KR101577524B1 - 선택적 이온 투과형 마이크로 포어 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단백질 농축을 위한 마이크로포어 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 포어 소자는 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(micorpore)를 포함하는 선택적 이온 투과층; 상기 선택적 이온 투과층의 상부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층; 및 상기 선택적 이온 투과층의 하부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 하부 레저버(reservoir)가 형성되는 하부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 포함한다.

Description

선택적 이온 투과형 마이크로 포어 소자 및 그 제조 방법{ION SELECTIVE MICROPORE DEVICE AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 단백질 농축을 위한 선택적 이온 투과형 마이크로 포어 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현대의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서 미래의학은 치료의학 중심이 아니라, 예방의학(Preventive Medicine), 예측의학(Predictive Medicine), 맞춤의학(Personalized Medicine)의 3P를 구현하는 것으로 패러다임이 변화하고 있다. 이를 구체적으로 실현하기 위해서는 질병의 조기발견 및 조기 치료 등이 매우 중요한 수단이 되고 있으며, 이를 위한 수단으로서 바이오마커(biomarker)에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.

바이오마커는 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말한다.

바이오마커에는 핵산 DNA, RNA(유전자), 단백질, 지방질, 대사물질 등과 그 패턴의 변화 등이 이용되고 있다. 즉, 당뇨병의 진단을 위한 혈중 포도당 같은 간단한 물질부터 글리벡의 치료 타겟인 만성골수성백혈병의 BCR-ABL 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.

DNA(Deoxyribonucleic Acid)는 핵내에 존재하는 유전자 물질이며, 유전자는 생물체가 생성하는 단백질의 종류를 결정해주는 화학 정보가 저장된 곳이다. 인체를 구성하는 정보들은 DNA를 분석함으로써 파악할 수 있으며, 질병의 예방 및 치료를 위하여 다양한 DNA 분석 기법이 연구 개발 및 활용되고 있다. DNA를 이용하여 질병을 분석하기 위해서는 PCR(Polymerase Chain Reaction)이라는 유전자 증폭기술을 사용하고 있다. PCR은 DNA의 이중나선을 연속적으로 분리시켜 생긴 단일가닥을 새로운 이중나선을 만드는 원본으로 사용하기 위하여 열에 안정한 DNA 중합효소로 가열 및 냉각을 반복하는 것으로서, 우선 DNA에 열을 가하여 2개의 사슬로 나눈다. 이것에 '프라이머(primer)'라고 하는 짧은 DNA를 추가하여 냉각하면 프라이머가 DNA에 결합하게 된다. 이것에 DNA 폴리머라아제(Polymerase)라는 효소를 더하면 프라이머 부분이 출발점이 되어 DNA가 복제된다. 이 '가열 및 냉각'이라고 하는 1사이클로 DNA는 2배가 된다. 이것을 수십 회 반복하면 약 1시간에 DNA는 수십억 배로 불어난다.

단백질(protein)은 아미노산(amino acid)이라고 하는 비교적 단순한 분자들이 연결되어 만들어진 복잡한 분자로, 대체적으로 분자량이 매우 큰 편이다. 단백질을 이루고 있는 아미노산에는 약 20 종류가 있는데, 이 아미노산들이 화학결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)를 만든다. 이때 아미노산들의 결합을 펩티드결합이라 하며, 이러한 펩티드결합이 여러(poly-)개 존재한다는 뜻에서 폴리펩티드라 부른다. 넓은 의미에서 단백질도 폴리펩티드라 할 수 있으며, 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩티드라 하고, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 이와 같은 단백질은 생물체의 몸의 구성하는 대표적인 분자이며, 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할과 면역(免疫)을 담당하는 물질이다. 단백질은 이처럼 생체를 구성하고 생체내의 반응 및 에너지 대사에 참여하는 매우 중요한 유기물이다.

상기와 같은 DNA 또는 단백질을 분석하여 암 또는 질병의 발연 및 진행 정도를 파악할 수 있다. 특히 암 등의 난치병 조기진단과 치료를 위해서는 혈액 속에 들어 있는 단백질 중 정상세포가 암세포로 발전하는 초기 단계에서 미세한 변화를 보이는 지표 단백질을 찾아내는 혈액지문분석 기법이 알려져 있다.

혈액지문분석이란, 암의 유무에 따라 인체의 대사 물질들이 변화될 수 있다는데 착안하여, 암환자들의 혈액 내에 존재하는 대사 물질들의 질량분석데이터를 종합적으로 분석해 패턴의 변화추이를 통해 암 발생 여부를 진단하는 기법이다.

그러나 현재 소개되어 있는 단백질 분석을 위한 기술 및 소자들은 나노 기술을 이용함으로써 소자의 제작이 어렵고 비교적 고가이어서 보급화 되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단백질 분석 장치에 고감도의 센서가 필요하거나 적은 샘플로는 정확한 분석이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 선택적 이온투과가 가능한 이온투과막 함침형 마이크로 포어 소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 마이크로 포어에 선택적 이온투과막을 형성함으로써 나노 채널을 사용하지 않더라도 농축 효율이 우수한 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자는 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(micorpore)를 포함하는 선택적 이온 투과층; 상기 선택적 이온 투과층의 상부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층; 및 상기 선택적 이온 투과층의 하부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 하부 레저버(reservoir)가 형성되는 하부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 포함한다.

또한, 상기 마이크로 포어에 함침된 이온투과막은 선택적 이온 투과가 가능한 물질인 나피온(nafion)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로 포어는 상부 개구면이 하부 개구면보다 큰 콘(cone) 모양인 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상부 개구면의 직경은 50μm 내지 1000μm이며, 하부 개구면의 직경은 10μm 내지 500μm 인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로 포어가 형성되는 선택적 이온 투과층은 글래스 기판, PC(polycarbonate), PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 레저버 및 하부 레저버는 외부 전원과 연결할 수 있는 와이어 혹은 반도체 공정을 이용한 박막전극이 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 레저버 및 하부 레저버는 단백질 시료를 수용하며, 상기 와이어를 통해서 상기 상부 레저버 및 하부 레저버 각각 음전극과 양전극이 연결되어 상기 선택적 이온 투과층 양단에 전위차가 발생되며, 상기 레저버에 수용된 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 선택적 이온 투과층을 통과하면서 상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 농축되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 전기적센서, 전기기계적 센서 또는 광학적 센서를 위치시킴으로써 상기 특정 영역에 농축된 단백질을 상기 센서를 통해서 고감도로 감지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이온투과막은 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 상기 마이크로 포어에 함침하고 대략 80℃ 내지 100℃ 에서 가열함으로써 상기 이온투과막이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자 제조 방법은 글래스 기판에 콘(Cone) 모양의 마이크로 포어(pore)를 형성하는 단계; 상기 마이크로 포어에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 함침하는 단계; 상기 마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과 물질을 가열하여 선택적 이온 투과층을 형성하는 단계; 상기 마이크로 포어와 접하는 상부면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 형성하는 단계; 및 상기 마이크로 포어와 접하는 하부면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 형성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과 물질은 나피온(nafion)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 선택적 이온투과가 가능한 물질을 이용하여 이온투과막을 형성함으로써 나노 채널을 사용하지 않더라도 단백질 농축 효율이 매우 우수한 단백질 농축 소자가 제공되는 효과가 있다.

또한, 마이크로 포어를 형성함으로써 소자의 제작이 매우 용이하며 소자의 확장성이 우수하고 활용범위가 매우 넓은 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온투과막이 형성된 마이크로 포어 소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자에서 단백질 시료의 농축을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자를 이용한 단백질 분석을 설명하기 위한 참고도이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자는 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(micorpore)(121)를 포함하는 선택적 이온 투과층(120) 및 선택적 이온 투과층(120)의 상부 및 하부에 각각 형성되고, 결합에 의해 유체를 수용하는 상부 PDMS층(110)과 하부 PDMS층(130)을 포함한다.

상부 PDMS층(110)은 선택적 이온 투과층(120)과 접하는 일면에 상부 레저버(reservior)(111)가 형성되어 있고, 하부 PDMS층(130)은 선택 이온 투과층(120)과 접하는 일면에 하부 레저버(131)가 형성되어 있다. 여기서, 상부 레저버(111)와 하부 레저버(131) 사이에는 선택적 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(121)가 형성되어 마이크로 채널이 형성된다.

본 실시예에서는 마이크로 크기의 포어(120)에 나피온(nafion)과 같은 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 함침하여 선택적 이온투과층을 형성함으로써 나노채널 소자를 사용하지 않고 마이크로 채널 소자를 사용하더라도 나노채널과 동일한 성능 및 효과를 낼 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에서 선택적 이온 투과가 가능한 물질로 나피온(nafion)을 사용하였으나 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, CSH(Cationic selective hydrogel) 또는 ASH(Anionic selective hydrogel) 등의 물질을 적용할 수도 있다. 그러나 본 발명에서는 상기의 물질에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.

도 1에 도시된 바와 같이, 선택적 이온 투과층(120)에는 콘(cone) 모양의 마이크로 포어(121)가 형성되어 있다. 마이크로 포어(121)는 상부 개구면이 하부 개구면보다 큰 콘(cone) 모양이며, 본 발명의 일실시예에 따르면 상부 개구면의 직경은 약 500μm이며, 하부 개구면의 직경은 약 350μm 정도이다.

마이크로 포어(121)에는 선택적 이온 투과 물질을 삽입됨으로써 선택적 이온 투과막이 형성된다. 상기 선택적 이온 투과막은 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다. 예를 들면, 선택적 이온 투과막이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 vehicle mechanism에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 상기 선택적 이온 투과막은 나노채널의 역할을 수행하며, 나노채널의 양전극을 향한 전단부에 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다. 본 발명은 마이크로 크기의 포어에 선택적 이온 투과 물질을 함침시킴으로써 외형적으로는 마이크로 채널을 형성하지만 실질적으로는 나노 채널의 기능을 수행하는 것을 주요한 특징으로 한다.

상기와 같은 마이크로 채널에 혈액 샘플이 투입되면 마이크로 포어의 표면과 혈액 유체가 접촉되어 둘 사이에 서로 다른 성질의 유도 전하가 발생한다. 이와 같이 유체 내에 발생한 유도 전하들이 존재하는 특정한 층을 전기 이중층(EDL: Electric Double Layer)이라고 한다. 이때 마이크로 채널 양단으로 전기장을 걸어주면, 유체내에 존재하는 이온들이 이온들의 전기적 성질과 반대인 전극쪽으로 이끌리게 된다. 이와 같이 이온들이 전기적 성질에 따라서 마이크로 채널 내에서 움직이면서 점성력에 의해 유체 입자들을 같이 이끌고 가게 된다. 따라서 전체적인 유체의 유동이 발생하게 되며, 이와 같은 유체의 이동현상을 전기삼투(EOF: electro-osmosis flow)라고 하고, 이온의 움직임을 전기영동(EP: electrophoresis) 이라 한다.

상기와 같은, 전기영동(Capillary electrophoresis) 및 전기삼투(electro-osmosis)의 특성은 나노채널 근처에서 그 특성이 달라지며 나노채널 혹은 포어(본 발명에서는 선택적 이온 투과막이 함침된 마이크로포어) 근처에서 이온 농도 분극(ion concentration polarization)이 발생하여 나노채널 및 포어를 기준으로 음극쪽에는 농축(enrichment)이 양극쪽에서는 depletion 이 발생하게 된다. 이때, depletion의 낮은 이온농도와 그에 따른 높은 전기장에 의해 depletion zone이 charge를 띈 단백질에 대해 일종의 electric barrier로 작용을 하게 된다. 그 결과 단백질은 depletion zone을 통과하지 못하고 그 앞에 농축된다.

본 발명에서의 선택적 이온 투과층(120)의 상부에는 마이크로 포어(121)와 접하는 일면에 상부 레저버(reservoir)(111)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층(110)이 형성된다.

또한, 선택적 이온 투과층(120)의 하부에는 마이크로 포어(121)와 접하는 일면에 하부 레저버(reservoir)(131)가 형성되는 하부 PDMS(polydimethylsiloxane)층(130)이 형성된다.

상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)에는 분석하고자 하는 단백질 시료가 수용되며, 각각 외부 전원과 연결될 수 있는 와이어(도시하지 않음)가 형성된다. 와이어를 통해서 상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)에는 각각 음전극과 양전극이 연결되어 상기 선택적 이온 투과층 양단에 전위차가 발생된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이온투과막이 형성된 마이크로 포어 소자의 단면을 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 선택적 이온 투과 물질이 함침된 마이크로 포어(121)의 양단에는 상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)가 형성된다. 이때, 선택적 이온 투과막이 함침된 마이크로 포어(121)는 마이크로 채널의 역할을 수행한다. 마이크로 포어의 양 끝단에는 전해질을 수용하는 분리된 유체 저장조인 레저버(111, 131)가 구성된다.

상기 레저버 중 하나(111)에 제1 포텐셜 전압이 놓이고, 다른 레저버(131)에 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 바람직하게는 상부 레저버(111)에는 네거티브 전압이 형성되고, 하부 레저버(131)에는 포지티브 전압이 형성된다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(111, 131)에 인가된 두 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 마이크로 포어(121)를 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다. 이때, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동과 전기영동형 이동도(mobility)는 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성 및 전기영동성 이동도의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 및 전기영동성 속도의 합이다.

한편, 마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과층은 나노채널의 역할을 수행하여 특정 이온들을 선택적으로 매우 빠르게 투과시키고 분석하고자 하는 대상 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 특정 위치에 효율적으로 농축시킬 수 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 포어 소자를 이용한 단백질 농축 과정을 도시한 도면이다.

앞서 설명한 바와 같이, 마이크로 포어 소자(100)는 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(micorpore)를 포함하는 선택적 이온 투과층(120)과, 상기 선택적 이온 투과층의 상부 및 하부에 형성되며 선택적 이온 투과층의 마이크로 포어 양단과 접하는 일면에 상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)가 형성되는 상부 PDMS층(110) 및 하부 PDMS층(130)을 포함한다.

상부 레저버(111) 및 하부 레저버(131)에는 와이어(112, 132) 또는 박막전극을 통해서 외부 전원(150)이 공급된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 20V 정도의 전원이 안정적으로 공급될 수 있도록 백금을 이용하여 전극을 형성한다.

도시된 바와 같이, 외부 전원(150)과 연결됨으로써 상부 레저버(111)에는 제1 포텐셜 전압이 놓이고, 하부 레저버(131)에는 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(111, 131)에 인가된 두 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 선택적 이온 투과막을 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다. 이때, 앞서 설명한 바와 같이, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동과 전기영동형 이동도(mobility)는 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성 및 전기영동성 이동도의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 및 전기영동성 속도의 합이다. 한편, 선택성 이온 투과막은 나노채널의 역할을 수행하여 특정 이온들을 선택적으로 매우 빠르게 투과시키고 분석하고자 하는 대상 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 특정 위치에 효율적으로 농축시킬 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 전기영동(Capillary electrophoresis) 및 전기삼투(electro-osmosis)의 특성은 나노채널 근처에서 그 특성이 달라지며 나노채널 혹은 포어(본 발명에서는 선택적 이온 투과막이 함침된 마이크로포어) 근처에서 이온 농도 분극(ion concentration polarization)이 발생하여 나노채널 및 포어를 기준으로 음극쪽에는 농축이 양극쪽에서는 depletion 이 발생하게 된다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 포어(121)를 기준으로 음극쪽으로는 단백질 농축영역(140)이 형성되고, 양극쪽으로는 depletion 영역(141)이 형성된다. 이때, depletion의 낮은 이온농도와 그에 따른 높은 전기장에 의해 depletion 영역(141)이 charge를 띈 단백질에 의해 일종의 electric barrier로 작용하게 된다. 그 결과 단백질은 depletion 영역(141)을 통과하지 못하고 그 앞의 단백질 농축영역(140)에 농축된다.

따라서 도 4에 도시된 바와 같이, 분석하고자 하는 단백질 입자들이 농축된 마이크로 포어(121)의 하부 특정영역(140)에 플러그(60)를 설치하여 각종 MEMS 센서 또는 플루이딕 센서 등에 농축 플러그를 공급함으로써, 농축된 시료를 감지하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 질량분석기 또는 ESI Spray 등과 연결이 용이하여 다양한 분석장비와 자유롭게 연동할 수 있는 장점이 있다. 또한, 마이크로 포어(121) 외부의 인접한 특정 영역에 전기적 센서, 전기기계적 센서 또는 광학적 센서(170)를 위치시킴으로써 상기와 같이 농축된 단백질을 센서를 통해서 고감도로 감지하는 것도 가능하다.

이하에서는, 마이크로 포어 소자의 제조 방법을 상세히 설명한다.

우선 글래스 기판에 콘(Cone) 모양의 마이크로 포어(pore)(121)를 형성한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 마이크로 포어가 형성되는 기판은 글래스 기판 외에도 PC(Polycarbonate), PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판 등이 될 수도 있다.

상기 마이크로 포어는 상부 개구면의 직경이 하부 개구면의 직경보다 큰 비대칭형 콘(cone) 모양으로 형성된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 마이크로 포어(121)의 직경은 상부 개구면이 약 10μm 내지 500μm이며, 하부 개구면은 약 10μm 내지 350μm 이다.

이후, 상기 마이크로 포어에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 함침한다. 선택적 이온 투과가 가능한 물질은 나피온(nafion) 이외에도 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, 본 발명에서는 이에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.

마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과 물질은 대략 80℃ 내지 100℃에서 가열하여 선택적 이온 투과층(120)을 형성한다.

이후, 선택적 이온 투과층(120)의 마이크로 포어(121)와 접하는 상부면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS층을 형성한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 상부 레저버(111)는 직경 4mm, 두께 5mm 정도로 형성될 수 있으며 부피는 대략 50μl 정도 수용 가능한 크기로 형성된다.

또한, 선택적 이온 투과층(120)의 마이크로 포어(121)와 접하는 하부면에 하부 레저버(reservoir)가 형성되는 하부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 형성한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 하부 레저버(131)는 직경 4mm, 두께 5mm 정도로 형성될 수 있으며 부피는 대략 50μl 정도 수용 가능한 크기로 형성된다.

이때, 상부 레저버 및 하부 레저버는 외부 전원과 연결할 수 있는 와이어 또는 박막 전극이 각각 형성된다.

또한, 도 3에서 도시한 바와 같이, 마이크로 포어(121)의 하부 특정영역(140)에 분석하고자 하는 단백질 입자들이 농축될 수 있으며, 상기 농축영역에 플러그(60)를 설치하여 각종 MEMS 센서 또는 플루이딕 센서 등에 농축 플러그를 공급함으로써, 농축된 시료를 감지하는 것이 가능하다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

100: 마이크로 포어 소자 110: 상부 PDMS층
111, 131: 레저버(reservoir) 121: 마이크로 포어
120: 선택적 이온 투과층 130: 하부 PDMS층
150: 전원 60: 플러그
140: 농축영역 141: depletion 영역
170: 광학적 센서

Claims (15)

1. 이온투과막이 함침된 마이크로 포어(micorpore)를 포함하는 선택적 이온 투과층;
   상기 선택적 이온 투과층의 상부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층; 및
   상기 선택적 이온 투과층의 하부에 형성되고, 상기 선택적 이온 투과층의 상기 마이크로 포어와 접하는 일면에 하부 레저버가 형성되는 하부 PDMS층을 포함하며,
   상기 상부 레저버 및 하부 레저버에는 외부 전원과 연결할 수 있는 와이어 혹은 반도체 공정을 이용한 박막전극이 각각 구비되고,
   상기 상부 레저버 및 하부 레저버는 단백질 시료를 수용하며, 상기 와이어를 통해서 상기 상부 레저버 및 하부 레저버에 각각 음전극과 양전극이 연결되어 상기 선택적 이온 투과층 양단에 전위차가 발생되며,
   상기 상부 레저버 및 하부 레저버에 수용된 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 선택적 이온 투과층을 통과하면서 상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 농축되고,
   상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 전기적센서, 전기기계적 센서, 또는 광학적 센서를 위치시킴으로써 상기 특정 영역에 농축된 단백질을 상기 센서를 통해서 고감도로 감지하는 마이크로 포어 소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 포어에 함침된 이온투과막은 선택적 이온 투과가 가능한 물질인 나피온(nafion)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 포어는 상부 개구면이 하부 개구면보다 큰 콘(cone) 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 마이크로 포어의 상부 개구면의 직경은 50μm 내지 1000μm이며, 하부 개구면의 직경은 10μm 내지 500μm 인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 마이크로 포어가 형성되는 선택적 이온 투과층은 글래스 기판, 플라스틱 기판 또는 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
   
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9. 제1항에 있어서,
   상기 이온투과막은 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 상기 마이크로 포어에 함침하고 소정 온도에서 가열함으로써 상기 이온투과막이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 소정 온도는 80℃ 내지 100℃ 인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자.
    
11. 글래스 기판에 콘(Cone) 모양의 마이크로 포어(pore)를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 포어에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 함침하는 단계;
    상기 마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과 물질을 가열하여 선택적 이온 투과층을 형성하는 단계;
    상기 마이크로 포어와 접하는 상부면에 상부 레저버(reservoir)가 형성되는 상부 PDMS(polydimethylsiloxane)층을 형성하는 단계; 및
    상기 마이크로 포어와 접하는 하부면에 하부 레저버가 형성되는 하부 PDMS층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 상부 레저버 및 하부 레저버에는 외부 전원과 연결할 수 있는 와이어 혹은 반도체 공정을 이용한 박막전극이 각각 구비되고,
    상기 상부 레저버 및 하부 레저버는 단백질 시료를 수용하며, 상기 와이어를 통해서 상기 상부 레저버 및 하부 레저버에 각각 음전극과 양전극이 연결되어 상기 선택적 이온 투과층 양단에 전위차가 발생되며,
    상기 상부 레저버 및 하부 레저버에 수용된 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 선택적 이온 투과층을 통과하면서 상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 농축되고,
    상기 마이크로 포어 외부의 인접한 특정 영역에 위치된 전기적센서, 전기기계적 센서, 또는 광학적 센서를 통해서 상기 특정 영역에 농축된 단백질이 고감도로 감지되는 마이크로 포어 소자 제조 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 포어에 함침된 선택적 이온 투과 물질은 나피온(nafion)인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자 제조 방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 포어는 상부 개구면이 하부 개구면보다 큰 콘(cone) 모양인 것을 특징으로 하는 마이크로 포어 소자 제조 방법.
    
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