バイオディスクおよびバイオドライバ装置、これを用いた分析方法
【課題】本発明は、新しいバルブ制御手段と流体移動システムを備えたバイオディスクを含んだバイオディスク装置、バイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関し、詳細には種々の診断分析装置、または核酸混成分析装置、あるいは免疫学的な検証装置などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)が設計配置されたバイオディスク、および該バイオディスクの制御を行うための制御部を含んだ制御用ディスクを備えたバイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関する。
【解決手段】本発明のバイオディスクおよびバイオドライバ装置および方法は、種々の診断分析装置、核酸混成分析装置、免疫学的な検証装置などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)構成に適する。特に、前記バイオドライバ装置および方法は、前記バイオディスクの読み取りだけでなく、通常のCD-ROM、ゲーム、CD、DVDなどのような通常の光学ディスク装置と互換性があって、通常のCD、CD-ROM、ゲーム、CD、DVDなどのような通常の光学ディスクの読み取りおよび再生機能を行っていることから、値段的に競争力を有するだけでなく、使用するにおいて数多い便利さを提供する。さらに、前記バイオドライバ装置は、コンピュータと接続されて既存のインターネット網を用いることで遠隔診断が容易になる。
【解決手段】本発明のバイオディスクおよびバイオドライバ装置および方法は、種々の診断分析装置、核酸混成分析装置、免疫学的な検証装置などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)構成に適する。特に、前記バイオドライバ装置および方法は、前記バイオディスクの読み取りだけでなく、通常のCD-ROM、ゲーム、CD、DVDなどのような通常の光学ディスク装置と互換性があって、通常のCD、CD-ROM、ゲーム、CD、DVDなどのような通常の光学ディスクの読み取りおよび再生機能を行っていることから、値段的に競争力を有するだけでなく、使用するにおいて数多い便利さを提供する。さらに、前記バイオドライバ装置は、コンピュータと接続されて既存のインターネット網を用いることで遠隔診断が容易になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は新しいバルブ制御手段と流体移動システムを備えたバイオディスクを含んだバイオディスク装置、バイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関し、詳細には種々の診断分析装置、または核酸混成分析装置、あるいは免疫学的な検証装置などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)が設計配置されたバイオディスク、および該バイオディスクの制御を行うための制御部を含んだ制御用ディスクを備えたバイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本特許出願は、先出願された韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)と、韓国内特許出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2001年5月31日、10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2002年5月31日、PCT/KR02/01035)と、国内出願バイオディスクおよびバイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法(2002年3月27日、特許願第02-17558号)の引き続きである。
【0003】
前記の先出願された発明は、定量および定性析装置に利用することのできる核酸の相補的な二重鎖、一本鎖あるいは特定序列の二重鎖にのみ特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置を提供するだけでなく、ラボオンチップ(Lab On a Chip)に求められる流体の流れを制御するための超小型バルブ、この分析方法および装置がディスク上に集積されたバイオディスクおよびこれを駆動制御するためのバイオドライバを提供することを目的とする。
【0004】
また前記の先出願発明は、分析装置上の拘束信号要素または離脱信号要素は、光学、電気化学、キャパシタンスあるいはインピーダンス測定装置、またはイメージセンサーを含む切替器と組み合わされた探知機により読み出され、この読み出された情報がコンピュータソフトウェアの形でデジタル情報化されてインターネットなどの既存の通信網により送受信されることで、医師および患者両方に便利さを与えることのできる遠隔診断装置を提供することを目的とする。また、前記した先出願発明では、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置を含む切替器と結合された探知機の一実施の形態であって、離脱信号および拘束信号を用いた櫛型アレイ(Interdigitated Array)電極が例示された。
【0005】
本発明は前記先出願発明の引き続きで、各種の診断分析装置、核酸混成分析装置および免疫学的な検証装置に利用できる光学あるいは非光学バイオディスクおよびこれを駆動制御するためのバイオドライバの装置およびその方法に係わる。
【0006】
最近、流体内における少量の分析種探知のため大部分の臨床診断分析装置には、多重サンプルの準備および自動化された試薬添加用装置を設計し、並列または直列で数多くのテストサンプルを分析するための装置を設計することによって、効率性および経済性が改善された。係る自動化された試薬準備装置および自動化された多重分析機が単一装置に集積される。このような形態の臨床実験分析機は一時間以内に少量のサンプルと試薬をもって数百種の分析を自動または半自動で正確に行うことができる。
【0007】
しかし、このような分析機はその値段が高く、かつ中央集中した実験室と病院にしか購入でききない不都合がある。この場合、実験室と病院へのサンプル運送が求められ、たまには時間の迫られるサンプルを速かに分析できない問題がある。
【0008】
従って、かかる問題を克服するために、低価で、かつ誰しもが容易に扱うことのできる臨床分析装置が切に求められる。すなわち、専用探知機がなくても患者のそばであるいは家で使用することの適した自動化された臨床テスト装置が求められている。
【0009】
<OpticalディスクとNon-Opticalバイオディスク>
通常の光学ディスク(optical disc)は、12cmリカーボネート基板、反射金属層および保護ラッカーコーティングから標準コンパクトディスクが形成される。CDとCD-ROMのフォーマットはISO9660工業標準により記述される。
【0010】
ポリカーボネート基板は、光学品質の透明なポリカーボネートである。標準印刷または大量複製されたCDにおいて、データ層はポリカーボネート基板の一部であり、データは射出整形の工程の間にスタンパー(stamper)により一連のピット形に刻まれる。この射出整形の工程の間は溶融されたポリカーボネートがモールドに高圧下で注入され、以後には冷却されてポリカーボネートがモールドまたは「スタンパー」または「スタンプ」の鏡状の形態を有し、ディスク基板上の2進データを示すピットが生成されてマスタリング(mastering)工程の間に発生したスタンパーのピットの鏡状として、ポリカーボネート基板によって維持される。スタンプマスターは概してガラスである。
【0011】
通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)の読み取りセンサーは、物理的ピット(pit)による差等反射率または染料層の屈折率特性によってピットの有無を読み出すことができ、これは当該業者にとって公知の技術である。
【0012】
前述した通常の光学ディスクにおいて、CD上の物理的なピットによる読み取り方法は、CDの凹部はレーザー入射光線波の波長の1/8ないし1/4の深さであって、前記凹部は反射したビーム内で相殺的な干渉を引き起こして「ゼロ」値のビットに対応する一方、CDの平たい領域(凸部)はレーザービームを反射させ探知機の該当ビットに「1」値を提供する。
【0013】
また、光学ディスクにおいて、屈折率特性に基づいた読み取り方法を提供するための前述の染料層の材料に対する特許が米国特許5、580、696に発表されている。また、前記光学ディスクは回転軸によってディスクを回転させレーザースキャン(scan)により読み出す。
【0014】
しかし、かかる光学ディスクは、通常の光ピックアップ装置に光送信部と光受信部の両方がモジュール形態になって往復の光反射経路であるので、光経路(optical traveling path)が長くなるにつれ光受信部の感度が落ちてしまう短所がある。また、通常の光学ディスクは、光走査(laserscanning)方式の情報読み取りを行うために事前位置(predetermined location)への光ピックアップ装置移動とおよびディスク回転が必要であるという短所がある。さらに、かかる光学ディスクおよび光走査方式を用いたバイオ分析装置は、プローブ(probe)の屈曲などにより通常の光ピックアップ装置では読み取り難いという問題がある。
【0015】
一般的に、コンパクトディスク(Compact Disc)を使った分析装置に対する公知された技術として、Optical 「Confocal compactscanning optical microscope based on compact disc technology」(1991、Vol.30、No、10、AppliedOptics)、「Gradient-index pobjectives for CD applications」(April、1987、Vol 26、Issue7、Applied Optics)、そして「Miniature scanning optical microscope based on compactdisc technology」(Proc. Soc. Photo-opt. instrument Eng. 110、page1139-1169、1989)が論文に発表されている。
【0016】
また、公知のコンパクトディスクを使った分析装置に対する特許技術として、米国特許「Centrifugal Photometric Analyzer」(4、279、862、publication date Jul.21、1981)と、「ReactionTube Assembly for Automatic Analyzer」(4、141、954、publication date FEB.27、1979)が特許公開されている。
【0017】
また、ディスク上の注入口に注入されたサンプルを、遠心力を用いてディスク表面に流体膜の形成を施す装置として、ヨーロッパ特許「Disc for centrifuge」(GB1075800、publication date 1967.07.12)とディスク上の注入口に注入された流体サンプルを、遠心力を用いてチャネルとチャンバーに移動させながらサンプルを分離する装置として、ヨーロッパ特許「SeparatingDisks for centrifuge」(3、335、946、April 12、1965)が特許公開されている。
【0018】
また、ディスク上で遠心力と光学的な測定により化学分析する装置として、米国特許「disc centrifuge photosedimentometer」(4、311、039、Jan. 19、1982)が特許公開されている。
【0019】
しかし、これらは機械的あるいは物理的なバルブを揃えておらず、血から血清を分離する際に必須の高速回転の間に流体の流れを制御できない問題に起因して、診断と分析を自動化し切ることのできない短所があることから、ラボオンチップ(Lab On a Chip)構成には適合しない。
【0020】
これに比べて、本発明のバイオディスクの読み取りは、既存の光学ディスクの物理的なピット、あるいは染料層の屈折率特性による読み取り方式(差等反射式)とは相違に、光の透過率またはイメージセンサーによる読み取り、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定、または電気化学探知による読み取り方式を使用しつつ、流体を保存するためのチャンバー(chamber)あるいは流体の流れを制御するための流路とバルブがバイオディスク上に配置設計されている。本発明では、かかるバイオディスクを既存の光走査(laserscanning)によるピット(pit)に対する「差等反射式光学ディスク」と対比して非光学(non-optical)バイオディスクと呼ぶ。光学ディスクは反射金属層および染料層により前記の光透過および非透過による光学探知技術を適用することができない。
【0021】
本発明の明細書においては、非光学(non-optical)バイオディスクとは、分析サイトを読み取ったり、分析サイトを読みとることにおいて、光の透過式、キャパシタンスおよびインピーダンスの測定、またはイメージセンサー、電気化学探知による読み取り方式を用いるか、ディスクの回転なしに前記読み取り方式に基づいて分析サイトを読み取る方式を採用したバイオディスクのことを意味する。
【0022】
本発明の明細書において、光学バイオディスクとは、光送信部と光受信部とが共にモジュール形態になっているレーザー光ピックアップ装置を用いて、ディスクが回転する間、ディスク光走査(laser scanning)の差等反射式に基づいて物理的なピットあるいは染料層により形成されたピットを読み取るバイオディスクのことを意味する。
【0023】
前述したポリカーボネート基板は、バイオディスク(Bio Disc)のような流体内における少量の物質を診断および探知する薄膜形態の分析装置として変形改造することができる。この場合、射出整形の工程の間ディスク表面にピットおよび染料層の代わりに流体の流れる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液の保存できるチャンバー(chamber)を形成してもよい。このような薄膜内に形成された流路における流体の流れおよび流量を円滑に制御することのできる超小型バルブと、これを制御するための電子制御が求められている。また、本発明はシリコンウェハー上に半導体工程に基づいて、流体が流れることができる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液が保存されるチャンバー(chamber)が形成され、このようなシリコンウェハー上に形成された流路における流体の流れおよび流量を円滑に制御するための電子回路がシリコンウェハー上に高集積化されたバイオディスクも提供する。
【0024】
さらに、本発明において前記したポリカーボネート基板は、射出整形の後に超音波融着、またはUV(Ultra Viloet)接着剤、あるいは両面テープにより接着組み立てられることでバイオディスクが完成されることが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0025】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、遠隔診断とサンプル診断、核酸分析および免疫学的検証することのできる光学、または非光学ディスクを用いたバイオディスク、およびバイオドライバの装置および方法を提供することにある。
【0026】
このような目的を達成するために本発明のバイオディスクは前記バイオドライバ内に設置された制御用ディスクにより制御される。前記制御用ディスクは、バイオディスクを制御するための各種の制御信号を供給するための制御部を備え、常にバイオドライバ装置に接続付着している。結果的には、バイオディスクのみがバイオドライブへの自在なローディング(loading)、または離脱(eject)が可能となる。
【0027】
本発明の他の目的として、前記バイオディスクおよび制御用ディスクが一枚のディスクで組み合わせられた構成を有する一体型バイオディスク装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0028】
前述した技術的な課題を達成するために、本発明は、試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバー、および分析サイトの間に流体が流れることのできる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)と、を含み、前記バルブは、前記有孔に位置したマイクロビーズ(microbead)および前記マイクロビーズの上側に位置した永久磁石と、前記マイクロビーズの下側に位置した電磁石、または移動可能な永久磁石から構成されたことを特徴とするバイオディスクを提供する。
【0029】
本発明の明細書において、分析サイトは、バイオ物質がアレイされているという意味で、アレイチャンバー、または2つのバイオ物質間の特異的な結合あるいはリガンド(ligand)レセプターター(receptor)反応、あるいは混成化あるいは抗原―抗体反応が引き起こるという意味で、混成化チャンバーあるいは抗原―抗体反応チャンバーと混用される。
【0030】
本発明のバイオディスクにおいて、マイクロビーズが有孔の下に位置した場合、前記バルブは前記マイクロビーズの上端に位置した薄膜型永久磁石とマイクロビーズ間の吸引力により有孔が閉鎖され、前記マイクロビーズの下端に位置した電磁石あるいは移動可能な永久磁石とマイクロビーズ間の吸引力により有孔が開放され、マイクロビーズが有孔の上に位置する場合はその反対となる。マイクロビーズの上端に位置した薄膜型永久磁石は移動できないので有孔を常に閉鎖しており、これによってバイオディスクは流通中に常に閉鎖され、チャンバー内液体の漏れを防止することができる。
【0031】
本発明のバイオディスクにおいて、前記バルブの上下側の1つのみ永久磁石を使用するか両方とも永久磁石を使用することができ、両方の永久磁石を用いる場合は、好ましくは、前記移動可能な永久磁石は、通常のアドレス可能な光ピックアップ装置において光ピックアップモジュールの代わりにするか、共に装着されることを特徴とする。従来のバルブ手段は、マイクロビーズの上下側に2つの電磁石を用いて制御することによって電磁石の制御が複雑になり、電気の印加時に熱が多く発生する問題があった。しかし、本発明のバルブ手段は、2つのうち1つを永久磁石にし、残りの1つの電磁石のみで制御を行ったり、2つとも永久磁石を使用することによって熱が小さく発生し、値段も安価でかつ電磁石よりも強い磁力を有する長所がある。特に、移動可能な永久磁石を通常のアドレス可能な光ピックアップ装置に装着することによって、容易に希望するバルブ位置に移動させることができる。
【0032】
本発明のバイオディスクにおいて、前記マイクロビーズは磁力により動くことができ、いずれの材料も可能であり、有孔を開閉できるいずれの形も可能であるが、好ましくは、薄膜型の円柱磁石、またはクッション(Cushion)材料でコーティングされた薄膜型の円柱磁石であることを特徴とする。クッション材料として、ゴムなどのような弾性力のある高分子が使用でき、クッションにより有孔を完璧に閉鎖させることができる。
【0033】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバー、および分析サイトの間に流体が流れることができる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)とを含み、前記分析サイト内の基質は多孔性メンブレイン(membrane)であり、前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路であることを特徴とするバイオディスクを提供する。
【0034】
本発明のバイオディスクにおいて、前記多孔性メンブレインは、多数の気孔を含むいずれのメンブレインの材質でもあり得るが、好ましくは、NC(Nitrocellose)メンブレイン、ナイロンメンブレイン、および整列したナノチューブ(aligned nano tube)から構成された群のいずれか一つであることを特徴とする。本発明の多孔性メンブレインは、表面積を広くすることによってバイオ物質がさらに多く結合されて、感度(sensitivity)をより良好にすることができる。
【0035】
本発明のバイオディスクにおいて、前記親水性流路は、親水性物質が表面に存在するいずれの流路であることができるが、好ましくは、疏水性流路の表面を親水性アクリレイト、超親水性poly(N-isopropylacrylamide (PIPAAm)、またはZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2から構成された群で選択された光触媒としてコーティングしたり、プラズマ処理により表面改良(surfacemodification)処理して生成されたことを特徴とする。前記光触媒として、ZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2などと多数あるが、二酸化チタン(TiO2)は、地球上に最も多く存在する鉱物として、原料の値段が安価で、かつ安定的であり、人体に無害であるという長所がある。二酸化チタン(TiO2)光触媒表面に紫外線が照射されれば、水分子との接触角を5度以下に低め、水が完全に表面に広がってしまう超親水性の現象が現れる。ここで、親水性とは、表面に水を散らすとき、表面の水玉と表面との間の接触角が20度以下である場合であって、水の接触角が10度以下である場合には超親水性の現象が現れる。
【0036】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記親水性流路は、分析サイト内で一つ以上のブランチ(branch)流路に分かれ、前記ブランチ(branch)流路末端の有孔により多孔性メンブレインと連結されることを特徴とする。複数のブランチ流路が存在する場合には、分析サイト内のプローブが固定されたスポット(SPOT)の中央に位置することが好ましい。
【0037】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記分析サイトは、両側に前記多孔性メンブレインを乾燥させるための空気穴がさらに備えられたことを特徴とする。前記空気穴は、分析サイトの両側に位置し、ディスクの回転により自動に空気が吸引および排出されることによって、前記多孔性メンブレインを乾燥させることができる。
【0038】
本発明のバイオディスクにおいて、通常、前記流体移動は、バイオディスクの回転力よる遠心力と前記バルブの開閉によって制御される。しかし、前記分析サイト内の基質が多孔性メンブレインである場合、分析物質とプローブとの結合が多孔性メンブレインへの反応溶液の拡散(diffusion)により行われ、この際、拡散速度は、メンブレインの気孔サイズ(pore size)により決定される。もし、反応溶液をディスクの回転による遠心力により移動させると、拡散速度に変化が生じて分析物質とプローブの反応の一貫性のある再現の維持は難しくなる。かかる問題を解決するために、本発明は前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路として構成し、前記分析サイトへの流体移動は遠心力によらず、直前バルブの開放と共に親水性流路と反応溶液との親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により移動されることを特徴とする。ほとんどの反応溶液は親水性であるので、前記直前バルブの開放前には疏水性チャンバー流路に留まり、その後前記バルブの開放により親水性流路を介して前記分析サイトに流れ込むようになる。
【0039】
本発明のバイオディスクにおいて、前記バイオ物質はDNA、オリゴヌクレオチド(oligonucleotide)、RNA、PNA、リガンド(ligand)、レセプターター(receptor)、抗原、抗体、およびタンパク質(Protein)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0040】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記チャンバーは、血または細胞またはRNAからDNAサンプルを備えるための少なくとも一つ以上のプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、前記備えられたDNAサンプルをPCR(PolymerChain Reaction)増幅するための少なくとも一つ以上のPCRチャンバーおよび/または、ラベル標識子を保存するためのラベルチャンバーと、前記PCR工程に応じて増幅されたDNAと混成化(hybridization)するための分析および診断用プローブ(probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の混成化チャンバー(hybridizationchamber)および/または、洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする。
【0041】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記プレパレイションチャンバーには、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液と、抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っていることを特徴とする。ここで、粒子は、シリカ(silica)または、DNA結合タンパク質(binding protein)でコーティングされたマイクロビーズであることもできる。
【0042】
さらに、前記プレパレイションチャンバーは、粒子または強磁性体ビーズを使用せずに、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液のみで構成され、バイオディスクの回転による遠心力によりDNAサンプルを備えることもできる。詳細に、(1)溶解バッファー(lysisbuffer)溶液により脂質を含んだ細胞の膜成分が破壊され、タンパク質と核酸が溶解される。(2)ここで、エチルアルコール(エタノール)を加えると、DNAとRNAが白い模様の沈殿物が再度抽出される。(3)エタノールにより沈殿されたDNAを獲得するために遠心分離を行うと、プレパレイションチャンバーの末にDNAが偏り、プレパレイションチャンバーのトラッシュチャンバー側にバルブの開放後にディスク回転により上層液をトラッシュチャンバーに流すことにより、セルの残がいは分離除去される。それから、プレパレイションチャンバーに沈殿バッファーを投入してDNAとミキシングした後、DNAの全体のボリューム(volume)を増加させてから、前記(3)の過程を3回程度繰り返す。(4)その後、PCRチャンバー側に連結バルブを開放し、PCRチャンバーにDNAを移動させる。
【0043】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記PCRチャンバーは複数構成され、前記複数のPCRチャンバーそれぞれに相異なる種類のプライマーが入っているか、あるいは同一種類のプライマーが入っているか、または前記複数のPCRチャンバーそれぞれに複数のプライマーが入っていることを特徴とする。
【0044】
本発明のバイオディスクにおいて、前記チャンバーは、血または細胞から血清(serum)サンプルまたは抗原ないし抗体を備えるための少なくとも一つのプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、前記抗原ないし抗体と抗原-抗体反応を行うための免疫プローブ(immunoprobe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の抗原-抗体反応チャンバー(Ag-Ab reaction chamber)および/または、洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)から構成されたことを特徴とする。前記血清サンプルは、血漿サンプルであることもできる。
【0045】
本発明のバイオディスクにおいて、前記プレパレイションチャンバーは、ろ過用のフィルタを用いて血清サンプルを備えることもできるが、好ましくは、バイオディスクの回転により発生した遠心力によって血清サンプルを備えることを特徴とする。この場合、プレパレイションチャンバーの模様は、外周方向に深さ(depth)を有するビン模様であり、ビンの底から一定の高さ離れた位置にて次のチャンバーに連結される流路が形成される。したがって、ビン底に血餠が集まり、残りの血清のみ次のチャンバーに移動され得る。
【0046】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記プレパレイションチャンバーは、遠心分離により血清分離を容易にするために円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)形、またはフラスコ(Flask)形であり、前記形の首(neck)部分に次のチャンバーに連結される流路が形成されたことを特徴とする。この場合、遠心力により前記円周側の広い空間(前記円錐型ビーカーあるいはフラスコの底)に血餠が集まり、血清の分離が容易になる。
【0047】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記チャンバーは、ラベル(label)標識された抗体(antibody)を保存するためのラベルチャンバーをさらに備えることを特徴とする。
【0048】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記ラベル標識された抗体(antibody)のラベル標識は発色用粒子として金またはラテックス(latex)または蛍光物質あるいは放射能同位元素を有することを特徴とする。
【0049】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記免疫プローブ(immuno probe)アレイは、腫瘍マーカー(tumor marker)が基質に固定されたことを特徴とし、最も好ましくは、前記腫瘍マーカー(tumormarker)はAFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、およびCA15-3から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0050】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記免疫プローブ(immuno probe)は、心筋症標識因子のMyoglobin、CK-MB、Troponin I (Tnl)、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーのGS(GlutamineSynthetase)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0051】
本発明のバイオディスクにおいて、前記分析サイトは、光透過式の測定装置あるいは電気化学あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置(detector)により読み取られることを特徴とする。
【0052】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記光透過式の測定装置は、分析サイト内の拘束信号要素および離脱信号要素にレーザービームを入射されるレーザービーム装置とこの信号要素との間の差等的な光透過信号を探知する光学探知機(光受信部)から構成されたことを特徴とする。前記光透過式の測定装置は、従来の差等反射式の光学ディスクと区別される。
【0053】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記光透過式の測定装置は、少なくとも一つ以上の光学探知機(光受信部)が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする。さらに、前記少なくとも一つ以上のレーザー発生装置と一つ以上の光学探知機(光受信部)の両方が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする。
【0054】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記電気化学の探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、前記分析サイトの基質上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極と拘束信号要素の末端部にHRP(HorseRadish Peroxidase)および/または金属球の付着されたプローブから形成されたことを特徴とする。前記キャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、電圧発生および電流測定あるいは周波数発生装置、若しくは酸化還元反応により具現され、詳細には図9ないし図11に図示されている。
【0055】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記櫛型アレイ(interdigitated array)電極は、多孔性メンブレイン(membrane)上に表面コーティングにより具現されることを特徴とする。前記多孔性メンブレイン上の櫛型アレイ電極コーティングは、金コーティングであることが好ましい。固体基質の表面によりその表面積が広がるので、櫛型の感度は増加する。
【0056】
本発明のバイオディスクにおいて、前記イメージセンサーは、前記分析サイト内のプローブに結合されたラベル(発色粒子)を撮影するための蛍光フィルタが搭載されたり、そうでないCCD(Charge Coupled Device)あるいはCMOSセンサーから構成されたことを特徴とする。ここで、蛍光フィルタは、選択事項であって、センサーの前に搭載され得る。
【0057】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記分析サイトは、免疫分析(immuno assay)と核酸プローブ(probe)分析とを同時に分析するために、角方向(angular direction)または距離方向(radialdirection)で免疫分析セクターきて、核酸プローブ(probe)分析セクターとが分離されたことを特徴とする。
【0058】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、サンプル注入の有無判別のために、前記プレパレイションチャンバー内にインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーをさらに備えることを特徴とする。前記インピーダンス測定装置は、櫛型アレイ電極によることを特徴とする。プレパレイションチャンバーには、適量の血(あるいはサンプル)を注入すべきであり、ユーザが血を注入しないままバイオディスクを動作してはいけない。この場合を予防するために、イメージセンサーでバイオディスクの動作開始の直前にプレパレイションチャンバーを観察し、適量のサンプルがプレパレイションチャンバーに注入完了された状態であるかをチェックすることができる。
【0059】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記バイオディスクの本体は、上部基質、中間基質、下部基質から構成されて超音波融着またはUV(Ultra Violet)接着剤あるいは両面テープにより接着組み立てられ、一体の本体を形成することを特徴とする。前記中間基質により有孔とバルブの位置が決定づけられる。
【0060】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記バイオディスクは、バイオディスクのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取りのための標準制御値、あるいは分析サイト(site)に対する位置情報、生物情報学情報、自己診断(self diagonasis)に関した情報、あるいは装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報、診断結果に従った専門医師および病院と遠隔に接続できるウェブサイトと、各種のリンクあるいは個人暗号化情報が保存するためのメモリあるいは保存手段または無線RFICをさらに備えたことを特徴とする。
【0061】
本発明のバイオディスクにおいて、前記分析サイトの定量分析による判読結果を履歴管理する統計ソフトウェアおよび保存手段をさらに備えることにより定期的な追跡診断に対する情報をユーザに提供することを特徴とする。これは、分析サイト内のプローブが腫瘍マーカーである場合に有利である。
【0062】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、バイオディスクと、前記バイオディスクに必要な電源または制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、前記バイオディスクと、制御用ディスクとの間を接続するためのインターフェース部を備えたことを特徴とするバイオディスク装置を提供する。
【0063】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記インターフェース部は、制御信号を供給するための複数の制御信号接続部および/または、電源供給のための電源接続部を備え、バイオディスクと電気的に接続されることを特徴とする。もっとも好ましくは、前記インターフェース部は、バイオディスク上の導体でコーティングされた連結溝と制御用ディスク上の導体アームが互いに接続して形成されたことを特徴とする。
【0064】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御するための電磁石または移動可能な永久磁石をさらに備えたことを特徴とする。
【0065】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記バイオディスクと制御用ディスクとの間の高さ間隔は、0.1〜2mmであることを特徴とする。この高さ間隔において、磁力によるバルブ制御が円滑に行われる。
【0066】
本発明のバイオディスク装置において、前記制御用ディスクへの電源供給は、外部電源装置と接続されたブラシあるいは電気的な接触により行われることを特徴とする。本明細書では、ブラシは、導体ワイヤーを含む概念として理解される。
【0067】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、PCB(Printed Circuit Board)あるいはシリコンウェハー上に集積された回路により構成されたことを特徴とする。
【0068】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、前記探知装置によって獲得された前記分析サイトに対する読み取り結果を、赤外線、光、または無線インターフェースを介して外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置へ送るための非接触インターフェースをさらに備えたことを特徴とする。
【0069】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記バイオディスクと制御用ディスクとが組み合わされて、一体型のバイオディスクで構成されることを特徴とする。この場合、前記一体型のバイオディスクは、シリコンウェハー材料を使って前記制御部、無線RF IC、非接触インターフェース、前記バルブ制御のための電極板または電磁石および各種回路パターンを含んだ電子回路および前記チャンバーおよびチャンネルを、シリコンウェハー上にフォトリソグラフィー(photolithography)およびエッチング工程に基づいてモノリシック(monolithic)形態の集積回路(IntegratedCircuit)で設計したことを特徴とする。
【0070】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、本発明によるバイオディスクに必要な電源あるいは制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、前記ディスクを回転させるためのモーターと、前記制御用ディスク上の制御部に電源供給を行うための電源供給手段と、前記制御部の制御信号および/または電源信号を前記バイオディスクに供給するためのインターフェース部と、バイオドライバを保持している本体と、を含むバイオドライバ装置を提供する。
【0071】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルをさらに有し、前記制御用ディスクは前記ターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御する電磁石あるいは移動可能な永久磁石を備えたことを特徴とする。
【0072】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記電源供給手段は、環状の電極とブラシとの接触によってプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地されたモーター本体、または接地されたモーター軸との電気的な接続を介して制御用ディスクへ供給することを特徴とする。
【0073】
本発明のバイオドライバ装置において、前記分析サイトを読み取るためのイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置をさらに備えることを特徴とする。
【0074】
本発明のバイオドライバ装置において、前記制御用ディスクは、分析サイトに対する読み取り結果を外部の中央制御装置または保存あるいは入出力装置に伝送したり、前記中央制御装置からの命令を受けるための非接触インターフェース手段をさらに備えたことを特徴とする。さらに、前記分析サイトに対する読み取り結果は、遠隔通信網により外部のコンピュータに伝送されることもでき、この場合、遠隔診断できる。
【0075】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、中央制御装置および保存あるいは入出力装置が設計されている回路基板が、前記バイオドライブ本体に繋ぎ締結されており、前記中央制御装置は前記バイオディスクおよび制御用ディスクの回転あるいは停止時にモーターを回転あるいは停止させることを特徴とする。
【0076】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記入出力装置は、USB(Universal Serial Bus)あるいはIEEE1394、またはATAPI、またはインターネットの通信規格を有することを特徴とする。
【0077】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、音楽CD、CD-R、ゲームCD、およびDVDから構成された群の選択された通常の光学(Optical)ディスクを読み取るするための光ピックアップ装置をさらに備えたことを特徴とする。
【0078】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置にローディング(loading)されたディスクが、通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスクであるか、バイオディスクであるかを前記制御部が読み取るためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段をさらに備えることを特徴とする。
【0079】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記光ピックアップ装置が、バイオディスク上における特定位置にグルーブパターン(groove pattern)、またはデータパターンを読み取って、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識するようにすることを特徴とする。
【0080】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記中央制御装置は、通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスクであるかを判断して、通常の光学ディスクであれば、ディスクから読み取った内容を前記光ピックアップ装置から保存装置あるいは出力装置に伝送したり、使用すべき内容を光ピックアップ装置に伝送して、読み取り/書き込み(Read/Write)に必要な各種の制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクであれば、バイオディスクを制御するための各種の制御命令信号を非接触インターフェースを介して伝送することを特徴とする。
【0081】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、バイオディスクのローディング(loading)時点において、バイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して、前記中央制御装置にバイオディスクが新たにローディングされたことを無線送信するよう行うことによって、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置に認識させることを特徴とする。
【0082】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオディスク上のプレパレイションチャンバーにサンプルの未注入のままバイオディスクがローディングされた場合、イジェクト(eject)されたり警告メッセージをユーザに伝送することを特徴とする。
【0083】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、サンプルの診断中または分析中に、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視したまま分析および診断を進行しつつ、選択事項として警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求し、パスワードが正確な場合のみユーザのイジェクト(un-loading)あるいはストップの要求を受け入れることを特徴とする。
【0084】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、バイオディスク装置が何回使用したディスクであるかに対する情報および有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されているメモリ手段をさらに備えて、バイオディスクのローディング(loading)時ごとに、ユーザに診断可能であるか否かおよび前記情報が分かるよう提供することを特徴とする。
【0085】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置は、通常光学ディスクを再生するための再生および探索ボタン、停止ボタン、および現在のローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード(LED)を備えたことを特徴とする。
【0086】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置は、液晶表示装置またはモニター表示装置を具備して、バイオドライバ装置の主要な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化反応工程あるいは抗原-抗体反応)および段階にともなう進行率をパーセント(%)、バーグラフ(bar graph)、またはパイグラフ(piegraph)形式で表示することを特徴とする。
【0087】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバを保持している本体は、バイオディスクのトップ(top)ローディングあるいはフロント(front)ローディングを許容することを特徴とし、さらに、前記バイオドライバは、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブルを備えたことを特徴とする。
【0088】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、血または細胞あるいはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程段階と、備えられたDNAサンプルを増幅するためのPCR工程段階と、前記PCR工程に基づいて獲得されたDNAを分析サイトにアレイされた分析および診断用プローブ(probe)と混成化するための混成化(hybridization)工程段階と、分析サイト内の切断可能な信号要素を光透過式の測定装置、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知機によって読み取る段階と、を含む、本発明にかかるバイオディスクを利用した核酸分析方法を提供する。
【0089】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記プレパレイションコンジョンは、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、セル(cell)から抽出されたDNAを前記粒子あるいは強磁性体ビーズに沈着させるためのインキュベーション(incubation)段階と、前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させてから、徐々にバイオディスクを回転しつつ、セル(cell)が破壊される時に生じた残がい(debris)をトラッシュチャンバーに洗い流す段階と、前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱あるいは再懸濁(resuspension)させる段階と、を含むことを特徴とする。
【0090】
さらに、前記プレパレイション工程には、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、セル(cell)から抽出されたDNAを前記バイオディスクによる遠心分離によってDNAを分離する段階を含むことを特徴とする。その一例として、セルの溶解のために、硫酸ドデシル(SDS:dodecylsulfate)という試薬を入れるが、このSDSは、洗剤のようなもので、界面活性剤とも呼ばれる。このようにすると、脂質を含んだ細胞の膜成分が破壊され、タンパク質と核酸が溶解し始める。このとき、フェノール(phenol)という試薬を入れるが、フェノールは、タンパク質を変性させる作用を有する。その後、遠心分離あるいはDNAと親和力(affinity)を有する強磁性体ビーズによりDNA、RNAを含んだ核酸を獲得することができる。
【0091】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記PCR工程は、バイオディスクを徐々に回転しつつ、前記プレパレイション工程に応じて獲得されたDNAを前記PCRチャンバーに移動させる段階と、前記PCRチャンバーへのDNA移動が完了される後、PCRチャンバー内に内蔵されているヒーターと温度センサーを利用してPCRサイクル(cycle)を数回繰り返してDNAを増幅させる段階と、を含むことを特徴とする。
【0092】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記PCR工程の後に、バイオディスクを徐々に回転しつつDNAseをPCRチャンバーに流入させる段階と、高温で加熱してDNAseの機能を停止(インキュベーション停止)および一本鎖のDNAを作る段階(denaturingstep)と、を含むフラグメンテーション(fragmentation)工程をさらに含むことを特徴とする。
【0093】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記複数のPCRチャンバーごとに一対一に対応した独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)を置いてフラグメンテーション(fragmentation)することによって、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーション(fragmentation)が可能になることを特徴とする。
【0094】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、バイオディスクを高速回転しつつ、血から血清ないし抗原を分離する段階と、バイオディスクを回転しつつ、前記ラベルチャンバーに抗原を流入させた後、抗原とラベル標識された抗体(antibody)との間に「ラベル-抗原の結合体」を形成するよう1〜2分の間にインキュベーションする段階と、前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階と、バイオティスクを停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階と、洗浄バッファー(washingbuffer)を添加して分析サイトを洗浄する段階と、を含む本発明にかかるバイオディスクを利用した免疫分析方法を提供する。
【0095】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階は、前記分析サイト直前のバルブを開放すると共に遠心力によらず親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により「ラベル-抗原の結合体」を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに「ラベル-抗原の結合体」を流入させることを特徴とする。
【0096】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記「ラベル-抗原の結合体」と多孔性メンブレイン上のキャプチャー抗体(captureantibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階の後に、ディスクを高速回転することによって、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする。これは、多孔性メンブレインが飽和されていれば、洗浄バッファーが流入されないことから、洗浄バッファーを流入させるためのものである。
【0097】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記乾燥段階の後に、前記分析サイト直前のバルブを開放して、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により洗浄バッファー(washing buffer)を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに洗浄バッファーを流入させ分析サイトを洗浄することを特徴とする。
【0098】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記洗浄段階の後に、ディスクを高速回転することにより、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする。この乾燥は、ディスクの回転に応じて分析サイトの両側面に形成された空気穴を介した空気の出入りにより行われる。
【0099】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記分析サイト内の抗原-抗体の反応結果を読み取るためにイメージセンサーによる撮影段階をさらに含むことを特徴とする。前記撮影のためのイメージセンサーとして、抗原―抗体の反応結果である発色粒子を撮影するための通常のCCD(ChargeDoupled Device)あるいはCMOSセンサーを使用することができる。
【0100】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記抗原-抗体の反応結果を問診データとともに専門医師に遠隔伝送する段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0101】
以上説明した通り、本発明の光学または非光学ディスクを利用したバイオディスクおよびバイオドライバの装置および方法は、各種の診断分析装置、核酸混成分析装置、および免疫学的な検証などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)構成に適する。特に前記バイオドライバ装置および方法は前記バイオディスクの読み取りだけでなく、通常のCD-ROMおよびDVD読み取り機など、光学ディスク装置と互換性があることから通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどのような通常の光学ディスク(OpticalDisc)の読み取りおよび再生機能も兼ねていることから、コスト競争のみならず使用上において数多い便利性を提供する。また、前記バイオドライバ装置は、コンピュータに接続され既存のインターネット網を用いて遠隔診断を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0102】
以上、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的な思想を容易に実施できる程度で詳説するために、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0103】
本発明のバイオディスク上に設置されたラボオンチップ(Lab On a Chip)の流体の流れ、または流量を制御するためのバルブは、バイオディスクの上側または/および下側に設置された電磁石あるいは永久磁石によって形成された磁力で動く超小型ビーズ(microbead)をバイオディスク内に具備し流路を開閉する。これは先出願された韓国内特許「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(2002、05、31、PCT/KR02/01035)に詳細に例示されている。
【0104】
本発明の望ましい実施例において、前記超小型ビーズは、例えば磁石球(magnet ball)、強磁性体金属粒子、像磁性体粒子、反磁性体粒子、ステンレス金属球などのような物質を含む。また、前記超小型ビーズは、固体金属であるかプラスチック、ガラスビーズ等から形成され得ると共に、その上に金属コーティングまたはゴムのようなクッション(Cushion)材料コーティングから行われる。さらに、金属球は合金であることもできる。また、前記超小型ビーズは、電荷を有することができ、この時に電磁石の代わりにバイオディスクの上下面に配される電極板を使用する。電極板に加えられた電圧の方向に応じて電荷を有するビーズが有孔を開閉する。前記超小型ビーズの直径は1μmないし1mm範囲内にあって、望ましくは100μmないし5000μmが適している。前記ビーズの大きさが大きくなれば接触面は増加し、開閉に対する信頼度は増加する。また、本発明では、前記超小型ビーズは球形であるが、薄膜型円柱の永久磁石または薄膜型四角形の永久磁石であることが好ましい。前記薄膜型の永久磁石厚さは0.1mm〜0.5mmであることが好ましい。
【0105】
前記電磁石のための捲線の直径は0.01mm〜0.5mmであることが好ましい。
【0106】
図1および図2は、バイオディスク100の中に設置された薄膜型円柱の永久磁石を利用したバルブ装置を示すバイオディスク断面の一例である。
【0107】
前記バイオディスク100は、上部基質1、中間基質2、下部基質3からなり、それぞれの射出整形工程の間に基質表面に流体が流れることのできる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液を保存できるチャンバー(chamber)と、前記流路を連結させる有孔を複数形成している。これは互いに密着付着して、一つのバイオディスク100本体を形成する。
【0108】
図1は、前記薄膜型の円柱永久磁石70aにより有孔10が詰まっており、流路16aが遮断された場合であり、図2は、有孔10がオープンされ流路16aが連結されたものを示している。図1で示すように有孔10を閉じて流路を遮断させようとする場合、下側の電磁石5aをオフすれば上側の永久磁石4aにより前記薄膜型の円柱永久磁石70aが上方に引っ張られて、有孔10は閉じられる。即ち、上側の永久磁石4aと薄膜型の円柱永久磁石70aとの間には引力が発生しバルブが閉鎖される。その一方、図2で示すように有孔10をオープンし前記流路を連結させれば下側電磁石5aは薄膜型の円柱永久磁石70aを下方に引き寄せる方向に向かって電源を印加する。つまり、下側の電磁石5aと薄膜型の円柱永久磁石70aとの間には引力が発生するよう電源の印加を行う。
【0109】
本発明の電磁石5aは、薄膜型の電磁石またはbobbinless coilまたは移動可能な永久磁石が好ましい。また、本発明は流体移動のため、ディスクに狭い流路(channel)16aが形成されていることから、流体が圧力を受けず円滑に流路に流れるべく排気口12が上部基質1に形成されている。
【0110】
図3は、分析に必要な種々のバッファー溶液を保存し、多様な化学工程を行うためのチャンバー(chamber)と処理された流体、およびバッファー溶液を移動させるための流路、この流路の開閉を制御するための前記バルブ装置の含まれたラボオンチップ(LabOn a Chip)が配置されたバイオディスク100と、これを制御するための制御用ディスク200、およびバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【0111】
本発明のバイオディスク100は、プラスチック、PMMA(Polymethylmethacrylate)、ガラス、雲母(mica)、シリカ(silica)、シリコンウェハーなどといった様々な材料から選択されることができる。しかし、プラスチックが経済的な理由、また加工の容易性のことで最も好ましい。使用可能なプラスチックではポリプロピレン(polypropylene)、ポリアクリル酸塩(polyacrylate)、ポリビニルアルコール(polyvinylalcohol)、ポリエチレン(polyethylene)、ポリメタクリル酸メチル(polymethylmethacrylate)、およびポリカーボネート(polycarbonate)がある。ポリプロピレンとポリカーボネートが好ましく、最も好ましくはポリカーボネートである。
【0112】
バイオディスク100は、上部基質1と中間基質2および下部基質3から構成され、それぞれは射出整形の工程の間基質表面に流体が流れることのできる前記流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液を保存することができるチャンバー(chamber)と、前記流路を連結する有孔を複数形成している。
【0113】
これらは互いに密着付着して、一つのバイオディスク100本体を形成し、これは韓国内の特許出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2001年5月31日、10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(2002年5月31日、PCT/KR02/01035)に詳細に例示されている。
【0114】
制御用ディスク200は、プラスチック、PMMA、ガラス、雲母、シリカ、シリコン、PCB(Print Circuit Board)などの多様な材料から選択され得る。しかし、本発明ではPCB材料とシリコンウェハーの材料が回路設計の容易性のことから最も好ましい。
【0115】
バイオディスク100は、上部基質1と中間基質2および下部基質3が積層によって形成されている。薄膜型の円柱磁石70a、70b、70cは、それぞれ永久磁石4a、4b、4cと電磁石5a、5b、5cから形成された磁力によって独立に開閉制御される。120はサンプルを注入するためのピペット(pipette)または注射器またはサンプル注入手段を示し、121はサンプル注入口であり、170はディスク中心の孔隙を示し、図面符号130は血または細胞からDNAサンプルまたはRNAからR-T(ReverseTranscription:逆転写)によるDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparationchamber)であり、131はPCR(Polymer Chain Reaction)工程を行うためのPCRチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程のためのチャンバーで前記PCR工程により増幅されたDNAを分析および診断するためのキャプチャーローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着している分析サイト(assay)であり、133は洗浄工程により生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0116】
図面符号140は、前記PCR工程に必要なポリメラーゼ(polymerase)、プライマー(primer)を始めとする各種の酵素(enzyme)を有するバッファー溶液を含んでいるチャンバーであり、141、142および143は前記混成化工程に求められる各種酵素を含んだチャンバーである。
【0117】
前記それぞれの工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点でのバルブの開閉制御は、制御用ディスク200上に設けられた電磁石5a、5b、5cに印加された電流のオン/オフ制御によって行われ、流体の移動はディスクの回転力の遠心力による。
【0118】
図面符号55は、モーター102の軸方向に固定連結された環状の電極で表面が導体物質によりコーティングされており、モーター102の軸とは電気的に絶縁されている。
【0119】
図面符号110は、電源部への直流電圧の供給を行う。マイナス(-)端子はモーター102本体に連結され接地される。プラス(+)端子はブラシ108、109に連結されて環状電極55にプラス(+)電圧の供給を行う。
【0120】
環状電極55とブラシ(あるいは導体ワイヤー)108、109との間に摩擦接触により、制御用ディスク200上の制御部63および無線送信または送受信、あるいは受信装置107にプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地連結したモーター102の本体に連結されたモーター軸57と連結部210を介して制御用ディスク200へ供給される。
【0121】
図面符号240、241は、それぞれ制御用ディスク200のプラス(+)電源とマイナス(-)電源に連結された電源端子である。
【0122】
図面符号181は、バイオディスク100搭載するためのターンテーブル(turn table)であって、ディスクの中心孔隙170を介してターンテーブルにローディングされる。一方、制御用ディスク200は、ターンテーブル181に固定結合される。ターンテーブルに固定結合された制御用ディスク200と、ターンテーブルにローディングされたバイオディスクとの間に1mm前後の間隔182が保たれる。
【0123】
図面符号188は、メモリ内蔵型の無線RF ICであって、ラボオンチップ(Lab On a Chip)のためのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取りを行うための標準制御値、および分析サイトに対する位置情報、生物情報学(bioinformatics)情報、自己診断(selfdiagonasis)に関連する情報を有する。また、バイオドライバの装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報を含むことで改造され得る。さらに、診断結果に基づく専門医師および病院と連携できるウェブサイトと様々なリンクを含むことができる。また、個人暗号化情報を保存することができることから、他人の使用を予防できる。
【0124】
前記無線RF IC188は、スマートICカードの形態であることが好ましい。前記無線RF IC188情報は、無線送受信を介して中央制御装置101に提供され、個人暗号化のため活用される。
【0125】
図面符号240aおよび241aは、それぞれバイオディスク100上の電源連結部であって、導体で表面コーティングされており、電源端子240、241と連結してバイオディスク100上への電源を供給する。
【0126】
図4は、図3のブラシ108、109と環状電極55との間の摩擦接触により環状電極55へ供給されたプラス(+)電源を制御用ディスク200に供給するための連結部210であって、制御用ディスク200に連結されプラス(+)電源を供給する。
【0127】
モーター102の本体は接地されており、モーターに連結しているモーター軸57も結果的には接地されている。モーター軸57は、穴203を通じて制御用ディスク200の中心部に連結されてマイナス(-)電源を供給する。
【0128】
図5は図3のバイオディスク100を制御駆動させるために、図3の制御用ディスク200がターンテーブル181に固定結合され内蔵されたバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【0129】
制御用ディスク200上のプラス電源とマイナス電源は、電源端子240、241を介してバイオディスク100に連結供給される。プラス電源端子240とマイナス端子241の一方の末端部は制御用ディスク200のプラス電源とマイナス電源に連結固定され、他の末端部はバイオディスク100ローディング時にバイオディスク100上に導電体で表面コーティングされている電源連結部2400a、241aとそれぞれ密着連結されている。
【0130】
回転している制御用ディスク200上の制御部63に電源を供給するためのブラシ109、108と、それに電源供給を行うための電源装置110、300はバイオドライバを保持している本体である。バイオドライブの下面には回路基板140がバイオドライブ本体300に繋ぎ締結されており、回路基板上にバイオドライバを制御するための中央制御装置101、および保存装置または入出力装置111が回路基板140上に配置して設けられている。中央制御装置101は、ディスク100、200の回転または停止のためにモーター102を制御するだけでなく、光ピックアップモジュール装置103の移動を制御する。
【0131】
また、中央制御装置101は、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクが通常の光学ディスク(Optical disc)(例:音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスク100であるかを判断し、通常の光学ディスクの場合、ディスクから読み込んだ内容を光ピックアップモジュール装置103から保存装置または入出力装置111へ伝送するか、書き込むべき内容を光ピックアップ装置103に伝送し、再生/記録(Read/Write)に必要な様々な制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクの場合、ラボオンチップ(LabOn a Chip)制御のための様々な制御命令信号を制御用ディスク200に位置した非接触インターフェース106、107を介して命令若しくは無線RF IC188を介して伝送する。
【0132】
前記制御命令が伝達された制御用ディスク200の制御部63は、ラボオンチップ(Lab On a Chip)を制御するための様々な制御信号を供給し、バイオディスクにおけるバルブの開閉を制御するため制御用ディスク200上の電磁石5a、5b、5cの電源のオンオフを制御してバルブの開閉を制御する。制御用ディスク200上の電磁石5a、5b、5cは、バイオディスク100と最も隣接しているのでバイオディスク内に内蔵された薄膜型の円柱磁石70a、70b、70cに反発力と引力を効率よく発揮できる。ターンテーブルに固定結合された制御用ディスク200とターンテーブルにローディングされたバイオディスクとの間には1mm前後の高さ間隔182がある。
【0133】
本発明において、好ましくは前記バイオドライバにローディング(loading)されたディスクが通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスク(Optical Disc)であるか、バイオディスクであるかを前記制御部が判断するためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段を更に備えている。
【0134】
本発明において、望ましくは前記光ピックアップモジュール装置がバイオディスク上の特定位置にグルーブパターン(groove pattern)あるいはデータパターンを読み取って現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識できることを特徴としている。
【0135】
本発明において、好ましくはバイオディスクのローディング(loading)時点でバイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して前記中央制御装置にバイオディスクが新しくローディングされたことを無線送信することによって、現在のバイオドライバにローディングされたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識できることを特徴とする。
【0136】
部材番号106および107は各々非接触インターフェースのための受信部または送信部、または送受信部である。
【0137】
バイオディスク100上の光学、電気化学、キャパシタンス、またはインピーダンス装置あるいはイメージセンサーを含んでいる切替器によって獲得された分析サイト132に対する読み取り結果を、非接触インターフェース106、107の赤外線インターフェースあるいは光インターフェース(optical interface)、または無線インターフェースを介して中央制御装置101あるいは保存装置、または入出力装置111に伝送したり、バイオディスク100上に内蔵された無線RFIC188によりバイオディスク100上の光学、電気化学、キャパシタンス、またはインピーダンス装置を含んでいる切替器によって獲得された分析サイト132に対する読み取り結果を無線送受信手段により外部の中央制御装置101または保存装置、あるいは入出力装置111に伝送したり、回路基板140上に設けられたイメージセンサー144により獲得された分析サイトに対するイメージ情報を中央制御装置101または保存装置あるいは入出力装置111に伝送する。
【0138】
図6は光学装置を含んでいる切替器により前記分析サイトの読み取り方法を光透過式で具現した一実施の形態である。
【0139】
図6の左側は前記バイオディスクに拘束信号要素557が基質表面上に残っている場合であり、右側は拘束信号要素557が大部分離脱除去されて、離脱信号要素を提供する場合を示している。
【0140】
光学分析読み取り装置99a、99bが前記拘束信号要素および離脱信号要素に入射されるレーザー発生装置99aと光の透過程度を探知する光受信部99bにより備えられたことの一実施の形態である。図面符号555は、光受信部99bを読み取るための透明開口部である。
【0141】
図7には分析サイト132に対する光透過方法において光受信部99bを上部基質1に集積化させた一実施の形態が示されている。光学分析読み取り装置99a、99bが前記拘束信号要素および離脱信号要素に入射されるレーザービーム発生装置99aと光透過率を探知する光受信部99bからなる一実施の形態である。この場合、複数の分析サイトに対しては一対一に対応して、光受信部99bがアレイ状で配列されている。このような配列方式は通常の光ピックアップ装置103に1つの光送信部と、1つの光受信部が共に光ピックアップモジュールの形態からなっていることと区別される。このような光ピックアップモジュールの形態は加えられる分の光反射経路であるので、光経路(opticaltraveling path)が長くなり、光受信部の感度が落ちてしまうという短所がある。左側の図は前記バイオディスクに拘束信号要素557が基質表上に残っている場合であり、右側の図は拘束信号要素557がほとんど離脱除去され離脱信号要素を提供する場合を示す。
【0142】
図面符号555は光受信部99bを読み取るための透明開口部である。
【0143】
図8は光受信部99bのアレイ(array)がバイオディスクの円周方向に向かって配列内蔵されたバイオディスクの一実施の形態である。バイオディスクの回転により、バイオディスクに内蔵された複数の分析サイトごとに一対一に対応した光受信部99bにより順次読み取ることが可能である。
【0144】
図9ないし図13は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的信号の探知を基質701上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703と末端部に金属球40あるいはHRP(HorseRadish Peroxidase)41が付着したプローブにより具現された電気化学探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。また、既存の免疫クロマトグラフの技法(immunochromatographic reaction)に主に使われる抗原-抗体反応を用いた電気化学探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。基質701は、多孔性メンブレイン(membrane)上に櫛型アレイ電極が表面コーティングされたことが好ましく、前記多孔性メンブレインは、NC(NitroCellulose)またはナイロンメンブレイン、あるいは整列されたナノチューブ(nanotube)が好ましい。
【0145】
図9は、櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703により備えられた電気化学探知機、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。
【0146】
制御部63からいずれの帯域幅を有する交流信号を櫛型アレイ電極の2つの端子704、705に加えて、周波数応答特性を測定することによりキャパシタンスおよびインピーダンス測定が可能である。また、H2O2溶液下HRP(HorseRadish Peroxidase)による酸化還元反応(REDOX反応)より有機された電圧および電流を制御部63が測定することにより、電気化学の探知が可能である。前記櫛型アレイ電極による測定装置は、先出願された韓国特許出願「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日10-2001-0003956)およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日PCT/KR02/00126)に開示されている。
【0147】
図10ないし図11は、バイオディスク100に設置された分析サイト132により発生した分析種特異的な信号の探知を基質701上に配された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703とHRP(HorseRadish Peroxidase)41が付着したプローブにより具現された電気化学探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。酸化および還元の連鎖反応により発生した電子によって櫛型アレイ(interdigitatedarray)電極702、703に電流および電圧が有機される。
【0148】
櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703の桁(digit)個数が増加すればするほど探知機の感度は増加する。
【0149】
分析サイト132は、基質701の表面がアミン処理されてから、ビオチン(biotin)50標識の切断可能な信号要素が基質表面に直接に接しないよう、反応性のない分子(例:(CH2)n:alkane chain)の単分子層(monolayer)を表面に形成した後、ビオチン50標識された切断可能な信号要素を表面に沈ませて備えることが好ましい。
【0150】
サンプル注入後、混成化反応を引き起こさず、一本鎖を維持している切断可能なプローブは、ヌクレアーゼ(nuclease)酵素との接触による切断過程と洗浄過程の後に除去されることから、混成化された二重鎖43だけが表面に拘束信号要素として残される。以後、ストレプトアビジン(streptavidin)51標識されたHRP導入により、前記ビオチン標識された拘束信号要素とストレプトアビジン-ビオチン結合が行われる。
【0151】
その後、溶液はHRP(HorseRadish Peroxidase)による酸化還元反応(REDOX反応)によって、櫛型アレイ電極に有機された電圧および電流を制御部63が測定することで、電気化学の探知が可能になり、これは離脱信号に対する差等的な電気化学信号を探知装置に提供する。
【0152】
図11の左側はバイオディスク100の分析サイト132内の拘束信号要素が基質701の表面上に残っており、H2O2溶液下で酸化還元の反応が容易に行われる場合であり、右側は前記切断過程および洗浄過程の後に拘束信号要素がほとんど離脱除去された場合であって、酸化還元の反応が起きない場合である。これは差等的な電気化学信号を探知装置に提供する。
【0153】
図12は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的な信号の探知を、基質701上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703と、抗体と結合されたラベル(label)471と分析したいサンプル(antigen、またはanalyte)472との間の結合に応じたラベル-抗原の結合体と、分析サイト132内の基質701上の固定されているキャプチャー抗体(captureantibody)473と、前記ラベル-抗原結合体と前記キャプチャー抗体(capture antibody)との抗原-抗体反応によって備えられた電気化学の探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態を示している。
【0154】
本発明では、前記ラベルは一般に発色用粒子474であって、金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体(fluorescent materail)または放射能同位元素であることが好ましい。
【0155】
ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きた場合は拘束信号要素を提供し、ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きない場合は離脱信号要素を作用する。これに対して、周波数応答特性を測定することにより、前記各分析サイトに対するキャパシタンスおよびインピーダンスの測定が可能となる。
【0156】
図13の左側は洗浄過程の後に、バイオディスク100に抗原-抗体反応により拘束信号要素(金またはラテックス、あるいは蛍光体、若しくは放射能同位元素)が基質701の表面上に残っている場合であり、右側は洗浄過程の後ほとんど離脱除去された場合を示している。これらは差等的キャパシタンスおよびインピーダンス信号を探知装置に提供したり、あるいはイメージセンサーに発色情報を提供する。
【0157】
図14は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的信号の探知を多孔性メンブレイン基質701上に特異的な結合を示す複数の抗体がアレイ状に配置されたキャプチャー抗体(capture antibody)473と、抗体と結合されたラベル(label)471と分析したいサンプル(antigenあるいはanalyte)472間のサンドイッチ結合によるラベル-抗原の結合体と、分析サイト132内の基質701上に固定されているキャプチャー抗体(captureantibody)473と、前記ラベル-抗原の結合体と前記キャプチャー抗体(capture antibody)との抗原-抗体反応により備えられたイメージセンサーに発色情報を提供する一実施の形態が示されている。
【0158】
本発明における前記ラベルは、一般に発色用粒子474として金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体、放射能同位元素であることが好ましい。
【0159】
本発明における多孔性メブレイン基質701は、ナイロンまたはNCメンブレイン、あるいは整列したナノチューブ(aligned nano tube)であることが好ましい。
【0160】
ラベル-抗原の結合体形成の後、抗原-抗体反応が起きた場合は拘束信号要素を提供し、ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きない場合は離脱信号要素を作用する。図14の左側は、洗浄過程の後、バイオディスク100に抗原-抗体反応により拘束信号要素(金、またはラテックス、あるいは蛍光体、若しくは放射能同位元素)が基質701の表面に残っている場合であり、右側は、洗浄過程の後ほとんど離脱除去された場合を示している。これは差等的な発色情報をイメージセンサーへ提供する。
【0161】
図15ないし図18は、本発明のバイオディスクの一実施の形態である。
【0162】
図15および図16は、バイオディスク100上に核酸分析を行うためラボオンチップ(Lab On a Chip)が配置された一実施の形態である。
【0163】
図面符号170はディスクの中心孔隙であり、171は制御用ディスク200とのインターフェースのための連結部を提供する。
【0164】
図面符号130は、血または細胞、RNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含んでいるプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)であり、131および131aはPCR(PolymerChain Reaction)工程を行うためのPCRチャンバーであって、PCR工程に必要なポリメラーゼ(polymerase)、dNTPを始めとするプライマーなどの様々な酵素(enzyme)を含むバッファー溶液を保存しているチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程を行なうためのチャンバーであって、増幅されたDNAを分析および診断するためのビオチン標識されたキャプチャープローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着されている分析サイト(Assay)であり、133は洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0165】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)は、前記バイオディスク上に螺旋状で連結し配置されている。これは前記各工程に必要な流体が遠心力により移動連結が容易に行われる。また前記主な工程を支援するための試薬を有するチャンバーが螺旋状で周辺に配置されている。
【0166】
図面符号129は、洗浄バッファー(washing buffer)の入っているチャンバーであり、129aは蒸溜水の入っているチャンバーである。144は混成化バッファー(hybridizationbuffer)を保存するためのチャンバーであり、136はDNAを適当な大きさで切るためのフラグメンテーション(fragmentation)工程を行うためのDNAseの入っているチャンバーである。141、142および143は、混成化に必要な各種の酵素を含んでいるチャンバーである。
【0167】
141は一本鎖を切断するためのヌクレアーゼ(nuclease)酵素を保存するためのチャンバーであり、142はストレプトアビジン標識(streptavidin labeled)された金属微小球(microsphere)を保存するためのチャンバーである。143はPBS(PhosphateBuffered Saline)溶液を保存するためのチャンバーである。
【0168】
図面符号150、151、152、153、154、155、156、157、158、160、161、162、163はバルブである。
【0169】
これらのバイオディスク100上の流体移動はディスク回転による遠心力とバルブの開閉による。
【0170】
図面符号177は、バイオディスク100に埋没内蔵されている電磁石あるいは永久磁石で前記バイオディスクに内蔵埋没させる代わりに、磁力が必要な時ごとにプレパレイションチャンバー130の上部または下部へ永久磁石を移動接近して動作させてもよい。
【0171】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点でのバルブの開閉制御はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石と、その上側にある永久磁石間の引力、そしてバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその下側にある電磁石(あるいは移動可能な永久磁石)間の力の均衡制御に応じて行なわれる。
【0172】
すなわち、前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点におけるバルブの開閉制御は、前記バイオディスク内の薄膜型の円柱磁石の下側に設置された電磁石のオン(on)/オフ(off)を制御したり、前記バイオディスク内の薄膜型の円柱磁石の下側に永久磁石の機械的な接近を制御する制御部63による。
【0173】
薄膜型の円柱磁石の下側に設置された電磁石のオン/オフ制御に応じてバルブの開閉を行う場合、電磁石オンの時にバイオディスク内の円柱磁石との引力作用によりバルブが開き、オフの時はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその上側の永久磁石との引力によりバルブは閉鎖される。
【0174】
薄膜型の円柱磁石の下側への永久磁石の機械的な接近によりバルブを開閉する場合、永久磁石の接近時バイオディスク内の円柱磁石との引力作用によりバルブが開き、永久磁石の離脱時はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその上側の永久磁石との引力によってバルブは閉鎖される。
【0175】
図面番号128は蒸溜水の入ったチャンバーであり、135はトラッシュチャンバーである。
【0176】
図15は、一つのPCRチャンバーを有するラボオンチップ(Lab On a Chip)が配置されたバイオディスクの一実施の形態であり、図16は前記PCRチャンバーを複数で構成した場合に対するバイオディスクの一実施の形態である。
【0177】
図16で前記複数のPCRチャンバー131a各々には合い相異なる種類のプライマーが入ることができ、同種類のプライマーが入ることも可能である。または前記複数のPCRチャンバー各々には複数のプライマーが入ることができる。
【0178】
前記複数のPCRチャンバーから各々増幅されたDNAはチャンバー131bで合わされる。
【0179】
図17はバイオディスク100上に抗原-抗体反応に応じて備えられたラボオンチップ(Lab On a Chip)の配置されたバイオディスクの一実施の形態であり、図18は図17の分析サイト内アレイの一実施の形態である。
【0180】
図面符号130は、注入口121を介して注入された血から遠心分離されることにより、血清(serum)を備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparationchamber)であり、132は抗原-抗体反応のためのチャンバーで、試料(antigenまたはanalyte)を分析および診断するための免疫分析(immunoassay)がアレイ状で基質に付いている分析サイト(Assay site)である。分析サイトには前記キャプチャー抗体(capture antibody)が固定されている。133は、洗浄工程により生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。分析サイト132は、櫛型アレイ電極が表面コーティングされた多孔性メンブレイン(membrane)上の電極間の空き空間にキャプチャー抗体(captureantibody)が固定されたり、多孔性メンブレイン(membrane)上にキャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ状で固定されることが好ましい。前記多孔性メンブレインは、NC(NitroCellulose)あるいはナイロンメンブレインであることが好ましい。
【0181】
前記主な工程(プレパレイション工程、抗原-抗体反応、洗浄工程)は前記バイオディスク上に螺旋形に連結して配置されている。これは各工程に必要な流体が遠心力により移動連結を容易にさせる。また、前記主な工程を支援するための試薬を有しているチャンバーらが螺旋状で周辺に配置されている。
【0182】
図面符号129は、洗浄バッファー(washing buffer)あるいは溶出バッファー(elution buffer)が入っているチャンバーである。
【0183】
142aは、抗原に標識子を付けるためのラベル(label)チャンバーである。一般にラベルは、抗体が結合された形の発色用粒子であって、金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体若しくは放射能同位元素を有する。図面符号150、152、153、156はバルブである。
【0184】
前記プレパレイションチャンバー130は、遠心分離により血清分離を容易にさせるために例示する通りに、円周方向に円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)模様、あるいはフラスコ(Flask)形のチャンバーであることが好ましい。遠心分離すると、血清、血餠で分離される。すなわち、遠心分離すると、内周側には血清が、外周側には血餠が偏ることになる。前述したような模様のプレパレイションチャンバーを使う場合、プレパレイションチャンバー130内で血清が血餠に比べて相対的に高く占められるので、バルブ152を開放したまま徐々にバイオディスクを回転させて次のチャンバーに血清を移動させる場合、血清だけの移動がはるかに容易になる。もし、血清が血餠に比べて高く占められていなければ、血清のみが次のチャンバーに移動することは難しいのである。
【0185】
バイオディスク100の高速回転による遠心分離を行うことで、血から血清を抜き取る。
【0186】
前記分析サイトは、多孔性メンブレイン(membrane)上にキャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)状で固定されたり多孔性メンブレイン(membrane)上に櫛型アレイ電極が表面コーティングされることが好ましく、前記多孔性メンブレインはNC(NitroCellulose)あるいはナイロンメンブレインであることが好ましい。
【0187】
前記キャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)は腫瘍マーカー(tumor marker)を固定させることが好ましい。腫瘍マーカー(tumormarker)は、AFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、CA15-3であることが好ましい。
【0188】
また、前記キャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)は心筋症(cardiomyopathy)標識因子のMyoglobin、CK-MB、TroponinI (Tnl)を固定させたり、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーであるGS(Glutamine Synthetase)を固定させることが好ましい。
【0189】
一般に、進行癌でなければ腫瘍マーカー(tumor marker)の血中濃度が増加せず、早期癌の場合には血中腫瘍マーカーは正常範囲内の値である。癌が進行されることによって血中濃度が増加し、陽性率も高まる。本発明ではかかる点を着眼し、好ましくは、前記腫瘍マーカーは利用した分析サイトの定量分析による読み取り結果を履歴管理する統計ソフトウェアを備え、定期的な追跡診断に対する情報を提供することを特徴とする。
【0190】
バイオディスク100上の流体移動は、ディスク回転による遠心力とバルブの開閉、ディスク回転による遠心力と流路の親水性表面処理による親水性流体の移動およびバルブ開閉の動作、ディスク回転による遠心力とバルブの早い開閉の繰り返しの復動作に従った流路の親水性表面処理による親水性流体の移動およびバルブ開閉の動作による。親水性流路への流体移動を行うためには、初期抵抗(主に親水性コーティングと疏水性コーティングとの境界面で発生する抵抗)を克服しなければならない。バルブの早い開閉動作は、流体に動揺をもたらし、抵抗克服を行なうために役に立つ。抵抗が克服されれば、以後に親水性によって移動する。
【0191】
図18は、腫瘍マーカーをスポット(spot)アレイ状に多孔性メンブレイン999の上部、あるいはポルリカボネイト上に固定させた実施形態である。この実施例では、6腫瘍マーカーAFP999a、PSA999b、CEA999c、CA19-9 999d、CA125 999e、CA15−3 999fが多孔性メブレイン999上に固定されている。
【0192】
前記ポルリカボネイト上に抗体の腫瘍標識因子を固定させるための方法は、先出願された韓国内特許出願「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を利用した核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)に詳細に例示されている。
【0193】
図19は図15、図16の主な工程に基づいたチャンバーに対するバイオディスクの断面図を示す一実施の形態である。
【0194】
主な工程のバルブのための薄膜型円柱磁石150、151、153、156は、それぞれ永久磁石4a、4B、4C、4dと制御用ディスク上の電磁石5a、5b、5c、5dから形成された磁力により独立に開閉制御される。121はサンプル注入口である。
【0195】
図面符号130は、血または細胞、若しくはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)である。このプレパレイションチャンバーには、DNA抽出のためにDNAと親和力(affinity)を有する粒子、あるいは強磁性体ビーズ(bead)とセル(cell)を破るための溶解バッファー溶液が入っている。
【0196】
131は、PCR(Polymer Chain Reaction)工程ためのPCRチャンバーであって、PCR工程に求められるポリメラーゼ、dNTPを始めとするプライマー(Primer)など、各種の酵素(enzyme)を含むバッファー溶液を保存しているチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程または抗原-抗体反応のためのチャンバーであって、前記PCR工程に応じて増幅されたDNAを分析および診断するためのキャプチャープローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着している分析サイト(Assay)であり、133は洗浄工程によって生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0197】
図15、図16および図19のバイオディスクに対する主な工程の一実施の形態は次の通りである。
【0198】
<プレパレイション工程>
プレパレイションチャンバー130には、サンプルからDNAを抽出するためのチャンバーであって、プレパレイション工程の一実施の形態は次の通りである。
1)blood 10μl(EDTA、ACD Tube)、または5μl(Heparin Tube)をプレパレイションチャンバー130に設置されたサンプル注入口121を介して注入する。プレパレイションチャンバー130にはセル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー溶液と抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子、あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っている。
2)5分間インキュベーション(incubation)した後、DNAはセルから抽出され、DNAと親和力を有する前記粒子または強磁性体ビーズに付着される。
3)図4Aの電磁石177を、オンまたは移動可能な永久磁石を前記プレパレイションチャンバー130に近接させ、前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させた後、1〜3分の間待機する。
4)徐々にバイオディスクが回転されながら、バルブ161を開放し、セル(cell)の破壊時にて生成された残がい(debris)をトラッシュチャンバー135へ洗い流す。バルブ161を閉じてバイオディスクの回転を止める。
5)電磁石177をオフさせたり、前記移動可能な永久磁石をプレパレイションチャンバー130から離脱させる。
6)バルブ150を開放して徐々にバイオディスクを回転しながらチャンバー129の洗浄バッファー(washingbuffer)をプレパレイションチャンバー130に流入させる。
7)前記3)〜6)過程を2回繰り返した後、最後には徐々にバイオディスクを回転しながらバルブ161を開放し、トラッシュチャンバー135へ洗い流す。バルブ161を閉じてバイオディスク回転を止める。
8)電磁石177をオフさせたり前記移動可能な永久磁石をプレパレイションチャンバー130から離脱させた後、徐々にディスクを回転しつつバルブ151を開放し、チャンバー129aの蒸溜水をプレパレイションチャンバー130に流入させる。
9)プレパレイションチャンバー130内に内蔵されているヒーター960を用いて高温加熱し、前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱させるか、再懸濁バッファー(resuspensionbuffer)を使って再懸濁を行う。
前記プレパレイション工程、その他の一実施の形態は溶解バッファー(lysis buffer)よりセルを破壊した後、遠心分離によってDNAの分離を行なう。
【0199】
<PCR工程>
PCRチャンバー131または131aは、DNAを増幅するためのチャンバーであって、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ152を開いて前記プレパレイション工程に応じてプレパレイションチャンバー130内の強磁性体ビーズから離脱されたDNAをPCRチャンバー131に移動する。
2)前記PCRチャンバーへのDNA移動を完了させた後、バルブ152を閉じてからバイオディスクを止める。
3)PCRチャンバー131内に内蔵されているヒーター961と温度センサー520を利用してPCRのサイクルを約30回繰り返してDNAを増幅させる。
4)1〜2分の間にクーリング(Cooling)する。
図4Bの場合は、以後に前記複数のPCRチャンバー131aで増幅されたDNAは、ディスクをゆっくり回転させながらバルブ152aを開放して、チャンバー131bへ移動させる。
【0200】
<フラグメンテーション(fragmentation)工程>
フラグメンテーション工程は選択事項であって、前記PCR工程で増幅されたDNAを混成化に適した大きさで切断するための工程であり、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ158を開放しチャンバー136に入っているDNAseをPCRチャンバー131、131bへ流入してDNAをフラグメンテーション(fragmentation)する。
2)バルブ158を閉鎖してから、バイオディスクを止める。
3)1〜2分間インキュベーションした後、ヒーター961を高温で加熱しDNAseの機能を停止させることで、フラグメンテーション(fragmentation)反応が中止される。また、この時高温でDNAは変性(denature)され、一本鎖が形成される。
【0201】
前記フラグメンテーション(fragmentation)によるDNAの長さ調節は、前記段階(3)のインキュベーション時間により調節される。図4Bの場合では、複数のPCRチャンバー131aごとに独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)をおいてフラグメンテーションされるので、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーションが可能となる。
【0202】
<混成化工程>
混成化工程は、前記した適した大きさでフラグメンテーションされた一本鎖、あるいはPCR工程の後に高熱処理されることにより一本鎖が形成されたDNAを、分析サイト132に予め備えられていたビオチン標識されたキャプチャープローブと混成化(hybridization)反応を引き起こすための工程であって、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ153を開放し、前記一本鎖のDNAが分析サイト132内に移動されるようにする。
2)DNAがバイオディスクの分析サイトに万遍なく広がった後はバルブ153を閉じ、ディスク回転を止めてバイオティスクを室温で3〜5分の間に停滞状態で培養をする。また、分析サイト132内の外部電極パターン962と電極板963を用いた電界制御、またはヒーター962による熱制御に応じてハイブリッド反応を調節する(ハイブリッド反応)。
電極パターン962は単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わされると、垂直方向の電界を発生するための電極板の役割も行なう。
3)バイオディスクは回転をさせながらバルブ157を開放し、ハイブリッド溶液(Hybridization buffer)を分析サイト132に注入しながら、添加洗浄するかディスクの上下に分布配置された外部の電界を加えて洗浄する(第1の洗浄過程)。その後、バルブ157を閉じる。洗浄過程の間にバルブ156を開放する。洗浄が終わった後には再度バルブ156を閉じる。
4)その後、ディスクを徐々に回転させながら、バルブ154を開放し、一本鎖を切断するためのヌクレアーゼ(nuclease)酵素溶液を分析サイト132に導入し、ディスク回転により分散されるようにする。バルブ154が閉じられてから、ディスクは1〜2分の間停滞状態で培養を行う(切断過程)。
5)それからディスクを徐々に回転させてバルブ160を開放し、温度80℃下でPBS溶液を添加洗浄したり、兼ねてディスク回転および外部電界による洗浄を行なった後、バルブ160を閉じる。
6)バルブ155を開放し、表面にストレプトアビジン標識(streptavidin labeled)された金属微小球(microsphere)懸濁液(suspension)をディスクに導入させながら、金属粒子が万遍なく分布するよう回転する(「拘束プローブ-ラベル」の形成過程)。この時、ビオチン標識されたキャプチャープローブとストレプトアビジン標識(streptavidinlabeled)された金属微小球(microsphere)40との間にビオチン-ストレプトアビジンが結合されてからバルブ155は閉じられる。前記温度および電界発生は外部電極パターン962と電極板963を利用する。電極パターン962は、単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わせられると垂直方向の電界を発生するための電極板の役割も行なう。
7)その次、ディスクが強く回転をする間に、バルブ162は開放されてチャンバー128の蒸溜水を添加し洗浄するか、兼ねて電界を加えて洗浄する(第2の洗浄過程)。洗浄過程の間にバルブ156を開放する。
【0203】
<Detection工程>
その後、切断可能な信号要素が沈着された、予め決定されたところ(site)を検査するようプログラムされた前記光学、電気化学、キャパシタンス、あるいはインピーダンス装置、若しくはイメージセンサーを含んでいる切替器と結合された探知機により、直ちに読み取る。
【0204】
その後、前記読み取り結果に基づいた診断結果と処方がコンピュータのモニター上に表示され、自動あるいは手動で該当の専門医師とインターネット網を介して遠隔接続され、前記診断データと結果、および予め作成された問診データが必要な場合は専門医師に遠隔転送される。その後、患者は専門医師の処方を待つ。
【0205】
前記切断過程、第1の洗浄過程、第2の洗浄過程、遠隔診断の過程は、先出願特許の韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)に詳細に例示されている。
【0206】
図4Eは、櫛型アレイ電極701を利用した電気化学探知またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置が分析サイト132内に内蔵されている一実施の形態である。図4Eの分析サイトは、図2Aおよび図2Bの光学的な探知機が様々に変形され適用されることができる。
【0207】
図17のバイオディスクに対する主な工程の一実施の形態は次の通りである。
【0208】
<プレパレイション工程>
プレパレイションチャンバー130には、血から血清を抽出するためのチャンバーであって、プレパレイション工程の一実施の形態は次の通りである。
1)blood 10μl(EDTA、ACD Tube)をプレパレイションチャンバー130に設置されたサンプル注入口121を介して注入する。
2)バイオディスクを高速回転しながら、血清と血餠とを分離する。
3)バルブ152が開放され徐々にバイオディスクを回転し、チャンバー130の上層にある血清はラベルチャンバー142aに流入させる。
4)最後に、ディスク回転を止めてからバルブ152を閉じる。
【0209】
<抗原-抗体反応>
図17のラベルチャンバー142a内には、発色用粒子として金またはラテックス(latex)、または蛍光体、放射能同位元素が標識された抗体(antibody)が保存されており、分析サイト132内には基質または多孔性メンブレイン上にキャプチャー抗体(captureantibody)が固定されている。かかる工程は前記プレパレイション工程で抽出された血清内の抗原がラベルチャンバー142a内でラベル(label)標識された抗体と結合し、「ラベル-抗原の結合体」を形成した後、分析サイト132内で前記ラベル-抗原結合体とキャプチャー抗体(captureantibody)と間に抗原-抗体反応する工程に対する一実施の形態は次の通りである。
1)ラベルチャンバー142aに流入された抗原とラベル(label)標識された抗体との間に「ラベル-抗原の結合体」が形成されるよう1〜2分間インキュベーションする。
2)バルブ153を開放して徐々にバイオディスクが回転されながら、チャンバー142a内の「ラベル-抗原の結合体」が分析サイト132内に移動される。
3)ディスク回転が止まった後バルブ153を閉じる。
4)バイオティスクを室温で3〜5分の間に停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(captureantibody)間に抗原-抗体反応が起こるようにおく。
5)その次、ディスクが回転する間にバルブ150を開放し、チャンバー129の洗浄(washing)を添加して分析サイト132の洗浄を行なう。
【0210】
<Detection工程>
その後、拘束または離脱信号要素が沈着された予め決定されたところ(site)を検査するようプログラムされた前記光学、電気化学、キャパシタンスあるいはインピーダンス装置またはイメージセンサーを含む切替器と結合された探知機により、分析サイト132を読み取る。
【0211】
その後、前記読み取り結果に基づいた診断結果と処方がコンピュータモニター上に表示され、自動あるいは手動で該当の専門医師とインターネット網を介して遠隔接続され、前記診断データと結果および問診データが必要な場合は専門医師に遠隔転送される。以後、患者は専門医師の処方を待機する。
【0212】
図20は、前記プレパレイション工程、PCR工程、および混成化工程に必要なヒーターと電界発生装置に対する一実施の形態である。図19の図面符号960、961および962は電極パターンで構成されたヒーターである。
【0213】
電極パターン962は、単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わせられると垂直方向の電界を発生させるための電極板の役割も行なう。
【0214】
前記温度制御および電界制御は、制御部63により制御される。962はヒーターのための電極パターンであって、入力端子962a、962bに電圧を加え、電極パターン962に電流が流れるようにすることで、電極パターン962は抵抗線または熱線として作用する。
【0215】
制御部63は、電極パターン962の入力端子962a、962bに電流供給を行ない、温度センサー520により現の電極パターン962により発生した温度を測定し電流量の制御を行うことで、温度調節を行なう。また、電極パターン962を電極板963と組み合わせ電界発生するためには、電極パターン962の2つの入力端子962a、962bに同一電圧を印加して1つの入力端子として取り扱い、電極板963を他の電圧印加端子として扱うことにより達成される。すなわち、電極パターン962と電極板963との間に交流電圧が印加されて交流電界を発生する。DNAは、負電荷(negativecharge)を有しているので、制御部63による電極板963と電極パターン962との間に印加された交流電圧は電極パターン962と電極板963との間に交流電界を発生させることで、DNA混成化の強度調節(stringencycontrol)が可能になるだけでなく、SNP(Single Nucleotide Polymorphism)検知能力も向上される。
【0216】
SNP検知に対しては、先出願された韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)に詳細に例示されている。
【0217】
図19の温度センサー520は、精密な温度制御が求められるPCR工程のみ使用したが、温度検知が求められる工程全てに使用することもできる。
【0218】
バイオディスクがバイオドライブにローディングされれば自動分析を始める。しかし、サンプル注入口にサンプルが注入されないままローディングされる場合は再度イジェクト(eject)および/または警告メッセージをユーザに伝送する。
【0219】
前記サンプル注入したか否かは、プレパレイションチャンバー130内にインピーダンス測定装置を更に備えることにより確認できる。すなわち、サンプルが注入された場合と注入されない場合はインピーダンス特性が相異なるので、サンプルを注入したか否かが分かる。
【0220】
これに対する一実施の形態は、分析サイト132に使用した櫛型アレイ電極によるインピーダンス測定装置である。
【0221】
もし、バイオディスクによるサンプルを診断する間、または分析している間、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(eject)(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視した上で分析および診断を進行させる。この時、警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求する。
【0222】
パスワードが正確な場合、ユーザのイジェクト(eject)(un-loading)またはストップ(stop)の要求を受け入れる。
【0223】
診断および分析の完了時にはユーザのイジェクト(eject)要求を受け入れ、バイオドライバからバイオディスクを取り出す。
【0224】
また、無線RF IC188のメモリには数回使用したディスクの認知に対する情報や有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されている。
【0225】
つまり、使い捨てバイオディスクを使用している間、若しくは完了した時にイジェクト(eject)した時、カードIC188のメモリに、それに対する履歴(history)を記録しておいて、今後再びローディング(loading)した時に診断できないバイオディスクであることをユーザに通知する。
【0226】
また、有効期間が過ぎたバイオディスクに対しても診断できないバイオディスクであることをユーザに通知する。
【0227】
本発明の図21ないし図22の分析装置は、前記免疫分析(immuno assay)(免疫学的検証装置)と核酸プローブ(probe)反応分析とを同時に分析するために、バイオディスク上に同時配置することができる。170は、ディスクの中心孔隙である。
【0228】
図21は角方向(angular direction)として、抗原抗体反応のための免疫(immuno)分析セクターと、核酸プローブの反応分析のための分析セクターとが分離されものを示し、図22は距離方向(radialdirection)として、抗原抗体の反応のための免疫(immuno)分析セクターと、核酸プローブの反応分析のための分析セクターとが分離したものを示している。
【0229】
前記免疫分析(immuno assay)(免疫学的検証装置)と核酸プローブ(probe)反応分析とを同時に検査することで、病気分析の信頼度を増大させるだけでなく、適切な組合せにより分析地域(site)の数をも減らすことができる。
【0230】
図23および図24は、フロント(front)ローディング(loading)方式のバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態であって、751は前記バイオドライバ装置のケースであり、750はバイオディスク100をフロント(front)ローディングするためのトレー(tray)である。さらに、本発明のバイオディスクドライバ装置は、通常の光学(Optical)ディスク再生のための再生および探索ボタン745、停止ボタン746を有する。
【0231】
図23は、発光ダイオードを使用してバイオドライバ装置の進行状態を示す実施形態である。
【0232】
現にローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード741、現の分析経過を示す経過表示発光ダイオード742が備えられている。図面符号743は、通常の光学(Optical)ディスクがローディングされたことを示すための発光ダイオードである。発光ダイオードは、一実施の形態として他の標識装置が使用され得る。
【0233】
図24は、液晶表示装置760を用いてバイオドライバ装置の進行状態を示す実施形態である。
【0234】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率は、パーセント(%)、あるいはバーグラフ(bar graph)の形式で表示することができる。
【0235】
または、コンピュータモニターを用いてグラフィックユーザインターフェース(Graphic User Interface)および前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率を、パーセント(%)あるいはバーグラフ(bargraph)、パイグラフ(pie graph)形式で表示することができる。
【0236】
図25はトップ(top)ローディング方式のバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。説明符号750aは、トップローディングするためのカバー(蓋)であって、カバーを開いてターンテーブルにバイオディスクの孔隙170を挟めば良い。図面符号760は液晶表示装置である。
【0237】
図26は、既存のCDチェンジャー(changer)のように、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブル777a、777b、777c、777dを備えたバイオディスクドライバの上側図の一実施の形態である。この場合、4つのバイオディスクを順に一つずつ自動分析するか、4つのバイオディスクを一度に同時分析を行なうことができる。
【0238】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率をパーセント(%)、あるいはバーグラフ(bar graph)形式で表示することができる。
【0239】
または、コンピュータモニターを使って、グラフィックユーザインターフェース(Graphic User Interface)および主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率をパーセント(%)またはバーグラフ(bargraph)、パイグラフ(pie graph)形式で表示することができる。
【0240】
図27は図17の分析サイト132に対する一実施の形態である。901aは疏水性流路であり、901bは親水性コーティングされている親水性流路である。図面符号999は、分析サイト内に内蔵されたキャプチャー抗体(captureantibody)の固定された多孔性メンブレインであり、915aと915bは空気穴でバイオディスクの高速回転時に前記多孔性メンブレインの乾燥を容易にする。
【0241】
血清内の抗原がラベルチャンバー142a内でラベル(label)標識された抗体と結合して、「ラベル-抗原の結合体」を形成した後、バルブ153を開放すると「ラベル-抗原の結合体」が親水性流路901bに沿って移動し、分かれた流路(branch流路)を満たす。その後、バルブ153を閉鎖してバイオディスクを徐々に回転すると、分かれた流路の末端に位置していた有孔610a、610b、610cを通じて「ラベル-抗原の結合体」が多孔性メンブレイン999に流入し、キャプチャー抗体(captureantibody)間に抗原-抗体の反応が引き起こる。
【0242】
なお、本発明は、詳細な例と実施形態に基づいて説明しているが、必ずそれに限定されるものではなく、また、本発明の説明に加え、様々な変形および変化が可能であることは当業者であれば認知するのであろう。かかる変形も添付の特許請求範囲の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【0243】
【図1】バイオディスク中に設置された超小型ビーズを用いたバルブ装置が示されたバイオディスクの断面図である。
【図2】バイオディスク中に設置された超小型ビーズを用いたバルブ装置が示されたバイオディスクの断面図である。
【図3】バイオディスクとこれを制御するための制御用ディスク200の一実施の形態である。
【図4】図3のブラシ(あるいは導体ワイヤー)と環状電極間の摩擦接触により制御用ディスクに電源を供給するための連結部の一実施の形態である。
【図5】制御用ディスクの内蔵されたバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【図6】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図7】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図8】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図9】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図10】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図11】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図12】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図13】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図14】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図15】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図16】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図17】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図18】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図19】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図20】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図21】免疫学的な検証装置(immuno assay)と核酸プローブ(probe)の反応分析とを同時に分析するためバイオディスク上に同時配置した一例である。
【図22】免疫学的検証装置(immuno assay)と核酸プローブ(probe)の反応分析とを同時に分析するためバイオディスク上に同時配置した一例である。
【図23】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図24】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図25】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図26】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図27】親水性流路に連結された本発明の分析サイトに対する一実施の形態である。
【技術分野】
【0001】
本発明は新しいバルブ制御手段と流体移動システムを備えたバイオディスクを含んだバイオディスク装置、バイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関し、詳細には種々の診断分析装置、または核酸混成分析装置、あるいは免疫学的な検証装置などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)が設計配置されたバイオディスク、および該バイオディスクの制御を行うための制御部を含んだ制御用ディスクを備えたバイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本特許出願は、先出願された韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)と、韓国内特許出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2001年5月31日、10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2002年5月31日、PCT/KR02/01035)と、国内出願バイオディスクおよびバイオドライバ装置、およびこれを利用した分析方法(2002年3月27日、特許願第02-17558号)の引き続きである。
【0003】
前記の先出願された発明は、定量および定性析装置に利用することのできる核酸の相補的な二重鎖、一本鎖あるいは特定序列の二重鎖にのみ特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置を提供するだけでなく、ラボオンチップ(Lab On a Chip)に求められる流体の流れを制御するための超小型バルブ、この分析方法および装置がディスク上に集積されたバイオディスクおよびこれを駆動制御するためのバイオドライバを提供することを目的とする。
【0004】
また前記の先出願発明は、分析装置上の拘束信号要素または離脱信号要素は、光学、電気化学、キャパシタンスあるいはインピーダンス測定装置、またはイメージセンサーを含む切替器と組み合わされた探知機により読み出され、この読み出された情報がコンピュータソフトウェアの形でデジタル情報化されてインターネットなどの既存の通信網により送受信されることで、医師および患者両方に便利さを与えることのできる遠隔診断装置を提供することを目的とする。また、前記した先出願発明では、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置を含む切替器と結合された探知機の一実施の形態であって、離脱信号および拘束信号を用いた櫛型アレイ(Interdigitated Array)電極が例示された。
【0005】
本発明は前記先出願発明の引き続きで、各種の診断分析装置、核酸混成分析装置および免疫学的な検証装置に利用できる光学あるいは非光学バイオディスクおよびこれを駆動制御するためのバイオドライバの装置およびその方法に係わる。
【0006】
最近、流体内における少量の分析種探知のため大部分の臨床診断分析装置には、多重サンプルの準備および自動化された試薬添加用装置を設計し、並列または直列で数多くのテストサンプルを分析するための装置を設計することによって、効率性および経済性が改善された。係る自動化された試薬準備装置および自動化された多重分析機が単一装置に集積される。このような形態の臨床実験分析機は一時間以内に少量のサンプルと試薬をもって数百種の分析を自動または半自動で正確に行うことができる。
【0007】
しかし、このような分析機はその値段が高く、かつ中央集中した実験室と病院にしか購入でききない不都合がある。この場合、実験室と病院へのサンプル運送が求められ、たまには時間の迫られるサンプルを速かに分析できない問題がある。
【0008】
従って、かかる問題を克服するために、低価で、かつ誰しもが容易に扱うことのできる臨床分析装置が切に求められる。すなわち、専用探知機がなくても患者のそばであるいは家で使用することの適した自動化された臨床テスト装置が求められている。
【0009】
<OpticalディスクとNon-Opticalバイオディスク>
通常の光学ディスク(optical disc)は、12cmリカーボネート基板、反射金属層および保護ラッカーコーティングから標準コンパクトディスクが形成される。CDとCD-ROMのフォーマットはISO9660工業標準により記述される。
【0010】
ポリカーボネート基板は、光学品質の透明なポリカーボネートである。標準印刷または大量複製されたCDにおいて、データ層はポリカーボネート基板の一部であり、データは射出整形の工程の間にスタンパー(stamper)により一連のピット形に刻まれる。この射出整形の工程の間は溶融されたポリカーボネートがモールドに高圧下で注入され、以後には冷却されてポリカーボネートがモールドまたは「スタンパー」または「スタンプ」の鏡状の形態を有し、ディスク基板上の2進データを示すピットが生成されてマスタリング(mastering)工程の間に発生したスタンパーのピットの鏡状として、ポリカーボネート基板によって維持される。スタンプマスターは概してガラスである。
【0011】
通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)の読み取りセンサーは、物理的ピット(pit)による差等反射率または染料層の屈折率特性によってピットの有無を読み出すことができ、これは当該業者にとって公知の技術である。
【0012】
前述した通常の光学ディスクにおいて、CD上の物理的なピットによる読み取り方法は、CDの凹部はレーザー入射光線波の波長の1/8ないし1/4の深さであって、前記凹部は反射したビーム内で相殺的な干渉を引き起こして「ゼロ」値のビットに対応する一方、CDの平たい領域(凸部)はレーザービームを反射させ探知機の該当ビットに「1」値を提供する。
【0013】
また、光学ディスクにおいて、屈折率特性に基づいた読み取り方法を提供するための前述の染料層の材料に対する特許が米国特許5、580、696に発表されている。また、前記光学ディスクは回転軸によってディスクを回転させレーザースキャン(scan)により読み出す。
【0014】
しかし、かかる光学ディスクは、通常の光ピックアップ装置に光送信部と光受信部の両方がモジュール形態になって往復の光反射経路であるので、光経路(optical traveling path)が長くなるにつれ光受信部の感度が落ちてしまう短所がある。また、通常の光学ディスクは、光走査(laserscanning)方式の情報読み取りを行うために事前位置(predetermined location)への光ピックアップ装置移動とおよびディスク回転が必要であるという短所がある。さらに、かかる光学ディスクおよび光走査方式を用いたバイオ分析装置は、プローブ(probe)の屈曲などにより通常の光ピックアップ装置では読み取り難いという問題がある。
【0015】
一般的に、コンパクトディスク(Compact Disc)を使った分析装置に対する公知された技術として、Optical 「Confocal compactscanning optical microscope based on compact disc technology」(1991、Vol.30、No、10、AppliedOptics)、「Gradient-index pobjectives for CD applications」(April、1987、Vol 26、Issue7、Applied Optics)、そして「Miniature scanning optical microscope based on compactdisc technology」(Proc. Soc. Photo-opt. instrument Eng. 110、page1139-1169、1989)が論文に発表されている。
【0016】
また、公知のコンパクトディスクを使った分析装置に対する特許技術として、米国特許「Centrifugal Photometric Analyzer」(4、279、862、publication date Jul.21、1981)と、「ReactionTube Assembly for Automatic Analyzer」(4、141、954、publication date FEB.27、1979)が特許公開されている。
【0017】
また、ディスク上の注入口に注入されたサンプルを、遠心力を用いてディスク表面に流体膜の形成を施す装置として、ヨーロッパ特許「Disc for centrifuge」(GB1075800、publication date 1967.07.12)とディスク上の注入口に注入された流体サンプルを、遠心力を用いてチャネルとチャンバーに移動させながらサンプルを分離する装置として、ヨーロッパ特許「SeparatingDisks for centrifuge」(3、335、946、April 12、1965)が特許公開されている。
【0018】
また、ディスク上で遠心力と光学的な測定により化学分析する装置として、米国特許「disc centrifuge photosedimentometer」(4、311、039、Jan. 19、1982)が特許公開されている。
【0019】
しかし、これらは機械的あるいは物理的なバルブを揃えておらず、血から血清を分離する際に必須の高速回転の間に流体の流れを制御できない問題に起因して、診断と分析を自動化し切ることのできない短所があることから、ラボオンチップ(Lab On a Chip)構成には適合しない。
【0020】
これに比べて、本発明のバイオディスクの読み取りは、既存の光学ディスクの物理的なピット、あるいは染料層の屈折率特性による読み取り方式(差等反射式)とは相違に、光の透過率またはイメージセンサーによる読み取り、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定、または電気化学探知による読み取り方式を使用しつつ、流体を保存するためのチャンバー(chamber)あるいは流体の流れを制御するための流路とバルブがバイオディスク上に配置設計されている。本発明では、かかるバイオディスクを既存の光走査(laserscanning)によるピット(pit)に対する「差等反射式光学ディスク」と対比して非光学(non-optical)バイオディスクと呼ぶ。光学ディスクは反射金属層および染料層により前記の光透過および非透過による光学探知技術を適用することができない。
【0021】
本発明の明細書においては、非光学(non-optical)バイオディスクとは、分析サイトを読み取ったり、分析サイトを読みとることにおいて、光の透過式、キャパシタンスおよびインピーダンスの測定、またはイメージセンサー、電気化学探知による読み取り方式を用いるか、ディスクの回転なしに前記読み取り方式に基づいて分析サイトを読み取る方式を採用したバイオディスクのことを意味する。
【0022】
本発明の明細書において、光学バイオディスクとは、光送信部と光受信部とが共にモジュール形態になっているレーザー光ピックアップ装置を用いて、ディスクが回転する間、ディスク光走査(laser scanning)の差等反射式に基づいて物理的なピットあるいは染料層により形成されたピットを読み取るバイオディスクのことを意味する。
【0023】
前述したポリカーボネート基板は、バイオディスク(Bio Disc)のような流体内における少量の物質を診断および探知する薄膜形態の分析装置として変形改造することができる。この場合、射出整形の工程の間ディスク表面にピットおよび染料層の代わりに流体の流れる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液の保存できるチャンバー(chamber)を形成してもよい。このような薄膜内に形成された流路における流体の流れおよび流量を円滑に制御することのできる超小型バルブと、これを制御するための電子制御が求められている。また、本発明はシリコンウェハー上に半導体工程に基づいて、流体が流れることができる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液が保存されるチャンバー(chamber)が形成され、このようなシリコンウェハー上に形成された流路における流体の流れおよび流量を円滑に制御するための電子回路がシリコンウェハー上に高集積化されたバイオディスクも提供する。
【0024】
さらに、本発明において前記したポリカーボネート基板は、射出整形の後に超音波融着、またはUV(Ultra Viloet)接着剤、あるいは両面テープにより接着組み立てられることでバイオディスクが完成されることが好ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0025】
本発明は前述した問題点を解決するために案出されたもので、本発明の目的は、遠隔診断とサンプル診断、核酸分析および免疫学的検証することのできる光学、または非光学ディスクを用いたバイオディスク、およびバイオドライバの装置および方法を提供することにある。
【0026】
このような目的を達成するために本発明のバイオディスクは前記バイオドライバ内に設置された制御用ディスクにより制御される。前記制御用ディスクは、バイオディスクを制御するための各種の制御信号を供給するための制御部を備え、常にバイオドライバ装置に接続付着している。結果的には、バイオディスクのみがバイオドライブへの自在なローディング(loading)、または離脱(eject)が可能となる。
【0027】
本発明の他の目的として、前記バイオディスクおよび制御用ディスクが一枚のディスクで組み合わせられた構成を有する一体型バイオディスク装置および方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0028】
前述した技術的な課題を達成するために、本発明は、試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバー、および分析サイトの間に流体が流れることのできる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)と、を含み、前記バルブは、前記有孔に位置したマイクロビーズ(microbead)および前記マイクロビーズの上側に位置した永久磁石と、前記マイクロビーズの下側に位置した電磁石、または移動可能な永久磁石から構成されたことを特徴とするバイオディスクを提供する。
【0029】
本発明の明細書において、分析サイトは、バイオ物質がアレイされているという意味で、アレイチャンバー、または2つのバイオ物質間の特異的な結合あるいはリガンド(ligand)レセプターター(receptor)反応、あるいは混成化あるいは抗原―抗体反応が引き起こるという意味で、混成化チャンバーあるいは抗原―抗体反応チャンバーと混用される。
【0030】
本発明のバイオディスクにおいて、マイクロビーズが有孔の下に位置した場合、前記バルブは前記マイクロビーズの上端に位置した薄膜型永久磁石とマイクロビーズ間の吸引力により有孔が閉鎖され、前記マイクロビーズの下端に位置した電磁石あるいは移動可能な永久磁石とマイクロビーズ間の吸引力により有孔が開放され、マイクロビーズが有孔の上に位置する場合はその反対となる。マイクロビーズの上端に位置した薄膜型永久磁石は移動できないので有孔を常に閉鎖しており、これによってバイオディスクは流通中に常に閉鎖され、チャンバー内液体の漏れを防止することができる。
【0031】
本発明のバイオディスクにおいて、前記バルブの上下側の1つのみ永久磁石を使用するか両方とも永久磁石を使用することができ、両方の永久磁石を用いる場合は、好ましくは、前記移動可能な永久磁石は、通常のアドレス可能な光ピックアップ装置において光ピックアップモジュールの代わりにするか、共に装着されることを特徴とする。従来のバルブ手段は、マイクロビーズの上下側に2つの電磁石を用いて制御することによって電磁石の制御が複雑になり、電気の印加時に熱が多く発生する問題があった。しかし、本発明のバルブ手段は、2つのうち1つを永久磁石にし、残りの1つの電磁石のみで制御を行ったり、2つとも永久磁石を使用することによって熱が小さく発生し、値段も安価でかつ電磁石よりも強い磁力を有する長所がある。特に、移動可能な永久磁石を通常のアドレス可能な光ピックアップ装置に装着することによって、容易に希望するバルブ位置に移動させることができる。
【0032】
本発明のバイオディスクにおいて、前記マイクロビーズは磁力により動くことができ、いずれの材料も可能であり、有孔を開閉できるいずれの形も可能であるが、好ましくは、薄膜型の円柱磁石、またはクッション(Cushion)材料でコーティングされた薄膜型の円柱磁石であることを特徴とする。クッション材料として、ゴムなどのような弾性力のある高分子が使用でき、クッションにより有孔を完璧に閉鎖させることができる。
【0033】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバー、および分析サイトの間に流体が流れることができる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)とを含み、前記分析サイト内の基質は多孔性メンブレイン(membrane)であり、前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路であることを特徴とするバイオディスクを提供する。
【0034】
本発明のバイオディスクにおいて、前記多孔性メンブレインは、多数の気孔を含むいずれのメンブレインの材質でもあり得るが、好ましくは、NC(Nitrocellose)メンブレイン、ナイロンメンブレイン、および整列したナノチューブ(aligned nano tube)から構成された群のいずれか一つであることを特徴とする。本発明の多孔性メンブレインは、表面積を広くすることによってバイオ物質がさらに多く結合されて、感度(sensitivity)をより良好にすることができる。
【0035】
本発明のバイオディスクにおいて、前記親水性流路は、親水性物質が表面に存在するいずれの流路であることができるが、好ましくは、疏水性流路の表面を親水性アクリレイト、超親水性poly(N-isopropylacrylamide (PIPAAm)、またはZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2から構成された群で選択された光触媒としてコーティングしたり、プラズマ処理により表面改良(surfacemodification)処理して生成されたことを特徴とする。前記光触媒として、ZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2などと多数あるが、二酸化チタン(TiO2)は、地球上に最も多く存在する鉱物として、原料の値段が安価で、かつ安定的であり、人体に無害であるという長所がある。二酸化チタン(TiO2)光触媒表面に紫外線が照射されれば、水分子との接触角を5度以下に低め、水が完全に表面に広がってしまう超親水性の現象が現れる。ここで、親水性とは、表面に水を散らすとき、表面の水玉と表面との間の接触角が20度以下である場合であって、水の接触角が10度以下である場合には超親水性の現象が現れる。
【0036】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記親水性流路は、分析サイト内で一つ以上のブランチ(branch)流路に分かれ、前記ブランチ(branch)流路末端の有孔により多孔性メンブレインと連結されることを特徴とする。複数のブランチ流路が存在する場合には、分析サイト内のプローブが固定されたスポット(SPOT)の中央に位置することが好ましい。
【0037】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記分析サイトは、両側に前記多孔性メンブレインを乾燥させるための空気穴がさらに備えられたことを特徴とする。前記空気穴は、分析サイトの両側に位置し、ディスクの回転により自動に空気が吸引および排出されることによって、前記多孔性メンブレインを乾燥させることができる。
【0038】
本発明のバイオディスクにおいて、通常、前記流体移動は、バイオディスクの回転力よる遠心力と前記バルブの開閉によって制御される。しかし、前記分析サイト内の基質が多孔性メンブレインである場合、分析物質とプローブとの結合が多孔性メンブレインへの反応溶液の拡散(diffusion)により行われ、この際、拡散速度は、メンブレインの気孔サイズ(pore size)により決定される。もし、反応溶液をディスクの回転による遠心力により移動させると、拡散速度に変化が生じて分析物質とプローブの反応の一貫性のある再現の維持は難しくなる。かかる問題を解決するために、本発明は前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路として構成し、前記分析サイトへの流体移動は遠心力によらず、直前バルブの開放と共に親水性流路と反応溶液との親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により移動されることを特徴とする。ほとんどの反応溶液は親水性であるので、前記直前バルブの開放前には疏水性チャンバー流路に留まり、その後前記バルブの開放により親水性流路を介して前記分析サイトに流れ込むようになる。
【0039】
本発明のバイオディスクにおいて、前記バイオ物質はDNA、オリゴヌクレオチド(oligonucleotide)、RNA、PNA、リガンド(ligand)、レセプターター(receptor)、抗原、抗体、およびタンパク質(Protein)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0040】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記チャンバーは、血または細胞またはRNAからDNAサンプルを備えるための少なくとも一つ以上のプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、前記備えられたDNAサンプルをPCR(PolymerChain Reaction)増幅するための少なくとも一つ以上のPCRチャンバーおよび/または、ラベル標識子を保存するためのラベルチャンバーと、前記PCR工程に応じて増幅されたDNAと混成化(hybridization)するための分析および診断用プローブ(probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の混成化チャンバー(hybridizationchamber)および/または、洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする。
【0041】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記プレパレイションチャンバーには、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液と、抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っていることを特徴とする。ここで、粒子は、シリカ(silica)または、DNA結合タンパク質(binding protein)でコーティングされたマイクロビーズであることもできる。
【0042】
さらに、前記プレパレイションチャンバーは、粒子または強磁性体ビーズを使用せずに、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液のみで構成され、バイオディスクの回転による遠心力によりDNAサンプルを備えることもできる。詳細に、(1)溶解バッファー(lysisbuffer)溶液により脂質を含んだ細胞の膜成分が破壊され、タンパク質と核酸が溶解される。(2)ここで、エチルアルコール(エタノール)を加えると、DNAとRNAが白い模様の沈殿物が再度抽出される。(3)エタノールにより沈殿されたDNAを獲得するために遠心分離を行うと、プレパレイションチャンバーの末にDNAが偏り、プレパレイションチャンバーのトラッシュチャンバー側にバルブの開放後にディスク回転により上層液をトラッシュチャンバーに流すことにより、セルの残がいは分離除去される。それから、プレパレイションチャンバーに沈殿バッファーを投入してDNAとミキシングした後、DNAの全体のボリューム(volume)を増加させてから、前記(3)の過程を3回程度繰り返す。(4)その後、PCRチャンバー側に連結バルブを開放し、PCRチャンバーにDNAを移動させる。
【0043】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記PCRチャンバーは複数構成され、前記複数のPCRチャンバーそれぞれに相異なる種類のプライマーが入っているか、あるいは同一種類のプライマーが入っているか、または前記複数のPCRチャンバーそれぞれに複数のプライマーが入っていることを特徴とする。
【0044】
本発明のバイオディスクにおいて、前記チャンバーは、血または細胞から血清(serum)サンプルまたは抗原ないし抗体を備えるための少なくとも一つのプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、前記抗原ないし抗体と抗原-抗体反応を行うための免疫プローブ(immunoprobe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の抗原-抗体反応チャンバー(Ag-Ab reaction chamber)および/または、洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)から構成されたことを特徴とする。前記血清サンプルは、血漿サンプルであることもできる。
【0045】
本発明のバイオディスクにおいて、前記プレパレイションチャンバーは、ろ過用のフィルタを用いて血清サンプルを備えることもできるが、好ましくは、バイオディスクの回転により発生した遠心力によって血清サンプルを備えることを特徴とする。この場合、プレパレイションチャンバーの模様は、外周方向に深さ(depth)を有するビン模様であり、ビンの底から一定の高さ離れた位置にて次のチャンバーに連結される流路が形成される。したがって、ビン底に血餠が集まり、残りの血清のみ次のチャンバーに移動され得る。
【0046】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記プレパレイションチャンバーは、遠心分離により血清分離を容易にするために円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)形、またはフラスコ(Flask)形であり、前記形の首(neck)部分に次のチャンバーに連結される流路が形成されたことを特徴とする。この場合、遠心力により前記円周側の広い空間(前記円錐型ビーカーあるいはフラスコの底)に血餠が集まり、血清の分離が容易になる。
【0047】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記チャンバーは、ラベル(label)標識された抗体(antibody)を保存するためのラベルチャンバーをさらに備えることを特徴とする。
【0048】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記ラベル標識された抗体(antibody)のラベル標識は発色用粒子として金またはラテックス(latex)または蛍光物質あるいは放射能同位元素を有することを特徴とする。
【0049】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記免疫プローブ(immuno probe)アレイは、腫瘍マーカー(tumor marker)が基質に固定されたことを特徴とし、最も好ましくは、前記腫瘍マーカー(tumormarker)はAFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、およびCA15-3から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0050】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記免疫プローブ(immuno probe)は、心筋症標識因子のMyoglobin、CK-MB、Troponin I (Tnl)、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーのGS(GlutamineSynthetase)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする。
【0051】
本発明のバイオディスクにおいて、前記分析サイトは、光透過式の測定装置あるいは電気化学あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置(detector)により読み取られることを特徴とする。
【0052】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記光透過式の測定装置は、分析サイト内の拘束信号要素および離脱信号要素にレーザービームを入射されるレーザービーム装置とこの信号要素との間の差等的な光透過信号を探知する光学探知機(光受信部)から構成されたことを特徴とする。前記光透過式の測定装置は、従来の差等反射式の光学ディスクと区別される。
【0053】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記光透過式の測定装置は、少なくとも一つ以上の光学探知機(光受信部)が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする。さらに、前記少なくとも一つ以上のレーザー発生装置と一つ以上の光学探知機(光受信部)の両方が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする。
【0054】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記電気化学の探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、前記分析サイトの基質上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極と拘束信号要素の末端部にHRP(HorseRadish Peroxidase)および/または金属球の付着されたプローブから形成されたことを特徴とする。前記キャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、電圧発生および電流測定あるいは周波数発生装置、若しくは酸化還元反応により具現され、詳細には図9ないし図11に図示されている。
【0055】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記櫛型アレイ(interdigitated array)電極は、多孔性メンブレイン(membrane)上に表面コーティングにより具現されることを特徴とする。前記多孔性メンブレイン上の櫛型アレイ電極コーティングは、金コーティングであることが好ましい。固体基質の表面によりその表面積が広がるので、櫛型の感度は増加する。
【0056】
本発明のバイオディスクにおいて、前記イメージセンサーは、前記分析サイト内のプローブに結合されたラベル(発色粒子)を撮影するための蛍光フィルタが搭載されたり、そうでないCCD(Charge Coupled Device)あるいはCMOSセンサーから構成されたことを特徴とする。ここで、蛍光フィルタは、選択事項であって、センサーの前に搭載され得る。
【0057】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記分析サイトは、免疫分析(immuno assay)と核酸プローブ(probe)分析とを同時に分析するために、角方向(angular direction)または距離方向(radialdirection)で免疫分析セクターきて、核酸プローブ(probe)分析セクターとが分離されたことを特徴とする。
【0058】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、サンプル注入の有無判別のために、前記プレパレイションチャンバー内にインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーをさらに備えることを特徴とする。前記インピーダンス測定装置は、櫛型アレイ電極によることを特徴とする。プレパレイションチャンバーには、適量の血(あるいはサンプル)を注入すべきであり、ユーザが血を注入しないままバイオディスクを動作してはいけない。この場合を予防するために、イメージセンサーでバイオディスクの動作開始の直前にプレパレイションチャンバーを観察し、適量のサンプルがプレパレイションチャンバーに注入完了された状態であるかをチェックすることができる。
【0059】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記バイオディスクの本体は、上部基質、中間基質、下部基質から構成されて超音波融着またはUV(Ultra Violet)接着剤あるいは両面テープにより接着組み立てられ、一体の本体を形成することを特徴とする。前記中間基質により有孔とバルブの位置が決定づけられる。
【0060】
本発明のバイオディスクにおいて、好ましくは、前記バイオディスクは、バイオディスクのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取りのための標準制御値、あるいは分析サイト(site)に対する位置情報、生物情報学情報、自己診断(self diagonasis)に関した情報、あるいは装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報、診断結果に従った専門医師および病院と遠隔に接続できるウェブサイトと、各種のリンクあるいは個人暗号化情報が保存するためのメモリあるいは保存手段または無線RFICをさらに備えたことを特徴とする。
【0061】
本発明のバイオディスクにおいて、前記分析サイトの定量分析による判読結果を履歴管理する統計ソフトウェアおよび保存手段をさらに備えることにより定期的な追跡診断に対する情報をユーザに提供することを特徴とする。これは、分析サイト内のプローブが腫瘍マーカーである場合に有利である。
【0062】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、バイオディスクと、前記バイオディスクに必要な電源または制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、前記バイオディスクと、制御用ディスクとの間を接続するためのインターフェース部を備えたことを特徴とするバイオディスク装置を提供する。
【0063】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記インターフェース部は、制御信号を供給するための複数の制御信号接続部および/または、電源供給のための電源接続部を備え、バイオディスクと電気的に接続されることを特徴とする。もっとも好ましくは、前記インターフェース部は、バイオディスク上の導体でコーティングされた連結溝と制御用ディスク上の導体アームが互いに接続して形成されたことを特徴とする。
【0064】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御するための電磁石または移動可能な永久磁石をさらに備えたことを特徴とする。
【0065】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記バイオディスクと制御用ディスクとの間の高さ間隔は、0.1〜2mmであることを特徴とする。この高さ間隔において、磁力によるバルブ制御が円滑に行われる。
【0066】
本発明のバイオディスク装置において、前記制御用ディスクへの電源供給は、外部電源装置と接続されたブラシあるいは電気的な接触により行われることを特徴とする。本明細書では、ブラシは、導体ワイヤーを含む概念として理解される。
【0067】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、PCB(Printed Circuit Board)あるいはシリコンウェハー上に集積された回路により構成されたことを特徴とする。
【0068】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記制御用ディスクは、前記探知装置によって獲得された前記分析サイトに対する読み取り結果を、赤外線、光、または無線インターフェースを介して外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置へ送るための非接触インターフェースをさらに備えたことを特徴とする。
【0069】
本発明のバイオディスク装置において、好ましくは、前記バイオディスクと制御用ディスクとが組み合わされて、一体型のバイオディスクで構成されることを特徴とする。この場合、前記一体型のバイオディスクは、シリコンウェハー材料を使って前記制御部、無線RF IC、非接触インターフェース、前記バルブ制御のための電極板または電磁石および各種回路パターンを含んだ電子回路および前記チャンバーおよびチャンネルを、シリコンウェハー上にフォトリソグラフィー(photolithography)およびエッチング工程に基づいてモノリシック(monolithic)形態の集積回路(IntegratedCircuit)で設計したことを特徴とする。
【0070】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、本発明によるバイオディスクに必要な電源あるいは制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、前記ディスクを回転させるためのモーターと、前記制御用ディスク上の制御部に電源供給を行うための電源供給手段と、前記制御部の制御信号および/または電源信号を前記バイオディスクに供給するためのインターフェース部と、バイオドライバを保持している本体と、を含むバイオドライバ装置を提供する。
【0071】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルをさらに有し、前記制御用ディスクは前記ターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御する電磁石あるいは移動可能な永久磁石を備えたことを特徴とする。
【0072】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記電源供給手段は、環状の電極とブラシとの接触によってプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地されたモーター本体、または接地されたモーター軸との電気的な接続を介して制御用ディスクへ供給することを特徴とする。
【0073】
本発明のバイオドライバ装置において、前記分析サイトを読み取るためのイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置をさらに備えることを特徴とする。
【0074】
本発明のバイオドライバ装置において、前記制御用ディスクは、分析サイトに対する読み取り結果を外部の中央制御装置または保存あるいは入出力装置に伝送したり、前記中央制御装置からの命令を受けるための非接触インターフェース手段をさらに備えたことを特徴とする。さらに、前記分析サイトに対する読み取り結果は、遠隔通信網により外部のコンピュータに伝送されることもでき、この場合、遠隔診断できる。
【0075】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、中央制御装置および保存あるいは入出力装置が設計されている回路基板が、前記バイオドライブ本体に繋ぎ締結されており、前記中央制御装置は前記バイオディスクおよび制御用ディスクの回転あるいは停止時にモーターを回転あるいは停止させることを特徴とする。
【0076】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記入出力装置は、USB(Universal Serial Bus)あるいはIEEE1394、またはATAPI、またはインターネットの通信規格を有することを特徴とする。
【0077】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、音楽CD、CD-R、ゲームCD、およびDVDから構成された群の選択された通常の光学(Optical)ディスクを読み取るするための光ピックアップ装置をさらに備えたことを特徴とする。
【0078】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置にローディング(loading)されたディスクが、通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスクであるか、バイオディスクであるかを前記制御部が読み取るためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段をさらに備えることを特徴とする。
【0079】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記光ピックアップ装置が、バイオディスク上における特定位置にグルーブパターン(groove pattern)、またはデータパターンを読み取って、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識するようにすることを特徴とする。
【0080】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記中央制御装置は、通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスクであるかを判断して、通常の光学ディスクであれば、ディスクから読み取った内容を前記光ピックアップ装置から保存装置あるいは出力装置に伝送したり、使用すべき内容を光ピックアップ装置に伝送して、読み取り/書き込み(Read/Write)に必要な各種の制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクであれば、バイオディスクを制御するための各種の制御命令信号を非接触インターフェースを介して伝送することを特徴とする。
【0081】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、バイオディスクのローディング(loading)時点において、バイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して、前記中央制御装置にバイオディスクが新たにローディングされたことを無線送信するよう行うことによって、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置に認識させることを特徴とする。
【0082】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオディスク上のプレパレイションチャンバーにサンプルの未注入のままバイオディスクがローディングされた場合、イジェクト(eject)されたり警告メッセージをユーザに伝送することを特徴とする。
【0083】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、サンプルの診断中または分析中に、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視したまま分析および診断を進行しつつ、選択事項として警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求し、パスワードが正確な場合のみユーザのイジェクト(un-loading)あるいはストップの要求を受け入れることを特徴とする。
【0084】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、バイオディスク装置が何回使用したディスクであるかに対する情報および有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されているメモリ手段をさらに備えて、バイオディスクのローディング(loading)時ごとに、ユーザに診断可能であるか否かおよび前記情報が分かるよう提供することを特徴とする。
【0085】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置は、通常光学ディスクを再生するための再生および探索ボタン、停止ボタン、および現在のローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード(LED)を備えたことを特徴とする。
【0086】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバ装置は、液晶表示装置またはモニター表示装置を具備して、バイオドライバ装置の主要な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化反応工程あるいは抗原-抗体反応)および段階にともなう進行率をパーセント(%)、バーグラフ(bar graph)、またはパイグラフ(piegraph)形式で表示することを特徴とする。
【0087】
本発明のバイオドライバ装置において、好ましくは、前記バイオドライバを保持している本体は、バイオディスクのトップ(top)ローディングあるいはフロント(front)ローディングを許容することを特徴とし、さらに、前記バイオドライバは、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブルを備えたことを特徴とする。
【0088】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、血または細胞あるいはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程段階と、備えられたDNAサンプルを増幅するためのPCR工程段階と、前記PCR工程に基づいて獲得されたDNAを分析サイトにアレイされた分析および診断用プローブ(probe)と混成化するための混成化(hybridization)工程段階と、分析サイト内の切断可能な信号要素を光透過式の測定装置、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知機によって読み取る段階と、を含む、本発明にかかるバイオディスクを利用した核酸分析方法を提供する。
【0089】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記プレパレイションコンジョンは、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、セル(cell)から抽出されたDNAを前記粒子あるいは強磁性体ビーズに沈着させるためのインキュベーション(incubation)段階と、前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させてから、徐々にバイオディスクを回転しつつ、セル(cell)が破壊される時に生じた残がい(debris)をトラッシュチャンバーに洗い流す段階と、前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱あるいは再懸濁(resuspension)させる段階と、を含むことを特徴とする。
【0090】
さらに、前記プレパレイション工程には、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、セル(cell)から抽出されたDNAを前記バイオディスクによる遠心分離によってDNAを分離する段階を含むことを特徴とする。その一例として、セルの溶解のために、硫酸ドデシル(SDS:dodecylsulfate)という試薬を入れるが、このSDSは、洗剤のようなもので、界面活性剤とも呼ばれる。このようにすると、脂質を含んだ細胞の膜成分が破壊され、タンパク質と核酸が溶解し始める。このとき、フェノール(phenol)という試薬を入れるが、フェノールは、タンパク質を変性させる作用を有する。その後、遠心分離あるいはDNAと親和力(affinity)を有する強磁性体ビーズによりDNA、RNAを含んだ核酸を獲得することができる。
【0091】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記PCR工程は、バイオディスクを徐々に回転しつつ、前記プレパレイション工程に応じて獲得されたDNAを前記PCRチャンバーに移動させる段階と、前記PCRチャンバーへのDNA移動が完了される後、PCRチャンバー内に内蔵されているヒーターと温度センサーを利用してPCRサイクル(cycle)を数回繰り返してDNAを増幅させる段階と、を含むことを特徴とする。
【0092】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記PCR工程の後に、バイオディスクを徐々に回転しつつDNAseをPCRチャンバーに流入させる段階と、高温で加熱してDNAseの機能を停止(インキュベーション停止)および一本鎖のDNAを作る段階(denaturingstep)と、を含むフラグメンテーション(fragmentation)工程をさらに含むことを特徴とする。
【0093】
本発明の核酸分析方法において、好ましくは、前記複数のPCRチャンバーごとに一対一に対応した独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)を置いてフラグメンテーション(fragmentation)することによって、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーション(fragmentation)が可能になることを特徴とする。
【0094】
本発明の更なる目的を達成するために、本発明は、バイオディスクを高速回転しつつ、血から血清ないし抗原を分離する段階と、バイオディスクを回転しつつ、前記ラベルチャンバーに抗原を流入させた後、抗原とラベル標識された抗体(antibody)との間に「ラベル-抗原の結合体」を形成するよう1〜2分の間にインキュベーションする段階と、前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階と、バイオティスクを停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階と、洗浄バッファー(washingbuffer)を添加して分析サイトを洗浄する段階と、を含む本発明にかかるバイオディスクを利用した免疫分析方法を提供する。
【0095】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階は、前記分析サイト直前のバルブを開放すると共に遠心力によらず親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により「ラベル-抗原の結合体」を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに「ラベル-抗原の結合体」を流入させることを特徴とする。
【0096】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記「ラベル-抗原の結合体」と多孔性メンブレイン上のキャプチャー抗体(captureantibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階の後に、ディスクを高速回転することによって、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする。これは、多孔性メンブレインが飽和されていれば、洗浄バッファーが流入されないことから、洗浄バッファーを流入させるためのものである。
【0097】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記乾燥段階の後に、前記分析サイト直前のバルブを開放して、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により洗浄バッファー(washing buffer)を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに洗浄バッファーを流入させ分析サイトを洗浄することを特徴とする。
【0098】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記洗浄段階の後に、ディスクを高速回転することにより、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする。この乾燥は、ディスクの回転に応じて分析サイトの両側面に形成された空気穴を介した空気の出入りにより行われる。
【0099】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記分析サイト内の抗原-抗体の反応結果を読み取るためにイメージセンサーによる撮影段階をさらに含むことを特徴とする。前記撮影のためのイメージセンサーとして、抗原―抗体の反応結果である発色粒子を撮影するための通常のCCD(ChargeDoupled Device)あるいはCMOSセンサーを使用することができる。
【0100】
本発明の免疫分析方法において、好ましくは、前記抗原-抗体の反応結果を問診データとともに専門医師に遠隔伝送する段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【0101】
以上説明した通り、本発明の光学または非光学ディスクを利用したバイオディスクおよびバイオドライバの装置および方法は、各種の診断分析装置、核酸混成分析装置、および免疫学的な検証などを含むラボオンチップ(Lab On a Chip)構成に適する。特に前記バイオドライバ装置および方法は前記バイオディスクの読み取りだけでなく、通常のCD-ROMおよびDVD読み取り機など、光学ディスク装置と互換性があることから通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどのような通常の光学ディスク(OpticalDisc)の読み取りおよび再生機能も兼ねていることから、コスト競争のみならず使用上において数多い便利性を提供する。また、前記バイオドライバ装置は、コンピュータに接続され既存のインターネット網を用いて遠隔診断を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0102】
以上、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明の技術的な思想を容易に実施できる程度で詳説するために、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【0103】
本発明のバイオディスク上に設置されたラボオンチップ(Lab On a Chip)の流体の流れ、または流量を制御するためのバルブは、バイオディスクの上側または/および下側に設置された電磁石あるいは永久磁石によって形成された磁力で動く超小型ビーズ(microbead)をバイオディスク内に具備し流路を開閉する。これは先出願された韓国内特許「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(2002、05、31、PCT/KR02/01035)に詳細に例示されている。
【0104】
本発明の望ましい実施例において、前記超小型ビーズは、例えば磁石球(magnet ball)、強磁性体金属粒子、像磁性体粒子、反磁性体粒子、ステンレス金属球などのような物質を含む。また、前記超小型ビーズは、固体金属であるかプラスチック、ガラスビーズ等から形成され得ると共に、その上に金属コーティングまたはゴムのようなクッション(Cushion)材料コーティングから行われる。さらに、金属球は合金であることもできる。また、前記超小型ビーズは、電荷を有することができ、この時に電磁石の代わりにバイオディスクの上下面に配される電極板を使用する。電極板に加えられた電圧の方向に応じて電荷を有するビーズが有孔を開閉する。前記超小型ビーズの直径は1μmないし1mm範囲内にあって、望ましくは100μmないし5000μmが適している。前記ビーズの大きさが大きくなれば接触面は増加し、開閉に対する信頼度は増加する。また、本発明では、前記超小型ビーズは球形であるが、薄膜型円柱の永久磁石または薄膜型四角形の永久磁石であることが好ましい。前記薄膜型の永久磁石厚さは0.1mm〜0.5mmであることが好ましい。
【0105】
前記電磁石のための捲線の直径は0.01mm〜0.5mmであることが好ましい。
【0106】
図1および図2は、バイオディスク100の中に設置された薄膜型円柱の永久磁石を利用したバルブ装置を示すバイオディスク断面の一例である。
【0107】
前記バイオディスク100は、上部基質1、中間基質2、下部基質3からなり、それぞれの射出整形工程の間に基質表面に流体が流れることのできる流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液を保存できるチャンバー(chamber)と、前記流路を連結させる有孔を複数形成している。これは互いに密着付着して、一つのバイオディスク100本体を形成する。
【0108】
図1は、前記薄膜型の円柱永久磁石70aにより有孔10が詰まっており、流路16aが遮断された場合であり、図2は、有孔10がオープンされ流路16aが連結されたものを示している。図1で示すように有孔10を閉じて流路を遮断させようとする場合、下側の電磁石5aをオフすれば上側の永久磁石4aにより前記薄膜型の円柱永久磁石70aが上方に引っ張られて、有孔10は閉じられる。即ち、上側の永久磁石4aと薄膜型の円柱永久磁石70aとの間には引力が発生しバルブが閉鎖される。その一方、図2で示すように有孔10をオープンし前記流路を連結させれば下側電磁石5aは薄膜型の円柱永久磁石70aを下方に引き寄せる方向に向かって電源を印加する。つまり、下側の電磁石5aと薄膜型の円柱永久磁石70aとの間には引力が発生するよう電源の印加を行う。
【0109】
本発明の電磁石5aは、薄膜型の電磁石またはbobbinless coilまたは移動可能な永久磁石が好ましい。また、本発明は流体移動のため、ディスクに狭い流路(channel)16aが形成されていることから、流体が圧力を受けず円滑に流路に流れるべく排気口12が上部基質1に形成されている。
【0110】
図3は、分析に必要な種々のバッファー溶液を保存し、多様な化学工程を行うためのチャンバー(chamber)と処理された流体、およびバッファー溶液を移動させるための流路、この流路の開閉を制御するための前記バルブ装置の含まれたラボオンチップ(LabOn a Chip)が配置されたバイオディスク100と、これを制御するための制御用ディスク200、およびバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【0111】
本発明のバイオディスク100は、プラスチック、PMMA(Polymethylmethacrylate)、ガラス、雲母(mica)、シリカ(silica)、シリコンウェハーなどといった様々な材料から選択されることができる。しかし、プラスチックが経済的な理由、また加工の容易性のことで最も好ましい。使用可能なプラスチックではポリプロピレン(polypropylene)、ポリアクリル酸塩(polyacrylate)、ポリビニルアルコール(polyvinylalcohol)、ポリエチレン(polyethylene)、ポリメタクリル酸メチル(polymethylmethacrylate)、およびポリカーボネート(polycarbonate)がある。ポリプロピレンとポリカーボネートが好ましく、最も好ましくはポリカーボネートである。
【0112】
バイオディスク100は、上部基質1と中間基質2および下部基質3から構成され、それぞれは射出整形の工程の間基質表面に流体が流れることのできる前記流路(channel)およびバッファー(buffer)溶液を保存することができるチャンバー(chamber)と、前記流路を連結する有孔を複数形成している。
【0113】
これらは互いに密着付着して、一つのバイオディスク100本体を形成し、これは韓国内の特許出願「超小型ビーズを用いた薄膜バルブ装置および制御方法」(2001年5月31日、10-2001-0031284)およびPCT出願「超小型ビーズを利用した薄膜バルブ装置および制御方法」(2002年5月31日、PCT/KR02/01035)に詳細に例示されている。
【0114】
制御用ディスク200は、プラスチック、PMMA、ガラス、雲母、シリカ、シリコン、PCB(Print Circuit Board)などの多様な材料から選択され得る。しかし、本発明ではPCB材料とシリコンウェハーの材料が回路設計の容易性のことから最も好ましい。
【0115】
バイオディスク100は、上部基質1と中間基質2および下部基質3が積層によって形成されている。薄膜型の円柱磁石70a、70b、70cは、それぞれ永久磁石4a、4b、4cと電磁石5a、5b、5cから形成された磁力によって独立に開閉制御される。120はサンプルを注入するためのピペット(pipette)または注射器またはサンプル注入手段を示し、121はサンプル注入口であり、170はディスク中心の孔隙を示し、図面符号130は血または細胞からDNAサンプルまたはRNAからR-T(ReverseTranscription:逆転写)によるDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparationchamber)であり、131はPCR(Polymer Chain Reaction)工程を行うためのPCRチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程のためのチャンバーで前記PCR工程により増幅されたDNAを分析および診断するためのキャプチャーローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着している分析サイト(assay)であり、133は洗浄工程により生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0116】
図面符号140は、前記PCR工程に必要なポリメラーゼ(polymerase)、プライマー(primer)を始めとする各種の酵素(enzyme)を有するバッファー溶液を含んでいるチャンバーであり、141、142および143は前記混成化工程に求められる各種酵素を含んだチャンバーである。
【0117】
前記それぞれの工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点でのバルブの開閉制御は、制御用ディスク200上に設けられた電磁石5a、5b、5cに印加された電流のオン/オフ制御によって行われ、流体の移動はディスクの回転力の遠心力による。
【0118】
図面符号55は、モーター102の軸方向に固定連結された環状の電極で表面が導体物質によりコーティングされており、モーター102の軸とは電気的に絶縁されている。
【0119】
図面符号110は、電源部への直流電圧の供給を行う。マイナス(-)端子はモーター102本体に連結され接地される。プラス(+)端子はブラシ108、109に連結されて環状電極55にプラス(+)電圧の供給を行う。
【0120】
環状電極55とブラシ(あるいは導体ワイヤー)108、109との間に摩擦接触により、制御用ディスク200上の制御部63および無線送信または送受信、あるいは受信装置107にプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地連結したモーター102の本体に連結されたモーター軸57と連結部210を介して制御用ディスク200へ供給される。
【0121】
図面符号240、241は、それぞれ制御用ディスク200のプラス(+)電源とマイナス(-)電源に連結された電源端子である。
【0122】
図面符号181は、バイオディスク100搭載するためのターンテーブル(turn table)であって、ディスクの中心孔隙170を介してターンテーブルにローディングされる。一方、制御用ディスク200は、ターンテーブル181に固定結合される。ターンテーブルに固定結合された制御用ディスク200と、ターンテーブルにローディングされたバイオディスクとの間に1mm前後の間隔182が保たれる。
【0123】
図面符号188は、メモリ内蔵型の無線RF ICであって、ラボオンチップ(Lab On a Chip)のためのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取りを行うための標準制御値、および分析サイトに対する位置情報、生物情報学(bioinformatics)情報、自己診断(selfdiagonasis)に関連する情報を有する。また、バイオドライバの装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報を含むことで改造され得る。さらに、診断結果に基づく専門医師および病院と連携できるウェブサイトと様々なリンクを含むことができる。また、個人暗号化情報を保存することができることから、他人の使用を予防できる。
【0124】
前記無線RF IC188は、スマートICカードの形態であることが好ましい。前記無線RF IC188情報は、無線送受信を介して中央制御装置101に提供され、個人暗号化のため活用される。
【0125】
図面符号240aおよび241aは、それぞれバイオディスク100上の電源連結部であって、導体で表面コーティングされており、電源端子240、241と連結してバイオディスク100上への電源を供給する。
【0126】
図4は、図3のブラシ108、109と環状電極55との間の摩擦接触により環状電極55へ供給されたプラス(+)電源を制御用ディスク200に供給するための連結部210であって、制御用ディスク200に連結されプラス(+)電源を供給する。
【0127】
モーター102の本体は接地されており、モーターに連結しているモーター軸57も結果的には接地されている。モーター軸57は、穴203を通じて制御用ディスク200の中心部に連結されてマイナス(-)電源を供給する。
【0128】
図5は図3のバイオディスク100を制御駆動させるために、図3の制御用ディスク200がターンテーブル181に固定結合され内蔵されたバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【0129】
制御用ディスク200上のプラス電源とマイナス電源は、電源端子240、241を介してバイオディスク100に連結供給される。プラス電源端子240とマイナス端子241の一方の末端部は制御用ディスク200のプラス電源とマイナス電源に連結固定され、他の末端部はバイオディスク100ローディング時にバイオディスク100上に導電体で表面コーティングされている電源連結部2400a、241aとそれぞれ密着連結されている。
【0130】
回転している制御用ディスク200上の制御部63に電源を供給するためのブラシ109、108と、それに電源供給を行うための電源装置110、300はバイオドライバを保持している本体である。バイオドライブの下面には回路基板140がバイオドライブ本体300に繋ぎ締結されており、回路基板上にバイオドライバを制御するための中央制御装置101、および保存装置または入出力装置111が回路基板140上に配置して設けられている。中央制御装置101は、ディスク100、200の回転または停止のためにモーター102を制御するだけでなく、光ピックアップモジュール装置103の移動を制御する。
【0131】
また、中央制御装置101は、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクが通常の光学ディスク(Optical disc)(例:音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスク100であるかを判断し、通常の光学ディスクの場合、ディスクから読み込んだ内容を光ピックアップモジュール装置103から保存装置または入出力装置111へ伝送するか、書き込むべき内容を光ピックアップ装置103に伝送し、再生/記録(Read/Write)に必要な様々な制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクの場合、ラボオンチップ(LabOn a Chip)制御のための様々な制御命令信号を制御用ディスク200に位置した非接触インターフェース106、107を介して命令若しくは無線RF IC188を介して伝送する。
【0132】
前記制御命令が伝達された制御用ディスク200の制御部63は、ラボオンチップ(Lab On a Chip)を制御するための様々な制御信号を供給し、バイオディスクにおけるバルブの開閉を制御するため制御用ディスク200上の電磁石5a、5b、5cの電源のオンオフを制御してバルブの開閉を制御する。制御用ディスク200上の電磁石5a、5b、5cは、バイオディスク100と最も隣接しているのでバイオディスク内に内蔵された薄膜型の円柱磁石70a、70b、70cに反発力と引力を効率よく発揮できる。ターンテーブルに固定結合された制御用ディスク200とターンテーブルにローディングされたバイオディスクとの間には1mm前後の高さ間隔182がある。
【0133】
本発明において、好ましくは前記バイオドライバにローディング(loading)されたディスクが通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスク(Optical Disc)であるか、バイオディスクであるかを前記制御部が判断するためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段を更に備えている。
【0134】
本発明において、望ましくは前記光ピックアップモジュール装置がバイオディスク上の特定位置にグルーブパターン(groove pattern)あるいはデータパターンを読み取って現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識できることを特徴としている。
【0135】
本発明において、好ましくはバイオディスクのローディング(loading)時点でバイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して前記中央制御装置にバイオディスクが新しくローディングされたことを無線送信することによって、現在のバイオドライバにローディングされたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識できることを特徴とする。
【0136】
部材番号106および107は各々非接触インターフェースのための受信部または送信部、または送受信部である。
【0137】
バイオディスク100上の光学、電気化学、キャパシタンス、またはインピーダンス装置あるいはイメージセンサーを含んでいる切替器によって獲得された分析サイト132に対する読み取り結果を、非接触インターフェース106、107の赤外線インターフェースあるいは光インターフェース(optical interface)、または無線インターフェースを介して中央制御装置101あるいは保存装置、または入出力装置111に伝送したり、バイオディスク100上に内蔵された無線RFIC188によりバイオディスク100上の光学、電気化学、キャパシタンス、またはインピーダンス装置を含んでいる切替器によって獲得された分析サイト132に対する読み取り結果を無線送受信手段により外部の中央制御装置101または保存装置、あるいは入出力装置111に伝送したり、回路基板140上に設けられたイメージセンサー144により獲得された分析サイトに対するイメージ情報を中央制御装置101または保存装置あるいは入出力装置111に伝送する。
【0138】
図6は光学装置を含んでいる切替器により前記分析サイトの読み取り方法を光透過式で具現した一実施の形態である。
【0139】
図6の左側は前記バイオディスクに拘束信号要素557が基質表面上に残っている場合であり、右側は拘束信号要素557が大部分離脱除去されて、離脱信号要素を提供する場合を示している。
【0140】
光学分析読み取り装置99a、99bが前記拘束信号要素および離脱信号要素に入射されるレーザー発生装置99aと光の透過程度を探知する光受信部99bにより備えられたことの一実施の形態である。図面符号555は、光受信部99bを読み取るための透明開口部である。
【0141】
図7には分析サイト132に対する光透過方法において光受信部99bを上部基質1に集積化させた一実施の形態が示されている。光学分析読み取り装置99a、99bが前記拘束信号要素および離脱信号要素に入射されるレーザービーム発生装置99aと光透過率を探知する光受信部99bからなる一実施の形態である。この場合、複数の分析サイトに対しては一対一に対応して、光受信部99bがアレイ状で配列されている。このような配列方式は通常の光ピックアップ装置103に1つの光送信部と、1つの光受信部が共に光ピックアップモジュールの形態からなっていることと区別される。このような光ピックアップモジュールの形態は加えられる分の光反射経路であるので、光経路(opticaltraveling path)が長くなり、光受信部の感度が落ちてしまうという短所がある。左側の図は前記バイオディスクに拘束信号要素557が基質表上に残っている場合であり、右側の図は拘束信号要素557がほとんど離脱除去され離脱信号要素を提供する場合を示す。
【0142】
図面符号555は光受信部99bを読み取るための透明開口部である。
【0143】
図8は光受信部99bのアレイ(array)がバイオディスクの円周方向に向かって配列内蔵されたバイオディスクの一実施の形態である。バイオディスクの回転により、バイオディスクに内蔵された複数の分析サイトごとに一対一に対応した光受信部99bにより順次読み取ることが可能である。
【0144】
図9ないし図13は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的信号の探知を基質701上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703と末端部に金属球40あるいはHRP(HorseRadish Peroxidase)41が付着したプローブにより具現された電気化学探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。また、既存の免疫クロマトグラフの技法(immunochromatographic reaction)に主に使われる抗原-抗体反応を用いた電気化学探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。基質701は、多孔性メンブレイン(membrane)上に櫛型アレイ電極が表面コーティングされたことが好ましく、前記多孔性メンブレインは、NC(NitroCellulose)またはナイロンメンブレイン、あるいは整列されたナノチューブ(nanotube)が好ましい。
【0145】
図9は、櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703により備えられた電気化学探知機、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。
【0146】
制御部63からいずれの帯域幅を有する交流信号を櫛型アレイ電極の2つの端子704、705に加えて、周波数応答特性を測定することによりキャパシタンスおよびインピーダンス測定が可能である。また、H2O2溶液下HRP(HorseRadish Peroxidase)による酸化還元反応(REDOX反応)より有機された電圧および電流を制御部63が測定することにより、電気化学の探知が可能である。前記櫛型アレイ電極による測定装置は、先出願された韓国特許出願「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日10-2001-0003956)およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日PCT/KR02/00126)に開示されている。
【0147】
図10ないし図11は、バイオディスク100に設置された分析サイト132により発生した分析種特異的な信号の探知を基質701上に配された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703とHRP(HorseRadish Peroxidase)41が付着したプローブにより具現された電気化学探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態である。酸化および還元の連鎖反応により発生した電子によって櫛型アレイ(interdigitatedarray)電極702、703に電流および電圧が有機される。
【0148】
櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703の桁(digit)個数が増加すればするほど探知機の感度は増加する。
【0149】
分析サイト132は、基質701の表面がアミン処理されてから、ビオチン(biotin)50標識の切断可能な信号要素が基質表面に直接に接しないよう、反応性のない分子(例:(CH2)n:alkane chain)の単分子層(monolayer)を表面に形成した後、ビオチン50標識された切断可能な信号要素を表面に沈ませて備えることが好ましい。
【0150】
サンプル注入後、混成化反応を引き起こさず、一本鎖を維持している切断可能なプローブは、ヌクレアーゼ(nuclease)酵素との接触による切断過程と洗浄過程の後に除去されることから、混成化された二重鎖43だけが表面に拘束信号要素として残される。以後、ストレプトアビジン(streptavidin)51標識されたHRP導入により、前記ビオチン標識された拘束信号要素とストレプトアビジン-ビオチン結合が行われる。
【0151】
その後、溶液はHRP(HorseRadish Peroxidase)による酸化還元反応(REDOX反応)によって、櫛型アレイ電極に有機された電圧および電流を制御部63が測定することで、電気化学の探知が可能になり、これは離脱信号に対する差等的な電気化学信号を探知装置に提供する。
【0152】
図11の左側はバイオディスク100の分析サイト132内の拘束信号要素が基質701の表面上に残っており、H2O2溶液下で酸化還元の反応が容易に行われる場合であり、右側は前記切断過程および洗浄過程の後に拘束信号要素がほとんど離脱除去された場合であって、酸化還元の反応が起きない場合である。これは差等的な電気化学信号を探知装置に提供する。
【0153】
図12は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的な信号の探知を、基質701上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極702、703と、抗体と結合されたラベル(label)471と分析したいサンプル(antigen、またはanalyte)472との間の結合に応じたラベル-抗原の結合体と、分析サイト132内の基質701上の固定されているキャプチャー抗体(captureantibody)473と、前記ラベル-抗原結合体と前記キャプチャー抗体(capture antibody)との抗原-抗体反応によって備えられた電気化学の探知装置、またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置の一実施の形態を示している。
【0154】
本発明では、前記ラベルは一般に発色用粒子474であって、金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体(fluorescent materail)または放射能同位元素であることが好ましい。
【0155】
ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きた場合は拘束信号要素を提供し、ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きない場合は離脱信号要素を作用する。これに対して、周波数応答特性を測定することにより、前記各分析サイトに対するキャパシタンスおよびインピーダンスの測定が可能となる。
【0156】
図13の左側は洗浄過程の後に、バイオディスク100に抗原-抗体反応により拘束信号要素(金またはラテックス、あるいは蛍光体、若しくは放射能同位元素)が基質701の表面上に残っている場合であり、右側は洗浄過程の後ほとんど離脱除去された場合を示している。これらは差等的キャパシタンスおよびインピーダンス信号を探知装置に提供したり、あるいはイメージセンサーに発色情報を提供する。
【0157】
図14は、バイオディスク100に設けられた分析サイト132により発生した分析種特異的信号の探知を多孔性メンブレイン基質701上に特異的な結合を示す複数の抗体がアレイ状に配置されたキャプチャー抗体(capture antibody)473と、抗体と結合されたラベル(label)471と分析したいサンプル(antigenあるいはanalyte)472間のサンドイッチ結合によるラベル-抗原の結合体と、分析サイト132内の基質701上に固定されているキャプチャー抗体(captureantibody)473と、前記ラベル-抗原の結合体と前記キャプチャー抗体(capture antibody)との抗原-抗体反応により備えられたイメージセンサーに発色情報を提供する一実施の形態が示されている。
【0158】
本発明における前記ラベルは、一般に発色用粒子474として金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体、放射能同位元素であることが好ましい。
【0159】
本発明における多孔性メブレイン基質701は、ナイロンまたはNCメンブレイン、あるいは整列したナノチューブ(aligned nano tube)であることが好ましい。
【0160】
ラベル-抗原の結合体形成の後、抗原-抗体反応が起きた場合は拘束信号要素を提供し、ラベル-抗原の結合体形成の後に抗原-抗体反応が起きない場合は離脱信号要素を作用する。図14の左側は、洗浄過程の後、バイオディスク100に抗原-抗体反応により拘束信号要素(金、またはラテックス、あるいは蛍光体、若しくは放射能同位元素)が基質701の表面に残っている場合であり、右側は、洗浄過程の後ほとんど離脱除去された場合を示している。これは差等的な発色情報をイメージセンサーへ提供する。
【0161】
図15ないし図18は、本発明のバイオディスクの一実施の形態である。
【0162】
図15および図16は、バイオディスク100上に核酸分析を行うためラボオンチップ(Lab On a Chip)が配置された一実施の形態である。
【0163】
図面符号170はディスクの中心孔隙であり、171は制御用ディスク200とのインターフェースのための連結部を提供する。
【0164】
図面符号130は、血または細胞、RNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含んでいるプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)であり、131および131aはPCR(PolymerChain Reaction)工程を行うためのPCRチャンバーであって、PCR工程に必要なポリメラーゼ(polymerase)、dNTPを始めとするプライマーなどの様々な酵素(enzyme)を含むバッファー溶液を保存しているチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程を行なうためのチャンバーであって、増幅されたDNAを分析および診断するためのビオチン標識されたキャプチャープローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着されている分析サイト(Assay)であり、133は洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0165】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)は、前記バイオディスク上に螺旋状で連結し配置されている。これは前記各工程に必要な流体が遠心力により移動連結が容易に行われる。また前記主な工程を支援するための試薬を有するチャンバーが螺旋状で周辺に配置されている。
【0166】
図面符号129は、洗浄バッファー(washing buffer)の入っているチャンバーであり、129aは蒸溜水の入っているチャンバーである。144は混成化バッファー(hybridizationbuffer)を保存するためのチャンバーであり、136はDNAを適当な大きさで切るためのフラグメンテーション(fragmentation)工程を行うためのDNAseの入っているチャンバーである。141、142および143は、混成化に必要な各種の酵素を含んでいるチャンバーである。
【0167】
141は一本鎖を切断するためのヌクレアーゼ(nuclease)酵素を保存するためのチャンバーであり、142はストレプトアビジン標識(streptavidin labeled)された金属微小球(microsphere)を保存するためのチャンバーである。143はPBS(PhosphateBuffered Saline)溶液を保存するためのチャンバーである。
【0168】
図面符号150、151、152、153、154、155、156、157、158、160、161、162、163はバルブである。
【0169】
これらのバイオディスク100上の流体移動はディスク回転による遠心力とバルブの開閉による。
【0170】
図面符号177は、バイオディスク100に埋没内蔵されている電磁石あるいは永久磁石で前記バイオディスクに内蔵埋没させる代わりに、磁力が必要な時ごとにプレパレイションチャンバー130の上部または下部へ永久磁石を移動接近して動作させてもよい。
【0171】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点でのバルブの開閉制御はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石と、その上側にある永久磁石間の引力、そしてバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその下側にある電磁石(あるいは移動可能な永久磁石)間の力の均衡制御に応じて行なわれる。
【0172】
すなわち、前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程、洗浄工程)の開始時点と終了時点におけるバルブの開閉制御は、前記バイオディスク内の薄膜型の円柱磁石の下側に設置された電磁石のオン(on)/オフ(off)を制御したり、前記バイオディスク内の薄膜型の円柱磁石の下側に永久磁石の機械的な接近を制御する制御部63による。
【0173】
薄膜型の円柱磁石の下側に設置された電磁石のオン/オフ制御に応じてバルブの開閉を行う場合、電磁石オンの時にバイオディスク内の円柱磁石との引力作用によりバルブが開き、オフの時はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその上側の永久磁石との引力によりバルブは閉鎖される。
【0174】
薄膜型の円柱磁石の下側への永久磁石の機械的な接近によりバルブを開閉する場合、永久磁石の接近時バイオディスク内の円柱磁石との引力作用によりバルブが開き、永久磁石の離脱時はバイオディスク内の薄膜型の円柱磁石とその上側の永久磁石との引力によってバルブは閉鎖される。
【0175】
図面番号128は蒸溜水の入ったチャンバーであり、135はトラッシュチャンバーである。
【0176】
図15は、一つのPCRチャンバーを有するラボオンチップ(Lab On a Chip)が配置されたバイオディスクの一実施の形態であり、図16は前記PCRチャンバーを複数で構成した場合に対するバイオディスクの一実施の形態である。
【0177】
図16で前記複数のPCRチャンバー131a各々には合い相異なる種類のプライマーが入ることができ、同種類のプライマーが入ることも可能である。または前記複数のPCRチャンバー各々には複数のプライマーが入ることができる。
【0178】
前記複数のPCRチャンバーから各々増幅されたDNAはチャンバー131bで合わされる。
【0179】
図17はバイオディスク100上に抗原-抗体反応に応じて備えられたラボオンチップ(Lab On a Chip)の配置されたバイオディスクの一実施の形態であり、図18は図17の分析サイト内アレイの一実施の形態である。
【0180】
図面符号130は、注入口121を介して注入された血から遠心分離されることにより、血清(serum)を備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparationchamber)であり、132は抗原-抗体反応のためのチャンバーで、試料(antigenまたはanalyte)を分析および診断するための免疫分析(immunoassay)がアレイ状で基質に付いている分析サイト(Assay site)である。分析サイトには前記キャプチャー抗体(capture antibody)が固定されている。133は、洗浄工程により生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。分析サイト132は、櫛型アレイ電極が表面コーティングされた多孔性メンブレイン(membrane)上の電極間の空き空間にキャプチャー抗体(captureantibody)が固定されたり、多孔性メンブレイン(membrane)上にキャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ状で固定されることが好ましい。前記多孔性メンブレインは、NC(NitroCellulose)あるいはナイロンメンブレインであることが好ましい。
【0181】
前記主な工程(プレパレイション工程、抗原-抗体反応、洗浄工程)は前記バイオディスク上に螺旋形に連結して配置されている。これは各工程に必要な流体が遠心力により移動連結を容易にさせる。また、前記主な工程を支援するための試薬を有しているチャンバーらが螺旋状で周辺に配置されている。
【0182】
図面符号129は、洗浄バッファー(washing buffer)あるいは溶出バッファー(elution buffer)が入っているチャンバーである。
【0183】
142aは、抗原に標識子を付けるためのラベル(label)チャンバーである。一般にラベルは、抗体が結合された形の発色用粒子であって、金またはラテックス(latex)、あるいは蛍光体若しくは放射能同位元素を有する。図面符号150、152、153、156はバルブである。
【0184】
前記プレパレイションチャンバー130は、遠心分離により血清分離を容易にさせるために例示する通りに、円周方向に円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)模様、あるいはフラスコ(Flask)形のチャンバーであることが好ましい。遠心分離すると、血清、血餠で分離される。すなわち、遠心分離すると、内周側には血清が、外周側には血餠が偏ることになる。前述したような模様のプレパレイションチャンバーを使う場合、プレパレイションチャンバー130内で血清が血餠に比べて相対的に高く占められるので、バルブ152を開放したまま徐々にバイオディスクを回転させて次のチャンバーに血清を移動させる場合、血清だけの移動がはるかに容易になる。もし、血清が血餠に比べて高く占められていなければ、血清のみが次のチャンバーに移動することは難しいのである。
【0185】
バイオディスク100の高速回転による遠心分離を行うことで、血から血清を抜き取る。
【0186】
前記分析サイトは、多孔性メンブレイン(membrane)上にキャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)状で固定されたり多孔性メンブレイン(membrane)上に櫛型アレイ電極が表面コーティングされることが好ましく、前記多孔性メンブレインはNC(NitroCellulose)あるいはナイロンメンブレインであることが好ましい。
【0187】
前記キャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)は腫瘍マーカー(tumor marker)を固定させることが好ましい。腫瘍マーカー(tumormarker)は、AFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、CA15-3であることが好ましい。
【0188】
また、前記キャプチャー抗体(capture antibody)がアレイ(array)は心筋症(cardiomyopathy)標識因子のMyoglobin、CK-MB、TroponinI (Tnl)を固定させたり、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーであるGS(Glutamine Synthetase)を固定させることが好ましい。
【0189】
一般に、進行癌でなければ腫瘍マーカー(tumor marker)の血中濃度が増加せず、早期癌の場合には血中腫瘍マーカーは正常範囲内の値である。癌が進行されることによって血中濃度が増加し、陽性率も高まる。本発明ではかかる点を着眼し、好ましくは、前記腫瘍マーカーは利用した分析サイトの定量分析による読み取り結果を履歴管理する統計ソフトウェアを備え、定期的な追跡診断に対する情報を提供することを特徴とする。
【0190】
バイオディスク100上の流体移動は、ディスク回転による遠心力とバルブの開閉、ディスク回転による遠心力と流路の親水性表面処理による親水性流体の移動およびバルブ開閉の動作、ディスク回転による遠心力とバルブの早い開閉の繰り返しの復動作に従った流路の親水性表面処理による親水性流体の移動およびバルブ開閉の動作による。親水性流路への流体移動を行うためには、初期抵抗(主に親水性コーティングと疏水性コーティングとの境界面で発生する抵抗)を克服しなければならない。バルブの早い開閉動作は、流体に動揺をもたらし、抵抗克服を行なうために役に立つ。抵抗が克服されれば、以後に親水性によって移動する。
【0191】
図18は、腫瘍マーカーをスポット(spot)アレイ状に多孔性メンブレイン999の上部、あるいはポルリカボネイト上に固定させた実施形態である。この実施例では、6腫瘍マーカーAFP999a、PSA999b、CEA999c、CA19-9 999d、CA125 999e、CA15−3 999fが多孔性メブレイン999上に固定されている。
【0192】
前記ポルリカボネイト上に抗体の腫瘍標識因子を固定させるための方法は、先出願された韓国内特許出願「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を利用した核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)に詳細に例示されている。
【0193】
図19は図15、図16の主な工程に基づいたチャンバーに対するバイオディスクの断面図を示す一実施の形態である。
【0194】
主な工程のバルブのための薄膜型円柱磁石150、151、153、156は、それぞれ永久磁石4a、4B、4C、4dと制御用ディスク上の電磁石5a、5b、5c、5dから形成された磁力により独立に開閉制御される。121はサンプル注入口である。
【0195】
図面符号130は、血または細胞、若しくはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程を含むプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)である。このプレパレイションチャンバーには、DNA抽出のためにDNAと親和力(affinity)を有する粒子、あるいは強磁性体ビーズ(bead)とセル(cell)を破るための溶解バッファー溶液が入っている。
【0196】
131は、PCR(Polymer Chain Reaction)工程ためのPCRチャンバーであって、PCR工程に求められるポリメラーゼ、dNTPを始めとするプライマー(Primer)など、各種の酵素(enzyme)を含むバッファー溶液を保存しているチャンバーであり、132は混成化(hybridization)工程または抗原-抗体反応のためのチャンバーであって、前記PCR工程に応じて増幅されたDNAを分析および診断するためのキャプチャープローブ(captureprobe)がアレイ状で基質に付着している分析サイト(Assay)であり、133は洗浄工程によって生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trashchamber)である。
【0197】
図15、図16および図19のバイオディスクに対する主な工程の一実施の形態は次の通りである。
【0198】
<プレパレイション工程>
プレパレイションチャンバー130には、サンプルからDNAを抽出するためのチャンバーであって、プレパレイション工程の一実施の形態は次の通りである。
1)blood 10μl(EDTA、ACD Tube)、または5μl(Heparin Tube)をプレパレイションチャンバー130に設置されたサンプル注入口121を介して注入する。プレパレイションチャンバー130にはセル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー溶液と抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子、あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っている。
2)5分間インキュベーション(incubation)した後、DNAはセルから抽出され、DNAと親和力を有する前記粒子または強磁性体ビーズに付着される。
3)図4Aの電磁石177を、オンまたは移動可能な永久磁石を前記プレパレイションチャンバー130に近接させ、前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させた後、1〜3分の間待機する。
4)徐々にバイオディスクが回転されながら、バルブ161を開放し、セル(cell)の破壊時にて生成された残がい(debris)をトラッシュチャンバー135へ洗い流す。バルブ161を閉じてバイオディスクの回転を止める。
5)電磁石177をオフさせたり、前記移動可能な永久磁石をプレパレイションチャンバー130から離脱させる。
6)バルブ150を開放して徐々にバイオディスクを回転しながらチャンバー129の洗浄バッファー(washingbuffer)をプレパレイションチャンバー130に流入させる。
7)前記3)〜6)過程を2回繰り返した後、最後には徐々にバイオディスクを回転しながらバルブ161を開放し、トラッシュチャンバー135へ洗い流す。バルブ161を閉じてバイオディスク回転を止める。
8)電磁石177をオフさせたり前記移動可能な永久磁石をプレパレイションチャンバー130から離脱させた後、徐々にディスクを回転しつつバルブ151を開放し、チャンバー129aの蒸溜水をプレパレイションチャンバー130に流入させる。
9)プレパレイションチャンバー130内に内蔵されているヒーター960を用いて高温加熱し、前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱させるか、再懸濁バッファー(resuspensionbuffer)を使って再懸濁を行う。
前記プレパレイション工程、その他の一実施の形態は溶解バッファー(lysis buffer)よりセルを破壊した後、遠心分離によってDNAの分離を行なう。
【0199】
<PCR工程>
PCRチャンバー131または131aは、DNAを増幅するためのチャンバーであって、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ152を開いて前記プレパレイション工程に応じてプレパレイションチャンバー130内の強磁性体ビーズから離脱されたDNAをPCRチャンバー131に移動する。
2)前記PCRチャンバーへのDNA移動を完了させた後、バルブ152を閉じてからバイオディスクを止める。
3)PCRチャンバー131内に内蔵されているヒーター961と温度センサー520を利用してPCRのサイクルを約30回繰り返してDNAを増幅させる。
4)1〜2分の間にクーリング(Cooling)する。
図4Bの場合は、以後に前記複数のPCRチャンバー131aで増幅されたDNAは、ディスクをゆっくり回転させながらバルブ152aを開放して、チャンバー131bへ移動させる。
【0200】
<フラグメンテーション(fragmentation)工程>
フラグメンテーション工程は選択事項であって、前記PCR工程で増幅されたDNAを混成化に適した大きさで切断するための工程であり、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ158を開放しチャンバー136に入っているDNAseをPCRチャンバー131、131bへ流入してDNAをフラグメンテーション(fragmentation)する。
2)バルブ158を閉鎖してから、バイオディスクを止める。
3)1〜2分間インキュベーションした後、ヒーター961を高温で加熱しDNAseの機能を停止させることで、フラグメンテーション(fragmentation)反応が中止される。また、この時高温でDNAは変性(denature)され、一本鎖が形成される。
【0201】
前記フラグメンテーション(fragmentation)によるDNAの長さ調節は、前記段階(3)のインキュベーション時間により調節される。図4Bの場合では、複数のPCRチャンバー131aごとに独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)をおいてフラグメンテーションされるので、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーションが可能となる。
【0202】
<混成化工程>
混成化工程は、前記した適した大きさでフラグメンテーションされた一本鎖、あるいはPCR工程の後に高熱処理されることにより一本鎖が形成されたDNAを、分析サイト132に予め備えられていたビオチン標識されたキャプチャープローブと混成化(hybridization)反応を引き起こすための工程であって、一実施の形態は次の通りである。
1)バイオディスクを徐々に回転させながら、バルブ153を開放し、前記一本鎖のDNAが分析サイト132内に移動されるようにする。
2)DNAがバイオディスクの分析サイトに万遍なく広がった後はバルブ153を閉じ、ディスク回転を止めてバイオティスクを室温で3〜5分の間に停滞状態で培養をする。また、分析サイト132内の外部電極パターン962と電極板963を用いた電界制御、またはヒーター962による熱制御に応じてハイブリッド反応を調節する(ハイブリッド反応)。
電極パターン962は単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わされると、垂直方向の電界を発生するための電極板の役割も行なう。
3)バイオディスクは回転をさせながらバルブ157を開放し、ハイブリッド溶液(Hybridization buffer)を分析サイト132に注入しながら、添加洗浄するかディスクの上下に分布配置された外部の電界を加えて洗浄する(第1の洗浄過程)。その後、バルブ157を閉じる。洗浄過程の間にバルブ156を開放する。洗浄が終わった後には再度バルブ156を閉じる。
4)その後、ディスクを徐々に回転させながら、バルブ154を開放し、一本鎖を切断するためのヌクレアーゼ(nuclease)酵素溶液を分析サイト132に導入し、ディスク回転により分散されるようにする。バルブ154が閉じられてから、ディスクは1〜2分の間停滞状態で培養を行う(切断過程)。
5)それからディスクを徐々に回転させてバルブ160を開放し、温度80℃下でPBS溶液を添加洗浄したり、兼ねてディスク回転および外部電界による洗浄を行なった後、バルブ160を閉じる。
6)バルブ155を開放し、表面にストレプトアビジン標識(streptavidin labeled)された金属微小球(microsphere)懸濁液(suspension)をディスクに導入させながら、金属粒子が万遍なく分布するよう回転する(「拘束プローブ-ラベル」の形成過程)。この時、ビオチン標識されたキャプチャープローブとストレプトアビジン標識(streptavidinlabeled)された金属微小球(microsphere)40との間にビオチン-ストレプトアビジンが結合されてからバルブ155は閉じられる。前記温度および電界発生は外部電極パターン962と電極板963を利用する。電極パターン962は、単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わせられると垂直方向の電界を発生するための電極板の役割も行なう。
7)その次、ディスクが強く回転をする間に、バルブ162は開放されてチャンバー128の蒸溜水を添加し洗浄するか、兼ねて電界を加えて洗浄する(第2の洗浄過程)。洗浄過程の間にバルブ156を開放する。
【0203】
<Detection工程>
その後、切断可能な信号要素が沈着された、予め決定されたところ(site)を検査するようプログラムされた前記光学、電気化学、キャパシタンス、あるいはインピーダンス装置、若しくはイメージセンサーを含んでいる切替器と結合された探知機により、直ちに読み取る。
【0204】
その後、前記読み取り結果に基づいた診断結果と処方がコンピュータのモニター上に表示され、自動あるいは手動で該当の専門医師とインターネット網を介して遠隔接続され、前記診断データと結果、および予め作成された問診データが必要な場合は専門医師に遠隔転送される。その後、患者は専門医師の処方を待つ。
【0205】
前記切断過程、第1の洗浄過程、第2の洗浄過程、遠隔診断の過程は、先出願特許の韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)に詳細に例示されている。
【0206】
図4Eは、櫛型アレイ電極701を利用した電気化学探知またはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置が分析サイト132内に内蔵されている一実施の形態である。図4Eの分析サイトは、図2Aおよび図2Bの光学的な探知機が様々に変形され適用されることができる。
【0207】
図17のバイオディスクに対する主な工程の一実施の形態は次の通りである。
【0208】
<プレパレイション工程>
プレパレイションチャンバー130には、血から血清を抽出するためのチャンバーであって、プレパレイション工程の一実施の形態は次の通りである。
1)blood 10μl(EDTA、ACD Tube)をプレパレイションチャンバー130に設置されたサンプル注入口121を介して注入する。
2)バイオディスクを高速回転しながら、血清と血餠とを分離する。
3)バルブ152が開放され徐々にバイオディスクを回転し、チャンバー130の上層にある血清はラベルチャンバー142aに流入させる。
4)最後に、ディスク回転を止めてからバルブ152を閉じる。
【0209】
<抗原-抗体反応>
図17のラベルチャンバー142a内には、発色用粒子として金またはラテックス(latex)、または蛍光体、放射能同位元素が標識された抗体(antibody)が保存されており、分析サイト132内には基質または多孔性メンブレイン上にキャプチャー抗体(captureantibody)が固定されている。かかる工程は前記プレパレイション工程で抽出された血清内の抗原がラベルチャンバー142a内でラベル(label)標識された抗体と結合し、「ラベル-抗原の結合体」を形成した後、分析サイト132内で前記ラベル-抗原結合体とキャプチャー抗体(captureantibody)と間に抗原-抗体反応する工程に対する一実施の形態は次の通りである。
1)ラベルチャンバー142aに流入された抗原とラベル(label)標識された抗体との間に「ラベル-抗原の結合体」が形成されるよう1〜2分間インキュベーションする。
2)バルブ153を開放して徐々にバイオディスクが回転されながら、チャンバー142a内の「ラベル-抗原の結合体」が分析サイト132内に移動される。
3)ディスク回転が止まった後バルブ153を閉じる。
4)バイオティスクを室温で3〜5分の間に停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(captureantibody)間に抗原-抗体反応が起こるようにおく。
5)その次、ディスクが回転する間にバルブ150を開放し、チャンバー129の洗浄(washing)を添加して分析サイト132の洗浄を行なう。
【0210】
<Detection工程>
その後、拘束または離脱信号要素が沈着された予め決定されたところ(site)を検査するようプログラムされた前記光学、電気化学、キャパシタンスあるいはインピーダンス装置またはイメージセンサーを含む切替器と結合された探知機により、分析サイト132を読み取る。
【0211】
その後、前記読み取り結果に基づいた診断結果と処方がコンピュータモニター上に表示され、自動あるいは手動で該当の専門医師とインターネット網を介して遠隔接続され、前記診断データと結果および問診データが必要な場合は専門医師に遠隔転送される。以後、患者は専門医師の処方を待機する。
【0212】
図20は、前記プレパレイション工程、PCR工程、および混成化工程に必要なヒーターと電界発生装置に対する一実施の形態である。図19の図面符号960、961および962は電極パターンで構成されたヒーターである。
【0213】
電極パターン962は、単独ではヒーターとして作動するが、電極板963と組み合わせられると垂直方向の電界を発生させるための電極板の役割も行なう。
【0214】
前記温度制御および電界制御は、制御部63により制御される。962はヒーターのための電極パターンであって、入力端子962a、962bに電圧を加え、電極パターン962に電流が流れるようにすることで、電極パターン962は抵抗線または熱線として作用する。
【0215】
制御部63は、電極パターン962の入力端子962a、962bに電流供給を行ない、温度センサー520により現の電極パターン962により発生した温度を測定し電流量の制御を行うことで、温度調節を行なう。また、電極パターン962を電極板963と組み合わせ電界発生するためには、電極パターン962の2つの入力端子962a、962bに同一電圧を印加して1つの入力端子として取り扱い、電極板963を他の電圧印加端子として扱うことにより達成される。すなわち、電極パターン962と電極板963との間に交流電圧が印加されて交流電界を発生する。DNAは、負電荷(negativecharge)を有しているので、制御部63による電極板963と電極パターン962との間に印加された交流電圧は電極パターン962と電極板963との間に交流電界を発生させることで、DNA混成化の強度調節(stringencycontrol)が可能になるだけでなく、SNP(Single Nucleotide Polymorphism)検知能力も向上される。
【0216】
SNP検知に対しては、先出願された韓国内特許出願における「核酸およびオリゴヌクレオチド(oligonucleotide)の相補的な二重結合の特定序列に特異的に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2001年1月27日、10-2001-0003956)、およびPCT出願における「核酸およびオリゴヌクレオチドの相補的な二重鎖または一本鎖に特異に反応する切断技法を用いた核酸混成分析方法および装置」(2002年1月27日、PCT/KR02/00126)に詳細に例示されている。
【0217】
図19の温度センサー520は、精密な温度制御が求められるPCR工程のみ使用したが、温度検知が求められる工程全てに使用することもできる。
【0218】
バイオディスクがバイオドライブにローディングされれば自動分析を始める。しかし、サンプル注入口にサンプルが注入されないままローディングされる場合は再度イジェクト(eject)および/または警告メッセージをユーザに伝送する。
【0219】
前記サンプル注入したか否かは、プレパレイションチャンバー130内にインピーダンス測定装置を更に備えることにより確認できる。すなわち、サンプルが注入された場合と注入されない場合はインピーダンス特性が相異なるので、サンプルを注入したか否かが分かる。
【0220】
これに対する一実施の形態は、分析サイト132に使用した櫛型アレイ電極によるインピーダンス測定装置である。
【0221】
もし、バイオディスクによるサンプルを診断する間、または分析している間、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(eject)(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視した上で分析および診断を進行させる。この時、警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求する。
【0222】
パスワードが正確な場合、ユーザのイジェクト(eject)(un-loading)またはストップ(stop)の要求を受け入れる。
【0223】
診断および分析の完了時にはユーザのイジェクト(eject)要求を受け入れ、バイオドライバからバイオディスクを取り出す。
【0224】
また、無線RF IC188のメモリには数回使用したディスクの認知に対する情報や有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されている。
【0225】
つまり、使い捨てバイオディスクを使用している間、若しくは完了した時にイジェクト(eject)した時、カードIC188のメモリに、それに対する履歴(history)を記録しておいて、今後再びローディング(loading)した時に診断できないバイオディスクであることをユーザに通知する。
【0226】
また、有効期間が過ぎたバイオディスクに対しても診断できないバイオディスクであることをユーザに通知する。
【0227】
本発明の図21ないし図22の分析装置は、前記免疫分析(immuno assay)(免疫学的検証装置)と核酸プローブ(probe)反応分析とを同時に分析するために、バイオディスク上に同時配置することができる。170は、ディスクの中心孔隙である。
【0228】
図21は角方向(angular direction)として、抗原抗体反応のための免疫(immuno)分析セクターと、核酸プローブの反応分析のための分析セクターとが分離されものを示し、図22は距離方向(radialdirection)として、抗原抗体の反応のための免疫(immuno)分析セクターと、核酸プローブの反応分析のための分析セクターとが分離したものを示している。
【0229】
前記免疫分析(immuno assay)(免疫学的検証装置)と核酸プローブ(probe)反応分析とを同時に検査することで、病気分析の信頼度を増大させるだけでなく、適切な組合せにより分析地域(site)の数をも減らすことができる。
【0230】
図23および図24は、フロント(front)ローディング(loading)方式のバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態であって、751は前記バイオドライバ装置のケースであり、750はバイオディスク100をフロント(front)ローディングするためのトレー(tray)である。さらに、本発明のバイオディスクドライバ装置は、通常の光学(Optical)ディスク再生のための再生および探索ボタン745、停止ボタン746を有する。
【0231】
図23は、発光ダイオードを使用してバイオドライバ装置の進行状態を示す実施形態である。
【0232】
現にローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード741、現の分析経過を示す経過表示発光ダイオード742が備えられている。図面符号743は、通常の光学(Optical)ディスクがローディングされたことを示すための発光ダイオードである。発光ダイオードは、一実施の形態として他の標識装置が使用され得る。
【0233】
図24は、液晶表示装置760を用いてバイオドライバ装置の進行状態を示す実施形態である。
【0234】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率は、パーセント(%)、あるいはバーグラフ(bar graph)の形式で表示することができる。
【0235】
または、コンピュータモニターを用いてグラフィックユーザインターフェース(Graphic User Interface)および前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率を、パーセント(%)あるいはバーグラフ(bargraph)、パイグラフ(pie graph)形式で表示することができる。
【0236】
図25はトップ(top)ローディング方式のバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。説明符号750aは、トップローディングするためのカバー(蓋)であって、カバーを開いてターンテーブルにバイオディスクの孔隙170を挟めば良い。図面符号760は液晶表示装置である。
【0237】
図26は、既存のCDチェンジャー(changer)のように、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブル777a、777b、777c、777dを備えたバイオディスクドライバの上側図の一実施の形態である。この場合、4つのバイオディスクを順に一つずつ自動分析するか、4つのバイオディスクを一度に同時分析を行なうことができる。
【0238】
前記主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率をパーセント(%)、あるいはバーグラフ(bar graph)形式で表示することができる。
【0239】
または、コンピュータモニターを使って、グラフィックユーザインターフェース(Graphic User Interface)および主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化工程および抗原-抗体反応)および段階に応じた進行率をパーセント(%)またはバーグラフ(bargraph)、パイグラフ(pie graph)形式で表示することができる。
【0240】
図27は図17の分析サイト132に対する一実施の形態である。901aは疏水性流路であり、901bは親水性コーティングされている親水性流路である。図面符号999は、分析サイト内に内蔵されたキャプチャー抗体(captureantibody)の固定された多孔性メンブレインであり、915aと915bは空気穴でバイオディスクの高速回転時に前記多孔性メンブレインの乾燥を容易にする。
【0241】
血清内の抗原がラベルチャンバー142a内でラベル(label)標識された抗体と結合して、「ラベル-抗原の結合体」を形成した後、バルブ153を開放すると「ラベル-抗原の結合体」が親水性流路901bに沿って移動し、分かれた流路(branch流路)を満たす。その後、バルブ153を閉鎖してバイオディスクを徐々に回転すると、分かれた流路の末端に位置していた有孔610a、610b、610cを通じて「ラベル-抗原の結合体」が多孔性メンブレイン999に流入し、キャプチャー抗体(captureantibody)間に抗原-抗体の反応が引き起こる。
【0242】
なお、本発明は、詳細な例と実施形態に基づいて説明しているが、必ずそれに限定されるものではなく、また、本発明の説明に加え、様々な変形および変化が可能であることは当業者であれば認知するのであろう。かかる変形も添付の特許請求範囲の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【0243】
【図1】バイオディスク中に設置された超小型ビーズを用いたバルブ装置が示されたバイオディスクの断面図である。
【図2】バイオディスク中に設置された超小型ビーズを用いたバルブ装置が示されたバイオディスクの断面図である。
【図3】バイオディスクとこれを制御するための制御用ディスク200の一実施の形態である。
【図4】図3のブラシ(あるいは導体ワイヤー)と環状電極間の摩擦接触により制御用ディスクに電源を供給するための連結部の一実施の形態である。
【図5】制御用ディスクの内蔵されたバイオドライバ装置の一実施の形態である。
【図6】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図7】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図8】光学的測定装置により具現する実施形態である。
【図9】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図10】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図11】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図12】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図13】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図14】電気化学探知装置あるいはキャパシタンスおよびインピーダンスの測定装置、イメージセンサーによる読み取り方法の一実施の形態である。
【図15】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図16】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図17】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図18】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図19】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図20】本発明におけるバイオディスクの一実施の形態である。
【図21】免疫学的な検証装置(immuno assay)と核酸プローブ(probe)の反応分析とを同時に分析するためバイオディスク上に同時配置した一例である。
【図22】免疫学的検証装置(immuno assay)と核酸プローブ(probe)の反応分析とを同時に分析するためバイオディスク上に同時配置した一例である。
【図23】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図24】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図25】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図26】本発明において具現できるバイオドライバ装置の外観に対する一実施の形態である。
【図27】親水性流路に連結された本発明の分析サイトに対する一実施の形態である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバーおよび分析サイトとの間に流体が流れることのできる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)と、を含み、
前記バルブは、前記有孔に位置したマイクロビーズ(micro bead)および前記マイクロビーズの上側に位置した永久磁石と、前記マイクロビーズの下側に位置した電磁石または移動可能な永久磁石から構成されたことを特徴とするバイオディスク。
【請求項2】
前記移動可能な永久磁石は、通常のアドレス可能な光ピックアップ装置において光ピックアップモジュールの代わりにするか、共に装着されることを特徴とする請求項1に記載のバイオディスク。
【請求項3】
前記マイクロビーズは、薄膜型の円柱磁石、またはクッション(Cushion)材料でコーティングされた薄膜型の円柱磁石であることを特徴とする請求項1に記載のバイオディスク。
【請求項4】
試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバーおよび分析サイトとの間に流体が流れることができる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)とを含み、
前記分析サイト内の基質は多孔性メンブレイン(membrane)であり、前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路であることを特徴とするバイオディスク。
【請求項5】
前記多孔性メンブレインは、NC(Nitrocellose)メンブレイン、ナイロンメンブレイン、および整列したナノチューブ(aligned nano tube)から構成された群のいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項6】
前記親水性流路は、疏水性流路の表面を親水性アクリレイト、超親水性poly(N-isopropylacrylamide (PIPAAm)、または、ZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2から構成された群で選択された光触媒としてコーティングしたり、プラズマ処理により表面改良(surfacemodification)処理して生成されたことを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項7】
前記親水性流路は、分析サイト内で一つ以上のブランチ(branch)流路に分かれ、前記ブランチ(branch)流路末端の有孔により多孔性メンブレインと連結されることを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項8】
前記分析サイトは、両側に前記多孔性メンブレインを乾燥させるための空気穴がさらに備えられたことを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項9】
前記流体移動は、バイオディスクの回転力よる遠心力と前記バルブの開閉によって制御されることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項10】
前記分析サイトへの流体移動は遠心力によらず、直前バルブの開放と共に親水性流路と反応溶液との親水的な親和性(hydrophilic affinity)により移動されることを特徴とする請求項3に記載のバイオディスク。
【請求項11】
前記バイオ物質は、DNA、オリゴヌクレオチド(oligonucleotide)、RNA、PNA、リガンド(ligand)、レセプター(receptor)、抗原、抗体、およびタンパク質(Protein)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項12】
前記チャンバーは、血または細胞またはRNAからDNAサンプルを備えるための少なくとも一つ以上のプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、
前記備えられたDNAサンプルをPCR(Polymer Chain Reaction)増幅するための少なくとも一つ以上のPCRチャンバーおよび/または、
ラベル標識子を保存するためのラベルチャンバーと、
前記PCR工程に応じて増幅されたDNAと混成化(hybridization)するための分析および診断用プローブ(probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の混成化チャンバー(hybridizationchamber)および/または、
洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項13】
前記プレパレイションチャンバーには、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液と、
抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っていることを特徴とする請求項12に記載のバイオディスク。
【請求項14】
前記PCRチャンバーは複数構成され、前記複数のPCRチャンバーそれぞれに相異なる種類のプライマーが入っているか、あるいは同一種類のプライマーが入っているか、または前記複数のPCRチャンバーそれぞれに複数のプライマーが入っていることを特徴とする請求項12に記載のバイオディスク。
【請求項15】
前記チャンバーは、血または細胞から血清(serum)サンプルまたは抗原ないし抗体を備えるための少なくとも一つのプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、
前記抗原ないし抗体と抗原-抗体反応を行うための免疫プローブ(immuno probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の抗原-抗体反応チャンバー(Ag-Abreaction chamber)および/または、
洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項16】
前記プレパレイションチャンバーは、バイオディスクの回転により発生した遠心力によって血清サンプルを備えることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項17】
前記プレパレイションチャンバーは、遠心分離により血清分離を容易にするために円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)形、またはフラスコ(Flask)形であり、前記形の首(neck)部分に次のチャンバーに連結される流路が形成されたことを特徴とする請求項16に記載のバイオディスク。
【請求項18】
前記チャンバーは、ラベル(label)標識された抗体(antibody)を保存するためのラベルチャンバーをさらに備えたことを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項19】
前記ラベル標識された抗体(antibody)のラベル標識は、発色用粒子として金またはラテックス(latex)または蛍光物質あるいは放射能同位元素を有することを特徴とする請求項18に記載のバイオディスク。
【請求項20】
前記免疫プローブ(immuno probe)アレイは、腫瘍マーカー(tumor marker)が基質に固定されたことを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項21】
前記腫瘍マーカー(tumor marker)は、AFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、およびCA15-3から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項22】
前記免疫プローブ(immuno probe)は、心筋症標識因子のMyoglobin、CK-MB、Troponin I(Tnl)、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーのGS(GlutamineSynthetase)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項23】
前記分析サイトは、光透過式の測定装置あるいは電気化学あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置(detector)により読み取られることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項24】
前記光透過式の測定装置は、分析サイト内の拘束信号要素および離脱信号要素にレーザービームが入射されるレーザービーム装置とこの信号要素との間の差等的な光透過信号を探知する光学探知機(光受信部)から構成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項25】
前記少なくとも一つ以上の光学探知機(光受信部)が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする請求項24に記載のバイオディスク。
【請求項26】
前記少なくとも一つ以上のレーザー発生装置と一つ以上の光学探知機(光受信部)の両方が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする請求項24に記載のバイオディスク。
【請求項27】
前記電気化学の探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、前記分析サイトの基質上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極と拘束信号要素の末端部にHRP(HorseRadish Peroxidase)および/または金属球の付着されたプローブから形成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項28】
前記櫛型アレイ(interdigitated array)電極は、多孔性メンブレイン(membrane)上に表面コーティングにより具現されることを特徴とする請求項27に記載のバイオディスク。
【請求項29】
前記イメージセンサーは、前記分析サイト内のプローブに結合されたラベル(発色粒子)を撮影するための蛍光フィルタが搭載されたり、そうでないCCD(Charge Coupled Device)あるいはCMOSセンサーから構成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項30】
前記分析サイトは、免疫分析(immuno assay)と核酸プローブ(probe)分析とを同時に分析するために、角方向(angular direction)または距離方向(radialdirection)に免疫分析セクターと、核酸プローブ(probe)分析セクターとが分離されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項31】
サンプル注入の有無判別のために、前記プレパレイションチャンバー内にインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーをさらに備えることを特徴とする請求項12または15に記載のバイオディスク。
【請求項32】
前記インピーダンス測定装置は、櫛型アレイ電極によることを特徴とする請求項31に記載のバイオディスク。
【請求項33】
前記バイオディスクの本体は、上部基質、中間基質、下部基質から構成されて、超音波融着またはUV(Ultra Violet)接着剤あるいは両面テープにより接着組み立てられ、一体の本体を形成することを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項34】
前記バイオディスクは、バイオディスクのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取るための標準制御値、あるいは分析サイト(site)に対する位置情報、生物情報学情報、自己診断(self diagonasis)に関した情報、あるいは装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報、診断結果に従った専門医師および病院と遠隔に接続できるウェブサイトと、各種のリンクあるいは個人暗号化情報を保存するためのメモリあるいは保存手段、または無線RFICをさらに備えたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項35】
前記分析サイトの定量分析による読み取り結果を履歴管理する統計ソフトウェアおよび保存手段をさらに備えることによって、定期的な追跡診断に対する情報をユーザに提供することを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項36】
請求項1ないし35のいずれか1項に記載のバイオディスクと、
前記バイオディスクに必要な電源または制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、
前記バイオディスクと制御用ディスクとの間を接続するためのインターフェース部を備えたことを特徴とするバイオディスク装置。
【請求項37】
前記インターフェース部は、制御信号を供給するための複数の制御信号接続部および/または、電源供給を行うための電源接続部を備え、バイオディスクと電気的に接続されることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項38】
前記インターフェース部は、バイオディスク上の導体でコーティングされた連結溝と制御用ディスク上の導体アームが互いに接続して形成されることを特徴とする請求項37に記載のバイオディスク装置。
【請求項39】
前記制御用ディスクは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御するための電磁石または移動可能な永久磁石をさらに備えたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項40】
前記バイオディスクと制御用ディスクとの間の高さ間隔は、0.1〜2mmであることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項41】
前記制御用ディスクへの電源供給は、外部電源装置と接続されたブラシあるいは電気的な接触により行われることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項42】
前記制御用ディスクは、PCB(Printed Circuit Board)あるいはシリコンウェハー上に集積された回路により構成されたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項43】
前記制御用ディスクは、前記探知装置によって獲得された前記分析サイトに対する読み取り結果を、赤外線、光、または無線インターフェースを介して外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置へ伝送するための非接触インターフェースをさらに備えたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項44】
前記バイオディスクと制御用ディスクとが組み合わされて、一体型のバイオディスクから構成されることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項45】
前記一体型のバイオディスクは、シリコンウェハー材料を使って前記制御部、無線RF IC、非接触インターフェース、前記バルブ制御を行うための電極板または電磁石および各種の回路パターンを含んだ電子回路および前記チャンバーおよびチャンネルを、シリコンウェハー上にフォトリソグラフィー(photolithography)およびエッチング工程に基づいてモノリシック(monolithic)形態の集積回路(IntegratedCircuit)で設計したことを特徴とする請求項44に記載のバイオディスク装置。
【請求項46】
請求項1ないし35のいずれか1項に記載のバイオディスクに必要な電源あるいは制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、
前記ディスクを回転させるためのモーターと、
前記制御用ディスク上の制御部に電源供給を行うための電源供給手段と、
前記制御部の制御信号および/または電源信号を前記バイオディスクに供給するためのインターフェース部と、
バイオドライバを保持している本体と、を含むことを特徴とするバイオドライバ装置。
【請求項47】
前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルをさらに有し、前記制御用ディスクは前記ターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御する電磁石あるいは移動可能な永久磁石を備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項48】
前記電源供給手段は、環状の電極とブラシとの接触によってプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地されたモーター本体、または接地されたモーター軸との電気的な接続を介して制御用ディスクへ供給することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項49】
前記分析サイトを読み取るためのイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置をさらに備えることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項50】
前記制御用ディスクは、分析サイトに対する読み取り結果を外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置に伝送したり、前記中央制御装置からの命令を受けるための非接触インターフェース手段をさらに備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項51】
中央制御装置および保存装置あるいは入出力装置が設計されている回路基板が、前記バイオドライブ本体に繋ぎ締結されており、前記中央制御装置は前記バイオディスクおよび制御用ディスクの回転あるいは停止時にモーターを回転あるいは停止させることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項52】
前記入出力装置は、USB(Universal Serial Bus)あるいはIEEE1394、またはATAPI、またはインターネットの通信規格を有することを特徴とする請求項51に記載のバイオドライバ装置。
【請求項53】
音楽CD、CD-R、ゲームCD、およびDVDから構成された群の選択された通常の光学(Optical)ディスクを読み取るするための光ピックアップ装置をさらに備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項54】
前記バイオドライバ装置にローディング(loading)されたディスクが、通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスクであるか、バイオディスクであるかを前記制御部が読み取るためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段をさらに備えることを特徴とする請求項53に記載のバイオドライバ装置。
【請求項55】
前記光ピックアップ装置が、バイオディスク上における特定位置にグルーブパターン(groove pattern)、またはデータパターンを読み取って、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識するようにすることを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項56】
前記中央制御装置は、通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスクであるかを読み取って、通常の光学ディスクであれば、ディスクから読み取った内容を前記光ピックアップ装置から保存装置あるいは出力装置に伝送したり、使用すべき内容を光ピックアップ装置に伝送して、読み取り/書き込み(Read/Write)に必要な各種の制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクであれば、バイオディスクを制御するための各種の制御命令信号を非接触インターフェースを介して伝送することを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項57】
バイオディスクのローディング(loading)時点において、バイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して、前記中央制御装置にバイオディスクが新たにローディングされたことを無線送信するよう行うことによって、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置に認識させることを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項58】
前記バイオディスク上のプレパレイションチャンバーにサンプルの未注入のままバイオディスクがローディングされた場合、イジェクト(eject)されたり警告メッセージをユーザに伝送することを特徴とする請求項46に記載のバイオ ドライバ装置。
【請求項59】
サンプルの診断中または分析中に、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視したまま分析および診断を進行しつつ、選択事項として警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求し、パスワードが正確な場合のみユーザのイジェクト(un-loading)あるいはストップの要求を受け入れることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項60】
バイオディスク装置が何回使用したディスクであるかに対する情報および有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されているメモリ手段をさらに備え、バイオディスクのローディング(loading)時ごとに、ユーザに診断可能であるか否かおよび前記情報が分かるよう提供することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項61】
前記バイオドライバ装置は、通常の光学ディスクを再生するための再生および探索ボタン、停止ボタン、および現在のローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード(LED)を備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項62】
前記バイオドライバ装置は、液晶表示装置またはモニター表示装置を具備して、バイオドライバ装置の主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化反応工程あるいは抗原-抗体反応)および段階にともなう進行率をパーセント(%)、バーグラフ(bar graph)、またはパイグラフ(piegraph)形式で表示することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項63】
前記バイオドライバを保持している本体は、バイオディスクのトップ(top)ローディングあるいはフロント(front)ローディングを許容することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項64】
前記バイオドライバは、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブルを備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項65】
血または細胞あるいはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程段階と、
備えられたDNAサンプルを増幅するためのPCR工程段階と、
前記PCR工程に基づいて獲得されたDNAを分析サイトにアレイされた分析および診断用プローブ(probe)と混成化するための混成化(hybridization)工程段階と、
分析サイト内の切断可能な信号要素を光透過式の測定装置、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知機によって読み取る段階と、を含むことを特徴とする請求項12に記載のバイオディスクを利用した核酸分析方法。
【請求項66】
前記プレパレイションコンジョンは、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、
セル(cell)から抽出されたDNAを前記粒子あるいは強磁性体ビーズに付着させるためのインキュベーション(incubation)段階と、
前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させてから、徐々にバイオディスクを回転しつつ、セル(cell)が破壊される時に生じた残がい(debris)をトラッシュチャンバーに洗い流す段階と、
前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱あるいは再懸濁(resuspension)させる段階と、を含むことを特徴とする請求項65に記載の核酸分析方法。
【請求項67】
前記PCR工程は、バイオディスクを徐々に回転しつつ、前記プレパレイション工程に応じて獲得されたDNAを前記PCRチャンバーに移動させる段階と、
前記PCRチャンバーへのDNA移動が完了された後、PCRチャンバー内に内蔵されているヒーターと温度センサーを利用してPCRサイクル(cycle)を数回繰り返してDNAを増幅させる段階と、を含むことを特徴とする請求項65に記載の核酸分析方法。
【請求項68】
前記PCR工程の後に、バイオディスクを徐々に回転しつつDNAseをPCRチャンバーに流入させる段階と、
高温で加熱しDNAseの機能を停止(インキュベーション停止)および一本鎖のDNAを作る段階(denaturing step)と、を含むフラグメンテーション(fragmentation)工程をさらに含むことを特徴とする請求項67に記載の核酸分析方法。
【請求項69】
前記複数のPCRチャンバーごとに一対一に対応した独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)を置いてフラグメンテーション(fragmentation)することによって、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーション(fragmentation)が可能になることを特徴とする請求項68に記載の核酸分析方法。
【請求項70】
バイオディスクを高速回転しつつ、血から血清ないし抗原を分離する段階と、
バイオディスクを回転しつつ、前記ラベルチャンバーに抗原を流入させた後、抗原とラベル標識された抗体(antibody)との間に「ラベル-抗原の結合体」を形成するよう1〜2分の間にインキュベーションする段階と、
前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階と、
バイオティスクを停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階と、
洗浄バッファー(washing buffer)を添加して分析サイトを洗浄する段階と、を含むことを特徴とする請求項18に記載のバイオディスクを利用した免疫分析方法。
【請求項71】
前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階は、前記分析サイト直前のバルブを開放すると共に遠心力によらず、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により「ラベル-抗原の結合体」を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに「ラベル-抗原の結合体」を流入させることを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【請求項72】
前記「ラベル-抗原の結合体」と多孔性メンブレイン上のキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階の後に、ディスクを高速回転することによって、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする請求項71に記載の免疫分析方法。
【請求項73】
前記乾燥段階の後に、前記分析サイト直前のバルブを開放し、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilic affinity)により 洗浄バッファー(washing buffer)を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに洗浄バッファーを流入させ、分析サイトを洗浄することを特徴とする請求項72に記載の免疫分析方法。
【請求項74】
前記洗浄段階の後に、ディスクを高速回転することにより、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする請求項73に記載の免疫分析方法。
【請求項75】
前記分析サイト内の抗原-抗体の反応結果を読み取るためにイメージセンサーによる撮影段階をさらに含むことを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【請求項76】
前記抗原-抗体の反応結果を問診データとともに専門医師に遠隔伝送する段階をさらに含むことを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【請求項1】
試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバーおよび分析サイトとの間に流体が流れることのできる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)と、を含み、
前記バルブは、前記有孔に位置したマイクロビーズ(micro bead)および前記マイクロビーズの上側に位置した永久磁石と、前記マイクロビーズの下側に位置した電磁石または移動可能な永久磁石から構成されたことを特徴とするバイオディスク。
【請求項2】
前記移動可能な永久磁石は、通常のアドレス可能な光ピックアップ装置において光ピックアップモジュールの代わりにするか、共に装着されることを特徴とする請求項1に記載のバイオディスク。
【請求項3】
前記マイクロビーズは、薄膜型の円柱磁石、またはクッション(Cushion)材料でコーティングされた薄膜型の円柱磁石であることを特徴とする請求項1に記載のバイオディスク。
【請求項4】
試料投入口と、バッファーまたは反応溶液を保存することのできるチャンバー(chamber)と、基質上にバイオ物質がアレイされた分析サイト(assay site)と、前記試料投入口、チャンバーおよび分析サイトとの間に流体が流れることができる流路(channel)と、前記流路を連結させる有孔と、前記有孔を開閉させるためのバルブ(valve)とを含み、
前記分析サイト内の基質は多孔性メンブレイン(membrane)であり、前記分析サイト直前のバルブ前(before)流路は疏水性流路であり、後(after)流路は親水性流路であることを特徴とするバイオディスク。
【請求項5】
前記多孔性メンブレインは、NC(Nitrocellose)メンブレイン、ナイロンメンブレイン、および整列したナノチューブ(aligned nano tube)から構成された群のいずれか一つであることを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項6】
前記親水性流路は、疏水性流路の表面を親水性アクリレイト、超親水性poly(N-isopropylacrylamide (PIPAAm)、または、ZrO2、ZnO、Fe2O3およびTiO2から構成された群で選択された光触媒としてコーティングしたり、プラズマ処理により表面改良(surfacemodification)処理して生成されたことを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項7】
前記親水性流路は、分析サイト内で一つ以上のブランチ(branch)流路に分かれ、前記ブランチ(branch)流路末端の有孔により多孔性メンブレインと連結されることを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項8】
前記分析サイトは、両側に前記多孔性メンブレインを乾燥させるための空気穴がさらに備えられたことを特徴とする請求項4に記載のバイオディスク。
【請求項9】
前記流体移動は、バイオディスクの回転力よる遠心力と前記バルブの開閉によって制御されることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項10】
前記分析サイトへの流体移動は遠心力によらず、直前バルブの開放と共に親水性流路と反応溶液との親水的な親和性(hydrophilic affinity)により移動されることを特徴とする請求項3に記載のバイオディスク。
【請求項11】
前記バイオ物質は、DNA、オリゴヌクレオチド(oligonucleotide)、RNA、PNA、リガンド(ligand)、レセプター(receptor)、抗原、抗体、およびタンパク質(Protein)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項12】
前記チャンバーは、血または細胞またはRNAからDNAサンプルを備えるための少なくとも一つ以上のプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、
前記備えられたDNAサンプルをPCR(Polymer Chain Reaction)増幅するための少なくとも一つ以上のPCRチャンバーおよび/または、
ラベル標識子を保存するためのラベルチャンバーと、
前記PCR工程に応じて増幅されたDNAと混成化(hybridization)するための分析および診断用プローブ(probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の混成化チャンバー(hybridizationchamber)および/または、
洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項13】
前記プレパレイションチャンバーには、セル(cell)を破ってDNAを抽出するための溶解バッファー(lysis buffer)溶液と、
抽出されたDNAと親和力(affinity)を有する粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)が入っていることを特徴とする請求項12に記載のバイオディスク。
【請求項14】
前記PCRチャンバーは複数構成され、前記複数のPCRチャンバーそれぞれに相異なる種類のプライマーが入っているか、あるいは同一種類のプライマーが入っているか、または前記複数のPCRチャンバーそれぞれに複数のプライマーが入っていることを特徴とする請求項12に記載のバイオディスク。
【請求項15】
前記チャンバーは、血または細胞から血清(serum)サンプルまたは抗原ないし抗体を備えるための少なくとも一つのプレパレイションチャンバー(Preparation chamber)および/または、
前記抗原ないし抗体と抗原-抗体反応を行うための免疫プローブ(immuno probe)がアレイ状で基質に付着している少なくとも一つ以上の抗原-抗体反応チャンバー(Ag-Abreaction chamber)および/または、
洗浄工程に応じて生成された残がいを集めるためのトラッシュチャンバー(Trash chamber)から構成されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項16】
前記プレパレイションチャンバーは、バイオディスクの回転により発生した遠心力によって血清サンプルを備えることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項17】
前記プレパレイションチャンバーは、遠心分離により血清分離を容易にするために円錐型ビーカー(BEAKER CONICAL)形、またはフラスコ(Flask)形であり、前記形の首(neck)部分に次のチャンバーに連結される流路が形成されたことを特徴とする請求項16に記載のバイオディスク。
【請求項18】
前記チャンバーは、ラベル(label)標識された抗体(antibody)を保存するためのラベルチャンバーをさらに備えたことを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項19】
前記ラベル標識された抗体(antibody)のラベル標識は、発色用粒子として金またはラテックス(latex)または蛍光物質あるいは放射能同位元素を有することを特徴とする請求項18に記載のバイオディスク。
【請求項20】
前記免疫プローブ(immuno probe)アレイは、腫瘍マーカー(tumor marker)が基質に固定されたことを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項21】
前記腫瘍マーカー(tumor marker)は、AFP、PSA、CEA、CA19-9、CA125、およびCA15-3から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項22】
前記免疫プローブ(immuno probe)は、心筋症標識因子のMyoglobin、CK-MB、Troponin I(Tnl)、アルツハイマー(Alzheimer)疾患の特異マーカーのGS(GlutamineSynthetase)から構成された群のいずれか一つ以上であることを特徴とする請求項15に記載のバイオディスク。
【請求項23】
前記分析サイトは、光透過式の測定装置あるいは電気化学あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置(detector)により読み取られることを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項24】
前記光透過式の測定装置は、分析サイト内の拘束信号要素および離脱信号要素にレーザービームが入射されるレーザービーム装置とこの信号要素との間の差等的な光透過信号を探知する光学探知機(光受信部)から構成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項25】
前記少なくとも一つ以上の光学探知機(光受信部)が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする請求項24に記載のバイオディスク。
【請求項26】
前記少なくとも一つ以上のレーザー発生装置と一つ以上の光学探知機(光受信部)の両方が、前記複数の分析サイトに一対一に対応し、バイオディスク上において円周方向にアレイ状で集積化配列されたことを特徴とする請求項24に記載のバイオディスク。
【請求項27】
前記電気化学の探知装置、あるいはキャパシタンスおよびインピーダンス測定装置は、前記分析サイトの基質上に配置された櫛型アレイ(interdigitated array)電極と拘束信号要素の末端部にHRP(HorseRadish Peroxidase)および/または金属球の付着されたプローブから形成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項28】
前記櫛型アレイ(interdigitated array)電極は、多孔性メンブレイン(membrane)上に表面コーティングにより具現されることを特徴とする請求項27に記載のバイオディスク。
【請求項29】
前記イメージセンサーは、前記分析サイト内のプローブに結合されたラベル(発色粒子)を撮影するための蛍光フィルタが搭載されたり、そうでないCCD(Charge Coupled Device)あるいはCMOSセンサーから構成されたことを特徴とする請求項23に記載のバイオディスク。
【請求項30】
前記分析サイトは、免疫分析(immuno assay)と核酸プローブ(probe)分析とを同時に分析するために、角方向(angular direction)または距離方向(radialdirection)に免疫分析セクターと、核酸プローブ(probe)分析セクターとが分離されたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項31】
サンプル注入の有無判別のために、前記プレパレイションチャンバー内にインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーをさらに備えることを特徴とする請求項12または15に記載のバイオディスク。
【請求項32】
前記インピーダンス測定装置は、櫛型アレイ電極によることを特徴とする請求項31に記載のバイオディスク。
【請求項33】
前記バイオディスクの本体は、上部基質、中間基質、下部基質から構成されて、超音波融着またはUV(Ultra Violet)接着剤あるいは両面テープにより接着組み立てられ、一体の本体を形成することを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項34】
前記バイオディスクは、バイオディスクのプロトコル、分析アルゴリズム、読み取るための標準制御値、あるいは分析サイト(site)に対する位置情報、生物情報学情報、自己診断(self diagonasis)に関した情報、あるいは装置ドライバソフトウェアおよび臨床分析のための患者教育情報、診断結果に従った専門医師および病院と遠隔に接続できるウェブサイトと、各種のリンクあるいは個人暗号化情報を保存するためのメモリあるいは保存手段、または無線RFICをさらに備えたことを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項35】
前記分析サイトの定量分析による読み取り結果を履歴管理する統計ソフトウェアおよび保存手段をさらに備えることによって、定期的な追跡診断に対する情報をユーザに提供することを特徴とする請求項1または3に記載のバイオディスク。
【請求項36】
請求項1ないし35のいずれか1項に記載のバイオディスクと、
前記バイオディスクに必要な電源または制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、
前記バイオディスクと制御用ディスクとの間を接続するためのインターフェース部を備えたことを特徴とするバイオディスク装置。
【請求項37】
前記インターフェース部は、制御信号を供給するための複数の制御信号接続部および/または、電源供給を行うための電源接続部を備え、バイオディスクと電気的に接続されることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項38】
前記インターフェース部は、バイオディスク上の導体でコーティングされた連結溝と制御用ディスク上の導体アームが互いに接続して形成されることを特徴とする請求項37に記載のバイオディスク装置。
【請求項39】
前記制御用ディスクは、前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御するための電磁石または移動可能な永久磁石をさらに備えたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項40】
前記バイオディスクと制御用ディスクとの間の高さ間隔は、0.1〜2mmであることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項41】
前記制御用ディスクへの電源供給は、外部電源装置と接続されたブラシあるいは電気的な接触により行われることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項42】
前記制御用ディスクは、PCB(Printed Circuit Board)あるいはシリコンウェハー上に集積された回路により構成されたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項43】
前記制御用ディスクは、前記探知装置によって獲得された前記分析サイトに対する読み取り結果を、赤外線、光、または無線インターフェースを介して外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置へ伝送するための非接触インターフェースをさらに備えたことを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項44】
前記バイオディスクと制御用ディスクとが組み合わされて、一体型のバイオディスクから構成されることを特徴とする請求項36に記載のバイオディスク装置。
【請求項45】
前記一体型のバイオディスクは、シリコンウェハー材料を使って前記制御部、無線RF IC、非接触インターフェース、前記バルブ制御を行うための電極板または電磁石および各種の回路パターンを含んだ電子回路および前記チャンバーおよびチャンネルを、シリコンウェハー上にフォトリソグラフィー(photolithography)およびエッチング工程に基づいてモノリシック(monolithic)形態の集積回路(IntegratedCircuit)で設計したことを特徴とする請求項44に記載のバイオディスク装置。
【請求項46】
請求項1ないし35のいずれか1項に記載のバイオディスクに必要な電源あるいは制御信号を供給するための制御部を備えた制御用ディスクと、
前記ディスクを回転させるためのモーターと、
前記制御用ディスク上の制御部に電源供給を行うための電源供給手段と、
前記制御部の制御信号および/または電源信号を前記バイオディスクに供給するためのインターフェース部と、
バイオドライバを保持している本体と、を含むことを特徴とするバイオドライバ装置。
【請求項47】
前記バイオディスクを上置きするためのターンテーブルをさらに有し、前記制御用ディスクは前記ターンテーブルに固定結合され、前記バイオディスクに内蔵されたバルブを制御する電磁石あるいは移動可能な永久磁石を備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項48】
前記電源供給手段は、環状の電極とブラシとの接触によってプラス(+)電源を供給し、マイナス(-)電源は接地されたモーター本体、または接地されたモーター軸との電気的な接続を介して制御用ディスクへ供給することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項49】
前記分析サイトを読み取るためのイメージセンサーを含む切替器結合された探知装置をさらに備えることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項50】
前記制御用ディスクは、分析サイトに対する読み取り結果を外部の中央制御装置または保存装置あるいは入出力装置に伝送したり、前記中央制御装置からの命令を受けるための非接触インターフェース手段をさらに備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項51】
中央制御装置および保存装置あるいは入出力装置が設計されている回路基板が、前記バイオドライブ本体に繋ぎ締結されており、前記中央制御装置は前記バイオディスクおよび制御用ディスクの回転あるいは停止時にモーターを回転あるいは停止させることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項52】
前記入出力装置は、USB(Universal Serial Bus)あるいはIEEE1394、またはATAPI、またはインターネットの通信規格を有することを特徴とする請求項51に記載のバイオドライバ装置。
【請求項53】
音楽CD、CD-R、ゲームCD、およびDVDから構成された群の選択された通常の光学(Optical)ディスクを読み取るするための光ピックアップ装置をさらに備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項54】
前記バイオドライバ装置にローディング(loading)されたディスクが、通常の音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなどの光学ディスクであるか、バイオディスクであるかを前記制御部が読み取るためのバイオディスク検知(Bio-DiscDetection)手段をさらに備えることを特徴とする請求項53に記載のバイオドライバ装置。
【請求項55】
前記光ピックアップ装置が、バイオディスク上における特定位置にグルーブパターン(groove pattern)、またはデータパターンを読み取って、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置が認識するようにすることを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項56】
前記中央制御装置は、通常の光学ディスク(Optical disc)(例えば音楽CD、CD-R、ゲームCD、DVDなど)であるかバイオディスクであるかを読み取って、通常の光学ディスクであれば、ディスクから読み取った内容を前記光ピックアップ装置から保存装置あるいは出力装置に伝送したり、使用すべき内容を光ピックアップ装置に伝送して、読み取り/書き込み(Read/Write)に必要な各種の制御信号を前記各部に提供するなどの光学ディスクのための通常動作を行い、バイオディスクであれば、バイオディスクを制御するための各種の制御命令信号を非接触インターフェースを介して伝送することを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項57】
バイオディスクのローディング(loading)時点において、バイオディスク上の非接触インターフェース、または無線RF ICを介して、前記中央制御装置にバイオディスクが新たにローディングされたことを無線送信するよう行うことによって、現在のバイオドライバにローディング(loading)されたディスクがバイオディスクであることを中央制御装置に認識させることを特徴とする請求項54に記載のバイオドライバ装置。
【請求項58】
前記バイオディスク上のプレパレイションチャンバーにサンプルの未注入のままバイオディスクがローディングされた場合、イジェクト(eject)されたり警告メッセージをユーザに伝送することを特徴とする請求項46に記載のバイオ ドライバ装置。
【請求項59】
サンプルの診断中または分析中に、ユーザによるバイオドライバからバイオディスクのイジェクト(un-loading)あるいはストップ(stop)の要求があった時、バイオドライバは無視したまま分析および診断を進行しつつ、選択事項として警告メッセージ(warningmessage)をユーザに通知するかパスワードを要求し、パスワードが正確な場合のみユーザのイジェクト(un-loading)あるいはストップの要求を受け入れることを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項60】
バイオディスク装置が何回使用したディスクであるかに対する情報および有効期間情報および診断したい病気の種類が保存されているメモリ手段をさらに備え、バイオディスクのローディング(loading)時ごとに、ユーザに診断可能であるか否かおよび前記情報が分かるよう提供することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項61】
前記バイオドライバ装置は、通常の光学ディスクを再生するための再生および探索ボタン、停止ボタン、および現在のローディングされたディスクがバイオディスクであることを示す発光ダイオード(LED)を備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項62】
前記バイオドライバ装置は、液晶表示装置またはモニター表示装置を具備して、バイオドライバ装置の主な工程(プレパレイション工程、PCR工程、混成化反応工程あるいは抗原-抗体反応)および段階にともなう進行率をパーセント(%)、バーグラフ(bar graph)、またはパイグラフ(piegraph)形式で表示することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項63】
前記バイオドライバを保持している本体は、バイオディスクのトップ(top)ローディングあるいはフロント(front)ローディングを許容することを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項64】
前記バイオドライバは、複数のバイオディスクを一度にローディングできる複数のターンテーブルを備えたことを特徴とする請求項46に記載のバイオドライバ装置。
【請求項65】
血または細胞あるいはRNAからDNAサンプルを備えるためのプレパレイション(Preparation)工程段階と、
備えられたDNAサンプルを増幅するためのPCR工程段階と、
前記PCR工程に基づいて獲得されたDNAを分析サイトにアレイされた分析および診断用プローブ(probe)と混成化するための混成化(hybridization)工程段階と、
分析サイト内の切断可能な信号要素を光透過式の測定装置、電気化学、キャパシタンスまたはインピーダンス測定装置あるいはイメージセンサーを含む切替器結合された探知機によって読み取る段階と、を含むことを特徴とする請求項12に記載のバイオディスクを利用した核酸分析方法。
【請求項66】
前記プレパレイションコンジョンは、血(blood)を前記プレパレイションチャンバーに設置されたサンプル注入口を介して注入する段階と、
セル(cell)から抽出されたDNAを前記粒子あるいは強磁性体ビーズに付着させるためのインキュベーション(incubation)段階と、
前記粒子あるいは強磁性体ビーズを定置させてから、徐々にバイオディスクを回転しつつ、セル(cell)が破壊される時に生じた残がい(debris)をトラッシュチャンバーに洗い流す段階と、
前記粒子あるいは強磁性体ビーズ(bead)についているDNAを離脱あるいは再懸濁(resuspension)させる段階と、を含むことを特徴とする請求項65に記載の核酸分析方法。
【請求項67】
前記PCR工程は、バイオディスクを徐々に回転しつつ、前記プレパレイション工程に応じて獲得されたDNAを前記PCRチャンバーに移動させる段階と、
前記PCRチャンバーへのDNA移動が完了された後、PCRチャンバー内に内蔵されているヒーターと温度センサーを利用してPCRサイクル(cycle)を数回繰り返してDNAを増幅させる段階と、を含むことを特徴とする請求項65に記載の核酸分析方法。
【請求項68】
前記PCR工程の後に、バイオディスクを徐々に回転しつつDNAseをPCRチャンバーに流入させる段階と、
高温で加熱しDNAseの機能を停止(インキュベーション停止)および一本鎖のDNAを作る段階(denaturing step)と、を含むフラグメンテーション(fragmentation)工程をさらに含むことを特徴とする請求項67に記載の核酸分析方法。
【請求項69】
前記複数のPCRチャンバーごとに一対一に対応した独立したヒーター(独立したインキュベーション時間)を置いてフラグメンテーション(fragmentation)することによって、相異なる長さを有するDNAのフラグメンテーション(fragmentation)が可能になることを特徴とする請求項68に記載の核酸分析方法。
【請求項70】
バイオディスクを高速回転しつつ、血から血清ないし抗原を分離する段階と、
バイオディスクを回転しつつ、前記ラベルチャンバーに抗原を流入させた後、抗原とラベル標識された抗体(antibody)との間に「ラベル-抗原の結合体」を形成するよう1〜2分の間にインキュベーションする段階と、
前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階と、
バイオティスクを停滞状態で培養し、前記「ラベル-抗原の結合体」とキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階と、
洗浄バッファー(washing buffer)を添加して分析サイトを洗浄する段階と、を含むことを特徴とする請求項18に記載のバイオディスクを利用した免疫分析方法。
【請求項71】
前記「ラベル-抗原の結合体」を前記分析サイト内に移動させる段階は、前記分析サイト直前のバルブを開放すると共に遠心力によらず、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilicaffinity)により「ラベル-抗原の結合体」を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに「ラベル-抗原の結合体」を流入させることを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【請求項72】
前記「ラベル-抗原の結合体」と多孔性メンブレイン上のキャプチャー抗体(capture antibody)との間に抗原-抗体反応が起きるよう培養する段階の後に、ディスクを高速回転することによって、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする請求項71に記載の免疫分析方法。
【請求項73】
前記乾燥段階の後に、前記分析サイト直前のバルブを開放し、親水性流路の親水的な親和性(hydrophilic affinity)により 洗浄バッファー(washing buffer)を移動させ、前記分析サイト内の多孔性メンブレインに洗浄バッファーを流入させ、分析サイトを洗浄することを特徴とする請求項72に記載の免疫分析方法。
【請求項74】
前記洗浄段階の後に、ディスクを高速回転することにより、多孔性メンブレインを乾燥させる乾燥段階をさらに含むことを特徴とする請求項73に記載の免疫分析方法。
【請求項75】
前記分析サイト内の抗原-抗体の反応結果を読み取るためにイメージセンサーによる撮影段階をさらに含むことを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【請求項76】
前記抗原-抗体の反応結果を問診データとともに専門医師に遠隔伝送する段階をさらに含むことを特徴とする請求項70に記載の免疫分析方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【公表番号】特表2008−539419(P2008−539419A)
【公表日】平成20年11月13日(2008.11.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−508759(P2008−508759)
【出願日】平成18年5月2日(2006.5.2)
【国際出願番号】PCT/KR2006/001658
【国際公開番号】WO2006/118420
【国際公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【出願人】(507356822)
【氏名又は名称原語表記】YOO, Jae Chern
【住所又は居所原語表記】#231−1103 Green Apt., Jigok−dong, Nam−gu, Pohang−si, Gyeongsangbuk−do 790−752, Republic of Korea
【Fターム(参考)】
【公表日】平成20年11月13日(2008.11.13)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年5月2日(2006.5.2)
【国際出願番号】PCT/KR2006/001658
【国際公開番号】WO2006/118420
【国際公開日】平成18年11月9日(2006.11.9)
【出願人】(507356822)
【氏名又は名称原語表記】YOO, Jae Chern
【住所又は居所原語表記】#231−1103 Green Apt., Jigok−dong, Nam−gu, Pohang−si, Gyeongsangbuk−do 790−752, Republic of Korea
【Fターム(参考)】
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