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종이 바이오 센서 개발 기술 동향
이 상 호 한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구그룹 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 바이오 센서에 응용할 수 있는 종이 기반의 저가 센서 제작법과 검출방법에 따른 연구 동향을 간략히 소 개하고자 한다.
현재까지 바이오 센서 제작기술은 정확한 진단, 고감 도 검출을 목표로 고가의 검사 장비에 적합한 바이오 센서들이 주로 개발되어 왔다. 국내 마이크로 디바이스 제조 기술 및 검출 기술 등은 선진 연구그룹 대비 상당 한 수준에 도달해 있으나, 기존의 마이크로플루이딕칩 (microfluidic chip) 기반의 검사법은 복잡하고 바이오 센서의 크기에 비해 거대하고 비싼 유체 조작 시스템과 검출 시스템이 필요하다. 따라서, 일상 환경 및 산업 현 장에서 널리 사용하기 위해서는 사용법에 관한 전문적 인 교육이 필요하고, 비용적인 측면에서도 대중화되기 엔 어려운 실정이다. 최근, 마이크로 디바이스 공정기 술 기반의 바이오 센서 기술의 단점을 극복하고자, 종 이 기반의 분석칩(paper-based analytical chip)을 이용 한 바이오 센서 개발에 관한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다(Anal. Chem. 2010, 82, 3-10). 종이는 값이 싸고, 인쇄기법으로 바이오 검사시료의 고정화가 쉽고, 친수성과 모세관 현상에 의해 별도의 동력이 없 이 유체가 흐르고, 별도의 분석 장비 없이도 육안 식별 이 가능한 색변화 검출법에 유용하게 사용될 수 있다 (Anal. Chem. 2010, 82, 3-10). 적용 분야도 단백뇨 검 사, 독성 가스 검출, 중금속 이온 검출, 말라리아 검사 등 의료분야에서부터 환경 분야까지 걸쳐 다양하게 확 장되고 있다.(Lab Chip 2013, 13, 22110-2251; PNAS, 2008, 105, 19606-19611)
종이 센서 제작 기술
종이는 친수 모재이므로 유체를 선택적으로 유도하 기 위해서 소수성 경계를 선택적으로 패터닝 하여야 한
그림 1
(A) 종이 마이크로플루이딕칩 제작 개념도; (B,C) SU-8 포토레지스트 패터닝 기반 마이크로채널 형성 법; (D,E) 왁스 프린팅을 이용한 마이크로 채널 형성 법(Anal. Chem. 2010, 82, 3-10)
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다. 소수성 경계층 패터닝 방법은 크게, 포토리쏘그래 피공정을 이용한 제작법, 왁스 프린팅을 이용한 제작 법, 그리고 기계적 커팅법을 이용한 제작방법이 보고되 고 있다(Sensors 2012, 12, pp.11505-11526; Lab Chip 2013, 13, 22110-2251). 포토리쏘그래피 공정을 이용한 제작기술은 SU-8 포토레지트를 크로마토그래피 종이에 코팅한 후, 포토리쏘그래피 공정을 이용하여 패터닝한 다(그림 1(B,C)). 패터닝된 SU-8 포토레지스트가 유체 의 흐름을 유도하기 위한 소수성 경계층으로 사용된다.
왁스 인쇄법은 왁스 잉크를 인쇄한 후, 크로마토그래피 종이의 상부층에 인쇄된 왁스가 바닥까지 흡수되어 코 팅이 되도록 열처리하여 소수성 경계층을 형성한다(그 림 1(D,E)). 2차원 기계적 커팅 방법은 크로마토그래피 종이를 유로 모양으로 직접 오려서 제작한다(그림 2).
소수성 경계층을 패터닝하여 종이 마이크로플루이딕칩 을 제작한 후에는, 잉크젯 프린팅, 스크린 프린팅, 디스 펜싱 프린팅법을 이용하여, 각종 전극과 분석에 이용하 는 시료 용액들을 원하는 위치에 정량으로 인쇄 패터닝 한다.(Lab Chip 2013, 13, 22110-2251)
색변화 검출 종이 센서
종이 바이오 센서 제작에서 가장 많이 연구되고 있는
검출 방법은 색변화 검출법으로서, Martinez 등이 처음 선보였다. 포토리쏘그래피 공정을 이용하여 종이 마이 크로플루이딕칩을 제작하고, glucose와 BSA 농도 변화 에 따른 색변화 분석법을 시도하였다.
2012년 Feng Bai 등은 금속 이온의 종류에 따라 붉은 색에서부터 자색에 이르기까지 색이 변하는 종이 센서 를 개발하였다. Polydiacetylene 나노 와이어 종이를 이 용하여, 연구팀은 박막 필름이나 파우더보다 더 큰 민감
그림 2
(A) 기계적 커팅법을 이용한 마이크로채널 형성법;
(B) Glucose, Albumin 색변화 분석칩 제작 결과 (Appl. Mater. Inter. 2009, 1, 124-129)
(A)
그림 3
색변화 검출법 이용한 Glucose, 단백질 분석 종이 센서(Angew. Chem. Int. 2007, 46, 1318-1320)
그림 4
다양한 종류의 금속 이온에 노출되었을 때, 나노와 이어 센서 종이는 각각의 이온에 대해 서로 다른 색 을 나타낸다.(J. Mater. Chem. 2012, 22, 14839- 14842)
(B)
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도를 지닌 센서를 만들 수 있다고 보고하였다.(그림 4) 2012년 Jiseok Lee 등은 신경가스를 160ppb까지 감 지할 수 있는 종이 센서를 개발하였으며, 독성 가스의 양을 추적하여, 30초 이내에 푸른색에서 핑크색으로 바 뀌도록 색변화기구를 개발하였다.(그림 5)
2012년 한국생산기술연구원에서는 잉크젯 프린팅법 과 기계적 커팅법을 이용한 종이 센서 제작법을 국내에 서 처음 개발하였다. 종이를 커팅 후 UV 경화 레진을 잉크젯 프린팅하여 소수성 경계층을 형성하는 기술을 개발하였으며, 10 pl의 단위 부피로 잉크젯 프린팅 횟수 를 조절하여 분석시료의 농도를 변화시켰다.(그림 6)
충남대학교 이창수 교수 연구팀은 체류인자를 이용 한 정량적 분석이 가능한 종이 센서 제작 기술을 선보 였다. 왁스 프린팅 기술과 잉크젯 프린팅 기술을 이용
하여 종이 센서를 제작하였으며, BSA에 의한 TBPB의 색이 변화된 길이와 용제의 이동 거리의 비율을 체류 인자로 정의하고, 샘플의 용제가 이동한 거리와 BSA가 이동한 거리의 비율을 농도로 환산하여 외부 이미지 분 석 장비 없이 정량 분석이 가능하다는 것이다.(그림 7)
전기화학 검출 종이 센서
전기화학 검출법은 휴대용 분석기기 제작에 유리하 여 널리 사용되는 검출법으로서, 스마트 IT 기기와도 쉽 게 기능적으로 결합이 가능하다. 전기화학 검출을 위해 서는 표준 전극(reference electrode), 작업 전극 (working electrode), 상대 전극(counter electrode)을
그림 5
(A) PCDA-HBO/PCDA-HBA; (B) PCDA- HBO/PCDA-pBA(1/1) liposomes 코팅된 종이 센 서의 HCl, HF, H
3PO
4, 신경가스 diethylchloro phosphate(DCP)와 diisopropyl fluorophosphate (DFP)에 30초 노출 후 색변화 사진.(Adv. Funct.
Mater. 2012, 22, 1632-1638)
그림 8
스크린 프린팅법으로 제작된 전기화학 검출 종이 센 서.(Anal. Chem. 2009, 81(14), 5821-5826)
그림 7(A) 체류인자 분석법의 개념도; (B) 왁스 프린팅법으
로 제작된 종이 센서(한국생물공학회지 2013, 28(4) 254-259)
(A) (B)
그림 6
(A) 종이기반 분석칩의 개략도; (B) 컷팅과 잉크젯- 프린터로 제작된 종이 단백질 분석 어레이칩.( 2013 년 KMEMS 학술대회, 103)
(A) (B)
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종이 바이오 센서 개발 기술 동향
종이 위에 형성해야 한다. Dungchai 등은 2009년에 Ag 페이스트와 carbon 잉크를 이용하여 종이 마이크로플 루이딕칩 위에 전극을 형성하는 종이 센서에 관한 연구 를 보고하였다(Anal. Chem. 2009, 81 (14), 5821-5826).
포토리쏘그래피 공정을 이용하여 종이 마이크로플루이 딕칩을 제작하였고, 스크린 프린팅을 이용하여 표준 전 극, 작업 전극, 상대 전극을 인쇄하였다.(그림 8)
2010년 Zhihong Nie 등은 전기화학 종이 센서를 상 용 전기화학 측정기를 이용하여 분석하는 연구 결과를 발표하였다. 왁스 프린팅법을 이용하여 종이 마이크로 플루이딕칩을 제작하고, Ag 페이스트와 graphite 페이 스트를 스크린 프린팅하여 전극을 형성하였다(그림 9).
제조 단가는 기존 플라스틱 기반 센서 스트립 가격의 1/30 이하로 제조 가능하다고 밝혔다.
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그림 9
