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KR20220152813A - Fluid control chip for infectious diseases diagnosis and diagnosis system using thereof - Google Patents

Fluid control chip for infectious diseases diagnosis and diagnosis system using thereof Download PDF

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KR20220152813A
KR20220152813A KR1020210060217A KR20210060217A KR20220152813A KR 20220152813 A KR20220152813 A KR 20220152813A KR 1020210060217 A KR1020210060217 A KR 1020210060217A KR 20210060217 A KR20210060217 A KR 20210060217A KR 20220152813 A KR20220152813 A KR 20220152813A
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South Korea
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chamber
control chip
fluid control
lower chamber
fluid
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김성진
이슬람 세더
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건국대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a diagnosis system and method for diagnosing various diseases or disorders by amplifying the DNA of bacteria or viruses like in polymerase chain reaction (PCR) tests. The present invention provides a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system and a diagnosis method using the same, wherein in order to solve a problem of a chip for a micro-fluid control and diagnosis systems using the same in a prior art in that the overall configuration is complicated and expensive parts are used to increase costs because pumping, volumetric quantifying, and mixing processes of a micro-fluid solution for disease diagnosis are controlled by a complex external controller and an internal valve, the fluid control chip is configured so that the fluid is automatically completely transferred only by surface tension and gravity through a vertically movable upper plate and a rotatable lower plate, and a thermoelectric heater unit (THU) for temperature control and a photomultiplier tube (PMT) for photodetection are provided so as to automatically perform the process from sample preparation to real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) through a single chip, thereby enabling rapid and accurate diagnosis with a simple configuration and at the same time simplifying the overall diagnosis system configuration and reducing costs.

Description

질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템{Fluid control chip for infectious diseases diagnosis and diagnosis system using thereof} Fluid control chip for infectious diseases diagnosis and diagnosis system using the same

본 발명은 감염병과 같은 질병을 진단하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction ; PCR) 검사 등과 같이, 세균이나 바이러스 등의 DNA를 증폭하여 특정 표적 유전물질을 검출하는 것에 의해 각종 질병이나 질환을 진단하기 위한 질병진단 시스템 및 방법에 있어서, 유전자의 추출, 증폭, 검지에 이르는 일련의 과정 및 각각의 과정을 제어하기 위한 구성들이 매우 복잡함으로 인해 전체적인 시스템의 구성 및 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 질병진단 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 단일의 칩을 통해 검사대상이 포함된 미세유체의 준비와 온도제어 및 검출을 모두 수행할 수 있도록 구성되어 기존에 비해 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for diagnosing diseases such as infectious diseases, and more specifically, for example, amplification of DNA of bacteria or viruses, such as a polymerase chain reaction (PCR) test, etc. In a disease diagnosis system and method for diagnosing various diseases or disorders by detecting a specific target genetic material, a series of processes ranging from gene extraction, amplification, and detection and components for controlling each process are very complex. In order to solve the problems of the disease diagnosis systems and methods of the prior art, which had a problem in that the overall system configuration and cost increased due to The present invention relates to a fluid control chip for diagnosing disease and a diagnosis system using the same, which is configured to be able to perform all of the above, enabling accurate diagnosis at a simple configuration and low cost compared to conventional ones, and at the same time simplifying the configuration of the overall diagnosis system.

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 질병진단을 위한 미세유체 용액의 펌핑, 부피정량 및 혼합 과정이 여러 가지 복잡한 외부 제어기와 내부 밸브 등에 의해 제어됨으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 고가의 부품이 사용되어 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 미세유체 제어용 칩들의 문제점을 해결하기 위해, 수직으로 이동가능한 상판과 회전 가능한 하판을 통하여 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 표면장력과 중력만으로 자동적으로 완전히 이송되고, 온도조절을 위한 열전히터(Thermoelectric Heater Unit ; THU) 및 광검출을 위한 광전자 증배관(photomultiplier tube ; PMT)이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성되어, 검체의 준비로부터 실시간 역전사 PCR(real-time reverse transcription polymerase chain reaction ; rRT-PCR) 까지의 과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템에 관한 것이다. In addition, as described above, in the present invention, the overall configuration is complicated and expensive parts are used because the pumping, volumetric and mixing processes of the microfluidic solution for disease diagnosis are controlled by various complicated external controllers and internal valves. In order to solve the problem of the microfluidic control chips of the prior art, which had a problem of increasing cost, the fluid is completely automatically transferred from the upper chamber to the lower chamber through the vertically movable upper plate and the rotatable lower plate only by surface tension and gravity. and a thermoelectric heater unit (THU) for temperature control and a photomultiplier tube (PMT) for photodetection are integrated into a single chip, and real-time reverse transcription PCR (real -time reverse transcription polymerase chain reaction (rRT-PCR) is configured to be automatically performed through a single chip, enabling quick and accurate diagnosis with a simple configuration, while simplifying the configuration of the overall diagnosis system and reducing costs It relates to a fluid control chip for diagnosing a disease and a diagnosis system using the same.

최근, 전세계적으로 코로나 19(COVID-19)와 같은 전염병이 대유행하면서, 보다 간단한 구성 및 방법으로 이러한 감염병이나 각종 질병을 신속하고 정확하게 진단할 수 있도록 하기 위한 질병진단 장치 및 방법에 대한 요구가 높아지고 있다. Recently, as infectious diseases such as Corona 19 (COVID-19) have been pandemic worldwide, the demand for disease diagnosis devices and methods for quickly and accurately diagnosing these infectious diseases or various diseases with a simpler configuration and method is increasing. have.

또한, 이와 같이 감염병의 진단을 위한 방법으로는, 크게 나누어, 항체(antibody) 검출법과 핵산(nucleic acid) 검출법의 두 가지로 분류될 수 있으며, 먼저, 항체 검출법은, 면역형광 항체검사(immunofluorescent antibody tests) 및 혈청 분석(serological assays)을 포함하고, 샘플 준비에서 검출까지 처리과정이 비교적 간단하고 빠르나, 일반적으로 바이러스 감염 초기에는 실제 질병이 있는 경우를 양성으로 판정하는 민감도(sensitivity)와 실제 질병이 없는 경우를 음성으로 판정하는 특이도(specificity)가 낮은 단점이 있다. In addition, methods for diagnosing infectious diseases as described above can be broadly classified into two types: antibody detection method and nucleic acid detection method. First, the antibody detection method is an immunofluorescent antibody test. tests) and serological assays, and the process from sample preparation to detection is relatively simple and fast. There is a disadvantage in that the specificity of determining negative cases is low.

이에 반해, 핵산 검출법은, 항체 검출법에 비해 충분히 높은 민감도와 특이도를 가지는 장점으로 인해, 예를 들면, 코로나 19(COVID-19)와 같이, 인플루엔자 및 바이러스 감염에 의한 호흡기 바이러스 질환을 검출하기 위한 방법으로 현재 널리 적용되고 있다. On the other hand, the nucleic acid detection method has the advantage of having sufficiently high sensitivity and specificity compared to the antibody detection method, for example, for detecting influenza and respiratory viral diseases caused by viral infections, such as Corona 19 (COVID-19). This method is currently widely applied.

특히, 실시간 역전사 중합효소 연쇄반응(real-time reverse transcription polymerase chain reaction ; rRT-PCR) 검사는 계절성 인플루엔자와 유행성 바이러스를 구별할 수 있을 만큼 높은 민감도와 특이도로 RNA 바이러스를 정량적으로 검출할 수 있으나, 이러한 rRT-PCR 검사에는 정확한 열순환(thermal cycling)이 요구되고, rRT-PCR의 바이러스 유전자 증폭단계 전에 비인두(nasopharyngeal swab) 검체(specimens)로부터 바이러스 RNA 분리단계가 선행되어야 한다. In particular, the real-time reverse transcription polymerase chain reaction (rRT-PCR) test can quantitatively detect RNA viruses with high sensitivity and specificity enough to distinguish between seasonal influenza and pandemic viruses. Such an rRT-PCR test requires accurate thermal cycling, and a viral RNA isolation step from nasopharyngeal swab specimens must precede the viral gene amplification step of rRT-PCR.

아울러, 이러한 처리과정은 일반적으로 일련의 유체처리 및 온도제어를 포함하는 장치간 동작(inter-device operation)이 요구되므로, 전체적인 처리과정이 길어지는 데 더하여, 작업자 상호작용(operator interaction)으로 인한 샘플 오염 및 작업자간 변동성(inter-operator variability)으로 인한 오류 등과 같은 생물학적 안정성(biosafety) 문제가 발생할 수 있다. In addition, since such a process generally requires inter-device operation including a series of fluid treatment and temperature control, in addition to the length of the overall process, the sample due to operator interaction Biosafety issues such as contamination and errors due to inter-operator variability may arise.

이와 같은 장치간 동작 문제를 처리하기 위한 방법으로, 종래, 사람의 개입 없이 바이러스 샘플을 자동화된 방식으로 처리할 수 있는 미세유체 플랫폼을 사용하는 방안이 제시되었며, 이러한 미세유체 기술은 자동 동작, 높은 정확도, 적은 양의 시약(reagent) 요구 및 짧은 분석시간 등의 장점을 가지는 것으로, 생체유체(biofluids)와 생체입자(bioparticles)를 효과적으로 조작하기 위해 밸브, 펌프, 믹서, 미세입자 컨트롤러(microbead controller) 및 반응챔버를 포함하는 다양한 미세유체 구성요소(microfluidic components)가 제시된 바 있다. As a method for dealing with such an operation problem between devices, a method of using a microfluidic platform that can automatically process virus samples without human intervention has been proposed. Valves, pumps, mixers, microbead controllers (microbead controllers) to effectively manipulate biofluids and bioparticles, with advantages such as high accuracy, small amount of reagent required, and short analysis time. ) and various microfluidic components including reaction chambers have been proposed.

즉, 상기한 바와 같이 감염병과 같은 질병을 진단하기 위한 진단장치 및 방법에 적용되는 미세유체 플랫폼에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-1888376호에 제시된 바와 같은 "감염성 질병 진단용 유전자칩"이 있다. That is, as described above, an example of the prior art for a microfluidic platform applied to a diagnostic device and method for diagnosing a disease such as an infectious disease is, for example, as presented in Korean Patent Registration No. 10-1888376. There is a "gene chip for diagnosing infectious diseases".

더 상세하게는, 상기한 한국 등록특허공보 제10-1888376호는, 플라스틱 필름을 포함하는 하부 필름; 플라스틱 필름을 포함하는 상부 필름; 하부 필름과 상부 필름 사이에 게재되고 내부에 바이오 샘플로부터 핵산을 분리시키는 전처리챔버와, 분리된 핵산을 PCR(polymerase chain reaction)을 통해 증폭시키고 판독하는 증폭 및 진단챔버와, 바이오 샘플을 이송시키되 복수의 단절 구간이 존재하는 채널이 형성된 플라스틱 필름을 포함하는 중간필름; 및 채널의 단절구간 상부에 각각 배치되어 단절구간 상부에 유로를 형성시키고 바이오 샘플을 전진 방향으로 이송시키거나 또는 전진 방향으로의 이송을 차단하는 밸브부재를 포함하여, 단일의 칩 내에 바이오 샘플로부터 핵산을 분리시키는 전처리챔버와 분리된 핵산을 PCR을 통해 증폭시키고 판독할 수 있도록 하는 증폭 및 진단챔버를 형성하는 것에 의해 단일의 칩에서 감염성 질병 진단을 위한 시료전처리, 핵산증폭 및 판독을 모두 수행 가능하도록 구성되는 감염성 질병 진단용 유전자칩을 제시하고 있다. More specifically, the above Korean Patent Registration No. 10-1888376 discloses a lower film including a plastic film; an upper film comprising a plastic film; A pre-processing chamber interposed between the lower film and the upper film and separating nucleic acids from the bio sample therein, an amplification and diagnosis chamber that amplifies and reads the separated nucleic acid through PCR (polymerase chain reaction), and transfers the bio sample to multiple An intermediate film including a plastic film in which a channel is formed in which a disconnection section exists; and a valve member disposed above the disconnection section of the channel to form a flow path at the top of the disconnection section and to transfer the bio sample in a forward direction or to block the forward transfer of the bio sample, wherein the nucleic acid from the bio sample is included in a single chip. By forming a pre-processing chamber for isolating and an amplification and diagnosis chamber for amplifying and reading the separated nucleic acid through PCR, a single chip can perform sample pre-processing, nucleic acid amplification and reading for infectious disease diagnosis. A gene chip for diagnosing infectious diseases is presented.

상기한 바와 같이, 종래, 감염병과 같은 질병을 진단하기 위한 진단장치 및 방법에 대하여 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 내용들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, various technical contents have been proposed with respect to diagnostic devices and methods for diagnosing diseases such as infectious diseases, but the contents of the prior art as described above have the following problems.

더 상세하게는, 상기한 바와 같이 바이러스 탐지를 위한 샘플의 준비에서 검출에 이르기까지 필요한 모든 단계를 구현하기 위하여는 생체유체와 생체입자를 효과적으로 조작하기 위한 밸브, 펌프, 믹서, 미세입자 컨트롤러 및 반응챔버 등을 포함하는 다양한 미세유체 구성요소를 통합하여 일체화된 미세유체 제어 플랫폼으로 구현하는 것이 요구된다. More specifically, as described above, valves, pumps, mixers, microparticle controllers and reactions for effectively manipulating biofluids and bioparticles in order to implement all necessary steps from sample preparation to detection for virus detection. It is required to integrate various microfluidic components including chambers and the like to realize an integrated microfluidic control platform.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 미세유체 제어장치들은, 그 처리과정이 복잡하여 전체적인 장치의 구성이 복잡해지는 데 더하여, 그러한 복잡한 처리과정을 높은 정밀도 및 정확도로 수행하기 위해서는 상대적으로 고가의 부품들이 사용되어야 함으로 인해 전체적인 비용 또한 증가하게 되는 문제가 있었다. However, in the microfluidic control devices of the prior art as described above, the processing process is complicated, in addition to complicating the configuration of the overall device, and relatively expensive parts are used to perform such a complicated processing process with high precision and accuracy. Due to this, there was a problem that the overall cost also increased.

아울러, 상기한 바와 같은 종래기술의 미세유체 제어장치들은, 바이러스 탐지를 위한 샘플의 준비에서 검출까지의 전체적인 처리과정이 자동화되지 못함으로 인해, 처리과정중 작업자의 개입에 의한 인적오류나 오차가 발생할 위험성도 있는 것이었다. In addition, the microfluidic control devices of the prior art as described above do not automate the entire process from sample preparation to detection for virus detection, so there is a risk of human error or error due to operator intervention during the process. there was also

따라서 상기한 바와 같이, 전체적인 구성이 복잡하여 비용이 증가하고 자동화가 이루어지지 못함으로 인해 오류나 오차 발생의 위험성이 있는 한계가 있었던 종래기술의 질병진단용 미세유체 제어장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해서는, 미세유체를 제어하기 위한 펌프나 밸브 등의 복잡하고 고가의 구성이 필요 없이 미세유체의 혼합 및 운반부터 검출까지의 처리과정이 단일의 플랫폼을 통해 자동으로 이루어질 수 있도록 함으로써 기존에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 신속하고 정확한 진단이 가능도록 구성되는 새로운 구성의 미세유체 제어장치 칩 및 이를 이용한 질병진단 시스템 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, as described above, in order to solve the problems of the prior art microfluidic control devices and methods for diagnosing diseases, which have a limit in that the overall configuration is complicated, the cost increases, and there is a risk of errors or errors due to inability to automate, By allowing the processing process from mixing and transportation to detection of microfluids to be automatically performed through a single platform without the need for complex and expensive configurations such as pumps or valves to control microfluids, it is possible to achieve a simpler configuration and It is desirable to present a microfluidic control device chip of a new configuration configured to enable rapid and accurate diagnosis at low cost and a disease diagnosis system and method using the same, but a device or method that satisfies all such needs has not yet been provided. There is a situation.

한국 등록특허공보 제10-1888376호 (2018.08.08.)Korean Registered Patent Publication No. 10-1888376 (2018.08.08.)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 감염병과 같은 질병을 진단하기 위해 세균이나 바이러스 등의 DNA를 증폭하여 특정 표적 유전물질을 검출하는 중합효소 연쇄반응(Polymerase Chain Reaction ; PCR) 검사시 유전자의 추출, 증폭, 검지에 이르는 일련의 과정 및 각각의 과정을 제어하기 위한 구성들이 매우 복잡함으로 인해 전체적인 시스템의 구성 및 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 질병진단 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 단일의 칩을 통해 검사대상이 포함된 미세유체의 준비와 온도제어 및 검출을 모두 수행할 수 있도록 구성되어 기존에 비해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템을 제공하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and therefore, an object of the present invention is a polymerase that detects a specific target genetic material by amplifying DNA of bacteria or viruses to diagnose diseases such as infectious diseases During polymerase chain reaction (PCR) testing, a series of processes ranging from gene extraction, amplification, and detection, and configurations for controlling each process are very complex, resulting in increased configuration and cost of the overall system. In order to solve the problems of the disease diagnosis systems and methods of the prior art, it is configured to perform all of the preparation, temperature control, and detection of the microfluid containing the test target through a single chip. It is an object of the present invention to provide a fluid control chip for diagnosing disease and a diagnosis system using the same, which is configured to simplify the configuration of the overall diagnosis system and reduce costs while enabling accurate diagnosis.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 질병진단을 위한 미세유체 용액의 펌핑, 부피정량 및 혼합 과정이 여러 가지 복잡한 외부 제어기와 내부 밸브 등에 의해 제어됨으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 고가의 부품이 사용되어 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 미세유체 제어용 칩들의 문제점을 해결하기 위해, 수직으로 이동가능한 상판과 회전 가능한 하판을 통하여 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 표면장력과 중력만으로 자동적으로 완전히 이송되고, 온도조절을 위한 열전히터(Thermoelectric Heater Unit ; THU) 및 광검출을 위한 광전자 증배관(photomultiplier tube ; PMT)이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성되어 검체의 준비로부터 실시간 역전사 PCR(real-time reverse transcription polymerase chain reaction ; rRT-PCR) 까지의 과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템을 제공하고자 하는 것이다. In addition, another object of the present invention, as described above, is that the pumping, volumetric and mixing processes of the microfluidic solution for disease diagnosis are controlled by various complex external controllers and internal valves, resulting in complicated overall configuration and expensive parts. In order to solve the problem of the microfluidic control chips of the prior art, which had a problem of increasing cost, the fluid is automatically transferred from the upper chamber to the lower chamber through the vertically movable upper plate and the rotatable lower plate only by surface tension and gravity. , and a thermoelectric heater unit (THU) for temperature control and a photomultiplier tube (PMT) for photodetection are integrated into a single chip, and real-time reverse transcription PCR is performed from the preparation of the specimen. (real-time reverse transcription polymerase chain reaction; rRT-PCR) is configured to be automatically performed through a single chip, enabling rapid and accurate diagnosis with a simple configuration, while simplifying the configuration of the overall diagnosis system and reducing cost. It is an object of the present invention to provide a fluid control chip for diagnosing diseases and a diagnosis system using the same.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 질병진단용 유체제어칩에 있어서, 수직방향으로 이동 가능하도록 이루어지는 상판; 상기 상판의 하부에 미리 정해진 일정 간격을 두고 이격되어 배치되고 회전 가능하도록 이루어지는 하판; 유체를 수용하기 위해 상기 상판에 형성되는 복수의 상부챔버; 유체가 수용되고 상기 상기 상판의 하강에 의해 상기 상부챔버가 내측으로 삽입될 수 있도록 각각의 상기 상부챔버에 대응하여 상기 하판에 형성되는 복수의 하부챔버; 상기 하판을 회전 가능하게 지지하는 회전축; 상기 상판과 상기 하판 및 상기 회전축 사이의 간격을 유지하기 위해 상기 하판과 상기 회전축 사이에 배치되는 스프링을 포함하여 이루어지는 간격유지부; 각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버에 수용된 유체의 온도조절을 위한 온도조절부; 광검출을 위한 빛을 조사하는 광원부; 상기 광원부로부터 조사된 광을 검출하기 위한 광검출부; 상기 상부챔버에 수용된 유체 내의 자성물질을 수집하기 위해 상기 상판의 상부에 형성되는 마그네틱 로드(magnetic rod); 단부에 영구자석을 삽입할 수 있도록 속이 빈 돔(dome)이 형성되어 상기 마그네틱 로드의 하부에 배치되는 팁; 상기 상판과 상기 하판 및 상기 마그네틱 로드의 이동을 위한 동력을 전달하는 구동부; 및 상기 질병진단용 유체제어칩의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩이 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, in the fluid control chip for diagnosing diseases, the top plate is made to be movable in the vertical direction; a lower plate disposed at a lower portion of the upper plate at a predetermined interval and rotatably formed; a plurality of upper chambers formed on the upper plate to accommodate fluid; a plurality of lower chambers formed on the lower plate to correspond to the respective upper chambers so that the fluid is accommodated and the upper chamber can be inserted into the inside by the lowering of the upper plate; a rotating shaft rotatably supporting the lower plate; a gap maintaining unit including a spring disposed between the lower plate and the rotary shaft to maintain a gap between the upper plate and the lower plate and the rotary shaft; Temperature control units for controlling the temperature of the fluid accommodated in each of the upper chamber and the lower chamber; a light source unit that emits light for photodetection; a photodetector for detecting light emitted from the light source; a magnetic rod formed on an upper portion of the upper plate to collect magnetic materials in the fluid contained in the upper chamber; a tip having a hollow dome formed at an end thereof to insert a permanent magnet into the lower part of the magnetic rod; a driving unit transmitting power for movement of the upper and lower plates and the magnetic rod; and a control unit for controlling the overall operation of the disease diagnosis fluid control chip.

여기서, 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버는, 상기 상판 및 상기 하판에 각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 수용되는 수용홈을 각각 형성하고, 상기 수용홈에 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 각각 결합되도록 구성됨으로써, 각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 상기 상판 및 상기 하판으로부터 분리, 결합이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the upper chamber and the lower chamber form accommodating grooves accommodating the upper chamber and the lower chamber, respectively, on the upper plate and the lower plate, and the upper chamber and the lower chamber are coupled to the accommodating groove, respectively. By being configured to be, it is characterized in that each of the upper chamber and the lower chamber is configured to be separated from and coupled to the upper plate and the lower plate.

또한, 상기 유체제어칩은, 각각의 상기 수용홈 주변을 덮도록 형성되는 보강재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the fluid control chip is characterized in that it is configured to further include a reinforcing member formed to cover the periphery of each of the receiving grooves.

아울러, 상기 상부챔버는 상하 양단이 개방된 중공형 실린더의 형태로 형성되고, 상기 하부챔버는 상단만 개방된 형태로 형성되며, 미리 정해진 비율에 따라 상기 상부챔버와 상기 하부챔버의 직경을 형성하는 것에 의해, 상기 상판의 상하이동과 표면장력에 의해 유체가 상기 상부챔버로부터 상기 하부챔버로 남김없이 완전하게 이동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the upper chamber is formed in the form of a hollow cylinder with both upper and lower ends open, and the lower chamber is formed in the form of an open top only, forming the diameter of the upper chamber and the lower chamber according to a predetermined ratio By this, it is characterized in that the fluid is configured to be completely moved from the upper chamber to the lower chamber by the vertical movement and surface tension of the upper plate.

여기서, 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버는, 상기 상부챔버의 내경을 DT라 하고, 상기 하부챔버의 내경을 DB라 할 때, 상기 상부챔버와 상기 하부챔버의 직경비율 DT/(DB - DT)가 1.9 이상으로 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the upper chamber and the lower chamber have a diameter ratio of the upper chamber and the lower chamber D T / ( D B - D T ) is characterized in that it is configured to be formed to be 1.9 or more.

더욱이, 상기 온도조절부는, 상기 상판의 일측에 배치되는 리드히터(Lid Heater); 및 상기 하판의 상기 리드히터에 대응되는 위치의 하부에 미리 정해진 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 하부챔버가 내측에 수용되도록 속이 빈 원통형 실린더의 형태로 형성되고, 측면에는 상기 광원부로부터 조사된 광이 입사될 수 있도록 관통공이 형성되며, 하부에는 히트싱크가 구비되는 열전히터(Thermoelectric Heater Unit ; THU)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Furthermore, the temperature control unit, a lead heater disposed on one side of the top plate (Lid Heater); and disposed at a lower part of the lower plate at a position corresponding to the lead heater at a predetermined interval, formed in the shape of a hollow cylindrical cylinder so that the lower chamber is accommodated inside, and the light emitted from the light source unit is formed on the side surface. A through hole is formed to allow the light to enter, and a thermoelectric heater unit (THU) equipped with a heat sink is included in the lower portion.

또한, 상기 온도조절부는, 상기 열전히터(THU)와 상기 히트싱크 및 상기 리드히터의 온도를 각각 측정하고 모니터링하기 위한 복수의 온도센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the temperature control unit may further include a plurality of temperature sensors for measuring and monitoring temperatures of the thermoelectric heater (THU), the heat sink, and the lead heater, respectively.

아울러, 상기 광원부는, LED를 포함하는 광원과 여기필터(excitation filter) 및 집광렌즈(lens)가 원통형의 케이스 내에 각각 구비되어 일체로 형성되고, 상기 열전히터(THU)의 측면에 배치되어 상기 열전히터(THU)의 내측에 수용된 상기 하부챔버 내의 유체에 검출을 위한 광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, in the light source unit, a light source including an LED, an excitation filter, and a condensing lens are provided in a cylindrical case and integrally formed, and are disposed on a side surface of the thermal electric heater THU to perform the thermal electric current. It is characterized in that it is configured to irradiate light for detection to the fluid in the lower chamber accommodated inside the heater (THU).

더욱이, 상기 광검출부는, 상기 광원부로부터 조사되어 상기 열전히터(THU)의 내측에 수용된 상기 하부챔버 내의 유체를 통과한 광을 검출하기 위해 상기 리드히터의 상단에 각각 배치되는 방출필터(emission filter) 및 광전자 증배관(photomultiplier tube ; PMT)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the light detection unit includes an emission filter disposed at an upper end of the lead heater to detect light emitted from the light source unit and passing through the fluid in the lower chamber accommodated inside the thermoelectric heater THU. and a photomultiplier tube (PMT).

또한, 상기 구동부는, 상기 상판의 상부에 연결되는 지지축을 통하여 상기 상판의 상하운동을 위한 동력을 전달하는 제 1 스텝모터; 상기 회전축에 연결되어 상기 하판의 회전운동을 위한 동력을 전달하는 제 2 스텝모터; 및 상기 마그네틱 로드의 상하이동을 위한 동력을 전달하는 제 3 스텝모터를 포함하여 구성됨으로써, 상기 상판과 상기 마그네틱 로드의 수직운동 및 상기 하판의 회전운동이 각각 독립적으로 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the driving unit may include a first step motor for transmitting power for vertical movement of the top plate through a support shaft connected to an upper portion of the top plate; a second step motor connected to the rotary shaft to transmit power for rotation of the lower plate; and a third step motor for transmitting power for the vertical movement of the magnetic rod, so that the vertical movement of the upper plate and the magnetic rod and the rotational movement of the lower plate are independently controlled. .

아울러, 상기 질병진단용 유체제어칩은, 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버에 유체를 각각 주입하고, 상기 상판의 상하이동 및 상기 하판의 회전동작에 의해 상기 상부챔버와 상기 하부챔버를 정렬시킨 다음, 상기 상부챔버와 상기 하부챔버가 접촉되도록 상기 상판을 하강시켜 상기 상부챔버의 유체를 상기 하부챔버에 전달하고, 상기 상판의 상하이동을 반복하여 각각의 유체를 혼합하며, 그 후, 상기 상판을 더욱 하강시켜 혼합유체가 수용된 상기 하부챔버가 상기 열전히터에 삽입되도록 하여 온도제어 및 광검출이 수행되고, 다시 상기 상판을 상승시키면 상기 스프링에 의해 상기 하판이 원위치로 복귀되도록 구성됨으로써, 바이러스 샘플에서 RNA를 분리하는 검체 준비과정부터 실시간 역전사 PCR(real-time reverse transcription polymerase chain reaction ; rRT-PCR) 까지의 처리과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the fluid control chip for diagnosing disease injects fluid into the upper chamber and the lower chamber, aligns the upper chamber and the lower chamber by moving the upper plate up and down and rotating the lower plate, The upper plate is lowered so that the upper chamber and the lower chamber come into contact with each other, the fluid in the upper chamber is delivered to the lower chamber, the upper plate is repeatedly moved up and down to mix each fluid, and then the upper plate is further lowered. so that the lower chamber accommodating the mixed fluid is inserted into the thermoelectric heater to perform temperature control and light detection, and when the upper plate is raised again, the lower plate is returned to its original position by the spring, thereby extracting RNA from the virus sample. It is characterized in that the processing process from sample preparation to isolate to real-time reverse transcription polymerase chain reaction (rRT-PCR) can be automatically performed through a single chip.

또한, 본 발명에 따르면, 질병진단 시스템에 있어서, PCR(Polymerase Chain Reaction)을 포함하는 진단검사를 위한 처리가 수행되는 검진부; 및 상기 검진부의 검진결과에 근거하여 질병의 유무를 판단하는 처리가 수행되는 분석부를 포함하여 구성되고, 상기 검진부는, 상기에 기재된 질병진단용 유체제어칩을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이용한 질병진단 시스템이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the disease diagnosis system, a diagnosis unit for performing a process for a diagnostic test including PCR (Polymerase Chain Reaction); and an analysis unit configured to perform a process for determining the presence or absence of a disease based on the examination result of the examination unit, wherein the examination unit is constituted by using the above-described fluid control chip for diagnosis of disease. system is provided.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 질병진단용 유체제어칩을 이용한 질병진단방법에 있어서, 상기 유체제어칩의 상판 및 하판에 상부챔버 및 하부챔버를 각각 삽입하고, 바이러스 샘플, 용해액(lysis buffer), 자기비드(magnetic beads), 세척액(wash buffer) 및 용출액(elution buffer)을 포함하는 PCR 진단을 위한 유체들을 각각의 챔버에 피펫팅(pipetting)하는 처리가 수행되는 준비단계; 미리 정해진 시간 동안 상기 상판의 상하 이동을 반복하여 바이러스 샘플이 수용된 제 1 상부챔버를 용해액이 수용된 제 1 하부챔버와 접촉시키고 상기 바이러스 샘플을 용해시키는 처리가 수행되는 용해단계; 상기 상판의 상하 이동과 상기 하판의 회전에 의해 각각의 챔버를 정렬시킨 후, 상기 상판을 하강시켜 용해된 상기 바이러스 샘플이 수용된 상기 제 1 하부챔버와 자기비드가 수용된 제 2 상부챔버를 미리 정해진 시간 동안 접촉시키는 것에 의해 용해된 상기 바이러스 샘플에 존재하는 바이러스 RNA와 상기 자기비드를 결합시키켜 RNA-비드 복합체를 형성하는 처리가 수행되는 결합단계; 상기 유체제어칩의 팁을 상기 RNA-비드 복합체가 수용된 상기 제 1 하부챔버와 미리 정해진 시간 동안 접촉시키는 것에 의해 상기 팁에 상기 RNA-비드 복합체를 수집하는 처리가 수행되는 수집단계; 상기 RNA-비드 복합체가 수집된 상기 팁을 세척액이 수용된 제 2 하부챔버로 이동시켜 상기 팁에 수집된 상기 RNA-비드 복합체를 세척하고, RNA의 순도를 높이기 위해 미리 정해진 설정에 따라 서로 다른 챔버에서 세척과정을 반복하는 처리가 수행되는 세척단계; RNA의 용출을 위해 상기 팁을 용출액이 수용된 제 3 하부챔버로 이동시키고, 상기 하판을 회전시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 유체제어칩의 리드히터 및 열전히터(THU)와 정렬시킨 다음, 상기 상판을 하강시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 열전히터(THU)와 접촉시킨 후 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도로 유지하여 상기 바이러스 RNA를 용출시키는 처리가 수행되는 용출단계; 상기 바이러스 RNA가 용출된 상기 제 3 하부챔버를 PCR 진단용 시약이 수용된 제 3 상부챔버와 접촉시켜 상기 제 3 하부챔버에 상기 시약을 혼합하는 처리가 수행되는 시약혼합단계; 및 상기 하판을 회전시켜 시약이 혼합된 상기 제 3 하부챔버를 상기 리드히터 및 상기 열전히터(THU)와 각각 정렬시키고, 상기 상판을 하강시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 열전히터(THU)와 밀착되도록 하고 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도로 유지하여 상보적(complementary) DNA(cDNA)를 합성한 후, 미리 정해진 시간, 온도 및 열주기(thermal cycle)로 초기 DNA 변성(denaturation)을 가지는 DNA 증폭을 행하는 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 처리가 수행되는 검진단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단방법이 제공된다. In addition, according to the present invention, in the disease diagnosis method using the above-described disease diagnosis fluid control chip, an upper chamber and a lower chamber are inserted into the upper and lower plates of the fluid control chip, respectively, and a virus sample and a lysis buffer ), a preparation step in which a process of pipetting fluids for PCR diagnosis including magnetic beads, wash buffer, and elution buffer into each chamber is performed; a lysing step of repeatedly moving the upper plate up and down for a predetermined time to bring the first upper chamber containing the virus sample into contact with the first lower chamber containing the lysate and dissolving the virus sample; After aligning the chambers by the vertical movement of the upper plate and the rotation of the lower plate, the upper plate is lowered to separate the first lower chamber containing the dissolved virus sample and the second upper chamber containing the magnetic beads for a predetermined time. a binding step in which a treatment of forming an RNA-bead complex by binding the magnetic beads to the viral RNA present in the dissolved virus sample by contacting the magnetic beads during the process is performed; A collection step in which a process of collecting the RNA-bead complexes on the tip is performed by bringing the tip of the fluid control chip into contact with the first lower chamber accommodating the RNA-bead complex for a predetermined time; The RNA-bead complex collected in the tip is moved to the second lower chamber containing the washing solution to wash the RNA-bead complex collected in the tip, and in different chambers according to predetermined settings to increase the purity of RNA. a washing step in which a process of repeating the washing process is performed; For RNA elution, the tip is moved to the third lower chamber containing the eluate, and the lower plate is rotated to align the third lower chamber with the lid heater and the thermal heater (THU) of the fluid control chip, and then the upper plate an elution step of eluting the viral RNA by bringing the third lower chamber into contact with the thermoelectric heater (THU) and maintaining the temperature at a predetermined temperature for a predetermined time; a reagent mixing step in which the third lower chamber, from which the viral RNA is eluted, is brought into contact with a third upper chamber containing a reagent for PCR diagnosis, and a process of mixing the reagent in the third lower chamber is performed; and rotating the lower plate to align the third lower chamber in which the reagent is mixed with the lead heater and the thermal electric heater (THU), respectively, and lower the upper plate to bring the third lower chamber into close contact with the thermal electric heater (THU). After synthesizing complementary DNA (cDNA) by maintaining it at a predetermined temperature for a predetermined time, DNA amplification with initial DNA denaturation is performed at a predetermined time, temperature, and thermal cycle. A method for diagnosing a disease characterized in that it comprises a screening step in which real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) processing is performed.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 수직으로 이동가능한 상판과 회전 가능한 하판을 통하여 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 표면장력과 중력만으로 자동적으로 완전히 이송되고, 온도조절을 위한 열전히터(THU) 및 광검출을 위한 광전자 증배관(PMT)이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성되어 검체의 준비로부터 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 까지의 과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행되는 것에 의해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템이 제공됨으로써, 질병진단을 위한 미세유체 용액의 펌핑, 부피정량 및 혼합 과정이 여러 가지 복잡한 외부 제어기와 내부 밸브 등에 의해 제어됨으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 고가의 부품이 사용되어 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 미세유체 제어용 칩들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, the fluid is automatically completely transferred from the upper chamber to the lower chamber through the vertically movable upper plate and the rotatable lower plate only by surface tension and gravity, and a thermal heater (THU) for temperature control and A photomultiplier tube (PMT) for photodetection is formed as an integrated structure on a single chip, and the process from sample preparation to real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) is automatically performed through a single chip. Simple configuration By providing a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same, which is configured to simplify the configuration of the overall diagnosis system and reduce costs while enabling rapid and accurate diagnosis, pumping and volume of microfluidic solutions for disease diagnosis Since the quantitative and mixing process is controlled by various complex external controllers and internal valves, the overall configuration is complicated and expensive parts are used, which can solve the problems of conventional microfluidic control chips that have a problem of increasing cost. .

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 단일의 칩을 통해 검사대상이 포함된 미세유체의 준비와 온도제어 및 검출을 모두 수행할 수 있으므로 기존에 비해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템이 제공됨으로써, 감염병과 같은 질병을 진단하기 위해 세균이나 바이러스 등의 DNA를 증폭하여 특정 표적 유전물질을 검출하는 중합효소 연쇄반응(PCR) 검사시 유전자의 추출, 증폭, 검지에 이르는 일련의 과정 및 각각의 과정을 제어하기 위한 구성들이 매우 복잡함으로 인해 전체적인 시스템의 구성 및 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 질병진단 시스템 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, since a single chip can perform all of the preparation, temperature control, and detection of the microfluid containing the test target, rapid and accurate diagnosis is possible with a simpler configuration than before, By providing a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same, which is configured to simplify the configuration of the overall diagnosis system and reduce cost, a specific target gene is amplified by DNA of bacteria or viruses to diagnose diseases such as infectious diseases. In polymerase chain reaction (PCR) testing that detects substances, a series of processes ranging from gene extraction, amplification, and detection and configurations for controlling each process are very complex, which increases the configuration and cost of the overall system. It is possible to solve the problems of the prior art disease diagnosis systems and methods.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 상부챔버와 하부챔버의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 온도조절부, 광원부 및 광검출부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 온도조절부, 광원부 및 광검출부의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩을 이용하여 검체의 준비와 PCR 검사가 수행되는 일련의 처리과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 실제 성능을 검증하기 위한 실험에 적용된 프라이머 DNA 및 프로브 DNA의 구체적인 구성을 표로 정리하여 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩의 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 이송되는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 상부챔버에서 하부챔버로의 완전한 액체 이송을 위한 챔버 직경의 결정과정을 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 상부챔버의 삽입깊이에 따른 하부챔버에서의 압력의 변화를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 열순환 동안 챔버 내부의 온도변화에 대한 분석결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 분석시간의 최적화를 위해 각각의 파라미터를 변경하여 PCR을 수행한 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 유체제어 칩을 이용한 바이러스 검출결과와 기존의 방식으로 수행된 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다.
1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a fluid control chip for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the operation of the fluid control chip for diagnosing diseases according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .
3 is a diagram schematically showing specific configurations of an upper chamber and a lower chamber of a fluid control chip for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram schematically showing specific configurations of a temperature control unit, a light source unit, and a light detection unit of a fluid control chip for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram schematically showing specific configurations of a temperature control unit, a light source unit, and a light detection unit of a fluid control chip for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram schematically showing a series of processing processes in which a sample is prepared and a PCR test is performed using a fluid control chip for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention.
7 is a table showing the specific configuration of primer DNA and probe DNA applied to an experiment to verify the actual performance of a fluid control chip for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram schematically illustrating a process of transferring fluid from an upper chamber to a lower chamber of a fluid control chip for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention.
9 is a conceptual diagram for explaining a process of determining a chamber diameter for complete transfer of liquid from an upper chamber to a lower chamber.
10 is a view showing the result of measuring the change in pressure in the lower chamber according to the insertion depth of the upper chamber.
11 is a diagram showing analysis results of temperature changes inside the chamber during thermal cycling.
12 is a diagram showing the experimental results of performing PCR by changing each parameter to optimize the analysis time.
13 is a diagram showing a comparison between a virus detection result using a fluid control chip according to an embodiment of the present invention and a result performed in a conventional method.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. Hereinafter, specific embodiments of a fluid control chip for diagnosing diseases and a diagnosis system using the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Here, it should be noted that the contents described below are only one embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In addition, in the following description of the embodiments of the present invention, for parts that are the same as or similar to the contents of the prior art or are determined to be easily understood and implemented at the level of those skilled in the art, the detailed descriptions are provided to simplify the description. It should be noted that .

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 감염병과 같은 질병을 진단하기 위해 세균이나 바이러스 등의 DNA를 증폭하여 특정 표적 유전물질을 검출하는 중합효소 연쇄반응(PCR) 검사시 유전자의 추출, 증폭, 검지에 이르는 일련의 과정 및 각각의 과정을 제어하기 위한 구성들이 매우 복잡함으로 인해 전체적인 시스템의 구성 및 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 질병진단 시스템 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 단일의 칩을 통해 검사대상이 포함된 미세유체의 준비와 온도제어 및 검출을 모두 수행할 수 있도록 구성되어 기존에 비해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템에 관한 것이다. That is, the present invention, as will be described later, extracts, amplifies, In order to solve the problems of the disease diagnosis systems and methods of the prior art, which had a problem in that the configuration and cost of the overall system increased due to the complexity of the series of processes leading to detection and the configurations for controlling each process, a single The chip is configured to perform all of the preparation, temperature control, and detection of microfluids containing the test target, enabling quick and accurate diagnosis with a simpler configuration than before, while simplifying the configuration of the overall diagnosis system and reducing costs. It relates to a fluid control chip for diagnosing a disease and a diagnosis system using the same.

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 질병진단을 위한 미세유체 용액의 펌핑, 부피정량 및 혼합 과정이 여러 가지 복잡한 외부 제어기와 내부 밸브 등에 의해 제어됨으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 고가의 부품이 사용되어 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 미세유체 제어용 칩들의 문제점을 해결하기 위해, 수직으로 이동가능한 상판과 회전 가능한 하판을 통하여 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 표면장력과 중력만으로 자동적으로 완전히 이송되고, 온도조절을 위한 열전히터(THU) 및 광검출을 위한 광전자 증배관(PMT)이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성되어 검체의 준비로부터 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 까지의 과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행되도록 구성됨으로써, 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템에 관한 것이다. In addition, the present invention, as will be described later, the pumping, volumetric and mixing processes of the microfluidic solution for disease diagnosis are controlled by various complex external controllers and internal valves, resulting in a complicated overall configuration and the use of expensive parts. In order to solve the problem of the microfluidic control chips of the prior art, which had a problem of increasing cost, the fluid is automatically completely transferred from the upper chamber to the lower chamber through the vertically movable upper plate and the rotatable lower plate only by surface tension and gravity. transfer, and a thermoelectric heater (THU) for temperature control and a photomultiplier tube (PMT) for light detection are formed as a structure integrated on a single chip, so that the process from sample preparation to real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) As it is configured to be automatically performed through a single chip, it is possible to diagnose quickly and accurately with a simple configuration, while simplifying the configuration of the overall diagnosis system and reducing costs. A fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same it's about

계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Continuously, with reference to the drawings, specific contents of a fluid control chip for diagnosing diseases and a diagnosis system using the same according to the present invention will be described.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.First, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 크게 나누어, 수직방향으로 이동 가능하도록 이루어지는 상판(11)과, 회전 가능하도록 이루어지고 상판(11)의 하부에 일정 간격을 두고 이격되어 배치되는 하판(12)과, 바이러스 샘플(T1)이나 마그네틱 비드(magnetic beads)(T2) 및 PCR 진단시약(rRT-PCT reagents)(T3) 등의 유체를 수용하기 위해 상판(11)에 일정 간격으로 형성되는 복수의 상부챔버(13)와, 용해(B1), 세척(B2-B4) 및 용출(B5) 등을 위해 각각의 상부챔버(13)가 삽입될 수 있도록 각각의 상부챔버(13)에 대응하여 하판(12)에 형성되는 복수의 하부챔버(14)와, 하판(12)을 회전 가능하게 지지하는 회전축(15)과, 유체의 온도조절을 위해 상판(11)에 배치되는 리드히터(Lid Heater)(16) 및 하판(12)의 하부에 일정 간격으로 이격되어 배치되고 하부챔버(14)가 내측에 수용되도록 이루어지는 열전히터(Thermoelectric Heater Unit ; THU)(17)를 포함하여 이루어지는 온도조절부와, 열전히터(THU)(17)의 일측에 배치되어 열전히터(THU)(17)의 내측에 수용된 하부챔버(14)에 광검출을 위한 빛을 조사하기 위한 LED(18) 및 필터(19)를 포함하여 이루어지는 광원부와, 광원부로부터 조사되어 열전히터(THU)(17)의 내측에 수용된 하부챔버(14) 내의 유체를 통과한 광을 검출하기 위해 상판(11)의 일측에 배치되는 광전자 증배관(photomultiplier tube ; PMT)(20)을 포함하여 이루어지는 광검출부를 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 1, the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention is largely divided into a top plate 11 made to be movable in the vertical direction and a top plate 11 made to be rotatable. To accommodate fluids such as the lower plate 12, which is spaced apart from each other at regular intervals, and virus samples (T1), magnetic beads (T2), and PCR diagnostic reagents (rRT-PCT reagents) (T3) A plurality of upper chambers 13 formed at regular intervals on the upper plate 11 for dissolution (B1), washing (B2-B4) and elution (B5), respectively, can be inserted into each upper chamber 13. A plurality of lower chambers 14 formed on the lower plate 12 corresponding to each of the upper chambers 13 so as to rotatably support the lower plate 12; A lid heater (16) disposed in (11) and a thermoelectric heater unit (THU) arranged spaced apart from the bottom of the lower plate 12 at regular intervals and having the lower chamber 14 accommodated inside. Light for light detection is irradiated to the temperature control unit including (17) and the lower chamber 14 disposed on one side of the THU (17) and accommodated inside the THU (17). A light source unit including an LED 18 and a filter 19 for detecting light irradiated from the light source unit and passing through the fluid in the lower chamber 14 accommodated inside the thermal heater (THU) 17. It may be configured to include a photodetector comprising a photomultiplier tube (PMT) 20 disposed on one side of (11).

또한, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 자성체를 이용하여 상부챔버(13)에 수용된 유체 내의 자성물질을 수집하여 제거하기 위해 상판(11)의 상부에 형성되는 마그네틱 로드(magnetic rod)(21)와 마그네틱 로드(21)의 하부에 영구자석을 삽입할 수 있도록 속이 빈 돔(dome)이 단부에 형성된 팁(22)을 포함하여, 마그네틱 로드(21)의 상하운동에 의해 팁(22) 내부에 수용된 영구자석이 수직으로 이동하여 자력을 조정하고 하부챔버(14) 내에 수용된 유체에 함유된 자성물질을 흡착하여 제거하도록 구성될 수 있다. In addition, as shown in FIG. 1, the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention uses a magnetic material to collect and remove magnetic materials in the fluid contained in the upper chamber 13. ) Including a magnetic rod 21 formed on the upper part and a tip 22 having a hollow dome formed at the end so that a permanent magnet can be inserted into the lower part of the magnetic rod 21, The permanent magnet accommodated inside the tip 22 moves vertically by the vertical movement of the rod 21 to adjust the magnetic force and to adsorb and remove the magnetic material contained in the fluid contained in the lower chamber 14.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 상판(11)과 하판(12) 및 회전축(15) 사이의 간격을 유지하기 위해 하판(12)과 회전축(15) 사이에 배치되는 스프링(23)과 같은 탄성부재를 포함하여 이루어지는 간격유지부를 포함하여, 상판(11)의 하강에 의해 하판(12)이 하강하여 하부챔버(14)가 열전히터(17)에 삽입되고 상판(11)이 상승하면 다시 원위치로 복귀하도록 구성될 수 있다. In addition, the fluid control chip 10 for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the lower plate 12 ) and the rotational shaft 15, including a gap holding part including an elastic member such as a spring 23, the lower plate 12 is lowered by the lowering of the upper plate 11, and the lower chamber 14 is thermally conductive. When inserted into the heater 17 and the upper plate 11 rises, it may be configured to return to its original position.

즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 동작을 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 2 , FIG. 2 is a diagram schematically showing the operation of the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 .

도 2에 나타낸 바와 같이, 상하이동 가능한 상판(11)과 회전 가능한 하판(12)의 동작에 의해 상부챔버(13)와 하부챔버(14)를 정렬시킨 다음 상판(11)을 하강시켜 상부챔버(13)의 유체를 하부챔버(14)에 전달하여 혼합하며, 그 후, 상판(11)을 더욱 하강시키면 하부챔버(14)가 열전히터(17)에 삽입되어 광검출이 수행되고, 다시 상판(11)을 상승시키면 스프링(23)에 의해 하판(12)이 원위치로 돌아가게 된다. As shown in FIG. 2, the upper chamber 13 and the lower chamber 14 are aligned by the operation of the upper plate 11 that can move up and down and the lower plate 12 that can rotate, and then the upper plate 11 is lowered to move the upper chamber ( The fluid of 13) is transferred to the lower chamber 14 and mixed, and then, when the upper plate 11 is further lowered, the lower chamber 14 is inserted into the thermoelectric heater 17 to perform optical detection, and the upper plate ( When 11) is raised, the lower plate 12 is returned to its original position by the spring 23.

여기서, 상부챔버(13)(T1 ~ T3)는 상하 양단이 개방된 실린더(중공형 실린더)의 형태로 형성되고 하부챔버(14)(B1 ~ B5)는 상단만 개방된 챔버의 형태로 형성되며, 후술하는 바와 같이 하여 상부챔버(13)와 하부챔버(14)의 직경을 적절히 조절하여 형성함으로써, 상판(11)의 상하이동과 표면장력에 의해 유체가 상부챔버(13)로부터 하부챔버(14)로 남김없이 완전하게 이동될 수 있도록 구성될 수 있다. Here, the upper chamber 13 (T1 to T3) is formed in the form of a cylinder (hollow cylinder) with both upper and lower ends open, and the lower chamber 14 (B1 to B5) is formed in the form of a chamber with only the top open, , As will be described later, the diameters of the upper chamber 13 and the lower chamber 14 are properly adjusted and formed, so that the fluid moves from the upper chamber 13 to the lower chamber 14 due to the vertical movement and surface tension of the upper plate 11. ) can be configured so that it can be completely moved without leaving any residue.

더욱이, 각각의 상부챔버(13)와 하부챔버(14)는, 바람직하게는, 상판(11) 및 하판(12)으로부터 분리 가능하도록 구성되어 사용의 편의성을 더욱 높일 수 있도록 구성될 수 있다. Furthermore, each of the upper chamber 13 and the lower chamber 14 is preferably configured to be separable from the upper plate 11 and the lower plate 12 to further increase convenience of use.

즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 상부챔버(13)와 하부챔버(14)의 구체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 3 , FIG. 3 is a diagram schematically showing specific configurations of the upper chamber 13 and the lower chamber 14 of the fluid control chip 10 for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention.

도 3a에 나타낸 바와 같이, 상판(11) 및 하판(12)에 각각 챔버가 수용되는 수용홈(31)을 형성하고, 이러한 수용홈(31)에 챔버를 각각 결합하도록 구성됨으로써, 사용 후 교체가 용이하여 편의성을 높이는 동시에, 챔버 재사용시 남아있는 유체로 인한 오염이나 오류 발생을 방지하여 보다 신속하고 정확한 진단 및 측정이 가능해진다. As shown in FIG. 3A, the upper plate 11 and the lower plate 12 are configured to form accommodating grooves 31 in which chambers are accommodated, respectively, and to couple the chambers to the accommodating grooves 31, respectively, so that replacement after use is possible. It is easy to increase convenience, and at the same time, it is possible to diagnose and measure more quickly and accurately by preventing contamination or errors due to fluid remaining when the chamber is reused.

이때, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 고온의 환경인 경우를 고려하여, 예를 들면, 단열재 등으로 각각의 수용홈(31) 주변에 보강재(32)를 설치하도록 구성됨으로써, 진단장치의 수명을 증가시키고 보다 안정적인 진단이 가능해진다. At this time, as shown in FIG. 3B, considering the case of a high-temperature environment, the lifespan of the diagnostic device is increased by being configured to install a reinforcing material 32 around each receiving groove 31 with, for example, a heat insulating material. and more reliable diagnosis.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 도시되지는 않았으나, 상판(11)의 상부에 연결되는 지지축을 통하여 상판(11)의 상하운동을 위한 동력을 전달하는 제 1 스텝모터와, 회전축(15)에 연결되어 하판(12)의 회전운동을 위한 동력을 전달하는 제 2 스텝모터 및 마그네틱 로드(21)의 상하이동을 위한 동력을 전달하는 제 3 스텝모터를 포함하는 복수의 구동모터를 포함하여 이루어지는 구동부 및 상기한 각 부의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다. In addition, although not shown, the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention transmits power for the vertical movement of the top plate 11 through a support shaft connected to the top of the top plate 11. Includes 1 step motor, a 2nd step motor connected to the rotary shaft 15 to transmit power for rotation of the lower plate 12, and a 3rd step motor to transmit power for vertical movement of the magnetic rod 21 It may be configured to include a control unit for controlling the overall operation of the driving unit and each unit comprising a plurality of driving motors to do.

아울러, 각각의 챔버(13, 14)와 팁(22)의 위치는 상판(11) 및 하판(12)이 움직이는 동안 원하지 않는 접촉을 방지하도록 신중하게 설계되며, 구동부의 3개의 스텝모터에 의해 상판(11)과 영구자석의 수직운동 및 하판(12)의 회전이 각각 독립적으로 제어되도록 구성된다. In addition, the positions of each of the chambers 13 and 14 and the tip 22 are carefully designed to prevent unwanted contact while the upper plate 11 and the lower plate 12 are moving, and the upper plate is driven by three step motors of the drive unit. (11) and the vertical movement of the permanent magnet and the rotation of the lower plate (12) is configured to be independently controlled.

즉, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 온도제어를 위해 투명한 뚜껑이 구비된 리드히터(Lid Heater)(16)가 상판(11)에 배치되고, 열전히터(THU)(17)가 하판(12)의 아래에 배치되며, 스프링(23)에 의해 THU(17)와 하판(12) 사이의 간격이 조정 및 유지되도록 하여 리드히터(16)가 하부챔버(14)(도 1에서 B5)를 밀어 THU(17)와 접촉하도록 하고, THU(17)의 측면에 rRT-PCR의 형광검출을 위한 형광 광원(18, 19) 및 리드히터(16) 상단에 PMT(photomultiplier tube)(20)가 포함된 광검출부를 각각 구비하여 구성될 수 있다. That is, as shown in FIGS. 1 and 2, in the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention, a lid heater 16 equipped with a transparent lid for temperature control is provided on the top plate ( The lead The heater 16 pushes the lower chamber 14 (B5 in FIG. 1) to come into contact with the THU 17, and the fluorescent light sources 18 and 19 for fluorescence detection of rRT-PCR are placed on the side of the THU 17. Each photodetector including a photomultiplier tube (PMT) 20 may be provided on top of the lead heater 16 .

더 상세하게는, 도 4 및 도 5를 참조하면, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 온도조절부, 광원부 및 광검출부의 구체적인 구성을 각각 개략적으로 나타내는 도면이다. In more detail, referring to FIGS. 4 and 5 , FIGS. 4 and 5 schematically illustrate specific configurations of a temperature control unit, a light source unit, and a light detection unit of the disease diagnosis fluid control chip 10 according to an embodiment of the present invention. It is a drawing represented by

도 4에 나타낸 바와 같이, 온도조절부는 리드히터(Lid Heater) 및 열전히터(THU)(17)를 포함하여 구성되고, 광원부는 LED와 같은 광원과 여기필터(excitation filter) 및 렌즈(lens)가 일체로 형성되어 구성되며, 광검출부는 리드히터(16) 상단에 배치되는 방출필터(emission filter) 및 광전자증배관(PMT)을 포함하여 구성될 수 있다. As shown in FIG. 4, the temperature control unit includes a lid heater and a thermal heater (THU) 17, and the light source unit includes a light source such as an LED, an excitation filter, and a lens. It is integrally formed and configured, and the photodetector may include an emission filter disposed on top of the lead heater 16 and a photomultiplier tube (PMT).

여기서, 상기한 열전히터(THU)는, 알루미늄 등과 같은 연전도성이 우수한 재질로 형성되고, 하단에는 히트싱크와 팬 및 온도센서가 구비되며, 상부에는 PCR 검체가 수용된 챔버가 삽입될 수 있도록 원통형의 삽입홈이 형성되며, 삽입홈의 측면에는 광원부가 삽입될 수 있도록 구멍이 형성되어 구성될 수 있다. Here, the thermal heater (THU) is made of a material with excellent soft conductivity, such as aluminum, and has a heat sink, a fan, and a temperature sensor at the bottom, and a cylindrical shape so that a chamber accommodating a PCR sample can be inserted at the top. An insertion groove is formed, and a hole may be formed on the side of the insertion groove to allow the light source unit to be inserted.

또한, 리드히터는, 투명한 유리(Glass) 위에 속이 빈 알루미늄 실린더(Hollow Al Cylinder)가 배치되고, 알루미늄 실린더는 니켈/크롬 와이어(Ni/Cr wire) 히터를 포함하는 전기 절연 테이프로 덮도록 구성될 수 있다. In addition, the lead heater is composed of a hollow aluminum cylinder (Hollow Al Cylinder) disposed on a transparent glass (Glass), and the aluminum cylinder is covered with an electrical insulating tape including a nickel / chromium wire (Ni / Cr wire) heater. can

아울러, 광원부는 480nm의 광을 발산하는 LED와, 375±10nm의 파장을 가지는 대역통과 필터(bandpass filter) 및 집광을 위한 비구면 렌즈(aspheric lens)를 포함하여, 열전히터(THU) 측면의 구멍을 통해 광이 PCR 검체에 입사되도록 구성될 수 있다. In addition, the light source unit includes an LED emitting light of 480 nm, a bandpass filter having a wavelength of 375 ± 10 nm, and an aspheric lens for condensing light, and a hole on the side of the thermal heater (THU). It can be configured so that light is incident on the PCR sample through the

더욱이, 광검출부는 광전자증배관(PMT)과 파장 510±10nm의 대역통과 필터를 포함하여 구성되고, 온도측정을 위한 온도센서(① ~ ③)가 각각의 위치에 부착되어 열전히터(THU)와 알루미늄 히트싱크 및 리드히터의 온도를 각각 모니터링 하도록 구성될 수 있다. Furthermore, the photodetector unit includes a photomultiplier tube (PMT) and a band pass filter with a wavelength of 510 ± 10 nm, and temperature sensors (① to ③) for temperature measurement are attached to each position, so that the thermoelectric heater (THU) and It can be configured to monitor the temperature of the aluminum heat sink and lead heater, respectively.

또한, PCR 검체의 온도는 또 다른 온도센서를 사용하여 측정되며, THU의 측면은 히트싱크 팬에서 나오는 공기흐름에 의한 온도변동을 방지하기 위해 도 5에 나타낸 바와 같이, 3D 프린팅된 벽으로 둘러싸여 있도록 구성될 수 있다. In addition, the temperature of the PCR sample is measured using another temperature sensor, and the side of the THU is surrounded by a 3D printed wall as shown in FIG. 5 to prevent temperature fluctuations caused by airflow from the heat sink fan. can be configured.

여기서, 도 1 및 도 2를 참조하여 상기한 본 발명의 실시예에서는, 상판(11)에 3개의 상부챔버(13)가 형성되고 하판(12)에는 5개의 하부챔버(14)가 형성되어 있는 경우를 예로 하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 상기한 실시예의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 즉, 본 발명은, 상부챔버(13)와 하부챔버(14)의 개수가 다르게 형성될 수 있는 등, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 필요에 따라 당업자에 의해 다양하게 수정 및 변경하여 적용 가능한 것임에 유념해야 한다. Here, in the embodiment of the present invention described above with reference to FIGS. 1 and 2, three upper chambers 13 are formed on the upper plate 11 and five lower chambers 14 are formed on the lower plate 12 Although the present invention has been described by taking the case as an example, the present invention is not necessarily limited to the case of the above-described embodiment, that is, the present invention, the number of upper chambers 13 and lower chambers 14 can be formed differently etc., it should be noted that various modifications and changes can be applied by those skilled in the art as necessary within the scope that does not deviate from the spirit and essence of the present invention.

계속해서, 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 구체적인 동작에 대하여 설명한다. Continuously, with reference to FIG. 6, a detailed operation of the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described.

즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)을 이용하여 검체의 준비와 PCR 검사가 수행되는 일련의 처리과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 6, FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a series of processing processes in which specimen preparation and PCR testing are performed using the fluid control chip 10 for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention.

도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)을 이용한 처리과정은, 먼저, 동작 전에 각각의 챔버와 팁을 상판(11) 및 하판(12)에 삽입한 다음, 바이러스 샘플(7μL)과 시약(110μL 용해액(lysis buffer), 20μL 자기비드(magnetic beads), 200μL 세척액(wash buffer), 8.5μL 용출액(elution buffer) 및 16.5μL rRT-PCR 혼합물)을 챔버에 피펫팅(pipetting)한다. As shown in FIG. 6, in the process using the fluid control chip 10 for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention, first, each chamber and tip is inserted into the upper plate 11 and the lower plate 12 before operation. Next, virus sample (7 μL) and reagents (110 μL lysis buffer, 20 μL magnetic beads, 200 μL wash buffer, 8.5 μL elution buffer and 16.5 μL rRT-PCR mixture) were placed in the chamber. pipetting into.

이후, 첫번째 단계(step 1)에서, 5분 또는 10분 동안 챔버 T1에서 챔버 B1까지 상하 이동을 반복하여 바이러스 샘플을 용해시키고, 이러한 상하 이동은 효과적으로 바이러스 샘플을 용해액으로 이동시키고 혼합 및 용해를 촉진한다. Thereafter, in the first step (step 1), the virus sample is lysed by repeating the up and down movement from the chamber T1 to the chamber B1 for 5 or 10 minutes, and this up and down movement effectively moves the virus sample into the lysing solution and facilitates mixing and dissolution. promote

두번째 단계(step 2)에서, 용해된 샘플의 바이러스 RNA는 자기비드에 결합되고(bind), 처리중에 상판(11)은 위로 이동하고 하판(12)은 회전하여 챔버 T2와 챔버 B1을 각각 정렬시키며, 이후 챔버 T2와 챔버 B1이 5분 동안 접촉하여 용해된 샘플에 존재하는 바이러스 RNA와 자기비드를 방출하고 결합한다. In the second step (step 2), the viral RNA of the lysed sample is bound to the magnetic beads, and during processing, the upper plate 11 moves up and the lower plate 12 rotates to align chamber T2 and chamber B1, respectively. , then chamber T2 and chamber B1 are brought into contact for 5 minutes to release and bind viral RNA present in the lysed sample and magnetic beads.

세번째 단계(step 3)에서, 40초 동안 영구자석과 팁(22)의 자동 수직접촉에 의해 구동되는 자기력에 의해 RNA-비드 복합체가 팁(22)에 수집되고, 이후, 네번째 단계(step 4)에서 팁(22)은 RNA-비드 복합체의 세척을 위해 챔버 B2로 이동되며, 이후의 단계들(step 5, step 6)에서 고순도의 RNA를 보장하기 위해 각각 챔버 B3 및 B4에서 세척과정을 반복하고, 이때, 상기한 4 ~ 6 단계는 각각 1 분 정도 소요된다. In the third step (step 3), the RNA-bead complex is collected on the tip 22 by the magnetic force driven by the automatic vertical contact of the tip 22 with the permanent magnet for 40 seconds, then in the fourth step (step 4) In, the tip 22 is moved to chamber B2 for washing the RNA-bead complex, and in the subsequent steps (step 5 and step 6), the washing process is repeated in chambers B3 and B4 to ensure high purity RNA, , At this time, the above steps 4 to 6 each take about 1 minute.

다음으로, 7 단계(step 7)에서, 팁(22)은 RNA 용출을 위해 RNA-비드 복합체를 챔버 B5로 이동시키며, 하판(12)이 회전하여 챔버 B5를 리드히터(16) 및 THU(17)와 정렬시키고, 리드히터(16)는 챔버 B5를 밀어 THU(17)와 접촉한 후, 효과적인 용출과정을 위해 챔버 B5는 63℃에서 5분 동안 유지된다. Next, in step 7, the tip 22 transfers the RNA-bead complex to the chamber B5 for RNA elution, and the lower plate 12 rotates to separate the chamber B5 from the lid heater 16 and the THU 17 ), and the lid heater 16 pushes the chamber B5 to contact the THU 17, and then the chamber B5 is maintained at 63° C. for 5 minutes for an effective elution process.

이어서, 8 단계(step 8)에서 팁(22)은 챔버 B5에서 비드를 제거하고, 9 단계(step 9)에서 챔버 T3는 rRT-PCR 시약을 수용하기 위해 챔버 B5와 접촉하며, 마지막으로, 10 단계(step 10)에서 하판(12)이 회전하여 챔버 B5를 리드히터(16) 및 THU(17)와 각각 정렬시킨다. Then, in step 8, tip 22 removes the bead from chamber B5, in step 9, chamber T3 is brought into contact with chamber B5 to receive the rRT-PCR reagent, and finally, in step 9, 10 In step 10, the lower plate 12 is rotated to align the chamber B5 with the lid heater 16 and the THU 17, respectively.

또한, 리드히터(16)가 챔버 B5를 THU(17)와 밀착되도록 밀게 되면, 먼저, 55℃에서 15분 동안 상보적(complementary) DNA(cDNA) 합성 후, 95℃에서 2분 동안 연속 40회의 열주기(thermal cycle)로 초기 DNA 변성(denaturation)을 가지는 DNA 증폭을 수행하여 rRT-PCR 과정이 수행되며, 이때, 각 주기는 95℃에서 10 또는 15초 동안 DNA 변성 및 60℃에서 20 또는 30초 동안 결합-연장(annealing-extension)으로 구성된다. In addition, when the lead heater 16 pushes the chamber B5 to come into close contact with the THU 17, first, complementary DNA (cDNA) is synthesized at 55° C. for 15 minutes, and then 40 consecutive cycles are performed at 95° C. for 2 minutes. The rRT-PCR process is performed by performing DNA amplification with initial DNA denaturation in a thermal cycle. consists of annealing-extension for seconds.

아울러, 열전히터에 의한 온도변동시 리드에 응결(condensation)을 방지하기 위해 리드히터는 일정한 고온을 유지하며, 각 사이클의 결합-연장 동안 PCR 증폭 유전자 산출물(product)의 형광신호는 광원에 의한 여기(excitation) 및 투명 리드히터(16)에 부착된 PMT(20)에 의한 방출(emission)의 검출에 의해 획득된다. In addition, the lead heater maintains a constant high temperature to prevent condensation on the lead when the temperature changes by the thermoelectric heater, and the fluorescence signal of the PCR amplified gene product during each cycle of coupling-extension is excited by a light source. It is obtained by excitation and detection of emission by the PMT 20 attached to the transparent reed heater 16.

더욱이, 상기한 상판(11) 및 하판(12)과 각각의 챔버(13, 14)와 팁(22)은 각각 3D 프린팅에 의해 제작될 수 있으며, 프린팅 후 이소프로판올에 10분간 담그고 자외선(UV light)에 10분간 노출시킨 후, 65℃의 오븐에 밤새 두었다가 단백질과 핵산의 흡착을 방지하기 위해 2% 소혈청 알부민(bovine serum albumin) 용액으로 코팅하여 제조될 수 있다. Moreover, the upper plate 11 and the lower plate 12 and each of the chambers 13 and 14 and the tip 22 may be manufactured by 3D printing, respectively, and after printing, soaked in isopropanol for 10 minutes and exposed to UV light. After exposure for 10 minutes, it may be prepared by placing it in an oven at 65° C. overnight and then coating with a 2% bovine serum albumin solution to prevent adsorption of proteins and nucleic acids.

여기서, 다른 챔버와 달리 챔버 B5는 rRT-PCR에 요구되는 투명성과 열 안정성을 위해 사용되는 100μL 상용 폴리프로필렌 튜브(commercial polypropylene tube)로 구성될 수 있고, 장치의 섀시 본체는 모터를 고정하고 시스템에 강성을 제공하기 위해 아크릴 벽으로 구성될 수 있으며, 영구자석을 움직이는 마그네틱 로드(21) 또한 3D 프린팅으로 제작될 수 있다. Here, unlike the other chambers, chamber B5 can be composed of 100 μL commercial polypropylene tubes used for transparency and thermal stability required for rRT-PCR, and the chassis body of the device fixes the motor and supports the system. It can be composed of an acrylic wall to provide rigidity, and the magnetic rod 21 that moves the permanent magnet can also be manufactured by 3D printing.

따라서 상기한 바와 같은 구성으로부터, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 샘플의 준비와 온도조절 및 광검출을 위한 각각의 구성요소들이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성됨으로써, 바이러스 샘플에서 RNA를 분리하는 검체 준비과정부터 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 까지의 일련의 처리과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행될 수 있다. Therefore, from the configuration as described above, the fluid control chip 10 for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, each component for sample preparation, temperature control, and light detection Since these are formed as an integrated structure on a single chip, a series of processes from sample preparation to isolate RNA from a virus sample to real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) can be automatically performed through a single chip.

계속해서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)을 이용하여 실제 PCR 검사를 수행한 실험결과에 대하여 설명한다. Subsequently, the experimental results of the actual PCR test using the fluid control chip 10 for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described.

즉, 본 발명자들은, 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)을 실제로 구현하고, 그 성능을 검증하기 위해 실험을 진행하였다. That is, the present inventors actually implemented the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention as described above, and conducted experiments to verify its performance.

더 상세하게는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 상기한 바와 같이 하여 유체제어칩(10)을 제작하고, 아두이노(Arduino) 마이크로 컨트롤러를 이용하여 3개의 스텝모터와 LED 및 PMT 등을 각각 자동으로 제어하였으며, 이를 위해, 오픈소스 소프트웨어의 C ++ 기반 코드가 아두이노(Arduino)에 업로드 되었다. More specifically, the fluid control chip 10 is manufactured as described above with reference to FIGS. 1 to 5, and three step motors, LEDs, PMTs, etc. are automatically controlled using an Arduino microcontroller. For this purpose, C ++ based code of open source software was uploaded to Arduino.

또한, 혼합효율과 유체수송을 특성화하기 위해 현미경 및 카메라를 사용하여 50fps의 속도로 이미지를 캡처하고 캡처한 이미지를 Octave 소프트웨어를 사용하여 분석하였으며, 혼합효율에 대한 자세한 계산은 후술한다. In addition, in order to characterize the mixing efficiency and fluid transport, images were captured at a speed of 50 fps using a microscope and a camera, and the captured images were analyzed using Octave software. Detailed calculation of the mixing efficiency will be described later.

아울러, 상부챔버(13)와 하부챔버(14) 사이의 접촉에 의해 생성된 압력은 하부챔버(14)에 연결된 압력센서를 사용하여 측정되었고, Allplex II RV16 Detection(Seegene, Seoul, South Korea)으로 확인된 인플루엔자 A 바이러스 양성 비인두 샘플(nasopharyngeal swab sample)이 본 실험에 적용되었으며, 전반적인 실험내용은 서울 아산병원 기관심의위원회(IRB 번호 : 2020-1679)의 심의 및 승인을 받았다. In addition, the pressure generated by the contact between the upper chamber 13 and the lower chamber 14 was measured using a pressure sensor connected to the lower chamber 14, and the Allplex II RV16 Detection (Seegene, Seoul, South Korea) A confirmed influenza A virus-positive nasopharyngeal swab sample was applied to this experiment, and the overall experiment contents were reviewed and approved by the Institutional Review Board of Asan Medical Center (IRB number: 2020-1679).

더 상세하게는, 70μL의 샘플 부피(volume)가 각 테스트에 사용되었고, 마그네틱 비드와 용해, 세척 및 용출 단계에 대하여 상용 키트(NUCLISENS easyMAG, Biomerieux, USA)를 사용하였으며, 원스텝(One-step) RT-PCR 시약은 5pmol 농도로 1μL의 FAM(carboxy-fluorescein) 프로브 DNA(Macrogen), 1μL Taq 믹스(one-step RT-PCR kit, Invitrogen), 12.5μL 2× 반응믹스(reaction mix)(Invitrogen), 10pmol 농도의 인플루엔자 A 바이러스(하위형(subtype) FluA-H3)용 1μL 정방향(forward) 및 1μL 역방향(reverse) 프라이머쌍(primer pair)을 사용하여 16.5μL rRT-PCR 혼합물을 준비하였다. In more detail, a sample volume of 70 μL was used for each test, and a commercial kit (NUCLISENS easyMAG, Biomerieux, USA) was used for magnetic beads and lysis, washing and elution steps, one-step RT-PCR reagents were 1 μL FAM (carboxy-fluorescein) probe DNA (Macrogen) at 5 pmol concentration, 1 μL Taq mix (one-step RT-PCR kit, Invitrogen), 12.5 μL 2× reaction mix (Invitrogen) , 16.5 μL rRT-PCR mixture was prepared using 1 μL forward and 1 μL reverse primer pair for influenza A virus (subtype FluA-H3) at 10 pmol concentration.

또한, 준비된 rRT-PCR 시약은 분리된 바이러스 RNA를 포함하는 8.5μL 용출액과 혼합되어 원스텝 rRT-PCR에 대한 최종 부피를 25μL로 구성하였고, 목표 앰플 리콘(target amplicon)(크기 : 155bp)의 프라이머 및 프로브 DNA에 대한 상세한 내용은 도 7의 표에 각각 나타낸 바와 같다. In addition, the prepared rRT-PCR reagent was mixed with 8.5 μL eluate containing the isolated viral RNA to make a final volume of 25 μL for one-step rRT-PCR, and the primers and Details of the probe DNA are as shown in the table of FIG. 7, respectively.

즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 실제 성능을 검증하기 위한 실험에 적용된 프라이머 DNA 및 프로브 DNA의 구체적인 구성을 표로 정리하여 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 7, FIG. 7 is a diagram showing the specific configuration of primer DNA and probe DNA applied to an experiment to verify the actual performance of the fluid control chip 10 for diagnosis of disease according to an embodiment of the present invention. to be.

아울러, 본 발명자들은, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체에저 칩(10)의 성능을 기존의 rRT-PCR 방법의 성능과 비교하기 위해 시중에서 판매되는 벤치탑 열 사이클러(benchtop thermal cycler)(Rotor-Gene Q, Qiagen)에서 동일한 농도와 부피의 rRT-PCR 시약을 사용하였고, 검출한계(Limit Of Detection ; LOD) 테스트를 수행하기 위해 인플루엔자 A(H1N1) 바이러스 RNA 샘플을 사용하여 상보적(complementary) DNA(cDNA)를 합성하고 UV 분광광도계(sperctrophotometer) (Ultrospec 2100 pro, GE Healthcare UK)에서 정량화하였으며, 이때, 사본 수(copy number)는 다음과 같이 계산되었다. In addition, the present inventors, in order to compare the performance of the fluid edger chip 10 for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention with the performance of the existing rRT-PCR method, a commercially available benchtop thermal cycler (benchtop thermal cycler) ) (Rotor-Gene Q, Qiagen), the same concentration and volume of rRT-PCR reagent was used, and complementary using influenza A (H1N1) viral RNA samples to perform the Limit Of Detection (LOD) test. (Complementary) DNA (cDNA) was synthesized and quantified in a UV spectrophotometer (Ultrospec 2100 pro, GE Healthcare UK), and the copy number was calculated as follows.

Copy No. = X·A / N·M·C Copy No. = X A / N M C

여기서, X는 cDNA의 양(ng/μL), A는 아보가드로(Avogadro) 상수 (6×1,023), N은 ssDNA 앰플리콘의 길이, M은 1bp의 평균질량(ssDNA의 경우 330g/mol), C는 곱셈상수(1×109)를 각각 의미한다. where X is the amount of cDNA (ng/μL), A is the Avogadro constant (6×1,023), N is the length of the ssDNA amplicon, M is the average mass of 1 bp (330 g/mol for ssDNA), C means a multiplication constant (1×10 9 ).

또한, 용액의 혼합을 특성화하기 위해, 5μL의 자기비드(ChargeSwitch, Invitrogen)를 상부챔버(13)에 배치하고 하부챔버(14)에는 물을 배치하였으며, PCR 효율은 기울기 S와 표준곡선(standard curve)의 잔여 표준편차(residual standard deviation) σ를 이용하여 수학식 (10-1/S - 1)×100%을 통해 산출되고, LOD는 3σ/S로 산출된다. In addition, in order to characterize the mixing of the solution, 5 μL of magnetic beads (ChargeSwitch, Invitrogen) were placed in the upper chamber (13) and water was placed in the lower chamber (14), and the PCR efficiency was calculated using the slope S and the standard curve (standard curve). It is calculated through the equation (10 -1 / S - 1) × 100% using the residual standard deviation σ of ), and the LOD is calculated as 3σ / S.

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 수행된 실험결과에 대하여 설명한다. Continuing, the experimental results conducted as described above will be described.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)은 기존의 칩들과 달리 펌프나 밸브의 구성이 필요 없이 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로 유체의 완전한 이송이 가능하며, 용액의 이송을 위해, 하판(12)이 회전하여 각 판의 열린 챔버를 쌍으로 정렬하고, 두 판의 접촉에 의해 용액이 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로 완전히 이동된다. As described above, the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention completely transfers fluid from the upper chamber 13 to the lower chamber 14 without the need for pumps or valves, unlike conventional chips. This is possible, and for the transfer of the solution, the lower plate 12 rotates to align the open chambers of each plate in pairs, and the solution completely moves from the upper chamber 13 to the lower chamber 14 by the contact of the two plates. do.

이 과정에서, 속이 빈 원통형의 상부챔버(13)와 접촉하는 용액의 표면장력이 완전한 용액 전달을 촉진하며, 쌍을 이룬 챔버들의 반복적인 접촉에 의해 혼합이 이루어지고, 수직 이동되는 자석을 포함하여 상판(11)에 구비된 팁(22)에 의해 자기 비드의 수집, 운반, 방출, 분산 및 세척이 수행된다. In this process, the surface tension of the solution in contact with the hollow cylindrical upper chamber 13 promotes complete solution transfer, and mixing is achieved by repeated contact of the paired chambers, including a magnet that is vertically moved. The magnetic beads are collected, transported, discharged, dispersed, and washed by the tips 22 provided on the upper plate 11 .

즉, 도 8을 참조하면, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩(10)의 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로 유체가 이송되는 과정을 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 8, FIG. 8 is a diagram schematically showing a process in which fluid is transferred from the upper chamber 13 to the lower chamber 14 of the fluid control chip 10 for diagnosis according to an embodiment of the present invention. .

더 상세하게는, 액체 이송공정은, 먼저, 도 8a에 나타낸 바와 같이, 속이 빈 실린더 모양의 상부챔버(13)가 아래로 이동하여 하부챔버(14)와 접촉한 후 상부챔버(13)가 위로 이동하면 상부챔버(13)의 액체가 하부챔버(14)로 모두 배출된다. More specifically, in the liquid transfer process, first, as shown in FIG. 8A, the hollow cylinder-shaped upper chamber 13 moves downward to contact the lower chamber 14, and then the upper chamber 13 moves upward. When moving, all the liquid in the upper chamber 13 is discharged to the lower chamber 14.

여기서, DT와 DB를 각각 상부챔버(13) 및 하부챔버(14)의 내경이라 할 때 각 챔버의 직경비율을 DT/(DB - DT)로 정의하였으며, 본 실시예에서는 DB = 5 및 6mm를 사용하고 DT를 변경하여 적용하였고, 도 6에 나타낸 실시예의 1, 2, 9 단계에서, 액체의 완전한 이송을 위해 DT/(DB - DT) = 2.3 및 DB = 5.5mm인 챔버를 사용하였다. Here, when D T and D B are the inner diameters of the upper chamber 13 and the lower chamber 14, respectively, the diameter ratio of each chamber was defined as D T /(DB - D T ), and in this embodiment, D B = 5 and 6 mm were used and applied by changing D T , and in steps 1, 2, and 9 of the embodiment shown in FIG. 6, D T /(D B - D T ) = 2.3 and D for complete transfer of the liquid A chamber with B = 5.5 mm was used.

즉, 도 8a의 그래프에 나타낸 바와 같이, 각 챔버의 직경비율이 DT/(DB - DT) = 0.5일 때에는 접촉 후에도 액체가 상부챔버(13)에 남아있는 반면, DT/(DB - DT) ≥ 1.9에서는 챔버의 크기 및 재질에 관계 없이 액체가 완전히 이동되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 과정은 중력하에서 표면장력의 영향을 받는다. That is, as shown in the graph of FIG. 8A, when the diameter ratio of each chamber is D T /(D B - D T ) = 0.5, the liquid remains in the upper chamber 13 even after contact, while D T /(D B - D T ) ≥ 1.9, it can be confirmed that the liquid moves completely regardless of the size and material of the chamber, and this process is affected by surface tension under gravity.

이에, 본 발명자들은, 이러한 용액 수송을 설명하기 위해 상부챔버(13)가 접촉 후 상승시 표면장력의 비율(FL/FU)을 나타내는 간단한 모델을 개발하였으며, 즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로의 완전한 액체 이송을 위한 챔버 직경의 결정과정을 설명하기 위한 개념도이다. Accordingly, the present inventors have developed a simple model representing the ratio of surface tension (F L /F U ) when the upper chamber 13 is raised after contact to explain such solution transport, that is, referring to FIG. 9, 9 is a conceptual diagram for explaining a process of determining a chamber diameter for complete transfer of liquid from the upper chamber 13 to the lower chamber 14.

여기서, FL 및 FU는 각각 상부챔버(13)의 하단 및 하부챔버(14)의 상단에서 용액 메니스커스(meniscus)를 아래로 미는 표면장력 및 위로 당기는 표면장력을 의미하고, 도 9에 있어서, 도 9a는 액체 이송을 설명하기 위한 모델을 나타내는 도면이고, 도 9b는 해당 모델에 대한 표면장력과 중력을 포함하는 힘 분석을 나타내는 도면이다. Here, F L and F U mean the surface tension pushing the meniscus downward and pulling it upward at the lower end of the upper chamber 13 and the upper end of the lower chamber 14, respectively. 9A is a diagram showing a model for explaining liquid transport, and FIG. 9B is a diagram showing force analysis including surface tension and gravity for the model.

상기한 바와 같이, 용액 이송 메커니즘은 상부챔버(13)가 하부챔버(14)와 접촉한 후 위쪽으로 이동하는 순간의 표면장력 비율로 나타낼 수 있으며, 이때의 표면장력의 비율은 FL/FU이고, 여기서 FL과 FU는 각각 용액을 아래로 밀고 위로 당기는 표면장력이며, FU 및 FL은 각각 도 9b의 ①, ②로부터 이하의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 이용하여 각각 계산될 수 있다. As described above, the solution transport mechanism can be represented by the surface tension ratio at the moment when the upper chamber 13 moves upward after contacting the lower chamber 14, and the ratio of the surface tension at this time is F L /F U , where F L and F U are surface tensions that push down and pull up the solution, respectively, and F U and F L are respectively using the following [Equation 1] and [Equation 2] from ① and ② in FIG. can be calculated respectively.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2] [Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서, FL은 도 9b에서 ①의 액체를 끌어내리므로 FL < 0이며, 도 9b의 ②에서 r1 및 r2는 이하의 [수학식 3]을 이용하여 근사될 수 있다. Here, since F L pulls down the liquid of ① in FIG. 9B, F L < 0, and r1 and r2 in ② of FIG. 9B can be approximated using the following [Equation 3].

[수학식 3] [Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

또한, FL < 0의 결과를 이용하여,

Figure pat00004
를 고려할 수 있으며, 따라서 [수학식 2] 는 이하의 [수학식 4]와 같이 근사될 수 있다. In addition, using the result of F L < 0,
Figure pat00004
can be considered, and therefore [Equation 2] can be approximated as in [Equation 4] below.

[수학식 4] [Equation 4]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기한 [수학식 1] 및 [수학식 4]로부터, 표면장력의 비율은 이하의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다. From the above [Equation 1] and [Equation 4], the ratio of surface tension can be expressed as the following [Equation 5].

[수학식 5] [Equation 5]

Figure pat00006
Figure pat00006

더 상세하게는, FL/FU가 >> 1이면 상부챔버(13)의 용액이 하부챔버(14)로 완전히 배출되고, 이때, FL 및 FU는 주로 챔버의 크기와 모양에 의해 영향을 받으며, 각각 1/(DB - DT) 및 1/DT에 비례한다. More specifically, if F L /F U is >> 1, the solution in the upper chamber 13 is completely discharged into the lower chamber 14, and at this time, F L and F U are mainly affected by the size and shape of the chamber , and is proportional to 1/(DB - D T ) and 1/D T , respectively.

이는 FL/FU ~ DT/(DB - DT)의 관계로 이어지며, 따라서 FL/FU >> 1에 의해 완전한 배출을 위해서는 DT/(DB - DT)가 충분히 커야 하고, 이는 DT와 DB - DT가 각각 상대적으로 크고 작아야 함을 의미하며, 이러한 관계는 도 8a의 그래프에 표시된 결과와 정량적으로 일치한다. This leads to the relationship F L /F U ~ D T /(D B - D T ), so that D T /(D B - D T ) is sufficient for complete discharge by F L /F U >> 1 This means that D T and D B - D T must be relatively large and small, respectively, and this relationship is quantitatively consistent with the results shown in the graph of FIG. 8a.

또한, 중력은 부분적으로 배출을 도우며, 즉, ρ와 σ는 각각 용액의 밀도와 표면장력이고 g는 중력이라 할 때 결합수(Bond number) Bo = ρgDT 2/σ이고, 중력 대 표면장력의 비율은 DT가 증가함에 따라 0.1에서 2.2로 증가하며, 따라서 DT가 증가함에 따라 중력이 배출에 더 도움을 준다. In addition, gravity partially aids evacuation, i.e., where ρ and σ are the density and surface tension of the solution, respectively, and g is gravity, the Bond number Bo = ρgD T 2 /σ, and the ratio of gravity versus surface tension The ratio increases from 0.1 to 2.2 as D T increases, so gravity helps the discharge more as D T increases.

따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로 유체가 완전히 이송되도록 하는 최적의 직경비율(DT/(DB - DT))을 결정할 수 있으며, 즉, 본 발명자들은, 실험을 통해 DT/(DB - DT) 값이 1.9 이상이면 접촉후 상판 챔버에서 유체가 잔량없이 모두 전달됨을 확인하였다. Therefore, from the above information, it is possible to determine the optimal diameter ratio (D T /(DB - D T )) that allows the fluid to be completely transferred from the upper chamber 13 to the lower chamber 14, that is, the present inventors They, through the experiment, D T /(D B - D T ) When the value was 1.9 or more, it was confirmed that all fluid was transferred without remaining amount in the upper plate chamber after contact.

여기서, 상판챔버의 하부만 뚫려있고 상부는 막혀있는 구조에서는 상판챔버의 직경과 하판챔버의 직경비율을 상기한 바와 같이 최적값으로 조절하더라도 상판챔버에 유체가 남아있으나, 본 발명의 실시예에 따른 유체저어 칩(10)은, 상부챔버(13)의 상하부가 모두 뚫려있는 양면 개방형 구조로 형성되어 접촉한 유체의 표면장력과 중력에 의해 별도의 펌프나 밸브 등의 구성이 필요 없이 유체가 상부챔버(13)에서 하부챔버(14)로 자동으로 이송되며, 이때, 상부챔버(13)의 직경과 하부챔버(14)의 직경비율(DT/(DB - DT))을 1.9 이상으로 형성함으로써, 상부챔버(13)에 유체가 남지 않고 모두 하부챔버(14)로 전달됨을 실험적으로 확인하였다. Here, in a structure in which only the lower portion of the upper chamber is open and the upper chamber is blocked, fluid remains in the upper chamber even when the ratio of the diameter of the upper chamber and the diameter of the lower chamber is adjusted to the optimum value as described above. However, according to an embodiment of the present invention, The fluid stirring chip 10 is formed in a double-sided open structure in which the top and bottom of the upper chamber 13 are open, so that the fluid flows through the upper chamber by the surface tension and gravity of the fluid in contact without the need for a separate pump or valve. (13) is automatically transferred to the lower chamber 14, and at this time, the ratio of the diameter of the upper chamber 13 and the diameter of the lower chamber 14 (D T /(DB - D T )) is formed to be 1.9 or more. By doing so, it was experimentally confirmed that no fluid was left in the upper chamber 13 and all was transferred to the lower chamber 14.

다음으로, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 액체가 하부챔버(14)로 이동된 후 혼합을 위해 상부챔버가 하부챔버로 반복하여 삽입되어 혼합이 이루어지며, 이러한 반복 횟수가 증가될수록 상부챔버(13)에 있던 자기 비드가 하부챔버(14)의 용액에 균일하게 혼합된다. Next, as shown in FIG. 8B, after the liquid is moved to the lower chamber 14, the upper chamber is repeatedly inserted into the lower chamber for mixing, and mixing is performed. As the number of repetitions increases, the upper chamber 13 The magnetic beads present in are uniformly mixed with the solution in the lower chamber (14).

여기서, 본 발명자들은, 혼합효율(mixing efficiency)에 미치는 영향을 파악하기 위해 상부챔버(13)의 삽입속도(U)와 깊이(z)를 변경하여 실험을 진행하였으며, 즉, 도 8c의 좌측 그래프를 참조하면, 빠른 혼합을 위해 높은 U 값이 중요함을 나타내고 있다. Here, the present inventors conducted an experiment by changing the insertion speed (U) and the depth (z) of the upper chamber 13 in order to understand the effect on the mixing efficiency, that is, the left graph of FIG. 8C. , it shows that a high U value is important for fast mixing.

예를 들면, 6개의 접점에서 혼합효율은 U = 18mm/s에서 > 90%에 도달한 반면 효율은 U = 2mm/s에서 55% 미만이었고, 대조적으로, 삽입깊이 z는 혼합효율에 미치는 영향이 작게 나타났으며, 즉, 도 8c의 오른쪽 그래프에 나타낸 바와 같이, h를 챔버의 높이라 할 때 6개의 접점에서 혼합효율은 z/h가 0.3에서 0.9까지 변화하는 것에 관계 없이 약 90%로 나타났다. For example, at 6 contacts, the mixing efficiency reached >90% at U = 18 mm/s, while the efficiency was less than 55% at U = 2 mm/s, in contrast, the insertion depth z had no effect on the mixing efficiency. That is, as shown in the graph on the right of FIG. 8C, when h is the height of the chamber, the mixing efficiency at the six contact points was about 90% regardless of the change in z / h from 0.3 to 0.9. .

또한, U 및 z/h가 혼합효율에 미치는 영향을 더 잘 이해하기 위해, 본 발명자들은 하부챔버(14)의 압력(P)을 측정하였으며, 즉, 도 8d를 참조하면, 도 8d는 z/h = 0.3에서 두 U값(1 및 18mm/s)에 대한 압력(P) 분석결과(profile)를 나타내고 있다. In addition, in order to better understand the effect of U and z / h on the mixing efficiency, the present inventors measured the pressure P in the lower chamber 14, that is, referring to FIG. 8d, FIG. The pressure (P) analysis result (profile) for two U values (1 and 18 mm/s) at h = 0.3 is shown.

여기서, 상태 a, b 및 c는 각각 상부챔버(13)의 전진(advance), 정지(halt) 및 후퇴(retreat) 기간에 해당하고, 상태 a와 c는 U = 1mm/s에 대하여 동일한 거리를 이동하는 데 더 많은 시간이 걸렸으므로 U = 18mm/s보다 U = 1mm/s인 경우가 더 길게 나타냈다. Here, states a, b, and c correspond to the advance, halt, and retreat periods of the upper chamber 13, respectively, and states a and c have the same distance for U = 1 mm/s. Since it took more time to move, the case of U = 1 mm/s was longer than the case of U = 18 mm/s.

아울러, 상태 b는 두 경우 모두 3.5초 동안 유지되었으며, P는 U = 1mm/s보다 U = 18mm/s에 대하여 더 넓은 범위에 걸쳐 변화하여 U = 18mm/s에서 혼합효율을 향상시키는 것으로 나타났고, 특히, 상태 a와 c에서 P는 U = 18mm/s에 대하여 큰 진폭으로 변동한 반면, P는 U = 1mm/s에 대하여 작은 진폭으로 점차적으로 변화하였고, 상태 b에서 P는 양(positive)의 값으로 유지되었다. In addition, state b was maintained for 3.5 seconds in both cases, and P changed over a wider range for U = 18 mm / s than for U = 1 mm / s, improving the mixing efficiency at U = 18 mm / s. , in particular, in states a and c, P fluctuated with large amplitude for U = 18 mm/s, while P varied gradually with small amplitude for U = 1 mm/s, and in state b, P fluctuated positively. was kept at the value of

이러한 결과는 표면장력과 관성(inertia)의 영향을 받는 것이고, 웨버 수(Weber number) We(관성 대 표면장력의 비율)로 설명할 수 있으며, 즉, 상부챔버(13)가 움직일 때 U = 1mm/s에서 We는 0.05이고 U = 18mm/s에서 We는 13이며, 이는 U = 18 mm/s에 대한 P의 더 큰 변동이 관성효과에 기인한 것임을 시사한다. This result is influenced by surface tension and inertia, and can be explained by the Weber number We (ratio of inertia to surface tension), that is, when the upper chamber 13 moves, U = 1 mm At /s, We is 0.05 and at U = 18 mm/s, We is 13, suggesting that the larger variation in P for U = 18 mm/s is due to inertial effects.

더 상세하게는, 본 발명자들은, 혼합효율을 측정하기 위해 비드 직경이 1㎛인 자기비드 용액(ChargeSwitch, Invitrogen) 5μL를 사용하여, 비드를 50μL PBS 완충액에 담가 얻어진 55μL의 혼합물을 상부챔버(13)에 수용한 후, 100μL PBS로 채워진 하부챔버(14)와 부분적으로 접촉시켰으며, 접촉(혼합) 중에는 실체현미경(u-SZ40, Olympus)과 카메라(u-Nova20C, Novitec)를 사용하여 40fps의 속도로 혼합 과정을 캡처하였다. More specifically, the present inventors used 5 μL of a magnetic bead solution (ChargeSwitch, Invitrogen) with a bead diameter of 1 μm to measure the mixing efficiency, and immersed the beads in 50 μL PBS buffer, and 55 μL of the mixture obtained was placed in the upper chamber (13 ), and partially contacted with the lower chamber 14 filled with 100 μL PBS, and during contact (mixing), a stereomicroscope (u-SZ40, Olympus) and a camera (u-Nova20C, Novitec) were used to capture 40 fps. The mixing process was captured at speed.

이후, 캡처된 이미지를 Octave 소프트웨어를 사용하여 분석하고 이하의 [수학식 6]을 이용하여 혼합효율(η)을 산출하였다. Thereafter, the captured image was analyzed using Octave software, and mixing efficiency (η) was calculated using the following [Equation 6].

[수학식 6] [Equation 6]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서, I는 정규화된 그레이스케일 값(normalized gray scale value)이고, Ii는 캡처된 이미지의 i번째 픽셀에 있는 각 픽셀의 값이며, Ir은 완전혼합 상태(fully mixed state)에서 기준이미지(reference image)의 정규화된 값이고, N은 픽셀 수이며, I0i는 초기상태, 즉, 혼합 없이 i번째 픽셀에서 정규화된 값을 각각 의미한다. Here, I is the normalized gray scale value, I i is the value of each pixel in the i-th pixel of the captured image, and I r is the reference image in a fully mixed state ( reference image), N is the number of pixels, and I 0i is the initial state, that is, the normalized value at the ith pixel without blending.

따라서 사전 혼합조건(pre-mixed condition)에 대하여 η = 0%이 얻어지고, 완전 혼합조건(completely mixed condition)에 대하여 η = 100%이 얻어지며, 자기 비드의 수집은 또한 상기한 [수학식 6]에 의해 정량화될 수 있다. Therefore, η = 0% is obtained for the pre-mixed condition, η = 100% is obtained for the completely mixed condition, and the collection of magnetic beads is also ] can be quantified by

계속해서, 상태 b에 있어서, 상부챔버(13)의 움직임이 없으면 표면장력만이 P를 생성하고, P의 양의 값은 상부챔버(13)와 하부챔버(14)의 경계면에서 메니스커스의 유효 형태(effective shape)가 볼록함을(convex) 의미한다. Subsequently, in state b, if there is no movement of the upper chamber 13, only the surface tension generates P, and the positive value of P is the meniscus at the interface between the upper chamber 13 and the lower chamber 14. It means that the effective shape is convex.

즉, 도 10을 참조하면, 도 10은 상부챔버(13)의 삽입 깊이에 따른 하부챔버(14)에서의 압력의 변화를 측정한 결과를 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 10 , FIG. 10 is a view showing a result of measuring a change in pressure in the lower chamber 14 according to the insertion depth of the upper chamber 13 .

여기서, 도 10에 있어서, 도 10a는 U를 18mm/s로 고정하고 z/h를 0.3과 0.9로 변경하여 각각 측정된 압력 프로파일이고, 도 10b는 하부챔버(14)에서의 최대 압력을 각각 나타내고 있다. Here, in FIG. 10, FIG. 10a is a pressure profile measured by fixing U to 18 mm/s and changing z/h to 0.3 and 0.9, and FIG. 10b shows the maximum pressure in the lower chamber 14, respectively. have.

도 10에 나타낸 바와 같이, U를 18mm/s로 고정하고 z/h를 0.3과 0.9로 변경했을 때 P는 두 z/h의 경우에 대하여 거의 유사한 값으로 변경되었고, 이는 유효 메니스커스(effective meniscus)가 z에 의해 크게 영향받지 않음을 나타낸다. As shown in FIG. 10, when U is fixed at 18 mm/s and z / h is changed to 0.3 and 0.9, P is changed to almost similar values for the two z / h cases, which is the effective meniscus (effective meniscus). meniscus) is not significantly affected by z.

다음으로, 도 8e를 참조하면, 도 8e는 비드 조작 과정을 나타내는 도면으로, 비드의 수집, 운반 및 혼합을 포함한 비드 조작은 RNA 분리 및 rRT-PCR 프로세스를 위한 칩의 또 다른 중요한 기능이다. Next, referring to FIG. 8E, FIG. 8E is a diagram showing a bead manipulation process, and bead manipulation including collection, transport, and mixing of beads is another important function of the chip for RNA isolation and rRT-PCR processes.

도 8e에 나타낸 바와 같이, 시간 t = 0s에서 비드를 수집하기 위해 팁(22)이 아래로 이동하고 자기 비드가 들어있는 하부챔버(14)의 메니스커스와 접촉된 후, t = 1s에서 자석이 팁(22) 내부로 이동되어 비드에 자기력을 가하고 비드를 수집한다. As shown in Fig. 8e, after the tip 22 moves down to collect the beads at time t = 0 s and contacts the meniscus of the lower chamber 14 containing the magnetic beads, the magnet at t = 1 s It is moved inside the tip 22 to apply a magnetic force to the bead and collect the bead.

이때, 수집은 45초도 채 걸리지 않았고, t = 45 ~ 60초 동안 팁(22)은 비드를 새로운 챔버로 옮기고 혼합하였으며, 특히, 팁(22)과 자석이 수직으로 이동하고 하판(12)이 회전하여 팁(22)과 새 챔버를 쌍으로 정렬하였고, 그 후, 팁(22)이 새 챔버의 메니스커스에 접촉하고 자석이 별도로 위로 이동하여 팁(22)의 자력을 제거하여 비드를 챔버 내로 방출한 다음, 팁(22)의 반복된 수직 스윙에 의해 효과적으로 비드를 혼합하였다. At this time, the collection took less than 45 seconds, and during t = 45 to 60 seconds, the tip 22 transferred the beads to a new chamber and mixed them. In particular, the tip 22 and the magnet moved vertically and the lower plate 12 rotated. to align the tip 22 and the new chamber in pairs, after which the tip 22 contacts the meniscus of the new chamber and the magnet moves upward separately to demagnetize the tip 22 and push the bead into the chamber. After ejection, repeated vertical swings of the tip 22 effectively mixed the beads.

계속해서, 도 8f를 참조하면, 도 8f는 열순환(thermal cycle) 과정 동안 챔버 B5와 알루미늄 블록 내의 액체의 온도 프로파일을 나타내는 도면이다. Continuing to refer to FIG. 8F, FIG. 8F is a diagram showing the temperature profile of the liquid in chamber B5 and the aluminum block during a thermal cycle.

즉, 핵산의 성공적인 증폭을 위해서는 정확하고 빠른 열순환이 필수적이며, 도 8f에 나타낸 바와 같이, 변성 및 어닐링/연장에 대한 설정점 온도는 각각 95℃ 및 60℃ 이고, 변성 및 어닐링/연장 단계 동안의 온도는 0.2℃ ~ 0.3℃의 높은 정밀도(측정온도의 표준편차의 평균)와 0.1℃ 및 0.2℃의 높은 정확도(설정점과 측정된 평균온도의 차이)로 각각 측정되었다. That is, accurate and rapid thermal cycling is essential for successful amplification of nucleic acids, and as shown in FIG. The temperature of was measured with high precision of 0.2 °C to 0.3 °C (average of standard deviation of measured temperatures) and high accuracy of 0.1 °C and 0.2 °C (difference between set point and measured average temperature), respectively.

더 상세하게는, 도 11을 참조하면, 도 11은 열순환 동안 챔버 내부의 온도변화에 대한 분석결과를 나타내는 도면이다. More specifically, referring to FIG. 11 , FIG. 11 is a diagram showing an analysis result of a temperature change inside the chamber during thermal cycling.

여기서, 도 11에 있어서, 도 11a는 PCR 챔버의 온도 균일성에 대한 측정결과를 나타내는 도면이고, 도 11b는 어닐링/확장 과정 동안 온도 균일성을 나타내는 PCR 챔버의 열화상 이미지이며, 점선이 PCR 챔버의 경계선이고, 도 11c는 가열블록과 액체의 온도를 측정한 결과를 각각 나타내는 도면이다. Here, in FIG. 11, FIG. 11a is a diagram showing the measurement result of the temperature uniformity of the PCR chamber, and FIG. 11b is a thermal image of the PCR chamber showing the temperature uniformity during annealing/expansion process, and the dotted line indicates the temperature uniformity of the PCR chamber. 11c is a diagram showing the results of measuring the temperature of the heating block and the liquid, respectively.

도 11에 나타낸 바와 같이, 액체의 가열 및 냉각률(heating and cooling rate)은 각각 25μL의 부피에서 2.8 및 2.5℃/s였고, 결과적으로 40 PCR 사이클 동안 총 16분의 램핑시간이 발생하였으며, 이에 비해 기존의 벤치탑 사이클러의 경우는 35분이 소요되었다. As shown in FIG. 11, the heating and cooling rates of the liquid were 2.8 and 2.5 ° C/s in a volume of 25 μL, respectively, resulting in a total ramping time of 16 minutes for 40 PCR cycles. In comparison, in the case of a conventional benchtop cycler, it took 35 minutes.

계속해서, 본 발명자들은, 바이러스 탐지에 대한 높은 감도를 유지하면서 칩의 작동시간을 줄이기 위해 몇 가지 파라미터를 특정하였으며, 이하의 설명에서는, 별도의 언급이 없는 한 10분의 용해시간(lysis time), 30초의 어닐링/연장 주기(annealing/extension period)(TAE), 15초의 변성주기(denaturation period)(TD) 및 70μL의 바이러스 샘플을 사용하여 35 사이클의 PCR 프로세스가 수행되었고, 칩의 모든 단계(도 6의 1 내지 10 단계) 동안, 하나의 파라미터 값을 변경했을 때 다른 파라미터는 고정된 상태로 유지되었다. Continuing, the present inventors specified several parameters to reduce the operation time of the chip while maintaining high sensitivity for virus detection, and in the following description, unless otherwise noted, a lysis time of 10 minutes , a 30-second annealing/extension period (T AE ), a 15-second denaturation period (T D ) and a 35-cycle PCR process using 70 μL of virus sample, all During the steps (steps 1 to 10 in Fig. 6), when changing the value of one parameter, the other parameter was kept fixed.

첫째로, 바이러스 탐지 민감도에 미치는 영향을 평가하기 위해 용해시간을 변경하였고, 용해과정(1 단계) 동안 상부챔버(13)의 연속적인 움직임(18mm/s 속도)에 의해 샘플과 용해액(lysis buffer) 사이의 혼합이 바이러스 샘플의 효과적인 용해를 촉진함을(facilitate) 확인하였다. First, the lysis time was changed to evaluate the effect on the virus detection sensitivity, and the sample and the lysate (lysis buffer) were continuously moved (18 mm/s speed) of the upper chamber 13 during the lysis process (step 1). ) was confirmed to facilitate effective lysis of the virus sample.

즉, 도 12를 참조하면, 도 12는 분석시간의 최적화를 위해 각각의 파라미터를 변경하여 PCR을 수행한 실험결과를 나타내는 도면으로, 35번째 사이클의 형광강도(fluorescent intensities)를 측정한 결과이며, 도 12a는 용해시간 및 세척조건(washing condition)에 따른 영향을 나타내며, 각 세척단계(도 6의 4 ~ 6 단계)에 대하여 조건 A, B 및 C에서 버퍼 부피는 각각 100, 200 및 100μL(각 챔버당) 이었다. That is, referring to FIG. 12, FIG. 12 is a diagram showing the experimental results of performing PCR by changing each parameter to optimize the analysis time, and is the result of measuring the fluorescent intensities of the 35th cycle, 12a shows the effect of dissolution time and washing conditions, and for each washing step (steps 4 to 6 in FIG. 6), the buffer volumes in conditions A, B, and C were 100, 200, and 100 μL (each per chamber).

또한, 도 12b는 어닐링-연장 시간(annealing-extension time)(왼쪽) 및 변성시간(denaturation time)(오른쪽)이 PCR 증폭에 미치는 영향을 나타내고, 도 12c는 PCR 동안 형광의 변화를 각각 나타내며, 주기 임계값(cycle threshold ; CT)의 표준곡선(standard curve)을 나타내고 있다. In addition, Figure 12b shows the effect of annealing-extension time (left) and denaturation time (right) on PCR amplification, and Figure 12c shows the change in fluorescence during PCR, respectively. A standard curve of the cycle threshold (C T ) is shown.

더 상세하게는, 도 12a의 좌측 그래프에 나타낸 바와 같이, 용해시간을 10분에서 5분으로 변경한 경우 PCR 증폭(단계 10)의 형광강도는 2% 감소하였고, 용해시간이 더 감소하면 강도가 크게 감소하여 검출감도가 감소하였으며, 반면, 세척조건은, 도 12a의 우측 그래프에 나타낸 바와 같이, 형광강도에 미치는 영향이 적음을 확인할 수 있다. More specifically, as shown in the graph on the left of FIG. 12a, when the dissolution time was changed from 10 minutes to 5 minutes, the fluorescence intensity of PCR amplification (step 10) decreased by 2%, and as the dissolution time further decreased, the intensity increased. The detection sensitivity was greatly reduced, whereas the washing conditions, as shown in the graph on the right of FIG. 12a, had little effect on the fluorescence intensity.

이때, 세가지 세척과정에 있어서, 높은 RNA 순도를 보장하기 위해 세가지 유형의 세척액(wash buffer)이 사용되었고(도 6의 단계 4 ~ 6), 각 세척단계는 도 8e에 나타낸 바와 같이 하여 수행되었으며, 각 단계에 대하여, 조건 A 및 B에서 버퍼 부피는 각각 100 및 200μL이었고, 조건 C에서는 각 챔버에 100μL의 버퍼를 사용하여 두 번의 세척을 위해 2개의 챔버가 사용되었다. At this time, in the three washing processes, three types of wash buffers were used to ensure high RNA purity (steps 4 to 6 in Fig. 6), and each washing step was performed as shown in Fig. 8e, For each step, the buffer volumes in conditions A and B were 100 and 200 μL, respectively, and in condition C, two chambers were used for two washes with 100 μL of buffer in each chamber.

그 결과, 조건 C가 가장 높은 형광강도를 나타내었으나, 칩 구조가 더 복잡하고(세척공정을 위한 총 6개의 챔버) 신호강도의 현저한 개선이 없이 처리시간의 증가가 요구되어, 이에, 본 발명자들은, 세척과정을 위해 조건 B를 선택하였다. As a result, condition C showed the highest fluorescence intensity, but the chip structure was more complicated (a total of 6 chambers for the washing process) and the processing time was increased without significant improvement in signal intensity. Therefore, the present inventors , condition B was selected for the washing procedure.

또한, 본 발명자들은, 도 12b에 나타낸 바와 같이, rRT-PCR에 대하여 TAE와 TD를 변경하고 35번째 사이클이 끝날 때 형광강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 그 결과, TAE를 40초에서 20초로 변경하면 형광강도가 24%까지 완만하게 감소하였으나, TAE를 40초에서 10초로 변경하면 신호강도가 73% 감소함을 확인하였다. In addition, as shown in FIG. 12b, the present inventors changed T AE and T D for rRT-PCR and analyzed the effect on fluorescence intensity at the end of the 35th cycle. As a result, T AE at 40 seconds When changed to 20 seconds, the fluorescence intensity gradually decreased to 24%, but when the TAE was changed from 40 seconds to 10 seconds, it was confirmed that the signal intensity decreased by 73%.

마찬가지로, TD를 15초에서 10초로 줄이면 강도가 6%까지 약간 감소한 반면, 추가적인 TD의 변화는 실질적으로 강도를 감소시켰으며, rRT-PCR의 40번째 사이클의 경우(도 6의 10 단계), TAE가 40초에서 20초로 변경되고 TD가 15초에서 10초로 변경된 결과 감지감도를 크게 저하시키지 않고 총 사이클 시간이 57분에서 40분으로 17분 단축되었다. Similarly, reducing T D from 15 sec to 10 sec slightly reduced the intensity by 6%, whereas additional changes in T D substantially reduced the intensity, for the 40th cycle of rRT-PCR (step 10 in Fig. 6). As a result of changing T AE from 40 sec to 20 sec and T D from 15 sec to 10 sec, the total cycle time was reduced by 17 minutes from 57 min to 40 min without significantly degrading the detection sensitivity.

다음으로, 본 발명자들은, 용해시간 5분, TAE 20초, TD 10초의 조건에서 PCR 효율과 LOD를 평가하였으며, 표준곡선을 생성하기 위해 cDNA 템플릿(template)의 10배 연속희석(10-fold serial dilution)을 사용하여 칩에서 PCR(도 6의 10 단계)을 수행하였다. Next, the present inventors evaluated the PCR efficiency and LOD under the conditions of dissolution time 5 minutes, T AE 20 seconds, T D 10 seconds, and 10-fold serial dilution (10-fold) of the cDNA template to generate a standard curve. PCR (step 10 in FIG. 6) was performed on the chip using fold serial dilution.

즉, 도 12c를 참조하면, 도 12c는 서로 다른 카피 수(copy number)의 템플릿 cDNA를 사용하여 PCR을 수행한 경우의 형광강도의 변화를 나타내고 있으며, 즉, 본 실시예에 있어서, 32 사이클의 주기 임계값(CT)을 가지는 cDNA 템플릿을 사용하여 1,400 복제/반응(copy/reaction) 만큼 낮은 바이러스 유전자를 검출 할 수 있는 반면, 음성 대조군(negative control)(표적 없음)의 CT 값은 40주기 이상이었다. That is, referring to FIG. 12c, FIG. 12c shows the change in fluorescence intensity when PCR is performed using template cDNAs of different copy numbers, that is, in this example, 32 cycles of A cDNA template with a cycle threshold (C T ) can be used to detect viral genes as low as 1,400 copies/reaction, whereas the C T value of the negative control (no target) is 40 It was more than a cycle.

칩에서 수행된 PCR의 표준곡선은 카피 수와 CT값(도 12c에 삽입된 그래프) 사이에 선형관계(R2 = 0.95)를 나타내었고, 본 발명의 실시예에서 PCR 효율은 93.1%, LOD는 26 복제/반응을 각각 나타내었으며, 이러한 결과는 PCR 효율이 96.4%이고 LOD가 14 복제/반응인 기존의 벤치탑 사이클러의 결과와 유사한 것이다. The standard curve of PCR performed on the chip showed a linear relationship (R2 = 0.95) between copy number and C T value (graph inserted in Fig. 12c), and in the present example, the PCR efficiency was 93.1% and the LOD was 26 copies/reactions were shown, respectively, and these results are similar to those of a conventional benchtop cycler with a PCR efficiency of 96.4% and an LOD of 14 copies/reactions.

다음으로, 본 발명자들은, 임상 검체에서 바이러스의 신속한 진단능력을 검증하기 위해, 인플루엔자 A 바이러스의 가변 역가를 포함하는 10개의 임상 샘플에 대한 평가를 수행하였다. Next, the present inventors performed evaluation on 10 clinical samples including variable titers of influenza A virus in order to verify the rapid diagnostic ability of the virus in clinical samples.

즉, 도 13을 참조하면, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 유체제어 칩(10)을 이용한 바이러스 검출결과와 기존의 방식으로 수행된 결과를 각각 비교하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 13, FIG. 13 is a diagram showing a comparison between a virus detection result using the fluid control chip 10 according to an embodiment of the present invention and a result performed in the conventional method.

여기서, 도 13에 있어서, 도 13a는 각 처리과정의 시간 및 온도 측정결과를 나타내는 도면이고, 도 13b는 인플루엔자 A에 바이러스에 양성인 10개의 샘플에 대하여 본 발명의 실시예에 따른 유체제어 칩(10)과 기존의 벤치탑 사이클러를 이용하여 각각 얻어진 PCR CT값을 비교하여 나타낸 도면이다. Here, in FIG. 13, FIG. 13a is a diagram showing the time and temperature measurement results of each treatment process, and FIG. 13b is a fluid control chip according to an embodiment of the present invention for 10 samples positive for influenza A virus (10 ) and PCR C T values obtained using a conventional benchtop cycler.

더 상세하게는, 본 발명자들은, 미리 정의된 사이클링 조건에서 77분 동안 본 발명의 실시예에 따른 유체제어 칩(10)을 통하여 자동화된 방식으로 전체 처리과정을 수행하고, 바이러스 RNA를 수동으로 추출한 다음 별도의 열순환기에서 rRT-PCR이 수행되는 기존의 벤치탑 열순환기를 사용하여 얻어진 결과와 비교하였다. More specifically, the present inventors performed the entire processing process in an automated manner through the fluid control chip 10 according to an embodiment of the present invention for 77 minutes under predefined cycling conditions, and manually extracted viral RNA. The results were then compared with those obtained using a conventional benchtop thermocycler in which rRT-PCR was performed in a separate thermocycler.

그 결과, 도 13b에 나타낸 바와 같이, 샘플번호 3을 제외한 모든 샘플에 대하여 유사한 CT값을 나타내었으며, 샘플번호 3의 경우는 기존의 벤치탑 사이클러가 더 높은 CT값을 제공했으나, 3번 시료의 경우, 수동으로 RNA 추출을 반복했을 때 사이클러의 CT값(20.8)이 본 실시예의 유체제어 칩(10)과 유사하게 나타났다. As a result, as shown in FIG. 13B, similar C T values were shown for all samples except for Sample No. 3, and in the case of Sample No. 3, the existing benchtop cycler provided higher C T values, but 3 In the case of the burn sample, when RNA extraction was repeated manually, the cycler's C T value (20.8) was similar to that of the fluid control chip 10 of this embodiment.

이러한 결과는 PCR 단계 이전의 수동 RNA 추출에 인적 오류(human error)가 개입된 것으로 추정될 수 있으며, 이는 종래의 바이러스 유전자에 대한 분자진단에 영향을 미칠 수 있다. These results can be assumed to be due to human error involved in manual RNA extraction prior to the PCR step, which may affect conventional molecular diagnosis of viral genes.

또한, 바이러스 RNA를 검출하기 위해 열 사이클러에 샘플을 수동으로 분리하고 로드하는 여러 단계에서 오염이 발생할 수 있으나, 이와 반대로, 본 발명의 실시예에 따른 유체제어 칩(10)은 모든 단계가 사람의 개입 없이 수행되는 자동화된 칩으로 구성되므로, 상기한 바와 같이 인적 오류나 오염 등의 문제 발생이 미연에 방지될 수 있는 장점을 가지는 것이다. In addition, contamination may occur in several steps of manually separating and loading samples into a thermal cycler to detect viral RNA. On the contrary, in the fluid control chip 10 according to an embodiment of the present invention, all steps are performed by humans Since it is composed of an automated chip that is performed without intervention, it has the advantage of being able to prevent problems such as human error or contamination, as described above.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 바이러스 샘플에서 RNA 분리 및 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR)을 포함하는 바이러스 검출의 전체 과정이 자동화된 방식으로 정밀하게 제어되고 수행되도록 구성되는 질병진단용 유체제어 칩(10)을 제시하였으며, 그것에 의해, 기존의 플랫폼에 비해 다음과 같은 장점을 가진다. As described above, in the present invention, the entire process of virus detection, including RNA isolation and real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) from a virus sample, is precisely controlled and performed in an automated manner. A fluid control chip for diagnosis of disease ( 10), which has the following advantages compared to existing platforms.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어 칩(10)은, 시약 및 마그네틱 비드의 운반, 혼합 및 세척을 포함하는 여러 단계를 온칩 밸브 및 펌프 없이 간단하고 자동화된 방식으로 제어할 수 있고, 개방형 챔버의 설계를 통해 미세유체 장치에서 일반적으로 발생하는 기포형성 및 시약증발과 관련된 문제에 영향을 받지 않으며, 분리가능한 챔버 설계로 시약 및 샘플의 교차오염을 방지할 수 있고, 작은 크기로 인해 기존의 미세유체 장치에서 제시되지 못했던 충분히 많은 양의 샘플과 PCR 시약(각각 70 및 25μL)을 수용할 수 있는데 더하여, 히터 및 광검출기가 통합되어 단시간(총 77분의 분석시간) 내에 고감도(LOD 26 복제/반응)의 rRT-PCR을 통해 바이러스 감염을 정량화하고 감지할 수 있는 실시간 진단시스템을 용이하게 구현 가능한 장점을 가지는 것이다. That is, the fluid control chip 10 for disease diagnosis according to an embodiment of the present invention can control various steps including transport, mixing, and washing of reagents and magnetic beads in a simple and automated manner without on-chip valves and pumps, , The design of the open chamber is not affected by the problems related to bubble formation and reagent evaporation, which commonly occur in microfluidic devices, and the cross-contamination of reagents and samples can be prevented by the detachable chamber design, and due to the small size, In addition to being able to accommodate a sufficiently large amount of sample and PCR reagents (70 and 25 μL, respectively) that could not be presented in conventional microfluidic devices, a heater and photodetector are integrated to provide high sensitivity (LOD) within a short time (total analysis time of 77 minutes). 26 copies/reaction) has the advantage of being able to easily implement a real-time diagnostic system capable of quantifying and detecting viral infection through rRT-PCR.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어 칩(10)은, 분리가능한 챔버를 구비한 재사용 가능한 상판 및 하판을 포함하여 구성되는 것에 의해 미리 적재된(perloaded) 시약을 구비하여 일회용으로 설계될 수 있다. In addition, the fluid control chip 10 for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention is designed for one-time use by including reusable upper and lower plates having detachable chambers and having preloaded reagents. It can be.

아울러, 이러한 방식으로 칩에 샘플만 로드하여 즉시 사용할 수 있고, 구조적 단순성으로 인해 챔버의 수와 부피(수백 마이크로 리터)에 맞게 확장할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어 칩(10)을 이용하면 특별히 숙련된 인력이 필요하지 않으며, 다양한 바이러스 진단 및 현장 진료에서 샘플 대 응답 검출(sample-to-answer detection)에 사용될 수 있다. In addition, since only the sample can be loaded on the chip in this way and used immediately, and it can be expanded to fit the number and volume (hundreds of microliters) of the chamber due to structural simplicity, the fluid control chip for diagnosing diseases according to an embodiment of the present invention ( 10) does not require particularly skilled personnel, and can be used for sample-to-answer detection in various virus diagnosis and point-of-care.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 수직으로 이동가능한 상판과 회전 가능한 하판을 통하여 상부챔버에서 하부챔버로 유체가 표면장력과 중력만으로 자동적으로 완전히 이송되고, 온도조절을 위한 열전히터(THU) 및 광검출을 위한 광전자 증배관(PMT)이 단일의 칩에 집적화된 구조로 형성되어 검체의 준비로부터 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 까지의 과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행되는 것에 의해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템이 제공됨으로써, 질병진단을 위한 미세유체 용액의 펌핑, 부피정량 및 혼합 과정이 여러 가지 복잡한 외부 제어기와 내부 밸브 등에 의해 제어됨으로 인해 전체적인 구성이 복잡해지고 고가의 부품이 사용되어 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 미세유체 제어용 칩들의 문제점을 해결할 수 있다. Therefore, as described above, it is possible to implement a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same according to an embodiment of the present invention, whereby, according to the present invention, in the upper chamber through the vertically movable upper plate and the rotatable lower plate Fluid is automatically completely transported to the lower chamber only by surface tension and gravity, and a thermoelectric heater (THU) for temperature control and a photomultiplier tube (PMT) for light detection are integrated into a single chip to prepare the sample. The process from to real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) is automatically performed through a single chip, enabling rapid and accurate diagnosis with a simple configuration, while simplifying the configuration of the overall diagnosis system and reducing costs. By providing a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same, the overall configuration is complicated and expensive because the process of pumping, quantifying and mixing the microfluidic solution for disease diagnosis is controlled by various complex external controllers and internal valves. It is possible to solve the problem of microfluidic control chips of the prior art, which had a problem of increasing cost due to the use of components.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 단일의 칩을 통해 검사대상이 포함된 미세유체의 준비와 온도제어 및 검출을 모두 수행할 수 있으므로 기존에 비해 간단한 구성으로 신속하고 정확한 진단이 가능한 동시에, 전체적인 진단시스템의 구성을 간소화하고 비용을 절감할 수 있도록 구성되는 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템이 제공됨으로써, 감염병과 같은 질병을 진단하기 위해 세균이나 바이러스 등의 DNA를 증폭하여 특정 표적 유전물질을 검출하는 중합효소 연쇄반응(PCR) 검사시 유전자의 추출, 증폭, 검지에 이르는 일련의 과정 및 각각의 과정을 제어하기 위한 구성들이 매우 복잡함으로 인해 전체적인 시스템의 구성 및 비용이 증가하게 되는 문제가 있었던 종래기술의 질병진단 시스템 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, since a single chip can perform all of the preparation, temperature control, and detection of the microfluid containing the test target, rapid and accurate diagnosis is possible with a simpler configuration than before, By providing a fluid control chip for disease diagnosis and a diagnosis system using the same, which is configured to simplify the configuration of the overall diagnosis system and reduce cost, a specific target gene is amplified by DNA of bacteria or viruses to diagnose diseases such as infectious diseases. In polymerase chain reaction (PCR) testing that detects substances, a series of processes ranging from gene extraction, amplification, and detection and configurations for controlling each process are very complex, which increases the configuration and cost of the overall system. It is possible to solve the problems of the prior art disease diagnosis systems and methods.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 질병진단용 유체제어칩 및 이를 이용한 진단시스템의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. In the above, the details of the fluid control chip for diagnosing diseases and the diagnosis system using the same according to the present invention have been described through the embodiments of the present invention as described above, but the present invention is not limited to the contents described in the above embodiments. Therefore, it is natural that the present invention is capable of various modifications, changes, combinations, and substitutions according to design needs and other various factors by those skilled in the art to which the present invention belongs.

10. 질병진단용 유체제어칩 11. 상판
12. 하판 13. 상부챔버
14. 하부챔버 15. 회전축
16. 리드히터(Lid Heater) 17. 열전히터(THU)
18. LED 19. 필터
20. 광전자 증배관(PMT) 21. 마그네틱 로드
22. 팁 23. 스프링
31. 수용홈 32. 보강재
10. Fluid control chip for disease diagnosis 11. Upper plate
12. Lower plate 13. Upper chamber
14. Lower chamber 15. Rotation shaft
16. Lid Heater 17. Thermal Heater (THU)
18. LED 19. Filter
20. Photomultiplier tube (PMT) 21. Magnetic rod
22. Tip 23. Spring
31. Receiving groove 32. Reinforcement

Claims (13)

질병진단용 유체제어칩에 있어서,
수직방향으로 이동 가능하도록 이루어지는 상판;
상기 상판의 하부에 미리 정해진 일정 간격을 두고 이격되어 배치되고 회전 가능하도록 이루어지는 하판;
유체를 수용하기 위해 상기 상판에 형성되는 복수의 상부챔버;
유체가 수용되고 상기 상기 상판의 하강에 의해 상기 상부챔버가 내측으로 삽입될 수 있도록 각각의 상기 상부챔버에 대응하여 상기 하판에 형성되는 복수의 하부챔버;
상기 하판을 회전 가능하게 지지하는 회전축;
상기 상판과 상기 하판 및 상기 회전축 사이의 간격을 유지하기 위해 상기 하판과 상기 회전축 사이에 배치되는 스프링을 포함하여 이루어지는 간격유지부;
각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버에 수용된 유체의 온도조절을 위한 온도조절부;
광검출을 위한 빛을 조사하는 광원부;
상기 광원부로부터 조사된 광을 검출하기 위한 광검출부;
상기 상부챔버에 수용된 유체 내의 자성물질을 수집하기 위해 상기 상판의 상부에 형성되는 마그네틱 로드(magnetic rod);
단부에 영구자석을 삽입할 수 있도록 속이 빈 돔(dome)이 형성되어 상기 마그네틱 로드의 하부에 배치되는 팁;
상기 상판과 상기 하판 및 상기 마그네틱 로드의 이동을 위한 동력을 전달하는 구동부; 및
상기 질병진단용 유체제어칩의 전체적인 동작을 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
In the fluid control chip for disease diagnosis,
A top plate made to be movable in the vertical direction;
a lower plate disposed at a lower portion of the upper plate at a predetermined interval and rotatably formed;
a plurality of upper chambers formed on the upper plate to accommodate fluid;
a plurality of lower chambers formed on the lower plate to correspond to the respective upper chambers so that the fluid is accommodated and the upper chamber can be inserted into the inside by the lowering of the upper plate;
a rotating shaft rotatably supporting the lower plate;
a gap maintaining unit including a spring disposed between the lower plate and the rotary shaft to maintain a gap between the upper plate and the lower plate and the rotary shaft;
Temperature control units for controlling the temperature of the fluid accommodated in each of the upper chamber and the lower chamber;
a light source unit that emits light for photodetection;
a photodetector for detecting light emitted from the light source;
a magnetic rod formed on an upper portion of the upper plate to collect magnetic materials in the fluid contained in the upper chamber;
a tip having a hollow dome formed at an end thereof to insert a permanent magnet into the lower part of the magnetic rod;
a driving unit transmitting power for movement of the upper and lower plates and the magnetic rod; and
A fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that it comprises a control unit for controlling the overall operation of the fluid control chip for diagnosing disease.
제 1항에 있어서,
상기 상부챔버 및 상기 하부챔버는,
상기 상판 및 상기 하판에 각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 수용되는 수용홈을 각각 형성하고, 상기 수용홈에 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 각각 결합되도록 구성됨으로써,
각각의 상기 상부챔버 및 상기 하부챔버가 상기 상판 및 상기 하판으로부터 분리, 결합이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 1,
The upper chamber and the lower chamber,
Receiving grooves for accommodating the upper chamber and the lower chamber are respectively formed on the upper plate and the lower plate, and the upper chamber and the lower chamber are coupled to the receiving groove, respectively.
The fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that each of the upper chamber and the lower chamber is configured to be separated from and coupled to the upper plate and the lower plate.
제 2항에 있어서,
상기 유체제어칩은,
각각의 상기 수용홈 주변을 덮도록 형성되는 보강재를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 2,
The fluid control chip,
A fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that it further comprises a reinforcing material formed to cover the periphery of each of the receiving grooves.
제 1항에 있어서,
상기 상부챔버는 상하 양단이 개방된 중공형 실린더의 형태로 형성되고,
상기 하부챔버는 상단만 개방된 형태로 형성되며,
미리 정해진 비율에 따라 상기 상부챔버와 상기 하부챔버의 직경을 형성하는 것에 의해, 상기 상판의 상하이동과 표면장력에 의해 유체가 상기 상부챔버로부터 상기 하부챔버로 남김없이 완전하게 이동될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 1,
The upper chamber is formed in the form of a hollow cylinder with both upper and lower ends open,
The lower chamber is formed in the form of an open top only,
By forming the diameters of the upper chamber and the lower chamber according to a predetermined ratio, the fluid can be completely moved from the upper chamber to the lower chamber by the vertical movement and surface tension of the upper plate. Fluid control chip for disease diagnosis, characterized in that.
제 4항에 있어서,
상기 상부챔버 및 상기 하부챔버는,
상기 상부챔버의 내경을 DT라 하고, 상기 하부챔버의 내경을 DB라 할 때, 상기 상부챔버와 상기 하부챔버의 직경비율 DT/(DB - DT)가 1.9 이상으로 형성되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 4,
The upper chamber and the lower chamber,
When the inner diameter of the upper chamber is D T and the inner diameter of the lower chamber is DB, the diameter ratio D T /(DB - D T ) of the upper chamber and the lower chamber is configured to be formed to be 1.9 or more Fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that being.
제 1항에 있어서,
상기 온도조절부는,
상기 상판의 일측에 배치되는 리드히터(Lid Heater); 및
상기 하판의 상기 리드히터에 대응되는 위치의 하부에 미리 정해진 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 하부챔버가 내측에 수용되도록 속이 빈 원통형 실린더의 형태로 형성되고, 측면에는 상기 광원부로부터 조사된 광이 입사될 수 있도록 관통공이 형성되며, 하부에는 히트싱크가 구비되는 열전히터(Thermoelectric Heater Unit ; THU)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 1,
The temperature controller,
a lid heater disposed on one side of the upper plate; and
It is disposed at a lower part of the lower plate at a position corresponding to the lead heater at a predetermined interval, and is formed in the form of a hollow cylindrical cylinder so that the lower chamber is accommodated inside, and the light irradiated from the light source unit is formed on the side surface. A fluid control chip for diagnosing diseases, characterized in that it includes a thermoelectric heater unit (THU) in which a through hole is formed so as to be incident and a heat sink is provided at the bottom.
제 6항에 있어서,
상기 온도조절부는,
상기 열전히터(THU)와 상기 히트싱크 및 상기 리드히터의 온도를 각각 측정하고 모니터링하기 위한 복수의 온도센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 6,
The temperature controller,
The fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that it further comprises a plurality of temperature sensors for measuring and monitoring the temperatures of the thermoelectric heater (THU), the heat sink, and the lead heater, respectively.
제 6항에 있어서,
상기 광원부는,
LED를 포함하는 광원과 여기필터(excitation filter) 및 집광렌즈(lens)가 원통형의 케이스 내에 각각 구비되어 일체로 형성되고, 상기 열전히터(THU)의 측면에 배치되어 상기 열전히터(THU)의 내측에 수용된 상기 하부챔버 내의 유체에 검출을 위한 광을 조사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 6,
The light source unit,
A light source including an LED, an excitation filter, and a condensing lens are provided in a cylindrical case and integrally formed, and are disposed on a side surface of the thermal electric heater THU to form an inner side of the thermal electric heater THU. A fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that configured to irradiate light for detection to the fluid in the lower chamber accommodated in the.
제 8항에 있어서,
상기 광검출부는,
상기 광원부로부터 조사되어 상기 열전히터(THU)의 내측에 수용된 상기 하부챔버 내의 유체를 통과한 광을 검출하기 위해 상기 리드히터의 상단에 각각 배치되는 방출필터(emission filter) 및 광전자 증배관(photomultiplier tube ; PMT)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 8,
The photodetector unit,
An emission filter and a photomultiplier tube disposed on top of the lead heater to detect light emitted from the light source unit and passing through the fluid in the lower chamber accommodated inside the thermal heater THU. ;
제 1항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 상판의 상부에 연결되는 지지축을 통하여 상기 상판의 상하운동을 위한 동력을 전달하는 제 1 스텝모터;
상기 회전축에 연결되어 상기 하판의 회전운동을 위한 동력을 전달하는 제 2 스텝모터; 및
상기 마그네틱 로드의 상하이동을 위한 동력을 전달하는 제 3 스텝모터를 포함하여 구성됨으로써,
상기 상판과 상기 마그네틱 로드의 수직운동 및 상기 하판의 회전운동이 각각 독립적으로 제어되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 1,
the driving unit,
a first step motor for transmitting power for vertical movement of the top plate through a support shaft connected to an upper portion of the top plate;
a second step motor connected to the rotary shaft to transmit power for rotation of the lower plate; and
By being configured to include a third step motor that transmits power for the vertical movement of the magnetic rod,
A fluid control chip for diagnosing disease, characterized in that the vertical movement of the upper plate and the magnetic rod and the rotational movement of the lower plate are independently controlled.
제 6항에 있어서,
상기 질병진단용 유체제어칩은,
상기 상부챔버 및 상기 하부챔버에 유체를 각각 주입하고, 상기 상판의 상하이동 및 상기 하판의 회전동작에 의해 상기 상부챔버와 상기 하부챔버를 정렬시킨 다음, 상기 상부챔버와 상기 하부챔버가 접촉되도록 상기 상판을 하강시켜 상기 상부챔버의 유체를 상기 하부챔버에 전달하고, 상기 상판의 상하이동을 반복하여 각각의 유체를 혼합하며,
그 후, 상기 상판을 더욱 하강시켜 혼합유체가 수용된 상기 하부챔버가 상기 열전히터에 삽입되도록 하여 온도제어 및 광검출이 수행되고,
다시 상기 상판을 상승시키면 상기 스프링에 의해 상기 하판이 원위치로 복귀되도록 구성됨으로써,
바이러스 샘플에서 RNA를 분리하는 검체 준비과정부터 실시간 역전사 PCR(real-time reverse transcription polymerase chain reaction ; rRT-PCR) 까지의 처리과정이 단일의 칩을 통해 자동으로 수행될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단용 유체제어칩.
According to claim 6,
The fluid control chip for diagnosing the disease,
After injecting fluid into the upper chamber and the lower chamber, aligning the upper chamber and the lower chamber by moving the upper plate up and down and rotating the lower plate, the upper chamber and the lower chamber come into contact with each other. The upper plate is lowered to transfer the fluid in the upper chamber to the lower chamber, and the upper plate is repeatedly moved up and down to mix each fluid,
Thereafter, the upper plate is further lowered so that the lower chamber accommodating the mixed fluid is inserted into the thermoelectric heater to perform temperature control and light detection,
When the upper plate is raised again, the lower plate is configured to return to its original position by the spring,
Characterized in that the process from sample preparation to isolate RNA from virus samples to real-time reverse transcription polymerase chain reaction (rRT-PCR) can be automatically performed through a single chip. Fluid control chip for disease diagnosis.
질병진단 시스템에 있어서,
PCR(Polymerase Chain Reaction)을 포함하는 진단검사를 위한 처리가 수행되는 검진부; 및
상기 검진부의 검진결과에 근거하여 질병의 유무를 판단하는 처리가 수행되는 분석부를 포함하여 구성되고,
상기 검진부는,
청구항 1항 내지 청구항 11항 중 어느 한 항에 기재된 질병진단용 유체제어칩을 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이용한 질병진단 시스템.
In the disease diagnosis system,
a diagnosis unit in which processing for a diagnostic test including PCR (Polymerase Chain Reaction) is performed; and
It is configured to include an analysis unit for performing a process of determining the presence or absence of a disease based on the examination result of the examination unit,
The inspection unit,
A disease diagnosis system characterized in that it is constructed using the fluid control chip for disease diagnosis according to any one of claims 1 to 11.
청구항 1항 내지 청구항 11항 중 어느 한 항에 기재된 질병진단용 유체제어칩을 이용한 질병진단방법에 있어서,
상기 유체제어칩의 상판 및 하판에 상부챔버 및 하부챔버를 각각 삽입하고, 바이러스 샘플, 용해액(lysis buffer), 자기비드(magnetic beads), 세척액(wash buffer) 및 용출액(elution buffer)을 포함하는 PCR 진단을 위한 유체들을 각각의 챔버에 피펫팅(pipetting)하는 처리가 수행되는 준비단계;
미리 정해진 시간 동안 상기 상판의 상하 이동을 반복하여 바이러스 샘플이 수용된 제 1 상부챔버를 용해액이 수용된 제 1 하부챔버와 접촉시키고 상기 바이러스 샘플을 용해시키는 처리가 수행되는 용해단계;
상기 상판의 상하 이동과 상기 하판의 회전에 의해 각각의 챔버를 정렬시킨 후, 상기 상판을 하강시켜 용해된 상기 바이러스 샘플이 수용된 상기 제 1 하부챔버와 자기비드가 수용된 제 2 상부챔버를 미리 정해진 시간 동안 접촉시키는 것에 의해 용해된 상기 바이러스 샘플에 존재하는 바이러스 RNA와 상기 자기비드를 결합시키켜 RNA-비드 복합체를 형성하는 처리가 수행되는 결합단계;
상기 유체제어칩의 팁을 상기 RNA-비드 복합체가 수용된 상기 제 1 하부챔버와 미리 정해진 시간 동안 접촉시키는 것에 의해 상기 팁에 상기 RNA-비드 복합체를 수집하는 처리가 수행되는 수집단계;
상기 RNA-비드 복합체가 수집된 상기 팁을 세척액이 수용된 제 2 하부챔버로 이동시켜 상기 팁에 수집된 상기 RNA-비드 복합체를 세척하고, RNA의 순도를 높이기 위해 미리 정해진 설정에 따라 서로 다른 챔버에서 세척과정을 반복하는 처리가 수행되는 세척단계;
RNA의 용출을 위해 상기 팁을 용출액이 수용된 제 3 하부챔버로 이동시키고, 상기 하판을 회전시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 유체제어칩의 리드히터 및 열전히터(THU)와 정렬시킨 다음, 상기 상판을 하강시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 열전히터(THU)와 접촉시킨 후 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도로 유지하여 상기 바이러스 RNA를 용출시키는 처리가 수행되는 용출단계;
상기 바이러스 RNA가 용출된 상기 제 3 하부챔버를 PCR 진단용 시약이 수용된 제 3 상부챔버와 접촉시켜 상기 제 3 하부챔버에 상기 시약을 혼합하는 처리가 수행되는 시약혼합단계; 및
상기 하판을 회전시켜 시약이 혼합된 상기 제 3 하부챔버를 상기 리드히터 및 상기 열전히터(THU)와 각각 정렬시키고, 상기 상판을 하강시켜 상기 제 3 하부챔버를 상기 열전히터(THU)와 밀착되도록 하고 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 온도로 유지하여 상보적(complementary) DNA(cDNA)를 합성한 후, 미리 정해진 시간, 온도 및 열주기(thermal cycle)로 초기 DNA 변성(denaturation)을 가지는 DNA 증폭을 행하는 실시간 역전사 PCR(rRT-PCR) 처리가 수행되는 검진단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질병진단방법.
In the disease diagnosis method using the fluid control chip for disease diagnosis according to any one of claims 1 to 11,
An upper chamber and a lower chamber are inserted into the upper and lower plates of the fluid control chip, respectively, and contain a virus sample, a lysis buffer, magnetic beads, a wash buffer, and an elution buffer. A preparation step in which a process of pipetting fluids for PCR diagnosis into each chamber is performed;
a lysing step of repeatedly moving the upper plate up and down for a predetermined time to bring the first upper chamber containing the virus sample into contact with the first lower chamber containing the lysate and dissolving the virus sample;
After aligning the chambers by the vertical movement of the upper plate and the rotation of the lower plate, the upper plate is lowered to separate the first lower chamber containing the dissolved virus sample and the second upper chamber containing the magnetic beads for a predetermined time. a binding step in which a treatment of forming an RNA-bead complex by binding the magnetic beads to the viral RNA present in the dissolved virus sample by contacting the magnetic beads during the process is performed;
A collection step in which a process of collecting the RNA-bead complexes on the tip is performed by bringing the tip of the fluid control chip into contact with the first lower chamber accommodating the RNA-bead complex for a predetermined time;
The RNA-bead complex collected in the tip is moved to the second lower chamber containing the washing solution to wash the RNA-bead complex collected in the tip, and in different chambers according to predetermined settings to increase the purity of RNA. a washing step in which a process of repeating the washing process is performed;
For RNA elution, the tip is moved to the third lower chamber containing the eluate, and the lower plate is rotated to align the third lower chamber with the lid heater and the thermal heater (THU) of the fluid control chip, and then the upper plate an elution step of eluting the viral RNA by bringing the third lower chamber into contact with the thermoelectric heater (THU) and maintaining the temperature at a predetermined temperature for a predetermined time;
a reagent mixing step in which the third lower chamber, from which the viral RNA is eluted, is brought into contact with a third upper chamber containing a reagent for PCR diagnosis, and a process of mixing the reagent in the third lower chamber is performed; and
The lower plate is rotated to align the third lower chamber, in which reagents are mixed, with the lead heater and the thermoelectric heater (THU), respectively, and the upper plate is lowered to bring the third lower chamber into close contact with the thermoelectric heater (THU). and maintaining at a predetermined temperature for a predetermined time to synthesize complementary DNA (cDNA), and then performing DNA amplification with initial DNA denaturation at a predetermined time, temperature, and thermal cycle. A method for diagnosing a disease, characterized in that it comprises a screening step in which real-time reverse transcription PCR (rRT-PCR) processing is performed.
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