KR20070005153A - 이중 유체 흐름 채널을 갖는 전기화학 분석용 랩온어칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중 유체 흐름 채널을 갖는 전기화학 분석용 랩온어칩에 관한 것으로, 구체적으로 시료 용기, 기준용액 용기, 제 1 및 제 2 완충용액 용기, 제 1 및 제 2 유체 흐름 채널, 기준전극 및 작업전극이 구비되어 있고, 상기 시료 용기 및 제 1 완충용액 용기는 제 1 유체 흐름 채널에 의해 작업전극에 연통되어 있으며, 기준용액 용기 및 제 2 완충용액 용기는 제 2 유체 흐름 채널에 의해 기준전극에 연통되어 있음을 특징으로 하는 본 발명의 랩온어칩은 시료 검출시에 밴드 넓힘 현상 및 전위 이동현상 없이, 다양한 화합물을 고감도로 검출할 수 있다.
Description
도 1a 및 1b는 각각, 이중 유체 흐름 채널을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩의 평면도 및 사진이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩에서 전극 부분을 확대촬영한 사진이고,
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩을 이용한 전기적 시료 검출 과정을 단계별로 도시한 것이고,
도 4는 플라스틱 재질의 랩온어칩 제작 공정을 보여주는 도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩을 이용한 도파민-카테콜 혼합물의 분석결과를 보여주는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 랩온어칩을 이용한 도파민의 최소 검출한계 측정결과를 보여주는 그래프이며,
도 7은 기존의 전기화학분석장치를 이용한 도파민의 최소 검출한계 측정결과를 보여주는 그래피이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 유체 배출 용기 21 : 시료 용기
31 : 기준용액 용기 41 : 제 1 완충용액 용기
42: 제 2 완충용액 용기 51 : 제 1 유체 흐름 채널
52 : 제 2 유체 흐름 채널 61 : 기준 전극
62 : 작업 전극 71 : 접지
본 발명은 전기화학 분석용 랩온어칩에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 시료의 검출감도가 현저히 개선된 랩온어칩에 관한 것이다.
랩온어칩(lab-on-a-chip)은 미세종합분석시스템(micro total analysis system, ??-TAS)의 개념과 기능을 작은 칩상에서 구현한 것으로, 대다수가 용액이 채워진 채널 양단에 전압을 걸어 용액의 흐름을 만드는 모세관 전기 삼투 현상을 이용한 모세관 전기이동법에 의한 전기화학적 분리 및 분석 방법에 기반을 두고 있다.
화합물의 전기화학적 검출방법은 크게 전도법(conductimetry), 전위법(potentiometry) 및 전류법(amperometry)에 의한 것으로 분류할 수 있으며, 이중에서 전류법이 전기화학적 검출에서 주로 널리 사용되는 기술이다. 이러한 전류법은 특정 화합물의 시료가 채널 내부를 이동하여 작업전극(working electrode)에 도달했을 때 발생하는 전류를 측정하여 시료를 검출하는 것이며, 여기에는 엔드 채널(end-channel), 인 채널(in-channel) 및 오프 채널(off-channel) 방식이 있다.
엔드 채널(end-channel) 방식은 작업전극과 기준전극 모두를 전위가 0에 가까운 채널의 배출구 근처에 위치시켜 검출을 수행하는 것이나, 채널 배출구에서는 전기장의 영향이 사라짐에 따라 용액의 확산이 일어나 밴드 시그날이 넓어지고 피크가 낮아지는 밴드 넓힘 현상이 생긴다. 또한, 전기장하에서 작업전극과 기준전극의 전기적 위치 차이로 인해 전위 이동이 유발됨에 따라 시료의 검출감도가 저하된다.
이에 대해, 인 채널(in-channel) 방식에서는 밴드 넓힘 현상을 감소시키기 위해 작업전극을 채널 내부로 위치시켜 검출을 수행하였으나, 두 전극의 전기적 위치 차이에서 유발되는 전위이동은 해소할 수 없었다.
따라서, 오프 채널(off-channel) 방식에서는 채널내에 위치시킨 작업전극 앞에 디커플러(decoupler)를 위치시켜 분리전압을 제거함으로써 두 전극에서의 전위이동 발생을 해소하려고 시도하였다. 그러나, 이 방식은 다공성 또는 전도성의 고분자 물질이나 백금 또는 팔라듐과 같은 금속 재질인 디커플러의 제작이 복잡할 뿐만 아니라 분석 화합물을 누출시키는 문제점이 있으며, 디커플러와 작업전극 사이에 발생되는 전기적 자유장(electric-free field)에 의해 용액의 확산현상이 일어나 불감부피(dead volume)를 발생시키는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존의 방식에서 발생되는 문제점들을 해소함으로써 분석 화합물의 검출 감도를 현저히 개선시킬 수 있는, 전기화학 분석용 랩온어칩을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 시료 용기, 기준용액 용기, 제 1 및 제 2 완충용액 용기, 제 1 및 제 2 유체 흐름 채널, 기준전극 및 작업전극이 구비되어 있고, 상기 시료 용기 및 제 1 완충용액 용기는 제 1 유체 흐름 채널에 의해 작업전극에 연통되어 있으며, 기준용액 용기 및 제 2 완충용액 용기는 제 2 유체 흐름 채널에 의해 기준전극에 연통되어 있음을 특징으로 하는, 전기화학 분석용 랩온어칩을 제공한다.
이하 본 발명을 도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 전기화학 분석용 랩온어칩은 도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 이중 유체 흐름 채널을 갖추고, 이중(dual) 유체 흐름 채널 각각의 내부에 작업전극과 기준전극을 동일한 전기적 위치로 설치되는 것이 바람직하다.
즉, 기존 전기화학 분석장치가 하나의 유체 흐름 채널내에 작업전극과 기준전극을 모두 위치시킨 후 시료 및 기준용액을 통과시켰던 것과는 달리, 본 발명에서는 유체 흐름 채널을 2개로 제작하여 각각에 작업전극과 기준전극을 별도로 위치시킨 후, 작업전극이 설치된 채널에는 시료를 통과시키고 나머지 다른 한 채널에 기준용액을 통과시킴으로써, 모세관 전기 삼투 현상을 이용한 모세관 전기이동법에 의해 시료를 전기화학적 분리 및 분석하는 것이다.
본 발명에 따른 랩온어칩은 조합화학을 이용하여 동시에 많은 종류의 물질을 합성 및 검출해야 하는 신약 분석분야, 효소, 단백질, 아미노산 등과 같은 미량의 생리 활성물질을 다루는 생명과학 분야, 오염물질의 신속한 현장 탐지가 필요한 환경 분야 등에서 다양한 종류의 물질 분석에 폭넓게 사용될 수 있으며, 특히 생체내 존재하는 유기물의 분석에 유리하다.
본 발명의 랩온어칩을 이용하여 시료를 분석할 때, 완충용액은 분석하고자 하는 시료에 따라, 붕산, 인산, 알칼리 용액 등을 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명의 랩온어칩에서, 2개의 유체 흐름 채널은 긴 전기삼투압 경로를 갖는 길이로서 서로 동일해야 하며, 채널의 직경은 약 1 내지 200㎛, 길이는 약 10 내지 50 ㎜가 바람직하나, 응용분야에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
본 발명에서는 작업전극 및 기준전극을 각각의 유체 흐름 채널 내부에 설치하는데, 바람직하게는 채널 배출구로부터 약 200㎛ 앞쪽에 위치시키며, 작업 전극으로는 금, 백금, 은, 탄소, 구리, 니켈, 크롬 또는 팔라듐 재질의 것이 사용될 수 있고, 기준전극으로는 백금, 금, 은 등의 재질의 것이 사용될 수 있다.
상기 도 1a에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 랩온어칩을 이용한 시료 검출은 도 3a 내지 3c에 나타낸 바와 같은 단계에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 분석하고자 하는 시료 샘플을 용기(21)에, 기준용액을 용기(31)에, 제 1 및 제 2 완충용액을 용기(41 및 42)에 넣은 후, 완충용액 용기에 다른 용기보다 높은 전 압을 걸어주게 되면 완충용액은 각각의 유체 흐름 채널 (51) 및 (52)을 통과하게 되며(도 3a); 상기 완충용액 용기의 단부에 걸었던 전압을 0 으로 차단하면 시료 및 기준용액이 각각 제 1 유체 흐름 채널 (51) 및 제 2 유체 흐름 채널 (52)을 통해 흐르게 된다(도 3b). 이어서, 완충용액 용기의 단부에 다시 처음에 걸었던 전압을 인가하여 제 1 및 제 2 완충용액을 각각 시료 및 기준용액과 함께 2개의 유체 흐름 채널 (51 및 52)로 흐르게 하고, 이때의 기준전극(61) 및 작업전극(62)에 도달되는 유체의 전류량을 각각 측정함으로써(도 3c)를 통해 시료의 전기화학적 분석을 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 랩온어칩은 유리, 수정, 용융 실리카, 실리콘계 고무 또는 플라스틱과 같이 채널 가공이 가능한 재질의 기판에 에칭, 몰딩, 프레싱, 기계가공, 레이저 가공 등의 통상의 방법으로 제작할 수 있다.
예컨대, 도 4는 몰딩 기법으로 플라스틱 재질의 랩온어칩을 제작하는 일예를 나타낸 것으로, 먼저, 실리콘, 플라스틱, 유리, 실리카 등의 기판 위에 음성감광층(negative photoregist)을 코팅하고, 여기에 포토마스크를 덮은 다음 자외선에 노출시켜 노광시킨 후, 노광한 웨이퍼를 현상하여 원하는 패턴을 가진 양각 틀을 얻고, 이 틀에 플라스틱 재료를 붓고 가교결합시킨 뒤 떼어내어 원하는 음각의 패턴을 갖는 플라스틱 판을 얻음으로써 상판(A)을 제조한다.
다음, 유리 또는 실리콘 등의 기판위에 금속 증착기를 이용해 크롬과 금을 차례로 증착하고, 그 위에 양성감광층(pasitive photoregist)을 코팅한 후 포토마스크를 덮고 자외선에 노출시켜 노광하고, 노광한 기판을 금 식각액 및 크롬 식각 액을 이용해 패턴을 만들고, 아세톤과 같은 유기용매를 이용해 기판에 남아있는 양성감광층을 제거하여, 금 패턴을 가진 하판(B)을 제조한 후 앞서 제작한 상판과 결합시킴으로써 플라스틱 재질의 랩온어칩을 제조할 수 있다.
이때, 플라스틱 재료로는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP) 등이 사용될 수 있으며, 기판의 코팅 방법으로는 스핀 코팅, 딥 코팅 등 여러가지 방법이 있으나, 스핀 코팅법이 보다 바람직하다. 또한, 코팅 횟수에도 제한은 없으나 1회 내지 2회가 바람직하다. 코팅을 하지 않을 경우에는 채널의 높이가 낮아져 문제점이 있으며, 코팅 횟수가 2회를 초과할 경우에는 채널의 높이를 일정하게 만들기 어려운 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 랩온어칩에서는 작업전극과 기준전극이 별도의 채널내에 존재함에 따라 전기장하에서의 상호간 간섭이 일어나지 않아 밴드 넓힘 현상이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 작업전극과 기준전극의 전기적 위치가 동일하여 전위 이동이 발생하지 않아, 다양한 목적 화합물을 고감도로 검출할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 랩온어칩의 제작
본 실시예는 다양한 랩온어칩 제작 방법 중 폴리디메틸실록산(PDMS)을 사용 하는 몰딩 기법으로 본 발명에 따른 랩온어칩을 제작하는 공정을 예시하는 것이다.
먼저, 상판 제작(A)을 위해, 실리콘 웨이퍼 위에 음성감광층(negative photoregist)을 스핀 코팅법으로 1회 코팅하고, 여기에 포토마스크를 덮은 다음 자외선에 노출시켜 노광시킨 후, 노광한 실리콘 웨이퍼를 현상하여 도 1a에 도시된 바와 같은 패턴을 가진 양각 틀을 얻고, 이 틀에 PDMS를 붓고 가교결합시킨 뒤 떼어내어 원하는 음각의 패턴을 갖는 PDMS 판을 얻었다.
다음, 하판 제작(B)을 위해, 금속 증착기를 이용해 유리판 위에 크롬과 금을 차례로 증착하고, 그 위에 양성감광층(pasitive photoregist)을 스핀 코팅법으로 1회 코팅한 후 포토마스크를 덮고 자외선에 노출시켜 노광하였다. 노광한 유리판을 금 식각액 및 크롬 식각액을 이용해 패턴을 만들고, 아세톤을 이용해 유리판에 남아있는 양성감광층을 제거하여, 금 패턴을 가진 유리판을 제조하였다.
앞서 제작한 상판에 용기 삽입용 구멍을 뚫고, 테슬라코일을 이용해 형성한 코로나 방전으로 표면처리한 후, 표면이 깨끗하게 세척된 하판과 결합한 다음, 실리콘 튜빙을 구멍에 맞게 놓고 접착제로 고정하여, PDMS 재질의 이중 유체 흐름 채널을 갖는 랩온어칩을 제조하였으며, 제조된 랩온어칩에 대한 사진을 도 1b에 도시하였다.
또한, 도 2는 각각의 내부에 위치된 작업전극 및 기준전극 부분에 대한 확대 사진을 도시한 것으로, 작업전극 및 기준전극이 동일 위치에 있다.
실시예 2 : 랩온어칩을 이용한 화합물 검출
실시예 1에서와 같이 제작된 랩온어칩의 시료 분석성능을 평가하기 위해, 도 3a 내지 3c에 나타낸 바와 같은 공정으로 도파민(dopamine) 및 카테콜(catechol)의 분리 실험을 수행하였다.
먼저, 완충용액으로서 붕산(pH 9.5)을 용기(41 및 42)에 채운 후, 상기 용기의 단부에 1kV, 시료 용기(21) 및 기준용액 용기(31)에는 0.7kV 및 시료 배출 용기(11)에는 0.3kV의 전압을 걸어, 완충용액이 유체 흐름 채널(51 및 52)를 통과하게 하였다. 시료로서 도파민과 카테콜의 1:2 혼합물을 주입할 때, 완충용액 용기에 걸던 전압을 1초 동안 차단하였다가 다시 걸어 시료 및 기준용액이 각각 제 1 유체 흐름 채널(51) 및 제 2 유체 흐름 채널(52)을 통과하도록 하였다. 이때, 용액의 주입은 시간을 기초로 한 개폐식 주입방법(gated injection)을 적용하였다. 주입된 시료는 제 1 유체 흐름 채널(51)을 통과하면서 분리가 이루어진다. 기준용액 및 시료가 각각 기준전극(61) 및 작업전극(62)에 도달되었을때의 전류량을 측정함으로써 분리된 물질을 검출하였으며, 그 결과를 도 5에 도시하였다.
또한, 도 6은 도파민에 대한 최소 검출한계를 측정하여 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 랩온어칩에 의하면 도파민에 대한 최소 검출한계가 5nM (S/N (signal-to-ratio) = 3)인 것으로 나타났으며, 이는 기존의 전기화학 분석장치(탄소 페이스트 전극 사용)에서 얻어진 25nM의 검출한계(도 7 참조)에 비해 현저히 낮아진 수준이다.
본 발명에 따른 랩온어칩은 인 채널(in-channel) 검출방식을 2개의 유체 흐름 채널에 적용함으로써, 종래의 검출방식에서 발생되었던 밴드 넓힘 현상 및 전위 이동 현상을 유발하지 않으면서 화합물을 고감도로 검출할 수 있어, 다양한 종류의 물질 검출에 폭 넓게 사용될 수 있다.
Claims (5)
- 시료 용기, 기준용액 용기, 제 1 및 제 2 완충용액 용기, 제 1 및 제 2 유체 흐름 채널, 기준전극 및 작업전극이 구비되어 있고, 상기 시료 용기 및 제 1 완충용액 용기는 제 1 유체 흐름 채널에 의해 작업전극에 연통되어 있으며, 기준용액 용기 및 제 2 완충용액 용기는 제 2 유체 흐름 채널에 의해 기준전극에 연통되어 있음을 특징으로 하는 전기화학 분석용 랩온어칩.
- 제 1항에 있어서,작업전극 및 기준전극이 동일한 전기적 위치로 구비되는 것임을 특징으로 하는 랩온어칩.
- 제 1항에 있어서,유리, 수정, 용융 실리카, 실리콘계 고무 또는 플라스틱 재질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 랩온어칩.
- 제 1항에 있어서,작업전극이 금, 백금, 은, 탄소, 구리, 니켈, 크롬 및 팔라듐으로 이루어진 군에서 선택되는 재질로 된 것임을 특징으로 하는 랩온어칩.
- 제 1항에 따른 랩온어칩에서의 모세관 전기영동을 이용한 화합물 분석방법으로서, 분석하고자 하는 화합물 시료를 시료 용기로부터 제 1 유체 흐름 채널을 통해 통과시키고, 기준 용액을 기준용액 용기로부터 제 2 유체 흐름 채널을 통해 통과시킨 후, 상기 제 1 유체 흐름 채널과 연통된 작업전극 및 상기 제 2 유체 흐름 채널에 연통된 기준전극에서 발생하는 전류량 차이를 측정하는 것을 포함하는 방법.
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