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문제 정의
- 본 논문에서는 미소 유전자시료전처리시스템의 일체형 패키징을 위한 MSI 기술을 제안하고, 이를 설계, 제작, 시험 평가하였다. MSI는 플러그 방식의 유체 인터커넥터, 유체제어를 위한 미소밸브, 광학 인터페이스를 위한 광학창을 미소유체시스템에 일체형으로 구현하였다.
- 본 논문에서는 스테레오리소그라피기술 기반의 MSI를 이용하여 유리기반의 미소유체시스템에 미소유체 인터커넥터, 유체제어요소, 광학창을 일체형으로 집적할 수 있는 실용적 패키징기술을 제안한다. 나아가 제안된 MSI가 적용된 미소 유전자시료전처리시스템의 DNA 고체상추출(SPE; solid phase extraction) 및 중합효소연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction) 의 성공적인 실험결과로 부터 MSI가 미소유체시스템을 위한 실용적 패키징 기술임이 검증된다.
제안 방법
- DNA 고체상추출과정은 loading, washing, elution 단계로 구성되며, 6 M GuHCl, 이소프로판올, TE 버퍼를 각각 loading, washing, elution 용액으로 사용하였다. λ-DNA 1 ng/µl가 포함된 loading 용액을 고체상추출 채널에 180 µl/h 속도로 주입하고, 출구에 나오는 용액을 2 µl씩 10번 추출하였다.
- 본 논문에서는 미소 유전자시료전처리시스템의 일체형 패키징을 위한 MSI 기술을 제안하고, 이를 설계, 제작, 시험 평가하였다. MSI는 플러그 방식의 유체 인터커넥터, 유체제어를 위한 미소밸브, 광학 인터페이스를 위한 광학창을 미소유체시스템에 일체형으로 구현하였다. 유체 인터커넥터는 사용이 간편하고, 크기가 작으며, 오링을 사용하여 유체누설을 방지할 수 있으며, 한 번에 다수의 인터커넥션이 가능한 소켓형 인터커넥터로 발전될수 있을 것으로 기대된다.
- 광학창 #1의 실용성을 테스트하기 위해 유전자전처리시스템의 중합효소연쇄반응을 실험하였으며, 이때 사용된 주형은(template) λ-phage DNA이고 forward와 reverse 프라이머의 sequences는 각각 5´-GGTGCTTTATGACTCTGCCGC-3´ 과 5´-AGCGCC-CTTCCTGGTATGC-3´였다.
- 플러그 방식의 유체 인터커넥터는 2개의 오링이 사용되며, 오링 #1은 접착제가 채널로 유입되는 것을 막고 오링 #2는 유체 인터커넥터의 유체누설을 방지한다. 밸브구멍을 화학적 식각을 이용하여 반구형으로 형성함으로써 드릴에 의한 거친 표면으로부터 발생할 수 있는 유체누설을 방지하였다. Latex 박막은 공압이 가해지면 채널을 밸빙(valvong)하며, MSI와 유리칩을 접합할 때 밸브포트에 의해 하부기판까지 눌러진다(Fig.
- 미세유체소자(4,8)에 사용되는 탄성 중합체 밸브는 고성능을 위하여 신축성과 신뢰성 있는 탄성중합체 박막이 요구된다. 본 논문에서 제안하는 미소밸브는 Fig. 2에서 보이는 것처럼 유리칩과 MSI가 따로 제작된 후 접합과정에서 완성됨으로써 다양한 탄성중합체가 밸브박막으로 사용될 수 있는 장점을 지니고 있다. 또한 MSI에는 Fig.
- 광학창 #1의 실용성을 테스트하기 위해 유전자전처리시스템의 중합효소연쇄반응을 실험하였으며, 이때 사용된 주형은(template) λ-phage DNA이고 forward와 reverse 프라이머의 sequences는 각각 5´-GGTGCTTTATGACTCTGCCGC-3´ 과 5´-AGCGCC-CTTCCTGGTATGC-3´였다. 본 논문의 중합효소연쇄반응은 적외선을 이용한 비접촉식 (33)으로 94℃, 58℃, 72℃의 열 반복을 30회 수행하였다 (Fig. 10). 중합효소연쇄반응 동안 외부오염과 용액증발을 방지하기 위해 미소밸브 #1과 #2를 닫았다.
- 1과 같이 광원과의 인터페이스를 위해 광학창이 고안되었다. 본 연구에서는 광학창이 적외선을 이용한 중합효소연쇄반응과 레이저를 이용한 형광측정을 위해 적용된다.
- 본 연구에서는 정교한 유체제어를 위하여 미소 밸브를 미소유체시스템과 일체형으로 구현하였다. 밸브채널의 깊이와 폭은 각각 60 µm와 400 µm이고, 반구형 밸브구멍의 직경은 0.
- Figure 4(b)에서 보이는 진공포트(vacuum port)는 유리칩과 MSI 사이에 접착제가 모세관 현상으로 스며드는 동안 공기배출을 위해 고안되었으며, 유체 인터커넥터와 미소밸브에 최대한 가까이 놓였다. 유리칩과 MSI를 접합한 후 내부와 외부직경이 각각 0.9 mm, 2.8 mm 인 오링 #2를 핀셋을 사용하여 유체 인터커넥터에 고정 하였다. Figure 5는 칩 1과 칩 2로 제작된 미소 유전자시료전처리시스템을 보이고 있으며, 11개의 유체인터커넥터, 2개의 미소밸브, 중합효소연쇄반응을 위한 적외선 조사 및 레이저광학측정을 위해 2개의 광학창을 포함하고 있다.
- 추출된 모든 샘플은 DNA에 선택적으로 결합하는 형광색소인 PicoGreen® (invitrogen-Molecular ProbesTM)을 이용하여 샘플의 형광세기를 측정하였고, 각각의 샘플에 포함된 DNA를 정량화하였다.
대상 데이터
- 미소밸브의 탄성중합체 박막으로 120µm 두께의 latex 박막이 사용되었다(Fig.
- 밸브채널의 깊이와 폭은 각각 60 µm와 400 µm이고, 반구형 밸브구멍의 직경은 0.9 mm로 제작되었다.
- 외부광원과 광학측정이 유전자시료전처리시스템에 직접 적용될 수 있도록 광학창이 고안되었다. 본 연구에서는 적외선을 이용한 중합효소연쇄반응을 위해 광학창 #1이, 레이저를 이용한 DNA 형광측정을 위해 광학창 #2가 제작되었다. 광학창 #1의 실용성을 테스트하기 위해 유전자전처리시스템의 중합효소연쇄반응을 실험하였으며, 이때 사용된 주형은(template) λ-phage DNA이고 forward와 reverse 프라이머의 sequences는 각각 5´-GGTGCTTTATGACTCTGCCGC-3´ 과 5´-AGCGCC-CTTCCTGGTATGC-3´였다.
- 사용된 스테레오리소그라피시스템(Viper SI2, 3D Systems Corp., Valencia, CA)의 레이저빔 지름은 75 µm이고 수평과 수직해상도는 각각 2 µm 와 25±1 µm이다.
- 5 cm2 , 5 × 10 cm2 이다. 사용된 오링#1은 내부와 외부직경이 각각 1.8 mm와 3.7 mm이며, 유리칩과 MSI를 접합하기 전에 유체 인터커넥터에 고정되었다. 밸브에 사용되는 5 mm 직경의 latex 박막은 perfect-glueTM 2 (Macco, Cleveland, OH)를 사용하여 밸브구멍 위에 접착되었다.
- 실험에서 사용된 모세관튜브(TEPLON® FEP tubing, Upchurch, Oak Harbor, WA)의 내경은 각각 0.25 mm, 0.5 mm, 0.75 mm, 1.0 mm였다.
이론/모형
- 9 λ-phage DNA extraction profile from the automated micro SPE device. The amount of DNA in each fraction was assayed by the PicoGreenⓇ fluorescent method.
성능/효과
- 광학창 #1은 중합효소연쇄반응의 열 반복과정 동안 외부 적외선 광원과의 인터페이스를 위해 사용되었다. 결론적으로 본 논문에서는 MSI 기술이 적용된 미소 유전자시료전처리시스템으로부터 고체상추출과 중합효소연쇄반응을 성공적으로 수행함으로써, 제안된 MSI 기술이 미소유체시스템의 패키징을 위해 실용적으로 활용될 수 있음을 보였다.
- 본 논문에서는 스테레오리소그라피기술 기반의 MSI를 이용하여 유리기반의 미소유체시스템에 미소유체 인터커넥터, 유체제어요소, 광학창을 일체형으로 집적할 수 있는 실용적 패키징기술을 제안한다. 나아가 제안된 MSI가 적용된 미소 유전자시료전처리시스템의 DNA 고체상추출(SPE; solid phase extraction) 및 중합효소연쇄반응(PCR; polymerase chain reaction) 의 성공적인 실험결과로 부터 MSI가 미소유체시스템을 위한 실용적 패키징 기술임이 검증된다.
- 0 mm였다. 실험결과에서 모세관튜브의 내경이 증가할수록 pull-out 압력이 점점 감소함을 확인하였으며, 오링이 두개인 경우가 하나인 경우 비해 pull-out 압력이 약두 배 정도 증가하는 것을 확인하였다. 사용된 인터커넥터는 한 번에 다수의 인터커넥션이 가능한 소켓형 인터커넥터로 발전될 수 있을 것으로 기대된다.
- 8(c)). 이 결과로부터 사용된 일체형 미소밸브가 유전자시료전처리시스템의 순차적 유체제어에 활용될 수 있음을 확인하였다.
- Figure 7(b)는 밸브압력과 유체압력 변화에 따른 유체의 누설여부를 실험한 결과이다. 이로부터 0~450 kPa 밸브압력범위에서 누설직전의 유체압력과 밸브압력이 선형적인 관계임을 알 수 있으며, 밸브압력이 유체압력에 비해 150 kPa 이상일 경우 채널이 완전히 닫힘을 확인할 수 있었다. Figure 8은 두개의 미소밸브를 이용하여 유전자시료전처리시스템의 유체제어를 순차적으로 할 수 있음을 보이고 있으며, 이때 사용된 밸브압력은 400 kPa이었다.
후속연구
- 실험결과에서 모세관튜브의 내경이 증가할수록 pull-out 압력이 점점 감소함을 확인하였으며, 오링이 두개인 경우가 하나인 경우 비해 pull-out 압력이 약두 배 정도 증가하는 것을 확인하였다. 사용된 인터커넥터는 한 번에 다수의 인터커넥션이 가능한 소켓형 인터커넥터로 발전될 수 있을 것으로 기대된다.
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