KR20190121978A - 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서 - Google Patents

미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서 Download PDF

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Abstract

개시되는 발명은, 특정 표적분자가 결합하는 압타머가 고정화된 작용전극을 포함하는 전기화학 바이오 센서; 및 상기 작용전극을 둘러싸는 측벽과 천장 면으로 이루어진 반응공간을 구비하고, 상기 천장 면에는 상기 반응공간 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있고, 상기 반응공간과 연통하는 유입채널과 배출채널이 구비된 미세유체 회로;를 포함하고, 상기 미세유체 회로는 상기 반응공간이 상기 작용전극에 대해 기밀을 유지하도록 상기 전기화학 바이오 센서에 접합되어 있는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서인 것을 특징으로 한다.

Description

미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서{Electrochemical aptasensor having microfluidic circuit}
본 발명은 전기화학 바이오 센서에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 시료 안에 포함된 미량의 환경 호르몬을 빠르고 민감하게 검출할 수 있는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서에 관한 것이다.
환경 호르몬(내분비계 교란물질)은 호르몬 생합성, 신진대사, 생식계 등에 심각한 방해를 일으키는 물질로서 그 검출에 많은 관심이 쏠리고 있으며, 환경 호르몬은 식품, 환경, 각종 소비재에 포함되어 있기 때문에 인체에 침투하기 쉽다. 하지만, 환경 호르몬은 그 크기가 매우 작고 농도가 낮기 때문에 정확하게 검출하기가 쉽지 않다.
환경 호르몬 중에서도 비스페놀 A(BPA)에 특히 관심이 많은데, 이는 비스페놀 A가 날마다 사용하는 일상적인 물품, 예컨대 플라스틱 용기나 젖병, 화장품 등에 들어있기 때문이다. 이제까지 다양한 BPA 센서가 성공적으로 개발되고 있는데, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR), 형광 면역센서(fluorescence immunosensors), 효소 바이오 센서(enzyme biosensor) 등을 그 예로 들 수 있다.
근래에는 전기화학 바이오 센서의 일종으로서, BPA에 친화적인 압타머(aptamer)를 이용한 압타센서(aptasensor)가 소개된바 있다. 압타머란 그 자체로 안정된 삼차구조를 가지면서 표적분자에 높은 친화성과 특이성으로 결합할 수 있는 특징을 가진 단일가닥 핵산(DNA, RNA 또는 변형핵산)을 말한다. 압타머는 화학적으로 합성이 가능하고, 활성을 잃지 않고도 다양한 화학적 반응이 가능하며, 항체 생성이 어려운 독성 물질에 대한 압타머 제작이 가능하고, 열에 안정하여 실온에서 장기간 보존할 수 있다는 등 기존의 항체에서는 기대할 수 없는 많은 장점이 있다. 이 때문에, BPA 압타센서는 종래의 BPA 센서에 비해 장기간 성능이 유지되고, 사용하기 편하며 센서제작 공정상의 제약이 덜 하다는 이점이 있어 많은 관심을 받고 있다. 참고로, BPA 바인딩 압타머의 염기서열은 「5'- SH- (CH2)6 - CCG GTG GGT GGT CAG GTG GGA TAG CGT TCC GCG TAT GGC CCA GCG CAT CAC GGG TTC GCA CCA-(CH2)6 -NH2-3'」와 같다.
BPA 압타센서는 많은 장점이 있음에도 측정하는데 오랜 시간(보통 4시간)이 필요하다는 것이 단점으로 꼽힌다. 전기화학 바이오 센서인 BPA 압타센서는 보통 작용전극(working electrode), 상대전극(counter electrode), 기준전극(reference electrode)의 3 전극 센서로 구성되고, 표적분자를 함유한 유체를 작용전극 위에 떨어뜨려 측정하는 드롭 캐스트 방식을 이용하는데(도 1 참조), 유체 내에 부유하는 표적분자가 전극 표면까지 가라앉아 반응이 일어나길 기다려야 하기 때문에 상대적으로 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 유체 내 표적분자가 모두 반응하지 않아 실제 유체 내 농도가 모두 적용된다고 보기 힘들다. 또한, 유체가 다른 전극으로 퍼져나가 측정에 오차 내지 오류를 일으키고, 오랜 시간을 기다리는 동안 시료가 오염될 가능성이 있기 때문에 측정 환경이 청결해야 한다는 제약이 따른다.
위에서는 환경 호르몬의 대표로서 BPA를 예로 들었지만, 압타머를 사용하여 크기가 미세한 저농도의 표적분자를 측정하는 전기화학 바이오 센서(압타센서)에서는 모두 유사한 문제점을 안고 있다. 따라서, 보다 신속하고 민감하게, 그리고 넓은 농도범위에 걸쳐 정확하게 측정할 수 있는 전기화학 바이오 센서에 대한 개발이 요구된다.
미국공개특허 제2013-0319880호 (2013.12.05 공개)
본 발명은 드롭 캐스트 방식으로 사용하는 전기화학 바이오 센서를 개선하여, 보다 신속하고 민감하게, 그리고 넓은 농도범위에 걸쳐 정확하게 측정할 수 있는 전기화학 바이오 센서를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
본 발명은, 특정 표적분자가 결합하는 압타머가 고정화된 작용전극을 포함하는 전기화학 바이오 센서; 및 상기 작용전극을 둘러싸는 측벽과 천장 면으로 이루어진 반응공간을 구비하고, 상기 천장 면에는 상기 반응공간 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있고, 상기 반응공간과 연통하는 유입채널과 배출채널이 구비된 미세유체 회로;를 포함하고, 상기 미세유체 회로는 상기 반응공간이 상기 작용전극에 대해 기밀을 유지하도록 상기 전기화학 바이오 센서에 접합되어 있는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 반응공간은 상기 유입채널과 배출채널을 연결하는 사행 유로를 형성한다.
그리고, 상기 유입채널로 들어와 상기 배출채널 쪽으로 흐르는 유체의 흐름 방향에 대해 상기 산형 홈의 산 부분이 마주 보도록 배열되는 것이 바람직하다.
또한, 하나의 사행 유로를 따라 배치된 상기 복수의 산형 홈은 전방의 절반과 후방의 절반의 산 부분이 상기 사행 유로의 폭 방향에 대해 서로 엇갈리게 배열될 수 있다.
그리고, 상기 작용전극과 반응공간의 천장 면 사이의 채널 높이에 대한 상기 산형 홈의 깊이의 비율은 66∼133% 범위에 있는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 유입채널로 들어와 상기 배출채널 쪽으로 흐르는 유체의 유량은 1㎕/min 미만인 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서는 상기 유체와 작용전극 사이의 반응시간이 30±5분이고, 이때의 유체의 유량은 0.3㎕/min일 때 안정적인 결과를 얻을 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 특정 표적분자는 비스페놀 A(BPA)인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 특정 표적분자가 결합하는 압타머가 고정화된 작용전극을 포함하는 전기화학 바이오 센서에 대해, 상기 작용전극을 둘러싸는 측벽과 천장 면으로 이루어진 반응공간을 구비하면서 상기 천장 면에는 상기 반응공간 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있고, 상기 반응공간과 연통하는 유입채널과 배출채널이 구비된 미세유체 회로를 기밀을 유지하도록 접합하고, 이를 통해 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법을 제공한다.
그리고, 상기 전기화학 바이오 센서는 유리 기판으로 만들어지고, 상기 미세유체 회로 PDMS 재질로 만들어지며, 상기 전기화학 바이오 센서와 미세유체 회로는 각각 산소 플라즈마 처리를 거친 후 정렬하여 오븐에서 가열 접합하는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 구성을 가진 본 발명의 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서는, 전기화학 바이오 센서의 작용전극를 감싸는 미세유체 회로의 반응공간 안에서 유체에 수직방향의 속도성분을 만들어 국부적인 미세 와류를 발생함으로써 특정 표적분자를 뒤섞으면서 작용전극 상에 고정화된 압타머와 충돌할 확률을 증가시킨다. 이에 따라, 종래 드롭 캐스트 방식처럼 유체 내에 부유하는 표적분자가 전극 표면까지 가라앉아야 반응이 일어나는 것에 비해 반응시간이 짧아지고, 유체 내 표적분자 중 반응에 참가하는 비율이 높아짐에 따라 반응감도를 향상시킨다.
또한, 전기화학 바이오 센서의 작용전극를 감싸는 미세유체 회로의 반응공간이 기밀을 유지함에 따라 유체가 작용전극 밖으로 누출될 염려가 사라지고, 표적분자와 압타머 사이의 반응 환경이 외부 영향으로부터 보호되기 때문에 다양한 실험환경에서 안정적으로 사용될 수 있다.
이러한 본 발명의 성능 향상은 기존의 전기화학 바이오 센서에 특별히 고안된 미세유체 회로를 접합하는 것만으로 이루어지는 것이기 때문에, 큰 비용 증가 없이 대량 제작이 가능하고, 현장에서 사용하기에도 편리한 소형 사이즈로서 측정시간도 30분 정도만 필요하여 범용성과 실용성이 매우 우수하다.
도 1은 종래 드롭 캐스트 방식으로 사용하였던 전기화학 바이오 센서의 문제점을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서에 대한 분해 사시도.
도 3은 도 2에서 미세유체 회로와 전기화학 바이오 센서가 결합한 상태를 도시한 도면.
도 4는 미세유체 회로에 구비된 반응공간을 확대 도시한 평면도.
도 5는 도 4의 반응공간을 유동하는 유체의 유선을 전산 해석한 결과를 도시한 도면.
도 6은 미세유체 회로의 반응공간을 유동하는 유체와 전기화학 바이오 센서의 작용전극 사이의 상호작용을 개념적으로 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서에 대한 필요 반응시간을 실험한 결과를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 실험 결과를 유량을 기준으로 비교 도시한 그래프 도면.
도 9는 종래 드롭 캐스트 방식의 전기화학 바이오 센서와 본 발명의 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서의 반응감도를 비교 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서의 비스페놀 A(BPA) 농도에 대한 반응감도를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서에 대한 분해 사시도 및 결합 사시도로서, 이를 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 전기화학 바이오 센서(100) 및 이에 결합하는 미세유체 회로(200)를 포함하며, 미세유체 회로(200)는 전기화학 바이오 센서(100)에 대해 접합되어 특정 표적분자가 포함된 유체의 유동을 제어하게 된다.
전기화학 바이오 센서(100)는 특정 표적분자가 결합하는 압타머(122)가 고정화된 작용전극(120)을 포함하며, 압타머(122)를 사용하는 센서라는 의미로서 압타센서라 부르기도 한다. 도시된 전기화학 바이오 센서(100)는 작용전극(120), 상대전극(130) 및 기준전극(140)의 3 전극 센서로 구성된 일 실시형태를 보여주는데, 유체 속에 포함된 특정 표적분자가 작용전극(120) 상에 고정화된 압타머(122)에 결합함으로써 나타나는 전기적 변화를 정성적으로 측정하여 특정 표적분자의 농도를 산출할 수 있다.
본 발명은 이러한 전기화학 바이오 센서(100)에 특정 표적분자가 포함된 유체의 유동을 제어하는 미세유체 회로(200)를 일체로 접합함으로써 전기화학 바이오 센서(100)의 성능을 향상시키는 것을 주된 목적으로 한다. 따라서, 본 발명의 향상된 효과를 검증하기 위해 특정 표적분자로서 비스페놀 A(BPA)를 선택하여 실험하였지만, 본 발명은 비스페놀 A라는 특정 표적분자에 한정되지 않고 통상적인 전기화학 바이오 센서(100)에 범용적으로 적용할 수 있는 발명임에 유의할 필요가 있다.
미세유체 회로(200)는 전기화학 바이오 센서(100)의 작용전극(120)을 둘러싸는 측벽(212)과 천장 면(214)으로 이루어진 반응공간(210)을 구비하고 있으며, 반응공간(210)의 천장 면(214)에는 반응공간(210) 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있다. 그리고, 미세유체 회로(200)에는 반응공간(210)과 연통하는 유입채널(240)과 배출채널(250)이 구비되어 있어, 특정 표적분자를 포함한 유체가 유입채널(240)로 들어와 반응공간(210) 안에서 작용전극(120)과 상호 반응을 일으킨 후 배출채널(250)을 통해 빠져나가도록 구성되어 있다.
별도로 제작된 미세유체 회로(200)는 반응공간(210)이 작용전극(120)에 대해 기밀을 유지하도록 전기화학 바이오 센서(100)에 접합하여 일체화된 하나의 전기화학 바이오 센서로 완성된다. 여기서, 미세유체 회로(200)는 내구성과 광학적 투명성이 우수하고 포토리소그래피 기술로 복잡한 형상으로 제작할 수 있는 PDMS(polydimethylsiloane) 재질로 만들어질 수 있는데, PDMS 재질은 세라믹 기반의 기판과는 접합이 되지 않기 때문에 유체의 누출 문제를 고려하여 전기화학 바이오 센서(100)는 PDMS 재질과 접합 가능한 유리 기판(110)으로 만드는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 유리 기판(110) 기반의 전기화학 바이오 센서(100)와 PDMS 재질의 미세유체 회로(200)를 90W 출력과 400 mTorr 압력 하에서 1분 동안 산소 플라즈마 처리를 한 후, 그 즉시 전기화학 바이오 센서(100)와 미세유체 회로(200)를 정렬하고 66℃ 온도의 오븐에서 16시간 동안 가열 접합함으로써 유체의 누출 문제를 해결하였다. 참고로 본 발명의 미세유체 회로(200)는 유입/배출채널(240, 250)과 반응공간(210)을 오목하게 형성하는 동시에 반응공간(210)의 천장 면(214)에 복수의 산형 홈(220)을 형성해야 하기 때문에 2 레이어 포토리소그래피 공정으로 제작되었다.
본 발명의 중요한 특징은 미세유체 회로(200)의 반응공간(210)이 작용전극(120)에 대해 기밀을 유지하도록 전기화학 바이오 센서(100)에 접합하고, 반응공간(210) 안으로 특정 표적분자를 포함한 유체를 흐르도록 함으로써 특정 표적분자가 작용전극(120)의 압타머(122)에 결합하는 작용을 촉진하고, 이를 통해 종래 드롭 캐스트 방식의 전기화학 바이오 센서에 비해 측정시간은 줄이고 반응감도는 높이는 것에 있다. 특히, 작용공간 안을 흐르는 유체에 미소 난류를 지속적으로 발생시키면 특정 표적분자와 압타머(122)의 결합 작용이 더욱 촉진될 것이므로, 본 발명은 이를 위해 반응공간(210)의 천장 면(214)에 복수의 산형 홈(220)을 형성하였다. 도 4 내지 도 6을 참조하여 이에 대해 상세히 설명한다.
도 4는 미세유체 회로(200)에 구비된 반응공간(210)을 확대 도시한 평면도이다. 도시된 실시형태의 열을 이루는 복수의 산형 홈(220)은 각 산형 홈(220)의 형태가 다소 복잡해 보이기는 하지만, 기본적으로는 유입채널(240)로 들어와 배출채널(250) 쪽으로 흐르는 유체의 흐름 방향에 대해 각 산형 홈(220)의 산 부분이 마주 보도록 배열되어 있다. 산형 홈(220)의 꼭지점인 산 부분이 대향하는 유체의 흐름을 양옆으로 가르는 역할(deflection point)을 하며, 갈라진 흐름은 홈 안으로 들어갔다 나오는 과정 중에 미세 와류(micro vortex)가 생성되어 복수의 산형 홈(220)을 지나는 과정 중에 유체에 난류가 발생하게 된다. 산형 홈(220)의 산 부분이 유체와 마주보는 형태로서 유체 채널의 폭 방향을 따라 하나의 산형 홈(220)이나, 몇 개의 동일 또는 크고 작은 산형 홈(220)이 연결되는 등 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이러한 연속된 산형 홈(220)의 외형을 빌어 이 구조를 헤링본(청어뼈, herringbone) 구조라 부르기도 한다.
도시된 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 반응공간(210)은 유입채널(240)과 배출채널(250)을 연결하는 사행 유로(230)(serpentine channel)를 형성하고 있다. 반응공간(210)을 좁고 구불구불한 유로로 만들면 각 사행 유로(230)마다 일련의 산형 홈(220)을 배치할 수 있고, 전체 유로 길이가 길어져 특정 표적분자와 압타머(122) 사이의 상호작용을 전체 반응공간(210)에 대해 균일하게 지속적으로 촉진할 수 있는 이점이 있다.
여기서, 사행 유로(230)는 유입채널(240) 쪽을 따라 바라보았을 때, 위 아래로 유동 방향이 변화하므로, 유체의 흐름 방향에 대해 각 산형 홈(220)의 산 부분이 마주 보도록 배열하기 위해서는 인접한 사행 유로(230)의 산형 홈(220)은 서로 상하가 반전되어야 한다. 또한, 도 4에 도시된 것과 같이, 하나의 사행 유로(230)를 따라 배치된 복수의 산형 홈(220)은 전방의 절반과 후방의 절반의 산 부분이 사행 유로(230)의 폭 방향에 대해 서로 엇갈리게 배열될 수 있다. 이는 전방 절반의 산형 홈(220)을 거치면서 발생한 난류를 후방 절반의 산형 홈(220)에서 비대칭적인 교란을 줌으로써 난류 발생을 더욱 강화하는데 도움을 준다.
도 5는 도 4의 반응공간(210)을 유동하는 유체의 유선(streamline)을 전산 해석한 결과를 도시한 도면이다. 환경 호르몬과 같이 작은 분자를 통상의 입자처럼 취급하는 것은 적절치 않을 것이어서, 전산 해석은 유선 해석으로 수행하였다. 도시된 바와 같이, 산형 홈(220) 채널을 지나면서 유체는 산형 홈(220)의 산 부분에서 갈라져 구불구불하게 흐르는 과정을 반복하게 되고, 이 과정에서 산형 홈(220)의 깊이방향(Z 방향)의 속도성분이 만들어진다. 즉, Z 방향의 속도성분은 유체 흐름에 와류가 발생함을 의미하며, 따라서 강한 Z 방향의 속도성분은 강한 와류를 의미하는 것으로 해석할 수 있다.
여기서, 유체 흐름의 Z 방향 속도성분은 작용전극(120)과 반응공간(210)의 천장 면(214) 사이의 채널 높이(hc)에 대한 산형 홈(220)의 깊이(hg)의 비율(α)에 의해 달라진다. 도 5의 (C)를 보면, 채널 높이(hc)에 대한 산형 홈(220)의 깊이(hg)의 비율(α)이 1에 수렴할수록 산형 홈(220) 인근에서의 Z 방향 속도성분이 커짐을 확인할 수 있다. 따라서, 작용전극(120)과 반응공간(210)의 천장 면(214) 사이의 채널 높이(hc)에 대한 산형 홈(220)의 깊이(hg)의 비율은 66∼133% 범위에 있는 것, 가장 바람직하게는 채널 높이(hc)와 산형 홈(220)의 깊이(hg)가 동일(100%)한 것이 추천된다. 참고로, 본 발명의 실시형태에서의 산형 홈(220)의 치수는 채널 높이(hc)와 산형 홈(220)의 깊이(hg)는 각각 15㎛, 채널의 폭(w)(사행 유로의 폭)은 650㎛, 산형 홈(220)의 너비(wg)는 125㎛, 산형 홈(220) 사이의 피치(wp)는 175㎛로 설계되었다.
도 6은 미세유체 회로(200)의 반응공간(210)을 유동하는 유체와 전기화학 바이오 센서(100)의 작용전극(120) 사이의 상호작용을 개념적으로 도시한 도면이다. 천장 면(214)의 산형 홈(220)에 의해 반응공간(210)을 흐르는 유체에는 수직방향의 속도성분이 생겨 국부적인 와류가 발생하고, 미세 와류는 유체 중의 특정 표적분자를 뒤섞으면서 작용전극(120) 상에 고정화된 압타머(122)와 충돌할 확률을 증가시키는 효과를 불러온다. 일종의 교반 작용에 의해 특정 표적분자와 압타머(122)가 충돌하는 빈도가 증가한다는 것은 종래 드롭 캐스트 방식처럼 유체 내에 부유하는 표적분자가 전극 표면까지 가라앉아야 반응이 일어나는 것에 비해 반응시간이 짧아지고, 유체 내 표적분자 중 반응에 참가하는 비율이 높아짐에 따라 반응감도가 향상됨을 의미한다.
도 7은 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서가 종래의 드롭 캐스트 방식에 비해 얼마나 반응시간을 줄일 수 있는지를, 특정 표적분자로서 비스페놀 A(BPA)를 사용하여 시험한 결과를 도시한 도면이다. 드롭 캐스트 방식은 보통 4시간을 기다리기 때문에, 이 시간을 기준으로 얼마나 반응시간을 줄일 수 있는지를 비교하기로 하였다.
표적분자로 비스페놀 A를 사용할 때에는 압타머(122)에 페로신(ferrocene)을 붙여놓는데(ferrocene labeling), 페로신은 압타머(122)에 비스페놀 A가 결합했을 때의 압타머(122)의 형태 변화에 대응하여 전류를 발현하기 때문에 이를 통해 비스페놀 A가 압타머(122)에 실제로 결합했는지를 검증하는데 유용하게 사용할 수 있다. 압타머(122)와 비스페놀 A의 결합은 전기 임피던스 분광법(EIS, Electrical Impedance Spectroscopy)으로서 정량적으로 평가되며, 전기 임피던스 분광법에서 페로신 신호는 0.3∼0.4V 범위에서 나타나고, 압타머(122)와 비스페놀 A의 결합 신호는 0.6∼0.75V 범위에서 나타나기 때문에 구별이 가능하다.
여기서, 본 발명은 미세유체 회로(200)로 유체를 공급 및 배출해야 하기 때문에 유체를 흐르게 할 수두(水頭)가 필요하며, 이 압력차에 의해 유체의 유량(유속)이 변화하므로, 미세유체 회로(200)를 흐르는 유체의 적정 유량을 결정할 필요가 있다.
종래의 드롭 캐스트 방식을 유량 결정의 하나의 기준으로 삼을 수 있는데, 드롭 캐스트 방식에서는 작용전극(120) 위에 올라가는 유체 시료의 양이 10㎕를 넘지 않으므로 이보다 많은 양을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 그리고, 기존 드롭 캐스트 방식의 반응시간이 4시간임을 함께 고려하면, 유량은 최소 0.041㎕/min(4시간 기준) ∼ 최대 1㎕/min(10분 기준) 범위로 일차적으로 선정할 수 있다. 여기서, 10분 미만의 반응시간은 표적분자의 압타머에 대한 결합 신뢰도가 너무 떨어질 것으로 판단되어 그 이하의 시간은 일단 배제하였다.
도 7로 돌아오면, 반응시간이 15분일 경우에는 농도가 더 높은 100μM 비스페놀 A에서 신호가 나타나지 않아 불안정한 결과를 보였지만, 30분 이상의 반응시간에서는 10μM 비스페놀 A 및 100μM 비스페놀 A에서 모두 안정적인 페로신 신호와 비스페놀 A의 결합 신호가 측정되었다.
도 8은 도 7의 실험 결과를 유량을 기준으로 비교 도시한 그래프 도면인데, 막대 그래프의 왼쪽부터 차례로 120분, 60분, 30분, 15분의 반응시간이며 이를 유량(㎕/min)으로 비교하였다.
도 7과 도 8의 실험결과를 종합하면, 본 발명은 유체의 유량을 0.3㎕/min로 하면서 대략 30±5분 정도의 시간 동안만 반응을 시키면 비스페놀 A를 충분히 검출할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 종래 드롭 캐스트 방식에서 필요했던 4시간의 반응시간을 1/8 수준으로 줄일 수 있다는 현격히 개량된 성능을 보여준다.
도 9는 유량이 0.3㎕/min, 반응시간이 30분으로 설정(이하, 다른 실험에서도 조건 동일)된 본 발명과 종래 드롭 캐스트 방식을 비스페놀 A의 농도에 변화를 주면서 실험한 결과를 도시한 도면이다. 붉은색 박스로 표시한 부분이 비스페놀 A의 결합 신호를 비교한 부분인데, 표에 정리된 것과 같이 본 발명은 0.001μM의 아주 낮은 비스페놀 A 농도에서도 종래보다 훨씬 강화되고 측정오차 측면에서도 유의미한 결과를 보여주고 있다.
도 10은 본 발명에 따른 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서에 대한 선형성과 검출가능한 비스페놀 A 농도의 하한값을 통계적으로 분석한 결과를 보여준다. 동일한 유량, 반응시간 조건에서, 비스페놀 A의 농도에 비례하여 비스페놀 A의 결합 신호가 높은 선형성(R2=0.994)을 가지고 증가한다. 또한, 선형성이 보장되는 비스페놀 A의 농도가 5.0×10-12M ∼ 1.0×10-9M 범위로 아주 넓다는 것은 본 발명이 현장에서 사용하기에 매우 실용적이라는 사실을 보여준다. 그리고, 통계학적으로 분석(three times the standard deviation of the blank)되는 측정 한계치(Limit of Detection, LOD)는 2.0×10-13M로서, 이는 이제까지 보고된 BPA 센서 중에서 최상위를 점유하는 성능이다.
이러한 본 발명의 성능이 기존의 전기화학 바이오 센서에 특별히 고안된 미세유체 회로를 접합하는 것만으로 이루어졌다는 것은 매우 주목할만한 것이며, 큰 비용 증가 없이 제작이 가능하고, 현장에서 사용하기에도 편리한 소형 사이즈로서 측정시간도 30분 정도만 필요한 본 발명의 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서는 성능은 물론 범용성과 실용성이 매우 우수하다고 평가할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.
100: 전기화학 바이오 센서 110: 기판
120: 작용전극 122: 압타머
130: 상대전극 140: 기준전극
200: 미세유체 회로 210: 반응공간
212: 측벽 214: 천장 면
220: 산형 홈 230: 사행 유로
240: 유입채널 250: 배출채널

Claims (15)

  1. 특정 표적분자가 결합하는 압타머가 고정화된 작용전극을 포함하는 전기화학 바이오 센서; 및
    상기 작용전극을 둘러싸는 측벽과 천장 면으로 이루어진 반응공간을 구비하고, 상기 천장 면에는 상기 반응공간 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있고, 상기 반응공간과 연통하는 유입채널과 배출채널이 구비된 미세유체 회로;
    를 포함하고, 상기 미세유체 회로는 상기 반응공간이 상기 작용전극에 대해 기밀을 유지하도록 상기 전기화학 바이오 센서에 접합되어 있는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응공간은 상기 유입채널과 배출채널을 연결하는 사행 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입채널로 들어와 상기 배출채널 쪽으로 흐르는 유체의 흐름 방향에 대해 상기 산형 홈의 산 부분이 마주 보는 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    하나의 사행 유로를 따라 배치된 상기 복수의 산형 홈은 전방의 절반과 후방의 절반의 산 부분이 상기 사행 유로의 폭 방향에 대해 서로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 작용전극과 반응공간의 천장 면 사이의 채널 높이에 대한 상기 산형 홈의 깊이의 비율은 66∼133% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유입채널로 들어와 상기 배출채널 쪽으로 흐르는 유체의 유량은 1㎕/min 미만인 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 유체와 작용전극 사이의 반응시간은 30±5분이고, 이때의 유체의 유량은 0.3㎕/min인 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 특정 표적분자는 비스페놀 A(BPA)인 것을 특징으로 하는 미세유체 회로를 구비한 전기화학 바이오 센서.
  9. 특정 표적분자가 결합하는 압타머가 고정화된 작용전극을 포함하는 전기화학 바이오 센서에 대해, 상기 작용전극을 둘러싸는 측벽과 천장 면으로 이루어진 반응공간을 구비하면서 상기 천장 면에는 상기 반응공간 안에서 유동하는 유체에 난류를 일으키는 복수의 산형(山形) 홈이 열을 이루도록 형성되어 있고, 상기 반응공간과 연통하는 유입채널과 배출채널이 구비된 미세유체 회로를 기밀을 유지하도록 접합하고, 이를 통해 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반응공간은 상기 유입채널과 배출채널을 연결하는 사행 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유입채널로 들어와 상기 배출채널 쪽으로 흐르는 유체의 흐름 방향에 대해 상기 산형 홈의 산 부분이 마주 보는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    하나의 사행 유로를 따라 배치된 상기 복수의 산형 홈은 전방의 절반과 후방의 절반의 산 부분이 상기 사행 유로의 폭 방향에 대해 서로 엇갈리게 배열되는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 작용전극과 반응공간의 천장 면 사이의 채널 높이에 대한 상기 산형 홈의 깊이의 비율은 66∼133% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유체와 작용전극 사이의 반응시간은 30±5분이고, 이때의 유체의 유량은 0.3㎕/min인 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 전기화학 바이오 센서는 유리 기판으로 만들어지고, 상기 미세유체 회로 PDMS 재질로 만들어지며, 상기 전기화학 바이오 센서와 미세유체 회로는 각각 산소 플라즈마 처리를 거친 후 정렬하여 오븐에서 가열 접합하는 것을 특징으로 하는 전기화학 바이오 센서의 성능을 향상시키는 방법.
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