KR100858596B1 - Surface Treatment Method of Capillary for Droplet Formation and Surface treated Capillary, and Prouction Method of Droplet for Microextraction of Chemical Using Thereof - Google Patents

Surface Treatment Method of Capillary for Droplet Formation and Surface treated Capillary, and Prouction Method of Droplet for Microextraction of Chemical Using Thereof Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세방울 형성을 위한 모세관의 표면처리 방법 및 표면처리된 모세관, 그리고 이를 이용한 화합물 미세추출을 위한 미세방울의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모세관의 말단에 유기용매로 코팅된 미세방울을 만들어서 시료를 농축함에 있어 모세관의 끝부분의 표면 처리를 통하여 유기용매와 모세관 사이의 상호 친화력을 향상시키고 이로써 미세방울이 안정되게 형성될 수 있도록 하는 방법 등에 관한 것이다. 본 발명은 미세추출을 위하여 모세관의 말단에 미세방울을 형성 시에 그 형성효율을 개선하기 위한 모세관의 표면처리 방법에 있어서, 모세관의 말단부위를 소수성의 화합물을 코팅하여 모세관의 표면에 소수성을 부여하는 것을 특징으로 하며, 또한 이러한 표면처리 특성을 갖는 모세관을 제공한다. 본 발명은 모세관의 말단에 미세방울이 매우 안정적으로 형성될 수 있도록 하며, 이를 통해 만들어진 미세추출을 위한 미세방울은 모세관 전기영동 등의 성분분석에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.The present invention relates to a capillary surface treatment method for forming microdroplets and a surface-treated capillary tube, and to a method for producing microdroplets for extracting the compound using the same, more specifically, the finely coated with an organic solvent at the end of the capillary tube In the process of concentrating a sample by making a drop, the method of improving the mutual affinity between the organic solvent and the capillary through surface treatment at the end of the capillary tube, and thereby allowing the microdrops to be stably formed. The present invention provides a capillary surface treatment method for improving the formation efficiency when forming fine droplets at the end of the capillary for micro-extraction, by applying a hydrophobic compound to the end of the capillary to give a hydrophobicity to the surface of the capillary In addition, it provides a capillary tube having such surface treatment characteristics. The present invention allows the microdrops to be formed very stably at the end of the capillary tube, the microdroplets for the micro-extraction made through this can be used very effectively for component analysis, such as capillary electrophoresis.

모세관 전기영동, 모세관, 소수성, 친수성 Capillary electrophoresis, capillary, hydrophobic, hydrophilic

Description

미세방울 형성을 위한 모세관의 표면처리 방법 및 표면 처리된 모세관, 그리고 이를 이용한 화합물 미세추출을 위한 미세방울의 제조방법{Surface Treatment Method of Capillary for Droplet Formation and Surface treated Capillary, and Prouction Method of Droplet for Microextraction of Chemical Using Thereof}Surface treatment method of capillary for droplet formation and surface treated capillary, and prouction method of droplet for microextraction of Chemical Using Thereof}

도 1은 본 발명에 의해 제조된 미세방울에 의한 시료 농축과정을 설명하는 액체/액체/액체 추출과정의 기본원리를 설명하기 위한 도식도이며,1 is a schematic diagram illustrating the basic principle of the liquid / liquid / liquid extraction process illustrating the sample concentration process by the microdrops prepared by the present invention,

도 2는 본 발명에 따라 모세관의 표면이 처리된 상태를 보여주는 도식도이며, 2 is a schematic view showing a state where the surface of the capillary tube is treated according to the present invention,

도 3은 본 발명의 미세방울 제조과정과 LLLE/CE 과정을 위한 기구를 나타낸 도식도이고,Figure 3 is a schematic diagram showing the mechanism for the microdrop production process and LLLE / CE process of the present invention,

도 4는 미세방울에 의한 액체/액체/액체 추출과정에 의한 시료 농축을 나타낸 도식도이고,Figure 4 is a schematic diagram showing the concentration of the sample by the liquid / liquid / liquid extraction process by microdrops,

도 5는 본 발명에 따라 형성된 미세방울의 확대사진이며,5 is an enlarged photograph of microdrops formed according to the present invention;

도 6은 미세방울에 의한 시료 농축의 원리를 설명하는 것으로 작은 무기이온과 같은 친수성 물질은 유기용매 층을 통과하지 못하고, 중성인 특정물질만이 유기용매층을 통과함으로써 액체/액체/액체 추출에서 시료의 농축뿐만이 아니라 정화될 수 있음을 설명하는 도식도이다.FIG. 6 illustrates the principle of sample concentration by microdroplets in which hydrophilic materials such as small inorganic ions do not pass through an organic solvent layer, and only neutral specific substances pass through an organic solvent layer in liquid / liquid / liquid extraction. A schematic illustrating that the sample can be purified as well as concentrated.

본 발명은 미세방울 형성을 위한 모세관의 표면처리 방법 및 표면 처리된 모세관, 그리고 이를 이용한 화합물 미세추출을 위한 미세방울의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모세관의 말단에 유기용매로 코팅된 미세방울을 만들어서 시료를 농축함에 있어 모세관의 끝부분의 표면 처리를 통하여 유기용매와 모세관 사이의 상호 친화력을 향상시키고 이로써 미세방울이 안정되게 형성될 수 있도록 하는 방법 등에 관한 것이다. The present invention relates to a surface treatment method of a capillary tube for forming microdroplets and a method for producing a microdroplet for surface extraction of the capillary tube, and to extract the compound using the same, more specifically, the fine coated with an organic solvent at the end of the capillary tube In the process of concentrating a sample by making a drop, the method of improving the mutual affinity between the organic solvent and the capillary through surface treatment at the end of the capillary tube, and thereby allowing the microdrops to be stably formed.

미량의 시료의 성분을 분석하기 위해서 가스 크로마토그래피(gas chromatograpy), 모세관 전기영동(capilliary electrophoresis)과 같은 방법이 널리 사용된다. 그러나, 시료 자체가 미량인 경우 뿐만 아니라, 시료내의 농도가 극히 낮은 피코몰(pico mol) 이하의 미량성분은 분석에 앞서 농축이 요구된다.Methods such as gas chromatograpy and capilliary electrophoresis are widely used to analyze trace components. However, not only when the sample itself is a trace, but also trace components below picomol having a very low concentration in the sample require concentration before analysis.

이와 같은 농축방법 중에서 모세관 전기영동(capillary electrophoresis; CE)의 낮은 농도 민감성을 극복하기 위해서는 시료 스택킹(stacking)(Burgi, D.S. and Chien, R.L., Anal. Chem. 1991, 63, 2042-2047), 장-증폭 시료 주입(Chien, R.L. and Burgi, D.S., J. Chromatogr. 1991, 559, 141-152; Chien, R.L. and Burgi, D.S., J. Chromatogr. 1991, 559, 153-161), 대용량 스택킹(He, Y. and Lee, H.K., Anal. Chem. 1999, 71, 995-1001; Lee, J.H. et. al., Electrophoresis 2000, 21, 930-934), 일시적 등속전기영동법(transient isotachophoresis)(Foret, F. et. al., J. Chromatogr. 1992, 608, 3-12; Foret, F. et. al., Electrophoresis 1993, 14, 417-428) 및 스위핑(sweeping)(Quirino, J.P. and Terabe, S., Science 1998, 282, 465-468; Quirino, J.P. and Terabe, S., Anal. Chem. 1999, 71, 1638-1644)과 같은 컬럼상(on-column) 농축방법이 널리 사용되고 있다. 컬럼상 농축의 장점은 컬럼의 어떠한 기계적 변형 없이도 가능하며, 완충액과 시료 시스템에 거의 별다른 조작이 없이도 농축 절차가 상당히 단순하다는 점이다. 그러나, 상기 방법은 완충액과 시료 용액에 대한 특이적 필수조건을 만족시키는 경우에만 적용된다는 단점이 있다. 이러한 방법에 대한 대안 기술로 CE와 연결된 시료의 전농축(preconcentration)방법이 이용될 수 있다. 고체상 추출법에서는 농축 효과가 나타났지만, 탈착 과정이 필요하고 농축율의 재현성이 떨어지는 단점이 있다(Beattie, J.H. et. al., Electrophoresis 1995, 16, 322-328; Strausbauch, M.A. et. al., J. Chromatogr., A 1995, 717, 279-291). 그 결과, 액체-액체 추출(liquid-liquid extraction; LLE)이 GC(Louter, A.J.H. et. al., J. Chromatogr., A 1999, 842, 391-426; Vreuls, J.J. et. al., J. Chromatogr., A 1999, 856, 279-314), LC(Jones, H.K. et. al., J. Pharm. Biomed. Anal. 2002, 29, 221-228) 및 CE(Pedersen-Bjergaard, S. et. al., J. Chromatogr., A 2000, 902, 91-105)에 적용되었다. LLE 보다 더 높은 농축 효과를 달성하면서도 보다 적은 용매를 소비하는 다양한 액체상 미세추출(liquid-phase microextraction; LPME)이 LC(Ma, M.H. and Cantwell, F.F., Anal. Chem. 1998, 70, 3912-3919; Ma, M.H. and Cantwell, F.F., Anal. Chem. 1999, 71, 388-393; Rasmussen, K.E. et. al., J. Chromatogr., A 2000, 873, 3-11; Zhu, L.Y. et. al., J. Chromatogr., A 2001, 924, 407-414; Zhu, L.Y. et. al., J. Chromatogr., A 2002, 963, 231-237; Zhao, L. et. al., J. Chromatogr., A 2002, 963, 239-248) 및 CE(Rasmussen, K.E. et. al., J. Chromatogr., A 2000, 873, 3-11; Pedersen-Bjergaard, S. and Rasmussen, K.E., Anal. Chem. 1999, 71, 2650-2656; Pedersen-Bjergaard, S. and Rasmussen, K.E., Electrophoresis 2000, 21, 579-585; Halvorsen, T.G. et. al., J. Chromatogr., A 2001, 909, 87-93; Halvorsen, T.G. et. al., J. Sep. Sci. 2001, 24, 615-622; Zhu, L.Y. et. al., Anal. Chem. 2001, 73, 5655-5660; Pedersen-Bjergaard, S. et. al., J. Sep. Sci. 2002, 25, 141-146; Ho, T.S. et. al., J. Chromatogr., A 2002, 963, 3-17; Andersen, S. et. al., J. Chromatogr., A 2002, 963, 303-312)에 적용되었다. 그러나, 실험 조작이 매우 복잡하고 기억효과(memory effect)를 나타내었다(Pa'lmarsdo'ttir, S. et. al., Anal. Chem . 1997, 69, 1732-1737; Thordarson, E. et. al., Anal. Chem . 1996, 68, 2559-2563). 더구나, 민감성 향상이 불충분하였다.In order to overcome the low concentration sensitivity of capillary electrophoresis (CE) among these concentration methods, sample stacking (Burgi, DS and Chien, RL, Anal. Chem. 1991 , 63 , 2042-2047), Intestinal-amplified sample injection (Chien, RL and Burgi, DS, J. Chromatogr. 1991 , 559 , 141-152; Chien, RL and Burgi, DS, J. Chromatogr. 1991 , 559 , 153-161) (He, Y. and Lee, HK, Anal. Chem. 1999 , 71 , 995-1001; Lee, JH et. Al., Electrophoresis 2000 , 21 , 930-934), transient isotachophoresis (Foret , F. et.al., J. Chromatogr. 1992 , 608 , 3-12; Foret, F. et.al., Electrophoresis 1993 , 14 , 417-428) and sweeping (Quirino, JP and Terabe, S., Science 1998 , 282 , 465-468; on-column concentration methods such as Quirino, JP and Terabe, S., Anal. Chem. 1999 , 71 , 1638-1644) are widely used. The advantage of concentrating on the column is that it is possible without any mechanical modification of the column, and the concentration procedure is quite simple, with little manipulation of the buffer and sample system. However, this method has the disadvantage that it is applied only if it meets specific requirements for buffer and sample solutions. As an alternative to this method, the preconcentration method of the sample associated with the CE can be used. Although solid phase extraction showed a thickening effect, it had the disadvantage of requiring desorption and poor reproducibility of concentration (Beattie, JH et. Al., Electrophoresis 1995 , 16 , 322-328; Strausbauch, MA et. Al., J Chromatogr., A 1995 , 717 , 279-291). As a result, liquid-liquid extraction (LLE) resulted in GC (Louter, AJH et. Al., J. Chromatogr., A 1999 , 842 , 391-426; Vreuls, JJ et. Al., J. Chromatogr., A 1999 , 856 , 279-314), LC (Jones, HK et. Al., J. Pharm. Biomed.Anal . 2002 , 29 , 221-228) and CE (Pedersen-Bjergaard, S. et. al., J. Chromatogr., A 2000 , 902 , 91-105). Various liquid-phase microextractions (LPME), which consumed less solvent while achieving higher concentrations than LLE, were performed by LC (Ma, MH and Cantwell, FF, Anal. Chem. 1998 , 70 , 3912-3919; Ma, MH and Cantwell, FF, Anal.Chem . 1999 , 71 , 388-393; Rasmussen, KE et. Al., J. Chromatogr., A 2000 , 873 , 3-11; Zhu, LY et. Al., J. Chromatogr., A 2001 , 924 , 407-414; Zhu, LY et. Al., J. Chromatogr., A 2002 , 963 , 231-237; Zhao, L. et. Al., J. Chromatogr., A 2002 , 963 , 239-248) and CE (Rasmussen, KE et. Al., J. Chromatogr., A 2000 , 873 , 3-11; Pedersen-Bjergaard, S. and Rasmussen, KE, Anal.Chem . 1999 , 71 , 2650-2656; Pedersen-Bjergaard, S. and Rasmussen, KE, Electrophoresis 2000 , 21 , 579-585; Halvorsen, TG et. Al., J. Chromatogr., A 2001 , 909 , 87-93; Halvorsen , TG et.al., J. Sep.Sci . 2001 , 24 , 615-622; Zhu, LY et.al., Anal.Chem . 2001 , 73 , 5655-5660; Pedersen-Bjergaard, S. et.al. ., J. Sep. Sci. 2002 , 25 , 141-146; Ho, TS et. Al., J. Ch romatogr., A 2002 , 963 , 3-17; Andersen, S. et.al., J. Chromatogr., A 2002 , 963 , 303-312). However, experimental manipulation was very complex and exhibited a memory effect (Pa'lmarsdo'ttir, S. et. Al., Anal. Chem . 1997 , 69 , 1732-1737; Thordarson, E. et. Al. ., Anal. Chem. 1996, 68, 2559-2563). Moreover, sensitivity improvement was insufficient.

한편, 모세관 전기영동에 있어, 유기 용매로 코팅된 미세방울을 만들어서 시 료를 농축하는 방법은 검출감도를 높일 수 있을 것으로 예상되지만 실제로는 미세방울 형성이 잘 이루어지지 않으며, 형성된 미세방울의 대부분이 유기층으로 되어 있어 실제적으로 형성된 미세방울은 단일상(single phase)이 되어 의도한 농축을 이루기 어렵고, 형성된 미세방울을 모세관 끝부분 표면에 안정하게 만드는 것이 용이하지 못하고 유기용매와 모세관 사이의 지지력이 충분하지 않아 미세방울을 유지하지 못하는 문제가 있다. 또한 상당한 시간, 온도, 분배계수 등의 여러 요인들로 인해 농축효율이 영향을 받는데 이를 조절하여야 하는 번거로움이 있고 이를 조절하는 과정에서 미세방울의 안정성이 매우 감소하게 되는 문제점이 있다. 상기한 문제들은 실질적으로는 액체/액체/액체 층이 존재하는 미세방울이 형성되지 않거나 안정적으로 만들어지지 않기 때문이다. On the other hand, in capillary electrophoresis, the method of concentrating a sample by making microdrops coated with an organic solvent is expected to increase detection sensitivity, but in reality, microdrops are not well formed, and most of the formed microdroplets The droplets actually formed due to the organic layer become a single phase, making it difficult to achieve the intended concentration, making it difficult to stabilize the formed droplets on the capillary end surface, and sufficient support force between the organic solvent and the capillary tube is sufficient. There is a problem that can not maintain the fine droplets. In addition, the concentration efficiency is affected by various factors such as significant time, temperature, partition coefficient, etc., and there is a problem in that it has to be adjusted, and there is a problem in that the stability of the microdrops is greatly reduced in the process of controlling the concentration. The above problems are substantially because the droplets in which the liquid / liquid / liquid layer is present do not form or are not made stable.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 액체/액체/액체 층이 존재하는 미세방울을 안정되게 형성되도록 모세관의 표면을 처리하는 방법을 제공하며, 또한 이를 이용한 화합물의 미세추출을 위한 미세방울 제조방법을 제공하고자 하는 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, and provides a method for treating the surface of the capillary tube to stably form the microdrops in which the liquid / liquid / liquid layer is present, and also for the fine extraction of the compound using the same It is to provide a method for producing microdroplets.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 미세추출을 위하여 모세관의 말단에 미세방울을 형성 시에 그 형성효율을 개선하기 위한 모세관의 표면처리 방법에 있어서, 모세관의 말단부위를 소수성의 화합물을 코팅하여 모세관의 표면에 소수성을 부여하는 것을 특징으로 하며, 상기 소수성의 화합물은 알킬트리메톡시실란 및 PDMS로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 옥타데실트리메톡시실란이며 이 경우 ⅰ) 아세톤을 이용한 모세관 표면의 세척단계; ⅱ) 에탄올을 용매로 소수성 화합물을 가수분해하여 코팅용액을 만드는 단계; ⅲ) 모세관 말단을 상기 코팅용액에 딥핑(dipping)하는 단계; ⅳ)모세관을 큐어링(curing, baking)하여 실란을 모세관에 공유결합 시키는 단계를 포함하여 모세관의 표면처리가 이루어진다. 또한 미세추출을 위하여 모세관의 말단에 미세방울을 형성 시에 그 형성효율을 개선하기 위하여 표면 처리된 모세관에 있어서, 모세관의 말단부위를 소수성의 화합물로 코팅하여 모세관의 표면에 소수성을 갖는 것을 특징으로 하는 표면 처리된 모세관을 제시하며, ⅰ) 모세관의 말단의 표면을 소수성 물질로 코팅하는 단계; ⅱ) 완충용액으로 채워진 모세관을 소수성의 유기용매에 넣어 유기용매를 모세관 말단에 주입하는 단계; ⅲ) 상기 소수성 유기용매가 주입된 모세관 말단을 농축하려는 시료용액에 넣는 단계; ⅳ) 상기 모세관 말단의 반대편의 압력을 높여 미세방울을 유기용매가 완충용액을 감싸는 형태의 미세방울을 형성하는 단계를 포함하는, 액체/액체/액체로 이루어진 3층상의 미세추출을 위한 미세방울 제조방법을 제시하며, 상기 소수성의 유기 용매는 옥탄올, 펜탄올, 옥탄, 헥실에테르, 참기름 및 페퍼민트 오일로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다. In order to achieve the above object, the present invention in the capillary surface treatment method for improving the formation efficiency when forming microdrops at the end of the capillary for fine extraction, by coating a hydrophobic compound on the end of the capillary Characterized by imparting hydrophobicity to the surface of the capillary, the hydrophobic compound may be selected from the group consisting of alkyltrimethoxysilane and PDMS, preferably octadecyltrimethoxysilane and in this case iii) acetone Washing the capillary surface; Ii) hydrolyzing the hydrophobic compound with ethanol as a solvent to form a coating solution; Iii) dipping the capillary end into the coating solution; Iii) surface treatment of the capillary tube, including the step of covalently bonding the silane to the capillary tube by curing and baking the capillary tube. In addition, in the capillary surface treated to improve the formation efficiency when forming fine droplets at the end of the capillary for fine extraction, characterized in that the end portion of the capillary tube is coated with a hydrophobic compound to have a hydrophobicity on the surface of the capillary Providing a surface treated capillary, i) coating the surface of the end of the capillary with a hydrophobic material; Ii) injecting the capillary filled with buffer into a hydrophobic organic solvent and injecting the organic solvent at the end of the capillary; Iii) putting the capillary terminal into which the hydrophobic organic solvent is injected into the sample solution to be concentrated; Iii) increasing the pressure on the opposite side of the capillary end to form microdroplets in the form of microdroplets in the form of the organic solvent surrounding the buffer solution, preparing microdroplets for the three-layer microextraction of liquid / liquid / liquid In the present method, the hydrophobic organic solvent may be selected from the group consisting of octanol, pentanol, octane, hexyl ether, sesame oil and peppermint oil.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

액체/액체/액체로 이루어진 3층상의 미세추출을 위한 미세방울 제조방법은 액체-액체-액체 추출(LLLE)을 위한 것이다. 액체-액체-액체 추출은 수용액과 수용액 층 사이에 유기용매 층을 위치시키고 두 수용액 층의 pH를 조절해서 첫 번째 수용액 층(수용 주게 층)에서 두 번째의 수용액 층(수용 받게 층)으로 시료 물질을 이동시키는 방법이다. 이때, 수용액 층과 유기 층과의 분배계수가 크고 유기 층의 부피가 작다는 가정이 성립하면 수용 주게 층에서 수용 받게 층으로 시료가 농축되는 정도는 두 층의 부피의 비가 된다. 그리고, 시료가 유기층을 거쳐서 이동하기 때문에 유기층의 양이 추출속도에 영향을 미친다. 따라서, 수용액 받게 층과 유기 층의 부피를 줄이는 것이 추출효율을 높이기 위해서 필요하다. The method for preparing microdroplets for three-layer microextraction of liquid / liquid / liquid is for liquid-liquid-liquid extraction (LLLE). Liquid-liquid-liquid extraction involves placing an organic solvent layer between the aqueous and aqueous layers and adjusting the pH of the two aqueous layers to adjust the sample material from the first aqueous layer (the aqueous donor layer) to the second aqueous layer (the aqueous phase). How to move. At this time, if the assumption that the distribution coefficient between the aqueous layer and the organic layer is large and the volume of the organic layer is established, the degree of concentration of the sample from the receiving layer to the receiving layer becomes the ratio of the volume of the two layers. And since the sample moves through the organic layer, the amount of the organic layer affects the extraction speed. Therefore, it is necessary to reduce the volume of the aqueous solution receiving layer and the organic layer in order to increase the extraction efficiency.

본 발명에서는 상기와 같은 용액의 부피를 줄이는 방법으로 모세관의 끝 부분에 나노 리터 수준의 방울을 제조하는 방법을 제공한다. 모세관의 양쪽 끝에 가하는 압력의 차이를 이용해서 모세관에 수 나노 리터 수준의 유기용매를 주입하고 반대 쪽에 압력을 가해서 주입한 유기용매와 모세관에 있는 수용액 일부를 모세관 밖으로 분출시켜 끝 부분에 유기용매로 코팅된 수용 받게 층의 방울을 만들게 된다. 본 발명의 방법에 의하여 제조된 미세방울은 종래의 추출법 중에서 가장 큰 수용액의 부피비를 얻게 되므로 추출효율이 크게 증가될 수 있다. 아울러, 자동화된 기계(예컨대, 모세관이 담기 용기의 높이를 시간에 따라 자동적으로 조절하는 방식을 고려할 수 있음)에서 이러한 미세방울이 제조가 가능하므로 상업적으로 실 용화의 가능성이 높다.The present invention provides a method for producing nano-liter droplets at the end of the capillary by reducing the volume of the solution as described above. Using the difference in pressure applied to both ends of the capillary tube, a few nanoliters of organic solvent is injected into the capillary tube, and the organic solvent and the aqueous solution in the capillary tube are ejected out of the capillary tube by applying pressure to the opposite side and coated with an organic solvent at the end. It will make a drop in the receiving layer. The microdroplets produced by the method of the present invention can obtain a volume ratio of the largest aqueous solution of the conventional extraction method, the extraction efficiency can be greatly increased. In addition, such microdroplets can be manufactured in an automated machine (eg, capillary can automatically adjust the height of the containment vessel over time), so the possibility of commercialization is high.

액체-액체-액체 추출법은 유기층으로 분배되는 과정을 거쳐서 시료가 이동하기 때문에 유기층으로 녹아들지 않는 무기염류는 수용 받게 층으로 이동하지 않는다. 상기 원리를 이용하면 시료에 녹아있는 분석에 방해되는 무기염류를 제거하는 역할도 수행할 수 있다. 모세관 전기영동에서는 무기염류가 시료에 많이 들어있으면 분석에 방해가 되는 경우가 많은데 액체-액체-액체 추출법은 이 문제에 대해서도 해결책을 제시해 줄 수 있다.In the liquid-liquid-liquid extraction method, the sample moves through the distribution process to the organic layer, so that inorganic salts that do not dissolve in the organic layer do not migrate to the receiving layer. Using the above principle can also remove the inorganic salts that interfere with the analysis dissolved in the sample. In capillary electrophoresis, the presence of large amounts of inorganic salts in the sample often interferes with the analysis. Liquid-liquid-liquid extraction can provide a solution to this problem.

우선 액체/액체/액체 추출과정의 기본원리를 도 1을 참고하여 설명한다.First, the basic principle of the liquid / liquid / liquid extraction process will be described with reference to FIG.

LPME는 2번의 연속된 가역적 추출로 이루어진다. 수용성 주게상(a1)내의 분석물이 먼저 유기상(o)내로 추출되고, 그 후 수용성 받게상(a2)으로 역추출된다. 평형에서, 주게상내의 분석물의 최초 농도(Ca1,i)에 대한 받게상내의 평형 농도(Ca2,eq)의 비로서 정의되는 농축비(enrichment factor; EF)는 하기와 같이 나타낼 수 있다(Ma, M.H. and Cantwell, F.F., Anal. Chem. 1998, 70, 3912-3919).LPME consists of two consecutive reversible extractions. The analyte in the water-soluble main phase (a1) is first extracted into the organic phase (o) and then back extracted into the water-soluble receiving phase (a2). In equilibrium, the enrichment factor (EF), defined as the ratio of the equilibrium concentration ( C a2, eq) in the receiving phase to the initial concentration ( C a1, i) of the analyte in the primary phase, can be expressed as Ma, MH and Cantwell, FF, Anal. Chem. 1998 , 70 , 3912-3919).

Figure 112006065220487-pat00001
Figure 112006065220487-pat00001

여기서, V는 아래첨자로 나타낸 상의 부피를 나타내고, D1 및 D2의 분포계수(distribution coefficient)는 다음과 같이 정의된다.Where V represents the volume of the phase indicated by subscripts, and the distribution coefficients of D1 and D2 are defined as follows.

Figure 112006065220487-pat00002
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그리고,And,

Figure 112006065220487-pat00003
Figure 112006065220487-pat00003

pKa를 갖는 단일수소이온 생성 분석물 HA를 가정하자. 단지 중성형만이 받게상에 용해가능하다고 가정하면, 분포계수 D는 다음과 같이 주어질 수 있다.Assume monohydrogen production analyte HA with pKa. Assuming that only the neutral form is soluble in the receiving phase, the distribution coefficient D can be given as

Figure 112006065220487-pat00004
Figure 112006065220487-pat00004

여기서, K는 중성형의 분배계수(partition coefficient)이다.Where K is the partition coefficient of the neutral mold.

Figure 112006065220487-pat00005
Figure 112006065220487-pat00005

식 1에서 분배계수의 비는 다음과 같다In equation 1, the ratio of the partition coefficients is

Figure 112006065220487-pat00006
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플루오레스세인 및 FITC와 같은 3개 수소이온생성 분석물 H3A+에 있어서, 분포계수의 비에 대한 식은 다음과 같다.For three hydrogen analytes H 3 A + , such as fluorescein and FITC, the formula for the ratio of the distribution coefficient is as follows.

Figure 112006065220487-pat00007
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pHa1 = 1.0 및 pHa2 = 9.5에 있어서, 플루오레스세인에 관한 pKa1 = 2.13, pKa2 = 4.44 및 pKa3 = 6.36를 사용하여 플루오레스세인에 관한 분포계수 비는 D2/D1 = 9.1 X 10-8가 된다(Diehl, H. and Markuszewski, R., Talanta 1985, 32, 159-165). 그리고 나서, 통상적인 Va1 = 1 mL, Vo는 약 5 nl 및 Va2 = 100 nl의 부피에서, 농축비는 다음과 같은 근사치를 갖는다.For pHa1 = 1.0 and pHa2 = 9.5, the distribution coefficient ratio for fluorescein using p K a1 = 2.13, p K a2 = 4.44 and p K a3 = 6.36 for fluorescein was D 2 / D 1 = 9.1 X 10 -8 (Diehl, H. and Markuszewski, R., Talanta 1985 , 32 , 159-165). Then, at a typical volume of V a1 = 1 mL, V o is about 5 nl and V a2 = 100 nl, the concentration ratio is approximated as follows.

Figure 112006065220487-pat00008
Figure 112006065220487-pat00008

농축의 효과는 수용성 주게상(a1)과 수용성 받게상(a2)의 부피차이가 중요한 요인이기 때문에 수용액 받게상의 부피를 줄이는 것이 매우 중요하고 따라서 모세관의 끝부분에 나노 리터 수준의 방울을 만드는 방법이 매우 획기적일 수 있을 것이다. 또한, 시료가 유기층을 거쳐서 이동하기 때문에 유기층의 양과 두께가 추출속도에 영향을 미치게 된다. 본 발명에서는 모세관의 말단부분에 유기층의 방울이 형성되는데 유기층 안쪽에 수용성 받게상이 위치하고 유기층의 바깥에 수용성 주게상이 위치함으로써 유기층이 수용성 받게상을 감싸서 미세방울을 형성함으로써 앞서 언급한 액체/액체/액체 상을 이루는 것이다. Because the effect of concentration is the difference between the volume of the water-soluble main phase (a1) and the water-soluble receiving phase (a2), it is very important to reduce the volume of the aqueous phase of the aqueous phase, and thus to create a nanoliter droplet at the end of the capillary. It can be very groundbreaking. In addition, since the sample moves through the organic layer, the amount and thickness of the organic layer affect the extraction speed. In the present invention, droplets of the organic layer are formed at the end of the capillary tube. The water-soluble receiving phase is located inside the organic layer, and the water-soluble main phase is located outside the organic layer, thereby forming the micro-droplets by surrounding the water-soluble receiving phase and forming a microdrop. To achieve.

그런데, 방울이 불안정한 경우에는 유기층의 두께 및 부피를 줄이는 것이 매 우 어려울 것이기 때문에 미세방울의 안정적 형성이 매우 중요한 문제가 될 것이다. 한편, 염기성 분석물도 주게상 및 받게상의 pH를 역전시킴에 의하여 손쉽게 농축을 달성할 수 있음은 명백하다. However, when the droplet is unstable, it will be very difficult to reduce the thickness and volume of the organic layer, so the stable formation of micro droplets will be a very important problem. On the other hand, it is clear that basic analytes can be easily achieved by reversing the pH of the main phase and the receiving phase.

본 발명에서는 안정된 미세방울을 형성할 수 있도록 모세관의 표면 처리를 하는 것으로 도 2에서는 표면이 처리된 상태의 모세관의 도식도를 보여주고 있다. In the present invention, the surface of the capillary tube is treated to form stable microdrops, and FIG. 2 shows a schematic view of the capillary tube with the surface treated.

친수성의 모세관 표면은 유기 용매와 상호 작용이 약하고 미세 방울은 물리적 지지체가 없으므로 모세관에 매달려 있을 때 매우 불안정해지고 교반이나 휘젓음 등의 과정을 적용하기가 힘들다. 또한 과도한 폴리이미드 코팅으로 인한 미세방울의 생성자체가 어려움도 존재한다.Hydrophilic capillary surfaces have poor interaction with organic solvents, and microdroplets lack physical support, making them very unstable when suspended in capillaries, making it difficult to apply agitation or stirring. There is also difficulty in generating microdrops due to excessive polyimide coating.

유기 용매와 모세관 사이의 상호작용이 약해서 지지력이 충분하지 못하면 미세방울이 유지되지 못하며 이러한 미세방울의 제조확률 및 안정적 유지를 위해서는 모세관 표면 처리가 중요함을 확인하였으며 본 발명에서는 모세관의 말단부위를 도면에서 보는 바와 같이 소수성의 물질로 코팅을 하여 상기한 문제를 해결하였다. If the interaction between the organic solvent and the capillary is weak, and the support force is not sufficient, the microdroplets cannot be maintained and the capillary surface treatment is important for maintaining the production probability and stability of the microdroplets. As can be seen, coating with a hydrophobic material solved the above problem.

상기의 소수성의 물질은 알킬트리메톡시실란(R-trimethoxysilane), PDMS(polydimethylsiloxane) 등이 될 수 있으며, 바람직하게는 충분한 소수성을 갖도록 탄소수 12 이상의 알킬트리메톡시실란이 사용되고, 보다 바람직하게는 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane)이 사용된다. The hydrophobic material may be alkyl trimethoxysilane (R-trimethoxysilane), polydimethylsiloxane (PDMS), or the like. Preferably, alkyl trimethoxysilane having 12 or more carbon atoms is used to have sufficient hydrophobicity, more preferably octa. Decyltrimethoxysilane is used.

실란을 사용하는 경우, 일반적으로 ⅰ) 아세톤을 이용한 모세관 표면의 세척단계; ⅱ) 에탄올을 용매로 소수성 화합물을 가수분해하여 코팅용액을 만드는 단계; ⅲ) 모세관 말단을 상기 코팅용액에 딥핑(dipping)하는 단계; ⅳ)모세관을 큐어링(curing, baking)하여 실란을 모세관에 공유결합 시키는 단계; 를 포함하게 된다. In the case of using silane, generally, iii) washing the capillary surface with acetone; Ii) hydrolyzing the hydrophobic compound with ethanol as a solvent to form a coating solution; Iii) dipping the capillary end into the coating solution; V) curing and baking the capillary to covalently bond the silane to the capillary; It will include.

<실시예 1> 모세관의 표면처리Example 1 Surface Treatment of Capillary Tubes

우선 모세관 내부를 친수성의 완충용액으로 채운 상태를 유지하면서 모세관 표면의 세척과 과도한 코팅을 막기 위해서 아세톤에 3분간 모세관을 담가 놓았다. 에탄올을 용매로 하여 하기 구조식의 5%의 옥타데실트리메톡시실란(octadecyltrimethoxysilane), 0.1% 아세트산 용액을 제조하고, 5분 이상 가수분해되도록 하였다. 1초 정도의 짧은 시간 동안 모세관 끝 부분을 상기 실란(silane) 용액에 넣다가 뺀 후 1분 30초 동안 공기 중에서 실온으로 건조시켜 모세관 표면과 실란과의 공유 결합을 형성시켰다. 이를 통해 모세관의 실리카 표면이 소수성이 되어 미세방울 제조시의 유기용매로 이용된 옥탄올과의 친화력이 커짐을 확인하였다.First, the capillary was immersed in acetone for 3 minutes to keep the capillary inside filled with a hydrophilic buffer solution to prevent washing and excessive coating of the capillary surface. Using ethanol as a solvent, 5% octadecyltrimethoxysilane, 0.1% acetic acid solution of the following structural formula was prepared, and was allowed to hydrolyze for at least 5 minutes. The capillary tip was added to the silane solution for a short time of about 1 second and then removed, and then dried at room temperature in air for 1 minute and 30 seconds to form a covalent bond with the capillary surface. As a result, the silica surface of the capillary became hydrophobic and the affinity with octanol used as an organic solvent in the preparation of microdrops was increased.

Figure 112006065220487-pat00009
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한편, PDMS의 경우에는 원액그대로 살짝 담근 다음 이를 말려 모세관 표면과 공유결합을 형성시키는 방식을 사용할 수 있을 것이며, 상기 소수성 물질의 종류에 따라 약간의 코팅 방법의 변화가 있을 수 있으나 본 발명의 핵심적 사항은 모세관 표면을 소수성화시켜 유기층과의 친화력을 강하게 한다는 것이다. Meanwhile, in the case of PDMS, a method of forming a covalent bond with the capillary surface by slightly dipping it as it is and then drying it may be used, and there may be a slight change in the coating method depending on the type of the hydrophobic material. Is to make the surface of the capillary hydrophobic to strengthen the affinity with the organic layer.

말단이 소수성으로 표면처리된 모세관을 이용하여 모세관 영동과 연계하여 본 발명의 미세방울 제조과정과 LLLE/CE 과정을 위한 기구를 나타낸 도식도가 도 3에 나타나 있다. 여기에서 사용되는 유기용매는 농축하고자 하는 시료의 특성에 따라 선택될 수 있을 것인데, 물과 쉽게 섞이지는 않아야 하며, 그 예로서, 옥탄올, 펜탄올, 옥탄(octane), 헥실에테르(hexylether)이 될 수 있으며, 참기름 또는 페퍼민트 오일도 가능하다. 펜탄올의 탄소수 이상의 알코올의 경우 쉽게 물과 섞이지는 않고 충분한 소수성이 발휘될 수 있기 때문에 사용가능하나 보다 바람직하게는 거의 물에 녹지 않는 옥탄올이 적합하다. Schematic diagram showing the mechanism for the microdrop production process and LLLE / CE process of the present invention in conjunction with capillary action using a hydrophobic surface-treated capillary is shown in FIG. The organic solvent used here may be selected according to the characteristics of the sample to be concentrated, and should not be easily mixed with water, for example, octanol, pentanol, octane, hexylether Sesame oil or peppermint oil is also possible. In the case of an alcohol having a carbon number of pentanol or more, octanol which can be used because it is not easily mixed with water and can exhibit sufficient hydrophobicity is more preferable.

미세방울을 형성하는 구체적인 방법을 알아본다. 상기 실시예에서 표면처리된 모세관을 사용하였다. 먼저 수용액이 채워져 있는 모세관에 옥탄올을 주입한다. 도면에서 보는 바와 같이 모세관의 말단을 옥탄올이 담긴 용기에 넣고 압력을 가하여 옥탁올이 모세관에 들어가게 하는 것이다. 그 다음으로 방울을 형성하는 단계인데, 모세관을 추출하고자 하는 샘플용액에 넣고 반대쪽에서 압력을 가하면(반대쪽 의 완충용액 용기를 들어올려주는 것으로 표시됨) 옥탄올이 나오고 이어서 모세관내에 들어 있던 수용액까지 밀려나오게 된다. 이때 옥탄올이 모세관 표면과 친화력이 크기 때문에 도 5와 같은 미세방울이 제조된다. 샘플용액은 상기 미세방울에 비하여 그 부피가 상당히 크며 수용성 주게상에 해당하고, 옥탄올에 둘러싸인 수용액층은 수용성 받게상에 해당하게 된다. 그리고 유기층인 옥탄올층은 모세관의 말단부위가 소수성으로 표면 처리되어 있으므로 매우 친화력이 커져서 안정된 미세방울을 이룰수 있고 또한 그 두께가 매우 얇게 된다. 주게상의 pH는 1.0 이고, 받게상의 pH는 9.5로 하고 앞서 언급한 액체/액체/액체 추출을 이루게 되고 충분히 분석 가능할 정도의 농축이 이루어지면 이를 모세관 전기영동과 연계하여 분석을 하게 된다. 이러한 방식은 거의 용매를 소비하지 않으며, 특별한 추가적 장비가 요구되지 않는다. 상기한 미세방울 제조방법은 ⅰ) 모세관의 말단의 표면을 소수성 물질로 코팅하는 단계; ⅱ) 완충용액으로 채워진 모세관을 소수성의 유기용매에 넣어 유기용매를 모세관 말단에 주입하는 단계; ⅲ) 상기 소수성 유기용매가 주입된 모세관 말단을 농축하려는 시료용액에 넣는 단계; ⅳ) 상기 모세관 말단의 반대편의 압력을 높여 미세방울을 유기용매가 완충용액을 감싸는 형태의 미세방울을 형성하는 단계를 포함하는, 액체/액체/액체로 이루어진 3층상의 미세추출을 위한 미세방울 제조방법이라고 볼 수 있다. Find out how to form microdrops. In this example a surface treated capillary was used. First, octanol is injected into the capillary filled with an aqueous solution. As shown in the figure, the end of the capillary tube is put in a container containing octanol, and pressure is applied so that the octanol enters the capillary tube. The next step is to form a drop, where the capillary is placed in the sample solution to be extracted and pressurized from the opposite side (indicated by lifting the opposite buffer container) to give octanol and then to the aqueous solution in the capillary. do. At this time, since octanol has a large affinity with the capillary surface, microdroplets as shown in FIG. 5 are prepared. The sample solution is considerably larger in volume than the microdroplets and corresponds to a water-soluble main phase, and the aqueous solution layer surrounded by octanol corresponds to a water-soluble receiving phase. In addition, the octanol layer, which is an organic layer, is hydrophobicly surface-treated at the end of the capillary tube, and thus has a high affinity, thereby achieving stable microdroplets and having a very thin thickness. The pH of the main phase is 1.0, the pH of the receiving phase is 9.5, and the liquid / liquid / liquid extraction mentioned above is achieved, and when the concentration is sufficiently high enough to be analyzed, it is analyzed in connection with capillary electrophoresis. This approach consumes very little solvent and no special additional equipment is required. The method for producing a microdroplet is iii) coating the surface of the end of the capillary with a hydrophobic material; Ii) injecting the capillary filled with buffer into a hydrophobic organic solvent and injecting the organic solvent at the end of the capillary; Iii) putting the capillary terminal into which the hydrophobic organic solvent is injected into the sample solution to be concentrated; Iii) increasing the pressure on the opposite side of the capillary end to form microdroplets in the form of microdroplets in the form of the organic solvent surrounding the buffer solution, preparing microdroplets for the three-layer microextraction of liquid / liquid / liquid It can be seen as a way.

도 4는 미세방울에 의한 액체/액체/액체 추출과정에 의한 시료 농축을 나타낸 도식도이며 구체적인 실시예는 다음과 같다. Figure 4 is a schematic diagram showing the concentration of the sample by the liquid / liquid / liquid extraction process by the microdrops and specific examples are as follows.

<실시예 2> 미세방울의 형성Example 2 Formation of Microdroplets

75 ㎛ 내경의 50 ㎝ 용융 실리카 모세관(Polymicro Technologies, Phoenix, AZ)을 사용하고 상기 모세관을 완충용액으로 채웠다. 그리고 나서, 상기 모세관의 주입부를 1-옥탄올(시그마, St. Louis, MO)에 넣고, 출구부는 완충용액 용기에 넣었다. 주입부 말단을 12 ㎝ 상승시켜 옥탄올을 모세관내로 주입시키고, 주입양은 주입시간으로 조절하였다. 상기 모세관을 1.0 ㎖의 수용성 시료용액(주게상)을 포함하는 마이크로 원심분리용 튜브위의 모세관 집게로 옮겼다. 상기 마이크로 원심분리용 튜브를 30초 동안 13 ㎝를 낮추어서 모세관 말단에서 옥탄올로 뒤덥힌 완충용액(받게상)의 방울을 형성시켰다. 이때, 완충용액은 20 mM 소듐 보레이트(시그마, St. Louis, MO)를 0.1 M NaOH로 pH를 조정하여 pH 9.5로 제조하였다. 플루오레스세인(fluorescein)(시그마, St. Louis, MO) 및 FITC(fluorescein isothiocyanate; FITC)(시그마, St. Louis, MO)의 1 ㎖의 수용성 시료 용액(주게상)은 완충액의 표준 용액 10 ㎕에 0.10 M HCl(약 pH 1)의 990 ㎕를 첨가하여 제조하였다.A 50 cm fused silica capillary (Polymicro Technologies, Phoenix, AZ) with a 75 μm inner diameter was used and the capillary was filled with buffer. Then, the inlet of the capillary was placed in 1-octanol (Sigma, St. Louis, Mo.), and the outlet was placed in a buffer container. The octopus was injected into the capillary by raising the end of the injection section by 12 cm, and the injection amount was controlled by the injection time. The capillary was transferred to capillary tongs on a microcentrifuge tube containing 1.0 mL of aqueous sample solution (primary phase). The microcentrifuge tube was lowered by 13 cm for 30 seconds to form droplets of buffered solution (octopus) covered with octanol at the capillary end. At this time, the buffer solution was prepared to pH 9.5 by adjusting the pH of 20 mM sodium borate (Sigma, St. Louis, MO) with 0.1 M NaOH. A 1 ml aqueous sample solution of fluorescein (Sigma, St. Louis, MO) and fluorescein isothiocyanate (FITC) (Sigma, St. Louis, MO) (primary phase) is 10 μl of a standard solution of buffer. To 990 μl of 0.10 M HCl (about pH 1) was added.

도 6은 미세방울에 의한 시료 농축의 원리를 설명하는 것으로 작은 무기이온과 같은 친수성 물질은 유기용매 층을 통과하지 못하고, 중성인 특정물질만이 유기용매층을 통과함으로써 액체/액체/액체 추출에서 시료의 농축뿐만이 아니라 정화될 수 있음을 나타내고 있다. 대개 CE에서 높은 염농도의 용액이 디스태킹(destacking)과 낮은 효율의 분리의 원인이다. 주게상이 0.1 M HCl에 추가하여 0.1 M NaCl을 포함하고 있을때에도 피크 효율 또는 농축비의 감소 없이도 충분히 농축이 달성될 수 있으며, 이것은 본 발명의 방법이 높은 염수 농도를 갖는 세포간절과 같은 생리학적 시료에도 적용될 수 있음을 의미한다.FIG. 6 illustrates the principle of sample concentration by microdroplets in which hydrophilic materials such as small inorganic ions do not pass through an organic solvent layer, and only neutral specific substances pass through an organic solvent layer in liquid / liquid / liquid extraction. It indicates that the sample can be purified as well as concentrated. In general, high salt concentrations in CE are responsible for destacking and low efficiency separation. Even when the main phase contains 0.1 M NaCl in addition to 0.1 M HCl, sufficient concentration can be achieved without reducing the peak efficiency or the concentration ratio, which means that the method of the present invention is a physiological sample, such as a cell saline with a high saline concentration. It can also be applied to.

상기한 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 실시예에 한정되는 것은 아니다.The above embodiments are merely illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited to the embodiments.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 모세관의 말단에 미세방울이 매우 안정적으로 형성될 수 있도록 하며, 이를 통해 미세방울은 모세관 전기영동 등의 성분분석에 매우 효과적으로 이용될 수 있다.As described above, the present invention enables the microdroplets to be formed very stably at the end of the capillary tube, through which the microdroplets can be used very effectively for component analysis, such as capillary electrophoresis.

Claims (9)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete ⅰ) 모세관의 말단의 표면을 소수성 물질로 코팅하는 단계;Iii) coating the surface of the end of the capillary with a hydrophobic material; ⅱ) 완충용액으로 채워진 모세관을 소수성의 유기용매에 넣어 유기용매를 모세관 말단에 주입하는 단계;Ii) injecting the capillary filled with buffer into a hydrophobic organic solvent and injecting the organic solvent at the end of the capillary; ⅲ) 상기 소수성 유기용매가 주입된 모세관 말단을 농축하려는 시료용액에 넣는 단계;Iii) putting the capillary terminal into which the hydrophobic organic solvent is injected into the sample solution to be concentrated; ⅳ) 상기 모세관 말단의 반대편의 압력을 높여 미세방울을 유기용매가 완충용액을 감싸는 형태의 미세방울을 형성하는 단계를 포함하는 , 액체/액체/액체로 이루어진 3층상의 미세추출을 위한 미세방울 제조방법.Iii) increasing the pressure on the opposite side of the capillary end to form microdroplets in which the organic solvent surrounds the buffer solution to form microdroplets in the form of liquid / liquid / liquid. Way. 제 8항에 있어서, 상기 소수성의 유기 용매는 옥탄올, 펜탄올, 옥탄, 헥실에 테르, 참기름 및 페퍼민트 오일로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 미세방울 제조방법.The method of claim 8, wherein the hydrophobic organic solvent is selected from the group consisting of octanol, pentanol, octane, hexyl ether, sesame oil and peppermint oil.
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