KR101652294B1

KR101652294B1 - 종이 기반 농축 방법, 농축 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101652294B1
Application number: KR1020140172262A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 한성일; 유용경; 이준우
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2014-12-03
Filing date: 2014-12-03
Publication date: 2016-08-30
Also published as: KR20160066891A

Abstract

본 명세서는 농축 방법, 농축 장치 및 그 생산 방법에 관한 것으로, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치 생산 방법은 종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계, 상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계 및 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 저렴한 비용과 간편한 방식으로 특정 물질을 농축하는 방법을 제공할 수 있다.

Description

종이 기반 농축 방법, 농축 장치 및 그 제조 방법 {PAPER BASED PRECONCENTRATING METHOD, PRECONCENTRATOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 명세서의 적어도 일부의 실시 예는 종이 기반의 농축 방법, 농축 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

물질을 크기에 따라 분리 및 농축하는 공정은 오랜 역사를 통해 발전되어 왔으며, 현재까지도 이러한 기술은 화학적 공정에서부터 생체물질에 이르기까지 다양하게 응용 개발되어 연구되고 있다. 보편적으로 알려져 있는 물리적 필터링 방법은 1900년대 초반부터 화학공학자들에 의해 활발히 연구되기 시작하여 1970년대에 들어 이론적체계가 준비되기 시작했다. 이러한 필터링 방법은 필터의 크기가 입자보다 크면 입자는 머무름 없이 필터를 빠져나가게 되고, 필터의 크기가 작으면 입자는 모두 걸러지게 되는 원리를 이용하는 것이다. 1990년대 들어서 나노기술의 발전과 더불어 나노수준의 기공을 갖는 고분자 젤이나 track etch 법으로 제작된 막(membrane)이 개발되었고, 이를 상용화하면서 바이오 물질 및 화학물질들을 분리, 정제하는 과정에 널리 사용되기 시작했다.

최근에는 나노기술과 MEMS 기술의 발전으로 이를 단일의 유체 소자 내에 나노 구조물로 패터닝하여 적은 양의 시료만으로도 필요로 하는 물질을 신속히 분리 및 정제할 수 있게 되었으며, 이러한 기술들을 생명공학 및 의료공학 분야에 적용하고자 하는 노력들이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 발전된 MEMS/NEMS 기술은 보다 정밀하게 나노구조물을 원하는 위치에 수 나노의 오차한계로 패터닝할 수 있게 되었으며, 이러한 기술은 미세유체채널과 결합되어 미세종합분석시스템(micro total analysis system; μ-TAS) 또는 랩온어칩(Lab-on-a-chip)으로 활발히 연구되고 있다.

종래 유리나 기타 무겁고 비싼 재료를 이용하여 농축 장치를 구현하는 방식이 알려져 있다. 분석 대상 물질을 좁은 관이나 얇은 판을 통해 확산시키면서 일정 위치에 특정 물질을 농축할 수 있도록 막을 형성하는 방식이다. 하지만 이러한 방식들은 농축 장치의 제조가 어렵거나 많은 비용이 들어가고 농축 장치가 크고 무겁거나 취급이 불편한 점 등의 문제점이 있다.

US

2012-0198684

A1

Max M. Gong et al., Analytic Chemistry. Washinton D.C.: ACS Publications, 2014, Vol. 86, Issue 16, 8090-8097쪽. Nanoporous Membranes Enable Concentration and Transport in Fully Wet Paper-Based Assays

본 명세서의 일 실시 예는 저렴한 비용과 간편한 방식으로 특정 물질을 농축하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치는 종이, 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널, 상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되는 버퍼 및 상기 종이의 일 면에 형성되며 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 포함할 수 있다. 상기 선택적 이온 투과막은 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지를 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치 제조 방법은, 종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계, 상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계 및 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이, 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 채널, 상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되는 버퍼 및 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성된 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 포함하는 농축 장치를 이용한 농축 방법은, 상기 채널의 한 쪽 끝에 전원의 양극(陽極)을 연결하는 단계, 상기 버퍼에 상기 전원의 음극을 연결하거나 접지전극을 형성하는 단계, 상기 버퍼를 도전성 액체로 점습(霑濕)하는 단계, 상기 채널의 상기 한 쪽 끝에 분석 대상 물질을 투여하는 단계 및 상기 전원을 통해 전압을 가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이, 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 채널, 상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되며 도전성 액체로 점습(霑濕)된 버퍼, 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성된 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막 및 상기 채널의 한 쪽 끝에 양극(陽極)이 연결되고 상기 버퍼에 음극이 연결된 전원을 포함하는 농축 장치를 이용한 농축 방법은, 상기 채널의 상기 한 쪽 끝에 농축 분석 대상 물질을 투여하는 단계 및 상기 전원을 통해 전압을 가하는 단계를 포함할 수 있다 농축 방법.

본 명세서의 일 실시 예에 따르면 저렴한 비용과 간편한 방식으로 특정 물질을 농축하는 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시 예에 따르면, 투명하고 한 쪽 면에만 접착력을 갖고 있는 실생활에서 쉽게 구입이 가능한 테이프를 이용하여 기존의 패턴화 방법인 마이크로 플로우 패터닝 방법(micro-flow patterning method)를 이용하여 접착력이 있는 면에 선택적 이온 투과막인 내피온을 패턴화 할 수 있다.

또한 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 테이프의 순수 접착력만을 이용하여 상기 종이 기반의 소자에 쉽게 결합할 수 있다.

또한, 본 명세서의 일 실시 예에 따르면 작고 가벼우며 저렴한 비용의 종이 기반 방식으로 더 비싸고 무겁고 큰 유리 기반, 폴리머 기반으로 이루어진 농축기와 거의 동일한 농축 성능을 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이 기반 농축 장치(100)의 평면도이다.
도 1c는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이 기반 농축 장치(100)의 측면도이다.
도 2는 전원(210)을 연결한 농축 장치(100)를 나타낸다.
도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치의 제조 과정의 순서도이다.
도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 선택적 이온 투과막(150) 형성 과정(330)의 순서도이다.
도 5a는 단계 410 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 5b는 단계 410 이후의 중간 생산물의 평면도이다.
도 6a는 단계 420 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 6b는 단계 420 이후의 중간 생산물의 평면도이다.
도 7a는 단계 430 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 7b는 단계 430 이후의 중간 생산물의 평면도이다.
도 8a는 단계 440 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 8b는 단계 440 이후의 중간 생산물의 평면도이다.
도 9a 는 단계 450을 설명하기 위한 측면도이다. 도 9b 는 단계 450을 설명하기 위한 평면도이다.
도 10은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 과정의 순서도이다.
도 11은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 과정의 모식도이다.

이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

도 1a 및 도 1b는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이 기반 농축 장치(100)의 평면도이다.

도 1c는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이 기반 농축 장치(100)의 측면도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 종이 기반 농축 장치(100)는 종이(110) 및 선택적 이온 투과막(150)을 포함한다. 종이(110)는 물이 잘 흡수될 수 있는 재질(친수성 재질)로 이루어진다. 하지만 종이(110)의 일부분에 소수성 물질이 침투하면 그 부분에는 물이 흡수되지 않는다. 종이(110)의 크기에는 제한이 없으나, 도 1a의 평면도 기준 대략 가로 2.5cm, 세로 2.5cm 정도의 크기로 형성될 수 있다.

종이(110)에는 소수성 물질이 침투하여 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b)를 형성한다. 여기서 소수성 물질은 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b)를 둘러싸서 채널(130) 및 버퍼(140a, 140b)를 형성할 수 있다. 즉, 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b)의 영역에는 소수성 물질이 침투하지 않으며 친수성으로 유지된다. 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b)를 둘러싼 영역에 소수성 물질이 침투하여 소수성이 된다. 그에 따라 채널(120)이나 버퍼(140a, 140b)에 물(또는 기타 용액)을 떨어뜨리면 그 물은 채널(120)이나 버퍼(140a, 140b)를 벗어나지 않고 그 안에서만 확산될 수 있다. 소수성 물질은 소수성을 가진다면 어떠한 물질이어도 무방하지만, 예를 들어 소수성 물질은 왁스가 될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 종이(110)에 왁스가 침투하여 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b)가 형성된 경우를 설명한다.

채널(120)은 친수성의 길다란 선의 형태로 형성되어 농축 장치(100)에서 모세관의 역할을 한다. 채널(120)의 양 끝(130a, 130b) 중 적어도 하나는 채널(120)의 가운데 부분에 비하여 더 넓은 너비를 가질 수 있다. 채널(120)의 한 쪽 끝(130a, 130b) 부분에 농축을 위해 액체를 떨어뜨려야 하므로 충분히 넓은 너비를 확보하면 농축 작업이 좀 더 쉬워질 수 있다. 그리고 반대 쪽 끝(130a, 130b) 부분이 충분히 넓어야 후술하는 이온 분극 현상을 다소 완화시킬 수 있고, 추출 패드의 효과를 높일 수 있다.

버퍼(140a, 140b)는 채널과 떨어져서 형성된다. 버퍼는 어떠한 형태가 되더라도 무방하다. 다만 버퍼에 물을 떨어뜨려 농축 작업을 하는 경우에 대비하여 적당한 크기로 형성되면 된다. 본 실시 예에서는 버퍼의 모양이 원형으로 예시되었으나, 다른 형태가 되어도 무방하다. 본 실시 예에서는 버퍼가 두 개로 나뉘어 있으나 하나만 형성되어도 무방하다.

선택적 이온 투과막(150)은 버퍼(140a, 140b)에 연결되며 채널(120)을 가로지르도록 형성된다. 선택적 이온 투과막(150)은 선택적으로 이온을 통과시키는 선택적 이온 투과 물질로 이루어진 나노채널(나노다공성 막)을 포함한다. 선택적 이온 투과 물질은 특정한 이온과는 잘 결합하고 서로 끌어들이지만, 다른 이온과는 잘 결합하지 않고 끌어들이지 않는 특성을 가진 물질을 말한다. 선택적 이온 투과 물질은 예를 들어 내피온(nafion)이 될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 내피온이 선택적 이온 통과 물질로서 사용된 경우, 즉 선택적 이온 투과막(150)이 내피온 선인 경우를 설명한다.

선택적 이온 투과막(150)은 예를 들어 두 버퍼(140a, 140b)를 연결하고 채널(120)을 가로지르도록 형성될 수도 있다.

선택적 이온 투과막(150)은 종이(110)의 한 쪽 면에 형성된다. 농축을 위한 작업 때에는 선택적 이온 투과막(150)이 종이의 아래쪽에 위치할 수 있다.

농축 장치(100)는 일면 접착 테이프(160)를 더 포함할 수 있다. 일면 접착 테이프(160)는 종이(110)와 선택적 이온 투과막(150)을 결합하여 고정시키기 위한 구성부이다. 일면 접착 테이프(160) 대신 다른 접착 부재가 사용되어도 무방하다.

농축 장치(100)는 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 부착된 추출 패드를 더 포함할 수 있다. 추출 패드는 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 연결되어 분석 대상 물질 중 선택적 이온 투과막(150)을 통과한 물질을 추출하여 채널(120) 바깥으로 추출해 낸다. 그에 따라 지속적으로 분석 대상 물질을 선택적 이온 투과막(150)에 통과시켜서 농축하려는 물질을 더 높은 농축도로 농축할 수 있다. 추출 패드에 대해서는 도 13a 및 도 13b를 참조하여 상세히 후술한다.

도 2는 전원(210)을 연결한 농축 장치(100)를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에는 전원(210)의 양극(陽極)이 연결되고 버퍼 중 하나(140b)에는 음극이 연결된다. 전원(210)이 전압을 가하면 후술하는 바와 같이 농축이 진행될 수 있다.

전원이 생략되는 경우 전압 대신 이온의 확산을 위해 중력이나 자기장, 기타 촉매 등이 사용될 수도 있다.

도 3은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치의 제조 과정의 순서도이다. 제조 과정은 제조 장치에 의하여 수행된다고 가정한다.

단계 310에서 제조 장치는 종이에 소수성 물질을 흡착시킨다. 예를 들어 제조 장치는 종이에 왁스를 인쇄하는 방식으로 종이에 소수성 물질을 흡착시킬 수 있다. 본 실시 예에서 제조 장치는 도 1a에서 보이는 대로 채널(120)과 버퍼(140a, 140b)를 제외한 나머지 부분(채널(120)의 경계 및 버퍼(140a, 140b)의 경계를 이루는 부분)에 왁스를 인쇄하는 방식으로 채널 및 버퍼 패턴에 따라 종이에 소수성 물질을 흡착시킬 수 있다. 왁스 프린터 및 범용 컴퓨터를 이용하여 채널(120)과 버퍼(140a, 140b) 모양에 따라 왁스가 종이에 인쇄될 수 있다.

채널(120)은 길다란 선의 형태로 형성되어 농축 장치(100)에서 모세관의 역할을 한다. 채널(120)의 양 끝(130a, 130b) 중 적어도 하나는 채널(120)의 가운데 부분에 비하여 더 넓은 너비를 가질 수 있다. 채널(120)의 양 끝(130a, 130b) 부분에 농축을 위해 액체를 떨어뜨려야 하므로 충분히 넓은 너비를 확보하면 농축 작업이 좀 더 쉬워질 수 있다.

단계 320에서 제조 장치는 종이에 소수성 물질을 침투시킨다. 예를 들어 제조 장치는 왁스가 인쇄된 종이를 가열하여 왁스를 종이에 침투시킬 수 있다. 핫플레이트에서 섭씨 150도로 2분간 왁스가 인쇄된 종이를 가열하면 종이에 인쇄된 왁스가 융해되거나 종이에 스며들 수 있는 상태가 되어 종이에 스며든다. 그에 따라 채널(120)과 버퍼(140a, 140b)를 제외한 나머지 부분의 종이에는 소수성의 왁스가 침투하여 물이 확산될 수 없고, 채널(120)과 버퍼(140a, 140b) 부분에만 물이 확산될 수 있게(친수성) 된다.

채널(120)과 버퍼(140a, 140b)의 영역은 종이로 구성되며 소수성 물질이 침투하지 않았으므로 친수성을 유지한다. 하지만 소수성 물질, 예를 들어 왁스가 채널(120)과 버퍼(140a, 140b)를 둘러싸서는 부분의 종이에 침투하여 채널(120)과 버퍼(140b, 140b)를 형성한다. 채널(120)과 버퍼(140a, 140b)를 둘러싸서는 부분은 소수성 물질, 예를 들어 왁스가 침투하여 소수성을 가진다.

단계 330에서 제조 장치는 도 1b와 같은 선택적 이온 투과막(150)을 종이의 일면에 형성한다.

선택적 이온 투과막(150)은 예를 들어 두 버퍼(140a, 140b)를 연결하고 채널(120)을 가로지르도록 형성될 수도 있다. 선택적 이온 투과막(150)은 종이(110)의 한 쪽 면에 형성된다. 농축을 위한 작업 때에는 선택적 이온 투과막(150)이 종이(110)의 아래쪽에 위치할 수 있다.

선택적 이온 투과막(150)의 형성 과정에 대해서는 도 4를 참조하여 상세히 후술한다.

단계 340에서 제조 장치는 종이(110)에 전원을 연결한다. 도 2에서 보이는 바와 같이 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에는 전원(210)의 양극(陽極)이 연결되고 버퍼 중 하나(140b)에는 음극이 연결된다. 전원(210)이 전압을 가하면 후술하는 바와 같이 농축이 진행될 수 있다.

변형 예에 따르면 제조 장치는 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 추출 패드를 부착할 수 있다. 추출 패드는 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 연결되어 분석 대상 물질 중 선택적 이온 투과막(150)을 통과한 물질을 추출하여 채널(120) 바깥으로 추출해 낸다. 그에 따라 지속적으로 분석 대상 물질을 선택적 이온 투과막(150)에 통과시켜서 농축하려는 물질을 더 높은 농축도로 농축할 수 있다.

도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 선택적 이온 투과막(150) 형성 과정(330)의 순서도이다.

단계 410에서 제조 장치는 판 위에 양면 접착 테이프 두 줄을 서로 떨어뜨려 부착한다.

도 5a는 단계 410 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 5b는 단계 410 이후의 중간 생산물의 평면도이다.

판(520)은 예를 들어 유리판이 될 수 있다. 유리판(520)위에 양면 테이프 두 줄(510a, 510b)이 서로 떨어져서 부착된다. 실제 농축 장치는 양면 접착 테이프 두 줄(510a, 510b) 사이에 형성되므로 양면 접착 테이프 두 줄(510a, 510b)은 충분히 떨어져 있어야 한다.

단계 420에서 제조 장치는 양면 접착 테이프에 일면 접착 테이프를 부착한다.

도 6a는 단계 420 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 6b는 단계 420 이후의 중간 생산물의 평면도이다.

단계 420에서 일면 접착 테이프(160)의 접착면은 양면 접착 테이프(510a, 510b)의 반대쪽인 바깥쪽을 향하도록 부착된다.

단계 430에서 제조 장치는 선택적 이온 투과막(150), 예를 들어 내피온 선을 일면 접착 테이프(160)의 접착면에 부착한다.

도 7a는 단계 430 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 7b는 단계 430 이후의 중간 생산물의 평면도이다.

실제 농축 장치는 양면 접착 테이프 두 줄(510a, 510b) 사이에 형성되므로 선택적 이온 투과막(150)의 적어도 일부는 두 줄의 양면 접착 테이프(510a, 510b) 사이에 부착될 수 있다.

단계 440에서 제조 장치는 왁스가 침투된 종이(110)를 일면 접착 테이프(160)에 부착한다.

도 8a는 단계 440 이후의 중간 생산물의 측면도이다. 도 8b는 단계 440 이후의 중간 생산물의 평면도이다.

도 8b를 참조하면 알 수 있듯이 채널(120) 및 버퍼(140a, 140b가 형성된 종이(110)가 일면 접착 테이프(160)에 부착된다. 선택적 이온 투과막(150)은 버퍼(140a, 140b)에 연결되며 채널(120)을 가로지르도록 형성된다. 선택적 이온 투과막(150)은 선택적으로 이온을 통과시키는 선택적 이온 투과 물질로 이루어진 나노채널(나노다공성 막)을 포함한다. 선택적 이온 투과 물질은 특정한 이온과는 잘 결합하고 서로 끌어들이지만, 다른 이온과는 잘 결합하지 않고 끌어들이지 않는 특성을 가진 물질을 말한다. 선택적 이온 투과 물질은 예를 들어 내피온(nafion)이 될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 내피온이 선택적 이온 통과 물질로서 사용된 경우, 즉 선택적 이온 투과막(150)이 내피온 선인 경우를 설명한다.

도 9a 는 단계 450을 설명하기 위한 측면도이다. 도 9b 는 단계 450을 설명하기 위한 평면도이다.

단계 450에서 제조 장치는 두 양면 접착 테이프(510a, 520b) 사이의 적어도 일부분(530)에 해당하는 종이(110)를 분리해 낸다. 단순하게 종이(110)와 일면 접착 테이프(160)를 함께 잘라내는 것으로 단계 450이 수행될 수 있다.

상술한 방식에 따르면, 간편하게 농축 장치(100)를 생산해 낼 수 있다.

도 10은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 과정의 순서도이다.

도 11은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 과정의 모식도이다.

도 10의 실시 예에서 전원 연결과 도전성 액체 점습이 모두 수행되지 않은 상태에서 농축 과정이 시작된다. 하지만 다른 실시 예에 따르면 전원 연결과 도전성 액체 점습이 제조 과정에서 완료되고, 농축 과정은 분석 대상 액체를 투여하는 단계(140) 및 전압을 인가하는 단계(1050)만을 포함할 수도 있다. 또한, 단계 1010 내지 1040 중 일부가 제조 과정에서 수행되고, 농축과정에서는 생략될 수도 있다. 본 실시 예에서는 단계 1010 내지 1050 전부가 수행되는 경우를 가정한다.

단계 1010에서 농축 장치는 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 전원(210)의 양극을 연결한다. 단계 1020에서 농축 장치는 버퍼(140a)에 전원(210)의 음극을 연결하거나 버퍼(140a)를 접지한다. 이러한 과정을 통해 도 2와 같이 전원(210) 연결이 완료된다. 이후 전원(210)이 전압을 가하면 그에 따라 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 투여된 분석 대상 액체의 이온들이 다른 쪽 끝(130b)을 향해 확산될 수 있다. 생산 시에 전원이 미리 연결돼 있는 농축 장치에 대해서는 단계 1010 및 단계 1020이 생략될 수 있다.

단계 1030에서 농축 장치는 버퍼(140a, 140b)를 도전성 액체로 점습(霑濕)한다. 도전성 액체가 버퍼(140a, 140b)를 점습하면 선택적 이온 투과막(150)이 선택적 이온 투과막 역할을 할 수 있다. 버퍼(140a, 140b)가 점습된 상태로 제조되고, 그 상태가 유지되어 사용되는 경우 단계 1030이 생략될 수 있다.

단계 1040에서 농축 장치는 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 분석 대상 액체를 투여한다. 여기서 분석 대상 액체가 투여되는 곳은 전원의 양극이 연결된 곳과 같은 방향에 위치한다. 전압이 아닌 다른 방식으로 이온이 확산되는 경우에는 확산 방향에 따라 분석 대상 액체가 투여될 수 있다. 분석 대상 액체는 여러 이온이 혼합/용해된 액체이며, 선택적 이온 투과막(150)은 분석 대상 액체에 포함된 이온 중 일부만을 투과시킨다. 그에 따라 분석 대상 액체의 이온 중 일부는 선택적 이온 투과막(150)에 고착되고, 나머지는 선택적 이온 투과막(150)을 지나쳐서 반대쪽 끝으로 확산된다.

단계 1050에서 농축 장치는 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 전압을 인가한다. 전압을 인가하면 상술한 바와 같이 이온이 확산되어 선택적 이온 투과막(150)을 지난 위치에는 선택적으로 투과된 이온만이 확산되고, 선택적 이온 투과막(150)의 위치에서 약간 양극 쪽으로 이동한 위치에는 분석 대상 액체 중 선택적 이온 투과막과 강하게 끌어당기는 일부 이온이 농축된다.

특히 농축 장치가 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 부착된 추출 패드를 포함하는 경우 추출 패드는 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 연결되어 분석 대상 물질 중 선택적 이온 투과막(150)을 통과한 물질을 추출하여 채널(120) 바깥으로 추출해 낸다. 그에 따라 지속적으로 분석 대상 물질을 선택적 이온 투과막(150)에 통과시켜서 농축하려는 물질을 더 높은 농축도로 농축할 수 있다.

추출 패드 사용이 부적당한 경우 채널(120)의 길이와 너비, 단면 높이(두께)와 채널 부분의 종이 물성을 조절하여 분석 대상 물질의 유동성을 조정할 수 있다.

채널 내의 분석대상 물질의 용적 유속(volumetric flow rate)를 Q라고 하고, 채널 양 단의 유체 압력의 차이를 ΔP라고 할 때 아래 수학식을 통해 Q를 계산할 수 있다.

<수학식 1>

Q=-(kWH/μL)ΔP

여기서 μ는 분석대상 물질의 점성(viscosity)이고, L은 채널의 길이이다. k는 채널 부분 종이의 분석 대상 물질에 대한 투과성(permeability)이다. WH는 채널의 길이 방향에 수직한 단면적의 넓이이다. W는 채널의 너비, H는 채널의 두께이다.

유체 저항 R은 수학식 1의 계수 (kWH/μL)의 역수이다. 즉 R=(μL/kWH)이다.

분석대상 물질의 점성과 종이의 분석대상 물질에 대한 투과성이 정해진다면, 채널의 너비, 두께 및 길이를 조절하여 유체저항 R을 적당한 수준으로 맞출 수 있다.

도 11을 참조하면 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 투여된 분석 대상 액체의 이온들이 화살표 방향대로 오른쪽으로 확산되고, 그 이온들 중 선택적 이온 투과막(150)을 투과하지 못하는 이온들은 선택적 이온 투과막(150)과 채널(120)이 교차하는 지점으로부터 양극 쪽으로 약간 이동한 위치인 농축 지점(1110)에 농축된다. 이온들 중 선택적 이온 투과막(150)을 투과하는 이온들은 선택적 이온 투과막(150)을 지나 채널(120)의 다른 쪽 끝(130b)을 향해 확산된다.

도 10 및 도 11을 참조하여 설명한 실시 예에서, 분석 대상 액체가 투입되었으나, 물에 녹을 수 있는 고체나 기체 형태의 분석 대상 물질이 투입될 수도 있다. 예를 들어 채널(120)을 미리 물로 점습해 두고 분말 형태의 분석 대상 물질을 채널(120)의 한 쪽 끝(130a)에 투입할 수도 있다.

도 12a는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 농축 장치(100)의 측면도이다.

도 12b 내지 도 12d는 농축 장치(100)내의 물질의 흐름을 나타낸 측면도이다. 도 12b 내지 도 12d는 도 12a의 일부분(1210)을 확대하여 표시한 것이다.

도 12b를 참조하면 양극 방향에서 음극/접지 방향으로 전압과 역학적 압력(또는 힘)이 가해지는 것을 알 수 있다. 도 10 내지 도 11의 실시 예에서 역학적 압력은 물이 확산되려는 성질(모세관 현상; capillary action)에 의한 것이다. 그에 따라 도 12c와 같이 농축 지점(1110) 이전에는 배경 음이온, 배경 양이온 및 농축 대상 물질이 모두 음극 방향으로 이동된다. 이렇게 이온이 이동하면 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상이 일어난다.

폴리머나 실리콘 기반의 농축 장치는 그 기반 물질의 물리적 특성과 표면 포텐셜 특성에 따라 이온 농도 분극 현상이 있더라도 농축이 정상적으로 일어날 수 있다. 하지만 종이 기반 구조를 이용하는 경우 종이의 특성에 따라 도 12d와 같이 음으로 하전된 분석 대상 물질이 양극 방향으로 역행하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 추출 패드를 이용할 수 있다.

도 13a는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 추출 패드(1310)를 부착한 농축 장치(100)의 평면도이다. 도 13b는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 추출 패드(1310)를 부착한 농축 장치(100)의 측면도이다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 추출 패드(1310)가 부착된다. 추출 패드(1310)는 친수성 소재로 구성된다. 추출 패드(1310)의 모양이나 두께, 너비, 길이 등에는 제한이 없으나, 추출 패드(1310)의 면적이 넓어질수록/두꺼워질수록 추출패드의 성능이 향상될 수 있다. 본 실시 예에서 추출 패드(1310)가 얇고 넓은 종이/천 형태인 것으로 설명하였으나, 직육면체 모양이나 농축 장치(100)의 두께 방향으로 길쭉한 모양의 기둥 형태가 될 수도 있다.

선택적 이온 투과막(150)을 지난 분석 대상 물질은 채널(120)의 한 쪽 끝(130b)에 도착한 뒤 추출 패드(1310)로 이동된다. 그에 따라 이온 분극 현상이 완화될 수 있고, 도 12d를 참조하여 설명한 문제점이 해결될 수 있다.

상술한 실시 예들에 따른 농축 장치는 종이 기반이므로 제조가 쉽고 제조 비용이 저렴하며 그 크기가 작고, 또한 농축 방식이 간단하여 많은 용도로 편리하게 사용될 수 있다. 이 농축 장치를 이용하면 우수한 성능의 휴대용 농축/반응 실험 장치도 개발할 수 있을 것이다.

또한 배경기술 항목에서 언급된 Max M. Gong의 논문 <Nanoporous Membranes Enable Concentration and Transport in Fully Wet Paper-Based Assays>의 방식의 경우, 두 번의 내피온 패터닝을 포함하고 있으며, 그에 따라, 패터닝 면적에 제한이 있다. 따라서 위 논문의 방식에 따른 농축비는 20-fold (왁스 프린트된 종이, 2차원 구조) 혹은 40-fold (스탬프(para-Methoxy-N-methylamphetamine), 3차원 구조)에 불과하다. 하지만 본 명세서의 실시 예들, 특히 도 13a 및 도 13b의 실시 예에 따르면 이보다 높은 농축비를 구현할 수 있다.

기타 종이 방식이 아닌 농축기들은 제조 방법이 어렵거나 재료비가 비싸거나 크기가 지나치게 크거나 무게가 무거운 등의 단점이 있다. 하지만 종이 방식의 본 명세서의 실시 예들에 따르면 아주 작은 크기(2.5cm x 2.5cm)로 구현될 수 있으며 가벼운 종이로 이루어져 가볍다. 또한 비교적 저렴한 재료(종이 등)를 이용하여 왁스 프린터, 일면 접착 테이프, 양면 접착 테이프, 유리판 등 저렴한 장비로 제조할 수 있다는 장점이 있다.

이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.

본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100: 농축 장치 110: 종이
120: 채널 130a, 130b: 채널의 한 쪽 끝
140a, 140b: 버퍼 150: 선택적 이온 투과막
160: 일면 접착 테이프 210: 전원
510a, 510b: 양면 접착 테이프 520: 유리판
1110: 농축 지점 1310: 추출 패드

Claims

농축 장치에 있어서,
종이;
상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널;
상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되는 버퍼; 및
상기 종이의 일 면에 형성되며 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 포함하고,
상기 선택적 이온 투과막은 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르며,
상기 선택적 이온 투과막은 내피온(nafion)으로 구성되고,
상기 농축 장치는,
종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계;
상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계; 및
나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법으로 제조되며,
상기 선택적 이온 투과막을 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계는,
판 위에 양면 접착 테이프 두 줄을 서로 떨어뜨려 부착하는 단계;
상기 양면 접착 테이프 두 줄에 일면 접착 테이프를 접착면이 바깥쪽을 향하도록 고정하는 단계;
상기 양면 접착 테이프와 겹치지 않는 위치의 상기 일면 접착 테이프의 접착면에 내피온 선을 부착하는 단계;
상기 종이를 상기 내피온 선이 부착된 일면 접착 테이프에 부착하되, 상기 내피온 선이 상기 버퍼와 연결되고 상기 채널을 가로지르도록 부착하는 단계; 및
상기 일면 접착 테이프가 접착된 상기 종이 중 상기 양면 접착 테이프 사이에 위치하는 부분 중 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 채널의 적어도 한 쪽 끝은 상기 채널의 중간 부분보다 더 큰 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항에 있어서,
상기 소수성 물질은 왁스인 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항에 있어서,
상기 채널의 한 쪽 끝에 양극(陽極)이 연결된 전원을 더 포함하고,
상기 버퍼는 상기 전원의 음극에 연결되거나 접지되는 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항에 있어서,
상기 버퍼는 도전성 액체로 점습(霑濕)된 것을 특징으로 하는 농축 장치.
제1항에 있어서,
상기 채널의 한 쪽 끝에 부착된 친수성의 추출 패드를 더 포함하는 농축 장치.
종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계;
상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계; 및
나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함하고,
상기 선택적 이온 투과막은 내피온(nafion)으로 구성되며,
상기 선택적 이온 투과막을 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계는,
판 위에 양면 접착 테이프 두 줄을 서로 떨어뜨려 부착하는 단계;
상기 양면 접착 테이프 두 줄에 일면 접착 테이프를 접착면이 바깥쪽을 향하도록 고정하는 단계;
상기 양면 접착 테이프와 겹치지 않는 위치의 상기 일면 접착 테이프의 접착면에 내피온 선을 부착하는 단계;
상기 종이를 상기 내피온 선이 부착된 일면 접착 테이프에 부착하되, 상기 내피온 선이 상기 버퍼와 연결되고 상기 채널을 가로지르도록 부착하는 단계; 및
상기 일면 접착 테이프가 접착된 상기 종이 중 상기 양면 접착 테이프 사이에 위치하는 부분 중 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는 농축 장치 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 소수성 물질은 왁스이며,
종이에 선의 형태로 형성되는 채널 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼를 둘러싸도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계는, 상기 종이에 상기 채널 및 상기 버퍼를 둘러싸는 위치에 왁스를 인쇄하는 단계를 포함하는 농축 장치 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계는,
상기 왁스가 인쇄된 종이를 상기 왁스가 융해될 수 있는 온도로 가열하는 단계를 포함하는 농축 장치 제조 방법.
삭제
제8항에 있어서,
상기 채널의 적어도 한 쪽 끝은 상기 채널의 중간 부분보다 더 큰 너비를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 농축 장치 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 채널의 한 쪽 끝에 친수성의 추출 패드를 부착하는 단계를 더 포함하는 농축 장치 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 버퍼를 도전성 액체로 점습(霑濕)하는 단계를 더 포함하는 농축 장치 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 채널의 한 쪽 끝에 전원의 양극(陽極)을 연결하는 단계; 및
상기 버퍼에 상기 전원의 음극을 연결하거나 접지전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 농축 장치 제조 방법.
종이, 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 채널, 상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되는 버퍼 및 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성된 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 포함하는 농축 장치를 이용한 농축 방법에 있어서,
상기 채널의 한 쪽 끝에 전원의 양극(陽極)을 연결하는 단계;
상기 버퍼에 상기 전원의 음극을 연결하거나 접지전극을 형성하는 단계;
상기 버퍼를 도전성 액체로 점습(霑濕)하는 단계;
상기 채널의 상기 한 쪽 끝에 분석 대상 물질을 투여하는 단계; 및
상기 전원을 통해 전압을 가하는 단계를 포함하고,
상기 선택적 이온 투과막은 내피온(nafion)으로 구성되고,
상기 농축 장치는,
종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계;
상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계; 및
나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법으로 제조되며,
상기 선택적 이온 투과막을 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계는,
판 위에 양면 접착 테이프 두 줄을 서로 떨어뜨려 부착하는 단계;
상기 양면 접착 테이프 두 줄에 일면 접착 테이프를 접착면이 바깥쪽을 향하도록 고정하는 단계;
상기 양면 접착 테이프와 겹치지 않는 위치의 상기 일면 접착 테이프의 접착면에 내피온 선을 부착하는 단계;
상기 종이를 상기 내피온 선이 부착된 일면 접착 테이프에 부착하되, 상기 내피온 선이 상기 버퍼와 연결되고 상기 채널을 가로지르도록 부착하는 단계; 및
상기 일면 접착 테이프가 접착된 상기 종이 중 상기 양면 접착 테이프 사이에 위치하는 부분 중 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는 농축 방법.
종이, 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 선의 형태로 형성되는 채널, 상기 채널과 떨어진 위치에 상기 종이에 침투한 소수성 물질로 둘러싸여 형성되며 도전성 액체로 점습(霑濕)된 버퍼, 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성된 나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막 및 상기 채널의 한 쪽 끝에 양극(陽極)이 연결되고 상기 버퍼에 음극이 연결된 전원을 포함하는 농축 장치를 이용한 농축 방법에 있어서,
상기 채널의 상기 한 쪽 끝에 농축 분석 대상 물질을 투여하는 단계; 및
상기 전원을 통해 전압을 가하는 단계를 포함하고,
상기 선택적 이온 투과막은 내피온(nafion)으로 구성되고,
상기 농축 장치는,
종이에 선의 형태로 형성되는 친수성의 채널의 경계 및 상기 채널과 떨어진 위치에 형성되는 버퍼의 경계를 형성하도록 소수성 물질을 흡착시키는 단계;
상기 소수성 물질이 흡착된 종이에 상기 소수성 물질을 침투시키는 단계; 및
나노채널을 포함하는 선택적 이온 투과막을 상기 버퍼와 연결되며 상기 채널을 가로지르도록 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법으로 제조되며,
상기 선택적 이온 투과막을 상기 종이의 일 면에 형성하는 단계는,
판 위에 양면 접착 테이프 두 줄을 서로 떨어뜨려 부착하는 단계;
상기 양면 접착 테이프 두 줄에 일면 접착 테이프를 접착면이 바깥쪽을 향하도록 고정하는 단계;
상기 양면 접착 테이프와 겹치지 않는 위치의 상기 일면 접착 테이프의 접착면에 내피온 선을 부착하는 단계;
상기 종이를 상기 내피온 선이 부착된 일면 접착 테이프에 부착하되, 상기 내피온 선이 상기 버퍼와 연결되고 상기 채널을 가로지르도록 부착하는 단계; 및
상기 일면 접착 테이프가 접착된 상기 종이 중 상기 양면 접착 테이프 사이에 위치하는 부분 중 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는 농축 방법.