[논문]원형 다중전극을 이용한 DNA 조작소자

문상준; 윤재영; 남홍길; 지연태; 이승섭

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.7.1071

문제 정의

의 경우, DNA 와 같은 생물학적 분자들의 혼성화(Hybridization) 과정에 전기장을 사용함으로써 DNA-DNA 간의 결합반응을 개선 하였다.'' 또한 영 국의 University of Wales, Bangor에서는 불 균일한 전기장을 형성하는 AC 전압을 이용하여 생물 분자를 조작하는 방법에 대하여 연구하였다.的 이러한 기존의 방법들은 단순한 전극의 형상과 개별 전극간의 간섭으로 인하여 생물학적 반응을 독립적으로 조작하기 어렵고, DNA 증폭과 같은 생물학적 반응을 위한 생물 분자의 조작에 한계가 있었던 것이 사실이다.
따라서 본 논문은 PCR 중 주변 전극에서의 반응에 간섭 받지 않고 각각의 전극에서 길이가 다른 DNA 를 증폭할 수 있는 능동적인 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 원형 다중전 극으로 구성된 반응부(Reaction unit)의 외곽전극과 중앙 전극에 인가되는 동적 전기장을 조절함으로써 전하를 갖는 생물 분자들을 전극주위에 집중(Concentration), 확산 (Dispersion), 조작 (Manipulation)하여 생물학적 분자들 사이의 상호작용을 조절할 수 있는 DNA 조작소자에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 기존의 개별 전극으로 DNA 를 조작할 경우 발생되는 시료의 확산과 혼합반응을 피하기 위해 단일 반응부내의 시료의 반응조작을 수행하였다. 원형 다중전극에서의 동적 전기장의 조절로 양 또는 음의 전하를 갖는 생물학적 분자를 단일 반응부 주위에서 집중, 확산, 조작할 수 있음을 형광을 부착한 DNA 를 이용하여 제시하였다.

제안 방법

DNA 분자의 집 중 (Concentration) 과 확산 (Repulsion)은 중심전극과 외 곽전극에 각각+2~-2V의 전압을 인가하여 관찰하였다. 전극 표면에서 TBE 버퍼 (Buffer)의 전기분해로 인하여 3V 이상의전압을 인가하면 거품(Bubble)이 생성되므로 실험을 위해 인가하는 최대 전압은 2V 로 제한하였다.
DNA 의 회 전조작은 각각의 외 곽전극을 따라 반대 극성인 +1V/-1V 의 전압을 5 초 동안 반복적으로 인가하면서 촬영하였다. Fig.
것으로 기대된다. 또한, 생물학적 반응에 필요한 온도를 조절하기 위한 온도제어부는 저 응력 박막상에서 마이크로 히터와 센서로 일체화하여 제작하였으며, 생물학적 다중반응에 필요한 열원으로써의 특성과 반응에 필요한 온도를 감지하기 위한 온도-저항 특성을 실험하였다.
제어하였다. 반응부에서의 DNA 조작실험에서, DNA 분자는 광학현미경에서 직접 관찰될 수 없으므로 형광물질 (Cy-5) 이 결합된 DNA (5‘ 에 Cy5 가 수식 된 “5‘ - Cy5 - TAA TAC GAC TCA CTA TAG GG - 3' ” 합성 올리고 뉴클레오타이드)분자와 TBE(Tris-Borate/EDTA)를 혼합하여 미소 반응용기 내에서 움직이는 형광을 촬영하였다. 형광 물질이 결합된 DNA 의 움직임을 관찰하기 위하여 약한 형광(Fluorescence)을 검출할 수 있는 고감도 CCD 카메 라(Rofer Scientific, Cool SNAPx)를 사용하여 촬영하였다.
반응부의 중앙전극과 외곽전극에서 전압을 인가하여 DNA 분자의 운동성과 조작성을 실험하였고, 임의 주파수의 전압과 전하량을 임의로 변화시킬 수 있는 가변전압을 인가하기 위해 다채널(Multi channel) D/A 변환기 (National Instruments™, NI6704)로 반응부의 전극과 온도제어부의 히터를 독립적으로 제어하였다. 반응부에서의 DNA 조작실험에서, DNA 분자는 광학현미경에서 직접 관찰될 수 없으므로 형광물질 (Cy-5) 이 결합된 DNA (5‘ 에 Cy5 가 수식 된 “5‘ - Cy5 - TAA TAC GAC TCA CTA TAG GG - 3' ” 합성 올리고 뉴클레오타이드)분자와 TBE(Tris-Borate/EDTA)를 혼합하여 미소 반응용기 내에서 움직이는 형광을 촬영하였다.
산화에 의한 전극의 손실을 방지하기 위해 전극으로 사용된 Au 의 두께는 5000A으로 제작하였으며, 기판과의 접착성 향상을 위해 크롬(Cr) 500A과 함께 열 증착기(Thermal evaporator)로 각각 증착 하였다. 아래 Au 전극 층과 유체의 절연성 향상을 위한 SOG 의 두께는 5000A으로 회전도포기(Spin Coater)에서 5000rpm 으로 회전 도포한 후 80℃-150'C-450℃의 세단계로 경화(Curing)하였다.
온도제어부는 빠른 온도변화에 대한 열손실을 줄이기 위하여 저 응력 질화막(Si〕%) 기판을 사용하여 TMAH(Tetra Methyl Ammonium Hydroxide)용액에 서 기 판 미 세 식 각(Bulk micro maching)으로 제 작하였다. 제작된 질화 박막의 크기는 3X3X O.
형광 물질이 결합된 DNA 의 움직임을 관찰하기 위하여 약한 형광(Fluorescence)을 검출할 수 있는 고감도 CCD 카메 라(Rofer Scientific, Cool SNAPx)를 사용하여 촬영하였다. 온도제어부에서 히터의 열 분포 특성과 시정수, 인가 전력과의 관계는 적외선 카메라(ThermaCAM®, PM695)를 사용하여 계측하였고 Au 로 제작된 RTD 온도 센서의 저항변화 특성은 반응 용기 외부에 부착시킨 외부 열전대를 이용하여 측정하였다.
원형 다중전극에서의 동적 전기장의 조절로 양 또는 음의 전하를 갖는 생물학적 분자를 단일 반응부 주위에서 집중, 확산, 조작할 수 있음을 형광을 부착한 DNA 를 이용하여 제시하였다.
반응부에서의 DNA 조작실험에서, DNA 분자는 광학현미경에서 직접 관찰될 수 없으므로 형광물질 (Cy-5) 이 결합된 DNA (5‘ 에 Cy5 가 수식 된 “5‘ - Cy5 - TAA TAC GAC TCA CTA TAG GG - 3' ” 합성 올리고 뉴클레오타이드)분자와 TBE(Tris-Borate/EDTA)를 혼합하여 미소 반응용기 내에서 움직이는 형광을 촬영하였다. 형광 물질이 결합된 DNA 의 움직임을 관찰하기 위하여 약한 형광(Fluorescence)을 검출할 수 있는 고감도 CCD 카메 라(Rofer Scientific, Cool SNAPx)를 사용하여 촬영하였다. 온도제어부에서 히터의 열 분포 특성과 시정수, 인가 전력과의 관계는 적외선 카메라(ThermaCAM®, PM695)를 사용하여 계측하였고 Au 로 제작된 RTD 온도 센서의 저항변화 특성은 반응 용기 외부에 부착시킨 외부 열전대를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

절연 층의 패턴은 AZ5214 를 마스크로 사용하여 건식 식각기(RIE)에서 CE, 가스로 5 분간 식각(etching)하여 형성하였다. 미소 반응용기는 일정한 반응 부피를 유지하기 위하여 고폭비의 음성 감광제(SU-8, 50)를 사용하여 100 ㎛의 높이로 제작되었다.
반응부의 원형 다중전극은 금(Au)과 SOG(Spin-On-Glass)< 사용해 각각 전극과 절연층을 형성하였다. 산화에 의한 전극의 손실을 방지하기 위해 전극으로 사용된 Au 의 두께는 5000A으로 제작하였으며, 기판과의 접착성 향상을 위해 크롬(Cr) 500A과 함께 열 증착기(Thermal evaporator)로 각각 증착 하였다.
아래 Au 전극 층과 유체의 절연성 향상을 위한 SOG 의 두께는 5000A으로 회전도포기(Spin Coater)에서 5000rpm 으로 회전 도포한 후 80℃-150'C-450℃의 세단계로 경화(Curing)하였다. 절연 층의 패턴은 AZ5214 를 마스크로 사용하여 건식 식각기(RIE)에서 CE, 가스로 5 분간 식각(etching)하여 형성하였다. 미소 반응용기는 일정한 반응 부피를 유지하기 위하여 고폭비의 음성 감광제(SU-8, 50)를 사용하여 100 ㎛의 높이로 제작되었다.
제작된 소자의 전체 크기는 20X20mm² 이고 반응부의 지름은 200 ㎛이다. 공정이 끝난 소자는 Fig.
DNA 와 같은 전하를 가진 생물 분자를 조작하기 위한 반응부는 전기장에 의해 DNA 의 분리, 혼합, 결합 반응을 유도하며, 미소반응용기는 시료의 투입과 증발을 방지하고 적정한 반응부피를 유지한다. 형성된 반응용기는 덮개 유리(Cover 이ass)와 고폭비의 음성 감광제(SU-8)를 사용하였다. 온도제어부는 반응에 필요한 빠른 온도 변화와 적정한 온도의 유지를 위해 박막상에 제작되었으며 일체형의 마이크로 히터와 온도센서를 가지고 있다.

성능/효과

DNA 의 이동도(Mobility)를 증가시키기 위해 제한 전압이상으로 전압을 증가시키면 전극표면에서 TBE 버퍼의 전기분해가 발생되지만 외곽 전극에 인가되 는 전압의 극성변화주기 를 빠르게 함으로써 외곽 전극에서 일어나는 전기분해를 부분적으로 억제함을 관찰하였다. 따라서 외곽전극의 운동성은 교류(AC) 극성을 이용하여 운동성을 증가시킬 수있음声 알 수 있다.
8(b)와 같이 적외선 이미지로 촬영된 박막의 온도 분포로부터 박막주위에서 급격한 온도변화가 있는 것을 알 수 있다. 히터의 최대 발열온도는 220℃~32(TC 이며 최고발열온도 이상에서는 열팽창으로 인하여 Au 박막이 기판으로부터 떨어져 나가는 것이 관찰되었다. 촬영된 열화상과 열전대를 이용하여 측정된 RTD 센서의 온도-저항계수는 0.

후속연구

단일 반응부에서의 DNA 분자의 조작은 반응에 필요한 생물 분자들을 임의의 전극위치에 분포 시키고 원형의 다중 전극을 이용하여 전극 주위에서 DNA 및 PCR 생성물의 확산에 의한 간섭을 방지함으로써 분석 감도와 반응특성을 향상시 킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 생물학적 반응에 필요한 온도를 조절하기 위한 온도제어부는 저 응력 박막상에서 마이크로 히터와 센서로 일체화하여 제작하였으며, 생물학적 다중반응에 필요한 열원으로써의 특성과 반응에 필요한 온도를 감지하기 위한 온도-저항 특성을 실험하였다.

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