KR101454206B1 - 고분자 시료의 비특이적 결합방지를 위한 구조체, 기재 및 방법과 이를 이용한 바이오칩, 바이오칩용 기판, 시료용기, 유동관 및 시료기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비특이적 결합의 방지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 의료 진단기기 등의 기재에 있어서, 생체분자와 같은 고분자 시료의 비특이적 결합에 의한 노이즈의 방지를 위하여 미세홈을 구성하는 표면 또는 구조체를 이용한 기재에 관한 것이다. 이를 위하여 비특이적 결합의 방지를 위한 구조체, 표면, 방지방법, 시료처리/분석장치, 시료용기, 유동관, 시료기판, 바이오칩 기판 및 바이오칩을 제공한다. 이렇게 구성되는 기기들은 생체분자와 같은 고분자 시료가 기재에 접촉하는 시간을 최소화하여 비특이적 결합을 방지하는 효과가 있다.

Description

고분자 시료의 비특이적 결합방지를 위한 구조체, 기재 및 방법과 이를 이용한 바이오칩, 바이오칩용 기판, 시료용기, 유동관 및 시료기판{Component, Structure and Method for Preventing non-Specific Binding of Polymer Sample, Bio-chip, Bio-chip board, Sample tube, Flow tube and Sample board using the Same}

본 발명은 고분자 시료, 특히 생체분자의 비특이적 결합을 방지하기 위한 구조체, 표면 및 방법과 이를 이용한 시료처리장치 및 시료분석장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 생체분자가 각종 의료기기의 표면에 비특이적 결합을 하여 측정결과에 백그라운드 시그널 또는 노이즈가 발생하는 것을 방지하기 위한 기술에 있어서 생체분자가 표면에 접하는 면적을 최소화하는 기술에 관한 것이다.

최근에는 질병의 조기 발견 등의 목적 때문에, 의료 진단기기의 고감도화가 요구되고 있다. 따라서 이러한 진단기기의 감도 향상은 큰 과제가 되고 있다. 그래서 종래 폴리스티렌 플레이트나 자성입자 등을 이용한 의료 진단기기에 있어서도 민감도 향상 때문에, 효소발색을 이용하는 방식으로부터, 보다 높은 감도를 얻을 수 있는 형광/화학 발광을 이용하는 방식으로 바뀌고 있다. 그러나, 실제로는 충분한 감도를 얻지 못하고 있는데, 이는 혈청 등의 생체분자의 혼재하에서 특정 물질을 검출시에는, 공존하는 생체분자나 2 차 항체, 발광 기질 등이 기구/용기 등에 비특이적으로 흡착하여 그 결과 노이즈가 증가, 즉 S/N 비가 저하되기 때문이다(예를 들면, 단백질칩의 신호검출과 관련하여 Hayashizaki. Y. 및 Okazaki. K., 2000. "Sure to get data: Practical Manual of DNA Miroarray", pp.57, Yodo놈 Tokyo 참조). 따라서 새로운 생물의학용 소자(Bio-medical device), 바이오칩/센서(Bio-chip/Bio-sensor), 약물/시료 전달 시스템(Drug/Sample delivery system) 및 바이오 칩(Bio-chip), 바이오 센서, 청각보조기구, 연료센서 등과 같은 기타 시료 분석 시스템(Sample analysis system) 등을 정교하게 개발하기 위해서는 세포, DNA 및 단백질 등과 같은 생체분자(Bio-molecules)들의 비특이적 결합(non-specific binding) 또는 비특이적 흡착(non-specific adsorption)을 최소화하는 기술이 매우 중요하다.

도 1은 단백질의 구조를 도식화한 모식도이고, 도 2a는 고분자 입자와 기재 표면 사이의 일반적인 비특이적 결합을 도식화한 모식도이고, 도 2b는 고분자 입자와 기재 표면 사이에 자가조립단분자막을 형성하는 비특이적 결합을 도식화한 모식도이다. 도 1, 도 2a 및 도 2b에서 도시된 바와 같이, 비특이적 결합은 생체분자가 특정 관능기나 리간드의 특이적인 작용에 의한 결합이 아니고, 무차별적으로 다른 물질에 결합하는 현상이다. 즉, 비특이적 결합은 소수성 결합(Hydrophobic bond)이나 반데르발스 결합(Van der Waales bond)에 의해 발생한다. 도 1에서 도시된 바와 같이 생체 단백질(10)은 소수성 결합에 의해 3차 구조가 형성되므로, 내부는 소수성(13), 외부는 친수성(15)을 띄는 경우가 많다. 이때, 소수성 포켓구조(hydrophobic pocket)와 금속기재 표면과의 소수성 결합이 일어나거나, -SH(Thiol group)에 의한 금속 기재 표면에서의 자가조립단분자막(SAM, Self assembly monolayer)의 형성으로 인한 비특이적 결합이 주를 이룬다.

현재까지 다양한 고분자들이 생체분자들의 비특이적 결합을 최소화하기 위한 소재로 많이 연구되어 왔다. 상기 문제를 해결하기 위한 방법은 크게 물성을 이용한 방법과 구조를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 이와 관련하여 물성을 이용한 방법으로 이하 검토한다.

도 3a은 종래의 비특이적 결합 방지방법을 도식화한 모식도이다. 도 3a에서 도시된 바와 같이, 종래에는 화학적 또는 생물학적 코팅제(30)를 이용한 표면처리를 이용하였는데, 표면처리 물질이 고가이고, 표면처리 방법이 번거로우며, 열적 화학적, 생물학적 환경 하에서의 불안정성 등의 문제로 생체분자의 비특이적 결합성의 증가, 구조변화 및 미세 나노구조체 제작의 어려움 등 많은 문제점을 갖고 있었다. 종래에 이용되던 화학적 코팅제(30)로는 폴리옥시에틸렌을 가지는 고분자 및 폴리사카라이드 또는 키토산에 의해 커플링된 고분자 박막, Dextran, Galactose, Zwitterionic, Ethylene glycol(EG) 화합물의 표면도입 등이 있으며, 종래에 이용되던 생물학적 코팅제(30)로는 알부민(albumin), 카제인(casein), 젤라틴(gelatine) 등이 이용되고 있었다. 도 3b는 위의 Ethylene glycol(EG)를 일실시예로 도 3a의 A부분을 확대하여 도시하고 있는 모식도이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 금 기재 위에 코팅되며 말단에 EG를 갖는 단분자막은 생체물질의 비특이적 결합에 큰 저항성을 갖는 것이 확인되었다(K.L.Prime and G.M.Whitesides, J.Am.Chem.Soc., 115, 10714 (1993)).

특히 바이오칩(Bio-chip)에 있어서, 바이오칩의 일종인 프로틴 칩(Protein chip)의 기판의 비특이적 결합 방지를 위한 통상적인 샌드위치법에서는, 1차 항체를 고정한 후에 2차 항체의 비특이적 결합을 방지하기 위해, 결합방지제의 코팅이 행해지고 있다. 하지만 이들의 비특이적 결합 방지능력은 충분하지 않다. 또한 1차 항체를 고정화한 후에 결합방지제를 코팅하므로 고정화한 단백질 위에 코팅하게 된다. 이는 결국 2차 항체와 반응할 수 없다는 문제가 있었다. 이 때문에, 결합방지제를 코팅하지 않고도 생체물질의 비특이적 결합량이 적은 바이오 칩 기판이 요구되고 있다.

미국 공개공보 2009-0234090, 일본 공개공보 2012-189605 등 고분자 시료의 비특이적 결합을 방지하기 위한 코팅제를 제공하고 있고, 이는 methacryl 등의 공중합체를 코팅함으로써 비특이적 결합을 방지하는 방법으로 물성을 이용한 방법이다. 그러나 이 방법은 표면처리 물질이 고가이고, 표면처리 방법이 번거로우며, 열적 화학적, 생물학적 환경 하에서의 불안정성 등의 문제가 있다.

위의 불안정성을 해소하기 위하여, 국내 공개공보 10-2007-0110860에서는 기재 상에 작용기를 포함하는 활성 성분을 가진 매트릭스를 피복하여 안정성을 확보하는 기술을 제공하고 있다. 하지만, 이는 기재 위에서 단량체의 경화가 진행될 수 있고, 이는 기재가 플리스틱 기판인 경우, 변형을 야기한다. 또한, 바이오칩 기판 이외의 장비에는 범위가 넓어 적용하기 어려운 점이 있다.

종래에는 이처럼 화학적 물성을 이용한 방법으로 비특이적 결합을 방지하려는 노력을 많이 이루어졌으나, 위와 같은 문제점이 있었다.

미국 공개공보 2009-0234090 일본 공개공보 2012-189605 공개공보 10-2007-0110860 등록특허 10-0969671

따라서 본 발명은 상기 제시된 종래기술에 있어서, 고분자 시료, 특히 생체분자와 기재 표면의 비특이적 결합 방지가 효율적으로 이루어지지 않은 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다. 즉 종래의 물성을 이용하여 비특이적 흡착을 방지하려는 시도를 개선하기 위하여 구조를 이용하여 비특이적 흡착을 방지하는 방안을 제시한다.

본 발명의 목적은, 기재의 구조 변형을 통하여 고분자 시료와 기재 표면의 비특이적 흡착을 방지하는 구조체, 기재, 방지방법, 시료처리/분석장치, 시료용기, 시료기판, 유동관 및 바이오칩을 제공하는데에 있다.

보다 구체적으로, 기재의 표면에 기포를 포획할 수 있는 복수개의 미세홈을 형성하여 비특이적 결합을 방지하는 구조체, 기재, 방지방법, 시료처리/분석장치, 시료용기, 시료기판, 유동관 및 바이오칩을 제공하는데에 있다.

이하 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명의 제 1 목적은, 고분자 시료와 접촉하는 기재의 표면에 설치되고, 고분자 시료와의 접촉면에 복수개의 미세홈이 형성되는 비특이적 결합방지 구조체를 제공하여 달성될 수 있다.

이때, 기재는 금속계열(예를 들어, 금, 은, 백금, 동, 철강 또는 알류미늄 등), 규소화합물 계열(예를 들어, 유리, 실리콘 또는 실리카 등), 합성수지계열(폴리에틸렌, 우레탄, 고무 또는 기타 고분자 물질 등)로 구성할 수 있다.

또한, 미세홈은 기재가 다양한 형태를 가진다고 하더라도 기재의 표면에 직교하는 방향으로 구성될 수 있다. 이때, 시료가 흐르는 방향의 반대방향으로 미세홈이 구성될 수도 있다.

또한 미세홈의 단면의 형태는 원형, 삼각, 사각 또는 육각와 같은 2차원 형태 및 직선, 곡선, V형, 시료의 유동방향과 직교, 시료의 유동방향과 사선 및 평면 위에서 서로 맞물리는 형태 등의 1차원 형태를 갖도록 구성할 수 있다.

또한 본체에서 미세홈이 없는 부분에는 경사면을 구성할 수 있다.

이때, 미세홈의 너비는 수 나노미터 이상 수십~수백 마이크로미터 이하로서, 미세홈의 내부에 기포를 포획할 수 있도록 충분히 작아야한다.

또한, 각각의 미세홈은 상대적으로 너비가 넓은 제 1 미세홈과 상대적으로 너비가 좁은 제 2 미세홈으로 구성될 수 있으며, 제 1 미세홈과 제 2 미세홈은 불규칙적으로 배열될 수 있다.

이때, 미세홈은 비특이적 결합방지 구조체의 위에 규칙적으로 배열될 수 있다. 또한, 그 배열방식은 이사정계, 사방정계, 육방정계, 직방정계 및 정사각정계 중 어느 하나로 할 수 있다. 또한, 무작위로 배열하는 것을 그 특징으로 할 수도 있다.

이때, 미세홈 사이의 이격거리는 수 나노미터 이상 수십~수백 마이크로미터 이하로 할 수 있다. 결국 미세홈 내부에 용이하게 기포를 포획하기 위한 조건들이다.

본 발명의 제 2 목적은, 고분자 시료와 접촉하는 기재의 표면에 설치되고, 고분자 시료와의 접촉면에 복수개의 미세기둥열(array)이 형성되는 비특이적 결합방지 구조체를 제공하여 달성될 수 있다. 이때, 각 미세기둥열(array) 사이에 기포가 포획될 수 있도록 적절한 너비과 배열을 갖게 할 수 있다.

본 발명의 제 3 목적은, 고분자 시료와 접촉하는 면에 설치되고, 고분자 시료와의 접촉면에 복수개의 미세홈이 형성되는 비특이적 결합방지 구조체가 설치된 기재를 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 제 4 목적은, 고분자 시료와 접촉하는 면에 위의 비특이적 결합방지 구조체와 같이 복수개의 미세홈이 형성되는 기재를 제공하여 달성될 수 있다.

이때, 미세홈은 기재를 관통하지 않도록 구성될 수 있다.

본 발명의 제 5 목적은, 고분자 시료와 접촉하는 표면에 위의 비특이적 결합방지 구조체가 설치된 시료처리/분석장치를 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 제 6 목적은, 반응 용액 내에서 생체분자의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 반응에 따른 전기적 변화 및 형광발생을 검출하는 바이오칩용 기판에 있어서, 위의 비특이적 결합방지 구조체를 포함하는 바이오칩용 기판을 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 제 7 목적은, 바이오칩 기판 자체에 위의 비특이적 결합방지 구조체와 같이 복수개의 미세홈이 형성되는 표면으로 구성되는 바이오칩용 기판을 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 제 8 목적은, 위의 바이오칩용 기판을 포함하는 바이오칩을 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 제 9 목적은, 고분자 시료의 시료용기, 시료기판 또는 유동관에 있어서, 표면에 위의 비특이적 결합방지 구조체가 설치되거나, 표면이 위의 비특이적 결합방지 구조체와 같이 복수개의 미세홈으로 형성되는 시료용기, 시료기판 또는 유동관을 제공하여 달성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 시료의 고분자 입자가 기재의 표면에서 비특이적 결합을 일으키는 원인은 상호간의 결합력과 접촉시간이다. 본 발명에 의하면 기포가 포획된 미세홈의 영역에서는 시료의 고분자 입자와 기재의 표면이 접촉을 하지 못하여 비특이적 결합을 방지하는 효과가 있다.

둘째, 도 4a는 종래기술에서의 고분자 시료의 유속을 나타낸 모식도이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 시료(20)의 흐름(flow)이 있는 경우에 있어서, 액상 시료(20)의 유속은 기재 표면(220)에 가까울수록 느려져서 시료(20)의 고분자 입자(11)와 기재 표면(220)의 접촉시간이 길어진다. 도 4b는 본 발명에 일실시예에 따른 고분자 시료의 유속을 나타낸 모식도이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 기포가 포획된 미세홈(40)의 영역에서는 시료(20)와 기재 표면(220)과의 마찰이 없어서 유체의 슬립(42)이 일어나 시료(20)의 유속이 부분적으로 빨라지므로, 미세홈(40)을 막 지난 위치에서의 시료(20)는 빠른 유속의 상태가 잠시 유지된다. 따라서 본 발명에 의하면, 슬립(42) 후의 빠른 유속으로 인해 미세홈(40)이 없는 공간에서도 시료(20)의 고분자 입자(11)와 기재 표면(220)의 접촉시간을 최소화하여 비특이적 결합을 방지하는 효과가 있다.

셋째, 시료와 기재 표면과의 마찰과 시료의 유압으로 인하여 유체공급부에 부하가 발생한다. 본 발명에 따르면, 미세홈에서 액상 시료가 기재 표면과 마찰하지 않고 슬립하므로, 위의 마찰이 감소하여 유체공급부의 부하를 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 이는 결국 시료의 정확한 유압 및 정확한 유량의 제어로 이어진다.

넷째, 본 발명은 시료가 흘러갈 때, 기포가 자연스럽게 포획될 수 있는 표면구조를 이용하고 있다. 따라서 본 발명에 따르면, 종래의 화학적 또는 생물학적 코팅제를 이용한 방법에 비하여, 가격이 저렴하고 방법이 간단한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 단백질의 구조를 도식화한 모식도,
도 2a는 시료의 고분자 입자와 기재 표면 사이의 일반적인 비특이적 결합을 도식화한 모식도,
도 2b는 시료의 고분자 입자와 기재 표면 사이의 자가조립단분자막 형태의 비특이적 결합을 도식화한 모식도,
도 3a은 종래의 비특이적 결합 방지방법을 도식화한 모식도,
도 3b는 위의 Ethylene glycol(EG)를 일실시예로하여 도 3a의 A부분을 확대하여 도시하고 있는 모식도,
도 4a는 종래기술에서의 시료의 유속을 나타낸 모식도,
도 4b는 본 발명에 일실시예에 따른 시료의 유속을 나타낸 모식도,
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 설치한 상태의 기재를 도시한 단면도,
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 본체의 미세홈이 없는 부분에 경사면을 구비한 비특이적 결합방지 구조체를 도시한 단면도,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 설치한 상태의 기재를 도시한 단면사시도,
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 단면의 다양한 형태를 도시한 평면도,
도 7은 초발수 거동을 설명하기 위한 두가지 모델을 도시한 모식도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈 구성방향의 비교를 도시한 단면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홀의 배열의 예시를 도시한 모식도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 이격거리가 좁은 경우를 도시한 단면사시도,
도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 이격거리가 넓은 경우를 도시한 단면사시도,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 시료용기를 도시한 구성도,
도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 유동관을 도시한 구성도,
도 11c는 본 발명의 일실시예에 따른 시료기판을 도시한 구성도,
도 12는 나노다공성 알루미나의 구조와 양극산화의 모식도,
도 13은 본 발명의 미세홈 불규칙 배열의 일실시예를 도시한 단면사시도,
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈이 직접 구성된 기재의 단면도,
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 미세기둥열(array)이 구성된 표면의 단면사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

<실시예 1-1 : 비특이적 결합방지 구조체>

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 설치한 상태의 기재를 도시한 단면도, 도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 설치한 상태의 기재를 도시한 단면사시도이다. 도 5a, 6a에서 도시된 바와 같이, 비특이적 결합방지 구조체(4)는 본체(44)와 미세홈(40)으로 구성될 수 있다. 이하 각각의 구성요소에 대하여 기술한다.

시료에 포함된 고분자는, 체액에 포함된 혈청, 단백질, 항체 및 효소를 포함하며, 기타 유-무기 고분자 시료를 포함할 수 있다.

상기 비특이적 결합방지 구조체(4)가 설치되는 기재(22)와 비특이적 결합방지 구조체(4)의 본체(44)는 금속, 실리카, 플라스틱 수지계열로 할 수 있다. 금속의 경우, 금, 백금, 백금흑, 카본 나노튜브, 알루미늄, 알루미나 및 질화물 등의 합금 등을 포함할 수 있다. 실리카의 경우, 규소의 산화물뿐만 아니라, 유리 등을 포함할 수 있다. 플라스틱 수지계열의 경우 나이론, PMMA, PVC(poly-vinyl-chloride), PC(poly-carbonate), PS(poly-styrene), PU(poly-urethane) 및 PDMS(poly-dimethyl-siloxane) 등의 고분자 물질을 포함할 수 있다.

도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 본체의 미세홈이 없는 부분에 경사면을 구비한 비특이적 결합방지 구조체를 도시한 단면도이다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 본체(44) 내에서 미세홈(40)이 없는 부분은 일정한 방향으로 경사면을 구비할 수 있다. 이때, 경사면은 시료(20)가 흐르는 방향으로 높아지도록 구성함이 바람직하다. 이는 시료(20)의 흐름에 있어서 정체(stagnation)을 줄여 흡착을 방지할 수 있기 때문이다. 이때, 위와 반대방향, 즉 시료(20)가 흐르는 방향으로 낮아지도록 구성하는 경우, 시료(20) 흐름에 있어서 난류(turbulence)가 발생하여 흐름이 더욱 정체(stagnation)될 가능성이 존재하므로 흡착방지를 위해서는 바람직하지 않다.

상기 미세홈(40)의 경우, 도입구의 너비를 수 나노미터에서 수백 마이크로미터로 할 수 있다. 이때, 수 나노미터 미만으로는 제작상에 한계가 있다. 또한, 미세홈(40)의 도입구가 수백 마이크로미터를 초과하는 경우에는, 시료(20)가 미세홈(40)의 도입구를 지날 때 발생하는 표면장력이 충분하지 않게되어 기포(46)가 포획되지 않고, 시료(20)가 미세홈(40)을 포함하여 통과함으로써 오히려 시료(20)와 기재 표면(220)사이의 접촉면적이 늘어나게 된다. 결국 비특이적 결합이 더욱 심화되어 본 발명의 목적을 이룰 수 없게 된다.

도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 단면의 다양한 형태를 도시한 평면도이다. 도 6b에서 도시된 바와 같이, 미세홈(40) 단면의 형태는 반드시 원형으로 한정될 필요는 없다. 기본적으로 삼각, 사각 등 다양한 평면형상의 2차원 배열을 가질 수 있으며, 선형과 같은 1차원 배열(예를 들어, 시료의 유동방향과 직교하는 방향, 사선형태, V형태, 평면 위에서 서로 맞물리는 형태 즉 interdigitated 형태 등)도 가능하다. 시료(20)의 종류와 본 발명의 이용방향에 따라 미세홈(40) 단면의 형태를 결정할 수 있다. 결국 미세홈(40)에 기포가 용이하게 포획될 수 있어야 하기 때문이다.

본 발명의 이론적 전제로서 초발수 표면(superhydrophobic surfaes)이 있다. 초발수 표면이란, 젖음성(wettability)이 극단적으로 감소하여 물에 대한 표면 접촉각이 150도 이상이 되는 것을 의미한다. 소재 표면의 젖음성은 기본적으로 표면에너지에 의해서 결정되지만, 표면의 미세구조를 마이크로와 나노 수준의 복합적인 구조로 제어하면 초발수 표면을 구현할 수 있다. 이를 구현하기 위한 방식에는 크게 두 가지로 나눌 수 있게 된다. 하나는 나노 구조 표면을 만들고, -CF₃과 같은 불소계 화합물 같이 낮은 표면에너지를 가지는 소재를 코팅하는 방법, 다른 하나는 낮은 표면에너지를 가지는 소재를 이용하여 직접 나노 구조 표면을 구현하는 방법이다. 도 7은 초발수 거동을 설명하기 위한 두 가지 모델을 도시한 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 초발수 현상은 Wenzel과 Cassie-Baxter의 모델에 근거한다. Wenzel의 모델은 표면과 액체가 완전히 접촉하는 단일상을 갖게 됨으로써 낮은 표면에너지를 갖는 소수성 표면은 액체의 접촉각이 더 커지게 된다는 모델이고, Cassie-Baxter의 모델은 나노구조 표면에 액체가 스며들지 못하고 부유하게 하는 큰 기체의 분율을 갖는 복합적인 상태를 가정하였다(R.N.Wenzel, Ind. Eng. Chem., 28, 988 (1936) 및 A.B.D.Cassie and S.Baxter, Trans.Faraday.Soc., 40, 546 (1944)). 본 발명은 Cassie-Baxter의 모델에 근거한 초발수 현상과 같이, 미세홈에 포획되는 기포를 이용하여 기재와 시료의 접촉면적을 최소화시키고 있다.

이하, 각 구성의 연결관계를 기술한다.

또한, 미세홈(40)은 기재(22)의 표면(220)에 직교하는 방향으로 구성될 수 있다. 즉, 표면(220)이 형성하는 평면의 법선방향과 일치하는 방향으로 미세홈(40)을 구성할 수 있다. 이는 시료(20)가 흐르는 방향에 구애받지 않고, 본 발명의 효과를 극대화하기 위함이다. 따라서, 시료(20)가 흐르는 방향이 일정하다면, 그 방향과 반대되는 방향으로 미세홈(40)을 구성할 수 있음은 물론이다. 즉 기포(46)가 포획되기 쉬운 방향으로 미세홈(40)을 구성할 수 있다. 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈 구성방향의 비교를 도시한 단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 시료(20)가 흐르는 방향으로 미세홈(40)을 구성하는 경우, 미세홈(40)의 도입구에 발생하는 시료(20)의 표면장력이 유압을 이겨내기 어려우므로 시료(20)가 미세홈(40)으로 흘러들어갈 확률이 높아진다. 따라서 기포(46)형성으로 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 바람직하지 않은 방향이다.

이하는 미세홈(40)의 배열관계를 기술한다.

미세홈(40)은 본체(44)위에 규칙적으로 배열될 수도 있고, 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 비특이적 결합방지 구조체(4)의 소재와 시료(20)의 종류에 따라 효과적인 배열이 다르다. 도 9는 미세홈(40)의 배열방식을 도시한 모식도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 미세홈(40)을 규칙적으로 배열하는 경우, 이사정계, 사방정계, 육방정계, 직방정계 및 정사각정계로 구성할 수 있다. 특정 경우마다 최적의 효율을 위한 배열을 가질 수 있다. 그 예로서, 균일하게 촉매가 도포된 실리카 표면에 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition) 기술을 이용하여 제조한 카본 나노튜브(Carbon nano-tube)는 15~50nm의 직경으로 기판에 거의 수직 배향되어 있으며, 이때의 물 접촉각은 158.5도, 미끄럼각은 30도 이상의 값을 보인다. 그와 대조적으로 촉매가 불규칙하게 도포된 실리카 표면에 증착된 카본 나노튜브는 나노 튜브와 마이크로 튜브들이 복합적으로 불규칙한 배열을 가지며 형성되여 163도의 접촉각, 5도 미만의 미끄럼각을 가지는 초발수 특성을 보였다. 이 결과를 통하여, 특정 경우마다 최적의 효율을 갖는 배열이 있으며, 불규칙한 배열도 최적의 효율을 가질 수 있다는 것을 확인할 수 있다(H.Li, X.Wang, Y.Song, Y.Liu, Q.Li, L.Jiang and D.Zhu, Angew. Chem., Int Ed., 40, 2001 및 L.Feng, S.Li, Y.Li, H.Li, L.Zhang, J.Zhai, Y.Song, B.Liu, L.Jiang and D.Zhu, Adv. Mater., 14, 2002).

도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 이격거리가 좁은 경우를 도시한 단면사시도, 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈의 이격거리가 넓은 경우를 도시한 단면사시도이다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 각 미세홈(40) 간의 이격거리는 수 나노미터 이상 수십~수백 마이크로미터 이하로 구성할 수 있다. 이때, 이격거리가 너무 좁아서 인접하는 미세홈(40) 끼리 접하여 도입구가 합쳐지는 경우에는, 미세홈(40)의 도입구가 확장되는 효과를 가져오므로 기포가 쉽게 포획되지 않는다. 결국 본 발명의 목적을 달성하는데 문제가 발생할 수 있다. 너무 이격거리가 벌어지는 경우에는 본 발명의 효과가 현저히 감소한다. 결국, 적절한 기포(46)의 포획을 위해서는 "미세홈 도입구 면적/ 기재 표면적"의 비율이 중요하다. 따라서, 미세홈(40)의 이격거리는 너무 좁거나, 너무 넓어서도 안되며 기포(46)의 포획을 위한 최적의 배열을 갖기 위하여 적절한 이격거리를 가질 수 있다.

이하는 본 발명의 작동관계를 기술한다. 먼저 기재(22) 위에 시료(20)가 흐르거나, 기재(22) 위에 시료(20)가 도포된다. 이때, 종래기술과는 다르게, 본 발명의 일구성인 미세홈(40)의 내부에 기포(46)가 포획되게 된다. 결국 시료(20)는 기재 표면(220)에 접하는 면적과 접촉시간이 감소하게 되며, 비특이적 결합을 궁극적으로 방지할 수 있게 된다. 결국 본 발명에서는 미세홈(40)을 가능하면 넓게하고, 가능하면 촘촘하게 배치하는 것이 주요하며, 미세홈(40)이 없는 부분은 미세홈(40)이 기계적인 강성을 유지할 수 있도록 최소한의 역할을 하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 최소한 기포(46)가 포획될 수 있도록 해야함은 자명하다.

<실시예 1-2 : 표면>

도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 위에서 기술한 비특이적 결합방지 구조체(4)가 도포되거나 설치된 상태의 표면으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 시료용기를 도시한 구성도, 도 11b는 본 발명의 일실시예에 따른 유동관을 도시한 구성도, 도 11c는 본 발명의 일실시예에 따른 시료기판을 도시한 구성도이다. 도 11a, 11b, 11c에서 도시된 바와 같이, 비특이적 결합방지 구조체가 설치된 표면(222)은 바이오칩용 기판, 유동관(150), 판상의 시료처리/분석장치, 시료기판(160), 시료용기(140, 또는 시료튜브) 등에 이용될 수 있다.

이때, 미세홈(40)은 기재(22)를 관통하지 않도록 구성될 수 있다. 미세홈(40)이 기재(22)를 관통하도록 구성되는 경우, 미세홈(40) 내부에 기포(46)가 형성되지 않으므로 본 발명의 목적을 달성할 수 없다.

<실시예 1-3 : 비특이적 결합방지 방법>

도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 위에서 기술한 비특이적 결합방지 구조체(4)를 제작하는 단계, 이를 기재의 표면(220)에 도포하거나 설치하는 단계를 포함하는 비특이적 결합방지 방법으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이때, 판상 박막 형태의 본체(44)에 수 나노미터에서 수백 마이크로미터 크기의 미세홈(40)을 구성하는 방법으로는 상향식(Top-down), 하향식(Bottom up), 하이브리드 방법이 있다.

Top-down 방법은, 공작기계나 레이저를 이용하여 구조물을 새기고, 주형을 뜨거나 기계가공에 의해 나노 구조를 제작하는 나노 패터닝 기술이다. 종류로는 포토 리소그래피(photo-lithography)의 일종인 X선, 전자빔 리소그래피(X-ray, e-beam lithography), 주사탐침현미경 리소그래피(scanning probe lithography), 임프린팅 리소그래피(imprint lithography) 등이 있다. 이 기술의 장점은 특성분석이 비교적 간단하고, 표면 젖음성 거동(wettability)에 대한 모델링에 유용하게 사용될 수 있다는 점이다.

Bottom up 방법은, 나노 입자와 같은 작은 구조물이나 유-무기 구성 성분을 통합하여 크고 복잡한 구조물을 만드는 기술이다. 종류로는 자가조립단분자막(Self-assembly monolayers, SAMs), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition, CVD), 다층 침지법(layer-by-layer deposition), 졸-젤법(sol-gel), 전기방사법(electrospinning) 등이 있다. 이 기술들의 보편적 장점은 비용이 비교적 저렴하고, 생산성이 높으며, 특히, SAMs과 졸-젤법, 졸-젤법과 전기방사법 등 동시에 여러 방법을 혼합하여 이용할 수 있는 것이 장점이다. 하지만 이 기술들은 분자단위의 구조물에 유리한 기술들이므로, 마이크로미터 크기의 미세홈(40)을 제작하는 데에는 유용하지 않을 수 있다.

하이브리드(hybrid) 방법은, 위의 두 방식을 접목한 방법으로 나노물질을 이용한 나노구조물을 제조하는 패터닝 방법 중의 하나이다. 하이브리드 방법의 종류로는 고분자의 상분리 현상을 이용한 방법과 알루미나를 양극산화(anodization)하여 제조하는 나노다공성 알루미나(nanoporous alumina)가 가장 많이 이용된다. 도 12는 나노다공성 알루미나의 구조와 양극산화의 모식도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 나노다공성 알루미나는 육각형 모양의 셀(cell) 중심에 알루미늄 기판과 수직을 이루는 미세홈(pore)을 갖는 육각형 밀집배열(hexagonal close-packed array) 구조를 가지고 있다. 양극에 위치한 알루미늄 표면에 산화 알루미늄 피막이 형성된다. 위의 피막은 나노다공성 알루미나로 되어 있으며, 알루미늄과 알루미나의 경계면 바닥에 산화배리어층(barrier oxide layer)이 형성된 구조를 갖고 있다. 나노다공성 알루미나의 또 다른 특징은 다른 패터닝 기술에서 얻기 힘든 높은 종횡비(aspect ratio)를 얻을 수 있다는 것이며, 이것은 양극산화 조건에 따라 조절이 가능하다. 또한 이를 통하여 나노기둥도 제조할 수 있는 점이 장점이다. 이와 달리, 고분자의 상분리 현상을 이용한 방법은, 서로 다른 특성의 두 고분자를 블렌드 하여 기판에 코팅한 후 하나의 고분자를 선택적으로 제거하여 균질하게 구조를 제조하는 방식이다. 따라서 고분자의 상분리 현상을 이용한 방법은 앞서 언급한 기술의 리소그래피 장비 및 증착기 등의 복잡하고 고가인 장비가 필요하지 않은 장점이 있다.

위의 방법으로 제작된 판상 박막 형태의 비특이적 결합방지 구조체(4)를 기재(22)에 설치하는 단계를 수행하여 비특이적 결합방지 방법을 종료한다.

이때, 종래기술로서 쓰이는 화학적 또는 생물학적 코팅제를 이용한 표면처리와 함께 위 방법을 이용할 수 있음은 물론이다.

<실시예 1-4 : 시료처리/분석장치, 바이오칩, 바이오칩용 기판, 시료기판, 시료용기, 유동관>

도 11a, 11b, 11c에서 도시된 바와 같이, 이상에서 언급한 비특이적 결합방지 구조체(4)를 기재 표면(220)에 설치한 상태의 시료처리/분석장치, 바이오칩(bio-chip), 바이오칩용 기판, 시료기판(160), 시료용기(140), 유동관(150)으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

위 바이오칩은 크게 마이크로어레이(microarray)와 마이크로플루이딕스(microfluidics)로 나눌 수 있으며, 이는 DNA 칩, 단백질칩(protein chip), 랩온어칩(lab on a chip), 미세유체칩(micro-fluidic chip), 미세시스템(micro-system) 등을 포함한다.

<실시예 2 : 미세홈의 불규칙 배열>

도 13은 미세홈 불규칙 배열의 일실시예를 도시한 단면사시도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 미세홈(40)은 각각 너비를 달리할 수 있으며, 상대적으로 너비가 넓은 미세홈(40)을 제 1 미세홈(70), 상대적으로 너비가 좁은 미세홈(40)을 제 2 미세홈(72)으로 구성될 수 있다.

이때, 제 1 미세홈(70)과 제 2 미세홈(72)은 규칙적으로 배열될 수도 있고, 도 9에 도시된 바와 같이 불규칙적으로 배열될 수도 있다. 이는 불규칙적으로 촉매가 도포된 실리카 표면에 화학 기상 층착 기술을 이용한 위의 일실험예에서, 실리카 표면에 증착된 카본 나노튜브는 표면에 수직 배향된 나노튜브와 마이크로 크기의 튜브들이 복합적으로 형성된 형태를 보이며, 이로서 미세홈(40)의 너비가 불규칙하고, 배열 또한 불규칙한 복합적인 구조를 가질 때, 초발수 특성에 더 유리하다는 결론에 도달할 수 있다. 결국, 기재(22)의 재질과 시료(20)의 종류 및 검사대상 고분자 입자(11)에 따라 최적의 배열을 선택할 수 있다.

<실시예 3 : 기재>

도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 미세홈이 직접 구성된 기재의 단면도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 기재의 표면(220)은 비특이적 결합방지 구조체(4)를 별도로 구비하여 설치하는 방식 외에, 기재의 표면(220)에 직접 미세홈(40)을 구성할 수 있다.

또한 도 11a, 11b, 11c에 도시된 바와 같이, 위의 표면(220)을 구비한 시료처리/분석장치, 바이오칩, 바이오칩용 기판, 시료기판(160), 시료용기(140) 및 유동관(150)으로 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

또한, 비특이적 결합방지를 위한 방법에 있어서, 표면(220)에 직접 미세홈(40)을 구성하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 위에서 언급한 바와 같이 종래의 화학적 또는 생물학적 코팅제를 이용한 표면처리를 함께 이용하여 비특이적 결합방지를 방지할 수 있다.

<실시예 4 : 미세기둥열(array)>

도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 미세기둥열(array)이 구성된 기재 표면의 단면사시도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 목적은 미세홈(40) 뿐만 아니라 미세기둥열(array, 170)로 구성하여도 달성할 수 있다. 이는 미세기둥열(array, 170)을 통하여서도 기포의 포획을 통한 접촉면적의 감소가 가능하기 때문이다. 이때, 미세기둥열(array, 170)의 수평 단면도 미세홈(40)과 마찬가지로 다양한 형태를 갖는 것이 가능하다. 즉, 원형, 삼각형, 사각형 등 다양한 2차원 형태도 가능하고, 상면이 직선, V형, interdigitated 형, 시료(20)의 유동방향과 직교, 사선형 등의 1차원 형태도 가능하다. 특히 1차원 형태를 구현하는 경우에는 기재 바닥면에서부터 점진적으로 두께가 얇아지는 형태를 띄게 될 것이다. 결국 이러한 형태의 결정은 본 발명의 이용방법과 시료의 종류에 따라 달라질 것이다. 미세기둥열(array, 170)의 사이사이에 기포가 용이하게 포획될 수 있어야 하기 때문이다.

이상에서 언급한 기재(22), 미세홈(40)의 모양 및 형태, 미세홈(40)의 배열, 시료의 종류는 도면에 한정되지 않으며, 시료의 종류와 기구 및 장치의 용도별 변화에 따라 기포(46)를 포획할 수 있는 최적의 상태로 결정됨이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

4: 비특이적 결합방지 구조체
10: 단백질
11: 고분자 입자
13: 소수성
15: 친수성
20: 시료
22: 기재
30: 코팅제
40: 미세홈
42: 슬립
44: 본체
46: 기포
70: 제 1 미세홈
72: 제 2 미세홈
140: 시료용기
150: 유동관
160: 시료기판
170: 미세기둥열
220: 기재 표면
222: 비특이적 결합방지 구조체가 설치된 상태의 표면

Claims (26)

1. 고분자 시료와 접촉하는 기재의 표면과 상기 고분자 시료와의 비특이적 결합을 방지하기 위한 방지구조체에 있어서,
   상기 기재의 표면에 설치되고, 판상 박막 형태의 본체; 및
   상기 본체에 구비되고, 상기 고분자 시료와의 접촉면에 형성되는 복수개의 미세홈;
   을 포함하고,
   상기 미세홈에는 기포가 포획되며,
   상기 기포가 상기 미세홈 내에 포획되기 위하여 상기 미세홈의 도입구의 너비는 1nm 이상 1,000μm 미만인 비특이적 결합방지 구조체.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기재는 금속 계열, 실리카 계열 및 합성수지 계열 중 적어도 하나인 비특이적 결합방지 구조체.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 미세홈의 깊이방향은 상기 기재의 평면방향과 직교하는 방향으로 구성되는 비특이적 결합방지 구조체.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 미세홈의 도입부 횡단면은 원형, 삼각, 사각 또는 육각 중 어느 하나의 형태를 갖는 비특이적 결합방지 구조체.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 미세홈의 도입부 횡단면은 직선, 곡선 중 어느 하나의 형태를 갖는 비특이적 결합방지 구조체.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 본체에서 미세홈이 없는 부분에는 경사면을 구성하는 비특이적 결합방지 구조체.
   
8. 제 1항에 있어서,
   각각의 상기 미세홈은 상대적으로 너비가 넓은 복수개의 제 1 미세홈과 상대적으로 너비가 좁은 복수개의 제 2 미세홈으로 구성되고,
   상기 제 1 미세홈과 상기 제 2 미세홈은 불규칙적으로 배열되는 비특이적 결합방지 구조체.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 미세홈이 규칙적으로 배열되는 비특이적 결합방지 구조체.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 미세홈의 배열방식은 이사정계, 사방정계, 육방정계, 직방정계 및 정사각정계 중 어느 하나인 비특이적 결합방지 구조체.
    
11. 제 1항에 있어서,
    상기 미세홈이 무작위로 배열되는 비특이적 결합방지 구조체.
    
12. 제 1항에 있어서,
    각각의 상기 미세홈의 이격거리는 1nm 이상 1,000μm 미만인 비특이적 결합방지 구조체.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 미세홈 대신에 미세기둥열(array)을 포함하는 비특이적 결합방지 구조체.
    
14. 고분자 시료와 접촉하고, 상기 고분자 시료와의 비특이적 결합을 방지하기 위한 기재에 있어서,
    제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체가 상기 고분자 시료와 접촉하는 면에 설치되는 기재.
    
15. 고분자 시료와 접촉하고 상기 고분자 시료와의 비특이적 결합을 방지하기 위한 기재에 있어서,
    제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체와 같은 형태를 갖는 복수개의 미세홈이 상기 고분자 시료와의 접촉면에 구비되는 기재.
    
16. 고분자 시료와 접촉하는 기재의 표면과 상기 고분자 시료와의 비특이적 결합을 방지하기 위한 방법에 있어서,
    복수개의 미세홈을 판상 박막의 형태를 가진 본체에 제작하여 제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 제작하는 단계; 및
    상기 비특이적 결합방지 구조체를 상기 기재의 표면에 설치하는 단계를 포함하는 비특이적 결합 방지방법.
    
17. 고분자 시료와 접촉하는 기재의 표면과 상기 고분자 시료와의 비특이적 결합을 방지하기 위한 방법에 있어서,
    제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체와 같은 형태를 갖는 복수개의 미세홈이 상기 기재의 표면에 제작되는 단계를 포함하는 비특이적 결합 방지방법.
    
18. 반응 용액 내에서 생체분자의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 반응에 따른 전기적 변화 또는 형광발생을 검출하는 바이오칩용 기판에 있어서,
    제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체를 포함하는 바이오칩용 기판.
    
19. 삭제
20. 반응 용액 내에서 생체분자의 생물학적, 생화학적 또는 화학적 반응에 따른 전기적 변화 또는 형광발생을 검출하는 바이오칩에 있어서,
    제 18항에 따른 바이오칩용 기판;
    을 포함하는 바이오칩.
    
21. 내부에 시료가 수용되는 수용공간;
    상기 수용공간을 감싸고 있는 용기본체;
    상기 수용공간에 연결되고, 상기 용기본체의 일측에 구비되는 시료도입구; 및
    상기 용기본체 내면에 설치되는 제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체;
    를 포함하는 시료용기.
    
22. 내부에 시료가 수용되는 수용공간;
    상기 수용공간을 감싸고 있는 용기본체; 및
    상기 수용공간에 연결되고, 상기 용기본체의 일측에 구비되는 시료도입구;
    를 포함하고,
    상기 용기본체의 내면은 제 15항에 따른 기재로 구성되는 시료용기.
    
23. 내부에 시료가 이동하는 유동공간;
    상기 유동공간을 감싸고 있고, 양단은 개방되는 원통형의 유동관본체; 및
    상기 유동관본체의 내면에 설치되는 제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체;
    를 포함하는 유동관.
    
24. 내부에 시료가 이동하는 유동공간;
    상기 유동공간을 감싸고 있고, 양단은 개방되는 원통형의 유동관본체;
    를 포함하고,
    상기 유동관본체의 내면이 제 15항에 따른 기재로 구성되는 유동관.
    
25. 판상의 형태로 구성되고, 상면에 시료가 도포되는 시료기판본체; 및
    상기 시료기판본체의 상면에 설치되는 제 1항에 따른 비특이적 결합방지 구조체;
    를 포함하는 시료기판.
    
26. 판상의 형태로 구성되고, 상면에 시료가 도포되는 시료기판본체;
    를 포함하고,
    상기 시료기판본체의 상면이 제 15항에 따른 기재로 구성되는 시료기판.

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