KR101575056B1 - Protein preconcentration device using capillary and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝 된 모세관의 마이크로 채널을 이용한 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 마이크로 채널을 형성하는 모세관; 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막; 및 모세관의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)를 포함하며, 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 마이크로 채널을 통과하면서 이온 선택성 막 전단의 특정 영역에 농축되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a protein concentration device using a microchannel of a capillary having a patterned material capable of selectively ion-permeation and a method of manufacturing the same, wherein the protein concentration device comprises: a capillary forming a microchannel; An ion selective membrane formed by patterning a material capable of selectively ion permeation at a predetermined position of a capillary; And a protein sample reservoir formed at both ends of the capillary and capable of generating a potential difference across both ends of the microchannel, the positive electrode and the negative electrode being connected to each other, wherein predetermined protein particles to be obtained in the protein sample And is concentrated in a specific region of the ion selective membrane front end while passing through the microchannel.

Description

모세관을 이용한 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법{PROTEIN PRECONCENTRATION DEVICE USING CAPILLARY AND FABRICATION METHOD THEREOF}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a protein concentration device using a capillary,

본 발명은 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝 된 모세관의 마이크로 채널을 이용한 단백질 농축 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a protein concentration device and a method for producing the same, and more particularly, to a protein concentration device using a microchannel of a capillary having a selective ion permeable material patterned thereon and a method for manufacturing the same.

현대의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강하게 오래 사는 건강수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서 미래의학은 치료의학 중심이 아니라, 예방의학(Preventive Medicine), 예측의학(Predictive Medicine), 맞춤의학(Personalized Medicine)의 3P를 구현하는 것으로 패러다임이 변화하고 있다. 이를 구체적으로 실현하기 위해서는 질병의 조기발견 및 조기 치료 등이 매우 중요한 수단이 되고 있으며, 이를 위한 수단으로서 바이오마커(biomarker)에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.Modern medicine aims not only to extend life span, but also to prolong the healthy life long life. Therefore, future medicine is not centered on therapeutic medicine, but paradigm is changing by implementing 3P of Preventive Medicine, Predictive Medicine, and Personalized Medicine. Early identification and early treatment of diseases are becoming very important means to achieve this specifically, and biomarkers have been actively studied as a means to achieve this.

바이오마커는 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료반응을 예측할 수 있고 객관적으로 측정할 수 있는 표지자를 말한다.A biomarker is a marker that can distinguish between normal or pathological conditions, or can be predicted and objectively measured.

바이오마커에는 핵산 DNA, RNA(유전자), 단백질, 지방질, 대사물질 등과 그 패턴의 변화 등이 이용되고 있다. 즉, 당뇨병의 진단을 위한 혈중 포도당 같은 간단한 물질부터 글리벡의 치료 타겟인 만성골수성백혈병의 bcr-abl 유전자 융합 같은 유전자 등이 모두 바이오마커에 해당하며 임상에서 실제적으로 사용하는 바이오마커이다.Biomarkers include nucleic acid DNA, RNA (genes), proteins, lipids, metabolites, and their pattern changes. In other words, biomarkers such as bcl-abl gene fusion of chronic myelogenous leukemia, which is a therapeutic target of Gleevec, from simple substances such as blood glucose for diagnosis of diabetes are all biomarkers practically used in clinical practice.

DNA(Deoxyribonucleic Acid)는 핵내에 존재하는 유전자 물질이며, 유전자는 생물체가 생성하는 단백질의 종류를 결정해주는 화학 정보가 저장된 곳이다. 인체를 구성하는 정보들은 DNA를 분석함으로써 파악할 수 있으며, 질병의 예방 및 치료를 위하여 다양한 DNA 분석 기법이 연구 개발 및 활용되고 있다. DNA를 이용하여 질병을 분석하기 위해서는 PCR(Polymerase Chain Reaction)이라는 유전자 증폭기술을 사용하고 있다. PCR은 DNA의 이중나선을 연속적으로 분리시켜 생긴 단일가닥을 새로운 이중나선을 만드는 원본으로 사용하기 위하여 열에 안정한 DNA 중합효소로 가열 및 냉각을 반복하는 것으로서, 우선 DNA에 열을 가하여 2개의 사슬로 나눈다. 이것에 '프라이머(primer)'라고 하는 짧은 DNA를 추가하여 냉각하면 프라이머가 DNA에 결합하게 된다. 이것에 DNA 폴리머라아제(Polymerase)라는 효소를 더하면 프라이머 부분이 출발점이 되어 DNA가 복제된다. 이 '가열 및 냉각'이라고 하는 1사이클로 DNA는 2배가 된다. 이것을 수십 회 반복하면 약 1시간에 DNA는 수십억 배로 불어난다. DNA (Deoxyribonucleic Acid) is a genetic material that exists in the nucleus, and a gene is a place where chemical information that determines the kind of protein that an organism produces is stored. The information constituting the human body can be grasped by analyzing the DNA, and various DNA analysis techniques are being researched and utilized for the prevention and treatment of diseases. To analyze disease using DNA, gene amplification technology called PCR (Polymerase Chain Reaction) is used. PCR is a method of repeating heating and cooling with a thermostable DNA polymerase to use a single strand produced by sequential separation of a double strand of DNA as an original to make a new double strand. First, heat the DNA and divide it into two chains . Add a short DNA called "primer" to this and cool it so that the primer binds to the DNA. When an enzyme called DNA polymerase is added to this, the primer part becomes the starting point and the DNA is replicated. The DNA is doubled in one cycle called "heating and cooling". Repeating this dozens of times will cause DNA to multiply in billions of times in about an hour.

단백질(protein)은 아미노산(amino acid)이라고 하는 비교적 단순한 분자들이 연결되어 만들어진 복잡한 분자로, 대체적으로 분자량이 매우 큰 편이다. 단백질을 이루고 있는 아미노산에는 약 20 종류가 있는데, 이 아미노산들이 화학결합을 통해 서로 연결되어 폴리펩티드(polypeptide)를 만든다. 이때 아미노산들의 결합을 펩티드결합이라 하며, 이러한 펩티드결합이 여러(poly-)개 존재한다는 뜻에서 폴리펩티드라 부른다. 넓은 의미에서 단백질도 폴리펩티드라 할 수 있으며, 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩티드라 하고, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 한다. 이와 같은 단백질은 생물체의 몸의 구성하는 대표적인 분자이며, 세포 내의 각종 화학반응의 촉매 역할과 면역(免疫)을 담당하는 물질이다. 단백질은 이처럼 생체를 구성하고 생체내의 반응 및 에너지 대사에 참여하는 매우 중요한 유기물이다. Protein is a complex molecule made up of relatively simple molecules called amino acids, and is generally very large in molecular weight. There are about 20 kinds of amino acids that make proteins. These amino acids are connected to each other through chemical bonds to form polypeptides. In this case, the binding of amino acids is referred to as a peptide bond, and the peptide bond is referred to as a polypeptide. Proteins in a broad sense can also be called polypeptides. In general, a polypeptide having a relatively small molecular weight is referred to as a polypeptide, and a protein having a very large molecular weight is referred to as a protein. Such a protein is a representative molecule constituting the body of an organism, and is a substance that acts as a catalyst for various chemical reactions in cells and immunity (immunity). Proteins are very important organisms that constitute living organisms and participate in in vivo reactions and energy metabolism.

상기와 같은 DNA 또는 단백질을 분석하여 암 또는 질병의 발연 및 진행정도를 파악할 수 있다. 특히 암 등의 난치병 조기진단과 치료를 위해서는 혈액 속에 들어 있는 단백질 중 정상세포가 암세포로 발전하는 초기 단계에서 미세한 변화를 보이는 지표 단백질을 찾아내는 혈액지문분석 기법이 알려져 있다.By analyzing the DNA or protein as described above, it is possible to grasp the fuming and progress of the cancer or disease. In particular, for the early diagnosis and treatment of intractable diseases such as cancer, a blood fingerprint analysis technique is known in which an indicator protein showing minute changes in the initial stage of normal cells in the blood is developed into cancer cells.

혈액지문분석이란, 암의 유무에 따라 인체의 대사 물질들이 변화될 수 있다는데 착안하여, 암환자들의 혈액 내에 존재하는 대사 물질들의 질량분석데이터를 종합적으로 분석해 패턴의 변화추이를 통해 암 발생 여부를 진단하는 기법이다. Blood fingerprint analysis is a comprehensive analysis of the metabolism data of metabolites present in the blood of cancer patients, taking into account that metabolites of the human body can change depending on the presence or absence of cancer. .

그러나 현재 소개되어 있는 단백질 분석을 위한 기술 및 소자들은 나노 기술을 이용함으로써 소자의 제작이 어렵고 비교적 고가이어서 보급화 되기 어려운 문제점이 있다. 또한, 단백질 분석 장치에 고감도의 센서가 필요하거나 적은 샘플로는 정확한 분석이 어렵다는 단점이 있다.
However, the present technology and devices for protein analysis are difficult to fabricate devices by using nanotechnology, and are relatively expensive and difficult to be popularized. In addition, there is a disadvantage in that a high sensitivity sensor is required for a protein analyzer or it is difficult to perform accurate analysis with a small sample.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모세관에 선택적 이온투과가 가능한 물질을 패터닝하여 매우 간단하고 효율적으로 단백질을 농축할 수 있는 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a protein concentration device capable of concentrating a protein in a very simple and efficient manner by patterning a material capable of selectively ion permeation into a capillary.

또한, 마이크로 채널에 선택적 이온투과 막을 형성함으로써 나노 채널을 사용하지 않더라도 농축 효율이 우수한 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a protein concentration device which is excellent in concentration efficiency even when a nano channel is not used by forming a selective ion permeable membrane on a microchannel.

또한, 농축 소자 자체만으로 바이오 에세이가 가능하거나, 질량분석기(Mass Spec), ESI spray 등의 장비와 연결이 용이하여 확장성이 우수한 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.It is also an object of the present invention to provide a protein concentration device that is easy to be connected to equipment such as a mass analyzer (Mass Spec), ESI spray, etc., and can be easily expanded only by the concentration device itself.

또한, 각종 MEMS 센서 및 플루이딕 센서 등에 단백질 농축 플러그 공급이 가능한 단백질 농축 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
Another object of the present invention is to provide a protein concentration device capable of supplying a protein concentration plug to various MEMS sensors and fluidic sensors.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 마이크로 채널을 형성하는 모세관; 상기 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막; 및 상기 모세관의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)를 포함하며, 상기 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 마이크로 채널을 통과하면서 상기 이온 선택성 막 전단의 특정 영역에 농축되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a protein concentration device comprising: a capillary tube for forming a microchannel; An ion selective membrane formed by patterning a material capable of selectively ion permeation at a predetermined position of the capillary; And a protein sample reservoir formed at both ends of the capillary and capable of generating a potential difference across both ends of the microchannel, the positive and negative electrodes being connected to the positive and negative electrodes, respectively, Is concentrated in a specific region of the front of the ion selective membrane while passing through the microchannel in which the ion-selective membrane is formed.

바람직하게는 상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질은 나피온(nafion)인 것을 특징으로 한다.Preferably, the selective ion permeable material is nafion.

또한, 바람직하게는 상기 모세관의 일측단을 선택적 이온 투과가 가능한 물질 용액에 디핑(dipping)하고, 상기 모세관을 소정 온도에서 가열함으로써 상기 이온 선택성 막이 상기 모세관의 전단부 내부 및 외부 표면에 패터닝 형성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, one end of the capillary is dipped into a solution of a selective ion permeable substance, and the capillary is heated at a predetermined temperature so that the ion selective membrane is patterned on the inner and outer surfaces of the front end of the capillary .

또한, 바람직하게는 상기 모세관 일측단으로부터 중앙부로 상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 포함된 주사기의 니들(needle)을 삽입하여 상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 주입하고, 상기 모세관을 소정 온도에서 가열함으로써 상기 이온 선택성 막이 상기 모세관 중앙부 내부 표면에 패터닝 형성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, preferably, a needle of a syringe containing the selective ion permeable substance is inserted from one end of the capillary to the center thereof to inject the selective ion permeable substance, and the capillary is heated at a predetermined temperature And the ion selective film is patterned on the inner surface of the capillary central part.

본 발명의 실시예에 의하면, 모세관에 선택적 이온투과가 가능한 물질을 패터닝함으로써 나노 채널을 사용하지 않더라도 단백질 농축 효율이 매우 우수한 단백질 농축 소자가 제공되는 효과가 있다.According to the embodiment of the present invention, a material capable of selectively ion-permeating a capillary is patterned to provide a protein concentration device with an extremely high protein concentration efficiency without using a nanochannel.

또한, 범용의 모세관을 사용함으로써 소자의 제작이 매우 용이하며 소자의 확장성이 우수하고 활용범위가 매우 넓은 효과가 있다.Also, by using a general-purpose capillary tube, it is very easy to fabricate the device, and the device has excellent expandability and wide application range.

또한, 농축 소자 자체만으로 바이오 에세이가 가능하거나, 질량분석기(Mass Spec), ESI spray 등의 장비와 연결이 용이한 효과가 있다.
In addition, biosensors can be used only with the concentrating device itself, and mass spectrometers (Mass Spec) and ESI spray can be easily connected to equipment.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view showing a method of manufacturing a protein concentration device according to a first embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a structure of a protein concentration device according to a first embodiment of the present invention.
3 is a view illustrating a method of manufacturing a protein concentration device according to a second embodiment of the present invention.
4 is a schematic view showing a structure of a protein concentration device according to a second embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다. 1 is a view showing a method of manufacturing a protein concentration device according to a first embodiment of the present invention.

본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 마이크로 채널을 형성하는 모세관(10), 상기 모세관의 중앙부 내부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(20) 및 상기 모세관의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 포함한다.The protein concentration device according to the first embodiment of the present invention includes a capillary tube 10 for forming microchannels, an ion selective membrane 20 formed by patterning a material capable of selectively transmitting ions on the inner surface of the central portion of the capillary tube, And reservoirs (30, 40) formed at both ends of the microchannel and capable of generating a potential difference across the microchannel, the positive and negative electrodes being connected to each other.

본 실시예에서는 상용화되어 있는 마이크로 채널 크기의 모세관에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 표면 패터닝함으로써 나노채널 소자를 사용하지 않더라도 나노채널과 동일한 성능 및 효과를 낼 수 있도록 모세관을 재구성하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, the capillary is reconfigured so as to achieve the same performance and effect as the nanochannel without using the nanochannel device by surface-patterning a material capable of selectively ion permeation into the microchannel-sized capillary that is commercially available.

본 실시예에서 선택적 이온 투과가 가능한 물질로 나피온(nafion)을 사용하였으나 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, 본 발명에서는 이에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.In this embodiment, naphion is used as a material capable of selective ion permeation, but a polyelectrolyte such as polystyrene sulfonate (PSS) and polyallylamine hydrochloride (PAH) may be applied. However, the present invention is not limited thereto Any material may be used as long as it is selectively ion permeable.

우선 모세관의 양단에 전압을 가함으로써 발생되는 단백질의 거동 및 이동에 대해서 설명한다. First, the behavior and movement of proteins generated by applying voltage to both ends of the capillary will be described.

모세관에 혈액 샘플이 투입되면 모세관의 표면과 혈액 유체가 접촉되어 둘 사이에 서로 다른 성질의 유도 전하가 발생한다. 이와 같이 유체 내에 발생한 유도 전하들이 존재하는 특정한 층을 전기 이중층(EDL: Electric Double Layer)이라고 한다. 이때 모세관으로 전기장을 걸어주면, 유체내에 존재하는 이온들이 이온들의 전기적 성질과 반대인 전극쪽으로 이끌리게 된다. 이와 같이 이온들이 전기적 성질에 따라서 모세관 내에서 움직이면서 점성력에 의해 유체 입자들을 같이 이끌고 가게 된다. 따라서 전체적인 유체의 유동이 발생하게 되며, 이와 같은 유체의 이동현상을 전기삼투(EOF: electro-osmosis flow)라고 하고, 이온의 움직임을 전기영동(EP: electrophoresis) 이라 한다.When a blood sample is injected into the capillary, the surface of the capillary is in contact with the blood fluid, and induced charges of different nature are generated between the two. A specific layer in which induced charges generated in the fluid exist is called an electric double layer (EDL). When an electric field is applied to the capillary, the ions in the fluid are attracted to the electrode opposite to the electrical properties of the ions. In this way, the ions move in the capillary according to their electrical properties and lead the fluid particles together by the viscous force. Therefore, the flow of the whole fluid occurs, and the movement of the fluid is called electro-osmosis flow (EOF), and the movement of ions is called electrophoresis (EP).

상기와 같은, 모세관 전기영동(Capillary electrophoresis) 및 전기삼투(electro-osmosis)는 모세관을 물질 분리용 채널로 사용하는 것으로서, 효율적으로 물질을 분리할 수 있는 실리카로 내벽이 이루어져 있는 작은 모세관에 전압을 양쪽 끝단에 걸어주면, 전압이 가해진 모세관을 따라 물질이 이동하면서 그 물질 고유의 성질에 따라서 이동 속도가 달라져서 분리를 하는 방법이다. 분석 시간이 10분 이내로 비교적 빠르며, 분리능이 높고 시료의 소모량이 적으며, 아미노산, chiral 화화물, 비타민, 무기 이온, DNA, 단백질, 탄수화물 등 그 응용 범위가 넓다. 또 외부 검출 셀 없이 모세관(capillary)상에서 검출이 가능하며 시료의 전처리 과정이 필요 없다는 장점이 있다. 또한 HPLC 및 타 분리 기술과의 상호 호환성이 크다. Capillary electrophoresis and electro-osmosis as described above use a capillary as a channel for separating substances, and it is an object of the present invention to provide a capillary electrophoresis apparatus and a capillary electrophoresis apparatus, If you hang it on both ends, the material moves along the capillary to which the voltage is applied, and the moving speed is changed according to the inherent property of the material. It has relatively fast analysis time of less than 10 minutes, high resolution, low sample consumption, wide application range of amino acids, chiral products, vitamins, inorganic ions, DNA, proteins and carbohydrates. In addition, it is possible to detect on a capillary without an external detection cell and it is advantageous in that there is no need to pre-process the sample. It is also highly compatible with HPLC and other separation technologies.

이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축소자의 제조 과정을 설명한다. Hereinafter, a process of manufacturing the protein concentration device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

도 1a는 본 실시예에서 사용되는 모세관의 단면을 도시한 도면이다.1A is a cross-sectional view of a capillary tube used in this embodiment.

본 발명의 일실시예에 따르면 상기 모세관(10)은 내경이 100μm 이하이며, 바람직하게는 20μm 내지 80μm 정도로서 마이크로 단위의 채널로 구성된다.According to an embodiment of the present invention, the capillary tube 10 has an inner diameter of 100 μm or less, preferably 20 μm to 80 μm, and is formed of a micro-channel.

모세관(10) 내부의 중앙부에 필터 역할을 하는 이온 선택성 막을 형성하기 위하여 도 1b에 도시된 바와 같이, 주사기의 니들(80)을 삽입하여 나피온과 같은 선택적 이온 투과가 가능한 물질(21)을 주입한다.1B, a needle 80 of a syringe is inserted to form a selective ion permeable material 21 such as Nafion to form an ion selective membrane functioning as a filter in a central portion of the inside of the capillary tube 10 do.

이후, 선택적 이온 투과가 가능한 물질(21)이 주입된 모세관(10)을 대략 80℃ 정도에서 가열하여 도 1c와 같이 이온 선택성 막(20)이 모세관(10) 중앙부 내부 표면에 패터닝 형성되도록 한다.Thereafter, the capillary 10 having the selective ion permeable substance 21 is heated at about 80 ° C. so that the ion selective membrane 20 is patterned on the inner surface of the central portion of the capillary 10 as shown in FIG.

상기 이온 선택성 막(20)은 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다. 예를 들면, 이온 선택성 막(20)이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 vehicle mechanism에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 상기 이온 선택성 막(20)은 나노채널의 역할을 수행하며, 나노채널의 양전극을 향한 전단부에 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다.
The ion selective membrane 20 functions as a kind of nanofilter that selectively transmits a proton. For example, when the ion-selective membrane 20 is nafion, H + ions are selectively and rapidly transmitted by hopping and vehicle mechanism due to SO3- in the chemical structure of the ion. Accordingly, the ion selective membrane 20 functions as a nanochannel, and protein substances to be analyzed can be efficiently concentrated in the front end toward the positive electrode of the nanochannel in a very short time.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a schematic view showing a structure of a protein concentration device according to a first embodiment of the present invention.

도 1c와 같이 나노채널이 구성된 모세관(10)의 양 끝단에, 각각 양전극과 음전극이 연결되어 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 연결한다. 상기 레저버(30, 40)는 와이어를 통해서 전원을 공급하는 외부 전원(50)과 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 레저버(30, 40) 에는 외부 전원과 연결될 수 있도록 박막전극이 구비될 수도 있다.As shown in FIG. 1C, a pair of reservoirs 30 and 40 are connected to both ends of the capillary tube 10 having nanostructured channels, in which a positive electrode and a negative electrode are connected to each other to generate a potential difference. The reservoirs 30 and 40 are connected to an external power source 50 that supplies power through wires. According to another embodiment of the present invention, the reservoirs 30 and 40 may be provided with thin-film electrodes to be connected to an external power source.

앞서 설명한 바와 같이, 도 2와 같은 모세관 전기영동은 샘플 성분들을 분리하기 위해 분자의 전기영동 특성 및/또는 작은 모세관 내 샘플의 전기삼투성 유동을 활용하는 기법이다. As described above, capillary electrophoresis as in Fig. 2 is a technique that utilizes the electrophoretic characteristics of molecules and / or the electroosmotic flow of a sample in a small capillary to separate sample components.

본 실시예에 따른, 내경이 100㎛ 이하인 실리카 모세관(10)은 전해질을 함유하는 버퍼 용액으로 채워진다. 모세관(10)의 각 단부는 버퍼 전해질을 수용하는 분리된 유체 저장조인 레저버(30, 40) 내에 위치한다. The silica capillary tube 10 having an inner diameter of 100 mu m or less according to this embodiment is filled with a buffer solution containing an electrolyte. Each end of the capillary tube 10 is positioned within the reservoir 30, 40, which is a separate fluid reservoir that receives the buffer electrolyte.

상기 레저버 중 하나(30)에 제1 포텐셜 전압이 놓이고, 다른 레저버(40)에 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(30, 40)에 인가된 두 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 모세관(10)을 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다. 이때, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동과 전기영동형 이동도(mobility)는 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성 및 전기영동성 이동도의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 및 전기영동성 속도의 합이다.A first potential voltage is placed on one of the reservoirs (30) and a second potential voltage is placed on another reservoir (40). Thus, the positively charged particles and the negatively charged particles in the protein sample undergo the influence of the electric field formed by the two potential voltages applied to the reservoirs 30 and 40, respectively, and move through the capillary 10 in opposite directions . At this time, the electroosmotic flow and the electrophoretic mobility of each component of the fluid determine the overall movement for each fluid component. That is, the mobility of the fluid is the sum of the electroosmotic and electrophoretic mobilities, and the velocity of the fluid is the sum of the electroosmotic and electrophoretic velocities.

한편, 모세관(10)의 중앙부에 설치된 이온 선택성 막(20)은 나노채널의 역할을 수행하여 특정 이온들을 선택적으로 매우 빠르게 투과시키고 분석하고자 하는 대상 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 특정 위치에 효율적으로 농축시킬 수 있다.On the other hand, the ion selective membrane 20 provided at the center of the capillary tube 10 functions as a nano channel to selectively energize the target protein materials to be analyzed very rapidly and to efficiently concentrate .

또한 도시된 바와 같이, 모세관(10) 특정 영역에 직접 분석 대상 단백질 입자들을 농축하고 농축영역에 플러그(60)를 설치하여 각종 MEMS 센서 또는 플루이딕 센서 등에 농축 플러그를 공급함으로써, 농축된 시료를 감지하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 질량분석기 또는 ESI Spray 등과 연결이 용이하여 다양한 분석장비와 자유롭게 연동할 수 있는 장점이 있다.
Also, as shown in the drawing, the protein particles to be analyzed are directly concentrated in the specific region of the capillary 10, and the plug 60 is provided in the concentrated region to supply a concentration plug to various MEMS sensors or Fluidic sensors, It is possible to do. In addition, the protein concentration device according to the present embodiment is advantageous in that it can be easily connected to a mass spectrometer or ESI Spray or the like, and thus can freely interoperate with various analysis equipment.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 제조 방법을 도시한 도면이다.3 is a view illustrating a method of manufacturing a protein concentration device according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 마이크로 채널을 형성하는 모세관(10), 상기 모세관의 전단부 내부 및 외부 표면에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막(22) 및 상기 모세관(11)의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 포함한다.The protein concentration device according to the second embodiment of the present invention comprises a capillary tube 10 for forming microchannels, an ion selective membrane 22 formed by patterning a material capable of selectively ionizing the inner and outer surfaces of the capillary tube, And reservoirs 30 and 40 formed at both ends of the capillary tube 11 and capable of generating a potential difference across the microchannel by connecting positive and negative electrodes respectively.

본 실시예는 앞서 살펴본 제1 실시예와 마찬가지로 상용화되어 있는 마이크로 채널 크기의 모세관에 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 표면 패터닝함으로써 나노채널 소자를 사용하지 않더라도 나노채널과 동일한 성능 및 효과를 낼 수 있도록 모세관을 재구성하는 것을 특징으로 한다.In this embodiment, a material capable of selectively ion-permeating a micro channel-sized capillary is surface-patterned by the same method as in the first embodiment, so that even if a nano-channel device is not used, Is reconstructed.

본 실시예에서도 선택적 이온 투과가 가능한 물질로 나피온(nafion)을 사용하였으나 polystyrene sulfonate (PSS), polyallylamine hydrochloride (PAH) 등의 고분자 전해질(polyelectrolyte)을 적용할 수도 있으며, 본 발명에서는 이에 한정되지 아니하며 선택적으로 이온 투과가 가능한 물질이라면 어떠한 것을 적용하더라도 무방하다.In this embodiment, naphion is used as a material capable of selective ion permeation, but a polyelectrolyte such as polystyrene sulfonate (PSS) or polyallylamine hydrochloride (PAH) may be applied. However, the present invention is not limited thereto Any material may be used as long as it is selectively ion permeable.

도 3a는 본 실시예에서 사용되는 모세관의 단면을 도시한 도면이다.3A is a cross-sectional view of a capillary tube used in this embodiment.

본 발명의 일실시예에 따르면 상기 모세관(11)은 내경이 100μm 이하이며, 바람직하게는 20μm 내지 80μm 정도로서 마이크로 단위의 채널로 구성된다.According to an embodiment of the present invention, the capillary 11 has an inner diameter of 100 μm or less, preferably 20 μm to 80 μm, and is formed of a channel of a unit of micrometers.

모세관(11) 일단부에는 필터 역할을 하는 이온 선택성 막을 형성하기 위하여 도 3a에 도시된 바와 같이, 모세관(11) 일측단을 선택적 이온 투과가 가능한 물질 용액에 디핑(dipping)한다. 도시된 바와 같이 나피온 용액이 담긴 수조(90)에 모세관(11)의 일측단을 적당히 담그면, 모세관 현상으로 인하여 관 속의 액면이 관 밖의 액면보다 높아지게 된다. At one end of the capillary 11, one end of the capillary 11 is dipped into a selective ion permeable material solution, as shown in FIG. 3A, in order to form an ion selective membrane serving as a filter. As shown in the drawing, if one end of the capillary 11 is dipped in the water tank 90 containing the Nafion solution, the liquid level in the tube becomes higher than the liquid level in the tube due to the capillary phenomenon.

이후 수조(90)에서 모세관(11)을 꺼내어 선택적 이온 투과가 가능한 물질(21)이 표면에 유착된 모세관(11)을 대략 80℃ 정도에서 가열하여 도 3b와 같이 이온 선택성 막(22)이 모세관(11) 일단부 내부 및 외부 표면에 패터닝 형성되도록 한다.The capillary 11 is taken out from the water tank 90 and the capillary 11 adhered to the surface of the selectively ion permeable substance 21 is heated at about 80 ° C. so that the ion- (11) inner and outer surfaces.

이때, 앞서 설명한 모세관 현상으로 인하여 모세관(11)의 내부 표면에 형성된 이온 선택성 막(22)이 모세관(11) 외부 표면에 형성된 이온 선택성 막(22)과 비교하여 높이가 더 높게 패턴이 형성된다. 또한, 앞서 살펴본 제1 실시예와 달리 제2 실시예에서는 모세관(11)의 내부 및 외부 표면에 모두 이온 선택성 막(22)이 형성된다.At this time, the ion-selective membrane 22 formed on the inner surface of the capillary 11 is formed with a higher height than the ion-selective membrane 22 formed on the outer surface of the capillary 11 due to the capillary phenomenon described above. Unlike the first embodiment, the ion-selective membrane 22 is formed on the inner and outer surfaces of the capillary 11 in the second embodiment.

상기 이온 선택성 막(22)은 양성자(proton)를 선택하여 투과시키는 일종의 나노 필터의 역할을 수행한다. 예를 들면, 이온 선택성 막(21)이 나피온(nafion)인 경우 나피온의 화학 구조 중 SO3- 로 인해서 분석 대상 물질 중 H+ 이온이 호핑(hopping) 및 vehicle mechanism에 의하여 선택적으로 빠르게 투과되도록 한다. 따라서, 상기 이온 선택성 막(22)은 나노채널의 역할을 수행하며, 나노채널의 양전극을 향한 전단부에 분석하고자 하는 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 효율적으로 농축할 수 있게 된다. The ion selective membrane 22 functions as a kind of nanofilter that selectively transmits a proton. For example, when the ion-selective membrane 21 is nafion, H + ions in the analyte are selectively and rapidly permeated by hopping and vehicle mechanism due to SO3- in the chemical structure of the ion . Accordingly, the ion-selective membrane 22 functions as a nanochannel, and protein substances to be analyzed can be efficiently concentrated in a very short time at the front end toward the positive electrode of the nanochannel.

한편, 본 실시예에서는 도 3b와 같이 형성된 모세관 자체만으로 direct assay가 가능한 것을 특징으로 한다. Meanwhile, in this embodiment, a direct assay is possible only by the capillary itself formed as shown in FIG. 3B.

즉, 도 3c에 도시된 바와 같이, 이온 선택성 막(22)이 형성된 모세관(11)을 혈액 시료에 담그면, 혈액 시료에 포함된 항체(antibody)가 모세관(11)의 이온 선택성 막(22)을 통해서 도 3d에 도시된 바와 같이 특정영역에 농축된다. 이를 통해서 항원-항체 반응을 분석하는 것이 가능하다.
3C, when the capillary 11 on which the ion selective membrane 22 is formed is immersed in a blood sample, the antibody contained in the blood sample is immobilized on the ion selective membrane 22 of the capillary 11 Lt; RTI ID = 0.0 > 3D, < / RTI > Through this, it is possible to analyze the antigen-antibody reaction.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 단백질 농축 소자의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.4 is a schematic view showing a structure of a protein concentration device according to a second embodiment of the present invention.

도 3b와 같이 나노채널이 구성된 모세관(11)의 양 끝단에, 각각 양전극과 음전극이 연결되어 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)(30, 40)를 연결한다. 상기 레저버(30, 40)는 와이어를 통해서 전원을 공급하는 외부 전원(50)과 연결된다.As shown in FIG. 3B, the positive electrode and the negative electrode are connected to both ends of the capillary tube 11 having the nano channel, thereby connecting the protein sample reservoirs 30 and 40 which can generate a potential difference. The reservoirs 30 and 40 are connected to an external power source 50 that supplies power through wires.

앞서 설명한 바와 같이, 도 4와 같은 모세관 전기영동은 샘플 성분들을 분리하기 위해 분자의 전기영동 특성 및/또는 작은 모세관 내 샘플의 전기삼투성 유동을 활용하는 기법이다. As previously described, capillary electrophoresis as in Fig. 4 is a technique that utilizes the electrophoretic characteristics of the molecules and / or the electroosmotic flow of the sample in a small capillary to separate the sample components.

본 실시예에 따른, 내경이 100μm 이하인 실리카 모세관(11)은 전해질을 함유하는 버퍼 용액으로 채워진다. 모세관(11)의 각 단부는 버퍼 전해질을 수용하는 분리된 유체 저장조인 레저버(30, 40) 내에 위치한다. The silica capillary tube 11 having an inner diameter of 100 mu m or less according to the present embodiment is filled with a buffer solution containing an electrolyte. Each end of capillary 11 is located within reservoir 30, 40, which is a separate fluid storage reservoir that receives the buffer electrolyte.

상기 레저버 중 하나(30)에 제1 포텐셜 전압이 놓이고, 다른 레저버(40)에 제2 포텐셜 전압이 놓인다. 따라서, 단백질 시료에서 포지티브로 하전된 입자 및 네거티브로 하전된 입자들은, 레저버(30, 40)에 인가된 두 포텐셜 전압에 의해 형성된 전장의 영향을 받아 모세관(11)을 통해 각각 반대 방향으로 이동하게 된다. 이때, 유체의 각 성분의 전기삼투성 유동과 전기영동형 이동도(mobility)는 각 유체 성분에 대한 전반적 이동을 결정한다. 즉, 유체의 이동도는 전기삼투성 및 전기영동성 이동도의 합이며, 유체의 속도는 전기삼투성 및 전기영동성 속도의 합이다.A first potential voltage is placed on one of the reservoirs (30) and a second potential voltage is placed on another reservoir (40). Therefore, the positively charged particles and the negatively charged particles in the protein sample are affected by the electric field formed by the two potential voltages applied to the reservoirs 30 and 40, and are moved in opposite directions through the capillary 11, respectively . At this time, the electroosmotic flow and the electrophoretic mobility of each component of the fluid determine the overall movement for each fluid component. That is, the mobility of the fluid is the sum of the electroosmotic and electrophoretic mobilities, and the velocity of the fluid is the sum of the electroosmotic and electrophoretic velocities.

한편, 모세관(11)의 종단부에 설치된 이온 선택성 막(22)은 나노채널의 역할을 수행하여 특정 이온들을 선택적으로 매우 빠르게 투과시키고 분석하고자 하는 대상 단백질 물질들을 매우 빠른 시간에 특정 위치에 효율적으로 농축시킬 수 있다.On the other hand, the ion selective membrane 22 provided at the end of the capillary tube 11 functions as a nanochannel to selectively transmit the specific ions selectively and efficiently to the target protein materials to be analyzed in a very short time, Lt; / RTI >

또한 도시된 바와 같이, 모세관(11) 특정 영역에 직접 분석 대상 단백질 입자들을 농축하고 농축영역에 플러그(60)를 설치하여 각종 MEMS 센서 또는 플루이딕 센서 등에 농축 플러그를 공급함으로써, 농축된 시료를 감지하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예에 따른 단백질 농축 소자는 질량분석기 또는 ESI Spray 등과 연결이 용이하여 다양한 분석장비와 자유롭게 연동할 수 있는 장점이 있다.
Also, as shown in the drawing, the protein particles to be analyzed are directly concentrated in the specific region of the capillary 11, and the plug 60 is provided in the concentrated region to supply a concentration plug to various MEMS sensors or fluidic sensors, It is possible to do. In addition, the protein concentration device according to the present embodiment is advantageous in that it can be easily connected to a mass spectrometer or ESI Spray or the like, and thus can freely interoperate with various analysis equipment.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
The embodiments disclosed in the specification of the present invention do not limit the present invention. The scope of the present invention should be construed according to the following claims, and all the techniques within the scope of equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention.

10, 11: 모세관 20, 22: 이온 선택성 막
30, 40: 레저버(reservoir) 21: 선택적 이온 투과가 가능한 물질
50: 외부전원 60: 플러그
80: 주사기 니들 90: 수조10, 11: capillary tubes 20, 22: ion selective membrane
30, 40: reservoir 21: selective ion permeable material
50: external power source 60: plug
80: Syringe needle 90: Tank

Claims (7)

마이크로 채널을 형성하는 모세관;
상기 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막; 및
상기 모세관의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)를 포함하며,
상기 모세관의 일측단을 선택적 이온 투과가 가능한 물질 용액에 디핑(dipping)하고, 상기 모세관을 소정 온도에서 가열함으로써 상기 이온 선택성 막이 상기 모세관의 전단부 내부 및 외부 표면에 패터닝 형성되고,
상기 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 마이크로 채널을 통과하면서 상기 이온 선택성 막 전단의 특정 영역에 농축되는 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자. A capillary forming a microchannel;
An ion selective membrane formed by patterning a material capable of selectively ion permeation at a predetermined position of the capillary; And
And a protein sample reservoir formed at both ends of the capillary tube and capable of generating a potential difference across the microchannel, the positive electrode and the negative electrode being connected to each other,
The ion selective membrane is patterned on the inner and outer surfaces of the front end of the capillary by dipping one end of the capillary into a selective ion permeable material solution and heating the capillary at a predetermined temperature,
Wherein the predetermined protein particles to be obtained in the protein sample are concentrated in a specific region of the front of the ion selective membrane while passing through the microchannel in which the potential difference is formed. 마이크로 채널을 형성하는 모세관;
상기 모세관의 소정 위치에 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 패터닝되어 형성된 이온 선택성 막; 및
상기 모세관의 양 끝단에 형성되며 각각 양전극과 음전극이 연결되어 상기 마이크로 채널 양단에 전위차가 발생될 수 있는 단백질 시료 레저버(reservoir)를 포함하며,
상기 모세관 일측단으로부터 중앙부로 상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질이 포함된 주사기의 니들(needle)을 삽입하여 상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질을 주입하고, 상기 모세관을 소정 온도에서 가열함으로써 상기 이온 선택성 막이 상기 모세관 중앙부 내부 표면에 패터닝 형성되고,
상기 단백질 시료 중 획득하고자 하는 소정 단백질 입자들이 전위차가 형성된 상기 마이크로 채널을 통과하면서 상기 이온 선택성 막 전단의 특정 영역에 농축되는 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자. A capillary forming a microchannel;
An ion selective membrane formed by patterning a material capable of selectively ion permeation at a predetermined position of the capillary; And
And a protein sample reservoir formed at both ends of the capillary tube and capable of generating a potential difference across the microchannel, the positive electrode and the negative electrode being connected to each other,
A needle of a syringe containing the selective ion permeable substance is inserted from one end of the capillary to a central portion thereof to inject the selective ion permeable substance and heating the capillary at a predetermined temperature, The capillary tube is patterned on the inner surface of the capillary central portion,
Wherein the predetermined protein particles to be obtained in the protein sample are concentrated in a specific region of the front of the ion selective membrane while passing through the microchannel in which the potential difference is formed. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 선택적 이온 투과가 가능한 물질은 나피온(nafion)인 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자. 3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the selective ion permeable material is nafion. 삭제delete 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모세관은 내경이 100μm 이하인 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자.3. The method according to claim 1 or 2,
Wherein the capillary has an inner diameter of 100 mu m or less. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모세관을 80℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자.3. The method according to claim 1 or 2,
And the capillary is heated to 80 캜. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 모세관에 형성된 상기 이온 선택성 막 주변영역에는 센서에 공급할 수 있는 플러그가 설치되어 농축된 단백질을 상기 센서를 통해서 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 단백질 농축 소자.3. The method according to claim 1 or 2,
And a plug capable of being supplied to the sensor is installed in the region around the ion selective membrane formed on the capillary so that the concentrated protein can be detected through the sensor.
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