NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 31, No. 1, 2013…29 키트가 현장 진단 기술의 가장 이상적인 형태일 것이
다. 최근에 샘플 이송을 Hand-power로 구현할 수 있 는 slip chip 기술(Duet al., Lab Chip(2009))이나 종 이기반 미세유체공학기술(Martinez et al., Anal.
Chem.(2010))이 개발되어 샘플 이송을 간단히 할 수 있는 방법으로 각광을 받고 있다. 그러나 분석을 위해 서는 여전히 고가의 복잡한 분석 기술을 필요로 한다.
최근 미국 휴스톤 소재의 The Methodist Hospital Research Institute의 연구진들은 slip chip 기술 (그림 1의 a 참조)과 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay)의 프로브로 catalase와 H2O2
반응에서 발생하는 산소 분압을 활용하여 소위 V- chip 기술을 개발하였다. 이 기술의 특징은 샘플 로딩 을 위한 별도 장비가 필요 없을 뿐만 아니라, 분석을 위한 장치도 필요 없어 하나의 칩만으로 질병 진단의 전 과정이 이루어진다는 점이다. 이 소자의 구동은 그 림 1의 d에 제시되어 있다. 그림에서 비스듬한 사각형 의 홈이 위판과 아래판의 유리로 된 슬라이드 글라스 에 새겨져 있다. 윗판과 아래판을 정렬하여 조립하면
그림 1의 d에서 보는 바와 같이‘N’형태의 유로가 수 평 방향으로 형성된다. 이 상태에서 이 소자의 오른쪽 끝에 있는 홈을 통해 피펫 등으로 맨 위 유로에는 색 깔이 있는 잉크, 두 번째 유로는 빈 채로 두고(잉크와 H2O2 혼합 방지), 세 번째와 네 번째 유로에 catalase 를 포함한 샘플(ELISA)과 H2O2를 각각 채운다. 이 상태에서 위 슬라이드를 위로 밀면 좌우 수평으로 연 결되었던 유로가 위아래 수직으로 연결된다. 이렇게 되면 ELISA 반응의 프로브로 catalase가 H2O2에 작 용하여 산소가 발생하며 맨위의 잉크 층을 위로 밀어 올리게 된다. 그러면 bar-chart와 같이 ELISA 반응 의 정도를 잉크 층의 높이를 읽는 것으로 파악하게 된 다(그림 1의 e-h). 따라서 별도의 분석 장치가 필요없 이 잉크 층의 높이를 눈으로 읽는 것으로 특정 protein 의 유무 즉 질병의 진단이 가능하다는 것이다. 이 칩은 전술한 바와 같이 매우 간단한 방법으로 구동할 뿐만 아니라 각종 질병 진단에 사용되는 ELISA 방법을 사 용한다는 측면에서 앞으로 다양한 분야에서 응용 가 능성이 매우 큰 기술인 것으로 기대된다.
미세입자, 세포 및 생물체의 위치 제어 기술은 생물 학, 생명공학, 화학 및 물리학 분야에서 핵심 기술 중 의 하나다. 이 중에서 미세입자를 공간적으로 trapping하는 기술은 개별 입자의 거동을 분석하는데 있어서 매우 유용하게 사용되고 있다. 미세입자 trapping 기술 중에서 가장 널리 알려진 기술은
optical tweezer로, Arthur Ashkin 및 Steve Chu 등 이 레이저 빔을 활용하여 미세입자를 공간적으로 trapping할 수 있다는 것을 시연해 보였다 [Ashkin et al., Opt. Lett., 11:288-290 (1986)]. 이후 이 기술 은 단일 DNA 분자의 동력학 연구 등에 적용되어 매 우 효과적인 연구 도구로 인식되고 있다. 그러나 여러
표면음파를 활용한 미세입자, 세포 및 생물체의 On-chip 조작기술
(On-chip Manipulation of Single Microparticles, Cells, and Organisms using Surface Acoustic Waves)
Ding et al., PNAS 109:11105 (2012)
30…NICE, 제31권 제1호, 2013
신기술 소개
장점에도 불구하고 이 방법은 두 가지 문제점을 내포 하고 있는데, 이 방법을 구현하기 위해서는 매우 복잡 한 구조를 가진 비싼 장비를 필요로 한다는 점과 optical tweezer에 사용되는 강한 빛이 샘플을 손상시 킬 수 있다는 점이다. Penn State University의 Tony Huang 그룹은 optical tweezer의 이러한 단점을 극복 할 수 있는 방법으로 표면 음파를 활용한 입자 trapping 방법을 제시하였다. 한편 표면 음파를 활용 한 미세유체공학 기술은 이미 미세입자의 분리 및 집 속(focusing)에 널리 활용되고 있는데, 이 연구 그룹 은 그림 1의 왼쪽 편에 제시된 바와 같이 표면 음파를
발생시키는 unit을 십자 형태로 배열하여 미세 입자를 이차원적으로 trapping하는데 성공하였다(그림 1의 오른쪽). 이들은 이 기술을 세포의 trapping에 적용할 수 있음을 보였고, 더 나아가 C-elegans를 trapping하 는 것도 가능함을 시연하였다. 이 방법의 장점은 power density가 기존의 optical tweezer보다 현저히 낮아 세포 등의 파괴가 최소화될 수 있다는 장점이 있 고, 상대적으로 구현하는데 드는 비용이 싸다는 특성 이 있어 향후 다양한 미세입자 조작기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그림 1. (왼쪽) 표면음파를 활용한 미세입자 On-chip 조작 기술. A: 십자 형태로 배열된 표면 음파 발생 장치; B: 표면 음파 를 활용한 이차원 미세입자 조작 기술의 원리. (오른쪽) A: 미세 입자의 위치를 제어한 것을 stacked image로 나타낸 그림;
B: 적혈구의 위치를 순차적으로 조작한 예[Ding et al., PNAS 109:11105 (2012)]
