KR20090036861A - 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를제조하는 방법 - Google Patents
플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를제조하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 (a) 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판에 금속 박막을 침적시키는 단계; 및 (b) 상기 금속 박막 상에 무기 산화물을 침적시키는 단계; 및 (c) 상기 무기 산화물 상에 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물을 결합시키는 단계를 포함하는, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법으로서, 상기 플라스틱 기판은 열팽창 계수가 0 내지 300 m/mKx10-6인 것이고, 상기 무기 산화물의 침적은 0 내지 50℃에서 이루어지는 것인 방법.을 제공한다.
플라스틱, 핵산 분석용 고체 지지체
Description
본 발명은 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 생물학적 분석용 고체 지지체 예를 들면, 생물학적 시료의 고정화, 분리 및 정제, 농축 등을 위한 고체 지지체는 실리콘 또는 유리와 같은 물질이 사용되었다. 이러한 재료는,종래 반도체 공정을 이용하여 용이하게 가공할 수 있고, 표면을 화학처리하여 생물학적 시료와의 반응성을 부여하기가 용이하였다. 실리콘 또는 유리의 표면은 실란 화학을 통하여, 유기 실란으로 표면 처리하는 것이 용이하다. 그러나, 이들 실리콘 및 유리는 재료비, 및 공정 비용이 비싸다는 단점이 있다.
플라스틱은 몰딩 등의 방법으로 변형하거나 미세구조와 같은 구조를 도입하기 용이하다. 그러나, 일반적으로 플라스틱은, 실리콘 및 유리와는 다른 화학적 표면 특성을 가지고 있기 때문에, 플라스틱의 표면 개질을 위해서는 그 특성에 맞는 표면 처리 방법을 사용하여야 한다. 이러한 표면 처리 방법으로는, 광그라프팅 (photografting), 자외선 조사 (UV irradiation) 및 플라즈마 처리 (plasma treatment) 등의 방법이 사용되었다. 광그라프팅은 플라스틱 상에 반응 개시제와 단량체의 존재하에서, 자외선을 조사하여 리디칼 중합시키는 방법이다. 그러나, 이 방법은 플라스틱의 종류에 따라 반응조건을 설정하고, 반응정도 조절이 어려운 단점이 있다. 자외선 조사는 PC 또는 PMMA 에 자외선을 조사하여 카르복실 기를 노출시키는 방법이다. 그러나, 이 방법에 의하는 경우, 자외선 조사 시간이 길고 상기 두가지 물질에만 적용가능하다는 단점이 있다. 또한, 플라즈마 처리 방법은 산화반응 및 후속 유기실란 물질을 반응시키는 것인데, 적용가능한 플라스틱이 제한적일 뿐더러, 그 효율성이 낮은 단점을 가지고 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 종래 기술에 의하면, 생물학적 시료, 예를 들면,세포, 핵산, 단백질 및 다당과 같은 물질과 반응성이 있는 고체 지지체를 플라스틱을 이용하여 효율적으로 제조하는 방법이 여전히 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구체예는, (a) 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판에 금속 박막을 침적시키는 단계; 및 (b) 상기 금속 박막 상에 무기 산화물을 침적시키는 단계; 및 (c) 상기 무기 산화물 상에 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물을 결합시키는 단계를 포함하는, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법으로서, 상기 플라스틱 기판은 열팽창 계수가 0 내지 300 m/mKx10-6인 것이고, 상기 무기 산화물의 침적은 0 내지 50℃)에서 이루어지는 것인 방법을 제공한다.
본 발명의 상기 일 구체예의 방법은, (a) 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판에 금속 박막을 침적시키는 단계를 포함한다. 상기 미세구조는, 나노 또는 마이크로미터 수준, 예를 들면, 1nm 내지 1000㎛의 범위 구조가 형성되는 것을 의미한다. 예를 들면, 상기 미세구조는 미세기둥 (micropillar)이 형성되어 있는 기둥 구조, 또는 그루브와 같은 구조가 형성되어 있는 것일 수 있다. 이 경우, 상기 기둥의 단면적의 평균 길이 또는 높이, 상기 그루브의 평균 폭이 나노 또는 마이크로미터 수준, 예를 들면, 1nm 내지 1000㎛의 범위인 것이다.
플라스틱에 미세구조를 형성하는 방법은, 당업계에 알려진 임의의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 핫 엠보싱 (hot embossing) 및 몰딩(molding)이 포함되 나 여기에 한정되는 것은 아니다.
플라스틱은 성형가공하기에 용이하므로, 이와 같이 플라스틱에 미세구조를 형성하는 것은 실리콘 기판, 유리 및 금속 기판에 미세구조를 형성하는 것에 비하여 용이하며, 비용이 적게 든다. 플라스틱은 적은 비용으로, 높은 어스팩트 비율 (aspect ratio)을 갖는 기둥을 제조하는데 유용하다. 어스팩트 비율 (aspect ratio)란, 기둥의 단면적의 길이에 대한 기둥의 높이의 비율을 나타낸다. 상기 기둥의 단면의 길이는 단면 모양이 원인 경우, 그 직경을 의미하고, 사각형이면 각 변의 평균 길이를 의미한다.
본 발명의 상기 일 구체예의 방법에 사용되는 상기 플라스틱은, 열팽창 계수가 0 내지 300 m/mKx10-6인 것이 바람직하다. 열팽창 계수가 300x10-6 mm-1K- 1를 초과하면, 후속 공정인 금속 박막 및 무기산화물 증착이 어렵다. 증착이 되더라도 플라스틱과 금속박막/무기산화물 층 간의 큰 열팽창계수 차이로 인하여 안정적인 증착이 불가능하여, 균열이 발생한다. 상기 플라스틱은 예를 들면, COC TOPAS 5013, PMMA,PC, PS, POM,PFA, PVC, PP, PET, PEEK, PA, PVDF, PI, LCP Vectra A950 및 가교된 SU-8로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질이 될 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 주요 플라스틱의 특성은 표 1에 나타낸 바와 같다.
표 1. 주요 플라스틱 및 실리콘의 특성
| 명칭 | Tg(℃) | Tm(℃) | 열팽창 계수 (ppmK-1) | 구조 | |
| COC TOPASS 5013 | 시클로올레핀 코폴리머 | 140 | / | - | 무정형 |
| PMMA | 폴리메틸렌메타크릴레이트 | 105 | / | 70-77 | 무정형 |
| PC | 폴리카보네이트 | 150 | / | 66-70 | 무정형 |
| PS | 폴리스티렌 | 100 | / | 30-210 | 무정형 |
| POM | 폴리옥시메틸렌 | -15 | 160 | 80-120 | 반결정 |
| PFA | 퍼플루오로알콕시 코폴리머 | - | 310 | - | 반결정 |
| PVC | 폴리비닐클로라이드 | 90 | / | 50-180 | 무정형 |
| PP | 폴리프로필렌 | -20 | 170 | 100-180 | 반결정 |
| PET | 폴리에틸렌 테레프탈레이트 | 80 | 265 | 20-80 | 반결정 |
| PEEK | 폴리에테르에테르케톤 | 150 | 340 | 50-110 | 반결정 |
| PA | 폴리아미드 | 50 | 260 | 80-95 | 반결정 |
| PVDF | 폴리비닐리덴 플루오라이드 | 40 | 210 | 80-140 | 반결정 |
| PI | 폴리이미드 | 350 | / | 30-60 | 무정형 |
| LCP Vectra A950 | 액정 중합체 | / | 280 | 0-30 | 반결정 |
| 가교된 SU-8 | 200 | / | 50 | 무정형 | |
| 실리콘 | / | 1414 | 2.5 | 결정 | |
상기 금속 박막 침적은, 기상증착, 스퍼터링, 스핀 코팅 등에 의하여 침적될 수 있다. 상기 금속은 플라스틱과 무기산화물층의 열팽창계수차이를 완화해 줄 수 있는, 두 물질 열팽창계수의 사이값을 갖는 금속이 될 수 있다. 예를 들면, 상기 금속은 Cr 혹은 Ti 로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
이와 같이, 금속 박막을 침적하는 것은, 플라스틱과 실리콘 디옥사이드와 같은 무기 산화물은 열팽창 계수의 차이가 크기 때문에 실리콘 디옥사이드와 같은 무기 산화물이 플라스틱에 직접적으로 침적하지 않기 때문에, 금속 중간층, 즉 버퍼 층 (buffer layer)을 형성함으로써, 실리콘 디옥사이드와 같은 무기 산화물이 용이하게 침적하도록 하기 위한 것이다. 상기 금속 박막층의 두께는, 무기 산화물 두께의 1/2 내지 1/1000인 것이 바람직하나,이들 예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 상기 일 구체예의 방법은 또한, 상기 금속 박막 증착 단계 후에, 금속 박막 상에 무기 산화물을 침적시키는 단계를 포함한다. 무기산화물로는 티타 늄, 크롬, 실리콘 산화물 등의 산화물질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 실리콘 산화물, 더욱 바람직하게는 실리콘 다이옥사이드이다. 무기 산화물 예를 들면, 실리콘 디옥사이드 침적은 저온에서 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 침적은, 0 내지 50℃에서, 바람직하게는 실온에 이루어지는 것일 수 있다. 무기 산화물 예를 들면, 실리콘 디옥사이드 침적이 저온에서 이루어지는 것은, 고온에서는 플라스틱의 형상이 변화 할 수 있으며, 또한 열팽창계수 차의 증가를 초래하여 플라스틱과 금속박막/무기산화물 접촉면의 균열 (crack) 을 가져올 수 있기 때문이다.
무기 산화물 예를 들면, 실리콘 디옥사이드는 물리적 증기 침적 (physical vapor deposition), 솔겔 침적 (sol gel deposition), 전자빔을 이용한 침적 (e-beam deposition), 건식 침적 (Dry deposition) 등에 의하여 이루어질 수 있으나 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
이렇게 형성된 무기 산화물, 예를 들면, 실리콘 디옥사이드가 코팅된 미세구조를 가진 고체 지지체는, 무기 산화물의 성질을 이용하여 생물학적 시료와 반응성이 있는 화합물을 결합시킨 후 생물학적 분석을 하는데 사용할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 디옥사이드가 코팅된 미세구조를 가진 고체 지지체는 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물이 코팅되어 미생물, 예를 들면, 박테리아, 곰팡이 및 바이러스와 같은 미생물을 pH 3 내지 6의 범위에서 접촉시켜, 상기 미생물을 고체 지지체에 결합시키는 방법에 사용될 수 있다.
상기 실리콘 디옥사이드 층은 표면에 실라올 기를 가지고 있다. 따라서, 상 기 실리콘 디옥사이드 층은 유기 실란과의 반응성이 우수하기 때문에, 기판을 활성 관능기로 활성화시키는데 유용하다. 예를 들면, 상기 실리콘 디옥사이드 층에는 유기 실란 화합물이 코팅될 수 있다.
따라서, 본 발명의 상기 일 구체예의 방법은, 상기 무기 산화물 결합 단계 후, 상기 무기 산화물 상에 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물을 결합시키는 단계를 포함한다.
상기 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물은 유기 실란 화합물일 수 있다. 상기 유기 실란을 무기 산화물 상에 결합시키는 것은 당업계에 알려진 임의의 반응에 의하여 이루어질 수 있다. 예를 들면, 스핀 코팅, 침적법, 스프레이 코팅 법, SAM (self-assembled monolayer, 자기 조립 코팅)과 같은 코팅에 의하여 이루어질 수 있다. 상기 유기 실란 물질은 무기산화물 층과 반응할 수 있는 알콕시기 또는 염소기를 갖는 것일 수 있다.
상기 아미노 관능기를 갖는 화합물은 아미노 실란인 것일 수 있다. 상기 아미노실란에는 3-아미노프로필트리에톡시실란 (GAPTES), 3-아미노프로필디에톡시실란 (GAPDES), 폴리에틸렌이민트리메톡시실란 (PEIM, polyethyleneiminetrimethoxysilane), N-(3-트리메톡시실릴)-프로필)에틸레디아민 (N-(3-trimethoxysily)-propyl)ethylenediamine), 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropyltriethoxysilane), 또는 N-트리메톡시실릴프로필-N,N,N-클로라이드 트리메틸암모늄 (N-trimethoxysilylpropy-N,N,N-chloride trimethylammonium)등이 포 함될 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물은 옥타데실디메틸(3-트리메톡시실릴 프로필) 암모늄 클로라이드 (octadecyldimethyl (3-trimethoxysilyl propyl) ammonium) (OTC), 트리데카플루오로테트라히드로옥틸트리메톡시실란 (tridecafluorotetrahydrooctyltrimethoxysilane: DFS), CF3(CF2)3CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)5CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)7CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)9CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)4CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)6CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)8CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)3(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)5(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)7(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)3CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)5CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)7CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)9CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)4CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)6CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)8CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)3(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)5(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)7(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)3CH2CH2Si(OCH2CH3)3、CF3(CF2)5CH2CH2Si(OCH2CH3)3、및 CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH2CH3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물일 있다. 이들 화합물은 상기 무기 산화물 층에 코팅함으로써 결합될 수 있다. 예를 들면, SiO2 층 상에 상기 OTC 또는 DFS를 SAM (self-assembled monolayer) 코팅함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명에 있어서, 수 접촉각이란, Kruss Drop Shape Analysis System type DSA 10 Mk2에 의하여 측정된 수접촉각으로서, 1.5㎕ 증류수 방울을 시료 상에 놓고, CCD 카메라를 사용하여 매 0.2초 마다 10초 동안 모니터링하고, Drop Shape Analysis software (DSA version 1.7, Kruss)로 분석한다. 방울의 완전한 프로필은 탄젠트 방법에 의하여 적합화되어 (fitted) 일반적 코닉절편 방정식 (general conic section equation)으로 된다. 좌측 및 우측 각 모두를 측정한다. 각 방울에 대하여 평균 값을 계산하고, 시료 당 총 5개 방울에 대하여 측정한다. 5개 방울의 평균 값이 수 접촉각으로 된다.
본 발명의 상기 일 구체예에 있어서, 상기 생물학적 분석용 고체 지지체는 핵산 분리, 정제, 세포 분리 및 고정화로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도로 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구체예는 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판상에 파라 자일렌 화합물을 중합시키는 단계를 포함하는, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법으로서, 상기 파라 자일렌 화합물은 아미노 기를 갖는 파라 자일렌 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 파라 자일렌 화합물인 것인 방법을 제공한다.
상기 파라 자일렌 화합물을 중합시키는 단계는, 예를 들면 상기 화합물을 화학기상증착 (chemical vapor depoistion: CVD) 방식으로 플라스틱 상에 증착시킴으로써 이루어질 수 있다. 상기 증착과정은 150~180℃ 정도의 기화로 (vaporizer)에서 증기화되고, 다시 650 ~ 700℃의 분해로 (pyrolyzer)에서 라디칼을 갖는 단량체 가스로 된 후 상온의 증착실에서 플라스틱 상에 증착되어 고분자 필름을 형성하는 과정으로 구성될 수 있다. 파라 자일렌 화합물은 고분자화되면, 폴리자일릴렌 (polyxylene)의 일종으로 통상적으로 패릴렌 (parylene)이라고 불리는 고분자를 생성하게 된다. 디-p-자일렌 (di-p-xylene)을 부분적 진공하에서 가열하면, 디라디탈 종이 생성되고, 이는 표면에 증착되는 경우 중합합니다. 디-p-자일렌 (di-p-xylene)의 중합에 의하여 생성된 중합체를 패릴린 C라고도 한다. 증착과정에서 상기 파라 자일렌 모노머는 기상으로 표면에 접촉하여 전 노출면에 접근가능하다.
상기 파라 자일렌 화합물에는 디-p-자일렌 유도체 (derivative)가 포함되며, 바람직하게는 하기 식 1을 갖는 디-p-자일렌이다.
식 중, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, C1-C20의 알킬, C6-C30의 아릴, C2-C20의 알케닐, C2-C20의 알키닐, 카르복시, 아미노, 니트로, 히드록시 또는 할로겐이고, R9 내지 R16은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 -NR17R18이고, 상기 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C20의 알킬이다.
바람직하게는, 상기 파라 자일렌 화합물은 식 1 중 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 플루오로이고, R9 내지 R16은 각각 독립적으로 수소, 클로로, 브로모, 플루오로, 또는 -NR17R18이고, 상기 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소 또 는 C1-C5의 알킬인 화합물이다. 구체적인 화합물의 예로는, R1 내지 R8 중 2개 기는 클로로이고 나머지는 수소이고, R9 내지 R16은 수소인 디-클로로-디-p-자일렌 (di-chloro-di-p-xylene), R1 내지 R16이 수소인 디-p-자일렌 (di-p-xylene), 4-아미노-디-p-자일렌 (4-amino-di-p-xylene) 및 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 디-클로로-디-p-자일렌은 상기의 증착과정을 통하여 플라스틱 기판상에 폴리 클로로-p-자일렌 (poly chloro-p-xylene) 막을 형성시키고, 디-p-자일렌은 폴리-p-자일렌 (poly-p-xylene) 막을 형성시킬 수 있다. 상기의 형성된 고분자막은 70~95 도의 물 접촉각을 가질 수 있다. 또한, 4-아미노-디-p-자일렌 (4-amino-di-p-xylene) 및 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)은 아미노 기를 가지고 있기 때문에, 상기한 바와 같은 증착 과정에 의하여, 플라스틱 기판 상에 아미노 기가 도입될 수 있다.
미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판 및 생물학적 분석용 고체 지지체에 대하여는, 상기한 바와 같다.
본 발명의 상기 일 구체예에 있어서, 상기 생물학적 분석용 고체 지지체는 핵산 분리, 정제, 세포 분리 및 고정화로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도로 사용될 수 있다.
상기의 유기 실란 및 파라 자일렌 화합물을 통해 도입된 관능기는 플라스틱 기판상에서 핵산 및 단백질의 추출 및 정제에 이용되어, 랩온어칩 (Lab on a chip) 과 같은 생물학적 분석을 수행하는 장치에 사용될 수 있다.
본 발명의 방법에 따르면, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 효율적으로 제조할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예
1:
엠보싱을
위한 금속 마스터 (
metal
master
) 제작 및
PMMA
기둥 어레이의 제작
먼저, Si 기판 상에 DRIE 공정을 수행하여, 기둥 어레이 (pillar array)를 갖는 Si 기판을 제작하였다. 제작후 Cr (250Å)/Cu(250Å)을 증착하였다. Cr /Cu가 증착된 Si 기판에 Ni 전기 도금 (electroforming)을 수행한 한 후, 실리콘을 습식 식각법으로 제거하였다. 와이어 컷팅 (Wire cutting) 장비로 제작 된 Ni 판의 가장자리를 절단하여, Ni 마스터를 완성하였다.
제작된 Ni 마스터를 HEX03 (Jenoptics GmbH, 독일) 에 장착하여, PMMA에 엠보싱 (embossing) 공정을 수행하였다. 엠보싱 과정은 125℃에서 수행되었다.
도 1은, 핫 엠보싱 공정에 의하여 PMMA 기판 상에 형성된 PMMA 기둥 어레이 구조를 나타내는 주사전자현미경 사진이다. 도 1에서, 기둥의 가로x세로x높이는 23x23x 50㎛이며, 기둥간 간격은, 12㎛이다.
실시예
1: 플라스틱 상에
SiO2
의 침적
본 실시예에서는 열팽창계수가 다른 플라스틱 상에 금속 박막층을 침적하고, 다음으로 SiO2를 침적하여, 플라스틱의 열팽창 계수에 따른 효과를 확인하였다.
사용된 플라스틱은 플라스틱 구조물 제작에 널리 사용되는, PMMA와 PDMS를 사용하였다. PMMA는 열팽창 계수가 70-77 (10-6 mm-1K-1)이고, PDMS는 열팽창 계수가 310 (10-6 mm-1K-1)이다.
상기 플라스틱 기판 상에 Cr을 스퍼터링 방법으로 200 내지 250Å의 두께로 침적하였다. 다음으로, 상기 Cr 층 상에 SiO2 과립을 PVD (physical vapor deposition)에 의하여 5000Å의 두께로 상온에서 침적하였다.
도 2는 PMMA와 PDMS 상에 Cr을 침적한 다음 SiO2를 침적한 결과를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 열팽창계수 310인 PDMS는 크랙 (crack)이 발생하여, SiO2 침적이 불량하였다.
실시예
2:
SiO2
가 침적된
PMMA
상에 유기
실란층의
도입
본 실시예에서는, SiO2가 침적된 PMMA의 SiO2 층 상에 유기 실란을 도입하는 것이 가능한지를 확인하였다.
실시예 1에서 제작된 SiO2가 침적된 PMMA 기판 상에 유기실란으로서, 옥타데실디메틸(3-트리메톡시실릴 프로필) 암모늄 클로라이드 (Octadecyldimethyl(3-trimethoxysilyl propyl) ammonium chloride : 이하 OTC)를 자기조립 코팅 방법에 의하여 상온에서 코팅하였다. 다음으로, 코팅 결과를 수접촉각을 측정하여, 확인하였다. 수접촉각은 육안 또는 기기로 관찰하여, 측정하였다.
도 3은 PMMA, Cr/SiO2 층이 침적된 PMMA, 및 Cr/SiO2/OTC 층이 침적된 PMMA 상에서 물 방울의 모양을 나타내는 도면이다. 도 3에서, Cr/SiO2의 도입을 통해 기판이 친수화되는 것을 확인하였고 (수접촉각 < 10), 그 위에 다시 OTC 층이 도입됨에 따라 수접촉각이 70도 이상으로 상승하였다. 즉, 플라스틱 상에 Cr/SiO2를 도입함으로써, 유기 실란인 OTC 층이 용이하게 도입되었다.
실시예
3:
Cr
/
SiO2
/
PEIM
층이 코팅된 기둥 어레이 구조를 가진
PMMA
칩을 이용한
DNA
분리
본 실시예에서는 실시예 1에서 제작된 SiO2가 침적된 PMMA 기판 상에, 유기실란으로서, 트리메톡시실릴프로필폴리에틸렌이민 (trimethoxysilylpropylpolyethyleneimine: 이하 PEIM)을 자기 조립 코팅 방법에 의하여 상온에서 코팅하였다. 이렇게 제작된 Cr/SiO2/PEIM 층이 코팅된 PMMA 기판을 하판으로 하고, 네이키드 PMMA 기판을 상판으로 하여 서로 접착하여, 입구 및 출구가 구비되고 용적이 2.5㎕인 반응챔버가 구비된 PMMA 칩 (실험군)을 제작하였다. 상기 챔버의 하판의 내부 표면은 PEIM으로 되어 있다.
대조군 칩으로서, DRIE (deep reactive ion ethcing) 법을 사용하여 실리콘 기판을 식각함으로써 기둥 어레이가 형성되어 있는 실리콘 기판 상에, 유기실란으로서, 트리메톡시실릴프로필폴리에틸렌이민 (trimethoxysilylpropylpolyethyleneimine: 이하 PEIM)을 자기 조립 코팅 방법에 의하여 상온에서 코팅하였다. 이렇게 제작된 실리콘 기판 상에 기둥 어레이가 형성되어 있고 그 위에 PEIM이 코팅되어 있는 실리콘 기판을 하판으로 하고, 네이키드 유리 기판을 상판으로 하여 서로 접착하여, 입구 및 출구가 구비되고 용적이 2.5㎕ 인 반응챔버가 구비된 실리콘 칩을 제작하였다. 상기 챔버의 하판의 내부 표면은 PEIM으로 되어 있다. 실험군과 대조군의 기둥 어레이 특성은 동일하도록 하였다.
도 4는 기둥 어레이가 형성되어 있는 PMMA에 SiO2를 침적하고 여기에 PEIM이 도입된 PMMA 기판을 포함하는 PMMA 칩 (A)과 기둥 어레이가 형성되어 있는 실리콘 기판에 PEIM이 도입된 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 칩 (B)의 사시도이다.
상기와 같이 제작된 실험군 및 대조군 칩에 대장균이 도입된 뇨 시료를 흘려주어, 대장균을 상기 칩 내부의 표면에 결합시키고, 세포를 파쇄하여 DNA를 상기 칩 내부의 표면에 결합시킨 후 용출하고, 용출된 DNA를 주형으로 하여 PCR을 수행하였다.
구체적으로, 뇨 시료를 동일한 부피의 100mM 소듐 아세테이트 (pH4)와 1:1로 혼합하여 희석하고, 여기에 대장균을 최종적으로 107 세포/ml가 되도록 희석 용액에 주입하였다 (대장균 스파이킹이라고도 함). 상기 대장균 스파이킹 시료 200㎕를 입구를 통하여 200㎕/분의 유속으로 주입하여, 출구를 통하여 흘러나가도록 하였다. 기판에 결합된 세포는 100mM 소듐 아세테이트 (pH4)를 200㎕를 흘려주어 세척하였다. 기판에 결합하지 않고 유출 용액 중에 존재하는 세포의 농도를 계산하기 위하여, 유출용액을 평판 배지에 접종하고, 배양하여, 성장하는 대장균의 수를 측정하였다 (콜로니 카운팅). 이렇게 얻어진 유출액 중의 대장균 수를 근거로, 상기 기판 중에 결합하는 대장균의 효율 즉 세포 포획 효율 (cell capture efficiency)을 계산하였다
다음으로, 0.01N NaOH 5㎕를 주입하여, 상기 기판에 결합되어 있는 세포를 파쇄하고, 추가로 45㎕의 0.01N NaOH를 주입하여 DNA를 분리, 회수하였다. 용출된 용액 중에 포함된 DNA를 주형으로 하고, 서열번호 1과 2의 올리고뉴클레오티드(포워드 : 5`-YCCAKACTCCTACGGGAGGC-3`, 리버스 : 5`-GTATTACCGCRRCTGCTGGCAC-3`)를 프라이머로 하여 Lighcycler (Roche 사)기기를 사용하여 실시간 PCR을 하였다. PCR 조건은 다음과 같다. 95℃에서 5초 변성, 62℃에서 10초 어닐링, 72℃에서 15초 중합 40회를 수행하였다.
도 5는 PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 세포 포획 효율을 나타내는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 세포 포획 효율은, 각각 약 48% 및 약 52%로서, 플라스틱인 PMMA를 사용하더라도 실리콘과 유사한 효과를 얻을 수 있었다.
도 6은 PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 PCR 결과를 나타내는 도면이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 Cp 값은, 각각 약 17.0 및 약 16.6으로 거의 차이가 없었으며, 양성 대조군은 15.3이었다. 도 6에서, 곡선 3과 4는 실리콘 칩을 이용한 것이고, 곡선 5, 6, 7은 PMMA 칩을 이용한 것이며, 곡선 1과 2는 양성 및 음성 대조군이다. 양성대조군은 107cell/ml의 농도를 갖는 대장균 200㎕를 엔펜로드프 튜브에 넣고, 12000rpm으로 원심분리시켜 침전시키고 침전물을 소듐 아세테이트 버퍼 200㎕로 세척후 다시 원심분리시켜 침전시키고, 0.01N 50㎕ NaOH 용액으로 파 쇄시켜 DNA를 용출시킨 샘플이다. 음성대조군은 PCR 혼합액에 DNA를 넣지 않은 샘플이다. 여기서, Cp 값은 PCR cycle의 역치 (threshold) 값으로, 형광 강도 곡선을 2번 미분한 값이 0이 되는 지점을 취하였다.
실시예
4: 플라스틱 (
PMMA
) 기판상에 파라 자일렌 물질의 코팅
본 실시예에서는 평평한 PMMA 기판에 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)을 5㎛ 두께로 연속 코팅하였다. CVD 코팅기를 사용하여 각각의 다이머를 180℃에서 기화시키고, 650℃에서 분해하고, 상온에서 PMMA에 증착과정을 수행하였다. PMMA 기판을 크기 25.4 mm x 25.4 mm로 자른 후 상기 물질로 코팅되어 있는 표면에 박테리아 세포를 포함하는 시료를 가하여 코팅하지 않은 기판대비 박테리아 세포 부착량이 얼마나 증가하는지를 관찰하였다. 관찰은 광학현미경 (3000 배로 확대)으로 하며, 박테리아 부착량을 카운트하였다.
1x PBS (pH 7.0)에 현탁된 1.0 OD 대장균 10㎕를 소듐 아세테이트 버퍼 (pH 3.0, 100mM) 990㎕에 넣어서 0.01 OD 대장균 시료를 제작하였다. 상기 시료는 패치가 덮여진 플라스틱 기판 상에 가하고 5분 동안 방치한 다음, 2분 동안 소듐 아세테이트 버퍼를 사용하여 세척한 후 박테리아 부착량을 측정하였다.
도 7은 네이키드 PMMA 기판 (A) (2반복)과 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)이 코팅된 PMMA 기판 (B)) (2반복)에 부착된 대장균을 나타내는 광학 현미경 사진이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 파라 자일렌 코팅된 기판에 결합하는 박테리아 수 (평균 55개)는 그렇지 않은 기판에 결합하는 박테리아 수 (3개) 비하여 10배 이상증가하였다.
실시예
5:
PDMS
기둥 어레이 제작을 위한
SU
-8 마스터 (
master
) 제작 및 파라 자일렌 코팅 기판 제작
SU-8 2050 (Microchem 사)을 사용하여, Microchem의 지침서를 사용하여 기둥 어레이를 갖는 SU-8 몰드를 제작하였다. 기둥의 가로x세로x높이는 100x 100x 50㎛이며, 기둥간 간격은, 12㎛이다. 제작된 몰드를 이용하여, PDMS (Silgard 184, Dow corning 사)에 성형하여 기둥 어레이를 제작하였다. 제작된 기둥 어레이가 형성된 PDMS 기판은 시예 4의 조건과 같은 코팅조건으로 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene) 코팅을 수행하였다.
도 8은 기둥 어레이가 형성된 PDMS 기판 상에 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)이 코팅 코팅된 PDMS 기판을 나타내는 주사전자현미경 사진 (scanning electron microscopy : SEM)이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 기둥 어레이가 형성된 PDMS 상에 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)을 직접적으로 코팅할 수 있음을 육안으로 확인하였다.
도 1은, 제작된 PMMA 기둥 어레이 구조를 나타내는 주사전자현미경 사진이다. 도 1에서, 기둥의 가로x세로x높이는 23x23x 50㎛이며, 기둥간 간격은, 12㎛이다.
도 2는 PMMA와 PDMS 상에 Cr을 침적한 다음 SiO2를 침적한 결과를 나타내는 도면이다.
도 3은 PMMA, Cr/SiO2 층이 침적된 PMMA, 및 Cr/SiO2/OTC 층이 침적된 PMMA 상에서 물 방울의 모양을 나타내는 도면이다.
도 4는 기둥 어레이가 형성되어 있는 PMMA에 SiO2를 침적하고 여기에 PEIM이 도입된 PMMA 기판을 포함하는 PMMA 칩 (A)과 기둥 어레이가 형성되어 있는 실리콘 기판에 PEIM이 도입된 실리콘 기판을 포함하는 실리콘 칩 (B)의 사시도이다.
도 5는 PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 세포 포획 효율을 나타내는 도면이다.
도 6은 PMMA 기둥 어레이 칩과 실리콘 기둥 어레이 칩을 사용한 경우의 PCR 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 네이키드 PMMA 기판 (A) (2반복)과 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)이 코팅된 PMMA 기판 (B)) (2반복)에 부착된 대장균을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 8은 기둥 어레이가 형성된 PDMS 기판 상에 4-아미노메틸-디-p-자일렌 (4-aminomethyl-di-p-xylene)이 코팅 코팅된 PDMS 기판을 나타내는 주사전자현미경 사 진 (scanning electron microscopy :SEM)이다
<110> Samsung Electronics Co., Ltd.
<120> Method of producing solid support for biological analysis using
plastic material
<130> PN075486
<160> 2
<170> KopatentIn 1.71
<210> 1
<211> 20
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> forward primer
<400> 1
yccakactcc tacgggaggc 20
<210> 2
<211> 22
<212> DNA
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> reverse primer
<400> 2
gtattaccgc rrctgctggc ac 22
Claims (14)
- (a) 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판에 금속 박막을 침적시키는 단계; 및(b) 상기 금속 박막 상에 무기 산화물을 침적시키는 단계; 및(c) 상기 무기 산화물 상에 아미노 관능기를 갖는 화합물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물을 결합시키는 단계를 포함하는, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법으로서,상기 플라스틱 기판은 열팽창 계수가 0 내지 300 m/mKx10-6인 것이고, 상기 무기 산화물의 침적은 0 내지 50℃에서 이루어지는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 미세구조는 미세기둥이 형성되어 있는 기둥 구조인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속은 Cr 및 Ti으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 시클로올레핀 코폴리머, 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 이루어진 군으 로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 무기 산화물은 실리콘 산화물, 티타늄 산화물 및 크롬 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 아미노 관능기를 갖는 화합물은 아미노 실란인 것인 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 아미노 실란은 3-아미노프로필트리에톡시실란 (GAPTES), 3-아미노프로필디에톡시실란 (GAPDES), 폴리에틸렌이민트리메톡시실란 (PEIM, polyethyleneiminetrimethoxysilane), N-(3-트리메톡시실릴)-프로필)에틸레디아민 (N-(3-trimethoxysily)-propyl)ethylenediamine), 아미노프로필트리에톡시실란 (aminopropyltriethoxysilane) 및 N-트리메톡시실릴프로필-N,N,N-클로라이드 트리메틸암모늄 (N-trimethoxysilylpropy-N,N,N-chloride trimethylammonium)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수접촉각이 70 내지 95도인 화합물은 옥타데실디메틸(3-트리메톡시실릴 프로필) 암모늄 클로라이드 (octadecyldimethyl (3-trimethoxysilyl propyl) ammonium) (OTC), 트리데카플루오로테트라히드로옥틸트리메톡시실란 (tridecafluorotetrahydrooctyltrimethoxysilane: DFS), CF3(CF2)3CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)5CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)7CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(CF2)9CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)4CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)6CH2CH2SI(OCH3)3、(CF3)2CF(CF2)8CH2CH2SI(OCH3)3、CF3(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)3(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)5(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)7(C6H4)C2H4Si(OCH3)3、CF3(CF2)3CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)5CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)7CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)9CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)4CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)6CH2CH2SiCH3(OCH3)2、(CF3)2CF(CF2)8CH2CH2SiCH3(OCH3)2、CF3(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)3(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)5(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)7(C6H4)C2H4SiCH3(OCH3)2、CF3(CF2)3CH2CH2Si(OCH2CH3)3、CF3(CF2)5CH2CH2Si(OCH2CH3)3、및 CF3(CF2)7CH2CH2Si(OCH2CH3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물인 것인 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 생물학적 분석용 고체 지지체는 핵산 분리용인 것인 방법.
- 미세구조가 형성되어 있는 플라스틱 기판상에 파라 자일렌 화합물을 중합시키는 단계를 포함하는, 플라스틱을 이용하여 생물학적 분석용 고체 지지체를 제조하는 방법으로서, 상기 파라 자일렌 화합물은 아미노 기를 갖는 파라 자일렌 화합 물 또는 수접촉각이 70 내지 95도인 파라 자일렌 화합물인 것인 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 파라 자일렌 화합물은 하기 식 1의 화합물인 방법:(식 1)
식 중, R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소, C1-C20의 알킬, C6-C30의 아릴, C2-C20의 알케닐, C2-C20의 알키닐, 카르복시, 아미노, 니트로, 히드록시 또는 할로겐이고, R9 내지 R16은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 또는 -NR17R18이고, 상기 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C20의 알킬이다. - 제11항에 있어서, 상기 파라 자일렌 화합물은 식 1 중 R1 내지 R8은 각각 독립적으로 수소 또는 플루오로이고, R9 내지 R16은 각각 독립적으로 수소, 클로로, 브로모, 플루오로, 또는 -NR17R18이고, 상기 R17 및 R18은 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C5의 알킬인 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 파라 자일렌 화합물을 중합시키는 단계는, 상기 파라 자일렌 화합물을 상기 기판상에 화학기상증착 (chemical vapor deposition)하는 것 인 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 생물학적 분석용 고체 지지체는 핵산 분리용인 것인 방법.
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