KR20140036356A - 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩에 관한 것으로, 더 자세하게는 촉매작용을 하는 금속나노입자가 표면에 고정화된 탄소나노튜브 나노복합체를 마이크로 플루이딕 칩의 내부에 포함함으로써 광학신호 세기를 더욱 크게 증가시켜 시료 중의 화학물질을 보다 빠르고 효율적으로 분석할 수 있는 마이크로 플루이딕 칩에 관한 것이다.
Description
본 발명은 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩에 관한 것으로, 더 자세하게는 촉매작용을 하는 금속나노입자가 표면에 고정화된 탄소나노튜브 나노복합체를 마이크로 플루이딕 칩의 내부에 포함함으로써 광학신호 세기를 더욱 크게 증가시켜 시료 중의 화학물질을 보다 빠르고 효율적으로 분석할 수 있는 마이크로 플루이딕 칩에 관한 것이다.
반도체 소자를 제조하기 위하여 개발된 첨단기술인 포토리소그라피(photolithography) 공정과 소프트리소그라피(softlithography) 공정을 사용한 마이크로 플루이딕 칩(microfluidic chip) 및 마이크로 어레이 칩(microarray chip) 등의 제조기술이 최근 활발하게 연구개발되고 있다. 마이크로 플루이딕 칩이란, 그 안에 형성되어 있는 미세 채널로 미량의 분석 대상 물질을 흘려보내면서, 칩 내에 존재하는 각종 물질을 분석할 수 있는 칩을 의미하는 것으로, 랩온어 칩(Lab-on-a-chip, LOC: 칩 위의 실험실이라는 의미)이나 마이크로타스(micro-TAS, micro-total anylatical system) 등으로 활용되어 작은 칩 내에서 분석 대상 물질을 한번에 분석할 수 있는 칩의 형태로 개발되고 있다.
구체적으로, 마이크로미터 크기의 채널이나 챔버 등의 구조물을 갖는 마이크로 플루이딕 칩은 화학이나 생물 분야의 기초 과학 연구, 병원에서의 질병 진단이나 야외의 환경 모니터링 등의 다양한 분야에 활용되고 있다. 더욱이 최근에는 마이크로 플루이딕 칩의 구조물 내에 세포를 배양하거나 화학반응을 일으키거나 또는 다양한 형상의 마이크로 입자를 제조하는 등의 다양한 분야에 적용하고자 하는 연구도 활발하게 진행되고 있다.
마이크로 플루이딕 칩을 사용한 화학물질의 분석은 기존의 다른 분석장치를 사용할 경우보다 여러 가지 우수한 장점이 있어, 최근 소형화된 분석장치의 개발을 위해 주목을 받고 있다. 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 분석은 분석대상 화학물질을 포함하는 시료용액과 이를 분석하기 위해 사용되는 시약용액이 소량만 있어도 분석이 충분히 가능하고, 실제로 마이크로 플루이딕 칩 내부의 마이크로채널이나 마이크로챔버 내에 채워져서 분석이 수행되는 용액의 범위는 수 나노리터(nL) 내지 수 피코리터(pL) 정도의 수준이므로 분석과정에서 필요로하는 시료용액과 시약용액의 양이 극미량이다. 또한, 분석 후에 배출되는 폐 용액의 양도 미량이므로 환경친화적인 분석방법이다.
일반적으로, 화학물질 및 생화학물질을 분석하기 위해 사용되는 분석방법으로는 흡수분광법, 효소를 사용한 전위차법, 크로마토그라피법(chromatography), 질량분석법(mass spectroscopy), 모세관 전기영동법(capillary electrophoresis), 형광(fluorescence)이나 화학발광(chemiluminescence) 분석법 등이 있다. 이 중에서 형광이나 화학발광을 이용한 분석방법은 분석감도가 우수하고 낮은 바탕신호(background signal)를 나타내기 때문에 신호 대 잡음비(signal to noise, S/N)가 크므로 극미량의 화학물질 및 생화학물질의 분석에 유리한 장점들을 가지고 있다. 특히, 화학발광을 이용한 분석방법은 형광분석에서 필요로하는 외부광원장치가 필요없기 때문에 분석장치의 소형화에 용이하고 보다 더 민감한 광학신호를 검출 할 수 있기 때문에 극미량 분석에 이용된다.
이와 같은, 화학발광분석에 사용되는 화학발광 시약으로는 퍼옥살레이트(peroxyoxalates), 루시페린(luciferin), 루미놀(luminol), 펜안트롤린(1,10-phenanthrolin), 디페노일 퍼옥시드(diphenoyl peroxide), 루테늄화합물(tris(2,2'-bipyridyne)ruthenium(II)(Rubpy)3 2+), 루시제닌(lucigenin), 아릴옥살레이트(aryl oxalate), 아크리디늄 에스테르(acridinium esters), 디옥세탄(dioxetanes), 애스쿨린(aesculin), 세륨(cerium), 갈로시아닌(gallocyanin), 쿠마린(coumarin) 등이 있다.
대한민국 등록특허 제968,524호에는 생체 시료 분석용 마이크로-나노 플루이딕 바이오칩을 기술하고 있는데, 상부 및 하부 채널 구성부가 접합되어 미세유체 채널을 형성하고, 이때 상기 미세유체 채널의 좌우 양 측면 모서리부가 미세유체채널의 중앙부보다 낮은 높이의 나노 틈새 형태를 갖도록 제조될 수 있음을 기재하고 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제2012-7001060호에는 기판; 상기 기판의 표면에 개구부를 나타내는 마이크로 플루이딕 인렛 포트; 상기 기판의 표면에 개구부를 나타내는 마이크로 플루이딕 아웃렛 포트를 포함하며, 상기 기판의 상면으로부터 확장된 복수의 웰을 포함하고 각각의 웰은 하나 이상의 벽에 의해 경계를 이루고, 인렛 개구부 및 아웃렛 개구부를 복수의 웰의 벽 각각에 제공되며, 인렛 마이크로 플루이드채널은 마이크로 플루이딕 인렛 포트를 웰의 벽에 인렛 개구부 각각에 연결하기 위해 기판을 제공하고, 아웃렛 마이크로 플루이드 채널은 상기 웰의 벽에서 아웃렛 개구부 각각을 마이크로 플루이딕 아웃렛 포트에 연결하기 위한 기판을 갖는 것을 기재하고 있다.
그러나, 상기와 같이 마이크로 플루이딕 칩과 관련된 연구들이 활발히 진행되고 있으나, 마이크로 플루이딕 칩 내부에 촉매작용을 하는 금속나노입자를 고정화함으로써 극미량의 화학물질을 빠르고 효율적으로 분석할 수 있는 화학물질 분석장치 및 이를 이용한 분석방법에 대한 기술 개발은 이루어지지 않은 것으로 보인다.
이에, 본 발명자들은 상기와 같은 점을 감안하여 연구하던 중 촉매작용을 하는 금속나노입자를 고정화한 탄소나노튜브 나노복합체를 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로챔버 바닥에 부착시킴으로써 광학신호 세기를 더욱 크게 증가시켜 시료 중의 화학물질을 보다 빠르고 효율적으로 분석할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 분광분석 과정의 화학반응에서 촉매작용을 하는 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 바닥판; 상기 바닥판 위에 배치되는 마이크로 플루이딕 칩 본체; 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 전방에 형성되는 분석 대상 시료 주입을 위한 시료 주입구 및 분석시약 주입을 위한 시약주입구로 이루어진 유체 주입부; 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 후방에 형성되는 유체 배출구; 상기 유체 주입부에서부터 상기 유체 배출구까지 연통하여 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 내부에 형성되는 마이크로채널; 및 상기 유체 주입부 및 유체 배출구 사이 상기 마이크로채널 내부에 형성되는 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체가 부착된 마이크로챔버를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 제공한다.
상기 마이크로 플루이딕 칩 본체의 재질은 실리콘계 고분자, 올레핀계 고분자, 유리 및 석영으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 시약주입구는 시료 분석방법에 따라 하나 내지 다수의 분석시약 주입이 가능하도록 1 내지 7개인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 마이크로채널은 단면이 원형 또는 다각형인 것이 바람직하며, 상기 마이크로채널 단면의 지름 또는 단면 다각형 한 변의 길이는 50 내지 700 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 마이크로챔버는 단면이 원형 또는 다각형인 것이 바람직하며, 상기 마이크로챔버 단면의 지름 또는 단면 다각형 한 변의 길이는 50 내지 5000 ㎛인 것이 바람직하다.
상기 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체는 탄소나노튜브 표면에 금속나노입자가 직접 고정화될 수 있다.
또한, 상기 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체는, 탄소나노튜브에 친구성 기능기를 부착시키는 단계(단계 1); 상기 친수성기가 부착된 탄소나노튜브에 티올 기능기를 부착시키는 단계(단계 2); 및 상기 티올 기능기가 부착된 탄소나노튜브를 금속나노입자 용액에 주입하고 초음파 분산시키는 단계(단계 3)로 제조되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 1은, 탄소나노튜브 표면에 친수성 기능기를 부착시키기 위한 단계로, 상기 탄소나노튜브를 무기산에 주입하여 환류반응시킴으로써 친수성기가 부착된 친수성 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 상기 환류반응은 질소 또는 아르곤 기체 분위기 하에서 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 무기산은 플루오르황산, 황산 또는 염산을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 및 다중벽탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
상기 단계 2는, 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브를 제조하기 위하여, 상기 친수성기가 부착된 탄소나노튜브를 티올 기능기를 갖는 화합물에 주입하여 환류반응시켜 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브를 얻는 단계이다. 상기 티올 기능기를 갖는 화합물은 머캡토프로필 트리메톡시실란(3-mercaptopropyl trimethoxysilane)을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 환류반응은 질소 또는 아르곤 기체 분위기 하에서 수행하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계 3은, 금속나노입자가 자발적으로 티올 기능기에 고정화되는 특성을 이용하여 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체를 제조하기 위한 단계이다. 상기 티올 기능기화된 탄소나노튜브를 금속나노입자 용액에 주입하고 초음파 분산시켜 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체를 제조할 수 있다.
상기 금속나노입자는 촉매작용을 하는 것으로서, 은 나노입자, 금 나노입자 및 백금 나노입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하며, 상기 금속나노입자의 직경은 5 nm 내지 80 nm인 것이 바람직하다.
상기 시료주입구, 시약주입구 및 유체 배출구를 통해 상기 마이크로채널과 외부를 연결하는 플라스틱 튜브를 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 이에, 외부로부터 분석대상 시료용액 및 시약용액의 주입과 분석 후 용액의 배출을 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 이용한 화학물질 분석방법을 제공한다.
상기 화학물질의 분석방법은 화학발광 시약 또는 형광시약 등을 이용한 분광분석법에 의하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 화학발광 시약은 루미놀 또는 루시제닌 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다. 도한, 상기 형광 시약은 플루오르세인(fluorescein) 또는 로다민(rhodamine) 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상기 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 이용하여 분석가능한 화학물질로는 항생제, 항산화제, 아미노산 또는 생리활성물질 등이 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
본 발명 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩(100)은 바닥판(10); 상기 바닥판 위에 배치되는 마이크로 플루이딕 칩 본체(20); 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 전방에 형성되는 분석 대상 시료 주입을 위한 시료 주입구(21) 및 분석시약 주입을 위한 시약주입구(22 내지 23)로 이루어진 유체 주입부; 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 후방에 형성되는 유체 배출구(30); 상기 유체 주입부에서부터 상기 유체 배출구까지 연통하여 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 내부에 형성되는 마이크로채널(25); 및 상기 유체 주입부 및 유체 배출구 사이 상기 마이크로채널 내부에 형성되는 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체(40)가 부착된 마이크로챔버(27)를 포함한다.
상기 마이크로챔버(27)는 바닥에 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체(40)가 부착되어 있다.
도 2는 본 발명의 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체(40)를 제조하는 과정을 단계적으로 나타낸 것이다. (가) 친수성기가 부착된 탄소나노튜브(43), (나) 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브(45) 및 (다) 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브(48)의 제조과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체는, 탄소나노튜브(41) 표면에 친수성기(42)를 부착시키는 단계(가); 상기 표면에 친수성기가 부착된 탄소나노튜브(43)에 티올 기능기를 갖는 화합물(44)을 부착시키는 단계(나); 및 상기 티올 기능기가 부착된 탄소나노튜브(45)를 금속나노입자(46) 용액에 주입하고 초음파 분산시키는 단계(다)를 통해 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 성분원소 분석(Energy dispersive spectroscopy, EDS) 결과를 나타낸 것이다. (가) EDS 성분분석 스펙트럼 및 (나) 성분원소의 종류와 백분율을 나타낸 것이다. 도 4의 결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체에 은 나노입자 성분이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 또한 티올 기능기를 갖는 화합물의 주요성분인 황(S) 성분이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 화학물질 분석을 위하여, 본 발명 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩의 화학물질 분석 시스템을 모식적으로 나타낸 것이다.
상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩(100)을 사용하여 화학물질을 분석하기 위하여 상기 시료주입구(21)에 연결된 플라스틱 튜브 1(61)을 실린지펌프 1(50)에 연결된 주사기 1(55)에 연결하여 상기 주사기 1(55)로부터 일정양의 시료용액을 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 상기 시료주입구(21)로 주입한다. 상기 시약주입구 1(22)과 시약주입구 2(23)에 각각 연결된 플라스틱 튜브 2(62)를 실린지펌프 2(51)에 연결된 주사기 2(56)에 연결하여 시약용액을 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)에 주입한다. 그리고 분석대상 시료용액 중의 화학물질의 분석과정에서 마이크로챔버(27)로부터 방출되는 광학신호를 검출기(70) 내부의 광신호 검출부(71)를 사용하여 감지한 후에 신호를 컴퓨터(80)로 이송하여 신호를 분석함으로써 상기 시료용액 중의 화학물질의 농도를 분석한다.
상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩(100)은 하기 단계를 포함하는 제조방법을 이용하여 제조할 수 있다.
1) 포토리소그라피(photolithography) 공정을 통해 마이크로채널(25)과 마이크로챔버(27) 등의 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상을 양각으로 갖는 몰드를 제조하는 단계;
2) 상기 몰드를 이용하여 소프트리소그라피(soft-lithography) 공정을 통해 상기 마이크로채널(25)과 상기 마이크로챔버(27) 등의 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상이 음각으로 전사된 전사체(replica)를 제조하는 단계;
3) 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체(40)를 제조하는 단계;
4) 상기에서 제조한 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상이 전사된 전사체와 상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체(40) 및 하부 바닥판(10)을 조립하는 단계.
상기 단계 1)에는, 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상을 갖는 포토마스크(photomask) 하부에 자외선 조사에 의해 반응하는 포토레지스트가 얇게 도포된 실리콘 웨이퍼를 위치시키고 자외선을 포토마스크 상부에서 하부 방향으로 일정 시간 동안 조사한 후에 용제를 사용하여 미반응 포토레지스트를 제거함으로써 양각으로 형성된 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상의 마이크로채널(25)과 마이크로챔버(27) 등의 미세구조물을 갖는 몰드를 제조한다.
상기 단계 2)에는, 폴리디메틸실록세인(polymethylsiloxane, PDMS) 전구체 용액(예를 들어, sylgard 184 등)과 경화제를 일정비율(예를 들어, 폴리디메틸실록세인 전구체:경화제=10:1)로 혼합한 후에 기포를 제거한 용액을 상기 몰드 위에 부은 후에 상온 또는 고온(예를 들어, 60 내지 80℃)에서 경화반응을 진행시킨 다음 몰드로부터 이형을 시켜서 상기 전사체를 제조한다.
상기 단계 3)에는, 탄소나노튜브(41) 표면에 친수성기(예를 들어, -COOH, -OH)(42)를 부착시키고, 티올 기능기를 갖는 화합물(44)을 표면에 친수성기가 부착된 탄소나노튜브(43)에 부착시킴으로써 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브(45)를 제조하고, 금속나노입자(46) 용액에 상기 티올 기능기화된 탄소나노튜브(45)를 주입하고 초음파 분산시킴으로써 금속나노입자가 자발적으로 티올 기능기에 고정화되는 성질을 이용하여 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브(48)를 제조한다.
상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상이 전사된 전사체의 상기 시료주입구(21), 상기 시약주입구(22 내지 23), 및 상기 유체 배출구(30)에 미세 구멍을 뚫고 플라스틱 튜브(61 내지 63)를 연결한다.
다음으로 상기 단계 4)에는, 상기 전사체와 상기 바닥판(10)의 상호 접촉면에 플라즈마 처리를 한 후에 상기 마이크로챔버(27) 위치에 상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체(40)를 위치시키고 플라즈마 처리한 상기 마이크로 플루이딕 칩(100)의 내부 구조 형상이 전사된 전사체와 상기 바닥판(10)을 접착시켜서 상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩(100)의 제조를 완성한다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩은 시료 및 시약이 통과하는 영역에 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체가 부착되어 있어 형광이나 화학발광을 사용하여 화학물질을 분석하는 과정에서 형광이나 화학발광의 세기를 크게 증가시켜 시료 용액 중의 화학물질이 극미량일지라도 빠르고 효율적으로 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩은 다양한 종류의 생화학물질 및 화학물질 분석에 적용할 수 있으며, 반복적으로 재사용이 가능하다.
본 발명에 따른 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩은 분석과정에서 필요한 시료용액과 시약용액의 양이 극미량이며, 분석 후 배출되는 폐 용액의 양도 미량이기 때문에 친환경적이고 효율적이다.
본 발명에 따른 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩은 크기가 작은 분석칩이기 때문에 의료용 소형 분석장치나 현장에서의 수질분석장치 등과 같은 휴대용 소형화 분석칩 장치의 개발에 활용될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 (가) 친수성기가 부착된 탄소나노튜브, (나) 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브 및 (다) 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브의 제조과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 (가) EDS 성분분석 스펙트럼 및 (나) 성분원소의 종류 및 백분율을 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩의 화학물질 분석 시스템을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 루미놀 화학발광 반응에 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체가 미치는 영향을 분석한 실험결과 그래프이다. 이때, (1)은 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 복합체가 없는 상태에서의 루미놀-과산화수소의 반응에 의한 화학발광 세기, (2)는 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체에 의한 루미놀-과산화수소 화학발광 세기, 및 (3)은 상기 (2)에 트로바플록사신(Trovalfoxacin, TFLX)을 주입한 상태에서의 루미놀-과산화수소 화학발광 세기를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 루미놀 화학발광 반응에 미치는 유체 흐름 속도의 영향을 나타내는 실험결과 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 루미놀 화학발광 반응에 미치는 루미놀 농도의 영향을 나타내는 실험결과 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 트로바플록사신 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 (가) 친수성기가 부착된 탄소나노튜브, (나) 표면이 티올 기능기화된 탄소나노튜브 및 (다) 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브의 제조과정을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체의 (가) EDS 성분분석 스펙트럼 및 (나) 성분원소의 종류 및 백분율을 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩의 화학물질 분석 시스템을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 루미놀 화학발광 반응에 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체가 미치는 영향을 분석한 실험결과 그래프이다. 이때, (1)은 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 복합체가 없는 상태에서의 루미놀-과산화수소의 반응에 의한 화학발광 세기, (2)는 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체에 의한 루미놀-과산화수소 화학발광 세기, 및 (3)은 상기 (2)에 트로바플록사신(Trovalfoxacin, TFLX)을 주입한 상태에서의 루미놀-과산화수소 화학발광 세기를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 루미놀 화학발광 반응에 미치는 유체 흐름 속도의 영향을 나타내는 실험결과 그래프이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 루미놀 화학발광 반응에 미치는 루미놀 농도의 영향을 나타내는 실험결과 그래프이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 트로바플록사신 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
1:
금속나노입자
고정화 탄소나노튜브 나노복합체 제조
금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체는 탄소나노튜브 표면에 금속나노입자가 직접 고정화 되거나 티올 기능기를 갖는 유기물을 부착한 후 금속나노입자가 상기 티올 기능기에 부착되는 것을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체는 친수성 기능기가 부착된 친수성 탄소나노튜브를 제조하는 단계(단계 1); 금속나노입자가 고정화된 탄소나노튜브를 제조하는 단계(단계 2); 및 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 수득하는 단계(단계 3)를 통하여 제조하였다.
상기 단계 1은 친수성 기능기가 부착된 친수성 탄소나노튜브를 제조하는 단계로, 다중탄소나노튜브를 질산 용액에 일정량 주입한 후 초음파 분산 시키고 120℃에서 12시간 동안 질소 분위기로 환류반응시킨 후 상기 질산 용액을 제거하고 증류수로 세척한 후 건조시켜 제조하였다.
상기 단계 2는, 상기 단계 1에서 제조된 친수성 기능기가 부착된 친수성 탄소나노튜브에 금속나노입자를 고정화하는 단계로, 상기 친수성 기능기(카르복시기(-COOH))가 부착된 친수성 탄소나노튜브를 머캡토프로필 트리메톡시실란(3-mercaptopropyl trimethoxysilane) 용액에 일정량을 주입한 후에 질소 기체 분위기 하 100℃에서 6시간 환류반응 시켜 표면에 티올(thiol, -SH) 기능기를 갖는 탄소나노튜브를 수득하였다. 상기 티올 기능기를 갖는 탄소나노튜브를 은 나노입자 용액에 일정량을 주입한 후에 초음파 분산하고 상온에서 5시간 정치시킨 후 상기 은 나노입자 용액을 제거하고 건조시켜 은 나노입자가 표면에 고정화된 탄소나노튜브를 제조하였다.
마지막으로, 상기 단계 3을 통하여, 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 수득하였다. 상기 단계 2에서 제조된 은 나노입자가 표면에 고정화된 탄소나노튜브를 네피온(Nafion)을 포함하는 용액에 일정량을 주입한 후에 초음파 분산하여 상기 용액 내에 고르게 분산시킨 후 마이크로 플루이딕 칩의 바닥판 위에 상기 용액의 일정량을 올려 놓은 후 진공챔버를 사용한 진공을 가하여 최종적으로 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 제조하였다.
실험예
1:
루미놀
화학발광 신호의 증가 조사
상기 실시예 1을 통하여 제조된 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용한 루미놀 화학발광 신호의 세기 증가에 대한 실험을 실시하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 이때, 실험조건은 평균직경 20 nm의 은 나노입자, 0.3 mmol/ℓ 루미놀, 0.05 mol/ℓ 과산화수소, 50 ng/㎖ 트로바플록사신, pH 11.2 및 유체의 속도는 35 ㎕/min 이었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 사용할 시에 은 나노입자가 촉매작용을 함으로써 루미놀 화학발광신호를 크게 증가시키는 결과를 얻었다.
실험예
2:
루미놀
화학발광 반응에 미치는 용액의
흐름속도
영향 조사
상기 실시예 1에서 제조된 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 트로바플록사신을 분석하는 과정에 미치는 용액의 흐름속도의 영향에 대한 실험을 실시하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이때, 실험조건은 평균직경 20 nm의 은 나노입자, 0.3 mmol/ℓ 루미놀, 0.05 mol/ℓ 과산화수소, 50 ng/㎖ 트로바플록사신, pH 11.2 이었으며, 유체의 속도는 5 ㎕/min 내지 50 ㎕/min(5 ㎕/min 간격) 이었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 용액의 흐름속도가 35 ㎕/min일 경우에 최고의 화학발광세기를 나타내었으며, 이 결과로 35 ㎕/min를 최적의 유체흐름속도로 선정하였다.
실험예
3:
루미놀
화학발광 반응에 미치는
루미놀
농도의 영향 조사
상기 실시예 1에서 제조된 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 트로바플록사신을 분석하는 과정에 미치는 분석시약인 루미놀 농도 영향에 대한 실험을 실시하였으며, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때, 실험조건은 평균직경 20 nm의 은 나노입자, 0.05 mol/ℓ 과산화수소, 50 ng/㎖ 트로바플록사신, pH 11.2 및 유체의 속도는 35 ㎕/min 이었으며, 루미놀 농도는 0.01 mmol/ℓ 내지 0.4 mmol/ℓ(0.01, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 mmol/ℓ 간격) 이었다.
도 8에 나타난 바와 같이, 루미놀 농도가 0.3 mmol/ℓ일 경우에 최고의 화학발광세기를 나타내었으며, 이 결과로 0.3 mmol/ℓ를 최적의 루미놀 농도로 선정하였다.
실시예
2:
금속나노입자
고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로
플루이딕
칩을 사용한
트로바플로사신
분석
상기 실험예 2 내지 3을 통하여 얻어진 최적화된 분석조건에서 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 트로바플록사신 분석을 실시하였으며, 도 9에 정량곡선 실험결과를 나타내었다. 이때, 실험조건은 평균직경 20 nm의 은 나노입자, 0.3 mmol/ℓ 루미놀, 0.05 mol/ℓ 과산화수소, 50 ng/㎖ 트로바플록사신, pH 11.2 및 유체의 속도는 35 ㎕/min 이었다.
도 9에 나타난 바와 같이, 은 나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체를 포함하는 마이크로 플루이딕 칩을 사용하여 항생제의 일종인 트로바플록사신을 효과적으로 분석할 수 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10: 바닥판
20: 마이크로 플루이딕 칩 본체
21: 시료주입구
22: 시약주입구 1
23: 시약주입구 2
25: 마이크로채널
27: 마이크로챔버
30: 유체 배출구
40: 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체
41: 탄소나노튜브
42: 친수성기
43: 표면에 친수성기가 부착된 탄소나노튜브
44: 티올(thiol) 기능기를 갖는 화합물
45: 표면에 티올 기능기화된 탄소나노튜브
46: 금속나노입자
48: 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브
50: 실린지 펌프 1
51: 실린지 펌프 2
55: 주사기 1
56: 주사기 2
61: 플라스틱 튜브 1
62: 플라스틱 튜브 2
63: 플라스틱 튜브 3
65: 폐 용액 저장소
70: 검출기
71: 광신호 검출부
80: 컴퓨터
100: 마이크로 플루이딕 칩
20: 마이크로 플루이딕 칩 본체
21: 시료주입구
22: 시약주입구 1
23: 시약주입구 2
25: 마이크로채널
27: 마이크로챔버
30: 유체 배출구
40: 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브 나노복합체
41: 탄소나노튜브
42: 친수성기
43: 표면에 친수성기가 부착된 탄소나노튜브
44: 티올(thiol) 기능기를 갖는 화합물
45: 표면에 티올 기능기화된 탄소나노튜브
46: 금속나노입자
48: 금속나노입자 고정화 탄소나노튜브
50: 실린지 펌프 1
51: 실린지 펌프 2
55: 주사기 1
56: 주사기 2
61: 플라스틱 튜브 1
62: 플라스틱 튜브 2
63: 플라스틱 튜브 3
65: 폐 용액 저장소
70: 검출기
71: 광신호 검출부
80: 컴퓨터
100: 마이크로 플루이딕 칩
Claims (12)
- 바닥판;
상기 바닥판 위에 배치되는 마이크로 플루이딕 칩 본체;
상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 전방에 형성되는 분석 대상 시료 주입을 위한 시료 주입구 및 분석시약 주입을 위한 시약주입구로 이루어진 유체 주입부;
상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 후방에 형성되는 유체 배출구;
상기 유체 주입부에서부터 상기 유체 배출구까지 연통하여 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체 내부에 형성되는 마이크로채널; 및
상기 유체 주입부 및 유체 배출구 사이 상기 마이크로채널 내부에 형성되는 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체가 부착된 마이크로챔버를 포함하는,
마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로 플루이딕 칩 본체의 재질은 실리콘계 고분자, 올레핀계 고분자, 유리 및 석영으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 시약주입구는 시료 분석방법에 따라 하나 내지 다수의 분석시약 주입이 가능하도록 1 내지 7개인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로채널은 단면이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제4항에 있어서, 상기 마이크로채널 단면의 지름 또는 단면 다각형 한 변의 길이는 50 내지 700 ㎛인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 마이크로챔버는 단면이 원형 또는 다각형인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제6항에 있어서, 상기 마이크로챔버 단면의 지름 또는 단면 다각형 한 변의 길이는 50 내지 5000 ㎛인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 금속나노입자 고정화탄소나노튜브 나노복합체는,
탄소나노튜브에 친수성 기능기를 부착시키는 단계;
상기 친수성기가 부착된 탄소나노튜브에 티올 기능기를 부착시키는 단계; 및
상기 티올 기능기가 부착된 탄소나노튜브를 금속나노입자 용액에 주입하고 초음파 분산시키는 단계로 제조되는 것을 특징으로 하는,
마이크로 플루이딕 칩.
- 제8항에 있어서, 상기 금속나노입자는 은 나노입자, 금 나노입자 및 백금나노입자로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제9항에 있어서, 상기 금속나노입자의 직경은 5 내지 80 nm인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 단일벽탄소나노튜브, 이중벽탄소나노튜브 및 다중벽탄소나노튜브로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
- 제1항에 있어서, 상기 시료주입구, 시약주입구 및 유체 배출구를 통해 상기 마이크로채널과 외부를 연결하는 플라스틱 튜브를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 마이크로 플루이딕 칩.
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2012
- 2012-09-05 KR KR1020120098477A patent/KR101409531B1/ko active IP Right Grant
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| CN107255665A (zh) * | 2017-07-03 | 2017-10-17 | 武汉科技大学 | 一种快速检测人体雌性激素及孕激素的便携式装置 |
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