28…NICE, 제31권 제1호, 2013
신기술 소개
미세유체공학기술(microfluidics)은 현장 진단 및 개인 맞춤형 의약을 위한 플랫폼의 중요 요소 기술로 각광을 받고 있다. 이는 미세유체공학 기술이 가진 간 편성, 휴대 가능성과 적은 양의 샘플로 고속으로 다중 분석이 가능하다는 점 때문이다. 그러나 미세유체공 학기술이 현장 진단 기술로 활용되기 위해서 극복해 야 하는 과제들이 여전히 다수 존재한다. 먼저 샘플을 미세채널 내에서 이송하기 위해서는 주사기 펌프 혹
은 전기장 발생 장치와 같이 고가이면서 비교적 부피 가 큰 장비가 필요로 한다. 그리고 분석을 위해서는 형광 현미경 혹은 질량 분석기와 같은 고가의 장비를 필요로 한다는 문제점이 있다. 그리고 여러 기능을 구 현하기 위해 매우 복잡한 구조의 유로 설계가 필요로 할 뿐만 아니라 유로의 복잡함으로 인한 소자의 신뢰 성이 큰 문제점으로 지적된다. 아마도 이들 문제점을 극복한 가정에서도 손쉽게 사용할 수 있는 임신 진단
다중분석이 가능한 현장 진단용 V-chip 개발
(Multiplexed Volumetric Bar-Chart Chip for Point-of-Care Diagnostics)
Song et al., Nat. Commun. 3:1283 doi: 10.1038/ncomms2292 (2012)
그림 1. (a) V-chip의 사용 원리: 위 아래판을 조립하면 좌우 수평 방향으로 유로가 형성되고, 이 상태에서 순서대로 잉크 층, 샘플층 및 H2O2를 각각 채운다(왼쪽) 그리고 위판을 위로 밀어 올리면 분석 대상인 시료의 양에 비례하여 catalase가 H2O2가 반응하여 산소를 발생시키고 잉크층의 높이가 bar-chart로 표현된다(오른쪽). (b) V-chip에서 사용된 ELISA 및 산소 발생 반응 모식도. (c) 각기 다른 색깔을 가진 염료로 샘플 층을 로딩한 예. (d) V-chip의 실제 구동 예. (e-h) 다양한 조건 에서 bar-chart 형태로 표현되는 V-chip의 작동 예 [Song et al., Nat. Commun. 3:1283 doi: 10.1038/ncomms2292 (2012)].
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)
