KR100960670B1 - 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 랩온어칩은 시료를 주입하는 주입구; 주입된 상기 시료에 상응하는 생화학 물질을 검출하기 위하여, 상기 시료와 반응하기 위한 소정의 수용체가 그 내벽의 일부 또는 전체에 고정되어 있는 반응 챔버; 및 상기 수용체와 반응한 시료를 배출하는 배출구를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 제조 방법은 모세관의 내벽의 일부 또는 전체에 소정의 수용체를 고정하는 단계; 상기 소정의 수용체가 고정된 상기 모세관을 기 설정된 크기로 절단하는 단계; 및 절단된 상기 모세관을 하부 기판 상에 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 장착하는 단계를 포함한다. 이를 통해, 본 발명은 반응 면적을 넓히고 반응 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 칩의 제조 과정을 단순화하며 다양한 수용체를 하나의 칩 내에 손쉽게 고정 시킬 수도 있다.

랩온어칩, 모세관, 수용체, 항체, 반응 물질, 계면활성제, 반응 챔버, 생화학 물질

Description

모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법{lab-on-a-chip using capillaries and manufacturing method thereof}

본 발명은 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

바이오칩이란 유리, 실리콘 또는 나일론 등의 재질로 된 작은 기판 위에 DNA, 단백질 등의 생물분자(Biomolecule)들을 집적시켜 놓은 것을 말하며, 이때 DNA를 집적시켜 놓으면 DNA칩이라 칭하고, 단백질을 집적시켜 놓으면 단백질칩이라 칭한다. 또한 바이오칩은 마이크로어레이 칩(microarray chip)과 마이크로플루이딕 칩(microfluidic chip)으로 크게 나눌 수 있다.

마이크로어레이 칩은 수천 혹은 수만개 이상의 DNA나 단백질 등을 일정 간격으로 배열하여 붙이고, 분석 대상 물질을 처리하여 그 결합 양상을 분석할 수 있는 바이오칩을 말한다. 그리고 마이크로플루이딕 칩은 미량의 분석 대상물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 바이오칩으로서, 랩온어칩(Lab on a chip)이라 불리기도 하는데, 이는 생화학물질의 분석시 사용되는 자동분석장치의 시료 전처리 과정에 필수적인 펌프, 밸브, 반응기, 추출기, 분리 시스템 등의 기능과 센서기술이 같이 접목된 첨단 기술이다.

특히, 랩온어칩은 화학 및 생화학 물질을 분석하기 위해 연구실 단위에서 거치게 되는 시료주입, 전처리, 화학반응, 분리/분석 등의 과정을 수 cm2의 칩 내부에서 이루어지도록 제작한 미세분석 장치이다. 랩온어칩 기술은 수 피코 리터(pl)에서 수십 마이크로 리터(μl) 용량의 시료를 정확하게 이송, 분배, 혼합하는 극미량 유동 제어 기술과 멤스(MEMS) 미세가공기술이 복합된 것으로 미세종합분석시스템의 핵심기술이다.

극미량의 시료를 사용하고 화학성분을 빠르고 간편하게 분석하는 랩온어칩은 수많은 신약후보물질 중 유용한 신약을 고속으로 선별하기 위해 많이 사용되고 있으며, 최근 들어서는 환경오염물질의 검출, 질병진단 등을 목적으로 하는 여러 종류의 랩온어칩이 연구개발 중에 있다.

DNA칩이나 단백질(protein)칩과 같은 마이크로어레이 칩과는 달리 랩온어칩은 아직 세계적으로 연구개발 단계에 머물러 있으며, 상용화도 제한적이며 소규모로 이루어지고 있는 실정이고, 현재 상용화되어 있는 랩온어칩의 경우 미세 채널의 네트워크가 단순하며 반응과정 역시 복잡하지 않은 단계에서 구현되고 있다.

이러한 랩온어칩을 이용하여 물질을 검출하기 위해 제작 시 수용체 또는 항체를 유리 또는 고분자 판 위에 고정시켜야 하는데, 이를 도 1을 참조하여 간략히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 랩온어칩 내에 수용체를 고정시키는 과정을 나타내는 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 랩온어칩의 제조 시 유리 또는 고분자 판 상에서 표면 개질이 이루어진 후에(a), 표면 개질된 부분에 마이크로 피펫을 이용하여 수용체 또는 항체를 고정시키게 된다(b). 이때, 수용체를 고정시키는 공정은 미세하고 정밀한 반응이 요구되기 때문에 마이크로 피펫(micro pipette)을 이용하거나 마이크로 프린팅(micro printing) 기법을 위한 정밀한 장비를 이용하여 이루어지게 된다. 이후에, 마이크로 채널이 형성되어 있는 층을 덮어 랩온어칩이 완성된다(c).

그러나 이러한 수용체 또는 항체의 고정이 랩온어칩의 한쪽 면에서만 이루어지기 때문에 검출의 효율이 떨어지며 검출 농도 및 민감도를 높이는데도 그 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 내벽에 수용체가 고정된 모세관을 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 사용함으로써, 반응 면적을 넓힐 수 있도록 하는 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 내벽에 수용체가 고정된 모세관을 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 사용함으로써, 반응 속도를 향상 시킬 수 있도록 하는 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 내벽에 수용체가 고정된 모세관을 기 설정된 크기로 잘라 이를 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 사용하기 때문에, 칩의 제조 과정을 단순화할 수 있도록 하는 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 내벽에 수용체가 고정된 모세관을 기 설정된 크기로 잘라 이를 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 사용하기 때문에, 다양한 수용체를 하나의 칩 내에 손쉽게 고정시킬 수 있도록 하는 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명의 한 측면에 따른 모세관을 이용한 랩온어칩은 시료를 주입하는 주입구; 주입된 상기 시료에 상응하는 생화학 물질을 검출하기 위하여, 상기 시료와 반응하기 위한 소정의 수용체가 그 내벽의 일부 또는 전체에 고정되어 있는 반응 챔버; 및 상기 수용체와 반응한 시료를 배출하는 배출구를 포함할 수 있다.

상기 반응 챔버는 상기 소정의 수용체가 그 내벽의 일부 또는 전체에 고정되어 있고, 상기 주입구에 주입된 시료를 제공받아 그 내벽에 고정되어 있는 상기 수용체와 반응한 시료를 상기 배출구에 제공하는 모세관으로 형성될 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 모세관을 이용한 랩온어칩은 상기 주입구와 상기 반응 챔버의 일측 사이에 연결되고 상기 반응 챔버의 타측과 상기 배출구 사이에 연결되도록 형성되어, 상기 시료를 이동 시키는 마이크로 채널을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 반응 챔버는 적어도 하나의 반응 챔버로 구성되고, 검출하고자 하는 상기 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 각각 고정되어 있을 수도 있다.

본 발명의 다른 한 측면에 따른 모세관을 이용한 랩온어칩의 제조 방법은 모세관의 내벽의 일부 또는 전체에 소정의 수용체를 고정하는 단계; 상기 소정의 수용체가 고정된 상기 모세관을 기 설정된 크기로 절단하는 단계; 및 절단된 상기 모세관을 하부 기판 상에 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 장착하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 수용체를 고정하는 단계는 상기 모세관의 내부에 계면활성제를 주입하여 상기 모세관의 내벽의 일부 또는 전체를 표면 개질하는 단계; 및 그 내벽이 표면 개질된 상기 모세관의 내부에 수용체를 주입하여 표면 개질된 영역에 상기 수용체를 고정하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 수용체를 고정하는 단계는 상기 모세관의 내부에 상기 계면활성제와 상기 수용체를 실리지 펌프(syringe pump)를 사용하여 각각 주입할 수 있다.

필요에 따라, 상기 반응 챔버로 장착하는 단계는 상기 모세관을 적어도 하나의 반응 챔버로 장착할 수 있고, 검출하고자 하는 상기 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 고정되어 있는 다수의 모세관을 다수의 반응 챔버로 장착할 수 있다.

바람직하게, 본 발명에 따른 랩온어칩의 제조 방법은 상기 하부 기판의 상부에 시료를 이동시키기 위한 마이크로 채널이 형성된 상부 기판을 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 일실시예에 따른 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법을 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다. 즉, 본 발명은 모세관(capillary tube)의 내벽에 여러 종류의 생화학 물질을 검출하기 위한 수용체나 항체 또는 반응 물질 등(이하, 수용체로 언급한다)을 고정하여 수용체가 고정된 모세관을 기 설정된 크기로 잘라 이를 랩온어칩의 반응 챔버로 사용하고자 하는 것 이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 개략적인 구성을 나타내는 예시도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 랩온어칩은 주입구(inlet)(210), 마이크로 채널(220), 반응 챔버(230) 및 배출구(outlet)(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

주입구(120)를 통해 시료가 주입되면, 주입된 시료는 마이크로 채널(220)을 통해 반응 챔버(230)로 이동될 수 있다.

반응 챔버(230)는 생화학 물질을 검출하기 위하여, 그 내벽의 일부 또는 전체에 수용체가 고정되어 있는데, 시료를 제공받아 그 내벽에 고정된 수용체와의 반응을 통하여 시료에 상응하는 생화학 물질을 검출할 수 있다. 여기서, 반응 챔버(230)는 적어도 하나의 반응 챔버로 구성될 수 있는데, 예컨대, 동일한 생화학 물질을 검출하는 다수의 반응 챔버로 구성되거나 검출하고자 하는 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 각각 고정되어 있는 다수의 반응 챔버들로 구성될 수도 있다.

특히, 본 발명에 따른 랩온어칩은 그 내벽의 일부 또는 전체에 수용체가 고정된 모세관(capillary tube)으로 반응 챔버(230)를 형성할 수 있다. 이러한 모세관은 모세관 현상이 일어날 정도로 그 안지름 관이 가는 관으로 모관이라고도 하는데, 가는 관으로서 미량의 액체를 추출하기 위한 장치 등에 이용되는데, 생화학 물 질을 검출하기 위한 반응 챔버로서 이용하기 위한 형태를 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반응 챔버(230)의 형태를 설명하기 위한 예시도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 반응 챔버(230)는 예컨대, 그 폭이 두께보다 큰 납작한 형태의 사각형 단면을 가지는 모세관 (a)를 이용하는데, 모세관의 A-B를 자른 단면 (b)를 보면 그 내벽의 일부 또는 전체에 수용체가 고정되어 있음을 알 수 있다. 특히, 본 발명은 종래 기술처럼 실린지 펌프(syringe pump)를 통해 기판 상에 수용체를 고정하는 것이 아니라 모세관 내벽의 일부 또는 전체에 수용체를 고정하여 수용체가 고정된 모세관을 기판 상에 장착하고자 하는 것이다.

또한, 이처럼 사각형의 단면을 갖는 모세관을 이용하는 이유는 반응 면적을 넓게하여 신호의 특성을 높이는 동시에 시료의 검출 대상 즉, 생화학 물질이 수용체와 반응하기 위한 확산 이동 거리를 짧게하여 반응 속도를 높여주기 위함이다.

물론, 본 발명에 따른 모세관의 내벽은 사각형으로 형성된 형태를 보여주고 있지만 반드시 이에 한정되지 않고 필요에 따라 원형, 삼각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.

이렇게 수용체와 반응한 시료는 배출구(240)를 통해 배출될 수 있다.

이때, 마이크로 채널(220)은 주입구(210)와 반응 챔버(230)의 일측을 연결하고, 반응 챔버(230)의 타측과 배출구(240)를 연결하도록 형성되어, 시료를 주입구(210)에서 반응 챔버(230)로 이동시켜 반응 챔버 내에서 시료와 수용체가 반응하도록 하거나 그 수용체와 반응한 시료를 반응 챔버(230)에서 배출구(240)로 이동시킬 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명은 수용체가 고정된 모세관을 생성하여 그 모세관을 기 설정된 크기로 절단하고, 절단된 모세관을 하부 기판에 장착한 후에 마이크로 채널이 형성되어 있는 상부 기판과 결합함으로써 랩온어칩을 완성할 수 있다.

이러한 랩온어칩의 제조 방법을 도 5 내지 도6을 참조하여 상세히 설명하면,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 제조 과정을 설명하기 위한 예시도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 예컨대, 사각형의 내벽을 갖는 모세관인 경우에, (a)처럼, 모세관의 일측에 튜브를 끼워 그 튜브를 통해 실린지 펌프를 이용하여 모세관의 내부에 적어도 하나의 시약을 주입함으로써, 모세관 내부의 일부 또는 전체에 수용체나 항체 또는 반응 물질 등을 고정시킬 수 있는데(S410), 이를 도 6을 참 조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수용체를 고정시키는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 실린지 펌프를 이용하여 모세관 내부에 계면활성제를 주입하여 그 내벽의 일부 또는 전체를 포면 개질하게 되는데, 예컨대, 계면활성제로서 먼저 아미노프로필트리에톡시실란(Amino-Propyl-Tri-Ethoxy-Silane: APTES)을 주입하여 실란화 반응을 통해 부착시키고(a-1), 그 위에 글루타르알데히드(Glutaraldehyde)를 주입하여 부착시키며(a-2), 다시 그 위에 스트렙트아비딘(streptavidine)을 주입하여 부착시킴으로서(a-3), 표면 처리 또는 표면 개질시킬 수 있게 된다.

이처럼 다수의 계면활성제를 주입하는 이유는 모세관의 내벽에 수용체를 직접 반응시켜 고정시킬 수 없기 때문인데, 그 수용체나 항체 또는 반응 물질에 따라 주입하게 되는 계면활성제의 개수나 종류가 달라질 수 있다.

이렇게 다수의 계면활성제를 이용한 모세관의 내벽이 표면 개질되면, 그 위에 실린지 펌프를 통해 수용체 예컨대, 바이오틴(biotin)을 주입하여 반응하도록 함으로써, 표면 개질된 내벽에 화학 물질을 검출하기 위한 수용체를 고정시키게 된다(a-4).

이때, 모세관의 일측에만 튜브를 끼우지 않고 타측에도 튜브를 끼울 수 있는데, 이는 주입된 시약 중 표면 개질에 이용되지 않은 시약을 원활히 제거하기 위함 이다.

이때, 실린지 펌프를 이용하여 모세관의 내부에 시약을 주입하는 이유는 시약을 일정한 농도로 모세관의 내부에 균일하게 주입이 가능하기 때문이며 이는 곧 수용체가 균일하게 고정되도록 도와 그 수용체와의 반응 또한 균일하게 나타나도록 할 수 있다.

이후, (b)처럼, 수용체가 고정되어 있는 모세관을 예컨대, 유리 칼 등을 이용하여 기 설정된 크기로 절단할 수 있는데(S420), 물론 이러한 모세관의 크기는 검출하고자 하는 생화학 물질의 특성 등에 따라 달라질 수 있다.

(c)처럼, 이렇게 절단된 모세관은 반응 챔버를 형성하고자 하는 하부 기판 상의 기 설정된 영역에 장착하게 되는데, 모세관은 필요에 따라 적어도 하나 이상이 장착될 수 있다(S430). 예컨대, 동일한 생화학 물질을 검출하기 위한 수용체가 고정되어 있는 다수의 모세관들이 장착되거나 검출하고자 하는 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 각각 고정되어 있는 다수의 모세관들이 장착될 수도 있다.

결국, (d)처럼, 마이크로 채널이 형성되어 있는 상부 기판을 모세관이 장착된 하부 기판 상에 결합함으로써, 소정의 생화학 물질을 검출하기 위한 하나의 랩온어칩을 완성할 수 있다(S440). 여기서, 마이크로 채널이 형성된 상부 기판과 모세관이 장착된 하부 기판은 유리 또는 고분자 등으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 내벽에 수용체가 고정된 모세관을 생화학 물질을 검출 하기 위한 반응 챔버로 사용함으로써, 반응 면적을 넓힐 수 있고 반응 속도를 향상 시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 내벽에 수용체 고정된 모세관을 기 설정된 크기로 잘라 이를 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 사용하기 때문에, 칩의 제조 과정을 단순화할 수 있고 다양한 수용체를 하나의 칩 내에 손쉽게 고정시킬 수도 있다.

본 발명에 의한, 모세관을 이용한 랩온어칩 및 그 제조 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 랩온어칩 내에 수용체를 고정시키는 과정을 나타내는 예시도이며,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 개략적인 구성을 나타내는 예시도이며,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 반응 챔버(230)의 형태를 설명하기 위한 예시도이며,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 제조 방법을 나타내는 흐름도이며,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 제조 과정을 설명하기 위한 예시도이며,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수용체를 고정시키는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

210: 주입구

220: 마이크로 채널

230: 반응 챔버

240: 배출구

Claims (10)

1. 시료를 주입하는 주입구;

   주입된 상기 시료에 상응하는 생화학 물질을 검출하기 위하여, 상기 시료와 반응하기 위한 소정의 수용체가 그 내벽의 일부 또는 전체에 고정되어 있고, 상기 주입구에 주입된 시료를 제공받아 그 내벽에 고정되어 있는 상기 수용체와 반응한 시료를 제공하며, 모세관으로 형성되는 반응 챔버; 및

   상기 반응 챔버를 통해 제공되는 상기 수용체와 반응한 시료를 배출하는 배출구

   를 포함하는 랩온어칩.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,

   상기 주입구와 상기 반응 챔버의 일측 사이에 연결되고 상기 반응 챔버의 타측과 상기 배출구 사이에 연결되도록 형성되어, 상기 시료를 이동 시키는 마이크로 채널

   을 더 포함하는 랩온어칩.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 반응 챔버는,

   적어도 하나의 반응 챔버로 구성되고, 검출하고자 하는 상기 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 각각 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 랩온어칩.
5. 모세관의 내벽의 일부 또는 전체에 소정의 수용체를 고정하는 단계;

   상기 소정의 수용체가 고정된 상기 모세관을 기 설정된 크기로 절단하는 단계; 및

   절단된 상기 모세관을 하부 기판 상에 생화학 물질을 검출하기 위한 반응 챔버로 장착하는 단계

   를 포함하는 랩온어칩의 제조 방법.
6. 제5 항에 있어서,

   상기 수용체를 고정하는 단계는,

   상기 모세관의 내부에 적어도 하나의 계면활성제를 주입하여 상기 모세관의 내벽의 일부 또는 전체를 표면 개질하는 단계; 및

   그 내벽이 표면 개질된 상기 모세관의 내부에 수용체를 주입하여 표면 개질 된 영역에 상기 수용체를 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 제조 방법.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 수용체를 고정하는 단계는,

   상기 모세관의 내부에 상기 계면활성제와 상기 수용체를 실리지 펌프(syringe pump)를 사용하여 각각 주입하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 제조 방법.
8. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,

   상기 반응 챔버로 장착하는 단계는,

   상기 모세관을 적어도 하나의 반응 챔버로 장착하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 제조 방법.
9. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,

   상기 반응 챔버로 장착하는 단계는,

   검출하고자 하는 상기 생화학 물질의 종류에 따라 서로 다른 수용체가 고정되어 있는 다수의 모세관을 다수의 반응 챔버로 장착하는 것을 특징으로 하는 랩온어칩의 제조 방법.
10. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,

    상기 하부 기판의 상부에 시료를 이동시키기 위한 마이크로 채널이 형성된 상부 기판을 부착하는 단계

    를 더 포함하는 랩온어칩의 제조 방법.

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