵산 추출용 미세유동 칩(microfluidic chip)을 제공할 수 있다.
One embodiment of the invention is for extracting nucleic acid from a biological sample, comprising: an inlet; A heating unit disposed in a first channel region connected to the inlet unit and configured to transfer heat obtained from the outside to the biological sample introduced through the inlet unit; A first filter disposed in a second channel region connected to the heating unit and capable of passing a substance having a size corresponding to a nucleic acid; A nucleic acid separator disposed in a third channel region connected to the first filter and having a nucleic acid binding substance capable of specifically binding to the nucleic acid; A second filter disposed in a fourth channel region connected to the nucleic acid separation unit and capable of passing a substance having a size corresponding to the nucleic acid; And an outlet connected to the second filter. The microfluidic chip for extracting nucleic acid may be provided.
또한, 본 발명의 다른 일 구체예는 상기 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동 칩; 상기 미세유동 칩이 장착되도록 구현된 칩 장착 모듈; 상기 칩 장착 모듈에 장착된 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가할 수 있도록 구현된 가열 모듈; 및 상기 칩 장착 모듈에 장착된 상기 미세유동 칩의 유입부 및/또는 유출부와 연결되어 상기 미세유동 칩 내부로 핵산 추출을 위한 용액을 도입하거나 및/또는 상기 미세유동 칩 내부에 존재하는 용액을 외부로 배출할 수 있도록 구현된 유체 제어 모듈을 포함하는, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a microfluidic chip according to one embodiment of the present invention. A chip mounting module for mounting the microfluidic chip; A heating module configured to apply heat to the heating unit of the microfluidic chip mounted on the chip mounting module; And an inlet and / or outlet of the microfluidic chip mounted on the chip mounting module to introduce a solution for nucleic acid extraction into the microfluidic chip and / or to introduce a solution present in the microfluidic chip An apparatus for extracting nucleic acid from a biological sample can be provided, including a fluid control module adapted to be discharged to the outside.
또한, 본 발명의 또 다른 일 구체예는 상기 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동 칩을 제공하는 단계; 상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계; 상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 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; 상기 제1 필터를 통과한 물질을 상기 미세유동 칩의 핵산 분리부로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통과한 물질 중 핵산을 상기 핵산 결합 물질에 결합시키고, 상기 핵산 결합 물질에 결합되지 아니한 물질을 제거하는 단계; 상기 핵산 결합 물질로부터 상기 핵산을 분리시키고, 상기 분리된 핵산을 상기 제2 필터로 이동시킨 후 제2 필터를 통해 통과시키는 단계; 및 상기 제2 필터를 통과한 물질을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계를 포함하는, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 방법을 제공할 수 있다.
According to another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a microfluidic chip, comprising: providing a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention; Introducing a biological sample selected from the group consisting of cells, bacteria, and viruses through the inlet of the microfluidic chip; Transferring the introduced biological sample to a heating section of the microfluidic chip, and applying heat to the heating section of the microfluidic chip to lyse the biological sample; Moving the substance obtained from the dissolving step to a first filter of the microfluidic chip, passing the substance through the first filter, and removing a substance not passing through the first filter; The method comprising: moving a substance passing through the first filter to a nucleic acid separating unit of the microfluidic chip, binding a nucleic acid in the substance that has passed through the first filter to the nucleic acid binding substance, ; Separating the nucleic acid from the nucleic acid binding material, transferring the separated nucleic acid to the second filter, and passing the separated nucleic acid through a second filter; And extracting the nucleic acid from the biological sample through the outlet after moving the material passed through the second filter to the outlet.
한편, 상기 본 발명의 일 구체예들에 있어서,Meanwhile, in one embodiment of the present invention,
상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널은 유체 소통 가능하게 구현되되, 상기 채널의 폭(width) 및 깊이(depth)는 각각 0.001 내지 10 밀리미터(mm) 범위 내에서 구현될 수 있다.The channel including the first channel region to the fourth channel region may be implemented in fluid communication, and the width and depth of the channel may be 0.001 to 10 millimeters (mm), respectively. .
또한, 상기 제1 필터 및 제2 필터는 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하되, 0.01 내지 10 밀리미터(mm) 범위의 두께를 가질 수 있다.The first filter and the second filter may have pores having a diameter in the range of 0.1 to 0.4 micrometers (μm), and may have a thickness in the range of 0.01 to 10 millimeters (mm).
또한, 상기 제1 필터 및 제2 필터는 0.2 마이크로미터(㎛)의 직경을 갖는 포어를 구비하되, 0.01 내지 0.5 밀리미터(mm)의 두께를 가질 수 있다.In addition, the first filter and the second filter may have a pore having a diameter of 0.2 micrometer (mu m), and may have a thickness of 0.01 to 0.5 millimeter (mm).
또한, 상기 핵산 분리부는 핵산 결합 물질로서 그 표면에 핵산 결합 작용기가 부착된 비드(bead)가 구비되어 있는 것일 수 있다.In addition, the nucleic acid separation unit may be a nucleic acid-binding material having a bead having a nucleic acid-binding functional group attached thereto.
또한, 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드는 0.001 내지 20 밀리미터(mm) 범위 내의 직경을 갖는 것일 수 있다.In addition, the nucleic acid-bonded functional beads may have a diameter within the range of 0.001 to 20 millimeters (mm).
또한, 상기 핵산 분리부는 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 내에서 핵산 결합 작용기가 부착된 비드를 포함할 수 있다.In addition, the nucleic acid separating unit may include beads having a nucleic acid binding functional group within a range of 1 microgram (μg) to 200 milligram (mg).
또한, 상기 미세유동 칩은 플라스틱 재질로 구현될 수 있다.The microfluidic chip may be formed of a plastic material.
또한, 상기 미세유동 칩은 제1 판; 상기 제1 판 상에 배치되되 상기 제1 채널 영역 내지 제4 채널 영역을 포함하는 채널이 배치된 제2 판; 및 상기 제2 판 상에 배치되되 상기 유입부 및 상기 유출부가 배치된 제3 판을 포함할 수 있다.The microfluidic chip may further include a first plate; A second plate disposed on the first plate and including a channel including the first to fourth channel regions; And a third plate disposed on the second plate, wherein the inlet and the outlet are disposed.
또한, 상기 제1 판 및 제3 판은 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 판은 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.In addition, the first and third plates may be formed of a material selected from the group consisting of polydimethylsiloxane (PDMS), cycle olefin copolymer (COC), polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate ), A material selected from the group consisting of polypropylene carbonate (PPC), polyether sulfone (PES), and polyethylene terephthalate (PET), and combinations thereof, The second plate is made of polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), cycloolefin copolymer (COC), polyamide (PA), polyethylene (PE) polypropylene (PP), polyphenylene ether (PPE), polystyrene (PS), polyoxymethylene (POM), polyether ether ketone (p polyetheretherketone (PEEK), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylchloride (PVC), polyvinylidene fluoride (PVDF), polybutyleneterephthalate (PBT), fluorinated ethylene A thermoplastic resin or a thermosetting resin material selected from the group consisting of fluorinated ethylenepropylene (FEP), perfluoralkoxyalkane (PFA), and combinations thereof.
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.Wherein the inlet of the third plate is implemented within a range of 0.1 to 5.0 millimeters (mm) in diameter, the outlet is implemented within a range of 0.1 to 5.0 millimeters (mm) in diameter, and the thickness of the first and third plates Is realized within a range of 0.01 to 20 millimeters (mm), and the thickness of the second plate can be realized within a range of 30 micrometers (占 퐉) to 10 millimeters (mm).
본 발명에 따른 미세유체 칩 및 이를 포함하는 핵산 추출 장치에 따르면, 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선하면서도 기존의 핵산 추출 장치와는 달리, 장치의 초소형화 및 사용 편리성을 크게 개선할 수 있다.According to the microfluid chip and the nucleic acid extracting apparatus including the microfluidic chip according to the present invention, unlike the conventional nucleic acid extracting apparatus, miniaturization and usability of the apparatus can be greatly improved while maintaining and / or improving nucleic acid extraction efficiency .
또한, 본 발명에 따른 미세유체 칩을 이용한 핵산 추출 방법에 따르면, 핵산 추출 효율을 유지 및/또는 개선하면서도 기존의 핵산 추출 방법과는 달리, 핵산 추출의 초고속화 및 공정 효율성을 크게 개선할 수 있다.In addition, according to the nucleic acid extracting method using the microfluidic chip according to the present invention, unlike the conventional nucleic acid extracting method, the nucleic acid extracting efficiency and the process efficiency can be greatly improved while maintaining and / or improving the nucleic acid extracting efficiency .
더 나아가, 본 발명에 따른 미세유동 칩, 이를 포함하는 핵산 추출 장치, 및 이를 이용한 핵산 추출 방법은 중합효소 연쇄 반응(PCR)과 효율적으로 연계될 수 있어서 질병 진단, 예방, 치료 등 다양한 분야에서 그 활용도가 높다.Furthermore, the microfluid chip, the nucleic acid extracting apparatus including the microfluid chip, and the nucleic acid extracting method using the microfluid chip according to the present invention can be efficiently linked to the polymerase chain reaction (PCR) It is highly utilized.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩 및 그의 구성요소들을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 장착된 핵산 추출 장치의 개요도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법의 흐름도이다.
도 5는 일반적인 핵산 추출 방법 및 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법을 비교한 결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 핵산을 타사 PCR 장치 및 본 출원인의 PCR 장치에서 각각 증폭한 겔 전기영동 결과를 나타낸다.1 illustrates a microfluidic chip for nucleic acid extraction and its components according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a nucleic acid extracting apparatus equipped with a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows a result of comparing a nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention with a general nucleic acid extraction method.
FIG. 6 shows gel electrophoresis results obtained by amplifying the nucleic acid obtained by the nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention in the third-party PCR apparatus and the applicant's PCR apparatus, respectively.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
이하 기술된 설명은 본 발명의 일 실시예들을 쉽게 이해하기 위한 것일 뿐이며, 그러한 설명으로부터 본 발명의 보호범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
The following description is only for the purpose of easy understanding of the embodiments of the present invention, and is not intended to limit the scope of protection of the present invention from such description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩 및 그의 구성요소들을 도시한다.1 illustrates a microfluidic chip for nucleic acid extraction and its components according to an embodiment of the present invention.
도 1에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩은 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 것으로서, 유입부(10); 상기 유입부(10)와 연결된 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부(10)를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부(20); 상기 가열부(20)와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되, 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제1 필터(30); 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); 상기 핵산 분리부(40)와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산에 상응하는 크기의 물질을 통과시킬 수 있는 제2 필터(50); 및 상기 제2 필터(50)와 연결된 유출부(60)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a nucleic acid-extracting microfluid chip according to an embodiment of the present invention is for extracting nucleic acid from a biological sample, and includes an
상기 핵산 추출용 미세유동 칩(microfluidic chip)이라 함은 핵산 추출을 위한 구성요소, 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.The microfluidic chip for nucleic acid extraction is a microfluidic chip for extracting nucleic acid. The microfluidic chip includes components for nucleic acid extraction, namely, an inlet, an outlet, a channel connecting the inlet and the outlet, And a second filter or the like is implemented in units of millimeter (mm) or micrometer (占 퐉).
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.The biological sample may be a biological sample containing a nucleic acid such as DNA or RNA and may be, but not limited to, a liquid sample including, for example, animal cells, plant cells, pathogens, fungi, bacteria, viruses and the like.
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)과 유출부(60)은 각각 유출부 및 유입부의 역할을 수행할 수 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)에 의해 유체 소통 가능하게 연결되고, 이하 상세하게 설명될 가열부(20), 제1 필터(30), 핵산 분리부(40), 제2 필터(50) 등의 구성요소는 상기 채널(70)에 구동가능하도록 배치되어 각 기능을 수행하게 된다. 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 바람직하다. 이하 설명될 제1, 제2, 제3, 제4 채널 영역은 상기 유입부(10)으로부터 상기 유출부(60)까지의 순차적 배치를 의미할 뿐, 상기 채널(70) 내의 특정 위치로 제한되는 것은 아니다.The inlet (10) is a portion where the biological sample or a solution for nucleic acid extraction is introduced into the microfluidic chip, and the outlet (60) is a portion for extracting the nucleic acid, the solution for nucleic acid extraction, And other waste is discharged to the outside of the microfluidic chip. In this case, the
상기 가열부(20)는 상기 유입부(10)를 통해 도입된 용액(생물학적 시료 포함)에 외부로부터 얻어진 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 가열되기 때문에 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.The
상기 제1 필터(30)는 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체로서, 유체 흐름 방향으로 상기 포어를 통해 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행한다. 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 여과하여 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 구비하되, 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.The
상기 핵산 분리부(40)는 핵산 또는 이에 상응하는 크기를 갖는 물질 중에서 상기 핵산을 선택적으로 분리하기 위한 것이다. 도 1에 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 물질을 포함한다. 상기 핵산 결합 물질(45)은 핵산 결합 작용기가 부착된 것으로서, 예를 들어, 실리카(SiO2) 비드, 바이오틴(biotin) 또는 스트렙타비딘(strptavidin) 부착 비드일 수 있다. 상기 핵산 결합 작용기가 부착된 비드는 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 비드를 다양한 함량으로 포함할 수 있으나, 1 마이크로그램(㎍) 내지 200 밀리그램(mg) 범위 내에서 포함하는 것이 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 분리된다.The nucleic
상기 제2 필터(50)는 이미 설명된 제1 필터(30)과 같이, 일정한 크기의 포어(pore)를 갖는 구조체로서, 유체 흐름 방향으로 상기 포어를 통해 크기별로 통과 물질과 비-통과 물질을 구별해 주는 역할을 수행한다. 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)은 포집하되, 상기 핵산 결합 물질(45)로부터 분리된 핵산은 여과하여 상기 유출부(60)로 이동시킨다. 상기 제2 필터(50)는 다양한 규격으로 구현될 수 있으나, 0.1 내지 0.4 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.
The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention.
도 2에 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 2 이상의 유입부, 유출부, 및 이를 연결하는 채널로 구현될 수 있고, 이 경우 하나의 칩 상에서 2 이상의 생물학적 시료로부터 핵산을 추출할 수 있어서 신속하고 효율적으로 핵산을 추출할 수 있다.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention. The microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention comprises a
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩이 장착된 핵산 추출 장치의 개요도이다.3 is a schematic diagram of a nucleic acid extracting apparatus equipped with a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention.
도 3에 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.3, the nucleic acid extracting apparatus according to an embodiment of the present invention includes the
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.
The nucleic acid extracting apparatus is implemented to perform all steps for nucleic acid extraction in a state where the
상기 핵산 추출용 미세유동 칩(1)은 이미 설명된 바와 같다.The
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.The
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.The
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.The
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.
Meanwhile, the nucleic acid extracting apparatus according to an embodiment of the present invention includes an electronic control module (not shown) for automatically controlling the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법의 흐름도이다.4 is a flowchart of a nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention.
도 4에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법은 이미 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩(1)을 전제로 한다. 4, the nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention is based on the
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하는 방법은 Specifically, a method for extracting nucleic acid from a biological sample according to an embodiment of the present invention includes
본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 제공하는 단계(미세유동 칩 제공 단계); Providing a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention (providing a microfluidic chip);
상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계(생물학적 시료 도입 단계); Introducing a biological sample selected from the group consisting of cells, bacteria, and virus (biological sample introduction step) through the inlet of the microfluidic chip;
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);Moving the introduced biological sample to a heating section of the microfluidic chip and then applying heat to the heating section of the microfluidic chip to lyse the biological sample (biological sample dissolution step);
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);Moving the material obtained from the dissolving step to a first filter of the microfluidic chip, passing through the first filter, and removing material that has not passed through the first filter (filtration through a first filter );
상기 제1 필터를 통과한 물질을 상기 미세유동 칩의 핵산 분리부로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통과한 물질 중 핵산을 상기 핵산 결합 물질에 결합시키고, 상기 핵산 결합 물질에 결합되지 아니한 물질을 제거하는 단계(핵산 분리 단계); The method comprising: moving a substance passing through the first filter to a nucleic acid separating unit of the microfluidic chip, binding a nucleic acid in the substance that has passed through the first filter to the nucleic acid binding substance, (Nucleic acid separation step);
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 Separating the nucleic acid from the nucleic acid binding material, transferring the separated nucleic acid to the second filter, and passing the separated nucleic acid through a second filter (filtering step through a second filter); And
상기 제2 필터를 통과한 물질을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계(핵산 추출 단계);Extracting the nucleic acid through the outlet after moving the substance passed through the second filter to the outlet (nucleic acid extracting step);
를 포함할 수 있다.
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이하, 실시예 1 내지 3에서는 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하면서 핵산 추출물의 산출량과 진행 시간을 파악하고, 더 나아가 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 통해 핵산 추출물의 결과 신뢰성을 재차 확인하였다.
Hereinafter, in Examples 1 to 3, the amount and time of the nucleic acid extracts were determined while extracting the nucleic acid from the biological sample, and the resultant reliability of the nucleic acid extract was confirmed again through the PCR (polymerase chain reaction).
실시예Example 1. 핵산 추출의 산출량 및 진행시간 확인 1. Identification of nucleic acid extraction yield and run time
먼저, 결핵균주 세포를 대상으로 일반적인 튜브(tube) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 각각 이용하여 DNA를 추출한 후 그 산출량 및 진행시간을 확인하였다.First, DNA was extracted from a tubercle bacilli cell using a general tube and a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention, respectively, and then the amount and time of the production of the DNA were determined.
일반적인 핵산 추출 단계는 아래와 같다. Common nucleic acid extraction steps are as follows.
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(20분, 4300 rpm, 4℃). 그 후, 샘플 용액에 증류수(DW) 1 ㎖를 첨가하고, 볼텍싱(vortexing)한 후 상기 샘플 용액을 다른 튜브에 옮겼다. 그 후, 상기 샘플 용액을 재차 원심분리 후 상층액을 제거하였다(3분, 12000 rpm, 상온). 그 후, 상기 샘플 용액에 증류수(DW) 1 ㎖를 첨가하고, 볼텍싱(vortexing)하였다. 그 후, 상기 샘플 용액에 증류수(DW) 500 ㎕를 첨가하고, 유전체 DNA를 획득하였다(이 경우 상업적으로 이용가능한 QIAamp DNA Kit를 사용함). 그 결과, 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 약 1시간 이상이 소요되었다.
The Mycobacterium tuberculosis main cell was prepared and mixed with 6% NaOH and 4% NaLC at a ratio of 1: 1: 1 to prepare a sample solution. The sample solution was then centrifuged to remove supernatant (20 min, 4300 rpm, 4 캜). Thereafter, 1 ml of distilled water (DW) was added to the sample solution, vortexed, and the sample solution was transferred to another tube. Thereafter, the sample solution was centrifuged again and the supernatant was removed (3 minutes, 12000 rpm, room temperature). Thereafter, 1 ml of distilled water (DW) was added to the sample solution, followed by vortexing. Thereafter, 500 μl of distilled water (DW) was added to the sample solution to obtain a genomic DNA (in this case, a commercially available QIAamp DNA Kit was used). As a result, about 100 μl of the final DNA product was obtained, and it took about one hour or more to obtain the final DNA product.
뒤이어, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩을 이용하여 동일한 결핵균주 세포로부터 핵산을 추출하였는데, 상세 과정은 아래와 같다. Subsequently, nucleic acid was extracted from the same M. tuberculosis main cell using a microfluidic chip for nucleic acid extraction according to an embodiment of the present invention. The detailed procedure is as follows.
결핵균주 세포를 준비하고, 상기 결핵균주 세포를 6% NaOH 및 4% NaLC와 1:1:1 비율로 혼합하여 샘플 용액으로 제조하였다. 그 후, 도 1에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩{25×72×2mm, 실리카 비드(OPS Diagnostics, LLC), 필터(Whatman)}의 유입부에 실린지를 이용하여 상기 샘플 용액을 도입하였다(약 1분 소요). 그 후, 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(약 1분 30초 소요). 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유입부를 통해 샘플 용액 중 폐기물을 제거하고 용출 버퍼(elution buffer) 100 ㎕를 도입하였다(약 30초 소요). 그 후, 본 발명의 일시예에 따른 미세유동 칩의 유출부를 통해 최종 산물을 획득하고, 확인한 결과 최종 DNA 산물은 약 100 ㎕가 획득되었고, 최종 DNA 산물을 획득하는데 전체 약 7분 정도가 소요되었다. 이 경우 상기 실험을 수작업이 아닌 자동화 핵산 추출 장치로 진행했을 경우 그 소요시간은 약 5분 이내로 감소할 것임은 자명하다.The Mycobacterium tuberculosis main cell was prepared and mixed with 6% NaOH and 4% NaLC at a ratio of 1: 1: 1 to prepare a sample solution. Thereafter, the sample solution was introduced using a syringe at the inlet of the microfluidic chip for nucleic acid extraction (25 × 72 × 2 mm, silica bead (OPS Diagnostics, LLC), filter (Whatman) 1 minute required). Thereafter, 300 ㎕ of silica gel and 1X DNA binding buffer were introduced into the inlet of the microfluidic chip according to the instant embodiment of the present invention, and then the microfluid chip was heated The portion was rapidly heated to 95 캜 (takes about 1 minute and 30 seconds). Thereafter, wastes were removed from the sample solution through the inlet of the microfluidic chip according to the instant embodiment of the present invention, and 100 μl of an elution buffer was introduced (takes about 30 seconds). Thereafter, a final product was obtained through the outlet of the microfluidic chip according to the instant embodiment of the present invention, and as a result, about 100 μl of the final DNA product was obtained and about 7 minutes was required to obtain the final DNA product . In this case, if the above-mentioned experiment is conducted by an automated nucleic acid extracting apparatus instead of a manual operation, it will be obvious that the required time will be reduced to about 5 minutes or less.
상기 실험 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩을 이용하면, 핵산 추출 산물의 양은 그대로 유지될 수 있는데 반해, 기존 핵산 추출 방법과는 달리 총 소요시간은 크게 단축시킬 수 있다는 점을 확인할 수 있다.
As a result of the above experiment, it was confirmed that the microfluidic chip according to an embodiment of the present invention can maintain the total amount of nucleic acid extraction product, unlike the conventional nucleic acid extraction method, .
실시예Example 2. 일반적인 핵산 추출 방법 및 본 발명의 일 2. General nucleic acid extraction method and work of the present invention 실시예에In the embodiment 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 각각의 Obtained by the nucleic acid extraction method according to DNADNA 산물의 중합효소 연쇄 반응 결과 Result of polymerase chain reaction
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 본 출원인의 한국 특허출원 제2011-0037352호에 기재된 2개의 열 블록을 포함하는 PCR 장치 및 상업적으로 이용가능한 타사의 PCR 장치(Roche, Light cycler)를 이용하였다. 상기 본 출원인의 PCR 장치는 실시간(real time) PCR 장치로서, 기판 상에 배치된 제1 열 블록; 상기 기판 상에 상기 제1 열 블록과 이격 배치된 제2 열 블록; 및 상기 제1 열 블록 및 제2 열 블록 위로 구동 수단에 의해 좌우 및/또는 상하 이동 가능하고, 광투과성 플라스틱 재질의 PCR 칩이 장착된 칩 홀더를 포함한다. 또한, 상기 구동 수단은 좌우 방향으로 연장된 레일, 및 상기 레일을 통해 좌우 방향으로 슬라이딩 이동가능하게 배치되고, 상하 방향으로 슬라이딩 이동 가능한 연결 부재를 포함하고, 상기 연결 부재의 일 말단은 상기 칩 홀더가 배치된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제1 열 블록과 제2 열 블록 사이에 광원이 더 배치되고, 상기 칩 홀더 위에 상기 광원으로부터 방출되는 광을 검출하기 위한 광 검출부가 더 배치되거나, 또는 상기 제1 열 블록과 제2 열 블록 사이에 광원으로부터 방출되는 광을 검출하기 위한 광 검출부가 더 배치되고, 상기 칩 홀더 위에 광원이 더 배치되는 것을 특징으로 한다. 상기 PCR 칩 및 PCR 장치를 이용하면, PCR 수행 시간을 약 5 내지 15분 이내로 크게 단축시킬 수 있는데, 상기 PCR 칩 및 PCR 장치를 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출용 미세유동 칩 및 핵산 추출 장치와 연계할 경우 핵산 추출 시간을 약 5 내지 7분 이내로 단축할 수 있고, 최종 핵산 증폭 산물을 획득하기까지 최소 약 20분 이내로 단축할 수 있다. 한편, 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 수행하기 위하여, 상기 본 출원인의 PCR 장치를 이용하는 경우 실시간 PCR 혼합용액(NBS SYBR Green I Real-time PCR mixture 2X) 8 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1X), 정방향 프라이머(Forward Primer, 10μM) 1.6 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1μM), 역방향 프라이머(Reverse Primer, 10μM) 1.6 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1μM), 주형 DNA(Template DNA) 3 마이크로리터(㎕), 증류수(DW) 1.8 마이크로리터(㎕, 16 ㎕로 조절) 등을 포함하는 총 16 마이크로리터(㎕)의 PCR 시약을 준비하였고, 타사의 PCR 장치를 이용하는 경우 실시간 PCR 혼합용액(Takara SYBR Green I Real-time PCR mixture 2X) 10 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1X), 정방향 프라이머(Forward Primer, 10μM) 2 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1μM), 역방향 프라이머(Reverse Primer, 10μM) 2 마이크로리터(㎕, 최종 농도 1μM), 주형 DNA(Template DNA) 3 마이크로리터(㎕), 증류수(DW) 3 마이크로리터(㎕, 20 ㎕로 조절) 등을 포함하는 총 20 마이크로리터(㎕)의 PCR 시약을 준비하였다.In order to ensure the reliability of the DNA product obtained in Example 1, PCR was carried out based on the DNA product. The PCR was performed using a PCR apparatus including two column blocks described in Korean Patent Application No. 2011-0037352 of the present applicant and a commercially available PCR apparatus (Roche, Light cycler). The applicant's PCR apparatus is a real-time PCR apparatus comprising: a first column block disposed on a substrate; A second column block disposed on the substrate and spaced apart from the first column block; And a chip holder mounted on the first column block and the second column block and capable of moving left and right and / or up and down by a driving means and having a PCR chip of a light-transmitting plastic material. The driving means includes a rail extending in the left-right direction, and a connecting member slidably movable in the left-right direction through the rail and slidable in the vertical direction, and one end of the connecting member is connected to the chip holder Is disposed. Further, a light source is further disposed between the first column block and the second column block, and a light detecting portion for detecting light emitted from the light source is further disposed on the chip holder, or the first column block and the second column block A light detecting unit for detecting light emitted from the light source is further disposed between the thermal blocks, and a light source is further disposed on the chip holder. By using the PCR chip and the PCR device, the PCR execution time can be greatly shortened to within about 5 to 15 minutes. The PCR chip and the PCR device can be used as a microfluid chip for nucleic acid extraction and nucleic acid extraction In conjunction with the device, the nucleic acid extraction time can be shortened to within about 5 to 7 minutes and can be shortened to within at least about 20 minutes prior to obtaining the final nucleic acid amplification product. In order to perform the PCR, 8 microliters (쨉 l, final concentration 1X) of a real-time PCR mixed solution (NBS SYBR Green I real-time PCR mixture 2X) (1 μM), 1.6 μL of forward primer (10 μM), 1.6 μL of the reverse primer (10 μM), 3 μL of template DNA (μL) 16 μl total of PCR reagents including 1.8 μl of distilled water (DW) (adjusted to 16 μl) were prepared. When using a third-party PCR device, a real-time PCR mixed solution (Takara
도 5는 일반적인 핵산 추출 방법 및 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법을 비교한 결과를 도시한다. 구체적으로, 도 5a는 상기 본 출원인의 PCR 장치를 이용한 실시간 PCR 결과를 PCR 주기별 형광도로 측정한 그래프이고, 도 5b는 최종 PCR 산물의 겔(gel) 전기영동의 사진이다.FIG. 5 shows a result of comparing a nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention with a general nucleic acid extraction method. Specifically, FIG. 5A is a graph showing the results of real-time PCR using the PCR apparatus of the present applicant, and FIG. 5B is a photograph of gel electrophoresis of the final PCR product.
도 5a에 있어서, 곡선 (1)은 실시예 1에서 일반적인 핵산 추출 방법에 의한 DNA 산물의 PCR 결과 곡선(X축: 주기, Y축: 형광도)이고, 곡선 (2)는 실시예 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의한 DNA 산물의 PCR 결과 곡선이며, 곡선 (3)은 DNA가 포함되지 아니한 용액을 이용한 음성 대조군 곡선이다. 도 5a에 따르면, 곡선 (3) 대비 곡선 (1) 및 곡선 (2)가 약 20 주기(cycle)부터 상승하기 시작하는 것으로 보아, 실시예 2는 적절한 중합효소 연쇄 반응을 진행하고 있는 것으로 볼 수 있고, 곡선 (2) 및 (3)이 약 30 주기일 때 각각 약 350 및 250 정도의 형광도를 나타내는 것으로 보아 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법은 DNA 산물을 정확하게 추출하였음을 확인할 수 있고, 더 나아가 일반적인 핵산 추출 방법에 비해 중합효소 연쇄 반응 산물의 양도 개선되었다는 점을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법의 경우 완료까지 약 15분이 소요되었다. 아울러, 도 5b에 있어서, 컬럼 1은 실시예 1에서 일반적인 핵산 추출 방법에 의한 DNA 산물의 PCR 결과이고, 컬럼 2는 실시예 1에서 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의한 DNA 산물의 PCR 결과이며, 컬럼 3은 DNA가 포함되지 아니한 용액을 이용한 음성 대조군 결과인데, 도 5b의 겔 전기영동 사진에 따르면, 도 5a의 최종 결과를 재차 확인할 수 있다. 한편, 상기 타사의 PCR 장치를 이용한 실시간 PCR 결과를 PCR 주기별 형광도로 측정하고, 최종 PCR 산물의 겔(gel) 전기영동의 사진을 확인한 결과, 상기 도 5a 및 도 5b의 결과와 거의 동일하게 측정되었으나, 완료까지 약 30분이 소요되었다.
5A, the curve (1) is a PCR result curve (X axis: cycle, Y axis: fluorescence) of a DNA product by a nucleic acid extraction method in Example 1, and a curve (2) The curve of the PCR product of the DNA product by the nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention and the curve (3) is the negative control curve using the solution containing no DNA. According to FIG. 5A,
실시예Example 3. 본 발명의 일 3. The present invention 실시예에In the embodiment 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 Obtained by the nucleic acid extraction method according to DNADNA 산물의 장치별 중합효소 연쇄 반응 결과 Result of polymerase chain reaction by product
본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 DNA 산물을 타사의 PCR 장치(Roche, LightCycler) 및 본 출원인의 PCR 장치(실시예 2와 동일)를 각각 이용하여 증폭하였다. 이 경우 상기 타사의 PCR 장치는 전-변성 단계(95℃) 2분간 1 사이클(cycle), 변성 단계(95℃) 10초 및 어닐링 및 확장 단계(72℃) 10초간 각각 30 사이클(cycle)로 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 진행하였고, 본 출원인의 PCR 장치는 전-변성 단계(95℃) 8초간 1 사이클(cycle), 변성 단계(95℃) 8초 및 어닐링 및 확장 단계(72℃) 14초간 각각 30 사이클(cycle)로 중합효소 연쇄 반응(PCR)을 진행하였다.The DNA product obtained by the nucleic acid extraction method according to one embodiment of the present invention was amplified using a third-party PCR device (Roche, LightCycler) and the applicant's PCR device (same as in Example 2). In this case, the PCR device of the other company was subjected to 30 cycles of 1 cycle for 2 minutes at the pre-denaturation step (95 ° C), 10 seconds for the denaturation step (95 ° C) and 10 seconds for the annealing and expansion step (72 ° C) The PCR apparatus of the present applicant performed one cycle for 8 seconds at the pre-denaturation step (95 DEG C), 8 seconds for the denaturation step (95 DEG C) and 72 seconds for the annealing and expansion step (PCR) PCR was carried out for 30 seconds each for 14 seconds.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의해 획득된 핵산을 타사 PCR 장치 및 본 출원인의 PCR 장치에서 각각 증폭한 겔 전기영동 결과를 나타낸다. 구체적으로, 도 6a는 타사 PCR 장치를 이용하여 최종 PCR 산물을 겔 전기영동한 사진이고, 도 6b는 본 출원인의 PCR 장치를 이용하여 최종 PCR 산물을 겔 전기영동한 사진이다. 도 6에 있어서, 이 경우 컬럼 1은 DNA가 포함되지 아니한 용액에 대한 음성 대조군 결과이고, 컬럼 2 내지 4는 결핵균 세포 200 ㎕로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법을 이용하여 획득한 DNA 산물을 이용한 최종 PCR 산물의 결과이고, 컬럼 5는 결핵균 세포 1 ㎖로부터 상업적으로 이용가능한 키트(QIAamp DNA Kit)를 이용한 최종 PCR 산물의 결과이다. 결과적으로, 도 6에 따르면, PCR 장치를 달리하더라도 거의 근접한 PCR 결과가 확인되는 바, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 추출 방법에 의할 경우 소요시간이 크게 단축됨에도 불구하고(타사의 PCR 장치는 완료까지 약 30분이 소요된 반면, 본 출원인의 PCR 장치는 완료까지 약 15분이 소요됨), 신뢰할 수 있는 핵산 추출 결과를 얻을 수 있음을 재차 확인할 수 있다.FIG. 6 shows gel electrophoresis results obtained by amplifying the nucleic acid obtained by the nucleic acid extraction method according to an embodiment of the present invention in the third-party PCR apparatus and the applicant's PCR apparatus, respectively. Specifically, FIG. 6A is a photograph of a gel electrophoresis of the final PCR product using a third-party PCR device, and FIG. 6B is a photograph of gel electrophoresis of the final PCR product using the applicant's PCR device. In FIG. 6, in this case,
Claims (13)
유입부;
상기 유입부와 연결된 제1 채널 영역에 배치되되, 상기 유입부를 통해 도입되는 생물학적 시료에 외부로부터 얻어진 열을 전달할 수 있도록 구현된 가열부;
상기 가열부와 연결된 제2 채널 영역에 배치되되, 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어(pore)를 구비하는 제1 필터;
상기 제1 필터와 연결된 제3 채널 영역에 배치되되, 상기 핵산과 특이적으로 결합할 수 있는 핵산 결합 물질이 구비되어 있는 핵산 분리부;
상기 핵산 분리부와 연결된 제4 채널 영역에 배치되되, 0.1 내지 0.4 마이크로미터(㎛) 범위의 직경을 갖는 포어를 구비하는 제2 필터; 및
상기 제2 필터(50)와 연결된 유출부;
를 포함하는, 핵산 추출용 미세유동 칩(microfluidic chip).For extracting nucleic acid from a biological sample,
An inlet;
A heating unit disposed in a first channel region connected to the inlet unit and configured to transfer heat obtained from the outside to the biological sample introduced through the inlet unit;
A first filter disposed in a second channel region connected to the heating section, the first filter having a pore having a diameter in the range of 0.1 to 0.4 micrometers (占 퐉);
A nucleic acid separator disposed in a third channel region connected to the first filter and having a nucleic acid binding substance capable of specifically binding to the nucleic acid;
A second filter disposed in a fourth channel region connected to the nucleic acid separator, the second filter having a pore having a diameter in the range of 0.1 to 0.4 micrometers (占 퐉); And
An outlet connected to the second filter (50);
A microfluidic chip for nucleic acid extraction.
상기 미세유동 칩이 장착되도록 구현된 칩 장착 모듈;
상기 칩 장착 모듈에 장착된 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가할 수 있도록 구현된 가열 모듈; 및
상기 칩 장착 모듈에 장착된 상기 미세유동 칩의 유입부 및/또는 유출부와 연결되어 상기 미세유동 칩 내부로 핵산 추출을 위한 용액을 도입하거나 및/또는 상기 미세유동 칩 내부에 존재하는 용액을 외부로 배출할 수 있도록 구현된 유체 제어 모듈;
을 포함하는, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 장치.12. Microfluidic chip according to any one of the preceding claims.
A chip mounting module for mounting the microfluidic chip;
A heating module configured to apply heat to the heating unit of the microfluidic chip mounted on the chip mounting module; And
The microfluidic chip is connected to an inlet and / or an outlet of the microfluidic chip mounted on the chip mounting module to introduce a solution for nucleic acid extraction into the microfluidic chip and / A fluid control module implemented to be able to discharge the fluid;
Wherein the nucleic acid is extracted from the biological sample.
상기 미세유동 칩의 유입부를 통해 세포, 박테리아, 및 바이러스로 구성된 군으로부터 선택된 생물학적 시료를 도입하는 단계;
상기 도입된 생물학적 시료를 상기 미세유동 칩의 가열부로 이동시킨 후 상기 미세유동 칩의 가열부에 열을 가하여 상기 생물학적 시료를 용해(lysis)시키는 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;
상기 제1 필터를 통과한 물질을 상기 미세유동 칩의 핵산 분리부로 이동시킨 후 상기 제1 필터를 통과한 물질 중 핵산을 상기 핵산 결합 물질에 결합시키고, 상기 핵산 결합 물질에 결합되지 아니한 물질을 제거하는 단계;
상기 핵산 결합 물질로부터 상기 핵산을 분리시키고, 상기 분리된 핵산을 상기 제2 필터로 이동시킨 후 제2 필터를 통해 통과시키는 단계; 및
상기 제2 필터를 통과한 물질을 상기 유출부로 이동시킨 후 상기 유출부를 통해 상기 핵산을 추출하는 단계;
를 포함하는, 생물학적 시료로부터 핵산을 추출하기 위한 방법.Providing a microfluidic chip according to any one of claims 1 to 11;
Introducing a biological sample selected from the group consisting of cells, bacteria, and viruses through the inlet of the microfluidic chip;
Transferring the introduced biological sample to a heating section of the microfluidic chip, and applying heat to the heating section of the microfluidic chip to lyse the biological sample;
Moving the substance obtained from the dissolving step to a first filter of the microfluidic chip, passing the substance through the first filter, and removing a substance not passing through the first filter;
The method comprising: moving a substance passing through the first filter to a nucleic acid separating unit of the microfluidic chip, binding a nucleic acid in the substance that has passed through the first filter to the nucleic acid binding substance, ;
Separating the nucleic acid from the nucleic acid binding material, transferring the separated nucleic acid to the second filter, and passing the separated nucleic acid through a second filter; And
Moving the substance passing through the second filter to the outlet and extracting the nucleic acid through the outlet;
≪ / RTI > wherein the nucleic acid is extracted from the biological sample.
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