[논문]PDMS 블레이드 코팅법을 이용한 종이-기반 바이오센서칩 제작

정헌호; 박차미

doi:10.9713/kcer.2021.59.1.100

PDMS 블레이드 코팅법을 이용한 종이-기반 바이오센서칩 제작
Fabrication of Paper-based Biosensor Chip Using Polydimethylsiloxane Blade Coating Method 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.59 no.1, 2021년, pp.100 - 105

정헌호 (전남대학교 공학대학 화공생명공학과) , 박차미 (전남대학교 공학대학 화공생명공학과)

초록
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본 연구는 적은 비용으로 분석 장치 없이 질병 진단 및 경과를 모니터링할 수 있는 종이-기반 분석 장치(paper-based analytical device, PAD)를 제작하기 위해 polydimethylsiloxane (PDMS) 블레이드 코팅 방법을 제안하였다. PAD 디자인은 레이저 커팅 기술로 쉽게 몰드에 적용할 수 있으며, 제작된 몰드로 블레이드 코팅을 수행하여 완전한 소수성 장벽 형성에 필요한 조건을 확립하였다. 코팅 조건인 잉크의 두께와 종이와의 접촉시간에 따라 PDMS 소수성 장벽의 구조와 친수성 채널의 크기 변화를 분석하여 안정적으로 소수성 장벽을 형성할 수 있는 조건을 최적화하였다. 최적화된 방법을 바탕으로 PAD를 제작하여 특별한 분석기기 없이 단백질, 당, 메탈이온을 검출하여 바이오센서에 응용가능함을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes the polydimethylsiloxane (PDMS) blade coating method for fabrication of paper-based analytical device (PAD) that is able to monitor the disease diagnosis and progress without special analytical equipment. The mold that has PAD design is easily modified by using laser cutting technique. And the fabricated mold is used for hydrophobic barrier formation by blade coating. We have optimized the stable formation of PDMS hydrophobic barrier as blade coating condition, which is established by analyzing the structure of the PDMS hydrophobic barrier and change of hydrophilic channel size as thickness of the ink and contact time with the chromatography paper. Based on optimal condition, we demonstrate that PAD as biosensor can apply to detect protein, glucose, and metal ion without special analysis equipment.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of PAD fabrication in the chromatogra-phy paper by PDMS blading coating. (A) Acrylic plate mold cutting using programmed laser. (B) Preparation of blade coating by putting spacers on acrylic plate. (C) Loading and blading the PDMS solution along the spacers. (D) Forma-tion of thin PDMS layer and (E) detachment of acrylic mold with selectively coated PDMS layer. (F-G) Assembly of chro-matography paper and PDMS coated mold and then put the glass slide onto the paper top. (H) Formation of hydrophobic barrier after disassembly of paper and acrylic mold.
그림 Fig. 2. The optimal thickness of blade coated PDMS ink on the acrylic mold. (A) Cross-sectional views of the cured PDMS within the paper at different ink thickness. PDMS non-patterned region stained with pink color, indicating the hydrophilic channel region. No staining indicate the PDMS hydrophobic barriers. Scale bar indicates 0.4 mm. (B) Quantitative result for penetration rate of PDMS in the paper at different ink thickness.
그림 Fig. 3. The optimal thickness of blade coated PDMS ink on the acrylic mold. (A) Top views of the PDMS cured paper at different ink thickness. PDMS non-patterned region stained with pink color, indicating the hydrophilic channel region. No staining region indicates the PDMS hydrophobic barriers. Scale bar indicates 10 mm. (B) Quantitative result for hydrophilic region are in the paper at different ink thickness.
그림 Fig. 4. The optimal contact time of PDMS blade coated mold and chromatography paper. (A) Quantitative result for penetra-tion rate of PDMS in the paper at different contact time. (B) Quantitative result for hydrophilic region are in the paper at different contact time.
그림 Fig. 5. The PAD for a multiplexed assay including protein, glucose, and Ni²⁺. (A) Schematic diagram of PAD operation. The PAD is designed to detect three type of materials. The sample solution is absorbed into the main channel and transportead into the protein, glucose Ni²⁺ detection regions. (B) Positive colorimetric detection for each 1 mg/ml BSA, 1 mg/ml D-glucose, or 0.1 M Ni²⁺ solution.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 종이기반의 바이오센서칩인 PAD를 제작하기 위해 PDMS 블레이드 코팅 방법을 제안하였으며 완전한 소수성 장벽형성에 필요한 조건을 확립하였다. PAD 디자인의 확장성과 자율성을 위해 레이저 커팅 기술을 적용하여 몰드를 제작하여 블레이드 코팅을 수행하였다.
본 연구에서는 PDMS 고분자 블레이드 코팅 기술을 이용하여 종이-기반의 바이오센서칩 제작 방법을 개발하였다. 이때 소수성 장벽의 역할을 하는 PDMS를 종이 내에 특정 디자인으로 형성하는 것이 중요하다.

가설 설정

(A) Quantitative result for penetration rate of PDMS in the paper at different contact time. (B) Quantitative result for hydrophilic region are in the paper at different contact time.

제안 방법

필요한 조건을 확립하였다. PAD 디자인의 확장성과 자율성을 위해 레이저 커팅 기술을 적용하여 몰드를 제작하여 블레이드 코팅을 수행하였다. 코팅 조건인 잉크의 두께와 종이와의 접촉시간에 따라 PDMS 소수성 장벽의 구조와 친수성 채널의 크기 변화를 분석하여 최적의 조건을 확인한 결과, 잉크의 두께 최소 0.
6 mm로 조절하여 PAD제작한 후 종이의 측면을 관찰하였다. 구조물을 시각화 하기 위해 친수성 부분에 수용성 염료가 포함된 수용액을 종이에 흘려 흡수 시켜 이미지화 및 분석하였다(Fig. 2). 그 결과 코팅된 PDMS 잉크가 얇은 경우(0.
다음으로, 최적화된 조건으로 제작된 PAD의 검출 능력을 확인하기 위해 생체물질(BSA, 글루코스) 및 금속이온(니켈이온) 분석을 수행하였다. Fig.
사용하였다. 당분석을 위해 glucose oxidase, o-dianisidine, peroxidase, D-glucose를 사용하였으며, 단백질 분석은 tetrabromopheno blue sodium salt (TBPB), Bovine serum albumin (BSA)를 사용하였다. Ni이온을 분석하기 위해 sodium fluoride, sodium thiosulfate, dimethylglycoxine, nikel chloride를 사용하였으며 시약은 sigma-aldrich에서 구매하였다.
PDMS 잉크의 양이 충분하여도 침투 될 수 있는 시간이 부족한 경우 완전한 소수성 장벽 형성이 이루어질 수 없다. 따라서 이를 최적화하기 위해 잉크의 두께는 앞서 최적화 하였던 0.6 mm로 고정한 상태에서 접촉시간을 변화하여 PDMS 장벽의 침투율와 친수성 채널의 면적을 측정하였다(Fig. 4). 그 결과 접촉시간이 120 sec로 증가함에 따라 침투율은 증가하였으며 이후로는 침투율이 100%에 도달하였다(Fig.
PDMS 블레이드 코팅을 균일하게 하기 위해기판 양쪽 끝에 일정한 두께를 갖는 스페이서를 두었으며 잉크의 역할을 하는PDMS 코팅 두께는 스페이서의 두께에 따라 달라질 수 있다. 먼저 PDMS 잉크 코팅 두께에 따라 종이에 전사되는 PDMS 구조를 확인하기 위해 잉크의 두께를 0.2~0.6 mm로 조절하여 PAD제작한 후 종이의 측면을 관찰하였다. 구조물을 시각화 하기 위해 친수성 부분에 수용성 염료가 포함된 수용액을 종이에 흘려 흡수 시켜 이미지화 및 분석하였다(Fig.
본 논문에서 고분자블레이드 코팅 방법을 적용하여 PDMS 기반의 친환경적인 PAD 제작 방법 개발 및 바이오센서에 응용하였다. 종이에 형성되는 소수성 장벽 구조는 블레이드 코팅 조건인 고분 자와 종이 간의 접촉시간과 잉크 두께에 따라 변화하였으며 PAD 제작을 위한 최적의 조건을 확인하였다.
블레이드코팅 조건에 따른 소수성장벽의 변화를 관찰하기 위해수용액 잉크를 종이에 흡수시킨 후 현미경(Stereo zoom microscope, Amscope)으로 촬영하였으며 이를 ImageJ 프로그램을 이용하여 분석하였다. PAD기반의 비색분석을 위한 물질대상은 글루코즈 (glucose), 단백질, 니켈 이온(Ni⁺)로 선정하여 수행하였다.
6 mm에서는 PDMS 장벽이 종이내부 전체에 형성되어 수용액이 통과되지 않는 것을 확인하였다. 이 결과를 정량적으로 분석하여 종이의 내부에 형성된 PDMS 장벽의 두께를 침투율(penetration rate)로 나타내었으며, 이는 PDMS가 침투된 깊이를 전체 종이의 두께로 나누어 나타내었다. 이때 0%는 PDMS가 침투되지 않은 종이를 나타내며, 50%는 전체 종이의 절반부분까지 PDMS 장벽이 형성되었으며, 100%는 종이의 전체 두께 0.
우선, 유체가 흐를 수 있는 친수성 채널을 형성하기 위해서는 종이에 선택적인 소수성장벽 인쇄가 필요하다. 이를 위해 원하는 PAD의 형태를 AutoCAD 프로그램으로 디자인하여 레이저기기(Laser engraving & cutting machine, Thunder laser, NOVA24)에 입력하면 원하는 형태의 아크릴을 커팅하여 구조물을 제작하였다(Fig. 1A). 블레이드 코팅을 준비하기 위해 커팅된 상태의 아크릴에 일정한 두께의 스페이서를 부착하였다 (Fig.
종이에 형성되는 소수성 장벽 구조는 블레이드 코팅 조건인 고분 자와 종이 간의 접촉시간과 잉크 두께에 따라 변화하였으며 PAD 제작을 위한 최적의 조건을 확인하였다. 제작된 PAD를 기반으로 색 변화를 이용한 분석방법을 적용한 결과 당, 단백질, 이온을 한 장치에서 검출이 가능함을 증명하였다.
3A). 채널의 크기는 길이와 너비에서 동시에 감소하였으며 이를 정량적인 분석을 위해 친수성 채널 부분의 면적을 측정하여 결과를 얻었다(Fig. 3B). 모든 제작조건에서 형성된 친수성 채널의 면적은 초기 디자인의 친 수성 채널 부분의 면적인 60 mm² (3 mm × 20 mm) 보다 감소하였다, 특히, PDMS 소수성장벽의 역할이 가능했던 0.
크로마토그래피 종이에 PDMS 소수성 장벽을 형성하기 위해 블레이드 코딩방법을 고안하였다(Fig. 1). 우선, 유체가 흐를 수 있는 친수성 채널을 형성하기 위해서는 종이에 선택적인 소수성장벽 인쇄가 필요하다.

대상 데이터

당분석을 위해 glucose oxidase, o-dianisidine, peroxidase, D-glucose를 사용하였으며, 단백질 분석은 tetrabromopheno blue sodium salt (TBPB), Bovine serum albumin (BSA)를 사용하였다. Ni이온을 분석하기 위해 sodium fluoride, sodium thiosulfate, dimethylglycoxine, nikel chloride를 사용하였으며 시약은 sigma-aldrich에서 구매하였다.
PAD기반의 비색분석을 위한 물질대상은 글루코즈 (glucose), 단백질, 니켈 이온(Ni⁺)로 선정하여 수행하였다. 당 분석을 위해 먼저 0.
PAD를 제작하기 위해 크로마토그래피종이(Whatman 3MM chromatography)를 이용하였으며, 소수성장벽 형성은 polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow corning, USA)을 사용하였다. 당분석을 위해 glucose oxidase, o-dianisidine, peroxidase, D-glucose를 사용하였으며, 단백질 분석은 tetrabromopheno blue sodium salt (TBPB), Bovine serum albumin (BSA)를 사용하였다.
(A) Schematic diagram of PAD operation. The PAD is designed to detect three type of materials. The sample solution is absorbed into themain channel and transported into the protein, glucose Ni²⁺ detection regions.

성능/효과

4 mm에 PDMS 장벽이 형성되었음을 의미한다. 그 결과 잉크의 두께가 두꺼울수록 침투율은 점차 증가되는 경향을 보이며 대략 0.5 mm이상의 잉크 두께에서 완전한 PDMS 장벽이 형성되고 있음을 확인하였다(Fig. 2B). 이때 잉크의 두께가 낮은 조건에서 표준편차의 값이 큰 이유는 각 종이마다 내부 섬유네트워크가 차이가 있어 PDMS 용액이 침투되는 정도에 영향을 미치는 것으로 여겨진다.
4). 그 결과 접촉시간이 120 sec로 증가함에 따라 침투율은 증가하였으며 이후로는 침투율이 100%에 도달하였다(Fig. 4A). 완전한 소수성 장벽은 120 sec에서도 형성이 되었지만 각 PAD마다 오차가 있어 불완전한 장벽이 형성된 PAD의 분율이 높아 최소 150 sec 이상의 접촉 시간이 필요함을 확인하였다.
2). 그 결과 코팅된 PDMS 잉크가 얇은 경우(0.2~0.4 mm) 종이 내부를 통과하여 반대편 면까지 침투하지 못하였으며, 이 경우 소수성 장벽의 역할이 불가능하여 수용액이 장벽 아랫부분으로 흘러 누출이 발생하는 것을 확인하였다(Fig. 2A). 반면, 코팅된 잉크가 충분히 두꺼운 0.
3에서는 잉크의 두께에 따라 제작된 PAD의 친 수성 채널 부분에 염료를 흘려주어 채널의 크기 변화를 확인하였다. 그 결과 코팅된 잉크가 두꺼울수록 친수성 채널의 크기가 전체적으로 좁아지는 것을 시각적으로 확인할 수 있다(Fig. 3A). 채널의 크기는 길이와 너비에서 동시에 감소하였으며 이를 정량적인 분석을 위해 친수성 채널 부분의 면적을 측정하여 결과를 얻었다(Fig.
각 검출채널에는 BSA, 글루코스, 니켈이온을 비색검출할 수 있는 시약이 흡수 되어 있다. 따라서 분석 샘플이 각 검출채널에 도달하면 검출시약과 화학적 반응한 후 색으로 나타나게 되어 특별한 분석기기 없이 검출이 가능하다. BSA 검출은 단백뇨 진단에 필요한 검사로 황색의 TBPB가 단백질과 만나 결합하면 파이전자의 전자준위가 낮아져 청색으로 변화하여 확인할 수 있다(Fig.
3B). 모든 제작조건에서 형성된 친수성 채널의 면적은 초기 디자인의 친 수성 채널 부분의 면적인 60 mm² (3 mm × 20 mm) 보다 감소하였다, 특히, PDMS 소수성장벽의 역할이 가능했던 0.6 mm 잉크두께 조건에서 친수성 채널의 면적은 28.5 mm²으로 대략 50% 감소했음을 확인하였다. 이는 PDMS 용액이 아크릴 몰드에서 종이로 전사될 때 x-, y-, z-축 모든 방향으로 이동하며 흡수되기 때문이다.
5 mm와 접촉시간 150 sec에서 가장 안정적으로 소수성 장벽을 형성하였다. 상기의 최적화된 방법을 바탕으로 PAD를 제작하여 특별한 분석기기 없이 단백질, 당, 메탈이온을 검출하여 바이오센서에 응용가능함을 증명하였다. 따라서, 본 연구를 통해 개발한 PAD는 고가의 분석 장치 없이 적은 비용으로 질병 진단 및 진행상황을 모니터링할 수 있어 환자의 부담 감소 및 치료의 즉각적인 대처가 가능할 것으로 기대한다.
4A). 완전한 소수성 장벽은 120 sec에서도 형성이 되었지만 각 PAD마다 오차가 있어 불완전한 장벽이 형성된 PAD의 분율이 높아 최소 150 sec 이상의 접촉 시간이 필요함을 확인하였다. Fig.
종이에 형성되는 소수성 장벽 구조는 블레이드 코팅 조건인 고분 자와 종이 간의 접촉시간과 잉크 두께에 따라 변화하였으며 PAD 제작을 위한 최적의 조건을 확인하였다. 제작된 PAD를 기반으로 색 변화를 이용한 분석방법을 적용한 결과 당, 단백질, 이온을 한 장치에서 검출이 가능함을 증명하였다. 따라서 PDMS 기반의 PAD는 바이오센서, 환경물질 검출, 진단 및 치료분야 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.
PAD 디자인의 확장성과 자율성을 위해 레이저 커팅 기술을 적용하여 몰드를 제작하여 블레이드 코팅을 수행하였다. 코팅 조건인 잉크의 두께와 종이와의 접촉시간에 따라 PDMS 소수성 장벽의 구조와 친수성 채널의 크기 변화를 분석하여 최적의 조건을 확인한 결과, 잉크의 두께 최소 0.5 mm와 접촉시간 150 sec에서 가장 안정적으로 소수성 장벽을 형성하였다. 상기의 최적화된 방법을 바탕으로 PAD를 제작하여 특별한 분석기기 없이 단백질, 당, 메탈이온을 검출하여 바이오센서에 응용가능함을 증명하였다.

후속연구

제작된 PAD를 기반으로 색 변화를 이용한 분석방법을 적용한 결과 당, 단백질, 이온을 한 장치에서 검출이 가능함을 증명하였다. 따라서 PDMS 기반의 PAD는 바이오센서, 환경물질 검출, 진단 및 치료분야 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.
상기의 최적화된 방법을 바탕으로 PAD를 제작하여 특별한 분석기기 없이 단백질, 당, 메탈이온을 검출하여 바이오센서에 응용가능함을 증명하였다. 따라서, 본 연구를 통해 개발한 PAD는 고가의 분석 장치 없이 적은 비용으로 질병 진단 및 진행상황을 모니터링할 수 있어 환자의 부담 감소 및 치료의 즉각적인 대처가 가능할 것으로 기대한다.

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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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