KR102597565B1 - Ｐｃｒ 장치 - Google Patents
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Abstract
PCR 플레이트, 상기 PCR 플레이트의 하부면에 배치된 복수의 LED 광원 및 상기 PCR 플레이트의 상부에 배치된 디스플레이를 포함하고, 상기 PCR 플레이트는 복수 개의 웰을 구비하는 PCR 챔버; 및 상기 PCR 챔버의 하부면에 배치되고 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 포함하는 것인, PCR 장치가 제공된다.
Description
본 발명은 PCR(polymerase chain reaction) 장치에 관한 것이다.
중합 효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction, PCR)은 중합 효소(polymerase)의 연쇄 반응(chain reaction)으로서, 핵산의 특정 나선의 복제본을 다량으로 획득하는 것이다. 중합 효소 연쇄 반응은 현재 의학 및 생물 연구에서 다양하게 응용되는 필수적인 기술이며 근래 전세계적인 팬더믹을 몰고온 코로나바이러스-19(SARS-CoV-2)를 검사하는 범용적인 방법으로 도입되는 방법이기도 하다. 코로나바이러스-19 검사에서 PCR 검사는 핵산(DNA 혹은 RNA) 증폭 기술을 통한 특정 DNA서열의 시료를 충분히 얻어내기 위한 목적으로 사용된다. 이것은 아주 미량의 DNA를 복제해 원하는 만큼 증폭을 해내는 기술이기 때문이다. 특히 환자의 침 혹은 가래에는 확진 판정을 내릴 만큼 충분한 바이러스가 포함되어 있지 않다. 따라서, DNA를 증폭함으로써 코로나 바이러스를 구분할 수 있는 염기 서열을 이용하여 판독함으로써 해당 시료 내에 코로나바이러스의 존재 유무를 확인할 수 있다.
그러나, 통상의 PCR 검사에는 약 1-2일 정도 걸림에 따라 신속 정확하게 현장에서 코로나 바이러스를 진단하기 어렵다는 단점을 가진다. 이는 PCR의 기본적인 동작 원리인 변성(denaturation), 결합(annealing), 신장(extension)의 3단계 과정으로 설명될 수 있으며 각 단계에 적합한 온도를 조절하여 신속하게 온도를 상승 혹은 하강하도록 하는 것이 이러한 전체 반응 시간을 단축시키는데 중요하다.
하지만 기존 PCR 장치는 전기 에너지의 열 에너지로의 변환을 통하여 온도를 상승하거나 하강함으로써 핵산 증폭 반응을 완료하는데 있어 1시간 이상의 긴 시간이 소요된다. 또한, 발열 장비 및 냉각 장치 등의 추가적인 부속 장치들이 필요로 하기 때문에 장비의 부피가 커짐에 따라 신속한 질병의 진단을 요구하는 현장에 적용하기가 어렵다는 단점을 가진다. 이러한 휴대의 불편함, 고가의 장비 가격, 오랜 검출 시간 및 다루기 힘들다는 이유로 인하여 휴대가 간편하면서 저렴한 휴대용 PCR 장비에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
본 발명의 배경 기술은 한국등록특허 제10-1768146호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 PCR에서 요구되는 온도의 상승 속도 및 하강 속도를 높여 PCR을 고속으로 수행하게 하는 PCR 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 PCR 장치의 부피를 최소화시켜 휴대용으로 현장에서 신속하게 사용 가능한 PCR 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 금 나노입자 및 금 나노클러스터의 구조 및 형성을 알루미나 나노 구조를 사용하여 제어함으로써 표면 플라즈모닉 공명을 생성시켜 광을 열로 전환시켜 PCR에서 필요한 온도의 상승-하강 사이클을 광으로 제어하여 핵산의 증폭이 일어나는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점은 PCR 장치이다.
1.PCR 장치는 PCR 플레이트, 상기 PCR 플레이트의 하부면에 배치된 복수의 LED 광원 및 상기 PCR 플레이트의 상부에 배치된 디스플레이를 포함하고, 상기 PCR 플레이트는 복수 개의 웰을 구비하는 PCR 챔버 및 상기 PCR 챔버의 하부면에 배치되고 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나(Al2O3) 기판을 포함한다.
2.1에서, 상기 금 나노입자는 상기 금 나노클러스터 대비 다른 크기를 가질 수 있다.
3.1-2에서, 상기 LED 광원은 500nm 이상 600nm 이하의 파장의 광을 조사하는 광원 및 600nm 초과 700nm 이하의 파장의 광을 조사하는 광원을 포함할 수 있다.
4.1-3에서, 상기 알루미나 기판은 알루미나 기판; 상기 알루미나 기판의 상부면에 상기 알루미나 기판과 일체로 형성되고 복수 개의 격벽이 서로 교차하여 형성된 격벽 구조물; 상기 격벽 구조물 내의 빈 공간에 상기 알루미나 기판과 일체로 형성된 상기 금 나노입자; 상기 격벽 구조물 중 격벽 상부 표면에 형성된 상기 금 나노클러스터를 포함할 수 있다.
5.4에서, 상기 격벽의 상부 표면은 곡면일 수 있다.
6.1-5에서, 상기 알루미나는 다공성의 양극 산화에 의한 알루미늄 산화물(AAO, anodic aluminum oxide)일 수 있다.
7.1-6에서, 상기 알루미나 기판은 알루미늄 기재를 양극 산화 및 습식 에칭시켜, 알루미나 기판 상에 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하는 격벽 구조물을 형성하는 단계(제1 단계), 상기 격벽 구조물 상에 금을 증착하는 단계(제2 단계); 및 금이 증착된 상기 격벽 구조물을 열처리하는 단계(제3 단계)를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
8.7에서, 상기 알루미나 기판은 상기 제1 단계, 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계를 롤 투 롤 하이브리드 제조 공정에 의해 수행하여 제조될 수 있다.
본 발명은 PCR에서 요구되는 온도의 상승 속도 및 하강 속도를 높여 PCR을 고속으로 수행하게 하는 PCR 장치를 제공하였다.
본 발명은 PCR 장치의 부피를 최소화시켜 휴대용으로 현장에서 신속하게 사용 가능한 PCR 장치를 제공하였다.
본 발명은 금 나노입자 및 금 나노클러스터의 구조 및 형성을 알루미나 나노 구조를 사용하여 제어함으로써 표면 플라즈모닉 공명을 생성시켜 광을 열로 전환시켜 PCR에서 필요한 온도의 상승-하강 사이클을 광으로 제어하여 핵산의 증폭이 이루어짐으로써 PCR 검사 장치를 제공하였다.
도 1은 본 발명 일 실시예의 휴대용 PCR 장치의 내부 개략도이다.
도 2는 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판의 개략도이다.
도 3은 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판의 제조 공정의 개략도이다.
도 4는 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노글러스터를 포함하는 알루미나 기판을 제조하기 위한 전체 롤 투 롤(R2R) 하이브리드 진공 공정의 개략도이다.
도 5는 도 3의 각 단계에서 제조된 대상체 및 해당 대상체의 상부면의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 6은 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 서로 다른 파장의 광이 조사되는 경우의 작용을 보여주는 개념도이다.
도 7은 LED 광원을 상부에 설치하여 광을 알루미나 기판에 조사하는 모습을 보여준다.
도 8은 LED 파장 및 조사 시간(X축, 단위: 분)에 따른 온도 상승(Y축, 단위:℃)을 나타낸 것이다.
도 9는 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 대해 LED 광원(파장 530nm 및 660nm의 광을 동시 조사)을 조사하였을 때 LED 광원의 온, 오프시 시간에 따른 온도의 상승 및 하강 그래프이다.
도 10은 PCR 장치를 이용한 DNA 증폭에 따른 온도 상승 및 하강 그래프이다.
도 11은 PCR 장치를 이용한 DNA(55bp 및 100bp)의 증폭을 수행한 후의 전기 영동 겔 결과이다.
도 2는 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판의 개략도이다.
도 3은 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판의 제조 공정의 개략도이다.
도 4는 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노글러스터를 포함하는 알루미나 기판을 제조하기 위한 전체 롤 투 롤(R2R) 하이브리드 진공 공정의 개략도이다.
도 5는 도 3의 각 단계에서 제조된 대상체 및 해당 대상체의 상부면의 SEM(scanning electron microscopy) 이미지이다.
도 6은 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 서로 다른 파장의 광이 조사되는 경우의 작용을 보여주는 개념도이다.
도 7은 LED 광원을 상부에 설치하여 광을 알루미나 기판에 조사하는 모습을 보여준다.
도 8은 LED 파장 및 조사 시간(X축, 단위: 분)에 따른 온도 상승(Y축, 단위:℃)을 나타낸 것이다.
도 9는 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 대해 LED 광원(파장 530nm 및 660nm의 광을 동시 조사)을 조사하였을 때 LED 광원의 온, 오프시 시간에 따른 온도의 상승 및 하강 그래프이다.
도 10은 PCR 장치를 이용한 DNA 증폭에 따른 온도 상승 및 하강 그래프이다.
도 11은 PCR 장치를 이용한 DNA(55bp 및 100bp)의 증폭을 수행한 후의 전기 영동 겔 결과이다.
첨부한 도면을 참고하여 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
본 발명자는 PCR 장치 중 DNA의 증폭 과정에서 요구되는 시료 온도의 상승 및 하강을 위한 수단으로서, 서로 다른 파장의 광을 조사하는 복수의 LED 광원과, 상기 LED 광원의 상부에 배치되며 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 사용하였다.
이를 통해, PCR 장치는 LED 광원으로부터 나오는 복수개의 파장의 광에 의해 상기 기판 중 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터에 의한 플라즈모닉 공명 효과로 인하여 광이 열로 빠르게 전환함으로써 시료 온도의 상승 및 하강이 빠르게 반복되어 PCR에서 요구되는 온도의 상승 속도 및 하강 속도를 높여 PCR 반응을 고속으로 수행할 수 있다. 또한, 복수의 LED 광원은 기존 광원 대비 소비 전력이 낮고 매우 저렴하여 PCR 장치를 휴대용으로 현장에서 신속하게 사용할 수 있게 하였다.
일 구체예에서, PCR 장치는 상온에서 90℃ 내지 95℃까지 온도가 상승(변성), 90℃ 내지 95℃에서 60℃ 내지 65℃로 하강(어닐링), 다시 60℃ 내지 65℃에서 70℃ 내지 75℃의 상승(신장) 사이클을 반복할 수 있다.
본 발명의 PCR 장치는 PCR 플레이트, 상기 PCR 플레이트의 하부면에 배치된 복수의 LED 광원 및 상기 PCR 플레이트의 상부에 배치된 디스플레이를 포함하고, 상기 PCR 플레이트는 1개 이상의 시료 전처리 웰 및 1개 이상의 PCR 수행 웰을 구비하는 PCR 챔버, 및 상기 PCR 챔버의 하부면에 배치되고 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 포함한다.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCR 장치를 설명한다.
도 1을 참고하면, PCR 장치는 PCR 플레이트(S150), LED 광원(S130, S140), 디스플레이(S160) 및 전력 공급원(S110)을 포함한다.
PCR 플레이트(S150), LED 광원(S130, S140), 디스플레이(S160) 및 전력 공급원(S110)은 하우징(S170) 내에 포함된다. 본 발명의 PCR 장치는 휴대용으로 사용할 수 있다. PCR 장치는 PCR 장치 구동시 냉각 속도를 더 높이기 위해 냉각 팬(S120)을 더 포함할 수 있다. 또는 PCR 장치는 냉각 속도를 더 높이기 위하여 칠러(도 1에서 도시되지 않음)를 통해 낮은 온도의 공기를 PCR 장치 내에서 순환시킬 수도 있다.
도 1에서 도시되지 않았지만, PCR 플레이트(S150)는 디스플레이(S160)를 향해 배치된 PCR 챔버; 및 PCR 챔버의 하부면에 배치되고 LED 광원(S130, S140)을 향해 배치되며 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 포함한다.
PCR 챔버는 1개 이상의 시료 전처리 웰(well) 및 1개 이상의 PCR 수행 웰을 구비한다. 시료 전처리 웰, PCR 수행 웰은 각각 PCR 장치에서 통상적으로 포함되는 웰을 그대로 채용하거나 변형시켜 포함될 수 있다. 상기 PCR 챔버는 특별히 제한되지 않지만 폴리디메틸실록산(PDMS) 웰을 사용할 수 있다.
웰 내에는 세포의 용해(Lysis), RNA 정제, 역전사 및 PCR 수행에 필요한, 효소, 바이오 분자 및 화학 약품을 혼합한 믹스가 도포되어 있어, 시료가 도입되면 하나의 웰 내에서 세포의 용해, RNA 정제, 역전사 및 PCR이 수행되도록 할 수 있다. 상기 효소, 바이오 분자 및 화학 약품은 PCR을 수행할 때 필요하다고 당업자에게 알려진 통상의 종류를 채용할 수 있다.
디스플레이(S160)는 시료의 온도의 상승 및 하강을 확인함으로써 핵산의 증폭을 확인하게 할 수 있다. 디스플레이(S160)는 단순히 온도의 상승 및 하강 사이클뿐만 아니라 형광 검출기를 추가로 포함함으로써 실질적인 핵산의 증폭 여부를 확인할 수 있게 할 수 있다.
LED 광원(S130, S140)은 각각 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다. 동일한 파장의 광을 조사하는 경우 온도 상승 효과가 미미할 수 있다. 일 구체예에서, LED 광원은 각각 500nm 이상 600nm 이하의 파장의 광, 600nm 초과 700nm 이하의 파장의 광을 조사하는 광원을 채용할 수 있다. 상기 범위에서, 광 에너지로부터 열 에너지로의 전환 효율이 극대화될 수 있다. 바람직하게는, 530nm내지 550nm의 파장대, 더 바람직하게는 530nm 및 640nm 내지 660nm 파장대, 더 바람직하게는 660nm 파장의 광을 사용할 수 있다. 이것은 하기에도 도 8을 참조하여 상세하게 설명된다.
LED 광원(S130, S140)은 서로 다른 파장의 광을조사하는 만큼, 2 광원의 초점 거리가 중요하다. 따라서, LED 광원의 거리, 위치를 조절할 수 있는 조절 수단을 더 포함할 수 있다.
LED 광원(S130, S140)은 PCR 장치 중 하부에 배치된다. 그러나, 도7에서 보여지는 바와 같이, LED 광원(S130)을 PCR 플레이트의 상부에 설치하여 광을 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판(S240)에 조사함으로써 변환 효율을 더 높일 수도 있다.
도 2를 참조하여, 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 설명한다.
도 2와 도 3을 참조하면, 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판은 알루미나 기판(S240); 알루미나 기판(S240)의 상부면에 알루미나 기판(S240)과 일체로 형성되고 복수 개의 격벽이 서로 교차하여 형성된 격벽 구조물(S221); 격벽 구조물(S221) 내의 빈 공간에 알루미나 기판(S240)과 일체로 형성된 금 나노입자(S320); 격벽 구조물(S221) 중 격벽의 상부 표면에 접촉하여 형성된 금 나노클러스터(S330)를 포함한다.
금 나노입자(S320)는 금 나노클러스터(S330) 대비 다른 크기를 갖거나 다른 크기의 금 입자를 포함한다. 따라서, 2개의 서로 다른 파장의 광을 조사하는 LED 광원(S130, S140)을 사용함으로써 각각의 광원에 의한 플라즈몬 효과를 높일 수 있고, 이것은 온도의 상승 속도를 더 높일 수 있다.
도 5를 참조하면, 알루미나 기판(S240)에 형성된 금 나노입자(S320)에 LED 광원으로부터 나오는 광(S400)을 조사하게 되면, 광 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있고, 방출된 열 에너지는 시료의 온도 상승 속도를 높일 수 있다. 광 을 조사하면 금 나노입자에 광이 흡수되며 이때 전자가 빠르게 이동하면서 열을 발생하게 된다. 그러다가, 광 조사를 멈추면 플라즈몬 효과가 없어짐에 따라 온도가 급속도로 하강하게 된다.
한편, 알루미나 기판(S240)에 형성된 금 나노클러스터(S330)는 LED 광원으로부터 나오되 광(S400)과는 다른 파장의 광(S410)을 조사하게 되면, 광 에너지를 열 에너지로 변환할 수 있고, 방출된 열 에너지는 시료의 온도 상승 속도를 더 높일 수 있다.
본 발명은 금 나노입자(S320)과 금 나노클러스터(S330)에 의해 서로 다른 파장 대에서 나오는 광을 열 에너지로 변환시킴으로써 변환 효율을 극대화함으로써 시료의 온도 상승 속도를 높일 수 있다. 광원으로부터 광 조사를 멈추게 되면, 알루미나 기판(S240)은 빠르게 식음으로써 시료의 온도 하강을 빠르게 할 수 있다. 이와 같이, 나노 정렬된, 금 나노입자와 금 나노클러스터 및 알루미나 기판에 의해 PCR에 요구되는 온도의 상승 속도 및 하강 속도를 높여 고속으로 신속하게 PCR 반응을 수행할 수 있게 한다.
바람직하게는, 도 5에서 보여지는 바와 같이, 금 나노입자(S320) 및 금 나노클러스터(S330)는 LED 광원(S130, S140) 쪽으로 대향하여 배치됨으로써, 금 나노입자(S320) 및 금 나노클러스터(S330)는 LED 광원(S130, S140)으로부터 나오는 광을 직접적으로 받을 수 있다.
다시 도 3를 참조하면, 금 나노입자(S320)는 격벽이 서로 교차하여 형성되는 빈 공간 내에 알루미나 기판과 일체로 형성되되 격벽으로부터 이격되어 형성되어 있다.
금 나노입자(S320)는 입경이 50nm 내지 70nm, 구체적으로 60nm 내지 70nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 금 나노입자의 제조가 용이하고, 본 발명의 효과 구현에 용이할 수 있다. 금 나노입자(S320)는 알루미나 기판(S240)에 서로 동일한 거리로 서로 이격되며 나노 정렬되어 형성되어 있다. 이를 통해, 본 발명의 효과 구현이 더 용이할 수 있다.
일 구체예에서, 금 나노입자(S320)는 나노 정렬되어 있는데, 금 나노입자(S320) 간의 이격 거리는 0.001nm 내지 1000nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 LED 광원 조사시 온도의 상승 및 하강 속도가 더 빨라질 수 있다.
금 나노클러스터(S330)는 격벽의 상부 표면에 직접적으로 접촉하여 형성되며 미세한 금 입자들이 클러스터를 형성한 것이다. 금 나노클러스터(S330)는 평균 입경이 5nm 이하, 구체적으로 5nm 내지 10nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과 구현에 용이할 수 있다.
금 나노클러스터(S330)도 나노 정렬되어 있는데, 도 2에서 도시되는 바와 같이 1변의 길이가 0.001nm 내지 1000nm인 정육각형 모양으로 결합되어 있다.
격벽 구조물(S221)은 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하고 있다. 격벽 구조물(S221)은 격벽과 빈 공간이 정렬되어 형성됨으로써 플라즈몬 효과에 의한 온도의 상승 속도를 높일 수 있다. 격벽 구조물(S221)은 최 외곽이 격벽으로 되어 있어 PCR 플레이트에 장착을 용이하게 할 수 있다.
격벽 구조물(S221) 및 격벽은 알루미나로 형성됨으로써, 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판의 제조 공정성을 높일 수 있고, 시료의 온도 하강 속도를 높일 수 있다. 일 구체예에서, 알루미나는 양극 산화에 의한 알루미늄 산화물(AAO, anodic aluminum oxide)로서 다공성이 될 수 있다. 알루미나의 다공성은 본 발명의 금 나노입자 및 금 나노클러스터의 형성을 용이하게 할 수 있다.
격벽의 상부 표면(도 3의 S222)은 곡면이 될 수 있다. 곡면은 평면 대비 금 나노클러스터가 안정적으로 형성되도록 하며, 본 발명의 효과를 더 높일 수 있고, 추가적인 플라즈몬 효과를 제공할 수 있다.
격벽의 높이는 PCR 장치의 크기, PCR 플레이트 및/또는 PCR 장치에 포함되는 광원의 종류에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 격벽의 높이는 1mm 내지 3mm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 본 발명의 효과 구현이 용이할 수 있다. 격벽은 정육각형이 서로 접합되어 허니콤 구조를 가지면서 격벽 구조물을 형성할 수 있다.
격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간은 소정의 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 도 2에서 보여지는 바와 같이 정육각형 단면이 될 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판의 제조 과정을 도 3, 도 4를 참조하여 설명한다.
나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판은 알루미늄 기재를 양극 산화 및 습식 에칭시켜, 알루미나 기판 상에 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하는 격벽 구조물을 형성하는 단계(단계 1), 상기 격벽 구조물 상에 금을 증착하는 단계(단계 2); 금이 증착된 상기 격벽 구조물을 열 처리하는 단계(단계 3)를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
도 3을 참조하면, 알루미늄 기재(S210)를 준비한다.
알루미늄 기재(S210)는 순도가 99.99% 이상, 예를 들면 99.99 내지 100%인 알루미늄 기재일 수 있다. 상기 순도 범위에서, 최종적으로 형성되는 격벽 구조물 중 빈 공간의 배열을 정렬시킬 수 있다.
알루미늄 기재(S210)는 추가적인 처리 없이 사용해도 좋다. 그러나, 본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판의 제조 수율, 온도의 상승 및 하강의 신속을 위하여, 알루미늄 기재(S210)는 표면 처리되어 알루미늄 기재의 표면의 불순물을 제거하는 전처리 공정을 거칠 수 있다.
전처리 공정은 알루미늄 기재의 표면을 전해 연마하는 것을 포함할 수 있다. 전해 연마는 HClO4와 에탄올을 1:1 내지 10:1, 바람직하게는 3:1 내지 5:1, 더 바람직하게는 4:1의 부피비로 혼합한 혼합 용액 내에 알루미늄 기재를 함침시킨 다음, 10℃ 내지 20℃, 바람직하게는 15℃의 조건에서 10V 내지 30V, 바람직하게는 20V의 직류 전압을 걸어줌으로써 수행될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 알루미늄 기재(S210)로부터 알루미나 기판(S240) 상에 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하는 격벽 구조물(S221)을 형성한다. 격벽 구조물(S221)의 격벽의 상부 표면은 곡면(S222)이 될 수 있다.
격벽 구조물은 양극 산화 및 습식 에칭에 의해 수행될 수 있다. 양극 산화, 습식 에칭은 각각 1회 수행될 수 있지만, 본 발명의 격벽 구조물의 형성을 용이하게 하고, 나노 정렬된 구조를 잘 형성하기 위하여, 제1 양극 산화 공정, 제1 습식 에칭 공정, 제2 양극 산화 공정 및 제2 습식 에칭 공정의 순서로 수행될 수 있다. 제2 습식 에칭 공정은 생략될 수도 있다.
제1 양극 산화 공정은 알루미늄 기재(S210)를 0.1 내지 0.5M, 바람직하게는 0.3M의 옥살산 내에 함침하고 10V 내지 100V, 바람직하게는 60V의 직류 전압 하에서 1시간 내지 20시간, 바람직하게는 12시간 진행하여 수행할 수 있다. 이를 통해 알루미늄 기재(S210) 상에 알루미늄 산화물(알루미나) 막을 형성할 수 있다.
제1 습식 에칭 공정은 상기 형성된 알루미늄 산화물을 제거하는 공정이다. 제1 습식 에칭 공정은 인산(phosphoric acid)과 크롬산(chromic acid)의 혼합 용액 내에 알루미늄 기재를 함침하는 단계를 포함한다. 인산: 크롬산은 1:1 내지 10, 바람직하게는 4:1의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 혼합 용액 중 인산은 1 내지 10중량%, 크롬산은 1 내지 5중량%로 포함될 수 있다. 효율적으로 알루미늄 산화물을 제거하기 위하여, 제1 습식 에칭 공정은 50℃ 내지 100℃, 바람직하게는 60℃의 고온에서 수행하는 것이 바람직하다. 효율적으로 알루미늄 산화물을 제거하기 위하여 제1 습식 에칭 공정은 고온에서 1시간 내지 10시간, 바람직하게는 6시간 동안 수행될 수 있다.
제2 양극 산화 공정 및 제2 습식 에칭 공정은 정렬된, 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하는 격벽 구조물을 형성한다.
제2 양극 산화 공정은 상술한 제1 양극 산화 공정과 실질적으로 동일하되, 격벽의 높이를 제어하기 위하여 제1 양극 산화 공정 대비 짧은 시간 동안 수행될 수 있다.
제2 습식 에칭 공정은 0.01 내지 1M, 바람직하게는 0.1M의 인산에서 20℃ 내지 30℃, 바람직하게는 28℃에서 수행될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 격벽 구조물(S221)에 금을 증착하여, 격벽 구조물(S221)의 빈 공간 및 격벽의 상부 표면에 금(S310)이 증착된 구조물을 얻는다.
금을 증착하는 방법은 당업자에게 알려진 통상의 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 대표적인 증착 장치(E-BEAM, THERMAL EVAPORATOR)를 사용하여 수행될 수 있다. 증착된 금의 두께는 5nm 내지 10nm, 바람직하게는 7nm가 될 수 있다. 상기 범위에서, 금 나노입자를 효율적으로 형성하고, 도 2 및 도 3에서 보여지는 바와 같이, 금 나노입자와 금 나노클러스터가 3D 꽃(flower) 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하면, 금이 증착된 격벽 구조물을 열처리함으로써, 알루미나 기판(S240)에 격벽 구조물(S221) 및 나노 정렬된, 금 나노입자(S320) 및 금 나노클러스터(S330)를 형성한다.
열처리는 격벽 구조물 중 빈 공간에 증착된 금이 금 나노입자를 형성하도록 하고, 격벽의 상부 표면에 증착된 금이 금 나노클러스터를 형성하도록 한다. 빈 공간에 증착된 금은 격벽의 상부 표면에 증착된 금 대비 증착 면적이 넓어서 금 나노클러스터 대비 상대적으로 큰 입경으로 금 나노입자를 형성할 수 있다.
열처리는 300℃ 내지 600℃, 바람직하게는 500℃에서 1시간 내지 5시간, 바람직하게는 3시간 동안 수행될 수 있다. 열처리는 통상의 방법으로 수행될 수 있다.
알루미나 기판 형성 시 열처리를 진행하지 않을 경우 동일 파장대의 LED혹은 다른 파장대의 LED를 사용하더라도 PCR에 적합한 90℃ 이상의 온도에 빠르게 도달하지 못하므로 적합하지 않다. 따라서 본 발명에서는 열처리를 통하여 나노 구조로 디?팅(dewetting)됨에 따라 PCR에 적합한 빠른 온도 상승을 유도하였다.
나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판은 롤-투-롤(roll to roll, R2R)로 상술 과정을 거침으로써 제조 공정성을 높일 수도 있다.
이와 관련하여, 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4는 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 제조하기 위한 전체 R2R 하이브리드 진공 공정을 보여준다. PCR 증폭의 경우, 빠른 시간내에 많은 사람들을 대상으로 실시하여야 하기 때문에 본 발명에서는 R2R 하이브리드 진공 공정을 통하여 나노 정렬 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판을 제작하고자 한다.
다공성 알루미나 제작에 대해서는 기존 알려진 제조 공정은 한단계 한단계을 거치며 제작을 해야 되기 때문에 매우 정열된 다공성 구멍을 얻을 수 있는 반면, 고비용과 시간이 오래 걸리는 단점을 가진다. 이에 본 발명에서는 기존 공정과 함께 롤 투 롤 하이브리드 진공 공정을 제안하였다. 일반적인 롤 투 롤 공정에서는 순도가 높은 금을 증착하기 어려우며, 높은 고온에서 열처리가 불가하기 때문에 진공 증착 기기와 고온 건조가 가능한 건조기가 사용될 수 있다 바람직하게는 알루미늄 기재(S210)로서는 순도가 높은 알루미늄 호일(순도: 99.99% 이상, 두께 0.1-0.5 mm)이 선호되며 이는 최종적으로 형성되는 다공성 홀의 배열에 직접적으로 영향을 준다.
우선 알루미늄 기재의 표면의 불순물을 제거하기 위한 전해 연마를 수행한다. 전해 연마는 HClO4와 ethanol 4:1 혼합 용액이 사용될 수 있으며 이를 챔버에 담그어 해당 공정을 진행할 수 있다. 온도는 15-25℃ 조건으로 20 V의 직류 전압을 걸어 줌으로써 알루미늄 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
다공성 구멍을 만들기 위하여 1차 양극 산화 공정(S220)을 거치며 이에 0.3 M의 oxalic acid를 사용하여 60V의 직류 전압 하에서 12시간(롤 투 롤 공정시에는 1분) 진행시 제조될 수 있다. 상기 제안하는 롤 투 롤 공정에서는 충분한 연마 공정과 양극 산화를 위해서 웹 이동 속도는 0.1-0.5mm/s를 장력은 5-7kg이 선호된다. 빠른 제조 공정을 위해서 10-50mm/s가 될 수 있으며 이는 주어진 공정 및 용액 조건에 따라 상이할 수 있다.
wet etching(S230) 공정을 통하여 알루미나 산화막을 제거하게 되며 이때 6wt% phosphoric acid에 1.5 wt% chromic acid 혼합 용액을 사용한다. 효율적인 알루미나 산화막을 제거하기 위하여 상온 보다 고온의 온도가 필요하여 경우에 따라서 60℃의 고온에서 1분동안 진행한다.
이후 2차 양극 산화 공정(S240)을 통하여 다공성 알루미나가 형성하게 되며 이때 1차 양극 산화 조건과 같으며 다공성 구멍의 높이를 제어하기 위해 짧은 시간(수초 내지 수분)의 직류 전압을 걸어준다.
이후 2차 wet etching 공정을 통하여 정렬된 다공성 알루미나를 포함한 알루미나 판을 얻을 수 있다. 0.1 M phosphoric acid가 에칭 공정을 위해 사용되며 이때 주어진 온도(선택적으로 28℃가 요구된다)에 따라 다양한 형태의 다공성 구멍을 가진 알루미나를 제조할 수 있다. 이는 추가적인 공정으로 선택적으로 도입될 수 있다.
제조된 다공성 구멍을 가진 알루미나 기판(S240)은 걸어준 직류 전압값, 걸어준 시간, 웹의 이동속도, 사용하는 산의 농도 및 알루미늄의 판의 순도에 따라 결정되며 바람직하게는 형성되는 다공성 구멍의 사이즈는 50-100 nm로 선호된다.
광에 의한 열 전환 효율을 위한 금속 물질로 금이 선호된다. 본 발명에서는 수나노 nm의 두께의 금을 코팅하기 위하여 대표적인 증착 장비 (e-beam, thermal evaporator)등이 사용할 수 있다. 롤 투 롤 공정에서는 하이브리드 형태의 진공 증착 장비(S250)가 선호되며 기존 증착 장비와 동일한 조건에서 수행할 수 있다. 효율적인 금 나노 입자를 형성하고 3D 플라워 구조를 갖도록 이상적으로는 5-7nm의 두께의 금 증착이 요구된다.
그런 다음, 열 처리 공정(S260)을 통해 금 나노입자 및 금 나노클러스터가 형성될 수 있다.
도 5는 격벽 구조물이 형성된 알루미나 기판(S240), 격벽 구조물에 금이 증착된 알루미나 기판(S240), 금 나노입자 및 금 나노클러스터가 정렬되어 형성된 알루미나 기판(S240)의 상부 표면의 SEM 사진을 보여주는 것이다.
도 5를 참조하면, 빈 공간 및 격벽의 상부 표면에 금이 증착되는 것, 금 나노입자와 금 나노클러스터가 형성되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 LED 파장을 조사하였을 때, LED 파장에 따라 조사 시간에 따른 온도 상승 정도를 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판은 사용되어지는 LED의 파장대에 따라서 서로 다른 효율을 보인다.
바람직하게는 530nm내지 550nm의 파장대, 더 바람직하게는 530nm 및 640nm 내지 660nm 파장대, 더 바람직하게는 660nm의 광원을 사용하는 것이 유리하다.
530nm 대의 LED는 주어진 시간 내에서 빠르게 온도 상승(상온에서 90℃까지)을 가져오며 같은 500nm 대의 파장을 가지는 520nm LED는 낮은 열 전환 효율을 보여준다. 그렇지만 단 파장대만을 사용함에 따라서 빠른 시간 내에 원하는 온도를 얻지 못함에 따라 본 발명에서는 두 가지 서로 다른 파장대를 가지는 LED가 선호된다.
본 발명에서 제안하는 나노 정렬된, 금 나노입자의 경우 두가지 크기를 가지는 금 나노입자가 존재함에 따라서 두가지 이상의 파장대의 LED를 사용함으로써 열 전환 효율을 극대화할 수 있다. 본 발명에서는 바람직하게 530nm내지 550nm의 파장대의 LED와 640nm 내지 660nm 파장대 의 LED를 사용함으로써 극대화된 열전환 효율을 얻을 수 있다.
본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판에 대해 LED 광원(파장 530nm 및 660nm의 동시 조사)을 조사하였을 때 시간에 따른 온도의 상승 및 하강 그래프를 도 9에 나타내었다.
도 9을 참조하면, 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판의 경우 PCR 증폭에 사용되는 변성(denaturation), 결합(annealing), 신장(extension)의 3단계에 해당되는 62℃ 내지 94℃의 온도 범위에서 30 사이클 (DNA를 충분히 증폭할 수 있는 사이클)를 반복하였을 경우 3분 이내에 도달 할 수 있다. 이는 고속 PCR 구현을 위한 필수적인 요인으로 단시간 내에 PCR를 수행할 수 있게 한다.
본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판을 구비하는 PCR 장치를 이용한 DNA 증폭에 따른 실제 온도 상승 및 하강 그래프를 도 10에 나타내었다.
도 10을 참조하면, PCR 장치를 구성하여 세포의 용해(Lysis), RNA정제 및 Trans Reverse Transcription을 위한 바이오 분자 및 화학 약품을 혼합한 믹스를 준비하고, PDMS웰 챔버를 포함한 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나 기판에 약 1 μl를 넣고, 증발을 막기 위한 오일 약 2 μl를 넣고 PCR를 수행한다. 이때 수행 시간은 300초에서 500초로 목표 DNA의 크기와 프라이머의 디자인에 따라 달라질 수 있다. 55 bp (혹은 100 bp)의 길이를 가진 DNA를 이용하여 증폭을 진행하였을 경우 약 300 초정도가 소모되며 이는 기존 PCR 수행장치에 비해 월등하게 시간이 단축됨을 확인 할 수 있다.
본 발명의 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터를 포함하는 알루미나 기판을 구비하는 PCR 장치를 이용한 DNA(55bp 및 100bp)의 증폭을 수행한 다음 전기 영동 겔을 한 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11을 참조하면, 55bp의 길이를 가진 DNA(S510) 및 100bp의 길이를 가진 DNA(S520)에 대해서도 본 발명의 PCR 장치에서 증폭이 됨을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (8)
- PCR 플레이트, 상기 PCR 플레이트의 하부면에 배치된 복수의 LED 광원 및 상기 PCR 플레이트의 상부에 배치된 디스플레이를 포함하고,
상기 PCR 플레이트는 복수 개의 웰을 구비하는 PCR 챔버; 및 상기 PCR 챔버의 하부면에 배치되고 나노 정렬된, 금 나노입자 및 금 나노클러스터 함유 알루미나(Al2O3) 기판을 포함하고,
상기 알루미나 기판은 알루미나 기판; 상기 알루미나 기판의 상부면에 상기 알루미나 기판과 일체로 형성되고 복수 개의 격벽이 서로 교차하여 형성된 격벽 구조물; 상기 격벽 구조물 내의 빈 공간에 상기 알루미나 기판과 일체로 형성된 상기 금 나노입자; 및 상기 격벽 구조물 중 격벽 상부 표면에 형성된 상기 금 나노클러스터를 포함하는 것인, PCR 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 금 나노입자는 상기 금 나노클러스터 대비 다른 크기를 갖는 것인, PCR 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 LED 광원은 500nm 이상 600nm 이하의 파장의 광을 조사하는 광원 및 600nm 초과 700nm 이하의 파장의 광을 조사하는 광원을 포함하는 것인, PCR 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 격벽의 상부 표면은 곡면인 것인, PCR 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미나는 다공성의 양극 산화에 의한 알루미늄 산화물(AAO, anodic aluminum oxide)인 것인, PCR 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 알루미나 기판은
알루미늄 기재를 양극 산화 및 습식 에칭시켜, 알루미나 기판 상에 복수 개의 격벽; 및 격벽이 서로 교차하여 형성된 빈 공간을 포함하는 격벽 구조물을 형성하는 단계(제1 단계),
상기 격벽 구조물 상에 금을 증착하는 단계(제2 단계); 및
금이 증착된 상기 격벽 구조물을 열처리하는 단계(제3 단계)를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것인, PCR 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 알루미나 기판은 상기 제1 단계, 상기 제2 단계 및 상기 제3 단계를 롤 투 롤 하이브리드 제조 공정에 의해 수행하여 제조되는 것인, PCR 장치.
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