KR101662802B1 - 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법 - Google Patents

유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간단한 방법에 의해 경제적으로 제작이 가능하며, 특정 구간의 유로 높이를 차등 형성하는 것에 의해 해당 구간에서 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종이에 유로 경계의 형상을 갖는 왁스 패턴이 인쇄된 후 열처리되어 유로가 형성되는 종이칩에 있어서, 상기 유로 중 일부 구간의 유로면에 왁스가 인쇄된 후 열처리되어 해당 구간의 유로 높이가 다른 구간에 비해 더 낮게 형성된 지연유로를 포함함으로써 해당 구간에서의 유체의 이동이 지연되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법{Paper Chip Enabling Control of Flow-Rate and Fabrication Method thereof}
본 발명은 간단한 방법에 의해 경제적으로 제작이 가능하며, 특정 구간의 유로 높이를 차등 형성하는 것에 의해 해당구간에서의 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩 및 그 제조방법에 관한 것이다.
고령화 사회의 진입에 따라 생산 가능 연령층의 상대적인 비율이 감소하고 질병 발생률이 높은 고 연령층의 인구가 증가함에 따라 의료용 진단 비용이 심각한 문제로 부각되고 있다. 의료보험 혜택이 제대로 갖추어지지 못한 개발도상국의 경우에도 개개인의 질병의 진단 비용으로 인한 어려움을 겪고 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는 의료기관이나 가정에서 적은 비용으로 질병을 진단할 수 있는 저가형 진단 장비가 필요하다.
종이칩은 하나의 칩에서 동시에 다중 분석이 가능하도록 시료를 분리된 여러 공간으로 분배할 수 있으며, 모세관 현상의 원리를 이용하여 유체가 흐르기 때문에 별도의 펌프가 필요 없고, 적은 부피의 시료로도 분석이 가능하고, 소각에 의해 폐기가 가능하여 위험 폐기물을 손쉽게 제거할 수 있다는 장점으로 인하여 초저가형 의료용 분석장비로써 응용가능성이 주목받고 있다.
종이칩은 시료에 담가 색의 변화를 관측하는 딥스틱(dipstick) 형태와, 다공성 특성에 기인한 측방 유동(lateral flow)을 이용한 형태로 나눌 수 있다. 유체의 진행방향이 수평방향으로만 이동하도록 고안된 2차원 종이칩에 비해 수직과 수평방향으로의 이동이 가능한 3차원 종이칩은 동일한 공간에서 동시다중분석이 가능하며, 집약된 공간에서의 다단계 분석의 가능성을 제시하였다. 본 발명의 발명자들은 양면 왁스 인쇄 및 가열에 의한 3차원 종이칩의 제작 방법을 개발하여 등록특허 제10-1493051호로 등록받은 바 있다.
대부분의 생화학 분석은 순차적인 반응을 필요로 하기 때문에 3차원 종이칩을 이용하여 생화학 분석을 하기 위해서는 유체 지연(fludic time delay)를 통한 유체 이동속도의 조절이 필수적이다. 종래 종이칩의 유체 이동속도 조절을 위한 방법은 크게 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 나눌 수 있다.
먼저, 물리적인 방법으로 유로(channel)의 길이를 길게 하여 이동시간을 지연시키거나, 유로에 설탕을 퇴적(deposition)시켜서 그 위로 흐르는 유체의 점성을 높이는 것에 의해 유체의 속도를 낮추는 방법이 있다. 전자의 경우, 긴 유로일수록 많은 공간의 종이를 사용해야 하고 많은 양의 시료를 필요로 하는 한계점이 있다. 후자의 경우 종이칩의 제조 공정에서 유로를 형성한 후 설탕을 처리해야 하는 순차적인 공정이 필요하고, 설탕을 원하는 유로의 위치에 정확히 처리하는 것 또한 쉽지 않다. 그 이외에도 추가적으로 자석을 이용한 밸브를 이용하거나, 풀루란(pullulan)또는 설탕으로 제작한 녹는 다리(bridge)를 유로 사이에 두어서, 일정시간 동안 유체가 흐르면 녹아서 사라지게 함으로써 유체의 흐름을 지연시키는 경우도 있다. 이러한 자석 기반 밸브 또는 용해성 다리를 이용한 유체 흐름 조절은 자석 기반 밸브나 다리를 별도로 제작해야 하며, 종이와의 정렬 및 부착 공정이 추가로 필요하다.
화학적인 방법으로는 유로에 과산화 수소를 만나면 친수성으로 바뀌는 소수성 물질을 처리하여 샘플의 과산화 수소의 농도에 따라 유체의 유속을 조절하는 방법이 있다. 이러한 방법 또한 유로를 형성하는 공정 이후에 특정 위치마다 소수성 물질을 처리해야 하는 추가적인 공정이 필요하다. 또한 해당 추가 공정들은 단계별 (step by step) 공정이므로 롤투롤(roll to roll) 공정에 적용하기 어려우므로 종이칩의 제작 단가가 높아진다는 문제가 있다.
등록특허 제10-1493051호
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 일부 구간의 유로 높이를 차등 형성하는 것에 의한 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 추가적인 공정 없이 종래의 왁스 인쇄 및 가열에 의한 공정만으로 간편하고 경제적인 방법에 의해 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 상기 방법에 의해 제작된 종이칩의 구체적인 사용예로써, 유체의 이동속도 조절을 통한 순차 반응에 의한 시료분석용 종이칩을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 종이에 유로 경계의 형상을 갖는 왁스 패턴이 인쇄된 후 열처리되어 유로가 형성되는 종이칩에 있어서, 상기 유로 중 일부 구간의 유로면에 왁스가 인쇄된 후 열처리되어 해당 구간의 유로 높이가 다른 구간에 비해 더 낮게 형성된 지연유로를 포함함으로써 해당 구간에서의 유체의 이동이 지연되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩에 관한 것이다.
종이에 유로 경계의 형상을 갖는 왁스 패턴을 인쇄한 후 열처리하면 왁스가 녹으면서 종이에 스며들어 종이에 소수성의 경계를 갖는 유로가 형성된 종이칩을 제조할 수 있다. 유로에서 유체의 유속은 하기 실시예의 사전실험에서 확인한 바와 같이 다른 조건이 동일하다면 유로의 높이와 비례하여 유로의 높이가 높을수록 빠르게 이동하였다(도 1 참조). 본 발명은 상기와 같은 사전실험 결과를 응용한 것으로, 유로 중 일부 구간의 유로 높이가 다른 구간보다 낮다면 해당 구간에서 유체 이동이 지연되는 지연유로를 형성할 수 있다는 것에 착안한 것이다. 본 발명에서는 유로면에 왁스를 인쇄한 후 열처리하는 것에 의해 유로 높이가 다른 구간에 비해 더 낮게 형성된 지연유로를 포함하여 해당 구간에서의 유체의 이동이 지연되는 것을 특징으로 한다.
유로의 경계 형상은 인쇄하여 열처리한 후 왁스의 높이가 열처리 후 종이의 높이와 같도록 하는 것이 좋다. 통상 종이의 두께는 인쇄 및 열처리 과정에서 롤러를 통과하기 때문에 인쇄 및 열처리 전에 비해 감소하게 된다. 만일 유로 경계 형상을 구성하는 왁스의 열처리 후 높이가 열처리 후 종이의 높이보다 낮다면, 시료 또는 전개/반응 용매의 주입용 패드 후면에 왁스로 지지판을 형성하여 로딩된 시료 또는 전개용매가 종이의 후면을 통해 퍼지지 않도록 하는 것이 바람직하다. 또한 지연유로에서 유로면에 인쇄된 왁스의 열처리 후 높이는 유로면에 왁스가 처리되지 않은 구간의 열처리 후 높이에 비해 낮아야 함은 당연하다. 만일 인쇄된 왁스의 열처리 후 높이가 유로면에 왁스가 처리되지 않은 구간의 열처리 후 높이와 동일하다면 상기 지연구간의 유로의 높이가 "0"이 되므로 유체의 이동이 불가능하게 된다.
본 발명의 종이칩은 지연유로가 한 구간에 형성되는 것에 한정되는 것이 아니라 복수 구간에 형성될 수 있다. "복수 구간"이라 함은 두 개 이상의 구간을 의미하는 것으로 그 수를 한정하는 것은 의미가 없다. 다만, 하나의 경로에 유체의 속도가 느린 구간과 빠른 구간이 연속되어 있다면 병목현상에 의한 속도가 가장 느린 지연구간의 유체 속도에 의해 해당 경로의 유체 속도가 결정될 것이므로, 유체 속도가 느린 구간 이후에 유체의 속도를 빠르게 하기 위해서는 다른 경로와의 합류가 이루어지도록 해야 한다. 복수 구간에 지연유로가 형성된 본 발명의 종이칩에서 적어도 두 개의 지연유로의 유로면은 서로 다른 용융점도를 갖는 왁스로 각각 인쇄한 후 열처리하여 형성할 수 있다. 서로 다른 용융점도를 갖는 왁스로 인쇄하면 동일 조건에서 열처리한다고 하여도 열처리 후 유로의 높이가 서로 다르게 형성되기 때문에 유체의 이동속도를 차등하게 조절하는 것이 가능하다.
지연유로는 유로 경계 형상의 왁스 패턴의 인쇄 시, 유로 경계 형상에 더하여 지연유로의 유로면에 함께 왁스를 인쇄하여 열처리 할 수 있다. 유로면은 유로 경계 형상과 동일면(이하, "종이의 전면"이라 함)에 인쇄될 수도 있으며, 유로 경계 형상의 반대면(이하 "종이의 후면"이라 함)에 인쇄될 수도 있다. 지연유로의 형성을 위해 종이의 전면에 왁스 인쇄하는 경우에는 왁스면이 전면에, 지연유로가 후면에 형성되므로 유체의 이동을 관측하는 것이 불편할 수 있다. 따라서, 지연유로의 유로면에 해당하는 종이의 후면에 왁스 인쇄를 행한 후 열처리하여 지연유로를 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 유체의 이동 속도 조절이 가능한 종이칩은 지연유로의 성질을 이용하여 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들면, 종이칩에서 시료와의 반응을 요하고, 반응에 시간이 소요되는 경우 지연유로 상에 시료와 반응할 물질을 흡착 또는 고정시키고 지연유로 하단에 시료를 로딩할 수 있다. 이러한 구성에 의해 지연유로 상에서 시료의 이동이 느려지므로 반응시간을 충분히 확보할 수 있다. 또는 반대로 지연유로 상에 시료와 반응할 물질을 흡착시킨 후 지연유로의 상단에 시료를 로딩하고, 반응/전개 용매를 추가를 사용하여 흡착된 시료를 지연 이동시켜 시료와 반응하도록 할 수도 있다. 이에 더하여 전개용매의 이동 경로를 두 갈래로 형성하고 한쪽에 지연유로를 형성하며, 지연유로의 하단에서 나누어진 경로가 합류하도록 하면 반응시간은 충분히 확보하면서 반응 후 물질의 전개는 빠르게 이루어지므로 종이칩을 사용한 분석이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다.
더욱 구체적인 예로, 본 발명의 종이칩은 효소면역분석법(ELISA)에 의한 시료 분석용 칩으로 사용할 수 있다. 그 예로 하기 실시예에 기재된 바와 같이, 본 발명의 효소면역분석을 위한 종이칩은 시료 분석용 유로; 상기 시료 분석용 유로의 하단에 위치하며 시료 분석용 유로와 연결된 시료 로딩부; 각각 독립된 유로를 갖는 두 개의 주입경로에 의해 시료 로딩부에 연결되며 시료의 전개 및 반응을 위한 용매가 주입되는 용매 로딩부;로 구성되며, 상기 두 개의 주입경로 중 하나의 주입경로가 지연유로로 이루어져 용매 로딩부에 주입된 용매가 상기 두 개의 주입경로를 통해 시료 분석용 유로에 순차적으로 유입되고, 상기 시료 분석용 유로에는 분석하고자 하는 항원에 특이적인 항체가 고정되어 있으며, 두 개의 주입경로 중 먼저 시료 로딩부에 용매가 도달하는 주입경로인 제1주입경로와 시료 로딩부의 사이에 상기 항원에 특이적인 항체와 효소의 효소복합체가 흡착되어 있고, 지연유로가 형성되어 제1주입경로보다 늦게 시료 로딩부에 용매가 도달하는 주입경로인 제2주입경로에 상기 효소와 특이적으로 반응하며 반응에 의해 가독성이 생기는 기질이 흡착되어 있는 구성을 가질 수 있다. 상기에서 가독성이 생긴다는 것은 발색과 같이 별도의 장치가 없이도 식별이 가능하게 되는 것 뿐 아니라, 형광과 같이 눈으로는 식별이 어렵지만 추가적인 장치를 사용하여 식별이 가능한 것도 포함한다. 상기 구성에 의해 제1주입경로를 통한 용매는 먼저 효소복합체와 항원의 반응에 의한 항원-항체-효소복합체를 형성하여 유로로 이동시키는 것에 의해 항원-항체-효소 복합체가 유로에 고정화된 항체와 결합하도록 한다. 이때 항원의 양이 많을수록 유로 상에서 고정화된 항체와 결합하는 길이가 더 길어진다. 이후 제2주입경로를 통한 용매는 기질을 이동시켜 항원-항체-효소 복합체의 형태로 고정화된 항체와의 결합에 의해 유로에 결합된 효소와 반응하며, 반응에 의해 얻어진 가독성에 의해 시료 중 항원의 유무를 분석하는 것이 가능하다. 더 나아가 3,3'-diaminobenzidine(DAB)이 퍼옥시다제(peroxidase)와의 반응에 의해 Poly(DAB)로 변환되는 것과 같이 기질이 효소와의 반응에 의해 이동성이 크게 낮아진다면, 기질이 반응 후 용매와의 이동이 제한되므로 시료 중 함유된 항원의 양을 정량적으로 분석하는 것이 가능하다.
시료 또는 용매의 주입 시 사용자에 의해 높은 압력이 가해질 경우 유로까지 액체가 주입되는 것을 방지하기 위하여 상기 시료 로딩부 및/또는 용매 로딩부에는 추가로 시료 로딩부 및/또는 용매 로딩부보다 작은 시료 패드링 및/또는 전개액 패드링을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 시료 패드링 및/또는 전개액 패드링은 링으로 형상을 묘사하였으나 반드시 원형일 필요는 없으며, 주입구보다 작은 크기의 다각형, 원, 타원 및 부정형의 폐각형을 모두 포함한다.
또한 본 발명은 종이에 유로 경계의 형상 및 유체의 이동속도를 지연시키는 지연유로를 형성하는 유로의 유로면 상에 왁스 패턴을 인쇄하는 단계; 및 상기 왁스 패턴이 인쇄된 종이를 열처리하는 단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩의 제조방법에 관한 것이다.
이때, 상기 지연유로의 유로면 상에 인쇄되는 왁스 패턴은 상기 유로면에 대응하는 종이의 후면에 인쇄되는 것이 바람직하다. 또한, 지연되는 유로면 상에 인쇄되는 왁스 패턴은, 유로 경계 형상의 왁스 패턴의 인쇄와 동시에 또는 인쇄 후 순차적으로 인쇄될 수 있다. 순차적으로 인쇄가 진행되는 경우에는 유로 경계에 대한 왁스 패턴만 열처리를 먼저 진행한 후, 추가로 지연유로의 유로면에 인쇄하고 열처리를 다시 하여도 무방하다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 별도의 공정이나 물리적인 조작이 없이도, 단순히 왁스 패턴 인쇄에 의해 일부 구간의 유로 높이를 차등 형성하는 것만으로 간편하고 경제적인 방법에 의해 유체의 이동속도 조절이 가능하다. 또한 본 발명의 종이칩 제조방법은 롤투롤 방법에 적용이 가능하므로 대량 생산이 가능하여 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩을 대량생산에 의해 경제적으로 제공할 수 있다.
칩은 지연유로를 다양한 용도의 분석용 칩에 적절하게 디자인하는 것에 의해 시료의 순차반응에 의한 분석용 종이칩으로 응용하여 사용할 수 있다. 보다 구체적으로는 효수면역분석법과 같은 순차적인 반응이 필요한 생화학분석을 위한 종이칩에 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 종이칩에서 지연유로의 형성 및 원리를 설명하는 개념도.
도 2는 용융점도가 상이한 왁스를 사용하여 형성한 지연유로의 높이를 왁스의 종류 및 열처리 시간에 따라 도시한 그래프.
도 3은 유로의 높이에 따른 유체의 이동속도의 차이를 보여주는 이미지 및 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 종이칩 및 상기 종이칩에서 지연유로의 형성에 의한 유체 이동속도의 차이를 보여주는 이미지.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 효소면역분석에 의한 시료 분석용 칩의 개념도.
이하 첨부된 사전실험 및 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
사전실험 1 : 왁스의 용융 점도 및 열처리 시간에 따른 유로의 높이 평가
왁스의 종류에 따라 용융 점도가 상이하기 때문에 동일 시간을 열처리하였을 때 생성되는 유로의 높이가 달라질 것으로 예상하고, 이를 확인하기 위하여 사전실험을 실시하였다.
왁스프린터(Wax printer, Xerox ColorQube 8870)로 4가지 색상의 Solid Ink(Xerox) 각각을 사용하여 Adobe illustrator CS6 프로그램을 사용하여 폭이 1.0㎜인 선을 종이(Whatman 3MM chromatography paper)에 인쇄하였다. 사용한 컬러 왁스(Cyan (C), Magenta(M), Yellow(Y), Black(K))는 M<K<C<Y의 순서로 용융점도가 높다. 이후, 라미네이터(PhotoLami-350R6, (주)현대오피스)를 사용하여 140℃에서 0.06~0.52초간 열처리를 실시하였다. 열처리 시간은 패턴에 열이 가해지는 시간으로, 종이와 라미네이터 롤러와의 접촉시간에 의해 결정되며 가열 롤러의 회전 속도를 조절하는 것에 의해 조절하였다. 열처리 후 왁스와 종이의 경계면 관측이 용이하도록 빨간색 또는 검은색의 염료(리필잉크 삼성-110SET, 잉크나라)를 5%(v/v)의 농도가 되도록 증류수에 희석하여 종이에 흡수시키고 건조하였다.
단면을 관측할 수 있도록 종이를 자른 후 현미경(Phantom MROEX2)과 카메라(NIKON SMZ800)을 사용하여 왁스 패턴의 변화를 관측하였다.
도 2의 (A)는 상기 실험 방법의 모식도이며, (B)는 이미지 사진 및 각 조건에서의 열처리 후 각 왁스 패턴의 높이를 나타낸 그래프이다. 참고로, 왁스 인쇄 전 종이의 두께는 340㎛, 가열 후 종이의 두께는 290㎛였다.
도 2에서 왁스의 종류에 따라 열처리 후 종이에 침투된 왁스의 높이가 다른 것을 확인할 수 있었으며, M>K>C>Y 왁스 순으로 가열 높이가 높았다. 종이에서 가열에 의해 녹은 왁스는 모세관에서의 유체의 흐름과 유사한 양상을 나타내므로 왁스 패턴의 가열 후 높이는 모세관에서의 유체의 흐름에 의한 하기 Washburn equation을 따를 것으로 예상된다. 이는 왁스의 용융점도와 가열높이가 반비례한 상기 실험 결과와도 일치하였다.
Figure 112015092394580-pat00001
(L : 퍼짐거리, γ : 표면장력, D : 평균기공 직경, t : 시간 η : 점도)
또한 가열 시간이 증가함에 따라 왁스의 가열 후 높이 역시 증가하였으며, 증가 정도는 왁스의 종류에 따라 상이하였다.
사전실험 2 : 유로의 높이와 유속과의 관계 측정
동일한 종이에서 유로의 높이가 서로 다르면 유로를 흐르는 유체의 유속 또한 서로 다르고, 이를 유로의 설계에 이용하면 유체의 속도를 제어하는 것에 의해 종이칩 내에서 순차 반응이 가능할 것으로 판단된다. 이를 확인하기 위하여 유로의 높이에 따른 유속을 측정하였다.
Adobe illustrator CS6 프로그램을 사용하여 직경(내경) 14.5㎜인 원형의 시료 주입부와 주입부에 연결된 폭 2mm, 길이 41mm의 유로 형상을 디자인하였다. 시료 주입구에는 주입구보다 작은, 직경(내경) 11.5㎜의 동심원 형상의 샘플 패드 링이 포함되도록 하여 시료 주입 시 시료가 유로에 직접 접촉하지 않도록 하였다. 상기 디자인에서 유로의 형상은 검은색 왁스로, 샘플 패드 링은 노란색 왁스로 왁스 인쇄하였다.
이어, 각 주입구의 하단에 유체의 주입 시 종이 하단부를 통하여 외부로 유출되는 것을 막기 위하여 노란색 왁스로 원형 지지판을, 유로의 높이를 조절하기 위하여 각각 다른색의 왁스로 유로의 하단부를 인쇄하였다. 유로의 높이가 최대값을 갖도록 하나의 유로에는 별도의 왁스를 인쇄하지 않았다. 이후 140℃에서 0.52초간 열처리하여 각각 다른 높이의 유로를 갖는 종이칩을 제작하였다. 도 3의 (A)는 상기 방법에 의해 제작된 종이칩의 모형도이다.
이후 각 종이칩의 주입구에 리필잉크 삼성-110SET(잉크나라) 중 파란잉크를 0.3%(v/v)의 농도로 증류수에 희석한 용액 180 ㎕를 가하고 시간에 따라 이동한 거리를 측정하였다. 도 3의 (B)는 유체 주입 20분 후 각각 다른 유로 높이를 갖는 5개 채널의 이미지이고, (C)는 각 종이칩에서 시간에 따른 염료의 이동 거리를 나타낸 그래프이다.
도 3의 이미지와 그래프에서 유로의 높이는 유속에 영향을 미치며, 유로의 높이가 높을수록 유속이 빨라 같은 시간에 더 많은 거리를 이동한 것을 확인할 수 있었다. 즉, 동일 시간동안 유로의 높이가 가장 높은 유로 하단에 왁스가 인쇄되지 않은 종이칩에서의 이동거리가 가장 길었고, 유로가 높이가 높은 Y>C>K>M의 순서로 유체의 이동 거리 또한 길었다.
이는 유로의 높이가 낮을수록 유로 내에 함유된 유체의 양이 더 적기 때문에 증발되는 유체의 비율이 증가하여 유속이 더 느려지는 것으로 사료된다.
실시예 : 높이가 다른 유로를 갖는 3차원 종이칩의 제작 및 유체의 이동속도 확인
사전실험에서 용융점도가 다른 왁스를 이용하여 유로를 형성하는 것에 의해 유로 내 유체의 속도를 조절할 수 있음을 확인하고, 유로의 저면에 서로 다른 왁스를 인쇄하여 유로의 깊이를 조절하는 것에 의해 순차 반응에 의한 시료 분석용 종이칩을 제작하였다.
보다 구체적으로 도 4의 (A)에 도시된 바와 같이 종이칩의 앞면과 뒷면을 디자인하고, 디자인된 색상이 인쇄되도록 왁스 프린터로 양면 인쇄하였다. 양면 인쇄 시 검은색 디자인 면이 대칭되도록 하여 유로가 형성되도록 하였다. 이후 140℃에서 0.52초간 열처리하여 종이에 왁스를 침투시켜 종이칩을 제조하였다.
상기 디자인의 종이칩에 의하면, 전개액 패드에 주입된 유체는 두 가지 주입경로를 거쳐 유로로 이동한다. 도 4의 (A)의 오른쪽에 각 주입경로 및 유로의 단면도를 도시하였다. 도 4에서 전개액 패드의 상단에 형성된 주입경로는 하단에 형성된 주입경로에 비해 유로의 높이가 높아 유체 이동속도가 빠르기 때문에 먼저 상단의 주입경로를 통해 유체가 유로로 이동하고, 그 후 유로의 높이가 낮아 유체 이동속도가 느린 하단의 주입경로를 통해 순차적으로 유체가 유로로 이동한다.
이를 확인하기 위하여, 각 주입경로를 통한 유로로의 유체 유입을 확인할 수 있도록 상기 방법에 의해 제작한 종이칩의 상단 주입경로의 중간에 파란 잉크를, 하단 주입경로의 중간에 붉은 잉크를 흡착시킨 후 건조하였다. 잉크가 건조된 종이칩의 전개액 패드에 전개액을 주입하고 유체의 이동을 관측하였다. 도 4의 (B)는 시간에 따른 유체의 이동을 보여주는 이미지로, 유로 중 1로 표시된 구간을 지나는 유체의 주입경로를 확인할 수 있다. 즉, 시료 패드에 주입된 시료는 첫 번째 주입경로를 통하여 6.5분에, 두 번째 주입경로를 통하여 10분에, 유로의 1로 표시된 구간을 지나는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째 경로를 통하여 주입된 유체는 7로 표시된 유로의 마지막 구간을 17분 후 통과하였다.
상기 실험에 의해 종이칩에서 유로의 높이를 조절하는 것에 의해 각 주입경로를 통해 유체를 유로로 주입하는 시간을 조절할 있음을 확인하였다. 만일 서로 다른 주입경로를 통한 유체의 주입 간격은, 사용하는 왁스의 종류나 열처리 시간을 조절하여 주입경로의 높이의 차이를 조절하는 것에 의해 제어할 수 있다. 여기에 추가적으로 유로까지의 주입경로의 길이를 조절하여 원하는 시간 간격으로 유체가 각 주입경로를 통하여 순차적으로 유로에 도달할 수 있도록 제어하는 것이 가능하다. 상기 서로 다른 유로 높이를 갖는 종이칩은 순차반응에 의한 시료 분석에 이용할 수 있다. 도 5는 상기 디자인의 종이칩을 ELISA 반응에 적용한 예이다.
종이칩의 유로에는 항체가 고정화되어 있으며, 하단 주입경로 중에는 기질이, 시료 위치(도 5 중 sample로 표시된 영역) 또는 시료 위치의 하단과 상단 주입경로 사이 지점에는 효소 복합체(항체+효소)가 흡착되어 있다. 상기 종이칩에 항원이 포함된 시료를 시료 위치에 로딩한다(I). 이 후, 전개액 패드에 전개용매를 주입하면 상단의 주입경로를 통한 유체가 먼저 시료 위치를 거쳐 유로에 도달한다. 효소 복합체가 시료 위치에 흡착되어 있었다면 시료의 로딩 시에, 효소 복합체가 시료 위치의 하단과 상단 주입경로 사이 지점에 흡착되어 있었다면 첫 번째 주입경로 통하여 용매가 이동하며 효소복합체를 함께 이동시켜 시료 위치에 도달하였을 때 항원-항체-효소복합체가 형성된다(II). 항원-항체-효소복합체는 추가적인 전개용매의 유입에 의해 항체가 고정화된 유로로 이동한다. 이때, 항원과 결합하지 않은 효소 복합체는 유체와 함께 이동하나, 시료 중의 항원과 반응에 의해 형성된 항원-항체-효소복합체는 복합체 중 항원과 유로에 고정화된 항체와의 결합력에 의해 이동이 제한된다. 따라서 시료 중 함유된 항원의 양에 따라 고정된 항체에 결합된 길이가 달라지게 된다(III).
이후 두 번째 주입경로를 통해 주입되는 용매는 주입경로 중 흡착되어 있는 기질과 함께 이동하게 된다(IV). 시료 중 항원이 존재하여 항원-항체-효소복합체와 고정된 항체와의 결합에 의해 효소가 유로에 흡착되어 있다면 기질은 유로에서 효소와 반응하게 된다. 예를 들어, 3,3'-diaminobenzidine(DAB)이 퍼옥시다제(peroxidase)와의 반응에 의해 Poly(DAB)로 변환되는 것과 같이 기질이 효소와의 반응에 의해 발색되는 등 가독성을 얻게 되고 이동성이 크게 제한된다면, 단순한 정성분석 뿐 아니라 기질과 효소의 반응에 의해 시료 중 항원의 양을 정량하는 것이 가능하다.

Claims (8)

  1. 종이에 유로 경계의 형상을 갖는 왁스 패턴이 인쇄된 후 열처리되어 유로가 형성되는 종이칩에 있어서,
    상기 유로 중 일부 구간의 유로면에 왁스가 인쇄된 후 열처리되어 해당 구간의 유로 높이가 다른 구간에 비해 더 낮게 형성된 지연유로를 포함함으로써 해당 구간에서의 유체의 이동이 지연되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지연유로가 복수 구간에 형성되어 있으며,
    적어도 두 개의 지연유로의 유로면은 서로 다른 용융 점도를 갖는 왁스로 각각 인쇄한 후 열처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지연유로는 지연유로의 유로면에 해당하는 종이의 후면에 왁스가 인쇄된 후 열처리되어 형성된 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지연유로에 반응물질이 흡착되어 있고,
    시료 분석 시 전개 용매와 함께 상기 반응물질 또는 시료가 지연 이동하여,
    시료와의 순차 반응에 의한 분석이 가능한 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  5. 제 4 항에 있어서,
    효소면역분석법(ELISA)에 의한 시료 분석용 칩인 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  6. 제 5 항에 있어서,
    시료 분석용 유로;
    상기 시료 분석용 유로의 하단에 위치하며 시료 분석용 유로와 연결된 시료 로딩부;
    각각 독립된 유로를 갖는 두 개의 주입경로에 의해 시료 로딩부에 연결되며 시료의 전개 및 반응을 위한 용매가 주입되는 용매 로딩부;로 구성되며,
    상기 두 개의 주입경로 중 하나의 주입경로가 지연유로로 이루어져 용매 로딩부에 주입된 용매가 상기 두 개의 주입경로를 통해 시료 분석용 유로에 순차적으로 유입되고,
    상기 시료 분석용 유로에는 분석하고자 하는 항원에 특이적인 항체가 고정되어 있으며,
    두 개의 주입경로 중 먼저 시료 로딩부에 용매가 도달하는 주입경로인 제1주입경로와 시료 로딩부의 사이에 상기 항원에 특이적인 항체와 효소의 효소복합체가 흡착되어 있고,
    지연유로가 형성되어 제1주입경로보다 늦게 시료 로딩부에 용매가 도달하는 주입경로인 제2주입경로에 상기 효소와 특이적으로 반응하며 반응에 의해 가독성이 생기는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩.
  7. 종이에 유로 경계의 형상 및 유체의 이동속도를 지연시키는 지연유로를 형성하는 유로의 유로면 상에 왁스 패턴을 인쇄하는 단계; 및
    상기 왁스 패턴이 인쇄된 종이를 열처리하는 단계;
    를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 지연유로의 유로면 상에 인쇄되는 왁스 패턴은 상기 유로면에 대응하는 종이의 후면에 인쇄되는 것을 특징으로 하는 유체의 이동속도 조절이 가능한 종이칩의 제조방법.
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