KR101754845B1 - 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 농도 분극 현상을 이용한 농축시스템에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 농축하는 샘플의 종류, 상태나 시스템에 가하는 구동조건(전압/전류/시간 등)에 관계없이 항상 특정 위치에서 농축이 일어날 수 있도록 하며, 농축시스템상의 농축이 되는 위치가 변하지 않으므로 별도의 가시화장비가 필요 없고, 이에 따라 별도의 가시화장비 없이 다른 시스템(ELISA, PCR 등)에 결합이 용이한 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템에 대한 것이다.

Description

동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템{Preconcentration system using location control of electrokinetic phenomenon}
본 발명은 이온 농도 분극 현상을 이용한 농축시스템에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 농축하는 샘플의 종류, 상태나 시스템에 가하는 구동조건(전압/전류/시간 등)에 관계없이 항상 특정 위치에서 농축이 일어날 수 있도록 하며, 농축시스템상의 농축이 되는 위치가 변하지 않으므로 별도의 가시화장비가 필요 없고, 이에 따라 별도의 가시화장비 없이 다른 시스템(ELISA, PCR 등)에 결합이 용이한 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템에 대한 것이다.
나노 구조물 표면의 전하에 의해 구조 내부의 전해질 용액은 전기력을 발휘하게 되는데, 이러한 표면 전기력이 미치는 영역을 전기이중층이라 하며 대략 수 나노미터에서 수십 나노미터의 크기를 갖는데, 이와 비슷한 특성 길이를 갖는 나노 유체역학 장치에서는 이온 선택성이라는 독특한 성질을 보이게 된다. 이는, 나노 구조물 표면 전하와 반대의 극성을 갖는 이온들만 구조물 사이로 통과시키는 성질에 기인한다.
<논문 문헌>
"나노채널에서의 전기수력학", 김성재, 물리학과 첨단기술 SEPTEMBER 2013
상기 논문 문헌에서도 기술하고 있듯이, 양이온 선택성을 갖는 나노채널이 연결된 마이크로 채널로 전해질을 주입하고 직류 전기장을 인가해주면 전해질의 양이온만 음극쪽으로 나노채널을 통과하게 되고 음이온은 나노채널을 통과하지 못하여 양극쪽에 쌓이게 되는데, 이를 이온농도분극(Ion Concentration Polarization: ICP)현상이라 하며, 이러한 상황에서 채널의 양극쪽에는 음이온, 양이온이 모두 밀려나 매우 낮은 농도의 이온 공핍층(ion depletion zone)이, 막의 양극쪽에는 두 가지 이온이 모두 쌓이는 이온 농축층(ion enrichment zone)이 형성된다. 이때, 이온 공핍층을 가로지르는 전기장을 인가하여 전하를 띠고 있는 물질을 이온 공핍층 경계에 농축시키는 것이 이온농도분극 현상을 이용한 이온 농축장치의 개념이다.
<특허문헌>
미국등록특허 제US7,651,600호 "Electrokinetic concentration device and methods of use thereof"
상기 특허문헌에서는 이온 농축장치의 개념을 채택하고 있는데, 구체적으로 두 개의 마이크로 채널 사이에 나노 채널을 가지는 구조물을 형성하고, 나노 채널로 양이온이 선택적으로 투과될 때 발생하는 이온농도분극(ICP) 현상을 이용한 생체물질 농축방법을 개시하고 있는데, 이러한 종래의 방식은 이온농도분극 현상과 전기에 의한 유체흐름(EOF)이 적절히 균형을 이룰 때 농축이 가능하고 특히 농축이 되는 위치 및 상태를 파악하기 위하여는 반드시 별도의 가시화장비가 포함되어야 하는 문제를 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명은 농축하는 샘플 종류, 상태나 시스템에 가하는 구동조건(전압/전류 등)에 관계없이 항상 특정 위치에서 농축이 일어날 수 있도록 하는 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 농축시스템상의 농축이 되는 위치가 변하지 않으므로 별도의 가시화장비가 필요 없고, 이에 따라 별도의 가시화장비 없이 다른 시스템(ELISA, PCR 등)에 결합이 용이한 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어 방법은 쌍을 이루는 이온교환막을 이격하여 위치시키고, 각 이온교환막에 전압을 인가하여 이온교환막 사이에서 고정적으로 이온농도분극 현상이 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어 방법은 일 이온교환막에서는 이온 공핍이, 타 이온교환막에서는 이온 농축이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축 시스템은 농축 대상이 되는 샘플이 흐르는 채널과, 상기 채널 상에 일정 간격 이격되어 위치하는 한 쌍의 이온교환막과, 상기 이온교환막 각각에 전압을 인가하는 전원부 등을 포함하여, 상기 이온교환막 사이에 샘플의 농축이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축 시스템에 있어서 일 이온교환막에서는 이온 공핍이, 타 이온교환막에서는 이온 농축이 발생하여, 이온농도분극 현상이 두 이온교환막 사이에서 고정적으로 이루어지어, 샘플의 농축이 두 이온교환막 사이에 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축 시스템에 있어서 상기 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템은 상기 채널을 에워싸는 하우징을 추가로 포함하며, 상기 하우징은 투명 소재로 이루어지고, 상기 전원부는 이온교환막과 전극 사이에 위치하며 완충용액을 저장하는 완충용액저장부와, 상기 완충용액저장부와 연결되는 전극을 포함하여, 일 전극에 일정 전압을 인가하고 타 전압은 접지하여 이온농도분극 현상을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축 시스템은 필터링시스템, 담수시스템, PCR시스템, ELISA시스템으로 이루어진 군 중 어느 하나의 시스템에 적용 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 농축하는 샘플의 종류, 상태나 시스템에 가하는 구동조건(전압/전류 등)에 관계없이 항상 특정 위치에서 농축이 일어날 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 농축시스템상의 농축이 되는 위치가 변하지 않으므로 별도의 가시화장비가 필요 없고, 이에 따라 별도의 가시화장비 없이 다른 시스템(ELISA, PCR 등)에 결합이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축시스템의 개략 평면도.
도 2는 도 1의 A-A 선으로 절단한 농축시스템의 개략 단면도.
도 3은 도 1의 농축시스템이 작동원리를 설명하기 위한 참고도.
도 4는 도 1의 농축시스템이 적용되는 일 예를 설명하기 위한 참고도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 농축시스템의 개략 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축시스템의 작동 상태를 시간을 달리하여 촬영한 형광현미경 사진.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축시스템의 작동 상태를 전압을 달리하여 촬영한 형광현미경 사진.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 농축시스템의 작동 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 농축시스템을 이용하여 단백질을 농축한 실험 결과를 나타내는 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어 방법 및 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템을 도 1 및 2를 참조하여 설명하면, 상기 농축시스템은 농축 대상이 되는 샘플이 흐르는 채널(1)과, 상기 채널(1) 상에 일정 간격 이격되어 위치하는 한 쌍의 이온교환막(4)과, 상기 이온교환막(4) 각각에 전압을 인가하는 전원부(5) 등을 포함하여, 상기 이온교환막(4) 사이에 샘플의 농축이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 이온농도분극 현상을 이용한 종래의 농축시스템은 이온농도분극 현상과 전기에 의한 유체흐름이 적절히 균형을 이룰 때 농축이 가능하고 특히 농축이 되는 위치 및 상태를 파악하기 위하여는 반드시 별도의 가시화장비가 필요하였다. 따라서, 본 발명은 농축하는 샘플 종류, 상태나 시스템에 가하는 구동조건(전압/전류 등)에 관계없이 항상 특정 위치(이온교환막 사이)에서 샘플의 농축이 일어나는 것을 특징으로 하는데, 이에 대해서는 하기에서 자세히 설명하기로 한다.
상기 채널(1)은 농축 대상이 되는 샘플이 흐르는 이동 통로로, 상기 채널(1) 상에는 후술할 이온교환막(4)이 위치하게 된다. 상기 채널(1)의 양 단 또는 일 단에는 채널(1)에 공급되는 샘플이 저장된 샘플저장부(2)가 형성되게 된다. 상기 채널(1)은 채널(1)을 에워싸는 하우징(3)에 의해 형성되는데, 예컨대 상기 하우징(3)은 하면을 형성하는 기판(31)과, 상기 채널(1)에 대응되는 함입홈(미도시)을 가지는 상측부(32)를 포함하며, 상기 상측부(32)를 상기 기판(31)에 접착하면 함입홈의 하단이 기판(31)에 막혀 채널(1)이 형성되게 된다. 상기 기판(31)은 유리 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 상측부(32)는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등과 같은 투명 소재로 이루어진다. 상기 샘플은 이온을 포함하는 용액의 형태로 존재하며, 예컨대 단백질, 세포, DNA 등을 포함하게 된다.
상기 이온교환막(4, Ion exchange membrane)은 상기 채널(1) 상에 일정 간격 이격되어 한 쌍이 위치하며, 예컨대 나피온(Nafion) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 이온교환막(4) 사이의 간격은 100um 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 이온교환막(4)은 상기 기판(31)에 일정 간격을 두고 한 쌍이 패터닝되어 형성되게 되며, 상기 한 쌍의 이온교환막(4)이 형성된 기판(31)상에 상기 상측부(32)를 접착하는 경우 상기 이온교환막(4)이 채널(1)상에 위치하게 된다. 상기 이온교환막(4)에 후술할 전원부(5)에 의해 전원이 인가되는 경우 이온교환막(4) 사이에서 이온 농도 분극 현상이 일어나 샘플의 농축이 일어나게 되는데 이에 대해서는 하기에서 자세히 설명하기로 한다.
상기 전원부(5)는 상기 이온교환막(4) 각각에 전압을 인가하는 구성으로, 이온교환막(4)과 전극(52) 사이에 위치하며 완충용액을 저장하는 완충용액저장부(51)와, 상기 완충용액저장부(51)와 연결되는 전극(52) 등을 포함한다. 상기 완충용액으로 예컨대 NaCl, KCl 등이 사용될 수 있으며, 상기 완충용액은 전기장이 상기 이온교환막(4)에 전달될 수 있도록 하며 전극(52)에서 일어나는 전기화학적 반응에 의한 반응물이 샘플의 농축에 영향을 주지 못하도록 완충을 하게 된다.
상기와 같은 구성을 포함하는 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템의 작동 원리를 살펴보면, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 일 전극(52')에 일정 전압을 인가하고 타 전극(52")을 접지시키면, 도 3의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이 일 이온교환막(4')에서는 이온 농축(Ion enrichment)이, 타 이온교환막(4")에서는 이온 공핍(Ion depletion)이 발생하여, 이러한 이온 공핍과 이온 농축이 서로 합쳐져 이온농도분극(Ion concentration polarization, ICP) 현상이 두 이온교환막(4', 4") 사이에서 고정적으로 이루어지게 된다. 이때, 전기 삼투 유동(Electroosmotic flow, EOF)이 일어나, 이온 공핍/과다 경계(Interface of ion depletion & enrichment)에 고정된 위치에서 샘플의 타켓(targets)이 농축되게 된다. 도 3의 (b) 및 (c)에서 x축은 거리를 나타내고, y축은 이온농도를 나타내며, 도 3의 (b)는 ohmic/limiting 전류구간에서의 결과를 나타내며, 도 3의 (c)는 overlimiting 전류구간에서의 결과를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 mobility shift assay용 농축시스템에도 본 발명의 농축시스템과 동일한 원리를 적용하여, 그 농축 위치가 두 이온교환막(4) 사이에서 고정되도록 할 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 기존의 고속/대량 생산용 multiplexing 시스템에도 본 발명의 농축시스템과 동일한 원리가 적용하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템은, 별도의 농축 위치 확인을 위한 가시화장비가 필요하지 않기 때문에 기존의 연속적 추출을 위한 이온농도분극(ICP) 농축은 물론, 필터링시스템, 담수시스템, PCR시스템, ELISA시스템 등 다양한 시스템에도 용이하게 적용 가능하며, 이러한 경우에도 어떠한 조건 하에서든 농축 위치가 고정된 시스템을 제시할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 동전기적 현상의 위치 제어방법은 쌍을 이루는 이온교환막(4)을 이격하여 위치시키고, 각 이온교환막(4)에 전압을 인가하여 이온교환막(4) 사이에서 고정적으로 이온농도분극 현상이 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다. 샘플이 흐르는 채널(1) 상에 쌍을 이루는 이온교환막(4)을 일정 간격을 두고 위치시킨 후, 각 이온교환막(4)의 전압을 인가하게 되면, 일 이온교환막(4")에서는 이온 공핍이, 타 이온교환막(4")에서는 이온 농축이 이루어지게 되므로, 이러한 이온 공핍과 이온 농축이 서로 합쳐져 이온농도분극(ICP) 현상이 두 이온교환막 사이에서 고정적으로 이루어지게 된다. 상기 동전기적 현상의 위치 제어방법은 농축시스템을 이용하여 이루어지므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 실시예를 통해서 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 하지만, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 반응시간을 달리한 농축 결과 분석
1) 유리 기판에 100um가 이격된 이온 교환막(나피온(nafion)이 사용됨) 한 쌍을 패터닝하고, PDMS로 이루어진 상측부를 상기 기판에 접착하여 폭이 100um이고 높이가 10um인 채널이 형성되게 하고, Ag/AgCl로 이루어진 전극을 사용하여, 도 1과 같은 실험장치를 제조하였다.
2) 샘플로 1ug/mL Alexa Fluor 488이 포함된 1mM KCl을 사용하고, 상기 실험장치의 일 전극에는 5V의 전압을 인가하고 타 전극은 접지하여 샘플을 농축하고, 반응시간이 0, 25, 50, 75, 100(sec)일 때, 형광 현미경을 이용하여 실험장치를 촬영하여 도 6에 나타내었다.
3) 도 6을 보면, 전압인가시간에 따라 색소가 농축되어 형광 세기는 증가하지만, 세기 최대점의 위치는 두 이온교환막 사이에서 변하지 않고 고정됨을 알 수 있다.
<실시예 2> 전압을 달리한 농축 결과 분석
1) 샘플로 1ug/mL Alexa Fluor 488이 포함된 1mM KCl을 사용하고, 실시예 1의 실험장치의 일 전극에는 차례로 0, 5, 10, 20, 30, 50V를 인가하고 타 전극은 접지하여 100sec 동안 샘플을 농축하여, 형광 현미경을 이용하여 실험장치를 촬영하여 도 7에 나타내었고, 거리에 따른 형광 세기에 대한 데이터를 도 8에 나타내었다.
2) 도 7 및 8을 보면, 높은 전압이 인가됨에 따라 색소가 빨리 농축되어 형광 세가 증가하지만, 세기 최대점의 위치는 두 이온교환막 사이에서 변하지 않고 고정됨을 알 수 있다.
<실시예 3> 단백질 농축 결과 분석
1) 샘플로 1ug/mL FITC-Albumin in 1x phosphate buffer saline(PBS)을 사용하고, 실시예 1의 실험장치의 일 전극에는 100V를 인가하고 타 전극은 접지하여 단백질을 농축하고, 형광 현미경을 이용하여 실험장치를 촬영하여 도 9의 (a)에 나타내었고, 시간에 따른 형광 세기에 대한 데이터를 도 9의 (b)에 나타내었다.
2) 도 9를 보면, peak에서는 10,000배(10mg/mL)가 농축됨을 알 수 있고, 농축되는 위치가 변하지 않음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템 및 방법은 어떠한 샘플(단백질, 세포, DNA 등)에 대해서도 적용이 가능하고, 어떠한 용액 조건(pH, ionic strength 등)이나 어떠한 구동 조건(전압, 전류, 시간 등) 하에서도 항상 두 이온교환막 사이에서 농축이 이루어지게 됨을 알 수 있다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
1: 채널 2: 샘플저장부 3: 하우징
4: 이온교환막 5: 전원부 31: 기판
32: 상측부 51: 완충용액저장부 52: 전극

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 농축 대상이 되는 샘플이 흐르는 채널과, 상기 채널 상에 일정 간격 이격되어 위치하는 한 쌍의 이온교환막과, 상기 이온교환막 각각에 전압을 인가하는 전원부와, 상기 채널을 에워싸는 하우징을 추가로 포함하고, 상기 이온교환막 사이에 샘플의 농축이 이루어지도록 하며,
    상기 전원부는 이온교환막과 전극 사이에 위치하며 완충용액을 저장하는 완충용액저장부와, 상기 완충용액저장부와 연결되는 전극을 포함하여, 일 전극에 일정 전압을 인가하고 타 전압은 접지하여 이온농도분극 현상을 발생시키는 것을 특징으로 하는 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    일 이온교환막에서는 이온 공핍이, 타 이온교환막에서는 이온 농축이 발생하여, 이온농도분극 현상이 두 이온교환막 사이에서 고정적으로 이루어지어, 샘플의 농축이 두 이온교환막 사이에 이루어지는 것을 특징으로 하는 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서, 상기 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템은
    필터링시스템, 담수시스템, PCR시스템, ELISA시스템으로 이루어진 군 중 어느 하나의 시스템에 적용 가능한 것을 특징으로 하는 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템.
KR1020160031974A 2016-03-17 2016-03-17 동전기적 현상의 위치 제어를 이용한 농축시스템 KR101754845B1 (ko)

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