KR102816814B1 - 복수 시료의 동시 분리 및 농축을 위한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 일면에 소수성 물질이 패턴 형태로 코팅된 소수성 영역; 및 상기 소수성 패턴에 의해 구분되어 복수의 시료 이동 통로를 제공하는 친수성 영역을 포함하고; 상기 친수성 영역은 시료의 이동 방향으로 양측에 부착되는 흡수 패드, 상기 흡수 패드와 소수성 패턴 사이에서 시료 이동 방향에 대해 수직으로 형성되는 전도성 잉크층 및 상기 전도성 잉크층에 인접하여 형성된 하나 이상의 선택성 이온 투과부를 포함하는, 복수 시료의 분리 및 농축 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 시스템은 시료 이동 방향에 대해 수직으로 전도성 잉크층을 형성하여 병렬 전기장을 인가함으로써 여러 종류의 시료를 일정한 속도로 단시간 내에 동시에 농축할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 시료 이동 방향에 대해 수직으로 전도성 잉크층을 형성하여 병렬 전기장을 인가함으로써 여러 종류의 시료를 일정한 속도로 단시간 내에 동시에 농축할 수 있다.
Description
본 발명은 복수 시료의 동시 분리 및 농축을 위한 시스템에 관한 것이다.
시료 내 성분들을 분석하기 위해서는 분리, 정제 등의 과정을 수반하게 되며, 분석 대상 성분의 검출 감도를 상승시키기 위해 시료의 농축 과정이 필요할 수 있다.
예를 들어, 시료 내 미량 성분은 유기용매, 완충용액 또는 수용액 등을 사용하여 추출하고, 추출된 성분에 TurboVap(제조사: Biotage)와 같은 농축장치를 이용해 질소 가스를 주입하여 농축을 수행할 수 있다. 그러나, 이러한 농축 방법은 농축 시간이 길고 부피를 많이 차지하며 질소 가스를 지속적으로 주입해야 하는 번거로움이 있다.
한편, 한국 공개특허공보 10-2019-0020915호에서는 종이를 접어서 맞닿은 연속된 면에 유체의 이동 통로를 형성한 후 전압을 인가하여, 전기영동특성 및 이온 농도 분극(ion concentration polarization)을 이용해 시료를 분리 및 농축하는 장치를 개시하고 있다. 이러한 농축 방식은 특정 영역에 표적물질을 농축시키는 효과는 있으나, 종이가 접혀진 상태에서는 이온 농도 분극의 고속 대량처리(high-throughput screening)가 어려워 농축 조건을 설정하기 쉽지 않으며 접혀진 종이를 고정시키기 위한 별도의 부재를 필요로 한다.
따라서, 복수 시료를 보다 효율적으로 농축할 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 복수 시료를 동시에 효율적으로 분리 및 농축할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 일면에 소수성 물질이 패턴 형태로 코팅된 소수성 영역; 및 상기 소수성 패턴에 의해 구분되어 복수의 시료 이동 통로를 제공하는 친수성 영역을 포함하고;
상기 친수성 영역은 시료의 이동 방향으로 양측에 부착되는 흡수 패드, 상기 흡수 패드와 소수성 패턴 사이에서 시료 이동 방향에 대해 수직으로 형성되는 전도성 잉크층 및 상기 전도성 잉크층에 인접하여 형성된 하나 이상의 선택성 이온 투과부를 포함하는, 복수 시료의 분리 및 농축 시스템이 제공된다.
추가로, 본 발명은 상기 시스템을 이용하여 복수 시료를 분리하고 농축하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
(S1) 상기 시스템의 친수성 영역에 형성된 복수 시료 이동 통로의 각각에 시료를 주입하는 단계;
(S2) 상기 시스템의 흡수 패드에 완충액을 주입하는 단계; 및
(S3) 상기 시스템의 전도성 잉크층에 외부 전극을 접촉시켜 전압을 인가하여 주입된 시료의 분리 및 농축을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 시스템은 시료 이동 방향에 대해 수직으로 전도성 잉크층을 형성하여 병렬 전기장을 인가함으로써 여러 종류의 시료를 일정한 속도로 단시간 내에 동시에 농축할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 분리 및 농축 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전압인가 및 그에 따른 복수 시료에 대한 동시 농축 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수 시료의 농축 전/후의 피크 강도를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 각각 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전압인가 및 그에 따른 복수 시료에 대한 동시 농축 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복수 시료의 농축 전/후의 피크 강도를 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시형태는 복수 시료를 동시에 분리 및 농축할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 분리 및 농축 시스템(1)의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 상기 시스템(1)은 다공성 기재(100), 상기 기재 상에 형성된 소수성 영역(110)과 친수성 영역(120), 그리고 상기 친수성 영역에 제공된 흡수 패드(121), 전도성 잉크층(122) 및 선택성 이온 투과부(123)을 포함할 수 있다.
상기 다공성 기재는 모세관 현상에 의해 액체가 이동하면서 소수성 물질의 흡착 또는 침투가 용이한 물질로 구성될 수 있으며, 예컨대 친수성의 종이 또는 셀룰로오스 재질일 수 있다. 이 중에서, 종이는 파이버 구조에 의해 별도의 외부 동력 없이도 액체의 이동이 원활하여 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 다공성 기재의 크기 및 형태는 특별한 제한 없이 필요에 따라 적절히 설정할 수 있다. 한 가지 예로서, 상기 다공성 기재는 30 내지 45 mm의 길이 및 20 내지 30 mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 소수성 영역(110)은 다공성 기재(100)의 일면에 소수성 물질을 패턴 형태로 코팅하여 형성될 수 있으며, 처리 대상 시료의 흡착을 방지하고 시료의 이동 경로를 구분하는 역할을 한다. 상기 소수성 물질은 왁스(wax)와 같은 알코올 지방산 에스테르일 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 소수성 영역은 다공성 기재 전체 면적의 30 내지 70%를 차지할 수 있다.
상기 친수성 영역(120)은 다공성 기재(100) 상에서 소수성 물질로 형성된 패턴을 제외한 영역으로, 시료 또는 버퍼가 이동하거나 저장되는 통로를 제공한다. 상기 친수성 영역(120)에서 시료의 이동 통로는 소수성 패턴에 의해 구분되어 복수개의 다채널로 제공될 수 있으며, 그 수는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이 다공성 기재(100) 상에 소수성 패턴이 테두리 및 중심부 2개로 형성되는 경우 상기 중심부 패턴들 주위로 3개의 시료 이동 통로가 제공될 수 있다.
상기 흡수 패드(121)는 다공성 기재(100)의 친수성 영역(120)에서 시료의 이동 방향으로 양측에 부착되어, 시료 또는 버퍼를 담지할 수 있다. 일반적으로, 모세관 현상을 이용한 시료 분리의 경우 버퍼 처리량이 ㎕ 수준에 불과하여 빠른 시간(예컨대, 3분) 내에 버퍼가 증발하기 시작하는데 흡수 패드의 사용으로 버퍼 처리량을 ㎖ 스케일로 증대시킴으로써 다공성 기재를 충분히 버퍼로 적시어 안정적으로 시료 분리를 수행할 수 있다. 만약, 흡수 패드를 사용하지 않는다면 수계용 버퍼가 증발하기 시작하는데 3분도 걸리지 않아 안정한 전류 흐름을 유지하기 어렵다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 흡수 패드는 다공성 기재 전체 면적의 5 내지 20%를 차지하는 크기로 부착될 수 있다. 또한, 상기 흡수 패드는 OH 작용기를 갖는 섬유, 에컨대 셀룰로오스 섬유, 젤라틴 섬유, 전분 섬유 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 제조된 것일 수 있으며, 12 내지 20 mm의 길이 및 4 내지 8 mm의 폭을 가질 수 있다.
상기 전도성 잉크층(122)은 다공성 기재(100) 상의 흡수 패드와 소수성 패턴 사이에서 시료 이동 방향에 대해 수직으로 형성될 수 있으며, 외부 전극과 접촉하여 병렬 전기장을 형성하는 역할을 한다. 만약 전도성 잉크층의 부재로 전기장이 병렬이 아닌 원 포인트(one point)로 인가된다면 복수 시료를 균일한 속도로 동시에 농축시키기 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 전도성 잉크층은 은 함유 페이스트(paste)와 같은 전도성 잉크를 중심부의 소수성 패턴으로부터 1 내지 3 mm 정도 이격되는 지점에 코팅함으로써 구성할 수 있다.
또한, 도 1에 예시한 바와 같이 상기 전도성 잉크층(122)은 다공성 기재(100)에서 중심부 소수성 패턴을 사이에 두고 1.5cm 이내의 간격으로 양측에 형성될 수 있으며, 이로부터 (+)극 및 (-)극의 외부 전극을 단거리로 연결할 수 있어 저전압으로도 시료 농축이 가능해진다.
상기 선택성 이온 투과부(123)은 상기 전도성 잉크층에 인접하여 하나 이상 형성될 수 있으며, 전극을 통해 전압이 인가될 때 이온 농도 분극(ion concentration polarization, ICP)을 유도하는 역할을 한다.
상기 이온 농도 분극은 전극으로 인가된 외부 전기장에 의해 시료 내에 존재하는 이온들이 각 이온의 전기적 성질과 반대인 전극 쪽으로 이끌리면서 이동하는 전기영동(electrophoresis, EP), 즉 양이온과 음이온의 이동 현상이 일어나는데, 선택적 이온 투과층에 의해 특정 이온만 투과되어 이온 결핍(depletion)과 이온 농축(enrichment)의 경계층이 형성되는 현상을 의미한다.
본 발명의 시스템에서, 나피온과 같은 양이온 선택적 투과부(123)가 (+)극 및 (-)극과 접촉하는 전도성 잉크층(122)의 앞쪽에 위치하며, 음이온을 함유하는 시료를 하나 이상의 선택적 투과부 사이에 주입하고 완충액을 흡수 패드에 담지시켜 주입하는 경우, 전압 인가시 시료 내 음이온은 (+)극 방향으로 이동하고 완충액 내 양이온들은 상기 나피온층을 통과하여 (-)극 방향으로 이동함에 따라, (-)극 근처에서 이온 결핍 영역이 형성되고 (+)극 근처에서는 이온 농축 영역이 형성되어 음이온이 (+)극쪽에서 농축될 수 있다.
이러한 선택적 이온 투과부는 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이면 어떠한 물질로도 구현가능하며, 예컨대 나피온(nafion), 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate) 또는 폴리아릴아민하이드로클로라이드(polyallylamine hydrochloride) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)로 형성될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 시스템을 이용하는 경우 시료 이동 방향에 대해 수직으로 전도성 잉크층을 형성하여 병렬 전기장을 인가함으로써 여러 종류의 시료, 특히 이온 분극화 현상으로 이동가능한 이온 성분을 함유하는 시료들을 일정한 속도로 단시간, 예컨대 5분 이내에 동시에 농축할 수 있다.
따라서, 본 발명은 상기 시스템을 이용하여 복수의 시료를 분리 및 농축하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다:
(S1) 상기 시스템의 친수성 영역에 형성된 복수 시료 이동 통로의 각각에 시료를 주입하는 단계;
(S2) 상기 시스템의 흡수 패드에 완충액을 주입하는 단계; 및
(S3) 상기 시스템의 전도성 잉크층에 외부 전극을 접촉시켜 전압을 인가하여 주입된 시료의 분리 및 농축을 수행하는 단계.
상기 단계 (S1)에서, 상기 복수의 시료는 각각 0.01 내지 2 ㎕의 양으로 주입될 수 있다.
상기 단계 (S2)에서의 전압은 복수의 시료 분리 디바이스에 각각 예컨대, 1 내지 5분 동안 10 내지 100 V, 예컨대 50V의 조건으로 인가될 수 있다.
상기 단계 (S3)에서 농축된 성분은 통상적인 분석방법, 예컨대 HS-GC/MS, LC/MS 등을 이용하여 분석될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예:
도 1에 예시한 바와 같이, 다공성 종이 기재(100), 상기 기재 상에 형성된 소수성 영역(110)과 이에 의해 3개의 시료 이동 통로가 제공된 친수성 영역(120), 그리고 상기 친수성 영역에서 시료의 이동방향으로 제공된 양측의 셀룰로오스 흡수 패드(121) 및 전도성 잉크층(122), 그리고 시료 이동 통로의 각각에 형성된 나피온의 선택성 이온 투과부(123)를 포함하는 시스템(1)을 준비하였다. 구체적으로, 상기 기재의 크기는 26mm×38mm 였으며, 상기 소수성 영역은 상기 기재 전체 면적의 약 60%를 차지하고 상기 2개의 흡수 패드는 상기 기재 전체 면적의 약 20%를 차지하도록 구성하였으며, 상기 전도성 잉크층은 Ag-함유 페이스트를 중심부의 소수성 패턴으로부터 약 1.5mm 정도 이격되는 지점에 코팅함으로써 구성하였다.
상기 시스템의 흡수 패드(121)에 10mM 인산염 완충액(phosphate-buffered saline)을 흡수시키고, 각 시료 이동 통로에서 선택성 이온 투과부(123)의 사이에 하기 구조의 음이온 성분(PTS4-)을 물에 용해시킨 형광 시료를 주입하고, 전압을 인가하여 시료 내 유기산의 분리 및 농축을 수행하였다(하기 표 1에는 적용된 조건을 나타내었다).
| 시료 주입 조건 | 전압 인가 조건 | |||
| 농도 | 주입량 | 전압(V) | 시간(s) | |
| 시료(PTS4-) | 50mg/ml | 0.4㎕ | 50 | 164 |
| PBS 완충액 | 10mM | 0.2ml | ||
비교예:
도 1에서 전도성 잉크층(122)이 형성되지 않은 시스템을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정으로 3종 시료의 분리 및 농축을 수행하였다.
도 2a 및 2b는 각각 상기 실시예 및 비교예에 따른 전압인가 및 그에 따른 복수 시료에 대한 동시 농축 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예에서는 전도성 잉크층을 도입하여 전압을 인가함에 따라 병렬 전압이 형성되어 복수 지점으로 균일하게 전기장이 형성된 반면, 비교예에서는 전도성 잉크층의 부재로 한 지점에서 전기장이 형성되어 분산되었다. 그 결과, 실시예에서는 3종 시료가 병렬 전기장을 통해 일정한 속도로 동시 농축된 반면(농축 시간 < 3분), 비교예에서는 전기장이 각 시료 이동 통로와 거리가 상이하여 시료가 일정한 속도로 농축되지 않음을 확인하였다(도 2b).
이와 같이 실시예에 따라 3종 시료가 일정한 속도로 농축된 결과를 하기 표 2 및 도 3에 추가로 제시하였다.
상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 3종 시료의 주입 직후에는 분산 현상으로 인해 농축 강도의 편차가 높으나, 농추과정이 진행됨에 따라 시료간 농축강도의 상대표준편차(RSD) 값이 낮아졌다(12.3% → 7.0%)
또한, 도 3으로부터는 3종의 복수 시료 모두 농축 후의 피크 강도가 일정하게 높아졌음을 확인할 수 있다.
Claims (12)
- 다공성 기재; 상기 다공성 기재의 일면에 소수성 물질이 패턴 형태로 코팅된 소수성 영역; 및 상기 소수성 패턴에 의해 구분되어 복수의 시료 이동 통로를 제공하는 친수성 영역을 포함하고;
상기 친수성 영역은 시료의 이동 방향으로 양측에 부착되는 흡수 패드, 상기 흡수 패드와 소수성 패턴 사이에서 시료 이동 방향에 대해 수직으로 형성되는 전도성 잉크층 및 상기 전도성 잉크층에 인접하여 형성된 하나 이상의 선택성 이온 투과부를 포함하는, 복수 시료의 분리 및 농축 시스템으로서,
상기 전도성 잉크층은 은 함유 페이스트(paste) 코팅을 포함하며 외부 전극과 접촉하여 병렬 전기장을 형성하고,
상기 친수성 영역은 3개 이상의 시료 이동 채널을 포함하는, 복수 시료의 분리 및 농축 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전도성 잉크층은 소수성 패턴으로부터 1 내지 3 mm의 범위로 이격되어 형성되는, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 종이, 셀룰로오스 또는 이들의 혼합물을 포함하는 친수성 재질로 이루어진, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 다공성 기재는 30 내지 45 mm의 길이 및 20 내지 30 mm의 폭을 갖는 것인, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 소수성 영역은 다공성 기재 전체 면적의 30 내지 70%를 차지하는 시료의 분리 및 농축 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 흡수 패드는 다공성 기재 전체 면적의 5 내지 20%를 차지하는 크기로 부착되는, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 흡수 패드는 셀룰로오스 섬유, 젤라틴 섬유, 전분 섬유 또는 이들 중 2 이상의 혼합물로 제조된 것인, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 선택성 이온 투과부는 나피온(nafion), 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate), 폴리아릴아민 하이드로클로라이드(polyallylamine hydrochloride) 또는 이들의 혼합물로 형성된 것인, 시료의 분리 및 농축 시스템. - 제1항에 따른 시스템을 이용하여 복수 시료를 분리하고 농축하는 방법으로서,
(S1) 상기 시스템의 친수성 영역에 형성된 복수 시료 이동 통로의 각각에 시료를 주입하는 단계;
(S2) 상기 시스템의 흡수 패드에 완충액을 주입하는 단계; 및
(S3) 상기 시스템의 전도성 잉크층에 외부 전극을 접촉시켜 전압을 인가하여 주입된 시료의 분리 및 농축을 수행하는 단계를 포함하는 방법.
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| KR1020200157044A KR102816814B1 (ko) | 2020-11-20 | 2020-11-20 | 복수 시료의 동시 분리 및 농축을 위한 시스템 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20201120 |
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| PG1501 | Laying open of application | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20250131 Patent event code: PE09021S01D |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20250516 |
|
| PG1601 | Publication of registration |