KR20170034951A - 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법 - Google Patents

샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록, n개의 마이크로 채널 일단에 연결되는 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane); 상기 n개의 마이크로 채널 타단에 형성되어 전압을 인가할 수 있는 전극; 및 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 접촉이 가능하며, 샘플을 포함하는 용액이 유입되거나 상기 샘플이 유출될 수 있는 파이펫 팁(pipet tip);을 포함하고, 상기 파이펫 팁을 통해 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 주입된 상기 용액에 전압을 인가함으로써 발생되는 상기 이온농도분극 현상에 의하여 상기 용액은 유체 및 상기 샘플로 분리되고, 분리된 상기 유체는 상기 n개의 마이크로 채널 타단으로 유출되며, 상기 샘플은 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 농축되어 파이펫 팁을 통해서 외부로 추출되는, 샘플 농축 장치 및 이를 이용한 샘플 추출 방법을 제공한다.

Description

샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법{Sample concentrator and method for extracting sample concentrated using the same}
본 발명은 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 바이오·환경 분야에서 검출하고자 하는 시료 샘플을 고농도로 분리 농축할 수 있는 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법에 관한 것이다.
의료, 제약, 약물검사, 수질검사 및 임상진단 등 바이오·환경 분야에서 검출하고자 하는 시료의 농도가 극히 낮기 때문에 검출 및 분석 효율을 높이기 위해 샘플을 농축하는 기술은 매우 중요하게 연구되고 있다.
현재 샘플 농축을 위한 방법은 규모에 따라 크게 두 종류로 나눌 수 있는데 먼저 대형 시스템(bulk)에서의 방법은 동결건조, 삼투압 방법, 침전법, 이온 교환 크로마토그래피 및 흡습법 등이 있다. 이 기술들은 처리용량이 큰 대신 전처리 과정이 필요하거나 샘플이 손실되는 등 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
최근 소형 시스템(micro)에서의 샘플 농축을 위한 방법은 Field Amplified Sample Stacking(FASS), Isotachophoresis, Electrokinetic trapping, Micellar electrokinetic sweeping, Chromatographic preconcentration 및 Membrane preconcentration 등이 있고, 이 기술들은 샘플 종류와 무관하게 농축 가능하고, 농축도가 크지만 마이크로 채널 내부에서 농축 현상이 일어나므로 pL~nL 매우 소량의 샘플이 농축되어 검출감도가 낮고, 농축 장치를 구동하기 위한 외부 제어 장치가 반드시 필요하고, 숙련된 연구자만이 농축기를 원활이 사용할 수 있는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공정이 간단하고, 경제적이며, 대량 생산이 가능한 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법에 대한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 샘플 농축 장치가 제공된다. 상기 샘플 농축 장치는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록, n개의 마이크로 채널 일단에 연결되는 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane); 상기 n개의 마이크로 채널 타단에 형성되어 전압을 인가할 수 있는 전극; 및 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 접촉이 가능하며, 샘플을 포함하는 용액이 유입되거나 상기 샘플이 유출될 수 있는 파이펫 팁(pipet tip);을 포함하고, 상기 파이펫 팁을 통해 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 주입된 상기 용액에 전압을 인가함으로써 발생되는 상기 이온농도분극 현상에 의하여 상기 용액은 유체 및 상기 샘플로 분리되고, 분리된 상기 유체는 상기 n개의 마이크로 채널 타단으로 유출되며, 상기 샘플은 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 농축되어 파이펫 팁을 통해서 외부로 추출될 수 있다.
상기 샘플 농축 장치에 있어서, 상기 이온 선택성 멤브레인은 원형 또는 다각형 형상으로 프린팅 된 나노막을 포함할 수 있다.
상기 샘플 농축 장치에 있어서, 상기 이온 선택성 멤브레인과 상기 전극은 방사형으로 서로 이격되어 배치된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 샘플 추출 방법이 제공된다. 상기 샘플 추출 방법은 n개의 마이크로 채널 및 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비한 마이크로 채널 디바이스의 중앙 부분에 샘플을 포함하는 용액을 파이펫 팁(pipet tip)을 이용하여 공급하는 단계; 상기 마이크로 채널 디바이스에 전압을 인가하여, 상기 n개의 마이크로 채널 일단과 상기 이온 선택성 멤브레인이 연결된 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및 상기 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 유체와 상기 샘플로 분리되며, 상기 유체는 상기 n개의 마이크로 채널 타단을 통해 유출되고, 상기 샘플은 상기 파이펫 팁을 통해 상기 마이크로 채널 디바이스의 외부로 추출되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 샘플 추출 방법에 있어서, 상기 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 상기 미립자는 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있다.
상기 샘플 추출 방법에 있어서, 상기 용액은 전기삼투 흐름에 의한 힘과 상기 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 상기 유체와 상기 샘플로 분리되는 것일 수 있다.
상기 샘플 추출 방법에 있어서, 상기 파이펫 팁에 압력 변화에 따라 상기 용액이 상기 마이크로 채널 디바이스의 중앙 부분에 공급되거나 상기 이온농도분극 현상에 의해 분리된 상기 샘플이 추출되는 것일 수 있다.
상기 샘플 추출 방법에 있어서, 상기 샘플이 상기 마이크로 채널 디바이스의 외부로 추출되는 단계는, 상기 파이펫 팁을 통해 추출되는 상기 샘플을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 선택성 멤브레인을 구비한 미세 채널 디바이스를 사용함으로써 구조가 간단하며, 저전력으로 미세조류세포로부터 바이오디젤을 생산하는 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 (a)에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 과정을 관찰한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 (a)에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이다.
도 1의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스(10)는 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록, n개의 마이크로 채널(12) 일단에 연결되는 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane, 14), n개의 마이크로 채널(12) 타단에 형성되어 전압을 인가할 수 있는 전극(16) 및 이온 선택성 멤브레인(14)의 중앙 부분에 접촉이 가능하며, 샘플(20a)을 포함하는 용액(20)이 유입되거나 샘플(20a)이 유출될 수 있는 파이펫 팁(pipet tip, 18)을 포함할 수 있다.
먼저, 이온 선택성 멤브레인(14)은 예를 들어, 원형 또는 다각형 형상으로 프린팅 된 나노막을 포함할 수 있다. 나노막은 후술할 n개의 마이크로 채널(12)의 일단과 연결되며, 샘플(20a)의 분리 농축이 재현성 있게 구현될 수 있도록 균일한 모양의 원형 나노막으로 프린팅 될 수 있다.
만약, 이온 선택성 멤브레인(14)이 균일한 모양으로 형성되지 않으면, 마이크로 채널(12)과 맞닿는 부분에서 미세하게 생기는 오차로 인해 샘플(20a)의 분리 농축이 제대로 되지 않을 수 있다. 따라서, 가장 이상적인 이온 선택성 멤브레인(14)의 형태는 원형이 가장 좋으나, 마이크로 채널(12)의 개수가 많지 않을 경우, 각각의 마이크로 채널(12)과 맞닿는 부분이 일치하기 용이하도록 이온 선택성 멤브레인(14)이 다각형 형상으로 이루어져 각각의 마이크로 채널(12)과 맞닿는 부분이 플랫(flat)하게 형성될 수도 있다.
즉, n개의 마이크로 채널(12) 각각이 일자 모양의 마이크로 채널로 이해될 수 있으며, 나노막의 테두리 면이 각각의 마이크로 채널(12)의 일단과 맞닿아 서로 겹쳐지면서 마이크로 채널 디바이스(10)를 형성할 수 있다. 이는 마이크로 채널 디바이스(10)의 제작과정에서 미세하게 발생하는 오차를 없애 샘플(20a)의 분리 농축이 항상 안정하게 이루어지도록 한다.
마이크로 채널(12)의 개수는 분리 농축하고자 하는 샘플(20a)의 용량에 따라 그 개수 및 모양을 다르게 설계할 수 있다. 또, 마이크로 채널 디바이스(10)는 마이크로 채널(12)을 방사형 구조가 아니라 서로 나란하게 배치된 형태로 구성함으로써 마이크로 채널 디바이스(10)의 크기를 방사형 구조 대비 상대적으로 작거나 크게 설계할 수도 있다. 예를 들면, 이온 선택성 멤브레인(14)의 두께를 일정하게 유지할 경우, 각 마이크로 채널(12)의 개수, 길이 및 두께 등을 조절함에 따라 샘플(20a)의 농축량을 제어할 수 있다. 또, 마이크로 채널 디바이스(10)에 인가되는 전압의 크기에 따라 샘플(20a)의 농축량이 제어될 수도 있다.
또한, 샘플(20a)의 분리 농축 처리 용량을 극대화하기 위하여, 단층으로 형성된 마이크로 채널 디바이스(10)를 적어도 두 개 이상 적층함으로써 고농도의 샘플(20a)을 대량으로 추출할 수 있다.
마이크로 채널 디바이스(10)는 전극(16)을 포함할 수 있다. 전극은 n개의 마이크로 채널(12)의 타단에 형성될 수 있다. 전극(16)은 n개의 마이크로 채널(12)이 배치된 형태에 따라 다르게 배치될 수 있으며, 예를 들어, 원형의 이온 선택성 멤브레인(14)과 전극(16)은 이온 선택성 멤브레인(14)의 테두리에 결합된 마이크로 채널(12)들을 따라 방사형으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 만약, 원형의 이온 선택성 멤브레인(14)을 사용하지 않고 플랫(flat)한 다각형 형태의 이온 선택성 멤브레인(14)를 사용함으로써 마이크로 채널(12)들이 서로 나란하게 배치된다면, 전극(16)은 이온 선택성 멤브레인(14)과 소정의 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다.
다시 도 1의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 추출 방법은 n개의 마이크로 채널(12) 및 이온 선택성 멤브레인(14)을 구비한 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 샘플(20a)을 포함하는 용액(20)을 파이펫 팁(pipet tip, 18)을 이용하여 공급하는 단계, 마이크로 채널 디바이스(10)에 전압을 인가하여, n개의 마이크로 채널(12)의 일단과 이온 선택성 멤브레인(14)이 연결된 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계 및 용액(20)은 상기 이온공핍영역을 기준으로 유체(20b)와 샘플(20a)로 분리되며, 유체(20b)는 n개의 마이크로 채널(12)의 타단을 통해 유출되고, 샘플(20a)은 파이펫 팁(18)을 통해 마이크로 채널 디바이스(10)의 외부로 추출되는 단계를 포함할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 도 1의 (a) 및 (b)를 참조하면, 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 파이펫 팁(18)을 접촉시켜 샘플(20a)을 포함하는 용액(20)을 주입할 수 있다. 여기서, 샘플(20a)은 바이오·환경 분야에서 사용될 수 있는 시료로 이해될 수 있다. 용액(20)은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자를 포함할 수 있으며, 극성을 띠는 상기 미립자는 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있다. 상기 미립자는 이온 선택성 멤브레인(14) 부근에서 자가 응집(self-assembled)되어 모여 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 이용되는 이온농도분극 현상은 나노막을 갖는 구조 주변에서 관찰되는 전기화학전달 현상 중의 하나이다. 전기 이중층의 두께가 나노막의 크기와 비슷할 때 나노막 내부에서 전기 이중층이 겹침으로써 단일 극성 이온 투과성을 보인다는 것이 이론적으로 알려져 있다. 즉, 대부분의 물질 표면은 액체와 접촉시 고유의 표면전하를 띄게 되는데, 이러한 물질로 마이크로 채널 디바이스(10)를 제작하고 마이크로 채널 디바이스(10)의 내부에 액체를 흘려주면 물질의 표면전하에 의해 반대 이온들이 전기 이중층을 형성한다. 전기 이중층의 두께는 수 나노미터에서 수백 나노미터 정도이고, 나노 크기와 반대 극성의 이온만 통과시키는 선택적 투과성을 가진다.
이 때, 마이크로-나노 구조물을 결합시킨 후 상기 구조물의 내부에 액체를 채우고 전압을 걸어주면 선택적 투과성 나노막에 의해 나노막 한쪽에는 이온 공핍층, 반대쪽에는 이온 부유층이 생기는 이온농도분극 현상이 일어난다. 이를 이용하여 n개의 마이크로 채널(12)에 원형의 양이온 선택적 나노막(14)을 결합시켰을 때 이온농도분극 현상에 의해 전위가 높게 걸린 방향으로 음전하를 띤 샘플이 동시에 농축될 수 있다.
예를 들어, 마이크로-나노 멀티 채널 결합구조를 만든 후, 샘플을 포함하는 용액을 이 마이크로 멀티 채널의 상단에 주입하고, 압력과 전압을 인가하게 되면, 이온농도구배로 인한 이온농도분극 현상이 일어나게 된다. 샘플들은 외부 전기장에 의해 유전분극이 일어나 전하를 띤 입자처럼 행동하게 되고, 이온농도분극 현상으로 생긴 이온 공핍층 가장자리에서 정전기적 힘을 받아 나노막으로부터 밀려나는 힘을 받게 된다.
즉, 샘플 흐름에 의해 받는 힘 Fdrag=-6πㅅＵα(Ｕ는 유속, ㅅ는 샘플의 점도 및 α는 입자의 대표반경)과 전기삼투 흐름에 의한 힘 FEOF의 방향에 의해서 샘플을 포함하는 유체가 마이크로 채널로 이동하게 되고, 이온농도분극 현상에 의한 힘 FICP에 의해 샘플이 이온공핍층으로부터 밀려나게 되어 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 농축된다. 농축된 샘플들을 별도로 모아주게 되면 고농도의 샘플 시료를 얻을 수 있다.
도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 샘플을 포함하는 용액이 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 유입된 후, 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 삽입된 파이펫 팁(18)을 이용하여 압력을 가해주면서 전극(16)에 전압을 인가할 수 있다. 인가된 압력과 전압에 의하여 이온 선택성 멤브레인(14)과 n개의 마이크로 채널(12) 일단이 접하는 분기점과 인접한 부분에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 동시에 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있다. 유입된 용액(20)은 이온공핍영역을 기준으로 유체(20b)와 샘플(20a)로 분리될 수 있다. 상기 분리과정은 전기삼투 흐름에 의한 힘과 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 샘플(20a)이 이온공핍영역의 경계면에서 밀려날 수 있다.
한편, 분리된 유체(20b)는 마이크로 채널(12)의 중심부에 바깥쪽으로 유출되고, 샘플(20a)은 이온공핍영역의 경계면에서 전기적 반발력에 의해 밀려나 이온 선택성 멤브레인(14)이 배치된 중앙 부분에 농축될 수 있다. 파이펫 팁(18)을 다시 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 접촉시킨 후 압력을 인가하여 농축된 샘플(20a)을 별도의 장치(미도시)로 모을 수 있으며, 농축된 샘플(20a)을 별도로 모아주게 되면 고농도의 샘플 시료를 추출할 수 있다. 여기서, 용액(20)을 마이크로 채널 디바이스(10)에 주입할 때 사용하던 파이펫 팁(18)을 동일하게 사용하여 분리된 샘플(20a)을 추출할 수 있으나, 파이펫 팁(18) 이외에 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙 부분에 형성된 도출부에 압력을 인가하거나 물질을 통과시킬 수 있는 기구를 대체하여 사용할 수도 있다.
도 1의 (a) 및 도 2를 참조하면, 마이크로 채널 디바이스(10)는 마이크로 채널의 개수에 따라 샘플의 농축량이 제어될 수 있다, 구체적으로, 도 2의 (a)는 마이크로 채널(12)의 개수가 4개인 마이크로 채널 디바이스(10)이며, 도 2의 (b)는 마이크로 채널(12)의 개수가 8개인 마이크로 채널 디바이스(10)이다.
마이크로 채널 디바이스(10)는 투명 재료를 제 1 기판으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판으로 파이렉스, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 석영 또는 SU-8 중 하나를 사용할 수 있다. 마이크로 채널 디바이스(10)는 낮은 자가 형광 재료(low-autofluorescent material)로 코팅된다. 또, 상기 제 1 기판 이외에도 제 2 기판을 포함할 수 있다. 제 2 기판은 마이크로 채널 디바이스(10)를 커버하거나 실링(sealing)하기 위해 이용될 수 있다. 제 2 기판은 제 1 기판과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서 사용되는 용액에 따라 제 1 기판과 제 2 기판은 상이한 재료들로 이루어질 수도 있다.
한편, 마이크로 채널 디바이스(10) 제조는 제 1 기판을 제 2 기판에 플라즈마 접합하는 것을 통해 완성할 수 있다. 또, 기판은 마이크로 채널 디바이스(10)의 지지 구조이다. 기판의 적어도 일부분은 실리콘으로 만들어 질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 기판, 디바이스 또는 디바이스의 부분들은 중합체로 만들어질 수 있다. 상기 중합체는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있다. PDMS를 사용할 경우, 친수성(hydrophilic)을 갖도록 산소(O2) 플라즈마 처리될 수 있으나, 경우에 따라서 산소 플라즈마 처리를 생략할 수도 있다.
또한, 용액(20)이 유입되거나 농축된 샘플(20a)이 유출될 수 있도록 마이크로 채널 디바이스(10)의 중앙부분에 상부로 돌출된 도입부를 포함할 수 있다. n개의 마이크로 채널(12)의 일단에는 전기적으로 접지(GND)되도록 이온 선택성 멤브레인(14)이 배치될 수 있다. 이온 선택성 멤브레인(14)에 의해, 도입부를 통해 유입된 용액 중 전하를 띤 종을 포함하는 샘플(20a)은 이온 선택성 멤브레인(14)이 배치된 중앙 부분에 농축될 수 있고, 전하를 띠지 않는 종을 포함하는 유체(20b)는 n개의 마이크로 채널(12)의 타단으로 배출될 수 있다. 여기서, 이온 선택성 멤브레인(14)은 예를 들어, 나피온(Nafion)을 사용할 수 있다.
또한, 이온 선택성 멤브레인(14)은 전해질에서 이온 전도성과 일치하지 않는 양이온에 대하여 우세하게 거동할 수 있다. 그 결과 이온농도 구배가 이온 선택성 멤브레인(14)의 양쪽에서 생성될 수 있다. 일단 이온농도분극이 양이온 교환 이온 선택성 멤브레인(14) 인근에서 유발되면, 양이온과 음이온의 농도는 모두 접합면의 양극측에서 감소하고 음극측에서 증가한다. 더욱이, 전하를 띠는 입자, 세포, 다른 작은 콜로이드 등 역시 유사하게 이온 결핍 또는 이온 과다 현상을 나타낼 수 있으며, 이러한 현상을 통해 정류 상태의 공핍 영역을 얻는 것이 가능하다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예에 의한 샘플로서, 원형으로 프린팅 된 나노막에 4개의 다리를 가진 마이크로 채널 결합 구조에 금속 증착 기술을 이용해 원형 전극을 마이크로 채널의 타단 부근에 증착한다. 이후에 파이펫 팁을 이용하여 마이크로 채널 결합 구조의 중앙 부분에 이온이 없는 순수한 물(DI;deionize water) 약 990㎕, 약 100mM의 염화칼륨(KCl) 약 10㎕ 및 알렉사(Alexa) 488 약 2㎕이 혼합된 용액을 주입하고, 마이크로 채널의 중앙에 전압 인가 장치를 이용하여 약 70V, 마이크로 채널의 타단에 있는 원형 전극에 0V를 가하여, 약 10초 및 60초 후 농축 진행한 상태를 형광 현미경의 480nm 파장 대역의 형광 광원으로 촬영했다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 과정을 관찰한 사진이다.
구체적으로, 도 3의 (a)는 원형의 이온 선택성 멤브레인과 4개의 마이크로 채널이 결합된 마이크로 채널 구조체를 현미경으로 관찰한 사진이고, 도 3의 (b)는 마이크로 채널 구조체에 전압을 인가한 후 약 10초 후의 마이크로 채널 구조체에 형광 광원을 가하면서 현미경으로 분석한 사진이며, 도 3의 (c)는 마이크로 채널 구조체에 전압을 인가한 후 약 60초 후의 마이크로 채널 구조체에 형광 광원을 가하면서 현미경으로 분석한 사진이다.
도 3의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 마이크로 채널 구조체에 전압이 인가된 후 시간이 흐름에 따라 이온 선택성 멤브레인과 4개의 마이크로 채널이 결합된 부근에서 형성된 이온공핍영역에 의해 샘플과 유체로 분리되고, 정전기적 반발력에 의해 마이크로 채널 구조체의 중앙 부분으로 농축됨을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 마이크로-나노 채널 결합 시스템을 갖는 PDMS 기반의 저가형 장치를 기반으로 하여 수용액 속의 이온을 고농도로 농축할 수 있다. 마이크로 채널의 개수를 늘림으로써 샘플 처리 용량과 검출감도가 낮은 미세 농축 장치의 단점을 보완하고, 압력과 전압의 조정을 통해 정확도가 낮은 대량 농축 장치의 단점을 보완할 수 있다.
또한, 프린팅을 이용해 나노막의 모양을 자유자재로 바꿈으로써 농축 장치의 농축도를 손쉽게 조절할 수 있으며, 일반적으로 실험실에서 사용되는 파이펫 팁을 이용하게 되므로, 시장 진입성을 크게 할 수 있다.
한편, 혈류 내의 변성 단백질 검사는 질병 진단의 지표로 많이 사용되는데, 혈류 내의 단백질 양이 극미하므로 이를 검출하고 분석하기 위해서 반드시 농축 과정이 필요하다. 또, 중금속도 매우 극미한 양으로도 생체 내에 쌓이면 치명적인 작용을 할 수 있기 때문에 중금속 검출시 고농도로 농축시켜 검사하는 것이 중요하며, 중금속 검출과 같이, 인간이 섭취하는 식품 내의 미세한 중금속 등의 유해물질을 검출하는 분야 및 일반적인 바이오 시스템은 샘플의 양이 매우 적기 때문에 이의 농도를 극대화시켜 검출하거나 실험을 진행할 필요가 있는 분야, 약물검사 분야 등에 본 발명의 실시예들에 의한 샘플 농축 장치 및 이를 이용하여 농축된 샘플 추출 방법이 응용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 마이크로 채널 디바이스
12 : 마이크로 채널
14 : 이온 선택성 멤브레인
16 : 전극
18 : 파이펫 팁
20 : 용액
20a : 샘플
20b : 유체

Claims (8)

  1. 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록, n개의 마이크로 채널 일단에 연결되는 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane);
    상기 n개의 마이크로 채널 타단에 형성되어 전압을 인가할 수 있는 전극; 및
    상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 접촉이 가능하며, 샘플을 포함하는 용액이 유입되거나 상기 샘플이 유출될 수 있는 파이펫 팁(pipet tip);
    을 포함하고,
    상기 파이펫 팁을 통해 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 주입된 상기 용액에 전압을 인가함으로써 발생되는 상기 이온농도분극 현상에 의하여 상기 용액은 유체 및 상기 샘플로 분리되고, 분리된 상기 유체는 상기 n개의 마이크로 채널 타단으로 유출되며, 상기 샘플은 상기 이온 선택성 멤브레인의 중앙 부분에 농축되어 파이펫 팁을 통해서 외부로 추출되는,
    샘플 농축 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 선택성 멤브레인은 원형 또는 다각형 형상으로 프린팅 된 나노막을 포함하는,
    샘플 농축 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온 선택성 멤브레인과 상기 전극은 방사형으로 서로 이격되어 배치된 것인,
    샘플 농축 장치.
  4. n개의 마이크로 채널 및 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비한 마이크로 채널 디바이스의 중앙 부분에 샘플을 포함하는 용액을 파이펫 팁(pipet tip)을 이용하여 공급하는 단계;
    상기 마이크로 채널 디바이스에 전압을 인가하여, 상기 n개의 마이크로 채널 일단과 상기 이온 선택성 멤브레인이 연결된 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및
    상기 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 유체와 상기 샘플로 분리되며, 상기 유체는 상기 n개의 마이크로 채널 타단을 통해 유출되고, 상기 샘플은 상기 파이펫 팁을 통해 상기 마이크로 채널 디바이스의 외부로 추출되는 단계;
    를 포함하는,
    샘플 추출 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 상기 미립자는 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있는,
    샘플 추출 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 용액은 전기삼투 흐름에 의한 힘과 상기 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 상기 유체와 상기 샘플로 분리되는 것인,
    샘플 추출 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 파이펫 팁에 압력 변화에 따라 상기 용액이 상기 마이크로 채널 디바이스의 중앙 부분에 공급되거나 상기 이온농도분극 현상에 의해 분리된 상기 샘플이 추출되는 것인,
    샘플 추출 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 샘플이 상기 마이크로 채널 디바이스의 외부로 추출되는 단계는,
    상기 파이펫 팁을 통해 추출되는 상기 샘플을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 포함하는,
    샘플 추출 방법.
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