KR102088467B1 - 지질막 제작용 필름 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제1 지지체층; 및 상기 제1 지지체층 상부에 형성되며, 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제2 지지체층;을 포함하는 필름으로서, 제1 지지체층 통로의 직경이 제2 지지체층 통로의 직경보다 작고, 제1 지지체층의 통로 전체가 제2 지지체층 통로와 연결되며, 상기 제1 지지체층은 비다공성 소수성 고분자 재질이고, 제2 지지체층은 다공성 소수성 고분자 재질인, 평면 이중 지질막 제조용 필름에 관한 것이다.
Description
본 발명은 지질막 제작용 필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 블랙리피드 멤브레인 제작용 필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
블랙리피드 멤브레인(black lipid membrane)은 평면에 재건된 인공 이중 지질막을 뜻하는 말로 1962년 Nature 지에 Montal & Mueller에 의해 처음 소개가 되었다. 이후 신약개발, 단백질/리간드 스크리닝 및 생물물리학 연구에서 가장 중요한 도구 중에 하나로 여겨졌다(Mueller, P.; Rudin, D. O.; Ti Tien, H.; Wescott, W. C. Nature 1962, 194, 979-980). 프리-스탠딩 지질 이중막 기반의 이온채널 스크리닝 기술은 세포/동물 기반의 스크리닝 법에 비하여 완전히 화학적/물리적으로 제어된 상황에서 분석이 가능하며, 바이오센서 및 DNA 시퀀싱 분야에서도 매우 유용하게 사용되어 왔다(Clarke et al., 2009; Sugawara, Hirano, Buhlmann, & Umezawa, 2002). 하지만 블랙리피드 멤브레인의 높은 활용 가능성에도 불구하고, 처음 블랙리피드 멤브레인이 개발되고 40년 넘게 내구성의 문제와 제작의 어려움, 낮은 재건성으로 인하여 특정 전문가 집단에서만 연구가 이루어져 왔다. 이러한 단점들은 블랙리피드 멤브레인을 상업적인 활용이 아닌 실험실 단위에서의 활용으로만 제한시키는 결과를 낳았다.
산업현장에서 프리-스탠딩 지질막 기술이 사용되기 위해서는 블랙리피드 멤드레인이 산업현장까지 안전하게 배송될 수 있을 정도의 안정성이 확보되어야 했다. 안정성 확보를 위한 방법으로 Costello 등은 하이드로겔-지지 블랙리피드 멥브레인을 개발하여 외부로부터의 기계적 스트레스를 완충시켰다. 그러나 상기와 같은 방법으로 제조된 지질막은 막 지속시간이 24시간 이내이기 때문에 산업적 이용이 사실상 어려웠다(Advanced Materials for Optics and Electronics, 8(2), 47-52).
이러한 문제점을 극복하기 위하여 MEMS (micro electro mechanical systems)를 활용하여 자동화를 시도하거나, 하이드로겔 등을 사용하여 리피드 막의 지속시간을 늘리는 시도가 진행되었다. 하지만 해당 장치들은 쉽게 구성할 수 없어 대량생산이 어려웠으며, 다양한 종류의 샘플들에 대하여 분석을 진행하기 위한 재사용이 불가능한 문제점을 가지고 있다[a) Analytical chemistry 78, 8169-8174 (2006); b) Advanced Materials 20, 84-89 (2008)].
이러한 문제를 해결하기 위하여, Jeon 등은 냉동전구체 기술을 개발한 바 있다. 냉동전구체 기술은 블랙리피드 맴브레인을 용매와 함께 얼려진 상태로 소비자까지 전달한 뒤 녹여서 사용할 수 있게 한 기술로, 상온에서 냉동전구체가 녹게될 때, 지질 분자들이 자가정렬하게 되므로 아무런 처리를 하지않아도 블랙리피드 멤브레인을 스스로 구성하는 기술이다. 그러나 상기와 같은 방법은 상온에서 해동하여 블랙리피 드멤브레인이 생성되기까지 소요되는 시간이 30분에서 24시간까지 다양하게 관찰되어 매우 불규칙하였고, 전구체가 블랙리피드 멤브레인으로 성공적으로 재구성되는 비율이 약 27%으로 매우 낮았다. 따라서 실험을 시작해야 할 시간이 예측 불가능하고 효율성이 떨어져, 센서 기술로 활용하기에는 무리가 있다[Schmidt, J. J. Lab Chip 2008, 8, 1742].
Ryu 등은 블랙리피드 멤브레인의 지지체를 테플론 필름에서 PDMS(폴리디메틸실록산)로 변경하였고, 용매에 강한 점성을 가진 스쿠알렌을 첨가함으로서 제조되는 블랙리피드 멤브레인의 재구성 시간을 일정한 범위에서 이루어지도록 개선하였으며, 재구성되는 비율도 80%로 향상시켰다. 그럼에도 제조되는 블랙리피드 멤브레인의 평균 유지시간이 39.74분으로 길지 않기 때문에, 다양한 시스템에 적용시키기에는 무리가 있다[Anal. Chem., 2014, 86 (18), pp 8910-8915].
이에, 블랙리피드 멤브레인을 대량으로, 용이하게 제조할 수 있으며, 제조된 막의 유지시간이 길고, 재건 성공률이 우수한 신규한 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 단시간에 재구성되고, 구성된 막의 유지시간이 긴, 평면 이중 지질막 제조용 필름을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제1 지지체층; 및 상기 제1 지지체층 상부에 형성되며, 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제2 지지체층;을 포함하는 필름으로서,
제1 지지체층 통로의 직경이 제2 지지체층 통로의 직경보다 작고, 제1 지지체층의 통로 전체가 제2 지지체층 통로와 연결되며,
상기 제1 지지체층은 비다공성 고분자 재질이고, 제2 지지체층은 다공성 소수성 고분자 재질인, 평면 이중 지질막 제조용 필름을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 지지체층의 재질은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, NOA 81(Norland Products, Inc.), 폴리(메틸메타크릴레이트), 아크리로니트릴-부타디엔-스티렌 및 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 제1 지지체층의 표면은 개질되지 않거나, 또는 개질될 수 있다.
상기 표면의 개질은 제1 지지체층의 전체에서 이루어질 수 있으며, 또는 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근 지역만을 선택적으로 개질시키거나, 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근을 제외한 지역만을 선택적으로 개질시키는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 지지체층의 표면이 부분적으로 개질되는 경우, 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm가 소수성 물질로 개질되거나, 또는 제1 지지체층의 통로 주변 0.1 내지 5 mm를 제외한 나머지 표면이 친수성 물질로 개질되는 것일 수 있고, 상기 제1 지지체층의 표면이 전체적으로 개질되는 경우에는 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm는 소수성 물질로 개질되고, 나머지 표면은 친수성 물질로 개질되는 것일 수 있다.
상기 개질에 사용되는 상기 소수성 물질은 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼클루오로옥틸)실란, 1H,1H,2H,2H-퍼클루오로데실트리클로로실란 및 옥타데실트리클로로실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 개질에 사용되는 상기 친수성 물질은 3-아미노프로필트리에톡시실란, 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민 및 N-(3-트리에톡시실릴프로필)글루콘아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 지지체층의 재질은 폴리디메틸실록산, 시클릭올레핀 코폴리머 및 스티로폼 중에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산일 수 있고, 가장 바람직하게는 실리가드 184a 및 실리가드 184b를 혼합하여 제조된 폴리디메틸실록산일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 지지체층의 하부 및 상기 제2 지지체층의 상부 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 면은 친수성의 코팅막을 더 구비한 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층에 형성된 통로의 직경은 20 nm 내지 500 ㎛일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제2 지지체층에 형성된 통로의 직경은 40 nm 내지 1 mm일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층의 두께가 10 nm 내지 100 ㎛일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제2 지지체층의 두께가 500 nm 내지 200 ㎛일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 평면 이중 지질막 제조용 필름은, 제2 지지체층 상부에 형성된 제3 지지체층; 및 제1 지지체층 하부에 형성된 제4 지지체층;을 더 포함하고, 제3 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제3 지지체층의 통로의 직경은 제2 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제2 지지체층의 통로 전체가 제3 지지체층의 통로와 연결되고, 제4 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제4 지지체층의 통로의 직경은 제1 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제1 지지체층 통로의 전체는 제4 지지체층 통로와 연결되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제3 지지체층 및 제4 지지체층은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 NOA81, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (PNIPAM), 폴리아크릴아미드, 폴리(2-옥사졸린), 폴리에틸렌이민, 폴리(아크릴산), 폴리(비닐피롤리돈), 고분자전해질(Polyelectrolyte) 및 이들 둘 이상의 블랜딩으로 이루어진 군으로부터 선택되는 비다공성 친수성 재질일 수 있으며, 바람직하게는 NOA81, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (PNIPAM)과 폴리아크릴아미드의 블렌딩, 폴리(2-옥사졸린)과 폴리에틸렌이민의 블렌딩, 폴리(아크릴산), 폴리(비닐피롤리돈) 및 고분자전해질(Polyelectrolyte)로 이루어진 군으로부터 선택되는 비다공성 친수성 재질일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제3 지지체층 및 제4 지지체층은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 표면이 친수성으로 개질된 고분자 층일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층, 제2 지지체층은 각각 독립적으로 단층 또는 다층으로 구성된 것일 수 있다. 상기 다층은 2층 내지 5층일 수 있다. 상기 지지체층이 5층 이상인 경우에는 기포가 형성될 가능성이 증가하여 성능이 저하될 수 있고, 공정이 복잡하여 제작비용이 상승함으로 경제적이지 않다.
또한 본 발명은 1) 웨이퍼상에 실리가드 184a 및 실리가드 184b의 혼합물을 떨어뜨린 뒤 스핀코팅하여 필름을 형성하고, 통로를 형성시키는, 제2 지지체층 제조 단계;
2) 제2 지지체층 하부에 비다공성 소수성 필름을 부착하는 단계; 및
3) 비다공성 소수성 필름에 통로를 형성시켜 제1 지지체층을 제조하되, 상기 통로 전체가 제2 지지체층의 통로와 연결되도록 배치하는 단계;를 포함하는, 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 제조방법은 제1 지지체층 하부 및 상기 제2 지지체층 상부에 내부를 관통하는 통로가 형성된 비다공성 친수성의 제3 지지체층 및 제4지지체층을 부착하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 있어서, 상기 제조방법은 제1 지지체층 하부 및 상기 제2 지지체층 상부에 표면이 친수성으로 개질된 고분자층인 제4 지지체층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 평면 이중 지질막 제조용 필름에 리피드 용액을 흡수시키는 단계를 포함하는 평면 이중 지질막의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름은 지질막 제조 초기에는 빠르게 용매를 흡수하여 재건 시간(reconstruction time)을 최소화하고, 이후에는 소수성 막의 젖음만 발생하게 함으로써 막의 지속시간을 최대화한다. 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름은 지질막 형성이 20분 내지 30분 내에 완성(재건)되고, 형성된 지질막은 3시간 이상 유지되며, 노이즈 레벨은 종래의 기술에 따른 필름과 큰 차이가 없다. 따라서 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름은 평면 이중 지질막을 필요로 하는 현장에서 비숙련자도 용이하게 제조하여 이용할 수 있으므로, 산업상 이용하기에 유리하다.
또한 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름은 저렴한 가격에 제조가 가능하며, 재현성이 우수하므로, 1회용 제품으로 사용하기에 적합하다. 따라서 세척이 어려워 재사용시 단백질 등의 오염문제를 내포하였던 기존의 디바이스를 대체할 수 있으므로, 신약개발 분야 등에서 약물의 스크리닝을 빠르고 간편하게 수행할 수 있도록 하며, 약물 또는 오염균의 검출을 고성능으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름이 리피드 용액을 흡수하여 평면 이중 지질막을 제조하는 과정을 단계적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 평면 이중 지질막 제조용 필름을 이용하여 평면 이중 지질막을 제조하는 과정을 단계적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 수직 챔버를 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 수평 챔버를 도식화한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 PMDS 필름을 고해상도 전자 현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 필름 제조방법을 도식화한 것이다.
도 7A는 본 발명에 따른 필름에 의해 지질막을 형성시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도이며, 도 7B는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 촬영한 이미지이고, 도 7C는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름의 단면도이다.
도 8은 평면 이중 지질막을 제조하기 위한 장치를 도식화하여 나타낸 도이다.
도 9A는 나일레드(Nile red)로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화, 도 9B는 NBD-PE로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화를 고해상도 형광 카메라로 촬영한 결과이다.
도 10은 비대칭 막에서 용액이 스퀴징 아웃된 모습을 고해상도 카메라로 촬영한 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 이중막의 광학 및 전기적 측정 결과이다. 도 11A는 120분 동안 측정된 사각파의 변화이며, 도 11B는 (a) 빨강: 2, (b) 파랑: 80분에 측정된 사각파의 그래프이고, 도 11C는 현미경 이미지이다.
도 12는 테프론 필름(적색) 및 평면 이중 지질막 제조용 필름(청색)에 대한 10 kHz에서 저역 통과 필터를 이용한 제로 전압의 파워 스펙트럼(PSD)을 나타낸 결과이다.
도 13A는 PTFE 필름에 의해 형성된 이중막, 도 13B는 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름에 의해 형성된 이중막을 이용한 100 mV 1 khz 바셀 저역 필터를 적용하의 그라미시딘 A 신호이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 평면 이중 지질막 제조용 필름을 이용하여 평면 이중 지질막을 제조하는 과정을 단계적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 수직 챔버를 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 수평 챔버를 도식화한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 PMDS 필름을 고해상도 전자 현미경으로 촬영한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예 3에 따른 필름 제조방법을 도식화한 것이다.
도 7A는 본 발명에 따른 필름에 의해 지질막을 형성시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도이며, 도 7B는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 촬영한 이미지이고, 도 7C는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름의 단면도이다.
도 8은 평면 이중 지질막을 제조하기 위한 장치를 도식화하여 나타낸 도이다.
도 9A는 나일레드(Nile red)로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화, 도 9B는 NBD-PE로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화를 고해상도 형광 카메라로 촬영한 결과이다.
도 10은 비대칭 막에서 용액이 스퀴징 아웃된 모습을 고해상도 카메라로 촬영한 결과이다.
도 11은 본 발명에 따른 이중막의 광학 및 전기적 측정 결과이다. 도 11A는 120분 동안 측정된 사각파의 변화이며, 도 11B는 (a) 빨강: 2, (b) 파랑: 80분에 측정된 사각파의 그래프이고, 도 11C는 현미경 이미지이다.
도 12는 테프론 필름(적색) 및 평면 이중 지질막 제조용 필름(청색)에 대한 10 kHz에서 저역 통과 필터를 이용한 제로 전압의 파워 스펙트럼(PSD)을 나타낸 결과이다.
도 13A는 PTFE 필름에 의해 형성된 이중막, 도 13B는 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름에 의해 형성된 이중막을 이용한 100 mV 1 khz 바셀 저역 필터를 적용하의 그라미시딘 A 신호이다.
인공세포막의 긴 지속시간을 가지기 위해서는 막이 형성된 뒤에 지질의 흡수 속도가 늦춰져야 한다. 이를 위해, 용매의 점성이나 지지체의 구성을 바꾸는 것으로 지질의 흡수 속도를 늦추는 것은 지질 이중막이 형성되기까지의 시간도 함께 길어지게 만든다는 단점이 있다.
n-데칸은 낮은 표면에너지로 인하여 물질 위를 따라 잘 퍼져나가기 때문에 인공세포막 연구 등에서 자주 사용되는 용매이다. 그러나 n-데칸은 낮은 표면에너지를 가졌음에도 불구하고, 이중막 형성시에 남아있어야 하는 용매의 양과 처음에 도포하는 용매의 양 차이가 매우 커서 지질막 형성에 오랜 시간이 걸리고, 불규칙하게 되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하고자, 버블링 또는 마그네틱바를 이용한 솔벤트 제거 기술이 사용되어 왔으나, 이러한 기술은 성공률이 높지 않았고, 숙련된 전문가만이 사용할 수 있는 기술이므로 한계가 있다. 한편 소수의 다공성 물질을 이용하면 용매만을 흡수해서 비전문가도 용매의 제거를 용이하게 할 수 있다. 그러나, 이러한 흡수는 막이 형성된 뒤에도 계속 이루어져 막의 지속 시간을 떨어뜨리는 치명적인 단점을 가지고 있다.
특히, 비교적 큰 사이즈인 300 ㎛ 두께에 500 ㎛의 직경을 가진 기공(pore)의 경우, 기공 내의 부피는 약 59 pL이며, 이 이하의 오차를 가지게 용액을 조절하는 것은 매우 어렵다. 통상의 기술자가 쉽게 분주할 수 있는 용량은 0.5μL인데, 이러한 양은 59 pL와는 매우 차이가 크기 때문에 정확한 타이밍에 오일 용액의 흡수를 멈추게 하는 것은 현실적으로 불가능하다.
본 발명의 발명자들은 정확한 양의 리피드 용액을 분주하고, 이중막을 형성시킬 때, 오일 용액의 흡수를 단계적으로 느리게 함으로써 이중막을 오랫동안 유지시킬 수 있을 것으로 기대하였다. 이에, 본 발명의 발명자는 2종 이상의 고분자 지지체를 사용하여, 용매의 흡수속도가 흡수 초기에는 빠르고, 시간의 흐름에 따라 점차 흡수속도가 늦춰지도록 유도함으로써 막의 재구성 시간은 단축시키고, 구성된 막의 지속시간은 길어진 평면 이중 지질막의 제조기술을 개발하여 본 발명을 완성하게 되었다.
상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제1 지지체층; 및 상기 제1 지지체층 상부에 형성되며, 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제2 지지체층;을 포함하는 필름으로서,
제1 지지체층 통로의 직경이 제2 지지체층 통로의 직경보다 작고, 제1 지지체층의 통로 전체가 제2 지지체층 통로와 연결되며,
상기 제1 지지체층은 비다공성 고분자 재질이고, 제2 지지체층은 다공성 소수성 고분자 재질인, 평면 이중 지질막 제조용 필름을 제공한다.
본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름은 상부층과 하부층이 서로 다른 재질로 구성되며, 하부층의 통로가 상부층의 통로보다 작은 것이 특징이다. 상기와 같은 계층적 구조는 리피드 용액의 오일을 흡수하는 층과 평면 이중 지질막이 형성되는 위치 간에 거리를 둠으로써 흡수되는 리피드 용액의 양이 증가할수록 흡수하는 속도는 느려지도록 할 수 있다. 구체적으로, 흡수 초기에는 리피드 용액과 소수성 다공성 고분자 재질인 제2 지지체층과의 접촉면이 넓어서 용매의 흡수 속도가 빠르다. 그러나 리피드 용액이 흡수될수록 제2 지지체층과의 접촉할 수 있는 면적이 감소하게 되므로, 용매의 흡수속도는 점차 느려지게 된다. 평면 이중 지질막이 형성된 이후에는 지질 분자만이 소수성 흡수층과 만나고 있어 다른 리피드 용액의 흡수는 거의 발생되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 필름은 리피드 용액을 분주한 초기에는 빠른 속도로 용매를 흡수하여 평면 이중 지질막을 형성하며, 평면 이중 지질막이 형성된 이후에는 리피드 용액을 흡수하는 속도가 매우 느려지기 때문에 형성된 평면 이중 지질막이 분해되지 않고, 오랫동안 유지되게 한다.
본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 상기 지질막은 30분 이내에 형성되며, 형성된 지질막은 3시간 이상, 바람직하게는 2시간 이상 유지될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 지지체층의 재질은 소수성 용매를 흡수하지 않는 물질이면 특별히 제한은 없으며, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, NOA 81(Norland Products, Inc.), 폴리(메틸메타크릴레이트), 아크리로니트릴-부타디엔-스티렌 및 폴리부틸렌테레프탈레이트로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 제1 지지체층의 표면은 개질되지 않거나, 또는 개질될 수 있다.
상기 표면의 개질은 제1 지지체층의 전체에서 이루어질 수 있으며, 또는 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근 지역만을 선택적으로 개질시키거나, 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근을 제외한 지역만을 선택적으로 개질시키는 것일 수 있다. 구체적으로 상기 제1 지지체층의 표면이 부분적으로 개질되는 경우, 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm가 소수성 물질로 개질되거나, 또는 제1 지지체층의 통로 주변 0.1 내지 5 mm를 제외한 나머지 표면이 친수성 물질로 개질되는 것일 수 있고, 상기 제1 지지체층의 표면이 전체적으로 개질되는 경우에는 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm는 소수성 물질로 개질되고, 나머지 표면은 친수성 물질로 개질되는 것일 수 있다.
상기 개질에 사용되는 상기 소수성 물질은 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼클루오로옥틸)실란, 1H,1H,2H,2H-퍼클루오로데실트리클로로실란 및 옥타데실트리클로로실란으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있고, 상기 개질에 사용되는 상기 친수성 물질은 3-아미노프로필트리에톡시실란, 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민 및 N-(3-트리에톡시실릴프로필)글루콘아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 소수성 물질을 이용한 표면의 개질은 형성된 평면 이중 지질막의 지속성 및 안정성을 향상시킬 수 있다. 특히, 상기 제1 지지체층은 비다공성 소수성의 재질인 것이, 형성된 평면 이중 지질막의 지속시간이 길어지고, 분해안정성이 향상되었기 때문에 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 지지체층의 재질은 다공성 소수성의 특성을 갖는 것이면 특별히 제한은 없으며, 예를 들어, 폴리디메틸실록산, 시클릭올레핀 코폴리머 및 스티로폼 중에서 선택되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 폴리디메틸실록산일 수 있고, 가장 바람직하게는 실리가드 184a 및 실리가드 184b를 혼합하여 제조된 폴리디메틸실록산일 수 있다. 상기 제2 지지체층이 비다공성 재질인 경우 오일에 대한 흡수력이 저하되어 평면 이중 지질막이 구성되는데 많은 시간이 소요되는 문제가 있을 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 지지체층은 이온에 대한 투과성이 없는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 지지체층의 하부 및 상기 제2 지지체층의 상부 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 면은 친수성의 코팅막을 더 구비한 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층에 형성된 통로의 직경은 20 nm 내지 500 ㎛일 수 있다. 통로의 직경이 상기 범위보다 작으면, 평면 이중 지질막이 구성이 어려우며, 상기 범위를 초과하면, 평면 이중 지질막을 형성하는데 걸리는 시간이 길어지고, 형성된 평면 이중 지질막의 안정성이 저하되므로 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 제2 지지체층에 형성된 통로의 직경은 40 nm 내지 1 mm일 수 있다. 통로의 크기가 상기 범위보다 작으면, 리피드 용액의 흡수력이 떨어지고, 상기 범위보다 크면, 형성된 평면 이중 지질막의 안정성을 저하시키므로 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 상기 필름은 상기 제1 지지체층의 하부 및 상기 제2 지지체층의 상부 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 부위는 친수성의 코팅막이 더 구비된 것일 수 있다. 상기 친수성의 코팅막은 당해 분야에서 사용되는 친수성의 코팅막이면 특별히 제한은 없고, 예를 들어, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민 및 N-(3-트리에톡시실릴프로필)글루콘아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 상기 필름의 표면에 친수성의 코팅막을 형성시키면, 필름의 표면이 리피드 용액에 의해 젖어가는 현상을 방지할 수 있으므로, 더욱 정교하게 평면 이중 지질막의 형성 시간의 조절이 가능하다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층의 두께가 10 nm 내지 100 ㎛일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제2 지지체층의 두께가 500 nm 내지 200 ㎛일 수 있다.
제1 지지체층 및 제2 지지체층의 두께가 상기 범위인 것이 제조된 평면 이중 지질막의 유지시간이 길며, 재현성이 우수하다.
본 발명에 있어서, 상기 평면 이중 지질막 제조용 필름은, 제2 지지체층 상부에 형성된 제3 지지체층; 및 제1 지지체층 하부에 형성된 제4 지지체층;을 더 포함하고, 제3 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제3 지지체층의 통로의 직경은 제2 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제2 지지체층의 통로 전체가 제3 지지체층의 통로와 연결되고, 제4 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제4 지지체층의 통로의 직경은 제1 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제1 지지체층 통로의 전체는 제4 지지체층 통로와 연결되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제3 지지체층 및 제4 지지체층은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 NOA81, 폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (PNIPAM), 폴리아크릴아미드, 폴리(2-옥사졸린), 폴리에틸렌이민, 폴리(아크릴산), 폴리(비닐피롤리돈) 및 고분자전해질(Polyelectrolyte)로 이루어진 군으로부터 선택되는 비다공성 친수성 재질일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제3 지지체층 및 제4 지지체층은 서로 동일하거나 상이하고, 각각 독립적으로 표면이 친수성으로 개질된 고분자 층일 수 있다.
상기와 같은 계층적 구조를 가지는 경우, 초기에는 리피드 용액을 빠른 속도로 흡수하고, 흡수된 양이 증가함에 따라 필름과 리피드 용액간의 접촉면적이 줄어들어 젖음(wetting)에 의한 오일의 이동만이 이루어지게 되므로 평면 이중 지질막의 형성 부위에서의 오일 흡수 속도를 늦출 수 있기 때문에, 막의 형성시간은 짧으면서도 형성된 막의 지속시간은 길어진 평면 이중 지질막의 제조가 가능하다. 또한, 제3 지지체층 및 제4 지지체층은 리피드 용액이 필름의 표면을 따라 퍼지는 것을 제한함으로써 형성된 막의 지속시간을 더욱 길어지게 하는데 기여할 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1 지지체층, 제2 지지체층은 각각 독립적으로 단층 또는 다층으로 구성된 것일 수 있다. 상기 제1 지지체층 또는/및 제2 지지체층을 다층으로 형성시키는 경우 리피드 용액의 흡수시간을 선택적으로 조절할 수 있으므로 바람직하다.
상기한 구조를 가진 필름을 이용하여 제조된 평면 이중 지질막은 막형성 시간이 20분 내지 30분이고, 형성된 막은 2시간 내지 3시간 동안, 또는 그 이상 유지될 수 있다.
또한 본 발명은 1) 웨이퍼상에 실리가드 184a 및 실리가드 184b의 혼합물을 떨어뜨린 뒤 스핀코팅하여 필름을 형성하고, 통로를 형성시키는, 제2 지지체층 제조 단계; 2) 제2 지지체층 하부에 비다공성 소수성 필름을 부착하는 단계; 및 3) 비다공성 소수성 필름에 통로를 형성시켜 제1 지지체층을 제조하되, 상기 통로 전체가 제2 지지체층의 통로와 연결되도록 배치하는 단계;를 포함하는, 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 지지체층 상부에 내부를 관통하는 통로가 형성된 비다공성 친수성의 제3 지지체층 및 제4 지지체층을 부착하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 지지체층 하부에 표면이 친수성으로 개질된 고분자 층인 제3 지지체층 및 제4 지지체층을 형성시키는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 평면 이중 지질막 제조용 필름에 리피드 용액을 흡수시키는 단계를 포함하는 평면 이중 지질막의 제조방법을 제공한다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
물질
KCl, Tris-HCl, EDTA, n-데칸, 헥사데칸, 나일레드 및 그라미시딘 A는 시그마알드리치에서 구입하였고, 1,2-디피타노일-sn-글리세로-3-포스파티딜콜린(DPhPC) 및 1,2-디올레오일-(7-니트로-2-1,3-벤조옥사다이아졸-4-일) (암모늄염) (NBD PE)는 아반티 폴라 리피드사에서 구입하였다. 실리가드 184a 및 실리가드 184b는 다우 코닝 아시아에서 구입하였다. NOA81은 노르랜드 프로덕트사에서 구입하였다.
제조예 1. 수직 챔버 제조
수직 챔버는 CNC 기계를 사용하여 PTFE 블록으로부터 조각하였다. 두 개의 대칭 블록이 사용되었다. 각 블록 조각의 크기는 10×1.5×3 cm이고, 각 블록에는 다섯 개의 1×1.5×2 cm의 웰이 있고, 각각 2 mL의 완충액이 들어간다. 각 웰의 한쪽 면에는 평면 이중 지질막 제조용 필름과 접촉하는 구멍이 있고, 반대 면은 투명한 1 mm 유리를 실리콘을 사용하여 실링하였다. 본 발명에 따른 수직 챔버는 도 3에 나타내었다.
제조예 2. 수평 챔버 제조
수평 챔버는 CNC 기계를 사용하여 PTFE 블록으로부터 조각하였다. 상단 블럭에는 500 μL의 웰이 형성되어 있고, 바닥 블록에는 3 mL의 웰이 형성되었다. 하부 블록의 바닥은 광학 관찰을 위해 투명한 1 mm 두께의 슬라이드 글라스를 실리콘을 사용하여 실링하였다. 본 발명에 따른 수평 챔버는 도 4에 나타내었다.
실시예 1. 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조.
실리가드 184a 및 실리가드 184b를 90:10의 비율로 혼합하였다. 혼합된 실리가드 1.8 g을 15 mm 플라스틱 페트리 디쉬에 떨어뜨린 뒤 스핀코터를 400 rpm의 속도로 회전하여 골고루 펴주었다. 이후에 2시간 동안 데시케이터에서 가스를 제거하였으며, 70 ℃ 오븐에서 5시간 동안 경화시켜 두께 0.2 내지 0.25 mm 두께의 PDMS 필름을 형성하였다. 형성된 PDMS 필름의 하부는 증류수에 3-아미노프로필트리에톡시실란이 섞여 있는 용액과 20분 동안 반응을 진행하고, 표면처리 하였다. 표면 처리된 필름을 펀칭하여 통로를 형성시킴으로써 제2 지지체를 완성하였다.
제1 지지체로 50μm 두께의 폴리카보네이트 필름(Goodfellow inc.)을 이용하였다. 폴리카보네이트 필름을 이산화탄소 레이저 조각기로 중앙에 200 μm 크기의 구멍을 형성시키고, 앞서 제조한 제2 지지체층과 상온에서 접촉시킨 상태에서 2kg을 20분 동안 가하여 부착함으로써 필름을 완성하였다. 완성된 필름은 FDTS 1.5%, 노말-데칸으로 처리하여 표면을 개질하고, 건조하여 목적하는 평면 이중 지질막 제조용 필름을 완성하였다.
실시예 2. 다층 지지체를 포함하는 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조
다층 구조의 지지체는 다음과 같은 공정을 이용하여 제조되었다.
먼저, 15 mm 플라스틱 페트리 디쉬에 실리가드 184a 및 실리가드 184b를 90:10의 비율로 혼합한 혼합물을 400 RPM의 속도로 30초간 스핀코팅하고, 65 ℃에서 2시간 이상 경화시켰다. 다음으로 600 cc/min의 O2 조건에서 2분 동안 표면을 플라즈마 처리하였다.
이후 NOA 81을 약 5g 정도 앞에서 제작된 PDMS 중앙에 부은 후에 1400 RPM의 속도로 30초간 spin coating 하였다. 이후 JHCI-051B (JECO inc.) 장비로 10초간 UV를 조사하여 경화하였다.
한편, 폴리카보네이트 필름(Goodfellow inc.)의 한쪽 면을 600 cc/min의 O2 조건에서 1분 동안 표면을 플라즈마 처리한 뒤 해당 면을 증류수에 3-아미노프로필트리에톡시실란이 섞여 있는 용액과 20분 동안 반응하여 표면을 개질하였다. 이후, 이산화탄소 레이저 조각기로 중앙부에 200μm 크기의 구멍을 형성시켰다. 또한, 이산화탄소 레이저 조각기로 수용성 테이프(3M inc) 중앙에 1mm 크기의 구멍이 형성시켰다. 앞서 제작된 폴리카보네이트 필름의 앞뒷면에 제작한 수용성 테이프를 접착한뒤, 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리클로로실란 1.5%, 노말-데칸으로 처리하여 통로 및 인근의 표면을 개질하고, 건조한 뒤 3차 증류수에 담가 수용성 테이프를 제거하였다, 앞서 제조한 제2 지지체층과 상온에서 접촉시킨 상태에서 2kg을 20 분동안 가하여 부착함으로써 필름을 완성하였다.
실시예 3. 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조
실리가드 184a 및 실리가드 184b를 90:10의 비율로 혼합하였다. 혼합된 실리가드 3 mL를 6 cm 페트리 디쉬에 올린 뒤 스핀코터를 150 rpm의 속도로 5분간 회전시켰다. 다음으로, 2시간 동안 진공 분위기 하에서 포획된 가스를 제거하였으며, 70 ℃ 오븐에서 5시간 동안 경화시켜 두께 300 μm의 PDMS 필름을 형성하였다. 제조된 필름은 도 5에 나타내었다.
형성된 PDMS 필름을 1분간 산소 플라즈마 처리 후(CUTO-100LF, 펨토, 한국), NOA81 용액 3 mL를 올리고 스핀코터를 4000 RPM으로 30초간 회전시켜 NOA81층을 형성시켰다. 다음으로 UV 경화 장치(JHCI-0518, 주은 UV 테크 주식회사, 한국)를 사용하여 NOA81-PDMS 필름을 30초간 경화시켰다. NOA81 처리를 하지 않은 반대편에 1분간 산소플라즈마 처리 후, NOA81을 3 mL 올리고 6000 RPM의 속도로 스핀코팅하여 NOA81(경화)-PDMS-NOA81(비경화) 적층 필름을 제조하였다. 1.5 mm 직경의 펀칭 도구를 사용하여 구멍을 뚫었다. 상기 필름은 2장 준비하였다.
경화되지 않은 NOA81 층은 PDMS와 PTFE 사이의 결합층으로 작용한다. 플라저마 처리 PTFE 필름 양면을 5분간 플라즈마 처리 후, Aligner(MDA-400LJ, 미다스 시스템, 한국)를 이용하여 샌드위치시키고, 30분간 UV 경화하였다. 필름을 1×1 cm의 크기로 재단하였다. PDMS포어 정중앙의 PTFE 필름에 불꽃식 발전기(spark generator)로 약 100 μm 크기의 공극을 형성시켰다. 실시예 3에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름 제조방법을 하기 도 6에 도식화하였다.
NOA81으로 이루어진 제1 지지체층은 리피드 용액이 항상 흡수되는 면적을 균일하게 하기 위에 있는 층이다. 리피드 용액과 만나는 면적에 따라 흡수 속도가 크게 변하기 때문에 최대한 균일한 이중막 형성시간을 얻기 위해 제작되었다. 제2 지지체층은 실험을 통해 PDMS가 오일 용액 흡수 및 이중막 형성에 적합하여 선정하였다. 제3 지지체층은 UV glue 층이고, 제2 지지체층의 PDMS 층과 용이하게 결합하기 위해 사용하였다. 제 4 지지체층은 소수성이 높아 안정적으로 지질 이중막을 서포트할 수 있도록 PTFE 층을 도입하였다. 이렇게 제작된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 도 7에 나타내었다. 도 7A는 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름에 의해 지질막을 형성시키는 과정을 개략적으로 나타낸 도이며, 도 7B는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 촬영한 이미지이고, 도 7C는 완성된 평면 이중 지질막 제조용 필름의 단면도이다. 평면 이중 지질막 제조용 필름의 구조 및 두께는 mini-SEM(SNE-3200M, SEC ENG, Korea)으로 촬영하였다. 제1 지지체층: 약 20 μm 두께의 NOA 81 층, 제2 지지체층 약 300 μm 두께의 PDMS 층, 제3 지지체층: 약 5 μm 두께의 NOA 81 접착층, 제4 지지체층: 10 μm 두께의 PTFE 층이 순서대로 잘 붙어 있는 것이 확인되었다.
본 발명에 따른 플랫폼에서 처음에는 용매가 제2 지지체층에 넓은 면적으로 닿아있고, 상대적으로 큰 부피가 수압(용매압)을 받기 때문에 티닝(thinning) 프로세스가 빠르게 일어난다. 대부분의 용매가 흡수된 뒤에는 수압(용매압)이 줄어들고, 제1 지지체층의 작은 포어에서는 젖음에 의해 용매가 천천히 줄어들게 된다.
시험예 1. 평면 이중 지질막의 형성 확인
시험예 1.1
실시예 2에서 제조된 필름을 이용하여 평면 이중 지질막의 형성시켰으며, 현미경을 통해 촬영하면서 확인하였다. 실험 시작한지 28분 부근에서 통로 안쪽에 작은 동심원 형성되는 것이 확인되었고, 129분 부근에서 형성되었던 작은 동심원이 분해되는 것이 확인되었다.
시험예 1.2
실시예 3에서 제조된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 챔버와 결합한 뒤, 필름의 양쪽 중앙부에 3% DPhPC 리피드 용액 0.5 μL을 겔 로딩 팁을 사용하여 떨어뜨린 후, 챔버에 완충액(1M KCl, 10mM Tris HCl, 1mM EDTA, pH 7.0)을 채워 넣는 과정을 통해 이중 지질막을 제작하였다. 본 발명에 따른 시스템에서는 리피드 용액이 PTFE 필름에 이미 뭍어있는 상태로 완충액이 채워지기 때문에 프리페인팅(prepainting) 없이도 이중막이 잘 형성되었다.
시험예 2. 전기측정에 의한 막 형성의 확인
제작된 평면 이중 지질막 제조용 필름을 두 개의 챔버 사이에 단단히 고정시키고, 1 M KCl, 10 mM Tris, 1 mM EDTA 버퍼를 양쪽 챔버에 채운 뒤, 각각의 챔버에 일렉트로드를 연결시켰다. 이를 하기의 도 8에 나타내었다.
각각의 일렉트로드는 Axopatch 200B amplifier(Molecular devices inc.)에 연결시켰다. 현미경으로 이중 지질막이 형성된 것을 확인한 후 그라미시딘 A(Gramicidin A)를 10 nM농도로 양쪽 챔버에 투입하였다. 이후 100 mV를 인가하였으며, sample rate 10kHz로 데이터를 수집하고, lowpass Bessel filter 3 kH로 필터링 하였다.
그라미시딘 A는 형성된 평면 이중 지질막에 결합하여 이온이 투과할 수 있는 포어를 형성하고, 그에 따라 전류가 흐르는 것을 관찰할 수 있다.
시험예 3. 형광 측정
시험예 3.1. 샌드위치 필름 타입
수평 챔버를 사용하여 도립 현미경(Inverted microscope)으로 형광관찰을 하였다. 헥사데칸:데칸=12.5:87.5 용액에 용해된 3% DPhPC 리피드를 사용하여 형광측정 실험을 실시하였다. 리피드의 움직임을 관찰할 때에는 0.5 mol% NBD-PE를 첨가하여 진행하였다. 오일 용액의 움직임을 관찰할 때에는 15 ug/mL 나일레드를 첨가하여 진행하였다. 필름은 블록 하단에 진공 그리스로 접착시켰다. 윗 블럭의 웰에 0.3 mL의 완충액(1M KCl, 10mM Tris HCl, 1mM EDTA, pH 7.0)을 넣고, 아랫 블럭의 웰에 3 mL의 완충액(1M KCl, 10mM Tris HCl, 1mM EDTA, pH 7.0)을 넣었다.
실시간으로 용매와 리피드가 흡수되는 모습을 관찰하기 위하여 용매와 리피드에 각각 나일레드와 NBD-PE를 첨가하여 150초마다 촬영하였으며, 이를 도 9에 나타내었다. 도 9A는 나일레드로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화, 도 9B는 NBD-PE로 염색된 용액의 시간 흐름에 따른 변화를 고해상도 형광 카메라로 촬영한 결과이다.
나일레드와 NBD-PE는 여기 및 방출 파장에서 겹쳐지는 부분이 있어서, 동시에 염색약(dye)를 섞어서 촬영하지 않고, 각각 다른 용액을 제작하여 서로 다른 필름에 분주한 뒤 관찰하였다. 나일레드는 오일 용액에 녹기 때문에 PDMS로 흡수된 모습을 보았을 때 데칸/헥사데탄 용액 또한 PDMS로 흡수될 것을 간접적으로 예측할 수 있다. 반면 NBD-PE는 시간이 지나도 PDMS로 흡수되지 않는 것이 관찰되었다.
시험예 3.2. 비대칭 필름 타입
단일 PDMS 필름과 PTFE 필름을 붙여 비대칭(asymmetric) 필름 타입을 제작한 뒤 흡수되는 모습을 관찰하였다. 비대칭 필름 타입의 경우 제조방법이 샌드위치 필름 타입에 비해 간단하나, 이중막 형성에 소요되는 시간이 매우 불규칙하였다.
이러한 문제의 원인을 확인하기 위하여 형광으로 용액 흡수 과정을 관찰하였다. 비대칭 필름인 경우 도 10에 나타낸 바와 같이, 피펫으로 용액을 적가(drop)하는 과정에서 PTFE필름의 구멍(aperture)을 통해 반대로 리피드 용액을 스퀴징 아우웃(squeezing out)시킬 수 있으며, 이로 인해 이중막 형성시간이 매우 길어질 수 있음을 확인하였다.
시험예 4. 광학 및 전기적 측정
수직 챔버를 사용하여 광학적 및 전기적 측정을 하였다. 이중막 필름은 두 수직 챔버 사이에 끼웠다. 두 개의 Ag/AgCl 전극을 양쪽의 챔버에 각각 놓고, 각각의 챔버는 1M 완충액(KCl, 10mM Tris HCl, 1mM EDTA, pH 7.0)으로 채웠다. 전기적 측정은 액소패치 증폭기(Axopatch amplifier; 액손 인스투르먼트)로 실시하였으며, Clampfit 10.2(Axon Instruments) 프로그램으로 분석되었다. 전압은 100 mV를 양쪽에 걸어주었고, 100kHz sampling rate로 신호를 얻은 뒤, 1owpass Bessel filter 1kHz로 필터링 하였다.
막의 양쪽 면의 구멍 근처에 0.5 μL의 용액을 적가한 후 현미경을 사용하여 이중막의 형성을 관찰하고 미세 전극 증폭기를 사용하여 측정하였다. 현미경이 필름과 수직으로 배치되었을 때, 광원의 각도를 조절하면 도 11에 나타낸 바와 같이, 이중막과 고리의 경계가 명확해진다. 도 11은 광학 및 전기적 측정 결과를 나타낸 것으로, 도 11A는 120분 동안 측정된 사각파의 변화이며, 도 11B는 (a) 빨강: 2, (b) 파랑: 80분에 측정된 사각파의 그래프이고, 도 11C는 현미경 이미지이다.
또한 ±10 mV 삼각파를 막(membrane) 양쪽에 가하면, 사각파를 얻을 수 있는데, 지질 이중막이 형성될 경우 급격하게 신호가 증폭되므로 이중막의 형성 여부를 알 수 있다. 또한 이중막의 두께는 광학 측정에서 얻어진 이중막의 크기와 전기적 측정으로 얻어진 전류값을 이용하여 하기 식을 통해서 구할 수 있다.
[식]
식 중에서, C는 커패시턴스, I는 전류, V는 막을 가로질러 인가되는 피크-투-피크 전압, ε0는 자유 공간 유전율(8.85×10-12 F/m), εS는 지질의 유전상수(2.0), A는 막의 면적, d는 이중막의 두께이다. PDMS 필름을 사용하여 재구성된 막은 이온 채널 측정(>1G ohm)에 필요한 기가 옴 레벨 실링을 만족시켰다.
도 12는 테프론 필름(적색) 및 이중막 필름(청색)에 대한 1 kHz에서 저역 통과 필터를 이용한 제로 전압의 파워 스펙트럼 밀도(PSD)을 나타낸 것이다. 그래프에서 평면 이중 지질막 제조용 필름은 기존의 테프론 필름에 비해 100 hz 부근에서 다소 높은 노이즈 특성을 보였지만 그 이외에는 비슷한 수준의 노이즈 특성을 나타내었다. 전체적으로 평면 이중 지질막 제조용 필름의 노이즈는 10-4 이하 레벨 노이즈를 보였고, 이는 아주 낮은 수준이다.
시험예 5. 제조방법 최적화
높은 성공률, 뛰어난 안정성, 긴 막 지속시간 및 짧은 막 형성시간을 갖는 최적 조건을 수립하기 위하여 최적화 시험을 실시하였다. PTFE 필름의 기공 크기와 PDMS 필름의 기공크기는 각각 100 ㎛ 및 1.5 mm로 고정하였으며, PDMS 필름의 두께와 용액 농도를 조절하여 이중막 형성의 성공률과 이중막 형성시간, 이중막 지속시간을 측정하였다. 구멍의 크기는 작을수록 안정성이 높아진다. 상기 100 ㎛는 스파크 제너레이터로 일정하게 만들 수 있는 최저 크기이다. 또한, PDMS 기공 크기 1.5 mm는 해당 위치에 리피드 용액을 분주하기 쉬운 충분한 사이즈이며, PDMS 필름이 300 ㎛의 두께를 가질 때, 약 0.5μL의 용액을 채웠을 때 가득 차는 크기이므로 선정되었다. 0.5μL 이하는 정확한 정량이 어려우며, 상기 용량 이상은 용액의 부피가 커질수록 PDMS가 팽윤(swelling)되어 휘어지는 현상이 커지게 된다. 따라서 정확한 정량이 가능한 최소 부피인 0.5μL을 기준으로 최적화를 진행하였다.
또한, PTFE 필름에 PDMS필름이 한쪽 면에만 붙어있는 경우와 PTFE 필름에 PDMS 필름이 양면이 붙어 있는 경우를 비교평가하였다. PDMS필름이 한쪽 면에만 붙어있는 경우는 공정이 간편하지만, 리피드 용액을 분주하는 과정에서 용액이 반대편으로 나와 막 형성이 매우 불규칙해지는 경우가 발생하였다.
필름의 두께는 120, 300 및 600 μm로 테스트하였으며, 각각 0.2, 0.5 및 1 μL씩 리피드 용액을 분주하여 1.5 mm 직경의 PDMS 웰에 채웠다. 120 μm 두께의 경우, 챔버에 결합하고 용액을 채워 넣을 때, 리피드 용액이 씻기면서 제거되는 경우가 많아 성공율이 떨어졌다. 반면 600 μm 두께에서는 기포가 PDMS 웰에 내에 발생하여, 막 형성에 실패하는 경우가 발생했다. 반면, 300 μm 두께에서는 문제 발생이 거의 없었으므로 300 μm 두께를 기준을 리피드 용액의 비율을 바꿔서 적절한 흡수속도를 가진 용액을 선정하는 최적화 과정을 진행하였다.
용액의 흡수속도가 빠르면 막이 빠르게 형성될 수 있다는 장점이 있지만, 막이 형성된 이후의 고리(annulus)의 용액까지 제거하여 막의 안정성을 떨어뜨린다. 반면 용액의 흡수 속도가 느리면 막이 장시간 유지될 수 있으나, 막 형성시간도 함께 길어져 빠른 스크리닝이 이루어질 수 없는 단점이 있다. 용액의 흡수 속도는 Carmen-Kozeny 방정식에 따라 리피드 용액의 점도에 반비례한다. 따라서 본 발명에서는 n-데칸에 점도가 높은 헥사데칸 또는 스쿠알렌을 일정량 혼합하여 최적의 용매를 찾고자 하였다.
실험결과 헥사데칸의 비율이 높아짐에 따라 평균 이중막 형성 시간이 길어졌다. 헥사데칸을 혼합하지 않은 경우에도 이중막의 유지 시간이 3 시간 이상으로 충분하였다. 한편 스쿠알렌과 데칸을 섞은 경우에는 스쿠알렌의 점도가 매우 커서 6.25%에서도 이중막의 형성시간이 2시간 이상 소요되었으므로, 적합하지 않은 것으로 판단되었다. 실험 결과를 표 1 및 표 2에 나타내었다.
| 층수 | 리피드비율 (헥사데칸:데칸) |
필름두께 (㎛) |
이중막 형성시간(분) |
이중막 유지시간(시) |
성공률 |
| 2 | 0:1 | 300 | 3.10±1.43 | > 3 | 100% |
| 2 | 1:7 | 300 | 10.20±2.53 | > 3 | 100% |
| 2 | 1:3 | 300 | 28.18±12.43 | > 3 | 100% |
| 2 | 0:1 | 120 | 2.58±1.83 | 1.52±0.85 | 57.14 |
| 2 | 0:1 | 600 | 24.84±15.78 | > 3 | 71.43% |
| 1 | 0:1 | 300 | 8.10±12.98 | > 3 | 50% |
| 1 | 1:7 | 300 | 17.10±19.64 | > 3 | 40% |
| 층수 | 리피드비율 (스쿠알렌:데칸) |
필름두께 (㎛) |
이중막 형성시간(시) |
이중막 유지시간(시) |
성공률 |
| 2 | 1:15 | 300 | > 2 | - | - |
| 2 | 1:7 | 300 | > 2 | - | - |
| 2 | 1:3 | 300 | > 2 | - | - |
시험예 6. 그라미시딘 A(gA)의 이온 채널 활동
이온 채널에 대한 플랫폼의 타당성을 검증하기 위해 그라미시딘 A를 사용하여 실험을 실시하였다. 그라미시딘 A는 채널 단백질 중 하나이며, 1M KCl 조건에서 30 pS 수준밖에 신호가 뛰지 않기 때문에, 그라미시딘 신호가 관찰이 된다면, 다른 채널 단백질도 쉽게 측정이 가능함을 의미한다. 본 발명에 따른 평면 이중 지질막 제조용 필름을 사용하여 실험을 실시한 결과 10 kHz 바셀 필터 조건에서 정상적인 gA 신호가 관찰되었으며, 각 gA 채널당 28 pS의 컨덕턴스 레벨이 나타났으며, 이를 하기 도 13에 나타내었다. 이와 같은 결과는 본 발명의 이중막 필름이 이온 채널 측정 플랫폼에서도 사용될 수 있음을 입증한다.
1 제3 지지체층
2 제2 지지체층
3 제1 지지제층
4 제4 지지체층
5 리피드 용액
6 챔버
7 버퍼
2 제2 지지체층
3 제1 지지제층
4 제4 지지체층
5 리피드 용액
6 챔버
7 버퍼
Claims (15)
- 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제1 지지체층; 및 상기 제1 지지체층 상부에 형성되며, 내부를 수직으로 관통하는 통로를 포함하는 제2 지지체층;을 포함하는 필름으로서,
제1 지지체층 통로의 직경이 제2 지지체층 통로의 직경보다 작고, 제1 지지체층의 통로 전체가 제2 지지체층 통로와 연결되며,
상기 제1 지지체층은 비다공성 고분자 재질이고, 제2 지지체층은 다공성 소수성 고분자 재질인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 제1항에 있어서,
상기 제1 지지체층의 표면은 개질되지 않거나, 또는 개질되며,
상기 제1 지지체층의 표면이 개질되는 경우, 상기 제1 지지체층의 표면 전체가 개질되거나, 또는 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근 지역만을 선택적으로 개질시키거나, 제1 지지체층의 통로 및 통로의 인근을 제외한 지역만을 선택적으로 개질시키는 것인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 제2항에 있어서,
상기 제1 지지체층의 표면 개질은, 상기 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm가 소수성 물질로 개질, 제1 지지체층의 통로 주변 0.1 내지 5 mm를 제외한 나머지 표면이 친수성 물질로 개질, 또는 제1 지지체층의 통로 주변 표면 0.1 내지 5 mm는 소수성 물질로 개질되고, 나머지 표면은 친수성 물질로 개질되며,
상기 소수성 물질은 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼클루오로옥틸)실란, 1H,1H,2H,2H-퍼클루오로데실트리클로로실란 및 옥타데실트리클로로실란으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 친수성 물질은 3-아미노프로필트리에톡시실란, 비스[3-(트리메톡시실릴)프로필]아민 및 N-(3-트리에톡시실릴프로필)글루콘아미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 제1항에 있어서,
상기 제1 지지체층의 하부 및 상기 제2 지지체층의 상부 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 면은 친수성의 코팅막을 더 구비한 것인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 제1항에 있어서, 제1 지지체층에 형성된 통로의 직경은 20 nm 내지 500 ㎛인, 평면 이중 지질막 제조용 필름.
- 제1항에 있어서, 제2 지지체층에 형성된 통로의 직경은 40 nm 내지 1 mm인, 평면 이중 지질막 제조용 필름.
- 제1항에 있어서, 제1 지지체층의 두께가 10 nm 내지 100 ㎛인, 평면 이중 지질막 제조용 필름.
- 제1항에 있어서, 제2 지지체층의 두께가 500 nm 내지 200 ㎛인, 평면 이중 지질막 제조용 필름.
- 제1항에 있어서,
상기 평면 이중 지질막 제조용 필름은,
제2 지지체층 상부에 형성된 제3 지지체층; 및 제1 지지체층 하부에 형성된 제4 지지체층;을 더 포함하고,
제3 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제3 지지체층의 통로의 직경은 제2 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제2 지지체층의 통로 전체가 제3 지지체층의 통로와 연결되고,
제4 지지체층은 내부를 수직으로 관통하는 통로을 포함하며, 제4 지지체층의 통로의 직경은 제1 지지체층의 통로보다 직경이 크고, 상기 제1 지지체층 통로의 전체는 제4 지지체층 통로와 연결되는, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 삭제
- 제9항에 있어서,
제4 지지체층은 표면이 친수성으로 개질된 고분자 층인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 제1항에 있어서,
제1 지지체층, 제2 지지체층은 각각 독립적으로 단층 내지 5층으로 구성된 것인, 평면 이중 지질막 제조용 필름. - 1) 웨이퍼상에 폴리디메틸실록산을 떨어뜨린 뒤 스핀코팅하여 필름을 형성하고, 통로를 형성시키는, 제2 지지체층 제조 단계;
2) 제2 지지체층 하부에 비다공성 소수성 필름을 부착하는 단계; 및
3) 비다공성 소수성 필름에 통로을 형성시켜 제1 지지체층을 제조하되, 상기 통로 전체가 제2 지지체층의 통로와 연결되도록 배치하는 단계;를 포함하는, 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제2 지지체층 상부에 내부를 관통하는 통로가 형성된 비다공성 친수성의 제3 지지체층을 부착하는 단계;를 더 포함하는, 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 지지체층 하부에 표면이 친수성으로 개질된 고분자 층인 제4 지지체층을 형성시키는 단계;를 더 포함하는, 평면 이중 지질막 제조용 필름의 제조방법.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20170106795 | 2017-08-23 | ||
| KR1020170106795 | 2017-08-23 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190022390A KR20190022390A (ko) | 2019-03-06 |
| KR102088467B1 true KR102088467B1 (ko) | 2020-03-12 |
Family
ID=65761685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180098613A KR102088467B1 (ko) | 2017-08-23 | 2018-08-23 | 지질막 제작용 필름 및 이의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102088467B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4394916B2 (ja) | 2003-09-19 | 2010-01-06 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 人工脂質二重膜の形成装置および人工脂質二重膜の形成方法、並びにその利用 |
-
2018
- 2018-08-23 KR KR1020180098613A patent/KR102088467B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4394916B2 (ja) | 2003-09-19 | 2010-01-06 | 独立行政法人科学技術振興機構 | 人工脂質二重膜の形成装置および人工脂質二重膜の形成方法、並びにその利用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190022390A (ko) | 2019-03-06 |
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