KR20160090661A

KR20160090661A - 모세관을 이용한 단백질 농축 장치 및 이를 이용한 농축 방법

Info

Publication number: KR20160090661A
Application number: KR1020150010741A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 한성일; 유용경; 이준우
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2015-01-22
Publication date: 2016-08-01
Also published as: KR101710885B1

Abstract

본 발명은 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝 된 모세관의 유체 채널을 이용한 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 단백질 농축 소자는 유체 채널을 형성하는 모세관, 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 한 쌍의 단백질 시료 레저버(reservoir), 상기 단백질 시료 레저버 중 하나의 레저버 상에 마련되며 상기 유체 채널에 압력을 발생시키는 압력발생기, 상기 모세관의 소정 위치에 마련되고, 상기 전위차와 압력이 발생하면 상기 유체 채널을 통해 이동하는 단백질 시료 중 이온 투과가 가능한 물질만 선택적으로 투과시키는 이온 선택성 막, 상기 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬이 마련된 추출부, 상기 항체와 결합하는 표적물질을 추출하기 위하여, 상기 미세 자성 구슬이 마련된 모세관 외주 측면에 설치되어 자력을 발생시키는 자력발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모세관을 이용한 단백질 농축 장치 및 이를 이용한 농축 방법{PROTEIN PRECONCENTRATION DEVICE USING CAPILLARY AND FABRICATION METHOD THEREOF}

본 발명은 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝 된 모세관의 유체 채널을 이용한 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현대의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서 미래의학은 치료의학 중심이 아니라, 예방의학(Preventive Medicine), 예측의학(Predictive Medicine), 맞춤의학(Personalized Medicine)의 3P를 구현하는 것으로 패러다임이 변화하고 있다. 이를 구체적으로 실현하기 위해서는 질병의 조기발견 및 조기 치료 등이 매우 중요한 수단이 되고 있으며, 이를 위한 수단으로서 바이오마커(biomarker)에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.

바이오마커는 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말한다.

바이오마커에는 핵산 DNA, RNA(유전자), 단백질, 지방질, 대사물질 등과 그 패턴의 변화 등이 이용되고 있다. 즉, 당뇨병의 진단을 위한 혈중 포도당 같은 간단한 물질부터 글리벡의 치료 표적인 만성골수성백혈병의 bcr-abl 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.

DNA(Deoxyribonucleic Acid)는 핵 내에 존재하는 유전자 물질이며, 유전자는 생물체가 생성하는 단백질의 종류를 결정해주는 화학 정보가 저장된 곳이다. 인체를 구성하는 정보들은 DNA를 분석함으로써 파악할 수 있으며, 질병의 예방 및 치료를 위하여 다양한 DNA 분석 기법이 연구 개발 및 활용되고 있다. DNA를 이용하여 질병을 분석하기 위해서는 PCR(Polymerase Chain Reaction)이라는 유전자 증폭기술을 사용하고 있다. PCR은 DNA의 이중나선을 연속적으로 분리시켜 생긴 단일가닥을 새로운 이중나선을 만드는 원본으로 사용하기 위하여 열에 안정한 DNA 중합효소로 가열 및 냉각을 반복하는 것으로서, 우선 DNA에 열을 가하여 2개의 사슬로 나눈다. 이것에 '프라이머(primer)'라고 하는 짧은 DNA를 추가하여 냉각하면 프라이머가 DNA에 결합하게 된다. 이것에 DNA 폴리머라아제(Polymerase)라는 효소를 더하면 프라이머 부분이 출발점이 되어 DNA가 복제된다. 이 '가열 및 냉각'이라고 하는 1사이클로 DNA는 2배가 된다. 이것을 수십 회 반복하면 약 1시간에 DNA는 수십억 배로 불어난다.

단백질(protein)은 아미노산(amino acid)이라고 하는 비교적 단순한 분자들이 연결되어 만들어진 복잡한 분자로, 대체적으로 분자량이 매우 큰 편이다. 단백질을 이루고 있는 아미노산에는 약 20 종류가 있는데, 이 아미노산들이 화학결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)를 만든다. 이때 아미노산들의 결합을 펩티드결합이라 하며, 이러한 펩티드결합이 여러(poly-)개 존재한다는 뜻에서 폴리펩티드라 부른다. 넓은 의미에서 단백질도 폴리펩티드라 할 수 있으며, 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩티드라 하고, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 이와 같은 단백질은 생물체의 몸의 구성하는 대표적인 분자이며, 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할과 면역(免疫)을 담당하는 물질이다. 단백질은 이처럼 생체를 구성하고 생체내의 반응 및 에너지 대사에 참여하는 매우 중요한 유기물이다.

상기와 같은 DNA 또는 단백질을 분석하여 암 또는 질병의 발연 및 진행 정도를 파악할 수 있다. 특히 암 등의 난치병 조기진단과 치료를 위해서는 혈액 속에 들어 있는 단백질 중 정상세포가 암세포로 발전하는 초기 단계에서 미세한 변화를 보이는 지표 단백질을 찾아내는 혈액지문분석 기법이 알려져 있다.

혈액지문분석이란, 암의 유무에 따라 인체의 대사 물질들이 변화될 수 있다는데 착안하여, 암환자들의 혈액 내에 존재하는 대사 물질들의 질량분석데이터를 종합적으로 분석해 패턴의 변화추이를 통해 암 발생 여부를 진단하는 기법이다.

그러나 현재 소개되어 있는 단백질 분석을 위한 기술 및 소자들은 비교적 고가이고, 소요시간이 많이 든다는 문제점이 있다. 또한, 현재 소개되어 있는 기술 및 소자들을 이용하면 샘플 양이 적을 경우, 정성적 분석이나 정량적 분석을 위해서 많은 시간과 많은 비용이 들고, 반면, 샘플의 양이 증가하면 농축하기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 선택적 이온투과 막과 모세관 그리고 전극을 이용하여 매우 간단하고 효율적으로 단백질을 농축할 수 있는 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다

또한, 유체 채널에 선택적 이온투과 막을 형성함으로써 농축 효율이 우수한 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 농축 소자 자체에 미세 자성 구슬(마그네틱 비드)과 같은 간단한 장치를 이용하여 바이오 에세이(Bio assay, 생체물질 검출), 단백질 분리와 같은 활용이 가능하고, 다른 분석 장비와의 연결이 용이하여 확장성이 우수한 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 유체 채널을 형성하는 모세관과, 상기 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 마련되어 형성된 이온 선택성 막과, 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 한 쌍의 단백질 시료 레저버(reservoir)와, 상기 단백질 시료 레저버 중 하나의 레저버 측에 마련되며 상기 유체 채널에 압력을 발생시키는 압력발생기와, 상기 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬이 마련된 추출부와, 상기 항체와 결합하는 표적물질을 추출하기 위하여, 상기 미세 자성 구슬이 마련된 모세관 외주 측면에 설치되어 자력을 발생시키는 자력발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모세관을 이용한 단백질 농축 방법은 유체 채널을 형성하는 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 투과시키는 이온 선택성 막을 패터닝하여 형성하는 단계와, 상기 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 주입하는 단계와, 상기 모세관의 양 끝 단에 마련되어 단백질 시료를 수용하는 단백질 시료 레저버(reservoir)에 외부전원을 연결하여 상기 모세관에 전위차를 발생시키고, 상기 단백질 시료 레저버 중 하나의 레저버 상에 마련된 압력발생기에 의해 상기 모세관 내에 압력을 발생시키는 단계와, 상기 전위차와 압력의 발생에 의해 유체 채널 내에서 이동하는 단백질 시료 중 이온 투과가 가능한 물질만 상기 이온 선택성 막을 투과시키는 단계와, 상기 미세 자성 구슬이 주입된 상기 모세관의 외주 측면에 자력을 발생시켜 상기 이온 선택성 막을 투과한 물질 중에서 상기 항체에 의해 결합된 표적 물질을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 시료 내에서 선택적으로 분리하려는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 특정 위치에 효율적으로 농축시킬 수 있다.

또한, 범용의 모세관을 사용함으로써 소자의 제작이 매우 용이하며 소자의 확장성이 우수하고 활용범위가 매우 넓은 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단백질 농축 소자의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따르는 모세관의 소정 위치에 이온 선택성 막을 패터닝하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 도 1의 단백질 농축소자의 농축방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단백질 농축 소자의 활용 방법을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 단백질 농축 소자의 활용 방법을 도시한 도면이다.

이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.

마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.

이하, 본 명세서의 실시 예들에 의하여 모세관을 이용한 단백질 농축 소자 및 이를 이용한 농축 방법을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 명세서에 대해 설명하도록 한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 제조 방법을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제1 실시 예

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 단백질 농축 소자의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 모세관의 소정 위치에 이온 선택성 막(20)을 패터닝하는 방법을 설명하는 도면이다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 채널을 형성하는 모세관(10), 기 모세관의 중앙부 내부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(20) 및 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40), 단백질 시료 레저버의 양전극과 음전극에 전위차를 발생시키는 외부 전원(50) 및 단백질 시료 레저버 중 어느 하나의 레저버 측에 마련되어 상기 유체 채널 내에 압력을 발생시키는 압력발생기, 일 예로, 주사기(60)를 포함할 수 있다.

도 1에 도시된 단백질 농축 소자를 이용하여 단백질을 농축하는 검출 방법을 설명한다.

먼저, 유체 채널을 형성하는 모세관(10)의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 투과시키는 이온 선택성 막(20)을 패터닝하여 형성한다.

본 실시 예에서 선택적 이온 투과가 가능한 물질로 나피온(nafion)을 사용하였으나 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, 본 발명에서는 이에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.

우선 모세관의 양단에 전압을 가함으로써 발생되는 단백질의 거동 및 이동에 대해서 설명한다.

모세관에 혈액과 같은 샘플이 투입되면 모세관의 표면과 혈액 유체가 접촉되어 둘 사이에 서로 다른 성질의 유도 전하가 발생한다. 이와 같이 유체 내에 발생한 유도 전하들이 존재하는 특정한 층을 전기 이중층(EDL: Electric Double Layer)이라고 한다. 이때 모세관으로 전기장을 걸어주면, 유체 내에 존재하는 이온들이 이온들의 전기적 성질과 반대인 전극 쪽으로 이끌리게 된다. 이와 같이 이온들이 전기적 성질에 따라서 모세관 내에서 움직이면서 점성력에 의해 유체 입자들을 같이 이끌고 가게 된다. 따라서 전체적인 유체의 유동이 발생하게 되며, 이와 같은 유체의 이동현상을 전기삼투(EOF: electro-osmosis flow)라고 하고, 이온의 움직임을 전기영동(EP: electrophoresis) 이라 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 모세관의 소정 위치에 이온 선택성 막(20)을 패터닝하는 방법을 설명하는 도면이다.

도 2a는 본 실시 예에서 사용되는 모세관의 단면을 도시한 도면이다.

모세관(10) 내부의 중앙부에 필터 역할을 하는 이온 선택성 막을 형성하기 위하여 도 2b에 도시된 바와 같이, 주사기의 니들(80)을 삽입하여 나피온과 같은 선택적 이온 투과가 가능한 물질(21)을 주입한다.

이후, 선택적 이온 투과가 가능한 물질(21)이 주입된 모세관(10)을 대략 80℃ 정도에서 가열하여 도 2c와 같이 이온 선택성 막(20)이 모세관(10) 중앙부 내부 표면에 패터닝 형성되도록 한다.

이온 선택성 막(20)은 양성자를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다. 예를 들면, 이온 선택성 막(20)이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 비이클 메커니즘(vehicle mechanism)에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 상기 이온 선택성 막(20)은 나노채널의 역할을 수행하며, 나노채널의 양전극을 향한 전단부에 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다.

이온 선택성 막(20)이 형성되고 나면, 다시 도 1을 참조하여, 나노채널을 형성하는 모세관(10)의 양 끝 단에, 각각 양전극과 음전극이 연결되어 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 연결한다. 상기 레저버(30, 40)는 와이어를 통해서 전원을 공급하는 외부 전원(50)과 연결된다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 상기 레저버(30, 40) 에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다.

본 실시 예에서는, 내경이 1~2㎜인 모세관을 사용하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 다만, 모세관의 내경이 너무 커질 경우, 농축을 위해 더 큰 압력을 인가해야 하고, 압력을 인가한다고 해도 일정 크기 이상이 되면 농축 효율이 현저히 떨어지게 된다. 반면 모세관의 내경이 더 작아지는 경우에 나피온 패터닝이 어려워지고, 가압에 의한 효과를 충분히 얻기 어려울 수 있다. 실리카 모세관(10)은 전해질을 함유하는 버퍼 용액으로 채워진다. 모세관(10)의 각 단부는 버퍼 전해질을 수용하는 분리된 유체 저장조인 레저버(30, 40) 내에 위치한다.

상기 레저버 중 하나(30)에 제1 포텐셜 전압이 놓이고, 다른 레저버(40)에 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(30, 40)에 인가된 두 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 모세관(10)을 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다.

한편, 레저버(30) 상에 놓인 주사기(60)에 의해 모세관(10) 내에 압력을 발생시킨다. 가압은 전기영동에 의해 발생하는 유체의 흐름을 제어하고 농축 플러그의 위치 및 농도를 제어하기 위한 것이다. 이와 같이, 전위차와 압력을 조절하여, 농축 플러그의 이동 속도, 농축비, 농축 위치를 제어할 수 있다.

다시 말하면, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동, 전기영동형 이동도(mobility) 및 가압은 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성, 전기영동성 이동도 및 가압의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 속도, 전기영동성 속도 및 가압의 합이다.

한편, 음극이 위치하는 레저버(40) 측에 마련되어 음극에서 양극 방향으로 발생되는 압력은 음압 (negative pressure)이라고 하고 양극이 위치하는 레저버(30) 측에 마련되어 양극에서 양극 방향으로 발생되는 압력은 양압(positive pressure)이라고 한다.

한편, 모세관(10)의 중앙부에 설치된 이온 선택성 막(20)은 나노채널의 역할을 수행하여 특정 이온들을 선택적으로 매우 빠르게 투과시킨다.

도 3는 도 1의 단백질 농축소자를 이용한 단백질 농축방법을 도시한 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이 모세관(10)의 중앙부에 설치된 이온 선택성 막(20)을 선택적으로 투과한 입자들은 농축 플러그를 형성한다. 이 때 앞서 설명한 전기삼투성과 전기영동성 이동도(F2) 및 압력(F1) 이 조합되어 농축비가 증가한다. 또한, 이러한 힘을 조절하여 농축 플러그의 위치를 제어할 수 있다.

또한, 모세관(10)의 특정 영역에 직접 분석 대상 단백질 입자들을 농축하고 농축영역(70)에 플러그를 설치하여 각종 MEMS 센서 또는 플루이딕 센서 등에 농축된 단백질 입자를 공급함으로써, 농축된 시료를 감지하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 질량분석기 또는 ESI Spray 등과 연결이 용이하여 다양한 분석장비와 자유롭게 연동할 수 있는 장점이 있다.

제2 실시 예

도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단백질 농축소자의 활용방법을 도시한 도면이다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 모세관(10), 기 모세관의 중앙부 내부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(20) 및 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40),도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 단백질 농축소자의 활용방법을 도시한 도면이다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 모세관(10), 기 모세관의 중앙부 내부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(20) 및 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40), 단백질 시료 레저버의 양전극과 음전극에 전위차를 발생시키는 외부 전원(50), 단백질 시료 레저버 중 어느 하나의 레저버 상에 마련되어 상기 유체 채널 내에 압력을 발생시키는 압력발생기, 일 예로 주사기(60), 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬(80), 이 미세 자성 구슬(80)이 마련된 모세관 외주 측면에 설치되어 자력을 발생시키는 자력발생부(90)를 포함할 수 있다.

자력발생부(90)는 자력을 인가할 수 있는 수단이면, 특별히 제한되지 않으나, 이용의 편의성을 위해 바람직하게는 영구적인 고정자석이다.

다음, 도 4에 도시된 단백질 농축 소자를 이용하여 단백질을 농축하는 검출 방법을 설명한다.

본 실시 예에서도 선택적 이온 투과가 가능한 물질로 나피온(nafion)을 사용하였으나 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, 본 발명에서는 이에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.

모세관(10) 내부의 중앙부에 필터 역할을 하는 이온 선택성 막을 형성하기 위하여 도 2b에 도시된 바와 같이, 주사기의 니들(80)을 삽입하여 나피온과 같은 선택적 이온 투과가 가능한 물질(20)을 주입한다.

이후, 선택적 이온 투과가 가능한 물질(20)이 주입된 모세관(10)을 대략 80℃ 정도에서 가열하여 도 2c와 같이 이온 선택성 막(20)이 모세관(10) 중앙부 내부 표면에 패터닝 형성되도록 한다.

상기 이온 선택성 막(20)은 양성자를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다. 예를 들면, 이온 선택성 막(20)이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 비이클 메커니즘(vehicle mechanism)에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 상기 이온 선택성 막(20)은 나노채널의 역할을 수행하며, 나노채널의 양전극을 향한 전단부에 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다.

이온 선택성 막(20)이 형성된 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 주입한다.

미세 자성 구슬을 주입하기 위한 방법의 일 예로는, 도 2b에서 설명한 주사기 니들 방법이 있다. 주사기 니들 방법은 농축하고자 하는 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 담은 주사기의 니들은 모세관(10)의 원하는 위치까지 삽입한 후, 미세 자성 구슬을 주입한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 미세 자성 구슬을 주입하기 위하여 주사기 니들 방법을 이용함을 예시하였지만 이에 한정하는 것은 아니다.

항체는 원하는 특정 물질 또는 세포만 선택적으로 검출 또는 분리할 수 있기 때문에, 매우 낮은 농도의 물질 또는 세포를 검출하고자 하는 경우에 유용할 수 있다.

미세 자성 구슬(80)로의 항체(84) 고정은 당 기술분야에 공지된 항체의 고정화 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 항체와 결합되도록 미세 자성 구슬 입자 표면을 화학적으로 처리한 후 항체를 고정시킬 수 있다. 즉, 미세 자성 구슬 입자는 항체와 결합할 수 있는 활성화기를 보유하게 되어 항체를 비드 입자에 고정할 수 있게 된다. 또한, 항체에 존재하는 특정 수용체와 결합하는 리간드를 미세 자성 구슬 입자 표면에 부착한 후 항체를 결합시키는 방식으로 항체를 고정할 수 있다.

이온 선택성 막(20)과 미세 자성 구슬(80)이 마련된 모세관(10)의 양 끝 단에, 각각 양전극과 음전극이 연결되어 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 연결한다. 상기 레저버(30, 40)는 와이어를 통해서 전원을 공급하는 외부 전원(50)과 연결된다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 상기 레저버(30, 40)에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 도 2와 같은 모세관 전기영동은 샘플 성분들을 분리하기 위해 분자의 전기영동 특성 및/또는 작은 모세관 내 샘플의 전기삼투성 유동을 활용하는 기법이다.

본 실시 예에 따른, 실리카 모세관(10)은 전해질을 함유하는 버퍼 용액으로 채워진다. 모세관(10)의 각 단부는 버퍼 전해질을 수용하는 분리된 유체 저장조인 레저버(30, 40) 내에 위치한다.

한편, 레저버(30) 상에 놓인 주사기(60)에 의해 모세관(10) 내에 압력을 발생시킨다. 발생된 압력은 유체 전체에 영향을 미치게 된다.

이때, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동, 전기영동형 이동도(mobility) 및 압력은 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성, 전기영동성 이동도 및 압력의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 속도, 전기영동성 속도 및 압력의 합이다.

이온 선택성 막(20)을 투과한 단백질 입자들 중 일부(70)는, 앞서 설명한 전기삼투성과 전기영동성 이동도(F2) 및 압력(F1)에 의해 형성된 와류에 의해 농축된다.

한편, 물질의 고유 성질에 따라 전기삼투성과 전기영동성 이동도(F2) 및 압력(F1)에 의해 형성된 와류를 벗어나 이동하는 단백질 입자들 중 미세 자성 구슬(80)의 항체(82)에 결합된다.

이 미세 자성 구슬(80)이 마련된 모세관(10)의 외주 측면에 설치된 자력발생부(90)에 의해 발생된 자력에 의해 표적 물질과 결합된 미세 자성 구슬 (80)이 포획된다. 이로써, 항체(82)와 결합된 물질을 검출할 수 있게 된다.

제3 실시 예

도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 단백질 농축소자를 활용하는 방법을 도시한 도면이다.

본 발명의 제3 실시 예에 따른 단백질 농축 소자는 유체 채널을 형성하는 모세관(10), 기 모세관의 중앙부 내부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(20) 및 상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40), 단백질 시료 레저버의 양전극과 음전극에 전위차를 발생시키는 외부 전원(50), 상기 단백질 시료 레저버 중 어느 하나의 레저버 상에 마련되어 상기 유체 채널 내에 압력을 발생시키는 주사기(60), 제1 표적 물질과 결합하는 제1 항체가 고정된 제1 미세 자성 구슬(80), 제2 표적 물질과 결합하는 제2 항체가 고정된 제2 미세 자성 구슬(180) 및 미세 자성 구슬(80)이 마련된 모세관 외주 측면에 설치되어 자력을 발생시키는 자력발생부(90)를 포함할 수 있다. 자력발생부(90)는 도 5에 도시된 바와 같이 제1 미세 자성 구슬(80)이 마련된 영역과 제2 미세 자성 구슬(180)이 마련된 영역에 각각(92, 94)이 마련될 수 있다. 다른 실시 예에서는 제1 미세 자성 구슬(80)이 마련된 영역과 제2 미세 자성 구슬(180)이 마련된 영역을 모두 커버하는 하나의 자력발생부(90)가 마련될 수도 있다.

다음, 도 5에 도시된 단백질 농축 소자를 이용하여 단백질을 농축하는 검출 방법을 설명한다.

모세관(10) 내부의 중앙부에 필터 역할을 하는 이온 선택성 막을 형성하기 위하여 제1 실시 예와, 제2 실시 예에서 설명한 바와 같이, 주사기의 니들을 이용하여, 나피온과 같은 선택적 이온 투과가 가능한 물질(20)을 주입하고, 가열하여, 모세관 내부 표면에 패터닝 형성되도록 한다.

상기 이온 선택성 막(20)은 양성자)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다.

미세 자성 구슬을 주입하기 위해서는, 제2 실시 예에서 설명한 바와 같이, 주사기 니들 방법을 이용한다. 즉, 농축하고자 하는 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 담은 주사기의 니들은 모세관(10)의 원하는 위치까지 삽입한 후, 미세 자성 구슬을 주입한다.

즉, 주사기의 니들을 상기 모세관 일측단으로부터 중앙부로 삽입하여 상기 제1 표적 물질과 결합하는 제1 항체가 고정된 제1 미세 자성 구슬(80)을 1차 주입하고, 상기 제2 표적 물질과 결합하는 제2 항체가 고정된 제2 미세 자성 구슬(180)을 주입한다. 이 때, 제2 미세 자성 구슬(180)은 제2 표적 물질과 소정의 간격으로 이격시켜 주입하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 제2 표적물질이 검출 대상 물질이 된다. 제1 표적물질은 검출 대상 물질인 제2 표적물질을 검출할 때 방해되는 물질로서, 제2 표적물질과 분리하기 위해 이용한다.

항체를 미세 자성 구슬에 고정하는 방법에 대해서는 제2 실시 예에서 설명하였으므로, 그 설명을 생략한다.

이온 선택성 막(20), 제1 미세 자성 구슬(80) 및 제2 미세 자성 구슬(180)이 마련된 모세관(10)의 양 끝 단에, 각각 양전극과 음전극이 연결되어 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 연결한다. 상기 레저버(30, 40)는 와이어를 통해서 전원을 공급하는 외부 전원(50)과 연결된다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 레저버(30, 40)에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다. 이러한 전극은 일 예일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

다만, 모세관(10)은 이온 선택성 막(20)이 미세 자성 구슬(80, 180)이 주입된 영역을 기준으로 음 전극 방향으로 오도록 한다.

상기 레저버 중 하나(30)에 제1 포텐셜 전압 레저버(40)에 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(30, 40)에 인가된 다른 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 모세관(10)을 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다. 또한, 주사기(60)에 의해 모세관(10) 내에 압력을 발생시킨다.

이때, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동, 전기영동형 이동도(mobility) 및 압력은 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 상기 전위차와 압력을 조절하여, 농축 플러그의 이동 속도, 농축비, 농축 위치를 조절한다.

한편, 물질의 고유 성질에 따라 전기삼투성과 전기영동성 이동도(F2) 및 압력(F1)에 의해 형성된 와류를 벗어나 이동하는 단백질 입자들 중 제1 미세 자성 구슬(80)의 항체(82)에 결합된다.

이 미세 자성 구슬(80)가 마련된 모세관(10)의 외주 측면에 설치된 자력발생부(92)에 의해 발생된 자력에 의해 표적 물질과 결합된 제1 미세 자성 구슬(80)이 포획된다.

물질의 고유 성질에 따라 전기삼투성과 전기영동성 이동도(F2) 및 압력(F1)에 의해 형성된 와류를 벗어나 이동하는 단백질 입자들 중 제2 표적 물질이 제2 미세 자성 구슬(180)의 제2 항체에 결합된다.

제2 미세 자성 구슬(180)이 마련된 모세관(10)의 외주 측면에 설치된 자력발생부(94)에 의해 발생된 자력에 의해 제2 표적 물질과 결합된 제2 미세 자성 구슬(180)이 포획된다.

주사기의 가압의 세기 또는 전위차를 조절하여 단백질 시료의 유체 내 이동속도를 제어할 수 있다.

본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10: 모세관
20: 이온 선택성 막
30: 단백질 시료 레저버(reservoir)
50: 외부 전원
60: 주사기
80: 미세 자성 구슬
90: 자력발생부

Claims

유체 채널을 형성하는 모세관;
상기 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 마련되어 형성된 이온 선택성 막;
상기 모세관의 양 끝 단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 유체 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 한 쌍의 단백질 시료 레저버(reservoir);
상기 단백질 시료 레저버 중 하나의 레저버 측에 마련되며 상기 유체 채널에 압력을 발생시키는 압력발생기;
상기 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬이 마련된 추출부; 및
상기 항체와 결합하는 표적물질을 추출하기 위하여, 상기 미세 자성 구슬이 마련된 모세관 외주 측면에 설치되어 자력을 발생시키는 자력발생부
를 포함하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
제1항에 있어서, 상기 추출부는 제1 표적 물질과 결합하는 제1 항체가 고정된 제1 미세 자성 구슬과 제2 표적 물질과 결합하는 제2 항체가 고정된 제2 미세 자성 구슬이 소정의 간격으로 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 미세 자성 구슬은 상기 모세관 일측단으로부터 중앙부로 삽입하여 상기 미세 자성 구슬을 주입하여 배치되는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
제1항에 있어서, 상기 단백질 시료 중 소정 단백질 입자들이 전위차와 압력이 발생된 상기 유체 채널을 통과하면서 상기 이온 선택성 막의 전단부에 농축되는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
제1항에 있어서, 상기 전위차와 압력을 조절하여, 농축 플러그의 이동 속도, 농축비, 농축 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
제1항에 있어서,
상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질은 나피온(nafion)인 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 소자.
유체 채널을 형성하는 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 투과시키는 이온 선택성 막을 패터닝하여 형성하는 단계;
상기 모세관 내에 표적 물질과 결합하는 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 주입하는 단계;
상기 모세관의 양 끝 단에 마련되어 단백질 시료를 수용하는 단백질 시료 레저버(reservoir)에 외부전원을 연결하여 상기 모세관에 전위차를 발생시키고, 상기 단백질 시료 레저버 중 하나의 레저버 측에 마련된 압력발생기에 의해 상기 모세관 내에 압력을 발생시키는 단계;
상기 전위차와 압력의 발생에 의해 유체 채널 내에서 이동하는 단백질 시료 중 이온 투과가 가능한 물질만 상기 이온 선택성 막을 투과시키는 단계;
상기 미세 자성 구슬이 주입된 상기 모세관의 외주 측면에 자력을 발생시켜 상기 이온 선택성 막을 투과한 물질 중에서 상기 항체에 의해 결합된 표적 물질을 추출하는 단계를 포함하는 모세관을 이용한 단백질 농축 방법.
제7항에 있어서,
상기 항체가 고정된 미세 자성 구슬을 주입하는 단계에서,
제1 표적 물질과 결합하는 제1 항체가 고정된 제1 미세 자성 구슬을 상기 모세관 일측단으로부터 중앙부로 1차 주입하고, 제2 표적 물질과 결합하는 제2 항체가 고정된 제2 미세 자성 구슬을 상기 제1 마그네틱 비드와 이격시켜 주입하는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 방법.
제7항에 있어서,
상기 모세관 내에 압력을 발생시키는 단계에서,
상기 전위차와 압력을 조절하여, 농축 플러그의 이동 속도, 농축비, 농축 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 모세관을 이용한 단백질 농축 방법.