KR101634553B1 - 통합형 pc 마이크로 디바이스, 그 제조방법 및 이를 이용한 연속적 dna 정제-증폭 방법 - Google Patents

통합형 pc 마이크로 디바이스, 그 제조방법 및 이를 이용한 연속적 dna 정제-증폭 방법 Download PDF

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Abstract

통합형 PC 마이크로 디바이스, 그 제조방법 및 이를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스는 폴리카보네이트로 형성되는 제1 기판; 폴리카보네이트로 형성되어 제1 기판과 본딩되는 것으로, 표면에 마이크로 채널이 새겨진 제2 기판을 포함하고, 마이크로 채널은 DNA 정제가 수행되는 제1 채널과, 제1 채널과 유체의 흐름방향으로 연결되어 PCR 증폭이 수행되는 제2 채널을 포함하며, 제1 채널로 주입된 샘플유체가 상기 제1 채널을 거치면서 DNA 정제되고, 제2 채널을 거치면서 PCR 증폭된다.

Description

통합형 PC 마이크로 디바이스, 그 제조방법 및 이를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법{INTEGRATED POLYCARBONATE MICRODEVICE, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND METHOD OF SEAMLESS PURIFICATION AND AMPLIFICATION OF DNA USING THEREOF}
본 발명은 PC 마이크로 디바이스, 그 제조방법 및 이를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 DNA 정제 및 증폭이 연속적으로 수행되는 통합형 PC(폴리카보네이트) 마이크로 디바이스, 그 제조방법, 그리고 상기 통합형 PC 마이크로 디바이스를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법에 관한 것이다.
유체 기술과 MEMS(micro-electromechanical system)를 이용한 미세가공기술을 기존의 질병 분석, 진단용 칩 기술에 접목시키고자 하는 시도가 많이 이루어지고 있으며, 적은 양의 액체 시료(샘플 유체)를 단일 칩에서 다룰 수 있도록 시료분석에 필요한 모든 구성요소를 소형화 및 집적화하여 마이크로 디바이스(랩온어칩, lab-on-a-chip)을 구현하고 있다.
이러한 마이크로 디바이스의 제조에 있어 폴리카보네이트(polycarbonate, 이하 PC)는 유리를 빠르게 대체해 나가고 있다. PC는 높은 투명도, 저비용, 높은 내충격성(high impact resistance)을 가질 뿐만 아니라 경량 소재이기 때문이다. 특히 PC는 생체 적합성이 우수하고 상대적으로 높은 유리전이온도(glass transition temperature, Tg, 145℃)를 가지므로 PCR(polymerase chain reaction, 중합효소연쇄반응) 유닛에 많이 활용되고 있다. PCR은 95℃ 가량의 높은 온도에서 써멀사이클링(thermal cycling)이 반복 수행되기 때문이다.
문제는 PC 마이크로 디바이스를 제작할 때 복수의 PC 기판을 접합하는 과정에 있다. 기판의 본딩 방법으로는 주로 열본딩(thermal bonding)이 사용된다. 열본딩은 높은 압력(일반적으로 1.2MPa 내지 6.9MPa)하에서 기판소재의 유리전이온도에 근접한 온도로 가열함으로써 이루어지는 것이 일반적이다. 그런데 열본딩은 공정이 매우 간단함에도 불구하고 상대적으로 높은 온도 및 압력 조건 하에서 이루어지므로, PC 마이크로 디바이스 제조시에는 부적합하다. PC 기판의 열본딩 과정에서 기판 내부에 형성된 마이크로 채널이 변형되거나 파손될 가능성이 높기 때문이다.
L.Y.L. Wu, L.Boon, Z.Chen, X.T.Zeng, Adhesion enhancement of sol-gel coating on polycarbonate by heated impregnation treatment, The Solid Films 517(2009), pp.4850-4856
본 발명은 내부에 주입되는 샘플유체의 DNA를 정제하고 PCR 증폭하는 과정이 하나의 단일 마이크로디바이스에서 연속적으로 수행될 수 있는 통합형 PC 마이크로 디바이스를 제공하고자 한다.
또한, 상대적으로 간단하면서도 마이크로 채널의 변형이나 파손이 없는 PC 마이크로 디바이스 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 샘플유체의 DNA를 정제하고 PCR 증폭하는 과정이 연속적으로 이루어져 총 반응 시간 및 공정을 줄일 수 있는 DNA 정제-증폭 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 폴리카보네이트로 형성되는 제1 기판; 폴리카보네이트로 형성되어 상기 제1 기판과 본딩되는 것으로, 표면에 마이크로 채널이 새겨진 제2 기판을 포함하고, 상기 마이크로 채널은 DNA 정제가 수행되는 제1 채널과, 상기 제1 채널과 유체의 흐름방향으로 연결되어 PCR 증폭이 수행되는 제2 채널을 포함하며, 상기 제1 채널의 내부면은 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(ABPTMS)으로 졸-겔 코팅되어 친수성으로 개질된 후, 카오트로픽 염 또는 양이온을 제공 가능한 염 용액으로 표면 처리되어 양이온 브릿지가 형성되고, 상기 제1 널로 주입된 샘플유체가 상기 제1 채널을 거치면서 DNA 정제되고, 상기 제2 채널을 거치면서 PCR 증폭되는 통합형 PC 마이크로 디바이스가 제공될 수 있다.
삭제
또한, 상기 마이크로 채널의 제1 채널은 복수개의 유로가 소정 간격을 두고 가로 방향으로 평행 배치되고, 제2 채널은 복수개의 유로가 소정 간격을 두고 세로 방향으로 평행 배치되어 상기 마이크로 채널이 전체적으로 서펜틴 형태를 가지며, 상기 제1 채널의 출구단이 상기 제2 채널의 입구단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1 채널의 입구단에 연결되어 샘플유체를 유입시키는 입구도관과, 상기 제2 채널의 출구단과 연결되어 상기 샘플유체를 유출시키는 출구도관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 채널은 제1 구역과 제2 구역을 포함하고, 상기 제1 구역 및 제2 구역은 서로 상이한 온도로 유지될 수 있다.
또한, 상기 제2 기판 하부에 배치되는 히터를 더 포함하고, 상기 히터는 상기 제1 구역 및 제2 구역을 서로 상이한 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 폴리카보네이트로 형성되는 제1 기판과, 폴리카보네이트로 형성되고 마이크로 채널이 새겨진 제2 기판을 마련하는 단계; 상기 제1 기판 및 제2 기판의 표면 - 상기 마이크로 채널을 포함함 - 을 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(ABPTMS)의 에탄올 용액으로 졸-겔 코팅하는 단계; 상기 마이크로 채널이 내측에 오도록 상기 제1 기판과 제2 기판을 접합한 후에, 가열 및 가압하여 상기 제1 기판 및 제2 기판을 본딩하는 단계; 및 상기 마이크로 채널의 일부분을 카오트로픽 염 또는 양이온을 제공 가능한 염 용액으로 표면 처리하여 양이온 브릿지를 형성시키는 단계를 포함하는 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 본딩시키는 단계에서 상기 가열 조건은 125℃ 내지 130℃이고, 가압조건은 0.05MPa 내지 0.15MPa일 수 있다.
또한, 상기 ABPTMS의 에탄올 용액의 농도는 5%(v/v) 내지 50%(v/v)이고, 상기 가열 및 가압은 20분 내지 40분 동안 행해질 수 있다.
또한, 상기 제1 기판 및 제2 기판은 졸-겔 코팅 이후에 산소 플라즈마로 표면 처리되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 통합형 PC 마이크로 디바이스를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법에 있어서, (1) 샘플유체를 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 샘플유체 내의 DNA를 상기 제1 채널 표면에 부착시키는 단계; (2) 용리액을 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 부착된 DNA를 용리시키는 단계; 및 (3) 용리된 DNA를 상기 마이크로 채널의 제2 채널에 주입하여 PCR을 수행하는 단계를 포함하는 연속적 DNA 정제-증폭 방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 단계 (2)의 상기 용리액은 반응 버퍼, dNTPs, Taq 중합효소 및 프라이머를 포함하는 PCR 시약이고, 상기 PCR 시약을 상기 단계 (3)에서 중복 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 (1)과 (2) 사이에 BSA(소혈청 알부민) 용액을 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 제1 채널의 내부 표면을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예들에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스는 DNA 정제와 PCR 증폭을 끊김없이 연속적으로 수행 가능하므로 복잡한 밸브 콘트롤 장치 등이 필요하지 않는 바, 전체 시스템을 단순화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법은 PC 기판을 ABPTMS를 통해 본딩함으로써, 상대적으로 저온 및 저압 조건 하에서 PC 마이크로 디바이스를 제조 가능하다. 따라서 제조 과정에서 마이크로 채널이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.
나아가 본 발명의 실시예들에 따른 DNA 정제-증폭 방법은 통합형 PC 마이크로 디바이스 내에서 연속 수행되므로, 전체 반응시간을 크게 단축시킬 수 있어 샘플유체의 오염을 방지할 수 있다.
또한, PCR 시약을 용리액으로 사용하여 DNA 정제 및 증폭에 중복적으로 이용함으로써, 전체 과정을 단순화 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 통합형 PC 마이크로 디바이스에서 마이크로 채널의 형태만을 따로 도시한 도면이다.
도 3은 제1,2 기판이 ABPTMS를 통해 접합 및 본딩되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 물 접촉각 측정 결과를 나타내는 그래프다.
도 5는 축합 시간에 따른 접촉각 변화 및 표면 변화를 나타내는 이미지다.
도 6은 XPS 결과를 나타내는 그래프다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1의 FE-SEM 이미지다.
도 8은 PC-PC 구조체의 본딩 강도 측정 및 누설 시험과 관련된 이미지다.
도 9는 온-칩 DNA 정제 결과를 보여주는 이미지 및 도면이다.
도 10은 온-칩 흐름-구동 PCR 결과를 나타내는 이미지다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스(100, 이하 PC 마이크로 디바이스)를 개략적으로 도시한 도면이다.
PC 마이크로 디바이스(100)는 내부로 도입된 샘플유체의 DNA를 정제하고, 이어 PCR 증폭시킨다. 즉 DNA의 정제 및 증폭이 끊김 없이 연속적으로 이루어진다. 본 명세서에서 "샘플유체"는 시험 샘플들(예컨대 DNA 주형, PCR 시약 등)이 혼합되어 있는 시약 일반을 의미한다. 샘플유체의 형태는 샘플 플러그(sample-plug)일 수 있다.
도 1을 참조하면, PC 마이크로 디바이스(100)는 폴리카보네이트(Polycarbonate, 이하 PC로 약칭함)로 형성되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 포함한다. 제1 기판(110)과 제2 기판(120)의 일면이 상호 접합 및 본딩되어 구조체를 형성하며, 본 명세서에서는 상기 구조체를 "PC-PC 구조체"라 칭하기로 한다.
제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)에는 마이크로 채널이 형성된다. 도 1에서는 제2 기판(120)에 마이크로 채널(121)이 형성된 경우를 도시하고 있다. 마이크로 채널(121)은 내부에는 샘플유체가 흐르는 유로로 기능하며, 마이크로 채널(121)을 따라 샘플유체는 연속적으로 DNA 정제 및 PCR 증폭된다.
마이크로 채널(121)의 폭(width)이나 깊이(depth)는 특정되지 않는다. 예를 들어, 마이크로 채널(121)의 폭 또는 깊이는 각각 수십 내지 수백 마이크로미터의 크기를 가질 수 있다. 마이크로 채널(121)은 서펜틴(serpentine) 형태를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 다른 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
마이크로 채널(121)의 내부면은 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(이하, ABPTMS)으로 졸-겔 코팅되어 친수성으로 개질된다. 마이크로 채널(121)의 내부면이 친수성으로 개질된 후에 양이온을 제공할 수 있는 염 용액 또는 카오트로픽 염(무질서 염)으로 표면처리하면 양이온 브릿지를 형성하게 되므로 마이크로 채널(121)에서의 DNA 정제가 이루어질 수 있다.
즉 마이크로 채널(121)을 흐르는 샘플유체에서 DNA만을 마이크로 채널(121)의 표면에 전기적으로 부착시키고 불순물들은 계속 흘러보낼 수 있다. 이와 관련해서는 후술할 PC 마이크로 디바이스의 제조방법에 대한 기재에서 구체적으로 설명하도록 한다.
PC 마이크로 디바이스(100)는 샘플유체를 마이크로 채널(121)로 주입시키거나 유출시키는 입출구도관(130)을 포함한다. 입출구도관(130)은 마이크로 채널(121)의 일단과 연결되도록 마련되는 입구도관(131)과 마이크로 채널(121)의 타단과 연결되도록 마련되는 출구도관(132)을 포함한다.
입출구도관(130)은 실리콘 튜브(silicone tube)로 형성될 수 있다. 그리고 입구도관(131) 및 출구도관(132)을 마이크로 채널(121)과 연결하기 위해 제1,2 기판(110,120)에는 삽입구(미표기)가 마련될 수 있다. 삽입구는 입구도관(131)과 출구도관(132)이 각각 삽입될 수 있도록 한 쌍이 마련될 수 있다. 입출구도관(130)의 길이, 직경 등은 특정되지 않는다.
샘플유체는 입구도관(131)을 통해 마이크로 채널(121)로 주입된다. 그리고 마이크로 채널(121)을 따라 흐르면서 DNA 정제 및 PCR 증폭되고 출구도관(132)을 통해 마이크로 채널(121)로부터 유출된다. 샘플유체의 주입은 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 시린지 펌프(syringe pump) 등이 이용될 수 있다.
PC 마이크로 디바이스(100)는 마이크로 채널(121)의 일부분을 가열하기 위해 PC-PC 구조체의 하부에 마련되는 히터(140)를 더 포함할 수 있다. 히터(140)는 PC-PC 구조체 하부면의 일부분만을 가열하도록 배치될 수 있다(도 1 참고). 히터(140)에 의한 가열은 PCR 증폭에서만 요구되기 때문이다. 구체적으로 히터(140)는 PC 마이크로 디바이스(100) 내의 마이크로 채널(121) 중 DNA 증폭(PCR)이 수행되는 부분에 대응하여 배치될 수 있다(도 2 참고).
이러한 히터(140)는 PCR 마이크로 디바이스에서는 일반적인 것으로, 예컨대 금속 가열 블록(일반적으로 구리), 박막 히터, 적외선 장치, 할로겐 램프, 마이크로웨이브, 백금 레지스터 또는 유도 가열장치 등 공지의 가열 수단 등이 히터(140)로 기능할 수 있다.
도 2는 도 1의 PC 마이크로 디바이스(100)에서 마이크로 채널(121)의 형태만을 따로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면 마이크로 채널(121)은 제1 채널(121a)과 제2 채널(121b)을 포함한다. 제1 채널(121a)에서는 DNA 정제가 수행되며, 제2 채널(121b)에서는 DNA 증폭(PCR)이 수행된다.
제1 채널(121a)은 입구단이 입구도관(131)과 연결되는 채널로 도 2를 기준으로 할 때 마이크로 채널(121)의 하부 영역에 위치한다. 제2 채널(121b)은 출구단이 출구도관(132)과 연결되는 채널로 도 2를 기준으로 할 때 마이크로 채널(121)의 상부 영역에 존재한다.
제1,2 채널(121a,121b)은 서로 소정 간격 이격되어 형성되고, 제1 채널(121a)과 제2 채널(121b)의 경계에서 서로 연결된다. 즉 제1 채널(121a)의 출구단이 제2 채널(121b)의 입구단과 연결되고, 상기 연결 부위는 제1,2 채널(121a,121b)의 경계에 위치한다. 따라서 입구도관(131)으로 유입된 샘플유체는 제1 채널(121a)을 거쳐 DNA 정제된 후에 이어서 제2 채널(121b)을 거쳐 DNA 증폭되고(PCR 수행) 출구도관(132)으로 유출된다.
마이크로 채널(121)은 서펜틴 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 여기에서 서펜틴 형태는 소위 "뱀이 똬리를 튼 형상"과 같이 유로가 구불구불한 형태를 의미한다. 예를 들면 도 2에 도시된 것처럼 제1 채널(121a)은 복수개의 유로가 소정 간격(수 마이크로 크기)을 두고 가로 방향으로 평행 배치되고, 제2 채널(121b)은 복수개의 유로가 소정 간격을 두고 세로 방향으로 평행 배치될 수 있다. 이 때 상기 복수개의 유로는 하나의 유로 단부가 인접한 다른 하나의 유로 단부와 연결되는 형태다. 따라서 제1 채널(121a)을 따라 흐르는 유체는 좌우 방향으로 왔다 갔다 하고, 제2 채널(121b)을 따라 흐르는 유체는 상하 방향으로 오르락 내리락 하면서 유체의 진행방향을 따라 흐를 수 있다.
한편, 일반적으로 PCR을 이용한 DNA 증폭에서는 열변성(denaturation), 결합(annealing) 및 신장(extension) 단계에 맞는 온도가 각각 요구된다(즉 각 단계별로 하나씩, 총 3개의 온도 구역이 존재함). 표적 앰플리콘(amplicon)의 크기가 300bp 미만인 경우에는 결합/신장 단계가 동일 온도에서 수행될 수도 있다.
그러므로 본 실시예에서 PCR이 수행되는 제2 채널(121b)은 적어도 두 개의 서로 다른 온도 구역을 포함한다. 구체적으로 제2 채널(121b)은 열변성 단계가 수행되는 제1 구역(도 2에서 A로 표기함)과, 결합/신장 단계가 수행되는 제2 구역(도 2에서 B로 표기함)을 포함한다.
제1 구역(A)과 제2 구역(B)은 히터(140, 도 1 참고)에 의해 가해지는 온도가 다른 구역에 해당하는 것으로, 제2 채널(121b)의 특정 구역을 가리키는 것은 아니다. 즉 히터(140)의 위치나 온도 조정 등에 따라 제1,2 구역(A,B)의 위치는 달라질 수 있다.
예컨대 도 2에서는 제2 채널(121b)의 전단부(도 2에서 상대적으로 상측)를 제1 구역(A)으로 표기하고, 중후단부(도 2에서 상대적으로 하측)를 제2 구역(B)으로 표기한다. 이 때 제1 구역(A)과 제2 구역(B)의 하부에는 서로 다른 온도로 가열되는 히터(140, 도 1 참고)가 배치될 수 있으며, 제1 구역(A)과 제2 구역(B) 사이의 구역은 주위 온도(ambient temperature)를 가질 수 있다. 다시 말하면 제1 구역(A)은 하부에 배치된 히터에 의해 열변성 단계에 해당하는 온도로 유지되고, 제2 구역(B)은 하부에 배치된 히터에 의해 결합/신장 단계에 해당하는 온도로 가열될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 PC 마이크로 디바이스는 DNA 정제와 PCR 증폭을 끊김 없이(즉, 이음매 없이) 연속적으로 수행할 수 있다. 따라서 DNA 정제 시스템과 DNA 증폭 시스템이 별개로 존재할 때에 요구되는 복잡한 밸브 콘트롤 장치 등이 요구되지 않아, 전체 시스템을 단순화 시킬 수 있다.
본 발명은 PC 마이크로 디바이스 제조방법을 추가적으로 제공한다. PC 마이크로 디바이스 제조방법은 상술한 PC 마이크로 디바이스를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이하에서 구체적으로 설명한다. PC 마이크로 디바이스의 구성과 관련된 설명은 이미 하였으므로 중복 설명은 생략하고, 앞서 설명한 것과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PC 마이크로 디바이스 제조방법은 우선 폴리카보네이트(이하, PC)로 형성되는 제1 기판(110)과 PC로 형성되고 마이크로 채널(121)이 새겨진 제2 기판(120)을 마련한다.
마이크로 채널(121)은 PC 기판에 CNC(computer numerical control) 밀링 머신을 이용하여 음각으로 새길 수 있다. 예컨대 기 설정된 패턴(예를 들면 도 2에 도시된 것과 같은 채널 패턴)에 따라 CNC 밀링 머신을 이용해 PC 기판 상에 마이크로 채널(121)을 새길 수 있다.
제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 마련한 후에는 제1,2 기판(110,120)의 표면을 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(이하, ABPTMS)으로 졸-겔 코팅한다. 졸-겔 코팅이 끝나면, 마이크로 채널(121)이 내측에 오도록 제1,2 기판(110,120)을 접합한 후에 가열 및 가압하여 제1,2 기판(110,120)을 본딩하여 PC-PC 구조체를 형성한다.
이하에서는 ABPTMS의 졸-겔 코팅 및 제1,2 기판(110,120)의 본딩 과정에 대해 구체적으로 설명한다.
도 3은 제1,2 기판(110,120)이 ABPTMS를 통해 접합 및 본딩되는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다. 설명의 편의를 위해 도 3에서는 도 1,2와는 달리 마이크로 채널(121)을 단순한 형태로 도시하였다.
도 3을 참조하면, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 표면에 ABPTMS가 졸-겔 코팅되고, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)의 접합은 상기 ABPTMS의 중합 및 축합 반응을 통해 이루어질 수 있다.
ABPTMS는 폴리카보네이트(Polycarbonate, 이하 PC)로 형성되는 기판의 표면과 우레탄 결합을 형성함으로써 상기 기판의 표면을 친수성으로 개질시키는 기능을 하며, 중합 및 축합 반응을 통해 양 기판에 존재하는 ABPTMS가 실록산 결합을 형성함으로써 두 기판을 본딩시키는 기능을 한다. 특히 상기 두 기판의 본딩은 ABPTMS를 통해 상대적으로 저온 및 저압 조건에서 이루어질 수 있다.
플라스틱(특히 PC)의 표면 개질과 관련하여 (3-아미노프로필)트리에톡시실란(이하, APTES)을 표면에 코팅하는 방법이 공지된 바 있다. 그러나 본 발명과 같이 ABPTMS를 이용하여 PC 기판을 졸-겔 코팅하는 경우에는 APTES를 사용하는 경우보다 신속한 중합 및 축합 반응이 일어나고, 그 결과 보다 활발한 결합 반응이 일어난다(실록산 결합). 따라서 상대적으로 저온 및 저압 조건에서도 두 개의 PC 기판을 상대적으로 용이하게 본딩할 수 있다. 다시 말하면 APTES를 코팅할 때의 온도 및 압력 조건보다 낮은 온도 및 압력 조건에서 기판의 본딩이 가능하다.
전술한 바 있듯이 APTES를 코팅하여 PC 기판을 본딩할 때에는 상대적으로고온 및 고압 조건 하에서 이루어지므로, 본딩 과정 중에 기판에 형성되어 있는 마이크로 채널이 변형되거나 파손될 우려가 있는데, 본 발명에서는 그러한 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 게다가 APTES는 단독 성분이 아님에 반해, ABPTMS는 단독 성분이다. 즉 APTES를 이용하여 졸-겔 코팅을 하는 경우에는 APTES 이외에도 다른 화학물질이 요구되는 반면에, 본 발명과 같이 ABPTMS를 이용하여 졸-겔 코팅을 하는 경우에는 다른 화학물질이 요구되지 않으므로 보다 공정을 단순화 시킬 수 있다.
ABPTMS 졸-겔 코팅이 APTES 졸-겔 코팅보다 우수한 이유는 다음과 같다. 첫째, 2차 아민기를 갖는 ABPTMS는 1차 아민기를 갖는 APTES보다 가수분해상으로 안정하며, 둘째, 각 APTES 분자가 3개의 실란올기를 함유하는 반면 ABPTMS는 6개의 실란올기를 함유하고 있으며, 셋째, ABPTMS의 메톡시실릴 기능기들은 APTES의 에톡시실릴 기능기보다 가수분해가 빨라 신속한 중합 및 축합 반응이 일어날 수 있기 때문이다.
한편, 졸-겔 코팅에 대해 구체적으로 설명하면, 우선 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)을 ABPTMS의 에탄올 용액으로 표면 처리한다. ABPTMS의 에탄올 용액농도는 5%(v/v) 내지 50%(v/v)일 수 있다. 예컨대 상술한 표면 처리는 제1,2 기판(110,120)을 상온에서 수 분 동안(예컨대 1분) 상기 에탄올 용액에 디핑(dipping)하고 건조함으로써 이루어질 수 있다.
ABPTMS는 2차 아민기를 갖는 아미노실란의 한 종류다. 도 3a에 도시된 바와 같이 ABPTMS의 2차 아민기는 제1,2 기판(110,120)을 이루는 PC의 주쇄(backbone)와 우레탄 결합을 형성한다(PC의 아미노분해를 통함, 도 3a의 음영 부분 참고). 이 과정에서 과도하게 공급된 ABPTMS는 에탄올로 세척 가능하다.
다음으로 제1,2 기판(110,120)을 접합한 후(내측에 마이크로 채널이 오도록 두 기판을 접합함) 가열 및 가압하면, 도 3b에서와 같이 두 기판(110,120) 사이의 실란올기(silanol groups)들이 축합 반응을 일으켜 두 기판(110,120)의 계면에서 실록산 결합(Si-O-Si)을 형성하고, 이로 인해 두 기판(110,120)이 본딩된다. 여기에서 상기 가열 조건 및 가압 조건은 예를 들면 각각 125℃~128℃, 0.05MPa~0.15MPa일 수 있고, 처리 시간(축합 반응시간)은 대략 20분 내지 30분 정도 일 수 있다. 이와 같은 가열 조건 및 가압 조건은 상술한 APTES의 가열 및 가압 조건(140℃, 1.2MPa~6.9MPa)에 비해 상대적으로 저온 및 저압 조건이다.
이 때, 제2 기판(120)에 형성된 마이크로 채널(121)의 유리상(glass-like)내벽에 존재하는 ABPTMS는 두 기판(110,120) 사이의 결합 반응(본딩)에 참여하지 않는다. 그러나 상기 졸-겔 반응 후에 내벽에 존재하는 ABPTMS를 카오트로픽 염(무질서 염, 본 발명의 실시예들에서는 500mmol L-1 MgCl2 용액을 이용함)으로 표면처리하면, 도 3c 및 도 3d에서와 같이 양이온 브릿지(cation bridge)를 형성한다. 이와 같이 형성된 마이크로 채널(121)은 양전하를 띠어 DNA만을 부착시키고 불순물들은 그대로 흘러보낼 수 있으므로 DNA 정제에 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 PC 마이크로 디바이스 제조방법은 PC 기판을 ABPTMS를 통해 본딩함으로써, 상대적으로 저온 및 저압 조건 하에서 PC 마이크로 디바이스를 제조할 수 있다. 따라서 제조 과정에서 마이크로 채널이 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있으며 DNA 정제 및 증폭이 연속적으로 일어날 수 있는 PC 마이크로 디바이스를 제조할 수 있다.
본 발명은 DNA 정제-증폭 방법을 추가적으로 제공한다. 본 발명에 따른 DNA 정제-증폭 방법은 상술한 PC 마이크로 디바이스를 이용하여 이루어지는 것으로, 이하에서 구체적으로 설명한다. PC 마이크로 디바이스의 구성과 관련된 설명은 이미 하였으므로 중복 설명은 생략하고, 앞서 설명한 것과 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하도록 한다.
본 발명에 따른 PC 마이크로 디바이스를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법은 우선 샘플유체를 PC 마이크로 디바이스의 마이크로 채널(121)의 제1 채널(121a)에 주입하여 상기 샘플유체 내의 DNA를 제1 채널(121a) 표면에 부착시킨다. 제1 채널(121a)의 표면에는 양전하가 형성되어 있으므로 음하전된 DNA를 부착시킬 수 있다. 즉 제1 채널(121a)은 DNA를 표면에 부착시키고 이외의 불순물들은 흘러 보낼 수 있다.
한편 제1 채널(121a)의 부착성을 향상시키기 위해 샘플유체를 주입하기 이전에 카오트로픽 염(무질서 염) 또는 양이온을 제공할 수 있는 염 용액을 먼저 제1 채널(121a)에 주입하여 내부 표면을 처리할 수 있다. 상기 카오트로픽 염의 예로는 우레아(urea), 구아니딘(guanidine), 아이오딘(iodine) 등이 있다. 한편, 양이온을 제공할 수 있는 염은 말 그대로 양이온을 제공 가능한 염이면 되고 특별한 종류로 특정되지 않으며, 후술할 본 발명의 시험예에서는 500mmol L-1 MgCl2 용액을 사용하였음을 밝혀둔다. 상기 카오트로픽 염 또는 양이온을 제공할 수 있는 염 용액(상대적으로 높은 농도를 갖는 염 용액)은 제1 채널(121a)에 양전하를 부여하는 기능을 한다.
다음으로, 용리액을 마이크로 채널(121)의 제1 채널(121a)에 주입하여 부착된 DNA를 용리시킨다. 이 때, 용리액으로는 공지의 물질을 이용할 수도 있으나 본 발명에서는 PCR 시약을 용리액으로 이용할 수도 있다. PCR 시약을 용리액으로 이용하는 경우에는 DNA 정제 후에도 PCR 증폭에 중복적으로 사용할 수 있으므로 공정을 간소화 할 수 있다. 상기 PCR 시약은 반응 버퍼, dNTPs, Taq 중합효소, 순방향 및 역방향 프라이머 등을 포함할 수 있다.
한편 PCR 시약을 용리액으로 사용하는 경우에는 DNA 정제 과정에서 Taq 중합효소가 제1 채널(121a)에 부착될 수 있으므로 PCR이 수행되지 않을 수 있다. 즉 Taq 중합효소가 제1 채널(121a)에 부착되어 PCR 시약 성분 중에서 유실되면, PCR이 수행되지 않는다. 따라서 PCR 시약을 용리액으로 사용하는 경우에는 PCR 시약을 제1 채널(121a)에 주입하기 이전에 BSA(소혈청 알부민) 용액을 제1 채널(121a)에 먼저 주입하여 제1 채널(121a)의 내부 표면을 처리하는 단계를 거칠 수 있다. 이와 관련해서는 후술할 본 발명의 실시예 및 시험예에서 구체적으로 설명하도록 한다.
다음으로, 제1 채널(121a)에서 DNA 정제 및 용리가 완료되면 연속적으로 제2 채널(121b)로 주입하여 PCR을 통해 DNA를 증폭할 수 있다. 이 때 PCR 시약을 용리액으로 사용한 경우라면 PCR에서도 동일한 PCR 시약을 중복적으로 사용할 수 있다. PCR은 공지의 DNA 증폭방법이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 DNA 정제-증폭 방법은 단일 PC 마이크로 디바이스 내에서 연속 수행되므로, DNA 정제와 증폭을 별도로 수행하는 경우에 비해 전체 반응시간을 크게 단축시킬 수 있다. 따라서 DNA 정제 및 증폭 과정에서 발생 가능한 샘플시약의 오염을 미연에 방지할 수 있다. 또한, PCR 시약을 용리액으로 사용하여 DNA 정제 및 증폭에 중복적으로 이용함으로써, 전체 과정을 단순화 시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예 및 시험예에 대하여 설명한다. 다만, 하기의 실시예 및 시험예에 의해 본 발명이 한정되지 않음은 자명하다.
실시예 및 시험예
1. 재료의 준비
비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(이하, ABPTMS, 90%(v/v) 농도 이상), 3-아미노프로필트리에톡시실란(이하, APTES, 97%(v/v) 농도) 및 MgCl2 파우더는 Aldrich에서 구입했다. 폴리디메틸실록산(PDMS) 프리폴리머(Sylgard 184) 및 경화제는 다우코닝(USA)에서 구입했다. LB 배지(저염) 및 agar 파우더(bacteriological)는 MB cell에서 구입했다. Taq 중합효소, dNTPs 및 PCR 버퍼액은 Promega에서 구입했다. 아가로오스 파우더는 Bioshop에서 구입했다. 소혈청알부민(Bovine serum albumin, BSA, V fraction)은 Sigma에서 구입했다. 100bp DNA급 마커는 Takara에서 구입했다. DNA 스테이닝(staining)에 사용되는 EtBr 염료는 Loading STAR에서 구입했으며, 2mm 두께를 갖는 PC 기판은 Goodfellow에서 구입했다.
2. PC 마이크로 디바이스 제조 및 세균 배양
(PC 마이크로 디바이스 샘플 제조)
도 1에 도시된 바와 유사하게 형성된 PC 마이크로 디바이스를 제작하였다. PC 마이크로 디바이스 내의 마이크로 채널은 폭 300㎛, 깊이 100㎛, 총 길이 300cm를 가지도록 형성되었다. 총 길이 300cm 중에서 50cm는 DNA 정제를 위한 마이크로 채널이고(제1 채널), 250cm는 DNA 증폭(30 thermal cycle을 갖는 온-칩 흐름 구동 PCR 수행)을 위한 마이크로 채널(제2 채널)이다.
한편 누설 시험(leak test)을 위하여, 내부에 폭 100㎛, 깊이 150㎛, 총 길이 32cm를 가지는 마이크로 채널이 형성된 5cm*5cm 크기의 PC 마이크로 디바이스를 별도로 제작하였다.
모든 마이크로 채널들은 CNC(computer numerical control) 밀링 머신을 이용하여 형성되었고, PC 기판에는 각각 입구도관 및 출구도관이 삽입되기 위한 삽입구가 드릴 머신으로 형성되었다. 입구도관 및 출구도관은 실리콘 튜브로 제조되었으며(내경 1mm, 외경 2mm), 상기 실리콘 튜브들은 삽입구에 삽입된 후에 접합경계가 PDMS(폴리디메틸실록산)로 경화됨으로써 마이크로 채널과 연결되었다.
(세균 배양, bacterial culture)
DH5-α E.coli(GenBank/EMBL 수탁번호 X65306) 배양액을 LB 배지 5mL에서성장된 pGEM-3Zf(+) 플라스미드 벡터에 도입하였다. 상기 LB 배지는 200rpm으로 지속적으로 쉐이킹(shaking) 되었고 16~17시간 동안 37℃에서 암피실린(100㎍ mL-1)이 존재하는 증류수 1L에 10g tryptone, 5g yeast extract, 및 5g NaCl을 함유함으로써 마련되었다.
상기 플라스미드 벡터가 선택된 이유는 본 발명의 발명자들이 pGEM-3Zf(+) 플라스미드 벡터로부터 230bp 타겟의 증폭을 위한 유효하고 구체적인 PCR 프라이머를 이미 보유하고 있기 때문이다. 고형 agar 배지(암피실린을 갖는 LB 배지)상에 단계적 희석 도포(serial dilution plating)를 수행하는 방식으로 평판 계수법(spread plate counts)을 통해 E.coli의 생장을 측정하였고, 37℃에서 하룻밤 동안 배양된 E.coli의 수는 밀리미터당 평균 4.2*107 CFU(colony forming units)였다.
3. 접촉각(contact angle) 측정 및 박리 시험
(접촉각 측정)
Phoenix 300 contact angle analyzer를 이용하여 물 접촉각(water contact angle)을 측정하였다(Surface Electro Optics, Korea). 측정 대상은 순수 PC(비교예 1), 유리 기판(비교예 2), 및 다양한 ABPTMS의 에탄올 용액 농도로 졸-겔 코팅된 PC(각 농도는 5,10,25 및 50%(v/v)이며 각각 실시예 1 내지 실시예 4에 해당함)였다. 측정은 6회에 걸쳐 이루어졌으며, 평균치를 산출하였다. 반응 온도는 상온 또는 80℃ 였으며(상기 실시예 1 내지 4는 농도로 구분됨), 반응 시간은 30분으로 고정되었다.
도 4는 물 접촉각 측정 결과를 나타내는 그래프다. X축은 ABPTMS의 에탄올 용액의 농도(이하, 졸-겔 농도라고 칭함)이고, Y축은 물 접촉각(°)이다.
졸-겔 농도(실시예 1 내지 실시예 4)와 반응 온도(상온 또는 80℃)는 물 접촉각에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 가장 높은 접촉각과 가장 낮은 접촉각은 각각 63.5°및 60.8°였다. 비교예 1(순수 PC)의 접촉각은 84.0°였고, 비교예 2(유리)의 접촉각은 43.0°였다. 실시예 1 내지 4의 접촉각 평균은 62.1°였고, 이는 비교예 1과 비교예 2의 중간 정도에 해당하는 값이다.
이와 같은 결과는 PC 표면의 실란올 기능기뿐만 아니라 축합 과정에서 형성되는 실록산 결합이 순수 PC(비교예 1)에 비해서는 졸-겔 코팅된 PC의 접촉각을 낮추게 되지만, ABPTMS의 알킬 사슬이 유리(비교예 2)에 비해서는 접촉각을 증가시키는 것으로 해석될 수 있다. 그리고 이로부터 단독 성분으로서 ABPTMS를 이용한 졸-겔 코팅이 성공적임을 확인할 수 있다.
한편, 실시예 1에 대해 축합 (반응)시간(condensation time)에 따른 접촉각의 변화를 추가적으로 측정하였다. 도 5는 축합 시간에 따른 접촉각 변화 및 표면 변화를 나타내는 이미지다. 도 5a를 참조하면, 물 접촉각은 축합 시간에 관계없이 유사함을 확인할 수 있으며, 이는 축합 반응이 빠르게 진행되었음을 의미한다.
(박리 시험)
졸-겔 코팅이 성공적으로 이루어졌는지를 확인하기 위해 PC-PDMS 구조체를 이용하여 박리 시험(delamination test)을 수행하였다. 여기에서 "PC-PDMS 구조체"는 PC 기판과 PDMS 필름(내지 기판)을 본딩한 구조체를 의미한다. 박리 시험에 있어 PC-PDMS 구조체를 이용하는 이유는 PDMS가 PC에 비해 연성 기재(soft substrate)이므로, PC-PDMS의 본딩 후 PDMS를 탈착시킴에 있어 PC에 남은 PDMS의 잔류물들로부터 본딩 정도를 보다 확실하게 확인할 수 있기 때문이다(PC는 강성 기재이므로 PC-PC의 본딩 후 PC를 탈착시켜도 잔류물이 생기지 않음).
박리 시험은 PC-PDMS 구조체로부터 PDMS 필름을 수동으로 벗기는 방식으로 수행되었다. 구체적인 시험 방식을 설명하면, 우선 PC 기판이 상온에서 1분동안 5%(v/v) ABPTMS 에탄올 용액(5%(v/v) 졸-겔 농도)에 디핑되었고, 에탄올로 세척된 후, 완전히 건조되었다(졸-겔 코팅). 이후 PC 기판은 산소 플라즈마로 표면처리 되었으며(50~60W, 1분), 마찬가지로 산소 플라즈마로 처리된 PDMS 필름과 80℃에서 30분 동안 접합 및 본딩됨으로써 PC-PDMS 구조체가 제조되었다.
관련하여 도 5b는 PC-PDMS 구조체의 축합 시간에 따른 표면 변화 이미지다.
도 5b를 참조하면, 두 기판(PC,PDMS)은 축합 시간이 10분 미만일 때에는 결합하지 않는다. 그러나 축합 시간이 20분을 넘어서면 두 기판은 견고히 결합되는데, 이는 두 기판의 분리 후에도 PC 기판에 남아있는 상당한 PDMS 잔류물들로부터 확인된다.
PC-PDMS 구조체의 박리 시험 결과, 두 기판은 견고히 본딩되었음을 확인하였고, 이로부터 졸-겔 코팅이 성공적으로 이루어졌음을 알 수 있다. 왜냐하면 PC와 PDMS는 산소 플라즈마 처리를 하는 것만으로는 본딩 될 수 없기 때문이다. PC 및 PDMS를 견고히 본딩하기 위해서는 PC 기판 상에 졸-겔 코팅층이 형성되어야 한다. 그래야 산소 플라즈마 표면처리 된 PC 및 PDMS가 풍부한 실록산 결합 형성을 매개로 하여 본딩될 수 있기 때문이다.
상술한 시험 결과로부터, 5%(v/v) 졸-겔 농도로 PC 기판이 졸-겔 코팅되는 경우에는 최소 20분의 축합 시간이 요구됨을 확인할 수 있다. 이러한 축합 시간의 요구는 물론 졸-겔 망상(sol-gel network)을 풍부하게 형성시키기 위함이다.
구체적으로 설명하면, 축합 반응이 신속히 발생할 때에 축합 반응물(메탄올)은 코팅된 표면으로부터 쉽게 증발될 수 있다. 이는 도 5a에서와 같이 축합 시간과 무관하게 물 접촉각이 유사 범위 내에 있다는 사실로부터 확인된다. 그러나 졸-겔 코팅층 아래에 존재하는 중간층에 포획된 메탄올(축합 반응물)이 완전히 증발하기 위해서는 보다 긴 축합 시간이 요구된다. 그렇지 않으면 메탄올은 80℃에서의 본딩 공정 동안에 버블을 발생시킬 수 있고, 이는 보다 느슨한 졸-겔 망상을 형성시키는 결과를 낳을 우려가 있기 때문이다.
4. XPS(X-ray photoelectron spectroscopy) 분석
비교예 1(순수 PC), 실시예 1(졸-겔 코팅된 PC, 5%(v/v) 졸-겔 농도, 상온) 및 실시예 4(졸-겔 코팅된 PC, 50%(v/v) 졸-겔 농도, 80℃)에 대하여 XPS 분석을 수행하였다.
XPS 분석은 듀얼건(1253.6 eV)을 갖는 마그네슘 X-ray 방사선원과 20 eV의 패스 에너지(pass energy)를 갖는 Axis-His(Krato Analytical, UK)를 이용해 수행되었다. 데이터를 취하기 전의 챔버 압력은 5×10-9 Torr 미만이었고, 애노드의 전압 및 전류는 각각 15kV 및 10mA 였다. 테이크-오프 각도(take-off angle)는 45°로 맞춰졌다. C1s(284.5 eV)의 결합 에너지는 문헌을 참조하였고, 결합 에너지 측정을 위한 분해능(resolution)은 대략 0.1 eV였다.
도 6은 XPS 결과를 나타내는 그래프다. 도 6a는 비교예 1의 XPS 피크, 도 6b는 실시예 1의 XPS 피크, 도 6c는 실시예 4의 XPS 피크다.
비교예 1은 주로 각각 283eV 및 530eV에서 나타나는 C1s 및 O1s 원소 피크로 구성된다. 이는 공지된 문헌에 개시된 C1s 및 O1s의 결합 에너지 값과 대응한다(대략적으로 각각 284.5eV 및 532.3eV).
실시예 1은 N1s, Si2s, 및 Si2p와 같은 추가적인 피크들이 나타나며(대략적으로 각각 397eV, 152eV 및 101eV), 이로부터 졸-겔 코팅이 성공적임을 확인할 수 있다. 한편, 실시예 4는 실시예 1의 경우와 거의 유사함을 알 수 있다.
비교예 1과 실시예 1,4의 피크를 비교하면, 실시예 1,4에서 C1s의 피크 세기가 비교예 1에 비해 감소함을 확인할 수 있다. 이는 ABPTMS를 갖는 PC의 탄소 주쇄(carbon backbone)의 마스킹에 기인한 것으로 보인다. 역으로 O1s의 피크 세기는 실시예 1,4에서 증가함을 확인할 수 있다. 이는 ABPTMS 졸-겔 코팅 후 실란올기가 추가되었기 때문인 것으로 보인다.
5. SEM(Scanning Electron Microscope) 분석
비교예 1(순수 PC) 및 실시예 1(졸-겔 코팅된 PC, 5%(v/v) 졸-겔 농도)의 표면 모폴로지를 FE-SEM(JSM-7500F, JEOL, Japan)을 이용하여 비교하였다.
도 7은 비교예 1 및 실시예 1의 FE-SEM 이미지다. 도 7a는 비교예 1의 이미지고, 도 7b는 실시예 1의 이미지고(도 6a 및 6b는 45,000 배율), 도 7c는 도 7b의 표시된 부분의 확대 이미지다(120,000 배율).
도 7을 참조하면, 실시예 1의 표면이 비교예 1보다 전반적으로 매끄러움을 확인할 수 있다. 이는 졸-겔 전구체 용액이 순수 PC의 오목한 미세구조를 채움으로써 PC의 최상부 표면을 평준화했기 때문인 것으로 보인다.
한편, 도 7c에서 확인되듯이 졸-겔 코팅 이후에 일부 크랙이 관측되는데, 이는 유리상의 졸-겔 망상(network)이 성공적으로 형성되었음을 의미한다.
6. 결합 강도(Bond strength) 분석 및 누설 시험
도 8은 PC-PC 구조체의 본딩 강도 측정 및 누설 시험과 관련된 이미지다.
5cm×5cm 크기의 PC-PC 구조체의 전단 강도(shear strength)를 texture analyzer(QTS 25, Brookfield, Middleboro, MA)를 이용하여 측정하였다.
측정 방법을 구체적으로 설명하면, 우선 각 PC 기판을 졸-겔 코팅한 후(5%(v/v) 졸-겔 농도, 상온), 드릴 머신을 이용해 삽입구들을 형성하였다. 이어 두 개의 PC 기판을 부분적으로 접합 및 본딩하였다(PC-PC 구조체). 다음으로 두꺼운 노끈을 상기 삽입구에 삽입하였고, 상기 노끈을 이용하여 본딩된 PC-PC 구조체를 분당 100mm의 속도로 양쪽으로 잡아당겨 분리함으로써 결합 강도를 측정하였다. 5회 측정되었고, 평균치를 산출하였다.
관련하여 도 8a는 부분적으로 접합된 PC-PC 구조체의 이미지고, 도 8b는 PC-PC 구조체의 양 기판이 서로 떨어지는 순간의 이미지다. 도 8c는 분리된 PC 기판의 확대 이미지다. 도 8c에 표기된 노란색 직사각형 영역은 PC 기판들의 접합 부분이다. 상기 영역은 상대적으로 불투명함을 확인할 수 있고, 이는 PC 기판 표면의 화학적 개질 때문인 것으로 보인다.
측정된 전단 강도는 대략 950kPa였고, 평균 본딩 강도(average bond strength)는 대략 660kPa 였다. 이는 종전 5%(v/v) 졸-겔 농도(APTES)로 코팅된 PC-PC 구조체의 전단 강도 및 평균 접착 강도와 유사한 값이다. 즉, 본 발명에 따른 PC 마이크로 디바이스는 상대적으로 저온 및 저압 조건에서 제조 가능하면서도 종전과 유사한 정도의 전단 강도 및 본딩 강도를 보임을 확인할 수 있다.
누설 시험(leak test)은 PC-PC 구조체에 마이크로 채널을 형성하고, 상기마이크로 채널의 내부로 잉크 용액을 0.48, 4.8, 48 및 96 mL min-1의 흐름 속도로 주입함으로써 수행되었다.
관련하여 도 8d는 6각형(hexagonal)의 마이크로 채널(총 내부 용량은 대략 48μL)이 형성된 PC-PC 구조체 내부에 레드 잉크 용액이 흐르는 이미지다. 잉크 주입은 시린지 펌프(KDS 200, KD Scientific, New Hope, PA)를 통해 이루어졌고, 분당 주입 용량은 마이크로 채널의 총 내부 용량보다 10배, 100배, 1000배 및 2000배에 상응하였다. 누설 시험 결과, 도 8d에서 확인되듯이 잉크는 흐름 속도나 주입 용량과는 관계없이 외부로 누설되지 않았다.
7. 온-칩 DNA의 정제 및 오프-칩 PCR
온-칩 DNA 정제를 시험하기 위해, 졸-겔 코팅된 마이크로 채널을 500mmol L-1 MgCl2 용액으로 10분간 처리하였다. MgCl2 용액은 마이크로 채널 내에서의 향상된 DNA 부착성을 확인하기 위해 사용된 것으로, 50mmol L-1 MOPS 버퍼에 MgCl2 분말을 희석시켜 제조되었다.
앞서 설명한 E.coli 배양액은 세포막 파괴를 위해 14,000rpm으로 원심분리되었고, 상기 배양액 10μL가 마이크로 채널로 도입되어 10분간 정상 상태(stationary)를 유지하였다.
이어 15mmol L-1 MgCl2 용액(50 mmol L-1 MOPS 버퍼에 MgCl2 분말을 희석시켜 제조됨) 10μL가 상기 마이크로 채널 내로 도입되어 5분간 정상 상태를 유지하였는데, 이는 상기 마이크로 채널의 표면에 부착된 DNA를 용리시키기 위한 용리액(eluent)으로 기능한다. 정제된 DNA는 출구도관을 통해 수집되었다.
도 9는 온-칩 DNA 정제 결과를 보여주는 이미지 및 도면이다. 도 9a는 DNA 정제가 수행된 마이크로 채널(서펜틴 형태)의 이미지다. 상기 마이크로 채널에 도입된 높은 농도의 염(본 실시예에서는 500mmol L-1 MgCl2 용액)은 카오트로픽 염(chaotropic salt) 대신에 이용되었다(카오트로픽 염은 무질서 염이라고도 하며, 정전기 상호작용을 통해 음하전 된 DNA를 포획할 수 있도록 양전하를 부여함으로써 실리카 표면에 DNA를 흡착시키는 기능을 함).
한편, 용리액(eluent)으로 상기 15mmol L-1 MgCl2 용액 이외에 DNA 주형을 함유하지 않은 PCR 시약을 이용해 DNA 정제 시험을 하였다. 본 발명에서 상기 PCR 시약은 용리액으로 이용될 수 있다. 왜냐하면 PCR 버퍼는 그 자체로 15mmol L-1 MgCl2을 함유하기 때문에, 저농도의 염 버퍼(salt buffer)로 기능할 수 있기 때문이다.
본 발명에서와 같이 PCR 시약을 용리액으로 이용할 때에는 하나의 연속 과정 속에서 DNA 정제 및 증폭을 통합적으로 수행할 수 있다는 장점이 있다. PCR 시약이 DNA 정제 및 증폭에 중복적으로 사용될 수 있기 때문이다.
그런데 PCR 시약을 용리액으로 이용하는 경우에는 상기 PCR 시약 내에 함유된 Taq 중합효소(Taq polymerase)가 실리카 표면에 흡착될 수 있으며, 이 경우에는 PCR 시약 성분 중에서 Taq 중합효소가 유실되는 결과가 되므로 PCR이 제대로 수행되지 않는다.
따라서 본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 방지하기 위해 BSA(소혈청 알부민)의 코팅 효과를 추가적으로 시험하였다. 관련하여 도 9b 및 9c는 졸-겔 코팅된 마이크로 채널 내에서의 DNA 용리 과정을 개략적으로 도시한다. 도 9b는 BSA 코팅이 있는 경우이고, 도 9c는 없는 경우다.
도 9d는 온-칩에서의 E.coli DNA의 용리된 용액으로 오프-칩 PCR을 수행한 결과를 나타내는 이미지다(상기 PCR 증폭은 230bp 타겟 단편을 대상으로 하며, 사용된 PCR 시약에 대해서는 하기 8번 항목 참고).
도 9d를 참조하면, lane 1은 써멀사이클러를 사용한 경우, lane 2는 용리액으로 15mmol L-1 MgCl2 용액을 사용한 경우, lane 3은 마이크로 채널이 BSA(1.5mg mL-1) 용액으로 처리되지 않은 경우, lane 4는 마이크로 채널이 BSA 용액으로 처리된 경우를 각각 나타낸다(lane 3,4에서는 PCR 시약을 용리액으로 사용함).
BSA 용액으로 처리되지 않은 마이크로 채널의 오프-칩 PCR의 경우, 타겟 밴드가 나타나지 않았다(lane 3 참고). 이는 앞서 언급한 것처럼 마이크로 채널 내에서 Taq 중합효소의 비특이성 흡착이 일어났기 때문이다. 반면 BSA 용액으로 처리된 경우에는 오프-칩 PCR 결과가 성공적이었으며, 타겟 밴드의 세기는 lane 1 및 2와 유사한 정도를 보였다(lane 4 참고). 타겟 앰플리콘들의 상대적 세기는 도 9d의 하단 이미지에 나타나 있으며, lane 4의 세기는 lane 2의 세기의 대략 93%에 해당하였다.
이러한 결과에 기반할 때, PCR 시약을 용리액으로 사용할 때에는 용리 전에 마이크로 채널을 BSA 용액으로 코팅하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
8. 연속적인 온-칩 DNA 정제 및 온-칩 흐름-구동 PCR
본 발명에 따른 PC 마이크로 디바이스를 이용하여 온-칩 DNA 정제 및 온-칩 흐름-구동 PCR이 연속적으로 수행되었다.
용리액으로는 PCR 시약(20μL)이 이용되었다. 상기 PCR 시약은 버퍼농축액(10x), 0.2mM dNTPs, 0.5 U μL -1 Taq 중합효소, 1㎛ 순행 프라이머/역행 프라이머를 포함하였다. 그리고 E.coli 배양액 0.25μL가 20μL 샘플 플러그 내에 대략 2.5×103 CFU에 해당하는 최종 세포수를 만들기 위해 상기 PCR 시약에 첨가되었다.
pGEM-3Zf(+) 플라스미드 벡터에서 230bp 유전자 단편을 증폭시키기 위한 프라이머 시퀀스는 다음과 같았다: 5'- CCG GCG AAC GTG GCG AGA AAG GAA GGG AAG AAA GC-3' 순행) 및 5'- TCG CCT TGC AGC ACA TCC CCC TTT CGC CAG C-3' 역행).
한편, 비교를 위해 써멀사이클러(Bio-Rad C1000 thermal cycler)를 이용하여 2-온도 PCR이 수행되었다. DNA 증폭에 있어, 열변성 단계는 30초간 95℃에서, 그리고 결합/신장 단계는 30초간 70℃에서 30 사이클 동안 수행되었다(초기 열변성은 95.0℃에서 3분 동안 수행되었고 최종 신장은 70.0℃에서 5분 동안 수행됨). DNA 증폭 결과는 아가로스겔 전기영동으로 분석되었고, 타겟 엠플리콘들은 EtBr로 염색되고 Gel Doc EZ system(Bio-Rad)로 탐지되었다.
또한 온-칩 흐름-구동 PCR이 수행되는 동안에 적외선 카메라(FLIR Themovision A320)를 이용하여 PC 마이크로 디바이스의 표면 온도를 측정하였다(1.5시간). PC 마이크로 디바이스의 일부가 두 개의 구리 가열 블록(2.5cm*6cm) 상에 놓여졌고, 반사 방지를 위해 상기 PC 마이크로 디바이스에는 흑색 절연 테이프가 부착되었다. 하나의 구리 가열 블록의 온도는 PCR의 열변성 온도를 대표하는 것으로 95.0℃로 세팅되었고, 다른 하나의 구리 가열 블록의 온도는 PCR의 결합 및 신장 온도를 대표하는 것으로 70.0℃로 세팅되었다. 온도 측정을 위하여 PC 마이크로 디바이스의 10개 지점이 랜덤하게 선택되었고, 평균 온도는 이미지 분석 프로그램(Therma CAM Researcher 2.8)을 사용하여 평가되었다.
도 10은 온-칩 흐름-구동 PCR 결과를 나타내는 이미지다. 도 10a는 본 시험예를 촬영한 이미지고, 도 10b는 적외선 카메라 이미지다.
도 10a를 참조하면 PC 마이크로 디바이스의 마이크로 채널은 DNA 정제를 수행하는 제1 채널(121a)과 DNA 증폭을 수행하는 제2 채널(121b)을 포함한다. 제1 채널(121a) 및 제2 채널(121b)의 부피는 각각 15μL, 75μL였다.
연속적 온-칩 DNA 정제 및 증폭을 위해, 우선 제1 채널(121a)만이 MgCl2 용액(500mmol L-1 MgCl2) 15μL으로 처리되었고(10분), 이어 E.coli 배양액의 원심분리 후 얻어진 상등액 15μL이 주입되어 전체 마이크로 채널 내부를 흘렀다(10분). 마지막으로 BSA 용액 90μL가 주입되어 전체 마이크로 채널 내부를 흘렀다(10분). 상기 과정들은 모두 상온에서 수행되었다.
도 10b를 참조하면 구리 가열 블록 상에 놓여진 PC 마이크로 디바이스의 온도 구배를 확인할 수 있다. DNA 정제를 수행하는 제1 채널은 구리 가열 블록 상에 놓이지 않고, 공기 중에 노출되어 주위 온도로 맞춰졌다.
한편 PCR 시약 20μL가 3μL min-1의 정속으로 마이크로 채널 내로 주입되었다. 앞서 설명하였듯이 상기 PCR 시약은 용리액으로 기능하며, 대략 30~35분 후 출구도관(Sample outlet)으로 배출되었다. 용리 과정에서, DNA 정제를 수행하는 제1 채널(121a)로부터 DNA가 용리되었으며 주입된 상기 PCR 시약과 함께 DNA 증폭을 수행하는 제2 채널(121b)로 흘러갔다. 샘플 시약의 흐름을 보다 명확히 확인하기 위해 녹색 버퍼(green-colored buffer)가 이용되었다(도 10a 참고).
상술한 온-칩 DNA 정제 및 증폭에 걸린 총 시간은 대략 70분이었다(정제 35분 및 증폭 35분). 이는 온-칩 정제와 오프-칩 PCR이 수행되었을 때의 시간(대략 125분)보다 크게 짧다. DNA 정제 및 증폭에 걸리는 시간이 짧으면 샘플유체가 오염될 가능성을 크게 줄일 수 있다.
도 10c는 DNA 증폭 결과를 나타내는 이미지다. 도 10c를 참조하면 lane 1은 써멀사이클러를 사용한 경우이고, lane 2는 본 발명에 따른 PC 마이크로 디바이스를 사용한 경우다. 비록 오프-칩 PCR을 수행했을 때만큼 타겟 밴드가 선명하지는 않지만(도 9d 참고), 충분히 식별 가능함을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 PC 마이크로 디바이스가 DNA 정제 및 증폭을 연속적으로 수행하기에 신뢰할 만한 성능을 가지고 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.
100: PC 마이크로 디바이스 110: 제1 기판
120: 제2 기판 121: 마이크로 채널
121a: 제1 채널 121b: 제2 채널
130: 입출구도관 131: 입구도관
132: 출구도관 140: 히터

Claims (15)

  1. 폴리카보네이트로 형성되는 제1 기판;
    폴리카보네이트로 형성되어 상기 제1 기판과 본딩되는 것으로, 표면에 마이크로 채널이 새겨진 제2 기판을 포함하고,
    상기 마이크로 채널은 DNA 정제가 수행되는 제1 채널과, 상기 제1 채널과 유체의 흐름방향으로 연결되어 PCR 증폭이 수행되는 제2 채널을 포함하며,
    상기 제1 채널의 내부면은 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(ABPTMS)으로 졸-겔 코팅되어 친수성으로 개질된 후, 카오트로픽 염 또는 양이온을 제공 가능한 염 용액으로 표면 처리되어 양이온 브릿지가 형성되고,
    상기 제1 채널로 주입된 샘플유체가 상기 제1 채널을 거치면서 DNA 정제되고, 상기 제2 채널을 거치면서 PCR 증폭되는 통합형 PC 마이크로 디바이스.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 마이크로 채널의 제1 채널은 복수개의 유로가 소정 간격을 두고 가로 방향으로 평행 배치되고, 제2 채널은 복수개의 유로가 소정 간격을 두고 세로 방향으로 평행 배치되어 상기 마이크로 채널이 전체적으로 서펜틴 형태를 가지며,
    상기 제1 채널의 출구단이 상기 제2 채널의 입구단과 연결되는 통합형 PC 마이크로 디바이스.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 채널의 입구단에 연결되어 샘플유체를 유입시키는 입구도관과, 상기 제2 채널의 출구단과 연결되어 상기 샘플유체를 유출시키는 출구도관을 더 포함하는 통합형 PC 마이크로 디바이스.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 채널은 제1 구역과 제2 구역을 포함하고, 상기 제1 구역 및 제2 구역은 서로 상이한 온도로 유지되는 통합형 PC 마이크로 디바이스.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 기판 하부에 배치되는 히터를 더 포함하고,
    상기 히터는 상기 제1 구역 및 제2 구역을 서로 상이한 온도로 가열하는 통합형 PC 마이크로 디바이스.
  7. 폴리카보네이트로 형성되는 제1 기판과, 폴리카보네이트로 형성되고 마이크로 채널이 새겨진 제2 기판을 마련하는 단계;
    상기 제1 기판 및 제2 기판의 표면 - 상기 마이크로 채널을 포함함 - 을 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민(ABPTMS)의 에탄올 용액으로 졸-겔 코팅하는 단계;
    상기 마이크로 채널이 내측에 오도록 상기 제1 기판과 제2 기판을 접합한 후에, 가열 및 가압하여 상기 제1 기판 및 제2 기판을 본딩하는 단계; 및
    상기 마이크로 채널의 일부분을 카오트로픽 염 또는 양이온을 제공 가능한 염 용액으로 표면 처리하여 양이온 브릿지를 형성시키는 단계를 포함하는 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 본딩시키는 단계에서 상기 가열 조건은 125℃ 내지 130℃이고, 가압조건은 0.05MPa 내지 0.15MPa인 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 ABPTMS의 에탄올 용액의 농도는 5%(v/v) 내지 50%(v/v)이고, 상기 가열 및 가압은 20분 내지 40분 동안 행해지는 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법.
  10. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은 졸-겔 코팅 이후에 산소 플라즈마로 표면 처리되는 통합형 PC 마이크로 디바이스 제조방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 통합형 PC 마이크로 디바이스를 이용한 연속적 DNA 정제-증폭 방법에 있어서,
    (1) 샘플유체를 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 샘플유체 내의 DNA를 상기 제1 채널 표면에 부착시키는 단계;
    (2) 용리액을 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 부착된 DNA를 용리시키는 단계; 및
    (3) 용리된 DNA를 상기 마이크로 채널의 제2 채널에 주입하여 PCR을 수행하는 단계를 포함하는 연속적 DNA 정제-증폭 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 단계 (2)의 상기 용리액은 반응 버퍼, dNTPs, Taq 중합효소 및 프라이머를 포함하는 PCR 시약이고,
    상기 PCR 시약을 상기 단계 (3)에서 중복 사용하는 연속적 DNA 정제-증폭 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 단계 (1)과 (2) 사이에 BSA(소혈청 알부민) 용액을 상기 마이크로 채널의 제1 채널에 주입하여 상기 제1 채널의 내부 표면을 처리하는 단계를 더 포함하는 연속적 DNA 정제-증폭 방법.
  15. 삭제
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