KR100647328B1

KR100647328B1 - 미세유동 장치 내의 유체의 ｐＨ를 전기적으로 조절하기위한 미세유동 장치 및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는방법

Info

Publication number: KR100647328B1
Application number: KR1020050053553A
Authority: KR
Inventors: 한정임; 김준호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-06-21
Filing date: 2005-06-21
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US8293095B2; EP1748340A2; EP1748340B1; JP2007003526A; JP4313379B2; EP1748340A3; US20070068813A1

Abstract

본 발명은 제1 전극이 구비되어 있는 제1 챔버; 제2 전극이 구비되어 있는 제2 챔버; 및 제3 전극이 구비되어 있는 제3 챔버를 포함하고, 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버의 경계는 금속 이온 교환막에 의하여 구분되고, 상기 제1 챔버 또는 제2 챔버와 상기 제3 챔버의 경계는 수소 이온 교환막에 의하여 구분되는 것인, 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치 및 그를 이용한 pH 조절 방법을 제공한다.

전기분해, pH, 금속 이온 교환막, 수소 이온 교환막

Description

미세유동 장치 내의 유체의 ｐＨ를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치 및 그를 이용하여 ｐＨ를 조절하는 방법{A microfluidic device for electrically regulating the pH of a fluid therein and method for regulating the pH of a fluid in a microfuidic device using the same}

도 1은 본 발명의 미세유동 장치의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 미세유동 장치를 이용하여 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 과정의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 실시예에 사용된 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 대조용으로 사용된 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 미세유동 장치를 도식적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 종래 수소 이온 교환막이 도입되어 있지 않은 미세유동 장치의 제1 챔버에 DNA를 포함시키고, 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 경우에 있어서 DNA의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 6은 종래 수소 이온 교환막이 도입되어 있지 않은 미세유동 장치의 제2 챔버에 DNA를 포함시키고, 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 경우에 있어서 DNA의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명은 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치 및 그를 이용하여 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법에 관한 것이다.

미세유동 장치는 입구, 출구 및 반응 용기 등이 마이크로채널을 통하여 연통되어 있는 장치를 말한다. 이러한 장치는 당업계에 널리 알려져 있으며, 랩온어칩 (Lab-on-a-chip : LOC)과 같은 미세분석 장치에 널리 이용되고 있다. 이러한 미세유동 장치에는 상기 마이크로채널이 형성되어 있는 것 외에 일반적으로 유체의 이송과 혼합을 위한 마이크로펌프, 마이크로믹서 및 이송되는 유체를 여과하기 위한 마이크로필터 등이 구비되어 있다.

LOC와 같은 생물분석 장치로서 사용되는 미세유동 장치는 세포의 용해, PCR과 같은 핵산의 증폭 및 분리, 단백질의 분리, 및 검출과 같은 일련의 생물학적 분석과정을 수행한다. 이러한 생물학적 분석과정에 있어서, 종래 pH의 조절은 산성 용액이나, 중성 용액 또는 버퍼 용액을 첨가하거나 제거함으로써 이루졌다. 그러나, 미세유동 장치에 있어서 이러한 pH 조정용 용액을 첨가하거나 제거하는 경우, 시료의 양이 적기 때문에 희석, 혼합, 마이크로채널 내로의 물질의 이동 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 이렇게 첨가된 pH 조절 물질은 추후의 생물학적 분석 과정에서 저해물질로서 작용할 수 있는 경우에는 사용 후 제거되어야 하는 경우도 발생한다.

이와 같이 외부로부터 pH 조절 시약을 주입하는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 전기분해를 이용하는 방법을 고려할 수 있다. 즉, 미세유동 장치 내에서 물의 전기분해가 일어날 수 있는 챔버와 전극을 구비하고, 각 챔버에서 전압을 인가하는 경우 물이 전기분해되도록 하고, 그에 따라 (+) 전극에서 발생하는 수소 이온과 (-) 전극에서 발생하는 히드록사이드 이온을 이용하여 pH를 조절하는 방안을 고려할 수 있다. 그러나, 이러한 방안에 의하더라고, 핵산과 같은 음전하를 가지고 있어 (+) 전극에 흡착하는 성질을 가진 생물분자는 전압이 인가된 상기 (+) 전극에 흡착하게 되고, 흡착된 이들 분자는 일반적으로 불안정하여 분해되어, 공정의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 물의 전기분해를 이용하여 미세유동 장치 내의 pH를 용이하게 조절할 수 있으면서, 핵산 등의 물질이 전압이 인가된 (+) 전극에 흡착하는 것을 방지하여 핵산 등의 안정성을 증가시켜 공정의 효율을 증가시킬 수 있는 방법을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 전기분해에 의하여 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 조절할 수 있으면서도 전압이 인가된 (+) 전극에 흡착하는 생물분자의 안정성을 증가시킬 수 있는 미세유동 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명의 미세유동 장치를 이용하여 전기분해에 의하여 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 조절할 수 있으면서도 전압이 인가된 (+) 전극에 흡착하는 생물분자의 안정성을 증가시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이 다.

본 발명은 제1 전극이 구비되어 있는 제1 챔버;

제2 전극이 구비되어 있는 제2 챔버; 및

제3 전극이 구비되어 있는 제3 챔버를 포함하고,

상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버의 경계는 금속 이온 교환막에 의하여 구분되고, 상기 제1 챔버 또는 제2 챔버와 상기 제3 챔버의 경계는 수소 이온 교환막에 의하여 구분되는 것인, 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치를 제공한다.

본 발명의 장치에 있어서, 상기 제1, 2 및 3 챔버는 유체와 같은 물질을 수용할 수 있는 공간을 말하는 것으로 바람직하게는, 마이크로 단위의 부피 이하의 물질을 수용할 수 있는 마이크로챔버이나 여기에 한정되는 것은 아니다. 상기 챔버는 마이크로채널을 통하여 다양한 챔버와 연결되어 있을 수 있다. 예를 들면, 세포 등의 생물 시료 등을 수용할 수 있는 수용 챔버, 상기 시료를 전처리하기 위한 전처리 챔버, 핵산을 증폭하기 위한 증폭 챔버, 핵산 분리 챔버, 및 검출 챔버 등과 연결되어 있을 수 있다. 따라서, 본 발명의 미세유동 장치는 유체의 pH를 전기적으로 조절할 수 있는 랩온어칩의 형태일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버는 금속 이온 교환막에 의하여 경계를 이루고 있다. 또한, 상기 제1 챔버 또는 상기 제2 챔버와 상기 제 3 챔버는 수소 이온 교환막에 의하여 경계를 이루고 있다. 본 명세서에 있어서, "경 계를 이룬다"는 표현은 챔버와 챔버가 접속되어 있는 부분의 전체 또는 그 일부가 상기 금속 이온 교환막 또는 수소 이온 교환막으로 이루어져 있다는 것을 의미한다. 따라서, 상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버의 일부분은 상기 금속 이온 교환막에 의하여 정의되어 진다. 또한, 상기 제3 챔버의 일부분은 상기 수소 이온 교환막에 의하여 정의되어 진다.

본 발명에 있어서, 상기 금속 이온 교환막은 알칼리 금속 이온 교환막일 수 있다. 상기 금속 이온은 Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 및 Al³⁺ 등일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 금속 이온 교환막은 소듐 이온 교환막이고, 더욱 바람직하게는, 상기 금속 이온 교환막은 Nafion^TM (Nafion 사) 막이다. 이러한 금속 이온 교환막은 일반적으로 막 표면이 M이 금속 이온, 바람직하게는 알칼리 금속 이온인 -SO₃M, -COOM, 또는 -SO₃M 및 -COOM 관능기를 가지고 있는 구조를 갖는 것이나, 반드시 이러한 구조를 갖는 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 상기 수소 이온 교환막은 일반적으로 막 표면이 -SO₃H, -COOH, 또는 -SO₃H 및 -COOH 관능기를 가지고 있는 구조를 갖는 것이나, 반드시 이러한 구조를 갖는 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 사용되는 각 전극은 백금, 금, 구리 및 팔라듐 등과 같이 당업계에 통상적으로 사용되는 물질로 되어 있을 수 있다. 상기 전극은 상기 챔버의 벽면에 구비되는 것이 바람직하나, 여기에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 제1 챔버의 제1 전극과 상기 제2 챔버의 제2 전극은 상기 금속 이온 교환막을 사이에 두고 일정한 각도로 대향하여 위치하는 것이다. 또한, 바람직하게는, 상기 제1 챔버의 제1 전극 또는 상기 제2 챔버의 제2 전극과 상기 제3 챔버의 제3 전극은 상기 금속 이온 교환막 및/또는 수소 이온 교환막을 사이에 두고 일정한 각도로 대향하여 위치하는 것이다.

도 1은 본 발명의 미세유동 장치의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 미세유동 장치는 제1 전극 (12)과 금속 이온 교환막 (40)이 구비되어 있는 제1 챔버 (10) 및 제2 전극 (22)과 금속 이온 교환막 (40)이 구비되어 있는 제2 챔버 (20) 및 제3 전극 (32)과 수소 이온 교환막 (50)이 구비되는 있는 제3 챔버로 구성된다. 본 발명이 미세유동 장치를 이용한 유체의 pH 조절은 예를 들면, 제1 전극과 제2 전극을 통하여 전압을 인가하여 제1 전극에는 (+) 전압을 제2 전극에는 (-) 전압을 인가하여 제1 챔버와 제2 챔버에서 물의 전기분해가 일어나게 하여, 제1 챔버는 산성 쪽으로 제2 챔버는 염기성 쪽을 pH를 변화시키고, 제1 전극과 제3 전극을 통하여 전압을 인가하여 제1 전극에는 (-) 전압을 제3 전극에는 (+) 전압을 인가하여 제1 챔버와 제3 챔버에서 물의 전기분해를 일으켜, 상기 제1 챔버 및 제2 챔버의 pH를 조절할 수 있다. 이러한 pH는 인가되는 전압의 방향, 세기 및 시간에 의하여 원하는 수준으로 조절될 수 있다.

본 발명은 또한, (a) 제1 챔버에 물보다 표준 산화전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계; (b) 제2 챔버에 물보다 표준 환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계; 및 (c) 제1 챔버의 제1 전극 또는 제2 챔버 의 제2 전극과 상기 제3 챔버의 제3 전극을 통하여 전압을 인가하여 상기 제2 챔버 또는 제1 챔버 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법을 제공한다.

본 발명의 방법의 일 구체예는, (a) 제1 챔버에 물보다 표준 산화전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계; (b) 제2 챔버에 물보다 표준 환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계; (c) 제1 챔버의 제1 전극과 제2 챔버의 제2 전극을 통하여 전압을 인가하여 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에서 물의 전기분해를 일으키는 단계; 및 (d) 제1 챔버의 제1 전극 또는 제2 챔버의 제2 전극과 상기 제3 챔버의 제3 전극을 통하여 단계 (c)에서 가하여진 전압의 반대 방향으로 전압을 인가하여 상기 제2 챔버 또는 제1 챔버 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법일 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 상기 pH는 인가되는 전압의 방향, 크기 및 인가되는 시간에 의하여 조절되는 것일 수 있다.

본 발명의 방법에 있어서, 단계 (a)에서 물보다 표준 산화전위가 낮은 이온을 포함하는 용액은 NO₃ ^-, F^-, SO₄ ^2-, PO₄ ^3-, 및 CO₃ ^2- 등으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 음이온을 포함하는 용액일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 또한, 단계 (b)에서 물보다 표준 환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액은 Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 및 Al³⁺ 등으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 이 온이 포함되어 있는 용액일 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 미세유동 장치를 이용하여 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 과정의 일 예를 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 챔버 (10), 제2 챔버 (20) 및 제3 챔버 (30)에 각각 Na₂SO₄를 포함하는 용액을 첨가하고, 제1 전극 (12)을 (+) 전극으로 하고, 제2 전극 (22)을 (-) 전극으로 하여 전압을 인가하여, 상기 제1 챔버 (10) 및 제2 챔버 (20) 중의 물이 전기 분해되도록 하고, 물의 전기 분해에 의하여 발생된 이온을 금속이온교환막 (40)을 통과할 수 없다. 그에 따라 제1 챔버 (10)에서는 물이 전기분해되어 산소 기체와 수소 이온이 발생되어, 제1 챔버 (10) 내의 용액의 pH가 산성 쪽으로 변화한다. 반면, 제2 챔버 (20)에서는 물이 전기분해되어 수소 기체와 히드록사이드 이온이 발생하여 제2 챔버 (20) 내의 용액의 pH는 염기성 쪽으로 변화한다. 상기 증가된 히드록사이드 이온 농도는 세포와 같은 생물 시료를 파쇄하는 등의 목적으로 사용될 수 있다. 이렇게 물의 전기분해에 의하여 변화된 pH를 갖는 제1 챔버 (10) 및 제2 챔버 (20) 용액의 pH는 제1 전극 (12)과 제3 전극 (32) 사이에 전압을 인가함으로써 조절된다. 즉, 제1 전극 (12)을 (-) 전극으로 하고, 제3 전극 (32)을 (+) 전극으로 하여 전압을 인가하는 경우, 제3 챔버 (30) 내의 물이 전기분해되어 산소 기체와 수소 이온이 발생되어, 제3 챔버 (30) 내의 용액의 pH가 산성 쪽으로 변화하고, 제3 챔버 (30)의 수소 이온은 수소 이온 교환막 (50)을 통하여 제2 챔버 (20)로 이동하여 제2 챔버 (20)의 pH를 산성 쪽으로 변화시킨다. 또한, 제1 챔버 (10)에서는 물이 전기분해되어 수소 기체와 히드록사이드 이온이 발생하여 제1 챔버 (10) 내의 용액의 pH는 염기성 쪽으로 변화한다. 이렇게 함으로써, 상기 제1 챔버 (10)와 제2 챔버 (20)의 pH를 원하는 수준으로 조절할 수 있다.

상기한 도 2에 대한 예시적인 설명에서, 제1 챔버와 제2 챔버의 용액은 먼저 전기 분해에 의하여 그 pH가 변화하고, 이를 다시 제1 전극과 제3 전극 사이에 전압을 인가하여 물의 전기 분해에 의하여 조절하였다. 그러나, 제1 챔버와 제2 챔버의 용액의 전기 분해 과정은 반드시 필요한 것은 아니며, 제1 챔버와 제2 챔버에 도입되는 용액 자체가 일정한 pH를 가지고 있고, 이를 제1 전극과 제3 전극에 전압을 인가하여 물의 전기분해에 의하여 제1 챔버와 제2 챔버의 pH를 조절할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1 : 수소 이온 교환막을 사용한 물의 전기분해를 통한 pH의 조절

본 실시예에서는 소듐 이온 교환막과 수소 이온 교환막을 사용하여 전기 분해에 의하여 각 챔버의 pH가 조절되는지를 확인하였다.

본 실시예에서는 본 발명의 미세유동 장치에 대한 모델로서, 도 3에 나타낸 바와 같은 장치를 사용하였다. 도 3은 본 실시예에 사용된 장치를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시예 사용된 장치는 제1 전극 (62) 및 소듐 이온 교환막 (40)이 구비되어 있는 제1 챔버 (60), 소듐 이온 교환막 (40) 과 수소 이온 교환막 (50)이 구비되어 있는 제2 챔버 (70) 및 수소 이온 교환막 (50)과 제2 전극이 구비되어 있는 제3 챔버 (80)로 구성된다. 상기 소듐 이온 교환막 (40)과 수소 이온 교환막 (50)은 Nafion^TM 막으로서, 표면 상에 각각 -SO₃Na와 -SO₃H 기를 가지고 있고, 크기는 2 mm x 2.5 mm인 막을 사용하였다. 도 3에 나타낸 장치에서, 각 챔버의 부피는 10 ㎕이었다. 상기 각 전극은 2 mm x 2.5 mm의 백금 전극을 사용하였다.

먼저, 제1 챔버에 55 mM Na₂SO₄ 수용액 (pH 6.0) 10 ㎕를 첨가하고, 제2 챔버와 제3 챔버에는 55 mM Na₂SO₄ 수용액 (pH 6.0) 10 ㎕를 첨가하여 상기 수소 이온 교환막 상의 수소 이온의 일부를 소듐 이온으로 치환하고 세척한 후, pH 3.0으로 맞추었다. 이때 pH 측정은 마이크로 pH 전극 (Orion 사) 및 pH 시험지를 사용하였다. 다음으로, 제1 전극 (62)을 (+) 전극으로 하고, 제2 전극 (82)을 (-) 전극으로 하여 5 V의 전압을 50 초 동안 인가하고 각 챔버의 pH를 측정하였다. 그 결과, 제1 챔버 (60)의 pH는 1이었고, 제2 챔버 (70)의 pH는 6이었고, 제3 챔버 (80)의 pH는 13이었다 (표 1 참조).

표 1.

챔버	제1 챔버	제2 챔버	제3 챔버
pH	1	6	13

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 제1 전극 (62)으로부터 제2 전극 (82)으로 전압을 인가하는 경우, pH가 제1 챔버 (60)에서는 산성 쪽으로 변하고, 제3 챔버 (80)에서는 염기성 쪽으로 변화하였다. 이는 제1 챔버 (60)와 제3 챔버 (80)에서 물의 전기분해에 의하여 pH 변화가 일어나는 것으로 추정된다. 즉, 제1 챔버 (60)에서는 물이 전기분해되어 산소 기체와 수소 이온을 형성하여 pH가 산성 쪽으로 변화하고, 제3 챔버 (80)에서는 물이 전기분해되어 수소 기체와 히드록사이드 이온을 형성하여 pH가 염기성 쪽으로 변화한다. 또한, 제2 챔버 (70)의 pH가 염기성 쪽으로 이동하는 것은 수소 이온 교환막에 의하여 제2 챔버 (70)와 제3 챔버 (80)에서 평형을 이루고 있는 수소 이온이 제3 챔버 (80)에서의 히드록사이드 이온과 반응하여 제거된 결과인 것으로 여겨진다. 또한, 제3 챔버 (80)의 pH는 13이며, 이는 세포를 알칼리 파쇄 (akaline lysis)시키는데 있어서 충분한 pH이다. 따라서, 세포 또는 바이러스를 포함하는 시료를 제3 챔버 (80)에 도입하고, 상기한 바와 같이 전압을 가하는 경우, 세포를 파쇄하여 핵산과 같은 내용물을 세포 외부로 유출시킬 수 있다. 그러나, pH 13의 상태에서 일정 시간 이상으로 노출되는 경우, 핵산과 같은 일부 생물 분자는 불안정하게 되어 파괴될 수 있다. 따라서, 상기 pH를 원하는 pH, 즉 추후의 처리 과정에 따라 원하는 pH로 조정할 필요가 있다.

이러한 pH 조절을 위하여 전압의 방향을 상기한 바와는 반대로 하여 전압을 인가하는 방안을 고려하여 볼 수 있다. 즉, 제1 전극 (62)을 (-) 전극으로 하고, 제2 전극 (82)을 (+) 전극으로 하여 전압을 인가하는 경우, 제1 챔버의 pH는 염기성 쪽으로 변화하고, 제3 챔버 (80)는 산성 쪽으로 변화시켜 원하는 pH에 도달할 수 있다. 그러나, 이 경우 제3 챔버 (80)의 제2 전극 (82)에서는 (+) 전압을 인가하기 때문에, 핵산과 같은 음이온성 물질이 상기 제2 전극 (82)에 흡착하여 이들 물질이 불안정하여 지고, 또한 흡착에의하여 추후 처리가 곤란하게 되는 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기 문제점은 (+) 전압을 인가하는데 사용되는 제2 전극 (82)의 앞에 수소 이온 교환막을 도입함으로써 회피될 수 있을 것으로 추정하였다. 이를 확인하기 위하여, 본 실시예에서는 상기 제2 챔버 (70)의 10 ㎕의 용액 (pH 6)을 제거하고, 제3 챔버 (80)의 10 ㎕의 용액 (pH 13)를 취하여 옮기고, 빈 제3 챔버 (80)에는 55 mM Na₂SO₄ 수용액 (pH 6.5) 10 ㎕를 첨가하였다. 이렇게 함으로써, pH 13의 제3 챔버 용액과 제2 전극 사이에 수소 이온 교환막이 놓이도록 하였다. 다음으로, 제1 전극을 (-) 전극으로 하고, 제2 전극을 (+) 전극으로 하여 10 V 전압을 20 동안 인가하고, 각 챔버의 pH를 마이크로 pH 전극 (Orion 사) 및 pH 시험지를 사용하여 측정하였다. 그 결과, 제1, 2 및 3 챔버의 pH는 각각 13, 2.5 및 1 이었다 (표 2 참조).

표 2.

챔버	제1 챔버	제2 챔버	제3 챔버
pH	13	2.5	1

표 2에 나타낸 바와 같이, 제2 챔버와 제3 챔버의 경계 영역에는 수소 이온 교환막이 설치되어 있기 때문에 제3 챔버의 제2 전극에는 핵산과 같은 음이온성 물질이 제2 전극에 부착하는 문제점이 회피되면서도, 제2 챔버의 pH를 pH 13으로부터 2.5로 조정할 수 있었다. pH 2.5 수준의 pH는 산성 pH에서 양전하를 띠는 고체 이온 교환물질에 핵산을 결합시키고, pH를 염기성 쪽으로 변화시켜 상기 결합된 핵산을 용출시킴으로써 핵산을 분리하는 방법인, 이온 교환성 고체 물질을 이용한 핵산 분리 방법에 추가의 pH 조정없이 용이하게 적용될 수 있는 pH 수준이다.

실시예 2 : 수소 이온 교환막을 이용한 물의 전기분해를 통한 pH 조절이 핵산의 안정성에 미치는 영향

본 실시예에서는 실시예1에 나타낸 바와 같은, 수소 이온 교환막을 이용한 물의 전기분해를 통한 pH 조절 방법이 핵산의 안정성에 미치는 영향을 확인하였다. 먼저, 대장균 BL21 균주의 배양물을 Qiagen Blood & Cell culture kit를 사용하여 추출된 대장균 게놈 DNA (약 4 Mb) 10⁵ 카피/㎕를 포함하는 55 mM Na₂SO₄ 10 ㎕ (pH 6)를 제3 챔버에 첨가한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 전기 분해하고, 얻어지는 용액을 제2 챔버의 용액과 치환하여 다시 전기분해하는 과정을 수행하였다. 그 결과 얻어진 제2 챔버의 용액 10 ㎕를 주형으로 하고, 서열번호 1과 2의 프라이머를 사용하여 실시간 PCR을 수행하여 DNA의 양을 측정하였다. DNA의 양은 정량 PCR에 의하여 Cp (crossing point) 값을 구하고, 그 차이를 이용하여 상대적으로 정량하였다.

다음으로, pH 조절 결과 파괴되지 않고 남아 있는 DNA의 양을 초기 DNA 양과 비교하여 DNA의 안정성을 확인하였다. 그 결과, 본 발명에 방법에 따른 경우, 7V에서 30 초 동안 전압을 가한 경우 DNA의 안정성은 약 91 %이었다.

표 3은 전압 및 전압 인가 시간에 따른 pH 값 및 7V에서 30 초 동안 전압을 인가한 경우의 DNA의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 표이다.

표 3.

항목	전압 및 인가 시간			DNA 안정성
항목	5V, 30초	7V, 30초	10V, 20초	7V,30 초
평균 pH 또는 안정성	13.0	2.49	2.39	91%
표준 편차	0.00	0.08	0.13	0.07
공분산(CV) (%)	0.00	3.22	5.45	7.30

본 실시예에서는 대조군으로서 수소 이온 교환막을 사용하지 않고, 소듐 이온 교환막만을 사용하여 핵산이 포함되어 있는 제1 챔버와 제2 챔버에 전압을 일정한 시간 동안 인가한 후, 각 챔버에 남아 있는 DNA 양을 측정하으로써 DNA의 안정성을 확인하였다.

구체적으로, 미세유동 장치에 대한 모델로서, 도 4 나타낸 바와 같은 장치를 사용하였다. 도 4는 대조용으로 사용된 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 미세유동 장치를 도식적으로 나타낸 도면이다. 이 장치는 제1 전극 (12)과 소듐 이온 교환막 (40)이 구비된 제1 챔버 (10)와 상기 소듐 이온 교환막 (40)과 제2 전극 (22)이 구비되어 있는 제2 챔버 (20)로 구성되고, 상기 소듐 이온 교환막 (40)은 상기 제1 챔버와 제2 챔버의 경계를 구성한다. 상기 소듐 이온 교환막은 표면이 -SO₃Na로 된 크기가 2 mm x 2.5 mm인 Nafion^TM 막을 사용하였고, 도 4에 나타낸 장치에서, 각 챔버의 부피는 10 ㎕이었다. 상기 각 전극은 2 mm x 2.5 mm의 백금 전극을 사용하였다.

먼저, 대장균 BL21 균주의 배양물을 Qiagen Blood & Cell culture kit를 사용하여 추출된 대장균 게놈 DNA (약 4 Mb) 10⁵ 카피/㎕를 포함하는 55 mM Na₂SO₄ 수용액 (pH 6.0) 10 ㎕를 제1 챔버 및 제2 챔버에 첨가하였다. pH 측정은 마이크로 pH 전극 (Orion 사) 및 pH 시험지를 사용하였다.

다음으로, 제1 전극을 (-) 전극으로 하고, 제2 전극을 (+) 전극으로 하여 여러 전압 (3, 5, 7 및 9 V)을 일정한 시간 동안 인가하고 각 챔버의 pH를 측정 (데이터는 나타내지 않음)하는 동시에 DNA 양을 정량하여 DNA의 안정성을 확인하였다. DNA의 정량은 실시예 1에 나타낸 바와 같이, 측정하였다. 그 결과를 도 5와 도 6에 나타내었다.

도 5는 종래 수소 이온 교환막이 도입되어 있지 않은 미세유동 장치의 제1 챔버 (캐소드 전극, 즉 (-) 전극을 포함함)에 DNA를 포함시키고, 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 경우에 있어서 DNA의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 6은 종래 수소 이온 교환막이 도입되어 있지 않은 미세유동 장치의 제2 챔버 (아노드 전극, 즉 (-) 전극을 포함함)에 DNA를 포함시키고, 전기분해를 이용하여 pH를 조절하는 경우에 있어서 DNA의 안정성을 측정한 결과를 나타내는 도면이다. 도 5와 6에 나타낸 바와 같이, (-) 전극이 포함되어 있는 제2 챔버에 비하여 (+) 전극이 포함되어 있는 제1 챔버에서의 DNA 안정성이 현저하게 감소되었다. 구체적으로, 제1 전극을 (-) 전극으로하고, 제2 전극을 (+) 전극으로 하여 7V의 전압을 30 초 동안 인가하는 경우, 제1 챔버의 핵산의 안정성은 약 15 %이었다. 이는 실시예 3에 나타낸 바와 같이, 본원 발명의 수소 이온 교환막을 사용하는 미세유동장치를 사용하여 7V의 전압을 30 초 동안 인가한 후 측정된 DNA의 안정성 91 % 에서 현저하게 감소한 것이다.

이는 핵산이 포함되어 있는 챔버의 전극을 (+) 전극으로 하여 전압을 인가하는 경우, 핵산이 상기 (+) 전극에 흡착하기 때문에, 그 안정성이 현저하게 감소하는 것으로 추정된다.

본 실시예에 나타낸 바와 같이, 핵산이 포함되어 있는 챔버의 전극을 (+) 전극으로 하여 전압을 인가하는 경우에도, 수소 이온 막을 개재시킴으로써 핵산의 안정성을 크게 향상시킬 수 있었다.

본 발명의 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치에 의하면, 미세유동 장치 내의 pH를 신속하게 조절할 수 있으면서도 핵산의 안정성을 유지할 수 있다.

본 발명의 방법에 의하면, 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 신속하게 조절할 수 있으면서도 핵산의 안정성을 유지할 수 있다.

서열목록 전자파일 첨부

Claims

제1 전극이 구비되어 있는 제1 챔버;

제2 전극이 구비되어 있는 제2 챔버; 및

제3 전극이 구비되어 있는 제3 챔버를 포함하고,

상기 제1 챔버와 상기 제2 챔버의 경계는 금속 이온 교환막에 의하여 구분되고,

상기 제1 챔버 또는 제2 챔버와 상기 제3 챔버의 경계는 수소 이온 교환막에 의하여 구분되는 것인, 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하기 위한 미세유동 장치.
제1항에 있어서, 상기 금속 이온 교환막은 알칼리 금속 이온 교환막인 미세유동 장치.
제2항에 있어서, 상기 금속 이온 교환막은 소듐 이온 교환막인 미세유동 장치.
제3항에 있어서, 상기 금속 이온 교환막은 Nafion^TM 막인 미세유동 장치.
제2항에 있어서, 상기 금속 이온 교환막은 막 표면이 M이 알칼리 금속인 -SO₃M, -COOM, 또는 -SO₃M 및 -COOM 관능기를 가지고 있는 막인 미세유동 장치.
(a) 제1 챔버에 물보다 표준 산화전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계;

(b) 제2 챔버에 물보다 표준 환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계; 및

(c) 제1 챔버의 제1 전극 또는 제2 챔버의 제2 전극과 상기 제3 챔버의 제3 전극을 통하여 전압을 인가하여 상기 제2 챔버 또는 제1 챔버 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법.
(a) 제1 챔버에 물보다 표준 산화전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계;

(b) 제2 챔버에 물보다 표준 환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 도입시키는 단계;

(c) 제1 챔버의 제1 전극과 제2 챔버의 제2 전극을 통하여 전압을 인가하여 상기 제1 챔버 및 제2 챔버에서 물의 전기분해를 일으키는 단계; 및

(d) 제1 챔버의 제1 전극 또는 제2 챔버의 제2 전극과 상기 제3 챔버의 제3 전극을 통하여 단계 (c)에서 가하여진 전압의 반대 방향으로 전압을 인가하여 상기 제2 챔버 또는 제1 챔버 용액의 pH를 조절하는 단계를 포함하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 미세유동 장치 내의 유체의 pH를 전기적으로 조절하는 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 pH는 인가되는 전압의 방향, 크기, 및 인가되는 시간에 의하여 조절되는 것인 방법.