KR20170082843A

KR20170082843A - 생체분자 농축 장치

Info

Publication number: KR20170082843A
Application number: KR1020160002093A
Authority: KR
Inventors: 이정훈; 김천중; 이준우; 한성일; 유용경
Original assignee: 광운대학교 산학협력단
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2017-07-17
Also published as: KR101770557B1

Abstract

본 명세서는 생체분자 농축 장치에 관한 것으로서, 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치는 제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버 및 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버를 포함하는 제1 레이어; 및 상기 제1 레이어 하부면에 부착되며, 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 마이크로채널을 포함하며, 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생하면 상기 샘플 레저버에는 특정 표적물질이 농축될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

생체분자 농축 장치{BIOMOLECULAR PRECONCENTRATING DEVICE}

본 명세서는 생체분자 농축 장치에 관한 것으로서, 특정 영역에 표적물질을 농축시킬 수 있는 다중층 기반의 생체분자 농축 장치에 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 타겟인 만성골수성백혈병의 BCR-ABL 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.

DNA(Deoxyribonucleic Acid)는 핵내에 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, 암의유무에 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 나노 기술을 이용함으로써 소자의 제작이 어렵고 비교적 고가이어서 보급화 되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단백질 분석 장치에 고감도의 센서가 필요하거나 적은 샘플로는 정확한 분석이 어렵다는 단점이 있다.

최근에는 나노기술과 MEMS 기술의 발전으로 이를 단일의 유체 소자 내에 나노 구조물로 패터닝하여 적은 양의 시료만으로도 필요로 하는 물질을 신속히 분리 및 정제할 수 있게 되었으며, 이러한 기술들을 생명공학 및 의료공학 분야에 적용하고자 하는 노력들이 활발히 이루어지고 있다. 또한, 발전된 MEMS/NEMS 기술은 보다 정밀하게 나노구조물을 원하는 위치에 수 나노의 오차한계로 패터닝할 수 있게 되었으며, 이러한 기술은 미세유체채널과 결합되어 미세종합분석시스템(micro total analysis system; μ-TAS) 또는 랩온어칩(Lab-on-a-chip)으로 활발히 연구되고 있다.

특히, 유리나 기타 무겁고 비싼 재료를 이용하여 농축 장치를 구현하는 방식이 알려져 있으며, 이는 분석 대상 물질을 좁은 관이나 얇은 판을 통해 확산시키면서 일정 위치에 특정 물질을 농축할 수 있도록 막을 형성하는 방식이다. 하지만 이러한 방식들은 농축 장치의 제조가 어렵거나 많은 비용이 들어가고 농축 장치가 크고 무겁거나 취급이 불편한 점 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특정영역에 표적물질을 농축시킬 수 있는 생체분자 농축 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 저렴한 비용과 간편한 방식으로 제작할 수 있는 생체분자 농축 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 명세서의 제1 실시예에 따른 생체분자 농축 장치는, 제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버 및 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버를 포함하는 제1 레이어; 및 상기 제1 레이어하부면에 부착되며, 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 마이크로채널을 포함하며, 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생하면 상기 샘플 레저버에는 특정 표적물질이 농축될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 레이어 상부면은 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버와 상기 샘플 레저버를 제외하고 소수성 물질로 도포되는 것을 특징으로 하며, 상기 소수성 물질은 왁스(Wax)일 수 있다.

또한, 상기 마이크로채널은 선택적 이온투과막이 패턴 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 선택적 이온투과막은 나피온(nafion), polystyrene sulfonate (PSS) 또는 polyallylamine hydrochloride(PAH)일 수 있다.

또한, 상기 제1 레이어에는 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 제3 버퍼 레저버 및 제4 버퍼 레저버가 더 포함되며, 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제3 버퍼 레저버와 제4 버퍼 레저버 사이에 마이크로채널이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 레이어에 포함된 상기 샘플 레저버는복수개이며, 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성된 마이크로채널은 상기 샘플 레저버를사이에 두고 각각 복수개가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버는 도전성 액체로 점습된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버에는 전위차가 발생되도록 각각 양의 전극, 음의 전극 또는 그라운드가 연결되며, 상기 마이크로채널 양단에 전위차가 발생하면 상기 샘플 레저버에는이온농도분극 현상으로 인하여 표적물질 시료 중 특정 표적물질이 농축되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 레이어는 일면 또는 양면이 접착력을 갖는 점착테이프(adhesive tape)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 레이어는 종이이며, 상기 제1 레이어 상부면은 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버와 상기 샘플 레저버를 제외하고 소수성 물질로 도포되며, 상기 제1 레이어 하부면은 점착테이프가 부탁되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 레이어의 하단으로, 상기 제1 레이어의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링하는 제2 레이어를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 레이어의 하단으로, 상기 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키는 제3 레이어를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 레이어의 하단으로, 두 전극이 상호 슬릿(slit)을 형성하며 소정 간격 이격되도록 기판상에 패턴 형성되는 교차전극부를 포함하며, 상기 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질이 상기 두 전극이 형성하는 상기 슬릿에서 포획될 수 있는 감지기를 더 포함한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 명세서의 제2 실시예에 따른 생체분자 농축 장치는 제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버, 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버 및 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 마이크로채널을 포함하는 제1 레이어; 및상기 제1 레이어의 하단에 부착되며, 상기 제1 레이어의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링 통과시키는 필터층과, 상기 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 전극패턴을 통하여 상기 표적물질의 농도를 검출하는 감지층을 포함하는 제2 레이어를 포함한다.

또한, 상기 마이크로채널은 상기 제1 레이어하부면으로 선택적 이온투과막이 패턴 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감지기는두 전극이 상호 슬릿(slit)을 형성하며 소정 간격 이격되도록 패턴 형성되는 교차 전극부; 상기 두 전극 사이에 구동주파수를 인가하는 구동신호 인가부; 및상기 두 전극 사이의 임피던스를 측정하는 임피던스측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 감지기는, 상기 두 전극이 형성하는 상기 슬롯에 상기 표적물질의 포획을 위한 수용체와, 상기 교차전극부 상에 채널이 형성되도록 보호캡이 설치되며, 상기 수용체가 설치되지 않은 상기 채널 내부의 면에 흡착방지층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 명세서의 제3 실시예에 따른 생체분자 농축 장치는제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버, 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되며 표적물질이 농축되는 샘플 레저버, 및 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 선택적 이온투과막 패턴을 포함하는 농축기; 및상기농축기의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링하고, 상기 필터링된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 상기 표적물질의 농도를 전기적으로 검출하는 감지기를 포함한다.

또한, 상기 농축기는 종이 또는 점착테이프 재질로 구성되며, 상기 감지기는 종이, 글래스, 폴리머, PET(polyethylene terephthalate) 또는 PC(polycarbonate) 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 명세서의 제4 실시예에 따른 생체분자 농축 장치는 다수의 버퍼 레저버 홀들과 다수의 샘플 레저버 홀들이 형성된 제1 레이어; 및 상기 제1 레이어의 하부에 형성되고, 다수의 샘플 레저버가 채널 형태로 구성된 샘플 레저버 채널과 다수의 버퍼 레저버 사이에 형성된 선택적 이온투과막 패턴이 상호 교접하도록 구성된 제2 레이어를 포함한다.

또한, 상기 농축 장치는 상기 제2 레이어의 하부에 형성되고, 상기 샘플 레저버 채널에 농축되는 표적물질을 필터링하고, 상기 필터링된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 상기 표적물질의 농도를 전기적으로 검출하는 감지기를 더 포함한다.

본 명세서의 실시예에 따르면, 특정영역에 표적물질을 농축시킬 수 있는 생체분자 농축 장치가 제공되는 효과가 있다.

또한, 본 명세서의 실시예에 따른 농축 장치는, 선택적 이온투과가 가능한 물질을 이용하여 이온투과막을 형성함으로써 나노 채널을 사용하지 않더라도 단백질 농축 효율이 매우 우수한 효과가 있다.

또한, 본 명세서의 실시예에 따른 농축 장치는, 점착 테이프를 이용하여 제조가 가능하므로 별도의 부가적인 장치 없이도 다양한 시스템에 용이하게 부착하여 사용이 가능한 효과가 있다.

도 1a는 본 명세서의 일실시예에 따른 생체분자 농축장치의 사시도이다.
도 1b는 본 명세서의 일실시예에 따른 생체분자 농축장치의 단면도이다.
도 2는 표적물질의 농축효율 및 농축위치를 유연하게 확장할 수 있도록 레저버의 구조 및 위치를 다양하게 형성하는 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 생체분자 농축기능 일체형센서의 분해 사시도이다.
도 4는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 생체분자 농축기능 일체형센서의 분해 사시도이다.
도 5는 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치의 센서 패턴을 도시한 도면이다.
도 6은 농축장치에서 vortex flow 현상이 발생함을 설명하기 위한 참고도이다.
도 7a, 7b 및 7c는 본 명세서의 다른 일실시예에 따른 농축장치의 분해 사시도, 단면도 및 평면도이다.
도 8은 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치를 구현한 실사도면이다.
도 9는 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치의 표적물질 농축 효율을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 농축장치의 구성을 관련된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 명세서의 일실시예에 따른 생체분자 농축장치의 사시도 및 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치(100)는 하단에 마이크로채널(50)이 형성된 간단한 레이어 구조로 형성된다.

농축장치에는 제1 버퍼 레저버(reservoir)(10), 제2 버퍼 레저버(11) 및 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버(30)를 포함한다.

마이크로채널(50)은 레이어 하부면에 부착되며, 샘플 레저버(30)를 사이에 두고 제1 버퍼 레저버(10)와 제2 버퍼 레저버(11) 사이에 형성된다.

마이크로채널(50)은 선택적 이온투과막이 패턴 형성되며, 본 명세서의 일실시예에 따르면 선택적 이온투과막은 나피온(nafion), polystyrene sulfonate (PSS) 또는 polyallylamine hydrochloride(PAH) 등이 될 수 있다.

마이크로 채널(50)의 양 입구에 형성된 버퍼 레저버(10, 11)에는 분석하고자 하는 단백질 시료가 수용될 수 있으며, 버퍼 레저버(10, 11) 각각에는 외부 전원과 연결될 수 있는 와이어(도시하지 않음)가 형성된다. 와이어를 통해서 버퍼 레저버(10, 11)에는 음전극, 양전극 또는 그라운드가 연결되어 마이크로채널(50)을 기준으로 양단에 전위차가 발생된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 버퍼 레저버(10, 11)에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 버퍼 레저버(10, 11)는 도전성 액체로 점습되도록 구성할 수도 있다.

선택적 이온투과막이 패턴 형성된 마이크로 채널(50)은 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다.

예를 들면, 선택적 이온투과막이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 vehicle mechanism에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 나피온과 같은 선택적 이온 투과물질을 통해서 마이크로 채널(50)은 실질적으로 나노채널의 역할을 수행할 수 있으며, 나노 채널의 특정 영역에는 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다.

도면을 참조하면, 마이크로 채널(50) 양단에 전위차가 발생하면 샘플 레저버(30)에는 특정 표적물질이 농축되며, 샘플 레저버(30)의 하단으로 농축된 표적물질을 검출 및 감지할 수 있는 감지기를 구성할 수도 있다.

본 명세서의 일실시예에 따르면 감지기는 기판 상에 전극 패턴을 형성하고 표적물질의 포획을 위한 수용체(receptor)를 전극 사이에 설치하여 화학물질 또는 생물학적 표적물질과 반응하도록 하고, 수용체의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환해주는 변환기(transducer)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 농축장치(100)는 유리판, 실리콘 기판, 폴리머 기판 등으로 형성할 수도 있다. 본 명세서의 다른 실시예에 따르면 농축장치(100)는 일면 또는 양면이 접착력을 같는 점착테이프(adhesive tape)로 구성될 수도 있다. 즉, 점착테이프에 홀(hole)을 형성하여 버퍼 레저버(10, 11) 및 샘플 레저버(30)를 구성하고, 점착테이프의 후면에 선택적 이온투과물질을 부착하여 마이크로 채널(50)을 형성함으로써, 매우 용이하게 농축장치를 구성할 수 있는 장점이 있다. 또한, 점착테이프로 농축장치를 구성할 경우, 테이프에서 보유하고 있는 접착력을 활용하여 베이스 레이어 또는 감지 센서 등과 용이하게 결합(부착)을 할 수 있으므로 농축 장치를 어떤 형태로든 다양한 기능성 레이어에 손쉽게 결합하여 사용할 수 있는 바, 농축 장치의 사용 편이성과 사용 확장성이 증대될 수 있다.

본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면 농축 장치(100)는 종이로 형성할 수도 있다. 즉, 종이에 홀(hole)을 형성하여 버퍼 레저버(10, 11) 및 샘플 레저버(30)를 구성하고 접착 테이프 등을 이용하여 마이크로 채널을 종이의 하단부에 부착 형성함으로써, 매우 저렴하고 용이하게 농축 장치를 구성할 수 있다. 이때, 종이의 상부면은 제1 버퍼 레저버(10), 제2 버퍼 레저버(11) 및 샘플 레저버(30)를 제외하고 왁스(wax)등의 소수성 물질로 도포하는 것이 바람직하다.

본 실시예에서 베이스는 적어도 일부 섬유 조직을 갖는 재료를 포함하며, 상기 소수성 물질은 상기 베이스에 부가하여 결합되고, 상기 마이크로 채널이 형성된 공간은 상기 소수성 물질이 존재하지 않는 공간을 적어도 일부 포함하며 상기 공간을 통해 상기 시료 또는 표적 물질이 이동하도록 구현된다.

본 실시예에서는 종이를 베이스로 이용한 예를 제시하고 있지만, 베이스의 종류는 이에 한정되지 않으며, PET(polyethylene terephthalate)도 가능하다. 특히, 베이스는 소수성 물질과 결합이 잘되거나, 소수성 물질이 침투 가능한 구조를 갖는 재질이 바람직하다.

여기에서 결합의 의미는, 소수성 물질과 베이스의 결합에 의하여 채널 및 레저버 공간이 형성되도록 소수성 물질을 베이스에 접합시키거나, 흡착시키거나, 침투시켜 결합하는 등 다양한 방법이 가능하며, 특정 방법에 한정되는 것은 아니다.

상술한, 버퍼 및 샘플 레저버는 종이 위에 형성된 소수성 물질에 의하여 형성되는 물리적인 공간으로서, 본 실시예에서는 종이 위에 소수성 물질을 형성시키는 방법으로서 종이 위에 소수성 물질의 패턴(ex: 왁스 패턴)을 코팅시키는 방법을 개시하고 있다. 왁스 패터닝하는 방법에는 특별한 제한은 없고, 종이와 소수성 물질을 단순히 접합시키는 것, 종이에 소수성 물질이 스며든 상태(침투된 상태)로 결합시키는 것도 모두 가능하지만, 바람직하게는 소수성 물질과 베이스인 종이와의 결합이 불완전한 경우, 시료의 누수문제가 있으므로 이를 방지하기 위하여 소수성 물질이 종이에 침투되도록 결합시키는 것이 바람직하다.

또한, 버퍼와 샘플 레저버를 형성하기 위해서 베이스 위에 형성되는 소수성 물질은 상술한 왁스 성분 한가지만으로 한정되지 않으며, 전극, 샘플의 종류에 따라 다른 물질로 사용될 수 있다.

본 실시예에서 소수성(hydrophobic) 물질은 왁스에 한정되지 않으며, 아크릴(Acrylics), 올레핀(Olefins), 아미드, 이미드, 스티렌, 카보네이트, 비닐 아세탈, 디엔(Dienes), 비닐, 에스테르, 비닐에스테르, 케톤, 플루오로카본이나, 테플론(Teflon), PDMS, 실란(Silane) 등에서 선택되는 성분을 포함할 수 있다. 그 외에도 알킬실란 계열의 실리클래드(Siliclad^®), n-옥타디실트리클로로실란(n-Octadecyltrichlorosilane),이소부틸트리메톡실란(Isobutyltrimethoxysilane), 플루오로알킬실란계열(Fluoroalkylsilanes)계열의 성분으로는 트리디카플로로테트라하이드록실트리클로로실란(Tridecafluorotetrahydrooctyltrichlorosilane),트리플로로프로필트리클로로실란(Trifluoropropyltrichlorosilane), 헵타디카플로로테트라하이드로디실트리클로로실란(Heptadecafluorotetrahydrodecyltrichlorosilane) 등이 있고, 실리콘 계열으로는30% 메틸하이드로실록산-디메틸실록산코폴리머(Methylhydrosiloxane-Dimethylsiloxane Copolymer), 하이드라이드터미네이티드폴리디메틸실록산(Hydride terminated Polydimethylsiloxane), 트리메틸실록시터미네이티드폴리디메틸실록산(Trimethylsiloxy terminated Polydimethylsiloxane), Aquaphobe® CM, Aquaphobe® CF,디아세톡시메틸터미네이티드폴리디메틸실록산(Diacetoxymethyl terminated Polydimethylsiloxane) 등이 있다.

일반적으로 재료에서 물질이 소수성을 띄게 되는 경우는 물과 닿는 표면의 구조에 의한 영향과 재료의 표면 자체의 특성에 의한 영향으로 소수성을 가질 수 있다. 특히, 종이에 코팅을 하여 채널을 형성하는 경우는 후자에 해당하며, 종이에 왁스를 코팅하여 채널을 형성하는 것은 종이라는 친수성 재료에 채널로 사용할 부분을 제외하고 다른 부분을 소수성을 띄게 하기 위함이다. 이러한 소수성의 성질은 베이스를 종이와 비슷한 파이버(fiber) 소재를 이용할 경우에도 유사한 효과를 얻을 수 있으므로, 종이 이외에 파이버 계열의 베이스를 사용하는 것도 가능하다.

도 2는 표적물질의 농축효율 및 농축위치를 유연하게 확장할 수 있도록 레저버의 구조 및 위치를 다양하게 형성하는 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2 (a)는 제1 버퍼 레저버(10), 제2 버퍼 레저버(11), 제3 버퍼 레저버(12) 및 제4 버퍼 레저버(13)가 중앙의 샘플 레저버(30)와 각각 마이크로 채널로 연결되는 실시예이며, 도시된 바와 같이 선택적 이온투과막이 패턴 형성된 마이크로 채널 branch를 증가시킴으로써 표적물질의 농축 효율을 더욱 증가시킬 수 있는 특징이 있다.

도 2 (b)는 마이크로 채널 branch의 개수를 8개까지 증가시킨 실시예를 나타낸 것이며, 이외에도 다야한 형태로 변형하여 버퍼 레저버 및 마이크로 채널 branch를 구성할 수 있다.

도 2 (c) 및 (d)는 제1 버퍼 레저버(10)와 제2 버퍼 레저버(11) 사이에 형성된 샘플 레저버(30)와 마이크로 채널 브랜치의 개수를 증가시킴으로써 표적물질의 농축 효율 증대와 더불어 생체분자를 더욱 넓은 범위에서 농축시킬 수 있는 특징을 설명하기 위한 실시예이다.

도 3은 본 명세서의 제1 실시예에 따른 생체분자 농축기능 일체형센서의 분해 사시도이다.

앞서 도 1을 참조하여 설명한 농축기의 제1 레이어 하단으로, 다양한 기능을 갖는 다중 레이어(200, 300)들을 추가적으로 부착하여 농축기능 일체형 센서를 구성할 수도 있다.

다중 레이어는 additional layer(200) 및 base layer(300)를 포함한다.

additional layer(200)는 제1 레이어의 샘플 레저버(30)에 농축되는 표적물질을 필터링하는 제2 레이어(filter/separation layer)와, 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키는 제3 레이어를 더 포함한다.

제2 레이어는, 예를 들어 적혈구, 백혈구, 혈장, 혈소판 등 혈액의 전체 성분이 포함된 전혈(whole blood)과 같은 벌크한 샘플에서 특정 표적물질을 농축할 경우 적혈구(red blood cell)들과 같은 물질들은 센싱의 오류를 발생시키는 요소로 작용될 수 있으며, 이를 표적물질과 분리하여 순수 표적물질만 추출함으로써 표적물질의 감지를 보다 정확하게 할 수 있는 기능성 파트의 역할을 수행할 수 있다.

제3 레이어는 표적물질과 반응하여 변색되거나, 발광 또는 형광물질과 반응하도록 함으로써 별도의 전기적 수단이 구비되지 않더라도 표적물질의 검출을 시각적으로 확인하도록 하는 기능성 파트의 역할을 수행할 수 있다.

베이스 레이어(base layer, 300)는 전반적인 농축 장치의 backing 역할을 수행한다. 그러나, 본 명세서의 일실시예에 따르면 베이스 레이어(400)의 상부면에는두 전극이 상호 슬릿(Slit)을 형성하며 소정 간격 이격되도록 기판상에 패턴 형성되는 교차전극부(20)를 포함하며, 샘플 레저버(30)에 농축된 표적물질이 두 전극이 형성하는 슬릿에서 포획될 수 있다.

즉, 베이스 레이어(300)는 표적물질의 농도를 검출하는 감지기의 기능을 수행할 수 있으며, 감지기는 기판 상에 전극 패턴을 형성하고 표적물질의 포획을 위한 수용체(receptor)를 전극 사이에 설치하여 화학물질 또는 생물학적 표적물질과 반응하도록 하고, 수용체의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환해주는 변환기(transducer)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 5는 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치의 교차전극부(20) 패턴을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 베이스 레이어(300) 상에 교차전극부(20)가 설치되어 이루어진다. 교차전극부(interdigitated microelectrode part, IME part, 20)는 빗 모양을 하는 두 전극(21, 22)이 소정간격 이격되면서 엇갈리게 맞물리는 형태로 설치된다.

이때, 두 전극(21, 22) 사이의 공간에 표적(target) 생체물질에 특이적으로 반응하는 수용체(주로 항체, 압타머 등)를 고정하고 표적 생체물질이 수용체에 반응 했을 때의 두 전극(21, 22) 사이에서의 임피던스 변화를 확인하면 표적 생체물질(32)의 정량분석이 가능하다.

즉, 전극(21, 22) 사이에 설치된 수용체와 표적 생체물질이 특이결합을 하게 되면 두 전극(21, 22) 사이에 존재하던 물(혹은 버퍼용액, 혈청, 혈액 등)을 밀어내고 표적 생체물질이 위치하게 되므로 저항이 증가하게 되며, 리액턴스는 유전율이 물(혹은 버퍼용액, 혈청, 혈액 등)보다 작은 표적 생체물질의 성질에 의해서 정전용량(C)의 값이 감소하게 된다. 따라서, 이러한 임피던스(저항과 리액턴스)의 변화량을 확인하여 표적 생체물질의 양을 정확하게 검출 할 수 있다.

도 4는 본 명세서의 제2 실시예에 따른 생체분자 농축기능 일체형 센서의 분해 사시도이며, 앞서 도 3을 참조하여 설명한 다중 레이어가 하나로 통합된 복합 레이어(400) 구성을 나타낸 도면이다.

즉, 표적물질을 필터링하는 제2 레이어(filter/separation layer)와, 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키는 제3 레이어와, 표적물질의 농도를 검출하는 베이스 레이어(300)가 하나의 복합 레이어(400) 형태로 구성되어 제1 레이어와 결합될 수도 있다.

도 6은 농축장치에서 vortex flow 현상이 발생함을 설명하기 위한 참고도이다.

앞서 도 1을 참조하여 설명한 농축 장치가 글래스, 실리콘, 폴리머와 같은 재료로 구성될 경우에는 표적물질이 농축되는 샘플 레저버(30)에서 농축된 물질의 맴돌이(vortex flow) 현상이 발생할 수 있다.

즉, 표적물질을 특정 영역(샘플 레저버)에 농축할 경우, vortex flow 현상이 발생한다면 농축하고자 하는 타겟들을 원하는 영역으로 수용하는 것이 어려울 수가 있다.

따라서, 이와 같은 vortex flow 현상을 방지하기 위하여 본 명세서에서는 도 7과 같은 변형된 실시예를 제안한다.

도 7a, 7b 및 7c는 본 명세서의 다른 일실시예에 따른 농축장치의 분해 사시도, 단면도 및 평면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 농축 장치는 3개의 레이어 구조가 결합된 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 샘플 레저버(30)의 형태를 채널 형태(이하, 샘플 레저버 채널로 칭함)로 변형하여 선택적 이온투과막 패턴 테이프와 교접하도록 구성하고, 샘플 레저버 채널의 하부면에 선택적 이온투과막 패턴 테이프를 상호 교접하도록 부착함으로써, 제2 레이어(120)를 구성할 수 있다. 여기서, 제2 레이어(120)는 점착 테이프로 형성될 수 있다.

그리고 가장 상부 즉, 제2 레이어의 상부에는 버퍼 레저버 홀을 형성한 제1 레이어(110)를 적층할 수 있다. 여기서, 제1 레이어(110)는 점착 테이프로 형성될 수 있다. 상기 상부에 형성되는 제1 레이어(110)는 샘플 레저버 채널과 선택적 이온투과막 패턴 테이프가 형성된 제2 레이어(120)의 덮개 역할을 수행할 수 있다.

마지막으로, 상기 제2 레이어(120)의 하부에는 감지기로서의 제3 레이어(500)가 형성될 수 있는데, 여기서, 제3 레이어(500)는 유리 기판으로 형성될 수 있다.

제3 레이어(500)는 표적 물질의 농도를 검출하는 감지기의 기능을 수행할 수 있다.

그러나, 도 6과 같이 농축된 표적물질의 vortex flow 현상은 농축 장치의 재질이 종이일 경우에는 발생하지 않으므로 본 실시예에 따른 도 7a 내지 도 7c는 농축장치의 재질이 글래스, 실리콘 또는 폴리머와 같은 재료로 구성되는 경우 적용되는 것이 바람직하다.

도 8은 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치를 구현한 실사도면이다.

도면에 도시된 농축 장치는 얇은 종이 재질의 레이어 표면에 소수성 물질을 도포한 것으로서, 크기는 10mm X 20mm이며, 샘플 레저버를 사이에 두고 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 나피온이 패턴 형성된 마이크로 채널이 종이의 하부면에 부착 형성된다.

도 8과 같이 제작된 농축 장치를 이용하여 표적물질 농축 실험을 해본 결과는 도 9와 같다.

도 9는 본 명세서의 일실시예에 따른 농축장치의 표적물질 농축 효율을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9는 도 8의 농축 장치에 사람의 혈청(serum) 샘플을 3마이크로리터 투입한 후, 50V의 전압을 20분간 인가하여 농축 효율을 측정하였다.

도 9의 측정 결과를 참조하면, 전압을 인가하지 않은 경우에는 시간의 변화에 무관하게 샘플 레저버에 대략 1.55 마이크로 정도 농축이 되나, 전압을 50V 인가한 경우 18분 정도 경과하면 최대 93 마이크로 정도 농축이 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 농축효율은 대략 60배 정도가 됨을 알 수 있다.

한편 농축된 표적물질을 형광물질과 반응시킨 결과 fluorescence intensity는 20분 경과하면 대략 2000A.U. 정도임을 알 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

100: 농축장치
10: 제1 버퍼 레저버
11: 제2 버퍼 레저버
12: 제3 버퍼 레저버
13: 제4 버퍼 레저버
30: 샘플 레저버
50: 마이크로채널
20: 교차전극부
21, 22: 전극
200: additional layer
300: 베이스 레이어(base layer)
400: 복합 레이어

Claims

제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버 및 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버를 포함하는 제1 레이어; 및
상기 제1 레이어 하부면에 부착되며, 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 마이크로채널;
을 포함하며, 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생하면 상기 샘플 레저버에는 특정 표적물질이 농축될 수 있는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어 상부면은 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버와 상기 샘플 레저버를 제외하고 소수성 물질로 도포되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제2 항에 있어서,
상기 소수성 물질은 왁스(Wax)인 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 마이크로채널은 선택적 이온투과막이 패턴 형성된 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제4 항에 있어서,
상기 선택적 이온투과막은 나피온(nafion), polystyrene sulfonate (PSS) 또는 polyallylamine hydrochloride(PAH)인 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어에는 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 제3 버퍼 레저버 및 제4 버퍼 레저버가 더 포함되며,
상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제3 버퍼 레저버와 제4 버퍼 레저버 사이에 마이크로채널이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어에 포함된 상기 샘플 레저버는 복수개이며,
상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성된 마이크로채널은 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 각각 복수개가 형성되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버는 도전성 액체로 점습된 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버에는 전위차가 발생되도록 각각 양의 전극, 음의 전극 또는 그라운드가 연결되며,
상기 마이크로채널 양단에 전위차가 발생하면 상기 샘플 레저버에는 이온농도분극 현상으로 인하여 표적물질 시료 중 특정 표적물질이 농축되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어는 일면 또는 양면이 접착력을 갖는 점착테이프(adhesive tape)인 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어는 종이이며,
상기 제1 레이어 상부면은 상기 제1 버퍼 레저버 및 제2 버퍼 레저버와 상기 샘플 레저버를 제외하고 소수성 물질로 도포되며,
상기 제1 레이어 하부면은 점착테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 레이어의 하단으로, 상기 제1 레이어의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링하는 제2 레이어를 더 포함하는 생체분자 농축 장치.
제12 항에 있어서,
상기 제2 레이어의 하단으로, 상기 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키는 제3 레이어를 더 포함하는 생체분자 농축 장치.
제12 항에 있어서,
상기 제2 레이어의 하단으로, 두 전극이 상호 슬릿(slit)을 형성하며 소정 간격 이격되도록 기판상에 패턴 형성되는 교차전극부를 포함하며, 상기 제2 레이어를 통하여 필터링 통과된 표적물질이 상기 두 전극이 형성하는 상기 슬릿에서 포획될 수 있는 감지기를 더 포함하는 생체분자 농축 장치.
제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버, 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 샘플 레저버 및 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 마이크로 채널을 포함하는 제1 레이어; 및
상기 제1 레이어의 하단에 부착되며, 상기 제1 레이어의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링 통과시키는 필터층과, 상기 통과된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 전극패턴을 통하여 상기 표적물질의 농도를 검출하는 감지층을 포함하는 제2 레이어;
를 포함하는 생체분자 농축 장치.
제15 항에 있어서,
상기 마이크로 채널은 상기 제1 레이어 하부면으로 선택적 이온투과막이 패턴 형성된 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제15 항에 있어서,
상기 감지기는,
두 전극이 상호 슬릿(slit)을 형성하며 소정 간격 이격되도록 패턴 형성되는 교차 전극부;
상기 두 전극 사이에 구동주파수를 인가하는 구동신호 인가부; 및
상기 두 전극 사이의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제17 항에 있어서,
상기 감지기는,
상기 두 전극이 형성하는 상기 슬롯에 상기 표적물질의 포획을 위한 수용체와, 상기 교차전극부 상에 채널이 형성되도록 보호캡이 설치되며,
상기 수용체가 설치되지 않은 상기 채널 내부의 면에 흡착 방지층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
제1 버퍼 레저버(reservoir), 제2 버퍼 레저버, 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되며 표적물질이 농축되는 샘플 레저버, 및 상기 샘플 레저버를 사이에 두고 상기 제1 버퍼 레저버와 제2 버퍼 레저버 사이에 형성되는 선택적 이온투과막 패턴을 포함하는 농축기; 및
상기 농축기의 상기 샘플 레저버에 농축되는 표적물질을 필터링하고, 상기 필터링된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 상기 표적물질의 농도를 전기적으로 검출하는 감지기를 포함하는 생체분자 농축 장치.
제19 항에 있어서,
상기 농축기는 종이 또는 점착테이프 재질로 구성되며,
상기 감지기는 종이, 글래스, 폴리머, PET(polyethylene terephthalate) 또는 PC(polycarbonate) 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체분자 농축 장치.
다수의 버퍼 레저버 홀들과 다수의 샘플 레저버 홀들이 형성된 제1 레이어; 및
상기 제1 레이어의 하부에 형성되고, 다수의 샘플 레저버가 채널 형태로 구성된 샘플 레저버 채널과 다수의 버퍼 레저버 사이에 형성된 선택적 이온투과막 패턴이 상호 교접하도록 구성된 제2 레이어;
를 포함하는 생체분자 농축 장치.
제21 항에 있어서,
상기 제2 레이어의 하부에 형성되고, 상기 샘플 레저버 채널에 농축되는 표적물질을 필터링하고, 상기 필터링된 표적물질과 반응하여 흡광, 발광 또는 형광 반응을 일으키며, 상기 표적물질의 농도를 전기적으로 검출하는 감지기;
를 더 포함하는 생체분자 농축 장치.