발명의명칭:입자분리농축장치및그동작방법 기술분야

[1] 본발명은입자분리농축장치및그동작방법에관 한것으로서 ,구체적으로, 이온농도분극현상을이용해입자들을크기에따 라다른위치에서분리 농축되게하는입자분리농축장치및그동작방법 에관한것이다.

배경기술

[2] 생명유체내에서의생체정보를획득할수있는다 양한분자를측정하는

것에서부터,공기중에분포하는저농도의환경� �질을발견하는것까지 우리에게영향을끼치는분자들은그크기와농도 가다양하다.이를효율적으로 측정하고분석하기위해서대상물질이다른물질 들과분리되어야한다.대상 물질을원하는수준으로분리및농죽하는전처리 과정을통해야대상물질에 대한안정적인분석이이루어질수있기때문이다 .이와관련하여대상물질을 효과적으로분리및농축하기위한다양한기술이 제안되고있다.

[3] 우선,초원심분리법에따르면,혼합물을초원심� ��리기의로터에넣고축을 중심으로회전시켜원심력을가하면,혼합물안� �물질의질량에따라서로다른 원심력을받게되어분리될수있다.나노미터수� �의입자는작은크기와낮은 밀도로인해효과적으로분리하기쉽지않지만,� �원심분리법은낮은밀도의 입자분리에도적용될수있다.그러나엑소좀과� �은생체나노입자를 원심분리를이용해분리하기위해서는 150,000 ⁽ 3이상의고속회전이

요구되는데,생체입자를분리할경우,입자들이� ��리과정에서치명적인손상을 받게되어순도와수득율이떨어진다는한계를가 진다.또한,시료를처리하는 과정이복잡하고시간도오래걸린다는단점이있 다.

[4] 항체기반의분리방법은항원과항체가복합체를 형성하기위하여높은

친화력으로결합하는항원·항체반응을이용하� ��입자를분리하는기술이다. 항원과항체의특이적결합은항체의특정한화학 적구조에의해결정되며, 분리하고자하는입자의표면항원과특이적으로 결합하는항체를선택하여 분리에사용한다.따라서높은선택성에의해비� �적높은순도의입자의분리가 가능하다.특히 엑소좀의표면마커 (0063, 009, 0081, 1«모70등)에대한여러 종류의항체가개발되어 있으며마이크로칩또는자성입자와함께사용하 는등 많은응용이되고있다.그러나항체기반의분리� �법은특정마커를발현하고 있는입자만을분리할수있다는특징적인한계를 가진다.따라서특정마커를 포함하지않는입자의경우는분리가불가능하다 .또한,항체자체비용때문에 분리비용이크며수득율이낮다는문제가있다.

[5] 이외에엑소좀을분리하기위해침전제기반의분 리키트들이 있다.키트의 용액안에는 3011111에서 20011111크기의입자들을포집하여침전하는고분� �� 물질들로채워져있다.키트를사용하기전,샘늘� ��세포들을제거하고,고분자 용액을샘플에첨가하여,소정의시간냉장보관� �후원심분리를이용해펠렛을 만들어입자들을분리할수있다.침전제기반의� �리방법은분리과정이 간단하다는장점을가지지만,통상하루이상의� �큐베이션 (Incubation)시간이 필요하고,고분자가포함되는과정에서나노입� �의순도가낮아지게된다는 단점이 있다.

[6] 이와같이,마이크로크기에서나노크기에이르� �다양한크기의입자를

하나의장치에서분리할수있는통합적분리장치 의개발은여전히미흡한 상황이며 ,따라서이러한문제점을해결하기위한기술이� �구된다.

발명의상세한설명

기술적과제

[7] 본발명은상기문제점을해결하기위한것으로서 ,이온농도분극현상을

이용해입자들을크기에따라다른위치에서분리 농축되게하는입자분리농축 장치및그동작방법을제공하는것을그목적으로 한다.

[8] 본발명의기술적과제들은이상에서언급한기술 적과제들로제한되지

않으며,언급되지않은또다른기술적과제들은� �래의기재들로부터 당업자에게명확하게이해될수있을것이다.

과제해결수단

[9] 본발명의실시예에따라입자분리농축장치가제 공된다.상기장치는,제 1 입자및제 2입자를포함하는유체가제공되는챔버;상기챔� ��의일측에 배치되는이온투과막층;상기이온투과막층에� �기장을인가함으로써상기 이온투과막증이이온농도분극현상에의한이온 결핍영역 (ion depletion zone)을 상기챔버측으로형성하게하여입도별로상기제 1입자및상기제 2입자를 분리하는전계부;상기챔버의타측에형성되고,� ��기전계부에의해분리되는 상기제 1입자및상기제 2입자중하나의입자가위치하는분리영역;및상� �� 분리영역에위치한입자가배출되는배출채널을 포함하고,상기전계부는상기 전기장의세기를변화하여상기제 1입자및상기제 2입자가순차적으로상기 분리영역에위치하게할수있다.

[1이 또한,상기전계부는,상기제 1입자가상기분리영역에위치하고상기제 2 입자가상기챔버내에위치하도록제 1전기장을인가하고,상기제 1입자가 상기배출채널을통해배출된후에,상기전계부� �상기제 2입자가상기분리 영역에위치하도록제 2전기장을인가할수있다.

[11] 또한,상기제 1입자는상기제 2입자보다크고,상기제 1전기장은상기제 2 전기장보다작을수있다.

[12] 또한,상기분리영역을상기챔버로부터연통하� �나차단하는게이트밸브가 상기챔버와상기분리영역사이에형성될수있다 .

[13] 또한,유입구가형성되고상기챔버의상기일측� �로연장되는유입채널, 유출구가형성되고상기분리영역의타측으로연 장되는유출채널및상기 유출채널을개폐하는유출밸브를포함하는샘플 채널을더포함하고,상기 샘플채널로상기유체가유입되면,상기게이트� �브에의해상기챔버가상기 분리영역으로부터차단되어상기챔버내의유체 가고립되고,상기유출밸브가 개방되어상기분리영역및상기유출채널내의유 체가상기유출구를통해 배출되며 ,상기유출밸브는상기분리영역에위치한입자� �상기배출채널을 통해배출될때상기유출채널을밀폐할수있다.

[14] 또한,일단이상기분리영역과연통하고타단이� �프와연통하는펌프채널 및상기펌프채널을개폐하는펌프밸브를포함하 여상기펌프의압력변화를 통해상기분리영역에위치한입자를이동시키는 펌프부를더포함할수있다.

[15] 또한,상기게이트밸브가상기분리영역내의입� �를상기챔버로부터

차단하면,상기펌프부는상기분리영역내의입� �를상기배출채널로 이동시킬수있다.

[16] 또한,상기배출채널은,서로상이한경로를형성� ��는복수의분리배출채널 및상기복수의분리배출채널각각을개폐하는복 수의분리배출밸브를 포함할수있다.

[17] 또한,제 1분리배출밸브가제 1분리배출채널을밀폐한상태에서제 2분리 배출밸브가제 2분리배출채널을개방하면,상기분리영역에위� ��한입자가 상기제 2분리배출채널로배출되고,상기제 2분리배출밸브가상기제 2분리 배출채널을밀폐한상태에서상기제 1분리배출밸브가상기제 1분리배출 채널을개방하면,상기분리영역에위치한입자� �상기제 1분리배출채널로 배줄될수있다.

[18] 본발명의실시예에따라,입자분리농축장치의� �작방법이제공된다.상기 방법은,챔버내로제 1입자및제 2입자를포함하는유체를공급하는단계; 상기챔버의일측에배치되는이온투과막층이이 온농도분극현상에의한 이온결핍영역 (ion depletion zone)을상기챔버즉으로형성하게하여입도별로 상기제 1입자및상기제 2입자가분리되도록상기이온투과막층에제 1 전기장을인가하는단계;상기챔버의타측에형� �되는분리영역에위치한 상기제 1입자를배출하는단계 ;상기챔버내에위치하는상기제 2입자가상기 분리영역으로이동하도록제 2전기장을인가하는단계;및상기분리영역내에 위치하는상기제 2입자를배출하는단계를포함할수있다.

[19] 또한,상기제 1입자는상기제 2입자보다크고,상기제 1전기장은상기제 2 전기장보다작을수있다.

[2이 또한,상기챔버와상기분리영역사이에위치하� �게이트밸브를통해상기 분리영역을상기챔버로부터차단하는단계를더 포함할수있다.

[21] 또한,상기제 1입자를배출하는단계및상기제 2입자를배출하는단계는, 상기차단하는단계이후에,상기분리영역에위� �한입자를배출채널로 이동시킴으로써수행될수있다. 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 발명의효과

[22] 본발명에 따르면,미세 입자,특히 나노입자를손상없이크기별로빠르게

분리하고고농도로농축할수있어,생화학,환경, 의약학등다양한분야에걸쳐 기반기술로활용될수있다.

[23] 또한,본발명에 따르면,전기장의 변화를통해 입자의 평형위치를변화시키고, 이를통해 입자를분리회수하도록함으로써,장치의 전반적인구조복잡성을 낮추고,제조및사용효율성을개선할수있다.

[24] 또한,본발명에 따르면,밸브를통해고립된입자를펌프및 이와연통되는

배출채널을통해회수함으로써,다양한입자들� �분리 및농축을가능하게할 수있다.

도면의간단한설명

[25] 본발명의상세한설명에서 인용되는도면을보다충분히 이해하기위하여 각 도면의 간단한설명이 제공된다.

[26] 도 1내지도 3은본발명의실시예에 따른입자분리농축장치에서의

이온농도분극현상을도시한다.

[27] 예에따른입자분리농축장치를도시한다.

[28] 예에따른입자분리농축장치를도시한다.

[29] 예에따른입자분리농축장치의 결합구조를도시한다.

[3이 예에따른입자분리농축장치의동작방법을도시 한다.

[31] 발명의실시예에 따른입자분리농축장치의동작을

도시한다.

[32] 도 9는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �동작을도시한다.

[33] 도 10은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다.

[34] 도 11은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다.

[35] 도 12는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다. 발명의실시를위한형태

[36] 이하,첨부된도면들에 기재된내용들을참조하여본발명에따른예시적

실시예를상세하게설명한다.또한,첨부된도면� ��에기재된내용들을참조하여 본발명의실시예에 따른전자장치를구성하고사용하는방법을상세 히 설명한다.각도면에서제시된동일한참조번호� �는부호는실질적으로동일한 기능을수행하는부품또는구성요소를나타낸다 .이하에서기재되는편의상 상하좌우의 방향은도면을기준으로한것이며,해당방향으� �본발명의 권리범위가반드시 한정되는것은아니다.

[37] 제 1,제 2등과같이서수를포함하는용어는다양한구성� �소들을설명하는데 사용될수있지만,구성요소들은용어들에 의해한정되지는않는다.용어들은 하나의구성요소를다른구성요소로부터구별하 는목적으로만사용된다.예를 들어 ,본발명의권리 범위를벗어나지 않으면서제 1구성요소는제 2구성요소로 명명될수있고,유사하게제 2구성요소도제 1구성요소로명명될수있다. "및/또는”이라는용어는복수의관련된항목들� ��조합또는복수의관련된 항목들중의어느하나의항목을포함한다.

[38] 본명세서에서사용한용어는실시예를설명하기 위해사용된것으로,본

발명을제한및/또는한정하려는의도가아니다.� ��수의표현은문맥상명백하게 다르게뜻하지않는한,복수의표현을포함한다.� ��명세서에서,포함하다또는 가지다등의용어는명세서상에기재된특징,숫� �,단계,동작,구성요소,부품 또는이들을조합한것이존재함을지정하려는것 이지 ,하나또는그이상의 다른특징들이나숫자,단계,동작,구성요소,부� �또는이들을조합한것들의 존재또는부가가능성을미리배제하지않는것으 로이해되어야한다.

[39] 명세서전체에서,어떤부분이다른부분과연결� �어 있다고할때,이는

직접적으로연결되어있는경우뿐만아니라,그� �간에다른소자를사이에두고 전기적으로연결되어있는경우도포함한다.또� �어떤부분이어떤구성요소를 포함한다고할때,이는특별히반대되는기재가� �는한다른구성요소를 제외하는것이아니라다른구성요소를더포함할 수있는것을의미한다.

[4이 또한,명세서에기재된” 부”,”모듈”등의용어는적어도하나의기능� �나 동작을처리하는단위를의미하며 ,이는하드웨어또는소프트웨어로

구현되거나하드웨어와소프트웨어의결합으로 구현될수있다.

[41] 본발명의기술적사상에바탕을둔다른변형예들 이실시가능하다는것은본 발명의속하는기술분야에서통상의지식을가진 자에게자명한것이다.또한 각각의실시예는필요에따라서로조합되어운용 할수있다.예컨대,본발명의 실시예와다른실시예의일부분들이서로조합되 어장치의동작이운용될수 있다.

[42]

[43] 실시예에서 ,입자분리농축장치가제공된다.입자분리농축� ��치는,미세 입자를혼합물로부터분리하기위한것으로서,� �히이온농도분극현상 (Ion concentration polarization, ICP)을이용하여다양한종류의미세입자들을입� � 별로분리할수있다.여기서입자분리농축장치� �의해분리되는입자는나노 단위의입자 (nanoparticles)로서,예를들어,엑소좀등을비롯한� ��체나노입자일 수있다.다만,이에한정되는것은아니다.

[44] 도 1내지도 3은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �서의

이온농도분극현상을도시한다.구체적으로,도 1은이온농도분극현상이 발생하는입자분리농축장치의개략도이고,도 2는도 1의 A-A’단면도이며,도 3은도 1의 B-B'단면도이다.

[45] 도 1내지도 3을참조하면,이온투과막층 (예를들어,나피온등)의양단에 전기장이인가되면,이온투과막증에는이온농� �분극 (ion concentration polarization)현상이발생하는데,이온농도분극현� ��은나노막을갖는구조 주변에서관찰되는전기화학전달현상중의하나 이다.나노막은 이온투과막층으로이해될수있다.전기이중층� �두께가상기나노막의크기와 비슷하다고가정할때,나노막내부에서전기이� �층이겹침으로써단일이온 투과성을보인다.나노막의벽면전하와같은전� �를갖는이온들은확산과 표류력에의해나노막을통과하지못하고벽면전 화와반대전하를갖는 이온들만이통과하게되면서,나노막경계면에� �는이온들의결핍과과다 현상이나타난다.

[46] 이온들의결핍에의한이온결핍영역 (ion depletion zone)에서는,나노막을

통과하지못한이온들사이에서는강한전기적인 반발력이작용하여양이온과 음이온모두영향을받게되고,이에따라이온농� �구배현상이나타난다.

전하를띠고있는입자나세포,액적등이이온들� �전기적반발력에영향을 받아주변으로밀려나게된다.

[47] 이때,전기삼투에의한유체의흐름에의해입자� �받는항력 (drag force)과

입자가이온결핍영역으로부터받는전기적인반 발력인

전기영동력 (electrophoretic force)에의한힘이서로반대방향으로작용하게되 며, 입자들은이들힘들이평형을이루는위치로이동 할수있다.입자의크기와 전하량에따라그힘이평형을이루는지점은모두 다르며,평형을이루는 영역에서는모든입자는농축될수있다.

[48] 한편,전기장의세기가증가하면,이온결핍영역� ��확대되면서 ,입자가받는

전기적인반발력또한증가할수있다.즉,입자에� ��용하는전기영동력이 전기장의세기에비례하기때문에,전기장을변� �시키면입자들의평형위치 또한달라질수있다.구체적으로,전기장의세기� ��증가하여,입자들을보다 이온결핍영역으로멀어지도록하거나,전기장� �세기를감소시켜 ,입자들을 이온결핍영역으로가까워지도록할수있다.이� �같이전기장의세기변화를 통해입자들의분리농축위치를변화시킬수있다 .

[49]

[5이 도 4는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �도시한다.

[51] 입자분리농축장치 (1000)는,샘플채널 (100),이온투과막층 (200),전계부 (300), 배출채널 (400)및완충채널 (500)을포함할수있다.

[52] 샘플채널 (100)은분리대상인유체가유입,충전되거나배출 되기위한공간을 제공하는것으로서,챔버 (110),분리영역 (120)및게이트밸브 (130)를포함할수 있다.

[53] 챔버 (no)는,분리대상인유체가유입및충전되는공간� ��제공할수있다. 상기유체는,예를들어,전해질용액으로서제 1입자및제 2입자를포함하는 혼합물일수있다.여기서제 1입자및제 2입자는각각나노단위의입자이며, 제 1입자는제 2입자보다작을수있으나,이에한정되는것은아� ��다.또한, 설명의간이함을위해유체내에제 1입자및제 2입자가포함되는것으로 기재되나,이는예시적인것으로서 ,그보다적은또는그보다많은종류의 입자가유체내에포함될수있다. [54] 챔버 (110)의일측에는분리영역 (120)이형성될수있다.분리영역 (120)은 이온투과막층 (200)의이온농도분극현상에의해챔버 (110)내의입자중적어도 일부가이동하는공간으로서 ,예를들어 ,제 1입자및제 2입자가순차적으로 위치할수있다.분리영역 (120)에위치하는입자는배출채널 (400)을통해분리 회수될수있다.

[55] 분리영역 (120)의일측 (즉,챔버 (110)측)에는게이트밸브 (130)가형성될수 있다.게이트밸브 (130)는,서로다른위치에서분리및농축되는입자 들을 공간적으로차단하기위한것으로서,구체적으� �,챔버 (110)와분리영역 (120) 사이에위치하여분리영역 (120)과챔버 (110)를서로연통하거나차단할수있다. 예를들어,분리영역 (120)내에제 1입자가위치하고챔버 (no)내에제 2입자가 위치하는경우,게이트밸브 (130)가닫힘 (closed)으로써 ,제 1입자와제 2입자가 공간적으로분리될수있다.

[56] 챔버 (no)의타측에는이온투과막층 (200)이배치될수있다.

이온투과막층 (200)은전기장환경에서이온농도분극현상에의� ��

이온결핍영역을형성할수있다.이온결핍영역� �이온투과막층 (200)에서 챔버 (H0)를향하여형성됨으로써 ,챔버 (H0)내의입자들의분리농죽을야기할 수있다.또한,이온투과막층 (200)은챔버 (no)와완충채널 (500)을서로연결할 수있으며,이온투과막층 (200)을통해유체내의전해질이완충채널 (500)로 이동할수있다.

[57] 이온투과막층 (200)은적어도하나의고분자전해질막을포함할� ��있다.

여기서,고분자전해질막은양이온또는음이온� �어느하나가통과하는다수의 나노채널을포함할수있다.예를들어,고분자전� ��질막은듀퐁 (DuPont

TM)사의상품명나피온 (NAFION®)이사용될수있다.나피온은

폴리테트라플루오르에틸렌의골격에술폰산기 를도입한폴리머로,선택적으로 양이온은통과하되,음이온은통과하지못하는� �노채널을포함할수있다.

[58] 전계부 (300)는,이온투과막층 (200)에전기장을인가함으로써

이온투과막층 (200)에이온농도분극현상을발생시킬수있다.

이온투과막증 (200)의이온농도분극현상은이온결핍영역 (ion depletion zone)을 챔버 (110)측으로형성하게하여입자들을분리농축할� ��있다.

[59] 전계부 (300)는,한쌍의전극 (310, 320)을포함할수있다.한쌍의전극 (310, 320) 중양극 (310)이챔버 (110)의일측으로형성되고,완충채널 (500)에음극 (320)이 형성되어,전기장이챔버 (no)및이온투과막층 (200)을향하도록할수있다. 이에의해이온투과막층 (200)은챔버 (110)방향으로이온결핍영역을형성하도록 할수있다.이때,음극 (320)은접지전극일수있으며,완충채널 (500)중일 영역에형성될수있으며,다만,이에한정하는것� ��아니다.전계부 (300)의 전극 (3 320)에는전원 (power supply,도시되지않음)이전기적으로연결될수 있다.전원은목적하는전압또는전류을제공하� �위해사용될수있는임의의 전기공급원일수있다.예를들어,전기공급원은� ��전 (pizoelectrical)공급원, 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 배터리,또는가정용/산업용전류등을동력으로� ��는장치일수있다.

[6이 전계부 (300)는,인가되는전기장의세기를변화시킬수있 다.전계부 (300)는 순차적으로제 1전기장및제 2전기장을인가할수있으며,이때,제 2전기장은 제 1전기장보다클수있다.이와같은순차적인전기� ��의세기변화는챔버 ( 0) 내의입자의분리및농축위치에변화를야기할수 있다.

[61] 구체적으로전계부 (300)는,제 1전기장을인가하여제 1입자가분리

영역 (120)에위치하고제 2입자가챔버 (110)내에위치하도록할수있으며 , 이후에 (특히 ,제 1입자가배출된이후에)제 2전기장을인가하여챔버 ( 0) 내에위치하던제 2입자가분리영역 (120)으로이동하도록할수있다.

[62] 전계부 (300)의전원은,제 1입자를분리영역 (120)으로이동시키는제 1전기장 및제 2입자를분리영역 (120)으로이동시키는제 2전기장을발생시키도록 전극 (310, 320)에전압을인가할수있으며,이때,전압은분리 및농축의대상이 되는입자의크기나종래,유체내의전해질농도� �에따라달라질수있다.

[63] 분리영역 (120)내의입자,특히,전기장에의해분리영역 (120)으로이동한후 게이트밸브 (130)에의해챔버 (110)로부터분리된입자는,배출채널 (400)을통해 외부로회수될수있다.배출채널 (400)은입자가이동하는분리배출채널및 분리배출채널을개폐하는분리배출밸브를포함 할수있다.분리배출밸브에 의해분리배출채널이개방되면,분리영역 (120)내의입자가분리배출채널 (을 통해배출될수있다.실시예에따라배출채널 (400)은복수의분리배출채널및 이에대응하는복수의분리배출밸브를포함할수 있다.

[64] 챔버 ( 0)에인접하여완충채널 (500)이형성될수있다.완충채널 (500)에는 완충용액이채워질수있으며,완충용액이순환� �도록연결되는유입부와 유출부를포함할수있다.여기서완충용액은전� �질용액으로서，챔버 ( 0) 내의유체와동일한전해질이포함될수있다.실� �예에따라,전해질농도는 상기유체의전해질농도와동일하거나상이할수 있다.완충채널 (500)은 이온투과막층 (200)의전해질이배출되는경로를제공하기위해

이온투과막층 (200)의일영역이완충채널 (500)과연결되도록할수있다.

이온투과막층 (200)을통해전류가흐를수있도록완충채널 (500)은접지될수 있다.예를들어,전계부 (300)의음극 (320)이접지전극으로서완충채널 (500)중 일영역에형성될수있다.

[65] 실시예에따라,입자분리농축장치 (1000)에서전계부 (300)는제외될수있다. 이때,입자분리농축장치 (1000)의외부에존재하는전계부에의해

이온투과막층 (200)에전기장이인가될수있다.

[66]

[67] 도 5는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �도시한다.

[68] 도 5를참조하면,장치 (1000’)는샘플채널 (100’),배출채널 (400’),펌프부 (600)를 더포함할수있다.

[69] 샘플채널 (100’)은샘플채널 (100)에비하여유입채널 (140),유출채널 (150)및 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 유출밸브 (160)를포함할수있다.

이 유입채널 (140)은챔버 (110)의타측 (즉,이온투과막층 (200)측)으로연장

형성되는것으로서,유입구를통해유체가유입� �어챔버 (:나0)를향하여 이동하도록할수있다.챔버 (110)에충전된유체는이후입도별로분리되어배� �� 채널 (400’)을통해회수될수있다.

1] 유출채널 (150)은분리영역 (120)의일측 (즉,챔버 (110)로부터멀어지는

측)으로연장형성되는것으로서,챔버 ( 0)및분리영역 (120)을통과한유체가 유출구를통해외부로이동할수있다.이때유출� �널 (150)의일영역에는유출 밸브 (160)가형성되어,유출채널 (150)의개폐를조절할수있다.유출

채널 (150)을이동하는유체 (또는입자)는분리영역 (120)에직,간접적으로 연결된배출채널 (400’)로이동하거나,유출구를통해외부로배출 될수있다. 후자의경우,챔버 ( 0)의유체충전에이용되고남은유체의배출또는� ��수를 위한것이다.

[72] 구체적으로,샘플채널 (100’)로유체가유입되면,유체는유입채널 (140),

챔버 ( 0),분리영역 (120)및유출채널 (150)을흐를수있다.이때게이트 밸브 (130)및유출밸브 (160)는열린상태일수있다.챔버 ( 0)내에유체가 충전되면,게이트밸브 (130)가닫힘으로써,챔버 (110)와분리영역 (120)이 공간적으로분리될수있다.즉,게이트밸브 (130)에의해챔버 ( 0)내의유체가 고립되고,분리영역 (120)및유출채널 (150)내의유체는유출구를통해배출될 수있다.이때,배출을위해유출밸브 (160)가개방될수있다.이후입도별로 분리된입자가배출될때에는유출밸브 (160)가유출채널 (150)을밀폐하여, 입자의흐름이배출채널 (400’)로향하도록할수있다.

3] 배출채널 (400’)은,입도별로분리된입자들을분리회수하 기위한것으로서, 서로상이한경로를형성하는복수의분리배출채 널 (사 0, 420)및복수의분리 배출채널 (410, 420)각각을개폐하는복수의분리배출밸브 (430, 440)를포함할 수있다.

4] 구체적으로,분리배출채널 (410, 420)은제 1입자를회수하기위한제 1분리 배출채널 (사 0),제 1분리배출채널 (410)을개폐하는제 1분리배출밸브 (430), 제 2입자를회수하기위한제 2분리배출채널 (420)및제 2분리배출

채널 (420)을개폐하는제 2분리배출밸브 (440)를포함할수있다.

5] 즉,제 2분리배출밸브 (440)가제 2분리배출채널 (420)을밀폐한상태에서제 1분리배출밸브 (430)가제 1분리배출채널 (410)을개방하면분리영역 (120)에 위치한입자가제 1분리배출채널 (사 0)로배출될수있으며,제 1분리배출 밸브 (430)가제 1분리배출채널 (사 0)을밀폐한상태에서제 2분리배출 밸브 (440)가제 2분리배출채널 (420)을개방하면분리영역 (120)에위치한 입자가제 2분리배출채널 (420)로배출될수있다.또한,배출채널 (400’)로 입자가배출되지않을때에는 (예를들어 ,유체가샘플채널 ( 100’)로유입되거나 이로부터유출될때)제 1분리배출밸브 (430)및제 2분리배출밸브 (440)가제 1 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 분리배출채널 (신 0)및제 2분리배출채널 (420)을밀폐하여,유체의흐름이 배출채널 (400’)로향하는것을방지할수있다.

6] 도 5에서는두개의분리배출채널 (410, 420)및이에대응하는분리배출

밸브 (430, 440)가도시되나,이는예시적인것으로서,실시예 에따라하나또는셋 이상의분리배출채널및이에대응하는분리배출 밸브가적용될수도있다. 7] 펌프부 (600)는,장치 (1000’)내의유체또는입자를이동시킬수있다.

펌프부 (600)는일단이분리영역 (120)과연통하는펌프채널 (610)및펌프 채널 ( 0)을개폐하는펌프밸브 (620)를포함할수있다.여기서펌프

채널 (610)은타단이펌프와연통하도록연결되어펌프� ��동작시펌프

채널 ( 0)을경유하여압력변화를야기할수있다.다만,� �시예에따라, 펌프부 (600)는펌프채널 (610)내에펌프를포함할수도있다.

8] 펌프부 (600)는펌프를구동하여,펌프채널 (610)을통해연결된분리

영역 (120)으로압력변화를발생시킬수있다.이는분리 영역 (120)및이와 연통된유출채널 (150),배출채널 (400’)등으로의유체또는입자흐름을야기할 수있다.이때펌프밸브 (620)는펌프의구동시펌프채널 (610)을개방하고, 펌프의미구동시에는펌프채널 ( 0)을밀폐하여,유체또는입자의흐름이펌프 채널 (610)에의해영향을받지않도록할수있다.

9] 구체적으로,펌프부 (600)는,챔버 (110)내로유체충전이완료되면,분리

영역 (120)및유출채널 (150)내의유체가유출구를향해이동시킬수있다. 또한, 펌프부 (600)는전계부 (300)에의해입자의분리가완료되면,분리영역 (120)내의 입자를배출채널 (400’) (즉,제 1분리배출채널 (신 0)또는제 2분리배출 채널 (420))로이동시킬수있다.

[8이

[81] 도 6은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �결합구조를도시한다.

[82] 도시되는바와같이，입자분리농축장치 (1000’)는상부기판 (1000¾및하부 기판 (1000¾)을포함할수있다.상부기판 (1000¾및하부기판 (1000¾)은유체 등이이동하는유관을형성하고,장치 (1000’)의일부로서밸브등이형성되거나 형성되는공간을제공할수있다.또한장치 (1000’)외부의구성과연통하는연통 홀이형성될수있다.

[83] 구체적으로,상부기판 (1000¾에는밸브가형성될수있다.상기밸브는유� �� 밸브 (160),게이트밸브 (130),펌프밸브 (620)및분리배출밸브 (430, 440)중 적어도하나를포함할수있다.또한,상기밸브는� ��를들어,선택적으로압력을 가하여하부기판 (1000¾)에위치한채널을막을수있는구조로이루� ��질수 있다.

[84] 또한,하부기판 (1000¾)에는,샘플채널 (100’),완충채널 (500),펌프채널 (610), 분리배출채널 (신 0, 420)등의각종채널의유관이형성될수있다.또한, 전기장을인가하기위한전계부 (300)의전극 (310, 320)이유출채널 (150)및완충 채널 (500)에각각위치할수있으며,이온투과막층 (200)이샘플채널 (100’)과완충 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 채널 (500)을연결하도록형성될수있다.또한,유체및/� ��는입자의 이동을위해 유입구등의 연통홀이 형성될수있다.

[85] 실시예에서 ,상부기판 (1000¾및하부기판 (1000¾)은플라즈마접합에 의해 서로결합할수있다.다만,이에 한정되는것은아니며,다양한기판결합기술이 적용될수있다.

[86] 실시예에서 ,상부기판 (1000¾및하부기판 (1000¾)중적어도일부는실리콘, 중합체등으로제조될수있다.상기중합체는 0] ；8(]301)^111 11)4 10 116)를 사용할수있다.

[87] 다만,도 6에서는상부기판 (1000¾및하부기판 (1000¾)이장치 (1000’)를

구성하는것으로도시되나,이는예시적인것으� �서,실시예에 따라더 많은 또는더 적은기판이 적용될수있다.또한,상기 기재되는상하좌우의 방향은 편의상도면을기준으로한것이며,해당방향으� �본발명의권리범위가 한정되는것은아니다.

[88]

[89] 을도시하고, 동작을 도시한다.

[9이 8710단계에서 ,챔버 (110)내로제 1입자및제 2입자를포함하는유체를

공급할수있다.구체적으로, 8710단계는샘플채널 (100’)로유체를유입하는 단계 및유체중일부 (분리 영역 (120)및유출채널 (150)내의유체)를배출하는 단계를포함할수있다.

[91] 도 8&를참조하면,샘플채널 (100’)로유체가유입되면,유체는순서대로유입 채널 (140),챔버 ( 0),분리 영역 (120)및유출채널 (150)을흐를수있다.이러한 흐름을위해게이트밸브 (130)및유출밸브 (160)는열린상태일수있으며,펌프 밸브 (620)및분리 배출밸브 (430, 440)는닫힌상태일수있다.

[92] 계속해서,도 ¾를참조하면,챔버 (110)내에유체가충전되면,게이트

밸브 (130)가닫힌상태로변화할수있다.즉,게이트밸� � (130)에의해 챔버 (110) 내의유체와분리 영역 (120)및유출채널 (150)내의유체가공간적으로분리될 수있다.이때펌프밸브 (620)가열린상태로변화할수있으며,펌프는압력 을 변화시켜,분리 영역 (120)및유출채널 (150)내의유체를유출구를통해배출할 수있다.

[93] 실시예에서,방법 (700)은완충채널 (500)을완충용액으로충전하는단계를더 포함할수있다.상기 단계는 8710단계와동시에,또는그전후로수행될수 있다.

[94] 8710단계에 의해챔버 (110)내에유체가충전되면, 8720단계에서 ,

전계부 (300)는이온투과막층 (200)에 제 1전기장을인가할수있다.도 를 참조하면, 3720단계에의해 이온투과막층 (200)이 이온농도분극현상에의한 이온결핍영역을챔버 (110)측으로형성하게하여 입도별로제 1입자및제 2 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272 입자가분리될수있다.특히제 1입자는분리 영역 (120)에위치할수있으며,제 2입자는챔버 ( 0)내에 위치할수있다.제 1입자및제 2입자의분리 이동을 위해 게이트밸브 (130)및유출밸브 (160)는열린상태일수있으며,펌프 밸브 (620)및분리 배출밸브 (430, 440)는닫힌상태일수있다.

[95] 계속해서, 3730단계에서,챔버 (110)의 타측에 형성되는분리 영역 (120)에

위치한제 1입자를배출할수있다.제 1입자를제 2입자와는분리하여 회수하기 위한것이다.도 8 ₍ 1를참조하면,게이트밸브 (130)가닫힌상태로 변화할수있다.즉,게이트밸브 (130)에 의해챔버 (110)내의제 2입자와분리 영역 (120)내의 제 1입자가공간적으로분리될수있다.또한,펌프밸 브 (620)및 제 1분리 배출밸브 (430)가열린상태로변화하고,유출밸브 (160)는닫힌상태로 변화할수있다.이를통해펌프채널 ( 0)로부터분리 영역 (120)을거쳐제 1 분리 배출채널 (사 0)까지의분리 배출경로가연통할수있다.이때,펌프는 압력을변화시켜,분리 영역 (120)내의 제 1입자를제 1분리 배출채널 (신 0)로 이동시킬수있다.

[96] 계속해서, 3740단계에서,전계부 (300)는,제 2전기장을인가할수있다.도

8 를참조하면, 8740단계를통해챔버 (110)내에 제 2입자가분리 영역 (120)으로 이동할수있다.이때,제 2입자의 이동을위해 게이트밸브 (130)및유출 밸브 (160)는열린상태일수있으며,펌프밸브 (620)및분리 배출밸브 (430,

440)는닫힌상태일수있다.

[97] 계속해서 , 8750단계에서 ,분리 영역 (120)내의 제 2입자를배출할수있다.제 2 입자를회수하기위한것이다.도 8를참조하면,게이트밸브 (130)가닫힌 상태로변화할수있다.즉,게이트밸브 (130)에의해분리 영역 (120)내의제 2 입자가챔버 (110)와공간적으로분리될수있다.또한,펌프밸� � (620)및제 2 분리 배출밸브 (440)가열린상태로변화하고,유출밸브 (160)는닫힌상태로 변화할수있다.이를통해펌프채널 ( 0)로부터분리 영역 (120)을거쳐제 2 분리 배출채널 (420)까지의분리 배출경로가연통할수있다.이때,펌프는 압력을변화시켜,분리 영역 (120)내의 제 2입자를제 2분리 배출채널 (420)로 이동시킬수있다.

[98] 방법 (700)은제 1입자및제 2입자의분리과정에 대해 개시하고있으나,이는 예시적인것으로서 ,그보다적은또는그보다많은입자의분리에도� �기 방법이 적용될수있다.또한,상기 방법과관련하여 내지도 8에서는두개의분리 배출채널 (410, 420)및이에 대응하는분리 배출밸브 (430, 440)이도시되나,이는 예시적인것으로서,실시예에따라하나또는셋� �상의분리 배출채널및 이에 대응하는분리 배출밸브가적용될수도있다.

[99]

[100] 도 9는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� �동작을도시한다.

[101] 도 9를참조하면,전계부가전기장을형성하였을때, 이온투과막층 (예를들어, 나피온)에서 이온농도분극현상이 발생할수있다.구체적으로,전극에각각 0, 10, 20 V의전압을인가하여전기장을발생시킬수있다.� ��기장이

이온투과막층에인가되면,채널내에는이온결� �영역이형성되어,챔버내의 입자 (예를들어, lOOnm리포좀)가이온결핍영역주변으로,즉분리� �역으로 밀려나게된다.

[102] 특히,전극에인가되는전압이증가할수록이온� �핍영역이커지고,이에따라 입자가밀려나는거리또한증가하게된다.따라� �전기장의세기를조절하여 이온결핍영역의크기를조절하고,이에따라입� �가분리농축되는위치를 조절할수있다.

[103]

[104] 도 10은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다.

[105] 전계부가이온투과막층 (200)을향하여전기장을인가하면,

이온투과막층 (200)은챔버 (110)를향하여이온결핍영역을형성할수있다.이 에 따라챔버 (no)내의입자들은전기삼투에의한항력과전기� �동력이평형을 이루는위치로이동할수있다.

[106] 구체적으로,도 W의 (a)는제 1전기장하에서크기가 WOnm인입자의분리 농축상태를도시하고,도 W의 (비는제 1전기장하에서크기가 500nm인입자의 분리농축상태를도시한다.

[107] 도시되는바와같이,동일한전기장이인가되더� �도,입자는그크기에따라 상이한 (평형)위치로이동하여분리농축되게된다.특히 ,크기가큰입자일수록 이온투과막층 (200)으로멀어짐을알수있다.

[108] 이때,이온투과막층 (200)에인가되는전기장의세기를증가시키면,입 자들의 평형위치가변화될수있다.구체적으로,도 W의 ( 는증가된전기장하에서 크기가 WOnm인입자의분리농축상태를도시하고,도 W의 (d)는증가된전기장 하에서크기가 500nm인입자의분리농축상태를도시한다.도시되 는바와같이 , 전기장의세기가증가하면,각입자는이온투과� �층 (200)으로부터멀어지는 방향으로추가적으로이동함을알수있다.

[109]

[110] 도 11은본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다.

[111] 챔버내에 lOOnm, 300nm리포좀을충전하고,전계부에 0.7 ^iA전기장을

인가하였다.

[112] WOnm, 300nm리포좀은전기삼투에의한항력과전기영동� ��이평형을

이루는위치로이동할수있다.구체적으로, WOnm리포좀은이온투과막층 (예를 들어,나피온)주변에서농축되고, 300nm리포좀은보다멀리밀려나서농축되게 된다.즉,리포좀이입도별로분리농축되는것을� ��수있다.

[113] 전기장을인가하고 2분이경과한시점에두리포좀의분리능 (separation

resolution, Rs)은계산하였다.여기서분리능은 (peak to peak distance)/( average width of bands)에의해계산될수있으며 , lOOnm와 300nm리포좀의경우에 , 분리능이계산되었다. 2020/175780 1»（：1^1{2019/018272

[114] 분리능이 1이상이라는것은가우시안분포상겹칩이없는� �전한분리를

의미하며 ,따라서 011111, 30011111리포좀입자가완벽하게분리되었음을알� �� 있다.

[115]

[116] 도 12는본발명의실시예에따른입자분리농축장치� ��동작을도시한다.

[117] 챔버내에 엑소좀과 30011111리포좀을충전하고,전계부에 0.7 ^전기장을

인가하였다.

[118] 엑소좀과 30011111리포좀은전기삼투에의한항력과전기영� ��력이평형을

이루는위치로이동할수있다.구체적으로,엑소� ��은이온투과막층 (예를들어, 나피온)주변에서농축되고, 30011111리포좀은보다멀리밀려나서농축되게된� ��. 즉,입도별로분리농축되는것을알수있다

[119] 또한,전기장을인가하고 4분이경과한시점에두입자의분리능은 3.38 (=

(494.44 ^((77.78 ^ + 137.22나111)/2)))로서 ,두입자가완벽하게분리되었음을 확인할수있다.

[12이

[121] 이상과같이실시예들이비록한정된실시예와도 면에의해설명되었으나, 해당기술분야에서통상의지식을가진자라면상 기의기재로부터다양한수정 및변형이가능하다.예를들어,설명된기술들이� ��명된방법과다른순서로 수행되거나,및/또는설명된시스템,구조,장치,� ��로등의구성요소들이설명된 방법과다른형태로결합또는조합되거나,다른� �성요소또는균등물에의하여 대치되거나치환되더라도적절한결과가달성될 수있다.그러므로,다른 구현들,다른실시예들및특허청구범위와균등� �것들도후술하는

특허청구범위의범위에속한다.