[논문]회전각도를 이용한 알부민 농도 측정용 3차원 종이 칩

김동호; 정성근; 이창수

doi:10.9713/kcer.2020.58.2.286

[국내논문] 회전각도를 이용한 알부민 농도 측정용 3차원 종이 칩
Angular-based Measurement for Quantitative assay of Albumin in three-dimensional Paper-based analytical Device 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.2, 2020년, pp.286 - 292

김동호 (충남대학교 응용화학공학과) , 정성근 (충남대학교 응용화학공학과) , 이창수 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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본 연구에서는 별도의 이미지 분석 장비를 사용하지 않고 정량적으로 알부민의 농도를 측정할 수 있는 회전각도를 이용한 3차원 종이 칩(3D-PADs)를 제시한다. 변색된 구간의 회전각도를 측정하는 간단한 방법으로 검출을 시연하였다. 3D-PADs는 왁스 프린터를 이용한 인쇄와 라미네이팅 과정을 거쳐 빠르게 제작할 수 있다. 3D-PADs는 샘플의 알부민을 검출하기 위하여 citrate buffer와 tetrabromophenol blue를 흡수시켰다. 3D-PAD의 흡수패드에 샘플 용액을 흡수시키면, 샘플 용액은 형성된 유로를 통하여 수직 및 수평 흐름을 통해 분석 구간으로 흐른다. 변색된 구간의 회전각도는 특정한 알부민의 농도를 나타내며, 알부민 측정의 신뢰할 수 있는 값임을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents an angular-based measurement on three-dimensional paper-based analytical devices (3D-PADs) for quantitative detection of albumin without using an image analyzer. We demonstrate a simple quantitative and straightforward approach based on the angle of the discolored area as detection criteria. 3D-PADs are rapidly fabricated by the wax-printing and laminating process. The 3D-PADs are treated with citrate buffer and tetrabromophenol blue to react with albumin in a sample solution. Dropping sample solution into sample pad in the 3D-PAD, fluid flows toward the assay zone laterally and vertically by capillary action. We find that the change of angle of the discolored area correctly reflects the concentration of albumin and is reliable determinant for the measurement of the albumin concentration. It is the first demonstration of angular-based detection as a simple, inexpensive, and equipment-free approach for point-of-care diagnosis.

Keyword

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Fabrication procedure of three-dimensional paper-based analytical devices (3D-PADs).
그림 Fig. 2. Formation of three dimensional fluidic channels based on single and double-sided printing and lamination.
그림 Fig. 3. The comparison of the flow rate between curved and straight channel.
그림 Fig. 4. Snapshot images of angular-based measurement 3D paper-based device after the introduction of a sample solution with different concentrations of BSA (Negative, +1, +2, +3 (0.1, 0.3, 1.0, 3.0 mg/ml), and 8 mg/ml according to urine test criteria).
그림 Fig. 5. Quantitative measurement of the change of angle in the 3D-PAD.

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 본 논문에서는 앞에서 언급한 별도의 이미지 분석 장비를 필요로 하는 점과 고농도에서의 검출 해상도가 떨어지는 현상을 해결한 고해상도의 저렴하며 간단한 방법으로 소변 내 알부민의 농도를 측정하여 질병의 진단 및 관리를 할 수 있는 회전각도를 이용하는 곡선형 종이 기반 진단기구를 제시하고자 한다.

제안 방법

0 mg/ml으로 농도 별로 용액을 만들어 냉장고(4^oC)에서 보관하여 사용하였다. 또한 TBPB를 이용한 BSA의 검출은 단백오차법의 원리를 이용하므로 pH 3.0을 유지하기 위해 citric acid buffer solution (CBS)를 제작하여 사용하였다. CBS는 0.
이때, 흡수 패드와 분석 구간의 거리, 곡선형 유로의 형태는 흡수 패드와 분석 구간을 나누는 왁스장애물의 작용을 고려하여 설계하였다.
1(b)). 이를 이용하여 BSA가 이동한 구간에 해당하는 눈금을 읽어 회전각도를 구하였다. BSA의 이동거리에 따른 회전각도는 육안으로 측정하였으며, BSA에 의해 변색된 구간과 변색되지 않은 경계선이 직선 형태가 아니므로, 가장 많이 이동한 지점(BSA 이동구간 최대값)을 BSA의 이동 구간으로 정의하여 회전각도를 구하여, 이를 BSA의 농도로 정의하였다.
우리는 직선형 유로와 곡선형 유로에서의 유체의 유속 및 이동거리의 차이를 확인하기 위하여 직선형 및 곡선형 유로에 마이크로 파이펫을사용하여, 흡수패드에유체를떨어뜨리는방법으로유속을 측정하였다. 직선형 및 곡선형 유로는 양면 프린팅 방법을 통하여 한쪽에만 인쇄된 경우 높이가 낮은 유로를 형성하며, 양쪽에 인쇄된 경우 종이의 두께보다 왁스가 흡수된 높이가 더 크므로 소수성 왁스 장벽을 형성한다(Fig.
이때, 흡수 패드와 분석 구간의 거리, 곡선형 유로의 형태는 흡수 패드와 분석 구간을 나누는 왁스장애물의 작용을 고려하여 설계하였다. 각 분석 구간에는 소수성 물질인 TBPB와 산세기를 조절하기 위해 CBS를 흡수시켜 실험하였다. TBPB와 CBS를 처리 않은 곡선 및 직선형 유로를 지닌 2개의 종이칩의 경우, 양쪽 모두 최종 종결지점(22.
우리는 직선형 유로에 비해 빠른 유속을 갖는 곡선형 유로를 사용하여 각도를 이용한 농도 측정을 확인하기 위하여 단백뇨 진단의 기준인 0.3, 1.0, 3.0 mg/ml 의 샘플을 흡수 패드에 40 μl 주입하고 관찰하였다.
우리는 BSA의 농도 변화와 회전각도의 관계를 알기 위하여 각각 다른 BSA농도(0.1-8.0 mg/ml)를 갖는 샘플을 40 μl의 양만큼 흡수 패드에 흡수시켰다.
이러한 유속의 차이는 특히, 고농도 샘플의 이동거리 차이를 발생할 것이며, 곡선형 유로에서 더욱 먼 거리를 이동하게 되어, 검출구간을 최대로 늘릴 수 있으므로 기존의 진단 키트가 지닌 고농도 구간의 검출 불가 문제를 해결할 수 있다. 따라서 최종적으로 이 연구에서는 고농도 구간의 측정을 위한 종이 기반의 농도 측정 진단 기기로써 곡선형 유로를 가지며, 중앙에 흡수 패드를 위치하는 형태로 진단 기기를 디자인하였다.
3 mg/ml 이하의 농도에 대해서는 흡수 패드와 분석 구간을 이어주는 연결 구간이상 BSA가 진행하지 못하여 분석 구간에서 변색이 나타나지 않는 것을 관찰할 수 있었다. 우리는 이러한 결과를 통하여 단백뇨 의 진단 기준 +1, +2, +3 의 농도에 해당되는 각도를 표시하여 설계하였다. 이와 같이 본 진단 기기에서 단백뇨 진단 기준을 표기하는 방법은 기존의 단백뇨 진단 방법인 단백오차법에 근거한 반정량적인 진단방법에서 육안으로 판단하기에는 빛의 정도, 판단하는 사람의 기준에 따라 달라지는 결과를 보이는 단점을 해결하기 위해서는 고가의 이미지 분석장비를 필요로 하는 데에 반하여[33-35], 별도의 장비 없이, 육안으로 회전각도를 확인하는 방법으로 +1, +2, +3의 질병 진단을 할 수 있는 간단한 진단 법이다.
0 mg/ml)를 갖는 샘플을 40 μl의 양만큼 흡수 패드에 흡수시켰다. 그 후 분석 구간 옆에 표시된 눈금을 사용하여 변색된 구간의 회전각도를 측정하였다. 그 결과 BSA에 의하여 변색된 구간의 회전각도가 각각의 농도에 대하여 각각 특정한 값들을 갖는 것을 확인할 수 있었다(Fig.

대상 데이터

회전각도를 이용한 고농도 구간의 고해상도의 정량분석이 가능한 종이 기반 진단기구를 제시하기 위하여, 검출 대상으로는 BSA(Sigma-Aldrich, St. Louis, MO)를 사용하였으며, 검출을 위한 지시약으로는 tetrabromophenol blue (TBPB)를 사용하였다. TBPB는 25% 에탄올에 용해시켜 1 mg/ml TBPB 용액으로 제작하여 냉장고(4^oC)에서 보관하여 사용하였다.
종이 칩의 패턴은 Adobe Illustrator CS6를 사용하여 설계하였다. 설계된 패턴은 왁스 프린터(wax printer, Xerox colorqube 8870)을 사용하여 종이(Whatman 3MM chromatography paper)에 인쇄하였다.

이론/모형

이렇게 발색된 색상을 관측함으로써 농도를 결정하는 방법을 비색반응법이라고 한다[15,16]. 위의 두가지 방법은 이러한 비색반응법의 하나로써 단백오차법을 사용한다. 단백오차법에 사용되는 지시약인 TBPB는 짧은 컨쥬게이션 결합 길이의 구조를 가지고 있다[17-21].

성능/효과

이 때, 분석 구간의 각도를 증가시켜 분석 범위를 증가시킬 경우 모세관 현상을 이용하는 종이 기반의 분석 기기의 한계로 인하여 180o이상의 구간에서 유체가 흐르지 않는 것을 확인하였다.
3(c)). 하지만, TBPB와 CBS를 흡수시킨 직선형 유로를 지닌 종이칩의 경우, 최종 종결지점에 도착하는 시간이 평균 295.2 초이었으며, 곡선형 유로는 최종 종결 지점에 도착하는 시간이 평균 192.8 초로 직선형 유로에 비하여 대략 100초 이상 빠르게 도착하였다. 이는 곡선형 유로가 종이칩에서 유속 증가를 시킬 수 있음을 보여주고 있다.
0 mg/ml 의 샘플을 흡수 패드에 40 μl 주입하고 관찰하였다. 그 결과 진단 기준에 해당하는 각 농도에 대하여 각각 17.5, 84.5, 116^o의 특정한 회전각도를 측정할 수 있었으며, 제작된 기기에서 8.0 mg/ml 까지 측정할 수 있음을 확인하였다(Fig. 4.). 이 때, 분석 구간의 각도를 증가시켜 분석 범위를 증가시킬 경우 모세관 현상을 이용하는 종이 기반의 분석 기기의 한계로 인하여 180^o이상의 구간에서 유체가 흐르지 않는 것을 확인하였다.
이 때, 분석 구간의 각도를 증가시켜 분석 범위를 증가시킬 경우 모세관 현상을 이용하는 종이 기반의 분석 기기의 한계로 인하여 180^o이상의 구간에서 유체가 흐르지 않는 것을 확인하였다. 또한, 곡선형 유로에서도 고농도 구간의 회전각도차이가 저농도 구간에 비하여 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 TBPB와 BSA가 반응하여 비색 반응을 일으킬 때, TBPB의 술폰화기와 BSA가 정전기적 결합을 하며 인하여 정체현상이 발생하는 것에 기인한다[31,32].
이는 TBPB와 BSA가 반응하여 비색 반응을 일으킬 때, TBPB의 술폰화기와 BSA가 정전기적 결합을 하며 인하여 정체현상이 발생하는 것에 기인한다[31,32]. 이에 의하여 1.0 mg/ml의 농도에 대하여 약 90^o 의 회전각도를 보여주는 것에 비해 2.0 mg/ml 의 농도가 증가한 3.0 mg/ml 의 농도에 대하여 22^o 정도의 회전각도 증가를 보여주는 것에서 정체현상이 곡선형 유로에서도 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 0.
0 mg/ml 의 농도에 대하여 22^o 정도의 회전각도 증가를 보여주는 것에서 정체현상이 곡선형 유로에서도 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 0.3 mg/ml 이하의 농도에 대해서는 흡수 패드와 분석 구간을 이어주는 연결 구간이상 BSA가 진행하지 못하여 분석 구간에서 변색이 나타나지 않는 것을 관찰할 수 있었다. 우리는 이러한 결과를 통하여 단백뇨 의 진단 기준 +1, +2, +3 의 농도에 해당되는 각도를 표시하여 설계하였다.
그 후 분석 구간 옆에 표시된 눈금을 사용하여 변색된 구간의 회전각도를 측정하였다. 그 결과 BSA에 의하여 변색된 구간의 회전각도가 각각의 농도에 대하여 각각 특정한 값들을 갖는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 5). 제작된 진단기기를 사용하여 육안으로 분석할 수 있는 BSA 최대 농도는 8.
또한, 기존 직선 유로에서의 거리 기반의 농도 측정 방법의 경우 TBPB와 BSA의 반응에 의한 정체현상이 발생하여 고농도 구간의 측정에 어려움이 존재하였다. 상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 연구에서 제시한 곡선형 회전각도 기반의 농도 측정 종이 칩은 곡선형 유로로 인한 유속 증가 효과에 의하여 BSA와 TBPB 반응의 정체 현상을 해결할 수 있었으며, 0.3 mg/ml 의 낮은 농도의 단백질을 측정할 수 있었다. 또한, 기존 진단키트에서는 측정하기 어려운 고농도 구간(4.
3 mg/ml 의 낮은 농도의 단백질을 측정할 수 있었다. 또한, 기존 진단키트에서는 측정하기 어려운 고농도 구간(4.0-8.0 mg/ml)의 단 백질을 125-155^o의 회전각도 구간에서 99.6%의 높은 신뢰도를 지닌 정량분석을 수행할 수 있었다. 만성 신장 질환 환자의 경우, 식단 및 생활 패턴의 지속적인 관리 및 치료가 불가피하므로 본인의 단백뇨 진행상황을 알기 위하여 수시로 진단해야 하며, 질병 관리의 측면에서 간편한 단백뇨 검출방법이 절실히 필요하다.
0~20 mg/ml), +4 (20 mg/ml 이상) 까지의 4단계의 기준에서 +1부터 +3에 해당하는 각각의 농도 측정이 가능하기 때문에 +1부터 +3의 진단 범위에 해당하는 환자들의 단백뇨 농도 변화를 정량적으로 측정하는 것이 가능하다. 또한, 기존의 거리기반의 농도 측정 방법에서 고농도 구간(+3, 3.0 mg/ml 이상)의 경우 육안으로 농도를 정량적으로 측정하기에 TBPB와 BSA 의 정체현상에 의하여 어려움이 있었으나, 본 논문의 회전각도를 이용한 농도 측정 방법은 고농도 구간에서도 정량적으로 측정할 수 있음을 확인하였다. 이를 통하여 본 종이 칩은 +1, +2, +3의 진단기준에 따라 질병을 진단하는 것에 끝나지 않고, 지속적인 관리 및 치료가 필요한 +3 이상의 만성 신장 질환 환자에게 저렴하고 간편하게 자신의 단백뇨 농도 변화를 정량적으로 알 수 있도록 하여 질병의 관리의 측면에서 장점을 갖는다.

후속연구

만성 신장 질환 환자의 경우, 식단 및 생활 패턴의 지속적인 관리 및 치료가 불가피하므로 본인의 단백뇨 진행상황을 알기 위하여 수시로 진단해야 하며, 질병 관리의 측면에서 간편한 단백뇨 검출방법이 절실히 필요하다. 따라서, 본 논문에서 규명한 저렴한 종이와 간단한 공정을 통하여 만들어지는 고농도 구간의 고 검출 해상도를 갖는 회전각도 기반의 농도 측정 종이 칩은 별도의 이미지 분석 장치 없이 수시로 환자의 질병상태 및 치료 예후를 관찰할 수 있어, 적은 비용을 질병의 진행상황 및 치료 예후를 정량적으로 확인하고 추가적인 조치의 필요성을 판단할 수 있다. 이는 만성 질환 환자가 증가하고, 고령화 사회에 따라 고령 환자가 증가하는 현 시대에 경제적 문제로 인하여 진단 비용을 감당하기 어려운 여러 계층에게 저가의 진단 방법으로써 만성 질환의 조기 진단 및 관리를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.
따라서, 본 논문에서 규명한 저렴한 종이와 간단한 공정을 통하여 만들어지는 고농도 구간의 고 검출 해상도를 갖는 회전각도 기반의 농도 측정 종이 칩은 별도의 이미지 분석 장치 없이 수시로 환자의 질병상태 및 치료 예후를 관찰할 수 있어, 적은 비용을 질병의 진행상황 및 치료 예후를 정량적으로 확인하고 추가적인 조치의 필요성을 판단할 수 있다. 이는 만성 질환 환자가 증가하고, 고령화 사회에 따라 고령 환자가 증가하는 현 시대에 경제적 문제로 인하여 진단 비용을 감당하기 어려운 여러 계층에게 저가의 진단 방법으로써 만성 질환의 조기 진단 및 관리를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단백뇨란?	0 mg/ml 이상의 농도의 경우 단백뇨로 진단한다. 단백뇨는 정상인의 경우 알부민을 사구체에서 여과하지 않도록 되어 있으나, 신장 질환 등의 이유로 소변에서 알부민이 배출되는 현상이다. 이러한 단백뇨는 전신부종, 신부전증, 당뇨성 망막증 등 여러 합병증을 진단할 수 있으며, 치료를 하지 않을 경우 투석 또는 장기 이식이 필요할 수 있어 조기 진단 및 관리가 매우 중요하다.
	거리기반의 직선형 농도 측정용 종이 칩은 무엇을 해결하기 위해 제시되엇나?	이 설정된 구간을 이용하여 분석 물질의 검출 대상이 일정 구간 내의 농도 범위에 있음을 지정하는 분석 방법이다 [24,25]. 따라서, 반정량분석법인 요검사용 시험지로는 질병의 진행 상황 정도를 정량적으로 확인할 수 없으며, 질병 관리의 측면에서도 환자의 상태를 정량적으로 확인할 수 없다는 단점이 존재한다.
	단백뇨 진단기기에는 무엇이 있나?	기존의 소변검사를 통한 단백뇨 진단기기는 요검사용 시험지(urine dipstick)와 거리기반의 직선형 농도 측정용 종이 칩이 있다. 요검사용 시험지의 경우 소혈청알부민(bovine serum albumin, BSA)에 반응하는 tetrabromophenol blue (TBPB)가 흡수 패드에 흡착되어 있어, 소변을 시험지에 적신 후에 흡수 패드의 색 변화를 통하여 질병 진단에 활용한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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