KR20060094416A

KR20060094416A - 자성 나노입자와 마이크로비드를 이용한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분자분석장치 및 생체분자분석방법

Info

Publication number: KR20060094416A
Application number: KR1020050015553A
Authority: KR
Inventors: 박제균; 김규성
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-08-29
Also published as: KR100695743B1

Abstract

본 발명은 자성 나노입자(11)와 마이크로 비드(12)를 이용한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법에 관한 것으로서, 생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자(11), 마이크로 비드(12) 및 검출분자(14)의 반응물이 미세 유체 채널의 경로 변경부(5)에서 자기력 인가부(7)로부터 인가되는 자기력의 영향을 받아 그 흐름 경로가 변경되고, 그 경로 변경유무를 경로 확인부(6)에서 확인할 수 있는 구조를 포함하여 이루어지는 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법에 관한 것이다.

본 발명은 특정 검출 대상 생체분자의 농도를 알기 위해서 자기장을 변화시켜가면서 특정 자기장의 세기와 변화량에서 마이크로 입자의 경로 변화를 관찰함으로써 생체분자를 정량적 및 고감도 분석을 가능하게 하며, 한 번의 반응으로 여러가지의 생체분자를 검출할 수 있는 다중검출 시스템(multiplexed detection system)의 구축을 가능하게 한다.

자기력 기반 생체분석, 자성 나노입자, 미세 유체 칩, 다중검출

Description

자성 나노입자와 마이크로비드를 이용한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법{Magnetic force-based microfluidic chip using magnetic nanoparticles and microbeads, and bioassay apparatus and method using the same}

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 자성 나노입자를 이용한 자기력 기반 생체분석을 위한 미세 유체 칩의 개요도;

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 자기력 기반 생체분석을 위한 미세 유체 칩의 개념도;

도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 수용체가 각각 고정되어 있는 자성 나노입자와 마이크로 비드가 검출분자에 결합된 반응물의 모식도;

도 4는 본 발명의 일실시형태에 따른 자성 나노입자와 마이크로 비드 반응물의 유체 집속을 위한 채널의 일부를 나타낸 구성 및 반응물의 경로 자취;

도 5는 본 발명의 일실시형태에 따른 상기의 반응물이 자기장의 영향을 받지 않는 경우에 경로 변경 확인부에서 경로 자취;

도 6은 본 발명의 일실시형태에 따른 상기의 반응물이 자기장의 영향을 받는 경우에 경로 변경 확인부에서 경로 자취;

도 7은 본 발명의 일실시형태에 따른 자기력 기반 미세 유체의 유체 채널을 통과하는 상기 반응물과 집속용액의 흐름 개념도;

도 8은 본 발명의 일실시형태에 따른 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석시스템의 개요도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 집속 용액 주입부 2 : 반응물 주입부

3 : 집속 용액 흐름부 4 : 반응물 집속부

5 : 경로 변경부 6 : 경로 확인부

7 : 자기력 인가부 8 : 유체 배출부

9 : 플라스틱 칩 10: 유리기판 또는 유리 칩

11: 자성 나노입자 12: 마이크로 비드

13: 수용체 분자 14: 검출분자

15: 시료 전처리부 16: 미세 유체 칩

17: 검출부 18: 생체분석시스템

본 발명은 자성 나노입자와 마이크로비드를 이용한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자, 마이크로 비드 및 검출분자의 반응물이 미세 유체 채널의 경로 변경부에서 자기력 인가부로부터 인가되는 자기력의 영향을 받아 그 흐름 경로가 변경되고, 그 경로 변경유무를 경로 확인부에서 확인할 수 있는 구조를 포함하는 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법에 관한 것이다.

인간 유전체 프로젝트(human genome project)가 완료되고 포스트게놈(post genome) 시대가 도래함에 따라 쏟아져 나오는 많은 양의 바이오 정보는 기존의 실험실 분석 시스템으로는 그 신속한 처리가 어려운 실정이다. 이러한 추세에 따라 생명현상의 규명과 신약 개발 및 진단을 위한 생물학적 검출시스템은 미세 유체 공학(microfluidics)의 기반 위에서 보다 적은 양으로 빠른 시간에 정확하고 편리하게 시료를 분석하기 위한 미세 종합 분석시스템(μ-TAS : micro-Total Analysis System)과 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 형태로 발전하고 있다.

분석의 대상이 되는 대부분의 생화학적 시료는 용액상태로 존재하기 때문에 액체 시료를 전달하는 기술이 무엇보다도 중요한 요소라고 할 수 있다. 미세 유체 공학은 바로 이러한 미세 유체의 흐름을 조절하는 연구분야로서, 상기 미세 종합 분석시스템과 랩온어칩의 상용화에 기초가 되는 핵심기술을 연구 개발하는 분야이다.

상기 미세 종합 분석시스템은 다수의 실험 단계들과 반응을 거치는 화학 및 생물학 실험과 분석을, 하나의 실험대 위에 존재하는 하나의 유니트(unit)상에서 종합적으로 구현하는 시스템이다. 이러한 미세 종합 분석 시스템은 시료 채취 영역, 미세 유체 회로, 검출기 및 이들을 제어하는 제어기로 구성된다.

또한, 상기 랩온어칩이란 '칩 속의 실험실' 또는 '칩 위의 실험실'을 의미하는데, 이는 보통 플라스틱, 유리, 실리콘 등의 소재를 이용하여 나노리터 이하의 미세 채널을 만들고, 이를 통해 수 나노리터에 불과한 적은 양의 액체시료를 이동시켜 기존의 실험이나 연구 과정을 신속하게 수행할 수 있도록 한 것이다.

급증하는 바이오 정보에 대한 분석을 신속하게 수행할 수 있는 상기의 미세 종합 분석시스템 또는 랩온어칩의 구현은 적절한 생체분석 방법들과의 결합에 의해 효과적으로 이루어질 수 있다.

생체분자들을 분석하기 위한 방법으로는 면역분석(immunoassays), DNA 혼성화(hybridization) 및 수용체 기반(receptor-based) 분석 등이 있다. 이들 생체분자들을 분석하기 위한 검출방법은 실험실에서의 분석뿐만 아니라 의료진단이나 신약개발 등에서 광범위하게 사용되고 있다.

면역분석법은 항원-항체간의 결합반응을 이용한 분석기술로서 그 검사 원리에 따라 다양한 형태가 존재하고 있으며, DNA 혼성화 분석은 탐침(probe) DNA 와 표적(target) DNA 간의 상보적 결합을 이용하고 있다. 또한 수용체 기반 분석은 특정 분자와 그 수용체 사이의 결합능력을 이용하는 분석방법이다. 이처럼 특정 결합을 할 수 있는 항체, DNA, RNA 및 분자 수용체들의 검출분자에 대한 선택적 결합능 력을 이용하면 다양한 생체분자들의 검출이 가능하다.

이러한 생체분자들의 결합과정은 직접 관측할 수 없기 때문에 측정 가능한 신호를 발생시킬 수 있는 표지물질을 사용하게 된다. 일반적으로 형광물질, 방사성 물질, 효소 또는 자기입자 등을 표지물질로 사용한다. 이러한 측정방법에서는 고감도의 신호를 발생시켜 극미량의 검출 분자를 인식할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 특히 최근에는 합성화학과 생명과학의 발전으로 신약개발 및 진단 등의 분야에 있어 분석될 표적물질이 다양화되고, 또한 이러한 표적물질들은 비용이 매우 고가이고 쉽게 구할 수 없는 이유로 극미량 분석을 통한 비용절감의 필요성이 증대되고 있는데 기인한다. 고감도의 신호발생을 보장하기 위한 검출방법 가운데 하나로서, 자기입자들을 이용하는 여러가지 방법들이 보고되어 있다.

미합중국 특허 제 5,981,297호(1999년)에서는, 표적분자(target molecule)를 선택적으로 고정한 인식물질(recognition agents)이 자화 가능한 입자들과 결합되고, 이렇게 결합된 입자들의 자기장 센서에 대한 자기저항 혹은 일그러짐 응답을 관찰하여 입자들을 검출하는 방법이 소개되어 있다.

거대자기저항(GMR : Giant Magnetoresistive) 소자에 DNA를 고정하고 표지물질로서 자기입자를 이용하여 자기입자의 자속을 저항의 변화값으로 측정하여 원하는 DNA를 검출하는 방법(Biosensors & Bioelectronics 14: 805-813, 2000)이 개발되었다.

또한, 자기입자들이 생물학적 인식과정에 의해 고정되었는지 여부를 알기 위해, 초전도 양자 간섭소자(SQUID)를 이용하여 Fe₃O₄의 자성입자로부터 잔류자기(remanence), 이완(relaxation) 그리고 자화율(susceptibility) 등을 측정함으로써 검출분자를 인식하는 방법(Jpn. J. Appl. Phys. 42: L1436-L1438, 2003 & Physica C412-414: 1473-1479, 2004)이 있다.

상기의 방법들은 생체분자의 검출에 있어서 고감도의 검출능력을 보여준다. 그러나 기존의 자기 나노입자를 이용한 고감도 검출시스템들은 자기 나노입자의 자기장의 자속을 직접 측정하는 시스템으로 그 자속을 검출하기 위한 장비들의 복잡성과 그로 인한 고가의 장비도입이 필수적이며 소형화되지 못하는 문제를 가지고 있다. 그리고 거대자기저항 측정을 위한 마이크로칩의 경우에는 굉장히 복잡한 공정을 거치게 되는 문제도 있다.

또한 전술한 방법들은 평면 기판 위에 수용체 분자를 고정하여 분석을 하는 평면 어레이(array) 방식이기 때문에 다중검출 및 시료 준비과정이 단순화되어 있지 않다는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 유체 채널 및 자기장을 발생시키는 영구자석 또는 전극을 소형화하여, 다른 시료전처리기 부분 등과 결합하여 일체형으로 제작함으로써 미세 종합 분석시스템 혹은 랩온어칩을 구현할 뿐만 아니라, 미세한 자기력의 형성만으로 검출 분자에 의한 자성 나노입자와 마이크로비드의 결합 반응물의 경로 변경을 유도하여 고감도의 생체물질 다중분석을 실시하기 위한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자와 마이크로 비드 및 검출분자의 반응물이 주입되는 반응물 주입부; 상기 반응물을 집속해 주는 용액이 주입되는 집속용액 주입부; 상기 반응물이 상기 집속용액에 의해 집속되는 집속부; 상기 집속된 반응물이 자기력에 의해 경로가 변경되는 경로 변경부; 자기력을 받은 상기 반응물의 경로 변경이 확인되는 경로 확인부; 및 상기 집속된 반응물과 상기 집속용액이 배출되는 배출부를 포함하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 집속된 반응물에 자기력을 가하는 자기력 인가부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 자기력 인가부는 상기 경로 변경부로부터 이격되어 위치하는 내부 전극배열을 포함하여 구성될 수 있으며, 이 경우 상기 내부 전극배열은 유리, 실리콘, 사파이어 또는 플라스틱 기판 위에 금, 은, 구리, 니켈 또는 백금을 패터닝하는 방법에 의해 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 자기력 미세 유체 칩은 상기 주입된 집속 용액이 상기 집속부로 흘러가며, 복수의 갈림길로 구성된 집속 용액 흐름부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 반응물 주입부는 상기 집속 용액 흐름부와 상기 경로 변경부의 연결부에 연결되도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 생체분자 반응은 생리활성 물질쌍간의 반응인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 상기 생리활성 물질쌍간의 반응은, 예를 들면, 항원-항체(예를 들면, 바이러스 항원-바이러스 항체, 병원성 미생물-병원성 미생물 항체 등), 바이오틴-애버딘(biotin-avidin), 면역글로불린 G-단백질 A(immunoglobulin G - protein A), 호르몬-호르몬 수용체(hormone-hormone receptor), DNA-DNA 수용체(DNA-DNA receptor), RNA-RNA 수용체(RNA-RNA receptor) 또는 약물-약물 수용체(drug-drug receptor)간의 반응을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 자성 나노입자는 자성 재료로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 자성 재료는 Fe₂O₃, Fe₃O₄또는 FePt 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 자성 나노입자는 수 내지 수십 nm 의 크기인 것을 사용하는 것이 효과적이다.

본 발명에 따른 상기 마이크로 비드는 고분자 비드를 이용하여 구성될 수 있다. 이 경우 상기 고분자 비드의 재료로는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl-methacrylate; PMMA) 등으로 구성되는 것이 바람직하며, 이러한 고분자 비드는 수 ㎛ 의 크기인 것을 사용하는 것이 효과적이다.

본 발명에 따른 상기 자성 나노입자와 마이크로 비드는 그 표면에 각각 검출분자의 수용체 분자를 하나 이상 고정시킨 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우 상기 수용체 분자로는 단일 또는 이중가닥 핵산, 핵산 유사체, 헵텐, 단백질, 펩타이드, 항체, 이들의 단편 또는 당구조물의 수용체 또는 리간드를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 반응물의 경로 변경을 확인하는 경로 확인부는 그 경로의 구조적 특성을 이용하여 상기 반응물의 자기력에 의한 경로 변경 유무를 확인할 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.

상기 경로 확인부의 구조적 특성은 그 경로가 복수의 갈림길로 구성될 수 있 도록 하는 것이 바람직하며, 상기 복수의 갈림길은 상기 경로 확인부에 연결된 상기 경로 변경부의 중심선을 중심으로 비대칭적으로 구성되도록 하여 상기 반응물의 경로 변경 유무를 확인할 수 있는 구조로 이루어지는 것이 효과적이다.

본 발명에 따른 자기력 기반 미세 유체 칩의 구조를 형성하는 미세 유체 채널은, 고분자 물질을 그 채널 형성재료로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane; PDMS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate;PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리사이클릭 올레핀(polycyclic olefine), 폴리이미드(polyimide) 또는 폴리우레탄(polyurethane) 등을 사용하는 것이 효과적이다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 자기력 기반 미세 유체 칩에 시료의 전처리부와 검출분자의 광학적 특성을 측정할 수 있는 검출부를 더 포함하여 구성되는 자기력 기반 생체분자분석시스템을 제공한다.

상기 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법에 있어서, a)생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자, 마이크로 비드 및 검출분자의 반응물을 준비하는 단계; b)집속 용액으로 상기 준비된 반응물을 집속부에 집속시키는 단계; c)상기 집속된 반응물이 경로 변경부로 이동하여 자기장의 영향으로 그 경로가 변경되는 단계; 및 d)경로 확인부에서 자기력을 받은 상기 반응물의 경로 변경 유무를 확인하는 단계를 포함하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법을 제공한다.

본 발명에 따른 상기 자기력은 외부 영구자석, 외부 전자석, 또는 상기 경로 변경부로부터 이격되어 위치하는 내부 전극배열로부터 인가가 가능하도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 자기력을 받은 상기 반응물의 경로 변경 유무를 확인하는 단계(단계 d)는 상기 경로 확인부의 경로의 구조적 특성을 이용하여 상기 반응물의 자기력에 의한 경로 변경 유무를 확인할 수 있다.

상기 경로 확인부의 구조적 특성은 그 경로가 복수의 갈림길로 이루어져 있어서, 자기력을 받은 상기 반응물이 상기 복수의 갈림길을 통과하는 비율이 변화하는 것을 상기 마이크로 비드의 광학적 특성을 관찰함으로써 효과적인 생체분석을 할 수 있다.

상기 마이크로 비드의 광학적 특성은 고분자 비드 내부에 그 타입을 구분할 수 있는, 예를 들면 형광물질 또는 양자점(quantum dot)과 같은 나노크리스탈 입자 등과 같은 광학적 특성을 갖는 물질 등을 포함하여 구성되는 것이 효과적이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 자기력을 이용한 미세 유체 칩의 개요 도이다. 자기력을 이용한 미세 유체 칩은, 자성 나노입자(11), 마이크로 비드(12) 및 검출분자(14)가 생체분자 반응에 의해 결합된 반응물(도 3 참조)을 집속해주는 집속용액 주입부(1)를 구비한다. 상기 집속용액 주입부(1)에는 복수의 방향으로 분리되어 집속용액이 흐르게 되는 집속용액 흐름부(3)가 연결되어 있다. 분리된 상기 집속용액 흐름부(3) 미세 유체 채널이 다시 합류되는 지점에 상기 반응물을 주입하는 주입부(2)가 위치하며, 상기 주입부(2)는 상기 반응물과 집속용액이 집속되는 집속부(4)에 연결된다. 상기 집속부(4)에는 상기 자성 나노입자(11), 마이크로 비드(12) 및 검출분자(14)의 반응물이 자기장의 영향을 받게 되는 경로 변경부(5) 미세 유체 채널이 위치한다. 상기 경로 변경부(5)에는 이를 통과한 반응물의 경로 변경 유무를 확인하기 위해 복수의 갈림길이 있는 경로 확인부 유체 채널(6)이 위치하며, 상기 경로 확인부(6)를 통과한 유체가 배출되는 유체 배출부(8)가 구비된다. 상기 경로 변경부(5) 외부에는 유체 채널 내부에 다양한 세기의 자기력을 인가할 수 있는 자기력 인가부(7)를 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 자기력 기반 생체분석을 위한 미세 유체 칩의 개념도이다. 도 1과 같이 구성된 미세 유체 채널은 플라스틱층(9)과 유리층(10)이 접합된 구조 내에 위치하도록 구성된다.

도 3은 본 발명의 일실시형태에 따른 수용체가 각각 고정되어 있는 자성 나노입자(11)와 마이크로 비드(12)가 검출분자(14)에 결합된 반응물의 모식도이다. 자성 나노입자(11)의 표면에는 수용체 분자(13)가 고정되어 있으며, 마이크로 비드(12)의 표면에도 마찬가지로 수용체 분자(13)가 고정되어 있다. 이들 수용체 분자(12)가 검출분자(14)와 결합함으로써 자성 나노입자(11), 마이크로 비드(12) 및 검출분자(14)의 반응물이 생성된다.

상기 자성 나노입자(10)는 수 내지 수십 나노미터 정도의 크기를 갖는 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FePt 등의 자성 재료로 구성할 수 있으며, 상기 마이크로 비드(12)는 수 마이크로미터 정도의 크기를 가지는 폴리스티렌(polystyrene) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl-methacrylate; PMMA) 등의 고분자 비드로 구성할 수 있다.

이렇게 준비된 자성 나노입자(11)와 마이크로 비드(12)는 그 표면에 단일 또는 이중가닥 핵산, 핵산 유사체, 헵텐, 단백질, 펩타이드, 항체 또는 이들의 단편, 당구조물 등을 수용할 수 있는 수용체 또는 리간드 분자를 고정시켜서 생체분자반응을 유도하도록 구성할 수 있다.

상기 자성 나노입자(11)와 마이크로 비드(12)의 표면에 고정화된 상기 수용체 분자(13)는 각각 하나 이상이 존재할 수 있다. 특히 상기 마이크로 비드(12)의 표면에 수용체 분자(13)가 복수개 존재하는 경우에는 하나의 마이크로 비드(12)에 복수개의 자성 나노입자(11)가 결합할 수 있게 된다.

본 발명의 일실시형태에 따른 자기력 기반 생체분석을 수행하기 위해, 수용 액 상에 떠있는 수용체 분자(13)가 고정되어 있는 마이크로 비드(12)를 준비하고 검출분자(14)와 반응시켜준 후 수용액 상에 떠있는 수용체 분자(13)가 고정되어 있는 자성 나노입자(11)를 넣어 반응시킴으로써 생체분자 반응에 의한 반응물을 형성시킨다.

이때 수용체가 고정되어 있는 자성 나노입자(11) 및 마이크로 비드(12)가 검출분자(14)와 결합하게 되는 생체분자 반응은, 바이러스 항원과 바이러스 항체, 병원성 미생물과 병원성 미생물 항체 등의 각종 항원-항체간 반응, 바이오틴과 애버딘, 면역글로불린 G와 단백질 A, 호르몬과 호르몬 수용체, DNA와 DNA 수용체, RNA와 RNA 수용체 또는 약물과 약물 수용체간의 반응 등을 포함하는 생리활성 물질쌍간의 반응으로 구성될 수 있다.

상기 반응물을 도 1의 주입부(2)에 주입하고 동시에 같은 종류의 완충용액을 집속용액 주입부(1)에 흘려주면 도 4에서 보는 바와 같이 집속용액 흐름부(3)를 통과한 완충용액은 유체의 집속부(4)에 도달하여 반응물을 집속시키게 된다.

상기 유체의 집속부(4)에서 집속된 채 흐르는 상기 반응물은 도 1의 자기력 인가부(7)에 의해 경로 변경부(5) 유체 채널 내부에서 자기장의 세기와 자기장의 변화에 의한 자기력의 영향을 받게 된다.

도 5 와 도 6에서는, 자기력의 존재 여부에 따라 집속된 반응물이 경로 확인부(6)에서 흐르는 모습을 나타내고 있다.

자기력이 존재하지 않을 경우에 집속된 반응물은 자신의 경로를 따라 경로 확인부(6)에서 도 5에 나타난 바와 같이 흐르게 된다. 상기 경로 확인부(6)는 상기 경로 변경부(5)의 유체 채널의 중심선을 중심으로 비대칭적으로 구성되는 복수의 갈림길을 갖는 구조로 이루어져 있다. 유체 채널의 이러한 비대칭성은 자기력의 영향을 받지 않은 반응물이 자신의 경로를 유지하도록 한다.

한편, 자기력이 존재하여 그 영향을 받은 반응물은 자신의 경로를 이탈하게 되고, 그러한 경로이탈은 도 6에 나타난 바와 같이 경로 확인부(6)에서 확인할 수 있다. 자기력을 받은 반응물은 일반적으로는 복수의 갈림길을 각각 통과하는 비율이 자기력을 받기 전과 비교하여 변화하게 된다. 도 5에서는 아래쪽의 경로를 경유하던 반응물이 자기력의 영향을 받아 도 6에서는 위쪽의 경로로 변화한 것을 볼 수 있다. 즉 이 경우는 0:1의 통과 비율에서 1:0의 통과비율로 변화한 것이다.

도 1의 자기력 인가부(7)에서 인가되는 상기 자기력은 칩 외부에 영구자석이나 전자석을 배치함으로써 인가가 가능하다. 또한 칩 외부의 자기력 인가부(7)와는 별도로, 칩 내부에 전극을 배열하여 미세 전자기장을 발생시켜 자기력을 인가하는 것도 가능하다. 이러한 자기력은 자기장의 세기와 자기장 변화 값에 비례하여 발생하므로 자기장을 변화시켜가며 경로의 이탈 정도를 결정할 수가 있다. 자기장의 세기가 약하거나 자기장의 변화값이 적게 주어지면, 반응물은 상대적으로 작은 힘을 받고 경로 이탈 정도나 속도가 작아진다. 반대로 자기장의 세기가 강하고 자기장의 변화값이 크게 주어지면, 반응물은 상대적으로 큰 힘을 받고 경로 이탈 정도나 속 도가 증가하게 된다. 반응물의 관점에서 볼 때, 검출분자(14)가 다량 존재하게 되면 자성 나노입자(11)가 각각의 마이크로 비드(12)와 결합하는 수가 증가하게 되므로 반응물은 더 큰 힘을 받게 된다.

이처럼 검출분자(14)의 농도에 따라 반응물의 경로 이탈 정도나 속도가 영향을 받게 된다. 결국, 검출분자(14)의 농도와 유체 채널에 가해주는 자기장이라는 두 가지 요소가 반응물의 경로이탈 정도나 속도를 결정하게 된다. 그러므로 특정 농도의 검출분자(14)를 검출하기 위해서, 유체 채널에 가해주는 자기장을 변화시켜가며 특정 자기장에서의 반응물의 경로이탈이나 속도를 측정하여 분자를 검출하는 자기력 기반 생체분석 방법을 구축할 수 있게 된다.

본 발명에 일실시형태에 따른 상기 반응물의 경로 변경을 확인하는 경로 확인부(6)는 유체 채널의 구조적 특성을 이용하여 자기력에 의한 유체 내의 반응물의 경로 변경 유무를 확인하는 구조를 가지도록 구성될 수 있다.

상기 유체 채널의 구조적 특성은, 경로 확인부(6)의 유체 채널의 갈림길을 복수로 구성하고, 자기력에 의해 경로변경 정도가 다른 반응물을 상기 갈림길에서 마이크로 비드의 광학적 특성에 의해 확인할 수 있는 구조를 갖는다.

즉 각각 특정 수용체 분자가 고정되어 있는 상기 마이크로 비드(12)를 색상, 형광 또는 기타 인식 가능한 특징으로 유형을 구분함으로써, 생체분자반응에 의해 결합되는 검출 분자의 종류를 구분가능하도록 하여 한 번의 반응으로 여러 검출분자의 농도를 알아낼 수 있는 다중 검출을 구현할 수 있다.

도 7에서는 본 발명의 일실시형태에 따른 미세 유체 칩의 유체 채널을 통과하는 상기 반응물과 집속용액의 흐름 개요를 나타내고 있다.

도 8에서는 본 발명의 일실시형태에 따른 미세 유체 칩을 이용한 생체분석시스템(18)에 대한 개요를 나타내고 있다. 상기 생체분석시스템(18)은 미세 유체 칩(16)에 시료 전처리부(15)와 검출분자의 광학적 특성을 측정할 수 있는 검출부(17)를 더 포함하여 도 8과 같이 구성될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 특정 고가의 장비없이 미세 유체 채널 내에 미세한 자기력을 인가하는 것만으로 고감도의 생체분석을 가능하게 하며, 색상, 형광 또는 기타 인식가능한 특징의 여러유형의 마이크로 비드를 사용함으로써 한 번의 반응에 의한 다중검출을 가능하게 한다. 또한 본 발명은 이러한 일련의 생체분석 과정을 미세 유체 칩내에서 수행하게 함으로써 랩온어칩 또는 미세 종합 분석시스템이 구현된 간편한 분석시스템의 개발에 유용하다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 자기력 기반 생체분석 방법을 위한 미세 유체 칩의 제작

도 2에 도시한 바와 같이 미세 채널을 위한 플라스틱층(9)과 유리층(10)이 접합된 구조의 자기력 기반 미세 유체 칩을 제작하였다.

플라스틱층은 투명하고 탄성을 갖는 폴리디메틸실록산(polydimethyl-siloxane, 이하 PDMS) 재질을 이용하여 몰딩(molding) 방법으로 제작하였다. 몰딩을 위한 주형(master)은 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 기판 위에 높이 5 ㎛ 인 마이크로 채널을 감광물질(photoresist)로 AZ9260을 사용하여 패터닝하는 방법을 이용하였다. 상기 주형에 PDMS를 붓고 100 ℃ 에서 30분 동안 경화시켰다. 경화단계를 거친 PDMS를 기판에서 분리하고 주입구와 배출구를 위한 구멍을 내어 제작하였다. 이렇게 제작된 PDMS 플라스틱층과 유리층은 공기 플라즈마(air plasma) 처리를 통해 산화시키고 접합하여 미세 유체 채널이 형성된 미세 유체 칩을 제작하였다.

<실시예 2> 자기력 기반 생체분석 방법과 미세 유체 칩을 이용한 토끼 IgG 와 쥐 IgG 의 면역분석방법

상기 <실시예 1>에서 제작한 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용하여 토끼와 쥐 IgG 의 면역분석을 실시하였다.

항 토끼 IgG 가 고정화되어 있는 지름 1 ㎛ 크기의 형광 마이크로 비드와 항 쥐 IgG 가 고정화되어 있는 다른 색의 형광 마이크로 비드를 2×10⁶ 농도로 각각 70 ㎕ 의 pH 7.4 PBS(phosphate buffer saline) 및 0.1 % BSA(bovine serum albumin) 에 준비하여 합쳤다.

준비된 140 ㎕ 마이크로 비드 용액에 분석 대상이 되는 분자인 토끼 IgG 와 쥐 IgG 를 각각 250 ng/㎖ 와 125 ng/㎖ 의 농도로 준비하여 각각 10 ㎕ 씩 10 분 동안 반응시켰다.

다음으로, 항 토끼 IgG 가 고정되어 있는 지름이 50 nm 인 자성 나노입자와 항 쥐 IgG 가 고정되어 있는 자성 나노입자가 포함된 일정한 농도의 용액을 각각 5㎕ 씩 넣고 20분 동안 반응시켜 최종적으로 토끼 IgG 와 쥐 IgG 에 의해 자성 나노입자와 마이크로 비드가 결합된 반응물을 준비하였다.

상기의 준비된 반응물을 도 1의 주입부(2)를 통해 주입하고, 집속용액 주입부(1)로부터 주입되어 집속용액 흐름부(3)를 통해 집속부(4)에 도달하는 집속용액으로 집속시킨 후, 상기 반응물 유체가 일직선으로 흐르도록 하여 자기장의 영향을 받는 경로 변경부(5)로 이동시켰다.

상기 집속된 자성 나노입자와 마이크로 비드 반응물이 자기장의 영향을 받게하기 위해, 칩 내부 또는 외부에서 경로 변경부(5) 유체 채널과 영구자석(7)의 거리를 변화시켜가면서 자기장의 세기 및 자기장의 변화값을 변화시켰다.

상기 집속된 자성 나노입자와 마이크로 비드 반응물은 자기장의 영향을 받는 경로 변경부(5)에서 자기력에 의해 경로가 변하게 되며, 그 경로 변경 여부를 복수의 갈림길을 갖는 구조적인 특징을 지닌 경로 확인부(6)에서 확인하였다.

즉, 외부의 영구자석이 없을 때는 자기장의 영향을 받지 않기 때문에 도 5에서 보는 바와 같이 집속된 경로를 따라 이동하게 된다. 영구자석이 경로 변경부(5) 로부터 4 nm 거리에 위치하였을 때 상대적으로 농도가 높은 250 ng/㎖ 의 토끼 IgG 와 결합한 자성 나노입자와 마이크로 비드 반응물은 자기장의 영향으로 자기력을 받아 집속된 경로를 이탈하여 이동하게 되고, 그 경로는 경로 변경 확인부(6)에서 확인하였다.

영구자석이 경로 변경부(5)로부터 2 nm 거리에 위치하였을 때 상대적으로 농도가 낮은 125 ng/㎖ 의 쥐 IgG 와 결합한 자성 나노입자와 마이크로 비드 반응물역시 자기장의 영향으로 자기력을 받아 집속된 경로를 이탈하여 이동하게 되고, 그 경로를 경로 변경 확인부(6)에서 확인하였다. 뿐만 아니라 마이크로 비드의 농도를 줄여주면 더 농도가 적은 토끼 IgG 의 감지가 가능하다는 것이 증명되었다.

본 발명에 따른 자성 나노입자와 마이크로비드를 이용한 자기력 기반 미세 유체 칩 및 이를 이용한 생체분석장치 및 생체분석방법은 생체분석을 위한 세척(washing)과정을 요구하지 않음으로써 반응시간을 단축시키고, 각각 특정 분자를 검출할 수 있는 수용체가 고정되어 있는 다양한 색상의 마이크로 비드를 이용함으로써 반응효율을 높이고, 한 번의 반응으로 여러가지 생체분자를 검출할 수 있는 다중검출을 구현하며, 시약의 이용량을 줄여 전체적인 비용 절감의 효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라 특정 고가의 기기없이 미세한 자기력의 형성만으로 검출분자에 의한 자성 나노입자와 마이크로 비드의 결합 반응물의 경로 변경을 유도하여 고감도의 생체분석을 실시가능하게 하며, 유체 채널 및 자기장을 발생시키는 전극을 소형화하여 다른 시료 전처리기부 등과 결합하여 일체형으로 제작함으로써 미세 종합 분석시스템 또는 랩온어칩을 구현한 생체분자 검출 시스템을 제공하는 데 유용하다.

Claims

생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자와 마이크로 비드 및 검출분자의 반응물이 주입되는 반응물 주입부;

상기 반응물을 집속해 주는 용액이 주입되는 집속용액 주입부;

상기 반응물이 상기 집속용액에 의해 집속되는 집속부;

상기 집속된 반응물이 자기력에 의해 경로가 변경되는 경로 변경부;

자기력을 받은 상기 반응물의 경로 변경이 확인되는 경로 확인부; 및

상기 집속된 반응물과 상기 집속용액이 배출되는 배출부를 포함하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 집속된 반응물에 자기력을 가하는 자기력 인가부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 2항에 있어서, 상기 자기력 인가부는 상기 경로 변경부로부터 이격되어 위치하는 내부 전극배열인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 3항에 있어서, 상기 전극 배열은 유리, 실리콘, 사파이어 또는 플라스틱 기판 위에 금, 은, 구리, 니켈 또는 백금을 패터닝한 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 주입된 집속 용액이 상기 집속부로 흘러가며, 복수의 갈림길로 구성된 집속 용액 흐름부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 5항에 있어서, 상기 반응물 주입부는 상기 집속 용액 흐름부와 상기 경로 변경부의 연결부에 연결된 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 생체분자 반응은 생리활성 물질쌍간의 반응인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 7항에 있어서, 상기 생리활성 물질쌍간의 반응은 항원-항체, 바이오틴-애버딘, 면역글로불린 G-단백질 A, 호르몬-호르몬 수용체, DNA-DNA 수용체, RNA- RNA 수용체 및 약물-약물 수용체간의 반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 자성 나노입자는 자성 재료인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 9항에 있어서, 상기 자성 재료는 Fe₂O₃, Fe₃O₄또는 FePt 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 9항에 있어서, 상기 자성 나노입자의 크기는 1 내지 99 nm 인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 마이크로 비드는 고분자 비드인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 12항에 있어서, 상기 고분자 비드는 폴리스티렌 또는 폴리메틸메타크릴레이트인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 12항에 있어서, 상기 고분자 비드의 크기는 1 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 자성 나노입자와 마이크로 비드는 그 표면에 각각 상기 검출분자의 수용체 분자가 하나 이상 고정화된 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 15항에 있어서, 상기 수용체 분자는 단일 또는 이중가닥 핵산, 핵산 유사체, 헵텐, 단백질, 펩타이드, 항체, 이들의 단편 또는 당구조물의 수용체 또는 리간드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 자기력 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 경로 확인부는 그 경로의 구조적 특성을 이용하여 상 기 반응물의 자기력에 의한 경로 변경 유무를 확인하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 17항에 있어서, 상기 경로 확인부의 경로는 복수의 갈림길로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 18항에 있어서, 상기 복수의 갈림길은 상기 경로 확인부에 연결된 상기 경로 변경부의 중심선을 중심으로 비대칭적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항에 있어서, 상기 자기력 기반 미세 유체 칩의 구조를 형성하는 미세 유체 채널은, 그 채널 형성 재료가 고분자 물질인 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 20항에 있어서, 상기 고분자 물질은 폴리디메틸실록산, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리사이클릭 올레핀, 폴리이미드 및 폴리우레탄으로 구 성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩.
제 1항 내지 제 21항 중 어느 하나의 항에 따른 자기력 기반 미세 유체 칩에 시료의 전처리부와 검출분자의 광학적 특성을 측정할 수 있는 검출부를 더 포함하는 자기력 기반 생체분자분석시스템
제 1항 내지 제 21항 중 어느 하나의 항에 따른 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법에 있어서,

a) 생체분자 반응에 의해 결합된 자성 나노입자, 마이크로 비드 및 검출분자의 반응물을 준비하는 단계;

b) 집속 용액으로 상기 준비된 반응물을 집속부에 집속시키는 단계;

c) 상기 집속된 반응물이 경로 변경부로 이동하여 자기장의 영향으로 그 경로가 변경되는 단계; 및

d) 경로 확인부에서 자기력을 받은 상기 반응물의 경로 변경 유무를 확인하는 단계를 포함하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.
제 23항에 있어서, 상기 자기력은 외부 영구자석, 외부 전자석, 또는 상기 경로 변경부로부터 이격되어 위치하는 내부 전극배열로부터 인가되는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.
제 23항에 있어서, 상기 d)단계는 상기 경로 확인부의 경로의 구조적 특성을 이용하여 상기 반응물의 자기력에 의한 경로 변경 유무를 확인하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.
제 25항에 있어서, 상기 경로 확인부의 경로의 구조적 특성은 복수의 갈림길로 구성되어, 자기력을 받은 상기 반응물이 상기 복수의 갈림길을 통과하는 비율이 변화하는 것을 확인하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.
제 26항에 있어서, 상기 반응물의 통과비율의 확인은 상기 복수의 갈림길에서 상기 마이크로 비드의 광학적 특성을 관찰하여 확인하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.
제 27항에 있어서, 상기 광학적 특성은 상기 마이크로 비드가 형광물질 또는 양자점과 같은 나노크리스탈 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 자기력 기반 미세 유체 칩을 이용한 생체분석방법.