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KR100656564B1 - Biomolecule Detection Method Using Differential Microscopy and Microchip Used in Detection - Google Patents

Biomolecule Detection Method Using Differential Microscopy and Microchip Used in Detection Download PDF

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KR100656564B1
KR100656564B1 KR1020040074647A KR20040074647A KR100656564B1 KR 100656564 B1 KR100656564 B1 KR 100656564B1 KR 1020040074647 A KR1020040074647 A KR 1020040074647A KR 20040074647 A KR20040074647 A KR 20040074647A KR 100656564 B1 KR100656564 B1 KR 100656564B1
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장준근
정찬일
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주식회사 디지탈바이오테크놀러지
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Abstract

본 발명은 DNA와 같은 생체분자를 형광 염료 등으로 염색하지 아니한 채 미분간섭현미경을 이용하여 상기 생체분자를 검출하는 방법 및 검출 시 사용하는 마이크로칩에 관한 것이다.The present invention relates to a method of detecting the biomolecules using a differential microscopy microscope without staining a biomolecule such as DNA with a fluorescent dye or the like and a microchip used in the detection.

본 발명에 따른 검출 방법에 의하면, DNA를 형광 염료로 염색하지 않기 때문에, DNA 자체의 움직임을 보다 정확하게 관찰할 수 있다.According to the detection method according to the present invention, since the DNA is not stained with a fluorescent dye, the movement of the DNA itself can be observed more accurately.

Description

미분간섭현미경을 이용한 생체분자 검출방법 및 검출시 사용되는 마이크로칩 {A Method for Detecting Biomolecules Using Differential Interference Contrast Microscopy and a Microchip for the Same Method}A Method for Detecting Biomolecules Using Differential Interference Contrast Microscopy and a Microchip for the Same Method}

도 1a는 본 발명에 따른 생체분자 검출방법에 사용되는 DIC 현미경 장치.Figure 1a is a DIC microscope device used in the biomolecule detection method according to the present invention.

도 1b는 본 발명에 따른 생체분자 검출방법에 사용되는 PDMS/유리 재질의 마이크로칩.Figure 1b is a microchip of PDMS / glass material used in the biomolecule detection method according to the present invention.

도 1c 및 도 1d는 상기 도 1b의 마이크로칩의 평면도 및 사시도.1C and 1D are plan and perspective views of the microchip of FIG. 1B.

도 2는 YOYO-1로 염색한 λ-DNA의 형광 이미지.2 is a fluorescence image of λ-DNA stained with YOYO-1.

도 3은 YOYO-1로 염색한 λ-DNA(A, C) 및 네이티브 λ-DNA(B, D)를 DIC 현미경으로 관찰한 이미지.3 is an image of λ-DNA (A, C) and native λ-DNA (B, D) stained with YOYO-1, observed with a DIC microscope.

도 4는 마이크로채널에서 전기장에 따른 YOYO-1로 염색한 λ-DNA와 네이티브 λ-DNA의 이동 속도.4 is a moving speed of λ-DNA and native λ-DNA stained with YOYO-1 according to the electric field in the microchannel.

도 5는 마이크로채널에서 노출시간에 따른 이미지 상의 선의 길이Figure 5 shows the length of the line on the image according to the exposure time in the microchannel

도 6은 10 ms 노출시간(백색 원) 및 300 ms 노출시간(흑색 원)에서 네이티브 λ-DNA 분자의 길이에 미치는 pH의 효과.6 shows the effect of pH on the length of native λ-DNA molecules at 10 ms exposure time (white circle) and 300 ms exposure time (black circle).

도 7은 PDMA/유리 재질의 마이크로채널에서 λ-DNA 분자의 흡착에 미치는 PVP의 효과를 나타내는 실시간 DIC 이미지.7 is a real-time DIC image showing the effect of PVP on the adsorption of [lambda] -DNA molecules in microchannels of PDMA / glass material.

도 8은 PDMS/유리 재질의 마이크로칩에서 (A) 네이티브 1-kb DNA 분자 및 (B) 500 nm 카복실화 변형된 마이크로스피어의 DIC 이미지.FIG. 8 shows DIC images of (A) native 1-kb DNA molecules and (B) 500 nm carboxylated modified microspheres in a microchip made of PDMS / glass.

도 9는 유리/유리 재질의 마이크로칩에서 (A) 네이티브 1-kb DNA와 (B) 네이티브 48-kb DNA의 DIC 이미지.9 is a DIC image of (A) native 1-kb DNA and (B) native 48-kb DNA in a glass / glass microchip.

본 발명은 DNA 또는 단백질과 같은 생체분자를 형광 염료 등으로 염색하지 아니한 채 미분간섭현미경을 이용하여 마이크로채널에서 상기 생체분자를 직접 검출하는 방법 및 검출 시 사용하는 마이크로칩에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 유리/유리 재질의 마이크로 칩 또는 PDMS와 같이 빛이 투과할 수 있는 다양한 재질의 폴리머 또는 유리로 이루어진 마이크로칩을 흐르는 각각의 단일-DNA 분자를 노마스키(Normaski) 미분간섭 현미경(Differential Interference Contrast Microcopy, 이하 DIC 현미경이라 칭함)에서 뚜렷이 관찰할 수 있다.The present invention relates to a method of directly detecting a biomolecule in a microchannel using a differential microscopy without staining a biomolecule such as DNA or a protein with a fluorescent dye and the like and a microchip used in the detection. According to the present invention, each single-DNA molecule flowing through a microchip made of glass or a polymer or glass that can transmit light such as a microchip made of glass / glass or PDMS is subjected to a Normaski microdispersive microscope ( Differential Interference Contrast Microcopy (hereinafter referred to as DIC microscopy) can be clearly observed.

단일분자 검출 기술(Single Molecule Detection, SMD)은 최근 생명과학 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 단일생체분자에 대한 관찰 및 조작은 분자 유전학, 마이크로칩 조립, 바이오센서 설계, DNA 생물물리학, 및 모세관 전기영동(Capillary Electrophoresis, CE)과 액체 크로마토그래피(LC)와 같은 기본적인 분리 이론 등에서 생체 분자의 움직임을 연구하기 위한 것이다.Single molecule detection technology (SMD) has recently attracted much attention in the life sciences. Observation and manipulation of single biomolecules can be attributed to biomolecules in molecular genetics, microchip assembly, biosensor design, DNA biophysics, and basic separation theories such as capillary electrophoresis (CE) and liquid chromatography (LC). It is to study the movement.

일반적으로, 관심 있는 분자의 형광 검출은 초감각적 분석 및 생물물리학적 응용기구에 사용된다. 예를 들어, 종래에는 DNA를 관찰하기 위하여 DNA에 형광염료 예를 들어, YOYO-1과 같은 형광물질을 DNA 분자와 결합하여, 결합된 형광물질-DNA 분자를 관찰하였다.In general, fluorescence detection of molecules of interest is used for supersensory analysis and biophysical applications. For example, in order to observe DNA, a fluorescent dye such as YOYO-1 was combined with a DNA molecule to observe DNA, and the bound fluorescent substance-DNA molecule was observed.

그러나, DNA에 삽입되거나 결합된 염료는 물리적/화학적 특성 및 각각의 DNA 분자의 움직임에 영향을 미친다. 마이크로채널에서 네이티브 DNA 분자는 YOYO-1로 표지된 DNA 분자보다 더 빠르게 이동한다. 이는, YOYO-1이 분자량 및 λ-DNA의 크기를 증가시키기 때문이다. 전기장 세기 및 pH도 단일-DNA 분자의 움직임에 영향을 미친다. YOYO-표지 DNA가 네이티브 DNA에 비하여 보다 더 연장(stretch)되어 있음을 알 수 있다.However, dyes inserted or bound to DNA affect physical / chemical properties and the movement of each DNA molecule. In microchannels, native DNA molecules travel faster than DNA molecules labeled with YOYO-1. This is because YOYO-1 increases the molecular weight and the size of λ-DNA. Electric field strength and pH also affect the movement of single-DNA molecules. It can be seen that YOYO-labeled DNA is more stretched than native DNA.

이와 같이, 형광 염료의 영향으로 인하여, 종래의 단일분자 수준에서의 연구 결과는 관심 있는 네이티브 분자로부터 직접 얻은 것이 아니고, 유도체로부터 간접적으로 얻은 것이다.As such, due to the influence of fluorescent dyes, results at the conventional monomolecular level are not obtained directly from the native molecule of interest, but indirectly from derivatives.

따라서, 실시간으로 모니터링하고 각 분자의 움직임에 대한 연구를 용이하게 하기 위하여, 용액 중 형광 염료로 표지하지 아니한 네이티브 생체분자(biomolecule)에 대한 검출 방법을 연구할 필요가 있다.Therefore, in order to monitor in real time and to facilitate the study of the movement of each molecule, it is necessary to study a detection method for native biomolecules that are not labeled with fluorescent dyes in solution.

노마스키 등에 의하여 개발된 DIC 현미경의 기본적인 원리는, 측정 및 비교 빔 시스템이 서로 간섭한다는 점에서 통상의 간섭계와 유사하다. 차이점은, 비교 빔도 물체를 통과한다는 점이다[문헌 Allen, R. D.; David, G. B.; Nomarski, G. Z. Wiss. Mikr. 1969, 69, 193-221 참조]. 두 개의 빔 사이의 거리는 약 1㎛ 단위 로서 매우 짧다. 때로는 회절 제한에 의하여 정의되는 최소 해상도 거리 이하가 되도록 신중하게 선택된다. 상기 DIC 현미경에서, 광로 차이에 의하여 물체를 볼 수 있다. 관찰된 높이 및 깊이가 단지 시료를 통과하는 광로의 구배에 있어서 국부적인 차이를 나타낸다 하더라도, DIC에 의하여 얻은 영상의 유연성은 우수하다.The basic principle of a DIC microscope developed by Nomaski et al. Is similar to a conventional interferometer in that the measurement and comparison beam systems interfere with each other. The difference is that the comparison beam also passes through the object. Allen, R. D .; David, G. B .; Nomarski, G. Z. Wiss. Mikr. 1969, 69, 193-221]. The distance between the two beams is very short, about 1 μm increments. Sometimes it is carefully chosen to be below the minimum resolution distance defined by the diffraction limit. In the DIC microscope, the object can be seen by the optical path difference. Although the observed height and depth only show local differences in the gradient of the optical path through the sample, the flexibility of the image obtained by the DIC is excellent.

그러나, 공지된 특성에도 불구하고, DIC는 통상의 형광 현미경에 비하여 상대적으로 영상화 방법으로서 잘 사용되지 않는다. DIC 현미경은 단지 통상의 커버 슬립 및 슬라이드 글라스를 사용하여 고정된 샘플의 영상을 얻는데 적용된다. 그러나, DIC 현미경을 사용하여 유체 흐름 중의 단일 생체분자 검출 및 조작과 관련된 기술은 알려져 있지 아니하다.However, despite the known properties, DICs are less well used as imaging methods relative to conventional fluorescence microscopy. DIC microscopy is only used to obtain images of fixed samples using conventional cover slips and slide glasses. However, techniques related to the detection and manipulation of single biomolecules in fluid flow using DIC microscopy are not known.

최근, 마이크로 칩 기술, 예를 들어, 마이크로 토탈 분석 시스템(micro total analysis system, μ-TAS) 또는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 등이 마이크로플루이딕 분야에서 개발되었다. 마이크로플루이딕은 고속 분리, 고처리량(high-throughput), 병렬분석, 및 마이크로단위 샘플 제조 등을 포함하는 생체분자의 화학 분석에서 수많은 연구를 가능하게 한다.Recently, microchip technology, for example, a micro total analysis system (μ-TAS) or a lab-on-a-chip, has been developed in the microfluidic field. Microfluidics enable numerous studies in the chemical analysis of biomolecules, including high speed separation, high-throughput, parallel analysis, and microunit sample preparation.

본 발명에서는 형광 염료 표지와 같은 변형없이 DIC 광학현미경을 사용하는 단일분자 검출 및 조작을 개시한다. 본 발명에 따른 방법은 마이크로채널에서 각각의 DNA나 단백질과 같은 생체 분자의 실시간 움직임을 관찰하는데 성공적으로 적용될 수 있다.The present invention discloses single molecule detection and manipulation using a DIC optical microscope without modifications such as fluorescent dye labels. The method according to the invention can be successfully applied to observe the real-time movement of biomolecules such as individual DNA or proteins in microchannels.

따라서, 본 발명의 목적은 DNA 또는 단백질과 같은 생체분자를 형광 염료 등 으로 결합하거나 염색하지 아니한 채 미분간섭현미경을 이용하여 상기 생체분자를 검출하는 방법을 제공하기 위한 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for detecting the biomolecules using a differential microscopy without binding or staining a biomolecule such as DNA or protein with a fluorescent dye or the like.

또한 본 발명의 목적은 상기 생체분자 검출 시 사용하는 마이크로칩에 관한 것이다.The present invention also relates to a microchip used in the detection of the biomolecule.

본 발명은 DNA 또는 단백질과 같은 생체분자를 형광 염료 등으로 염색하지 아니한 채 미분간섭현미경을 이용하여 상기 생체분자를 검출하는 방법 및 검출 시 사용하는 마이크로칩에 관한 것이다.The present invention relates to a method of detecting the biomolecules using a differential microscopy microscope and a microchip used in the detection without dyeing a biomolecule such as DNA or protein with a fluorescent dye or the like.

본 발명에 따른 생체분자 검출방법은,Biomolecule detection method according to the present invention,

용액 중에 생체분자를 포함하는 시료를 마이크로칩 내의 마이크로채널에 투입하는 단계;Injecting a sample containing a biomolecule in a solution into a microchannel in the microchip;

상기 마이크로채널 양단에 전기장을 인가하는 단계;Applying an electric field across the microchannel;

상기 마이크로채널 내의 영상을 미분간섭 현미경(DIC 현미경)으로 확대하는 단계; 및Enlarging the image in the microchannel with a differential interference microscope (DIC microscope); And

상기 확대된 영상을 CCD 카메라와 같은 영상촬영수단으로 촬영하여, 상기 마이크로채널 중의 생체분자를 관찰하는 단계를 포함한다.Photographing the enlarged image by an image capturing means such as a CCD camera to observe the biomolecule in the microchannel.

상기 방법에 있어서, 상기 용액은 pH가 2 내지 12인 완충액인 것이 바람직하다. 또한, 상기 마이크로채널의 두께는 1 ㎛ 내지 200 ㎛인 것이 바람직하다. In the above method, the solution is preferably a buffer having a pH of 2 to 12. In addition, the thickness of the microchannel is preferably 1 ㎛ to 200 ㎛.

인가되는 전기장의 세기는 0.1 내지 1000 V/cm인 것이 바람직하다. The strength of the applied electric field is preferably 0.1 to 1000 V / cm.

상기 확대된 영상을 상기 CCD 카메라로 촬영하는 단계에서 노출시간은 5 ms 내지 300 ms인 것이 바람직하다. In the step of photographing the enlarged image with the CCD camera, the exposure time is preferably 5 ms to 300 ms.

본 발명에 따라, 상기 생체분자 관찰 방법에 사용되는 마이크로 칩은,According to the invention, the microchip used in the biomolecule observation method,

유리 또는 PDMS와 같은 빛이 투과되는 다양한 종류의 폴리머 재질로 이루어진 상부기판 및 하부기판을 포함하며, 상기 상부기판 및 하부기판 중 한 쪽의 기판에는 마이크로채널이 음각으로 형성되어 있다. 상기 마이크로채널의 높이는 1 ㎛ 내지 200 ㎛이고, 폭은 1 ㎛ 내지 1000 ㎛인 것이 바람직하다.It includes an upper substrate and a lower substrate made of various kinds of polymer material through which light such as glass or PDMS is transmitted, wherein one of the upper substrate and the lower substrate has a negative microchannel. The height of the microchannel is preferably 1 μm to 200 μm and the width is 1 μm to 1000 μm.

상기 마이크로 칩의 상부기판 및 하부기판 중, DIC 현미경에 의하여 관찰할 때 상기 DIC 현미경의 대물렌즈와 접하는 측의 기판 두께는, 대물렌즈의 초점 거리를 감안하여 1 내지 500㎛인 것이 바람직하다. 예를 들어, DIC 현미경의 대물렌즈가 상기 마이크로 칩의 상부기판에 접하여 검경되는 경우, 상기 마이크로 칩의 상부기판의 두께는 1 내지 500㎛인 것이 바람직하다.Among the upper and lower substrates of the microchip, the thickness of the substrate on the side in contact with the objective lens of the DIC microscope when viewed with a DIC microscope is preferably 1 to 500 µm in consideration of the focal length of the objective lens. For example, when the objective lens of the DIC microscope is inspected in contact with the upper substrate of the microchip, the thickness of the upper substrate of the microchip is preferably 1 to 500 µm.

본 발명에 따른 마이크로 칩에 있어서, 상기 상부기판의 상부에는 홀이 형성된 리저버가 구비되어 있는 기판 또는 튜브를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 상부기판의 두께가 얇은 경우에는, 이와 같이 상기 상부기판의 위에 유리 또는 PDMS와 같은 투광성 폴리머재질의 기판 또는 튜브를 더 구비하도록 형성함으로써 리저버의 높이를 용이하게 조절할 수 있다.In the microchip according to the present invention, it is preferable that the upper portion of the upper substrate further includes a substrate or a tube having a reservoir having a hole formed therein. In the case where the thickness of the upper substrate is thin, the height of the reservoir can be easily adjusted by forming a substrate or a tube made of a light transmissive polymer such as glass or PDMS on the upper substrate.

한편, 본 발명에서 굴절 미분 간섭 현미경을 사용하여 생체분자를 관찰하는 경우에는, 사용되는 마이크로 칩의 상부기판 또는 하부기판 중 어느 하나의 기판이 불투명한 기판(예를 들어, 실리콘 기판)이더라도, 생체분자를 관찰하는데 지장을 주지 않는다.On the other hand, when observing a biomolecule using a refractive differential interference microscope in the present invention, even if any one of the upper substrate or the lower substrate of the microchip used is an opaque substrate (for example, silicon substrate), Does not interfere with observing molecules.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 생체분자 검출방법 및 사용되는 마이크로칩에 대하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, a biomolecule detection method and a microchip used according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1 : 실험 준비Example 1 Experiment Preparation

가. 완충액 준비end. Buffer Preparation

Gly-Gly, CHES, 및 수산화나트륨을 시그마 화학 회사(Sigma Chemical Co., St. Louis, MO)로부터 구입하였다. 다양한 완충계를 다음과 같이 준비하였다: 아세트산나트륨/아세트산(pH 6.0-7.5), Gly-Gly/NaOH(pH 8.2), 및 CHES/NaOH(pH 9.0-10.0).Gly-Gly, CHES, and sodium hydroxide were purchased from Sigma Chemical Co., St. Louis, Mo. Various buffer systems were prepared as follows: sodium acetate / acetic acid (pH 6.0-7.5), Gly-Gly / NaOH (pH 8.2), and CHES / NaOH (pH 9.0-10.0).

문헌[Kang, S. H.; Shortreed, M. R.; Yeung, E. S. Anal. Chem . 2001, 73 , 1091-1099]에 기재되어 있는 바와 같은 과정을 거쳐, 고농도의 빙초산, 아세트산나트륨, 및 염화나트륨(모두 Fisher Scientific, Fiar Lawn, NJ로부터 구입)을 매우 순수한(18MΩ) 물에 용해시켰다. 아세트산, 아세트산나트륨, 및 염화나트륨 1 M 용액을 사용하여 다양한 pH의 아세트산나트륨 완충액을 제조하였다. 모든 용액은 사용 전에 0.2 ㎛ 필터를 사용하여 여과하였다.Kang, SH; Shortreed, MR; Yeung, ES Anal. Chem . Through a procedure as described in 2001 , 73 , 1091-1099, high concentrations of glacial acetic acid, sodium acetate, and sodium chloride (all purchased from Fisher Scientific, Fiar Lawn, NJ) were dissolved in very pure (18 MΩ) water. Acetic acid, sodium acetate, and sodium chloride 1 M solutions were used to prepare sodium acetate buffers of various pH. All solutions were filtered using a 0.2 μm filter before use.

나. DNA 샘플 제조I. DNA Sample Preparation

λ-DNA(48,502bp)를 라이프 테크놀로지사(Life Technologies, Grand Island, NY)로부터 구입하였다. DNA 1-kb 단편을 씨진사(Seegene Co., Seoul, Korea)로부터 구입하였다. 모든 DNA 샘플을 10 mM pH 8.2의 Gly-Gly 완충액에서 제조하였다. 200 pM 농도의 DNA 샘플을 삽입 염료 YOYO-1(Molecular Probes, Eugene, OR)로 표지하였다. 제조자의 지시에 따라 5개의 염기쌍 당 하나의 염료 분자 비율로 표지하였다. YOYO-1로 표지된 DNA 샘플을 희석하여 사용하기 전에 5분간 인큐베이션하였다.λ-DNA (48,502 bp) was purchased from Life Technologies, Grand Island, NY. DNA 1-kb fragment was purchased from Seegene Co., Seoul, Korea. All DNA samples were prepared in Gly-Gly buffer at 10 mM pH 8.2. DNA samples at 200 pM concentration were labeled with the insertion dye YOYO-1 (Molecular Probes, Eugene, OR). Labeled with one dye molecule ratio per 5 base pairs according to manufacturer's instructions. DNA samples labeled with YOYO-1 were incubated for 5 minutes prior to dilution and use.

그러나, DIC 검출에서 사용되는 DNA 샘플은 삽입 염료 또는 결합 염료 없이 단지 10 mM Gly-Gly 완충액에서 제조하였다. 단일 분자 영상 실험을 위하여, 적합한 완충액에서 실험을 시작하기 직전에 이들 DNA 샘플을 10-20 pM로 더 희석하였다. Gly-Gly 완충액의 첨가는 최종 샘플 용액의 pH를 변화시키지 아니함을 확인하였다.However, DNA samples used for DIC detection were prepared in only 10 mM Gly-Gly buffer without insert dye or binding dye. For single molecule imaging experiments, these DNA samples were further diluted to 10-20 pM immediately before starting the experiment in a suitable buffer. It was confirmed that the addition of Gly-Gly buffer did not change the pH of the final sample solution.

다. DIC 현미경 및 CCD 카메라All. DIC Microscope and CCD Camera

조사하기 위하여 DIC 슬라이더(U-DICT, Olympus)가 구비된 직립형 올림푸스 BX51 현미경(Olympus Optical Co., Ltd., Shinjuku-ku, Tokyo, Japan)을 사용하였다. 도 1a는 상기 DIC 현미경 장치를 도시한 것이다. 20배율의 대물렌즈(Olympus UPLFL20×/0.5N.A., W.D. 1.6)를 사용하였다. CCD(Cool SNAP fx, Photometrics, Tucson, AZ) 카메라를 현미경 상단에 할로겐 램프 및 Hg 램프와 함께 장착하였다. CCD 노출 시간은 20 MHz 디지틀화 속도에서 5-500 ms이다. 고전압 전원 장치(DVHV-100, Digital Bio Technology Co, Ltd., 서울, 대한민국)를 사용하여 0-5 kV 범위에서 전기영동 및 단일 DNA 분자 조작을 수행하였다. DNA 샘플에 0.41-81.6 V/cm로 전기장을 인가하였다. 이후, 마이크로채널에서 각각의 단일 DNA 분자의 크 기 결정을 칼리브레이션하기 위하여 0.2 및 0.5 ㎛ 마이크로비드(FluoSpheres carboxylate-modified microsphere, Molecular Probes)를 사용하였다. DNA 영상 수집 및 데이터 처리를 위하여 메타뷰(MetaVue) 소프트웨어(Version 5.0, Downingtown, PA)를 사용하였다.To investigate, an upright Olympus BX51 microscope (Olympus Optical Co., Ltd., Shinjuku-ku, Tokyo, Japan) equipped with a DIC slider (U-DICT, Olympus) was used. 1A shows the DIC microscope device. A 20-fold objective lens (Olympus UPLFL20 × / 0.5N.A., W.D. 1.6) was used. CCD (Cool SNAP fx, Photometrics, Tucson, AZ) cameras were mounted on top of the microscope with halogen lamps and Hg lamps. CCD exposure time is 5-500 ms at a 20 MHz digitization rate. Electrophoresis and single DNA molecular manipulations were performed in the 0-5 kV range using a high voltage power supply (DVHV-100, Digital Bio Technology Co, Ltd., Seoul, South Korea). The electric field was applied at 0.41-81.6 V / cm to the DNA sample. Then, 0.2 and 0.5 μm microbeads (FluoSpheres carboxylate-modified microsphere, Molecular Probes) were used to calibrate the size determination of each single DNA molecule in the microchannel. MetaVue software (Version 5.0, Downingtown, PA) was used for DNA image acquisition and data processing.

라. DIC용 마이크로칩 제조la. Microchip Manufacturing for DIC

DIC용 PDMS/유리 마이크로칩을 도 1b에 도시하였다. 도 1c 및 도 1d는 상기 도 1b의 마이크로칩의 평면도 및 사시도이다. 상기 마이크로칩은 디지털바이오테크놀러지 사의 마이크로 제조 시설에서 제조하였다.PDMS / glass microchips for DIC are shown in FIG. 1B. 1C and 1D are plan and perspective views of the microchip of FIG. 1B. The microchip was manufactured in a micro fabrication facility of Digital Biotechnology.

4.9 cm 길이의 직선 채널을 실가드(Sylgard) 184A 및 B(Dow Corning, Corning, NY)로 제조된 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 제조하였다. 표준 마이크로 포토리소그래피 기술을 사용하여 사용하여 코닝(Corning) 실리콘 웨이퍼 상에서 양각 구조의 채널로 구성되는 마스터를 제조하였다.4.9 cm long straight channels were made with polydimethylsiloxane (PDMS) made from Sylgard 184A and B (Dow Corning, Corning, NY). Masters were fabricated using embossed channels on a Corning silicon wafer using standard micro photolithography techniques.

PDMS을 제조하고, 진공에서 30분간 가스를 제거하고, 채널 마스터 상에 부었다. 80℃에서 3시간 큐어링(curing)한 후, 실온에서 3시간 냉각시켰다. PDMS를 실리콘 주형으로부터 분리하고, 음각 채널의 패턴을 형성하였다. 이후, 블레이드를 사용하여 적합한 크기로 잘라내고, 리저버를 형성하기 위하여 2 mm 직경의 홀을 큐어링된 폴리머에 펀칭기(Bollmanncrip)을 사용하여 펀칭하였다. PDC-32G-2 베이직 플라스마 클리너(Basic Plasma Cleaner, Harric Scientific Co., Broadway Ossing, NY)를 사용하여 유리 재질의 하부기판(No. 1 Corning 커버 글라스; 60mm 길이 × 2mm 폭, 0.16mm 두께) 및 양각 채널의 PDMS를 접착시켜, 마이크로채널을 둘러싸고, 유연한 PDMS 칩의 안정성을 높였다. 2 mm 직경의 홀이 구비된 소형의 PDMS 플레이트를 PDMS/유리 마이크로칩 위에 남겨두고, 리저버의 용액 부피를 증가시켰다.PDMS was prepared, degassed in vacuo for 30 min and poured onto the channel master. Curing at 80 ° C. for 3 hours, followed by cooling at room temperature for 3 hours. PDMS was separated from the silicone template and formed a pattern of negative channels. The blades were then cut to a suitable size and 2 mm diameter holes were punched into the cured polymer using a punching machine (Bollmanncrip) to form a reservoir. PDC-32G-2 Basic Plasma Cleaner (Harric Scientific Co., Broadway Ossing, NY) using a glass substrate (No. 1 Corning cover glass; 60 mm long × 2 mm wide, 0.16 mm thick) and The PDMS of the embossed channel was bonded to surround the microchannel and to increase the stability of the flexible PDMS chip. A small PDMS plate with holes of 2 mm diameter was left on the PDMS / glass microchip and the reservoir volume of the reservoir was increased.

마이크로칩은 PDMS 재질의 상부기판(200) 및 유리 재질의 하부기판(100)(No. 1 Corning 커버 글라스)으로 구성된다. 상기 상부기판(200)의 두께는 140㎛이고, 상기 하부기판의 두께는 160㎛이다. 상기 상부기판(200)에 형성된 채널의 치수는 길이 49mm, 폭 50㎛, 및 두께 50㎛이다. 상기 리저버(2, 4)는 직경이 2.0 mm이다. 또한, 상기 상부기판(200)에 형성되어 있는 채널의 양단에는 전기장을 인가하기 위한 홀(1, 3)이 형성되어 있다. 상기 상부기판(200)의 상부에는 리저버의 깊이를 증가시키기 위한 홀이 형성되어 있는 기판(300)(두께 1.5mm)을 더 접합시키는 것이 바람직하다. 상기 기판(300)이 더 구비되어 있는 경우, 칩의 전체 두께는 1.8mm이다.The microchip consists of an upper substrate 200 made of PDMS and a lower substrate 100 made of glass (No. 1 Corning cover glass). The upper substrate 200 has a thickness of 140 μm, and the lower substrate has a thickness of 160 μm. The dimensions of the channel formed on the upper substrate 200 are 49 mm long, 50 μm wide, and 50 μm thick. The reservoirs 2, 4 are 2.0 mm in diameter. In addition, holes (1, 3) for applying an electric field are formed at both ends of the channel formed on the upper substrate (200). Preferably, the upper portion of the upper substrate 200 is further bonded with a substrate 300 (1.5 mm thick) in which a hole for increasing the depth of the reservoir is formed. When the substrate 300 is further provided, the total thickness of the chip is 1.8 mm.

유리/유리 마이크로칩은 500 ㎛ 두께의 유리기판를 이용하여, 한쪽 기판에 채널을 형성한 후, 두 개의 기판을 접합하여 제조하였다. 채널의 크기는 50 mm 길이, 70 ㎛ 폭, 10 ㎛ 두께이다. 그 밖의 사항은 PDMS/유리재질의 마이크로칩과 동일하다.Glass / glass microchips were fabricated by using a 500 μm-thick glass substrate to form a channel on one substrate and then joining the two substrates together. The size of the channel is 50 mm long, 70 μm wide, 10 μm thick. Others are the same as for PDMS / Glass microchips.

마. 결과hemp. result

문헌[Kang, S. H.; Shortreed, M. R.; Yeung, E. S. Anal. Chem . 2001, 73 , 1091-1099]에 의하면, 융합된 실리카/물 계면에서 각각의 λ-DNA 분자는 임의의 코일을 형성하고, 이들의 입체형태(conformation)는 pH 5.5 이상에서 빠르게 변동한다. pH가 4.5로 더 감소함에 따라, DNA 분자는 분자 코우밍(molecular combing) 과정과 유사하게 점차 융합된 실리카 표면 상으로 끌려온다.Kang, SH; Shortreed, MR; Yeung, ES Anal. Chem . 2001 , 73 , 1091-1099, each λ-DNA molecule at the fused silica / water interface forms an arbitrary coil and their conformation fluctuates rapidly above pH 5.5. As the pH is further reduced to 4.5, DNA molecules are gradually attracted onto the fused silica surface, similar to the molecular combing process.

그러나, PDMS/유리 마이크로칩에서, 삽입 염료 YOYO-1로 염색된 λ-DNA(YOYO-DNA) 및 네이티브 λ-DNA 분자 모두 pH 6.5 아래에서는 용리(elution)되지 아니하였다. 이는, 마이크로채널의 PDMS 표면 상에서의 흡착 때문이다.However, in PDMS / glass microchips, neither λ-DNA (YOYO-DNA) nor native λ-DNA molecules stained with insertion dye YOYO-1 were eluted below pH 6.5. This is due to the adsorption of microchannels on the PDMS surface.

pH 7.0 이상에서 300 ms 노출 시간의 경우, YOYO-DNA의 형광 영상은 선형을 나타낸다(도 2 참조). 이는 장시간 노출에 의한 DNA의 운동에 기인하며, 선(streak) 형태의 집적된 궤도를 야기한다. 초점 평면에 대한 분자의 수직선 상의 위치에 따라 상기 선은 상이한 두께를 나타낸다. 상기 도 2는 PDMS/유리 마이크로채널에서 에피(epi)-형광 현미경으로부터 얻은 삽입 YOYO-1로 염색한 λ-DNA의 형광 영상이다. 전기장은 20.4 V/cm이고, 대물렌즈로는 UPLFL20×/0.5W.D. 1.6을 사용하였으며, CCD 노출 시간은 300 ms이고, 샘플은 10 pM YOYO-1 표지 λ-DNA이다.For 300 ms exposure time above pH 7.0, fluorescence images of YOYO-DNA show linearity (see FIG. 2). This is due to the movement of the DNA by prolonged exposure, resulting in an integrated orbit in the form of streaks. Depending on the position on the molecule's perpendicular to the focal plane, the lines exhibit different thicknesses. FIG. 2 is a fluorescence image of λ-DNA stained with embedded YOYO-1 obtained from an epi-fluorescence microscope in PDMS / glass microchannel. The electric field is 20.4 V / cm, and the objective lens is UPLFL20 × / 0.5W.D. 1.6 was used, the CCD exposure time was 300 ms, and the sample was 10 pM YOYO-1 labeled λ-DNA.

마이크로채널에서 각각의 네이티브 λ-DNA의 운동은 노마스키 DIC 현미경에 의하여 YOYO-1 표지없이 용이하게 실시간으로 모니터링할 수 있다. 네이티브 λ-DNA 분자의 궤적은 300 ms 노출시간에서 벌레(earthworm) 형상과 유사하다(도 3(A) 및 도 3(B) 참조). 그러나, 염료 삽입은 λ-DNA 분자의 움직임을 변화시킨다. 선의 길이가 주로 DNA 운동(전기영동)의 결과라는 사실은 도 3의 C 및 D로부터 확인할 수 있다. 따라서, 짧은 노출 시간에는 본질적으로 운동의 선 길이에 대한 기여 를 제거한다.The motion of each native [lambda] -DNA in the microchannels can be easily monitored in real time without YOYO-1 labeling by a Normasky DIC microscope. The trajectory of native λ-DNA molecules is similar to the worm (earthworm) shape at 300 ms exposure time (see FIGS. 3 (A) and 3 (B)). However, dye insertion changes the motion of the λ-DNA molecules. The fact that the length of the line is mainly the result of DNA motion (electrophoresis) can be seen from C and D of FIG. 3. Thus, short exposure times essentially eliminate the contribution to the line length of the movement.

상기 도 3에서 (A)는 YOYO-1로 표지된 λ-DNA 분자를 300 ms 노출에서 DIC 현미경으로 촬영한 것이고, (B)는 300 ms 노출에서 네이티브 λ-DNA를 DIC 현미경으로 촬영한 것이며, (C)는 YOYO-1로 표지된 λ-DNA 분자를 10ms 노출에서 DIC 현미경으로 촬영한 것이고, (D)는 10 ms 노출에서 네이티브 λ-DNA를 DIC 현미경으로 촬영한 것이다. 전기장은 10.2 V/cm이고, 샘플은 20 pM λ-DNA이다.In FIG. 3, (A) shows a λ-DNA molecule labeled with YOYO-1 under a DIC microscope at 300 ms exposure, and (B) shows a native λ-DNA under a DIC microscope at 300 ms exposure. (C) is a DIC microscope photograph of λ-DNA molecules labeled with YOYO-1 at 10 ms exposure, and (D) is a DIC microscope image of native λ-DNA at 10 ms exposure. The electric field is 10.2 V / cm and the sample is 20 pM λ-DNA.

마이크로채널에서 전기장에 대한 함수로서의 λ-DNA의 이동 속도를 도 4에 도시하였다. λ-DNA 분자의 속도는 인가된 전기장에 따라 증가한다. 네이티브 DNA 분자(도 4에서 흑색 원)는 YOYO-DNA 분자(도 4에서 백색 삼각형)보다 더 빠르게 이동한다. pH 8.2에서, 네이티브 λ-DNA 및 YOYO-DNA는 모두 순수하게 음전하를 띤다. 그러나, YOYO-1은 5개의 DNA 염기 중 하나를 삽입한다. YOYO-1(C49H58I4N6O2; M.W. 1270.65)은 DNA의 분자량 및 크기를 증가시킨다. 또한, YOYO-1은 양전하이기 때문에, 에티디움 브로마이드(ethidium bromide)와 유사하게 이온 전하를 감소시켜 DNA-YOYO 복합체의 전기영동 운동을 감소시킨다. 따라서, YOYO-DNA는 네이티브 DNA 분자보다 속도가 떨어진다.The rate of travel of λ-DNA as a function of electric field in the microchannels is shown in FIG. 4. The rate of the λ-DNA molecules increases with the applied electric field. Native DNA molecules (black circles in FIG. 4) move faster than YOYO-DNA molecules (white triangles in FIG. 4). At pH 8.2, both native λ-DNA and YOYO-DNA are purely negatively charged. However, YOYO-1 inserts one of five DNA bases. YOYO-1 (C 49 H 58 I 4 N 6 O 2 ; MW 1270.65) increases the molecular weight and size of DNA. In addition, since YOYO-1 is a positive charge, similar to ethidium bromide, the ionic charge is reduced to reduce the electrophoretic motion of the DNA-YOYO complex. Thus, YOYO-DNA is slower than native DNA molecules.

상기 도 4에서 PDMS/유리 마이크로채널에서 인가된 전기장의 함수로서의 각각의 λ-DNA 분자의 이동 속도를 DIC 현미경으로 모니터링하였다. CCD 노출 시간은 10 ms이고, 샘플은 20 pM λ-DNA 분자이며, 흑색 원은 네이티브 λ-DNA를 나타내고, 백색 삼각형은 YOYO-1로 표지된 λ-DNA를 나타낸다. 오차 바는 5회 측정시 의 표준 편차이다.In FIG. 4 the rate of movement of each λ-DNA molecule as a function of applied electric field in PDMS / glass microchannels was monitored by DIC microscopy. The CCD exposure time is 10 ms, the sample is 20 pM λ-DNA molecules, the black circles represent native λ-DNA and the white triangles represent λ-DNA labeled YOYO-1. Error bars are the standard deviation for five measurements.

일반적으로, 분자는 노출시간 동안에 카메라에 대하여 상대적으로 운동하기 때문에, 궤적은 이미지 상에서 선으로서 나타난다. 문헌[Shorteed, M. R.; Li, H.; Huang, W.-H.; Yeung, E. S. Anal. Chem. 2000, 72, 2879-2885]에서 선의 길이는 분자 확인 시 전기영동 운동을 결정하는데 사용되었다. 즉, 속도가 빠른 분자는 선의 길이가 길며, 속도가 느린 분자는 선의 길이가 짧다. 본 명세서에서, 두 가지 형태의 λ-DNA 분자의 측정된 길이는 노출 시간에 따라 선형으로 변화한다(도 5 참조). 네이티브 DNA 분자는 가장 짧은 노출 시간은 10ms에서 구형으로 나타난다. 이들은 흐름에 의하여 왜곡되지 않는다. 그러나, 도 5는 YOYO 표지된 DNA 분자가 네이티브 DNA 분자보다 더 길게 연장됨을 보여준다. 이는 염료 삽입이 쇄의 길이를 연장시키고, 분자를 더 선형화시킨다는 사실로써 설명할 수 있다.In general, because the molecule moves relative to the camera during the exposure time, the trajectory appears as a line on the image. Horteed, MR; Li, H .; Huang, W.-H .; Yeung, ES Anal. Chem . 2000 , 72 , 2879-2885, line lengths were used to determine electrophoretic motion in molecular identification. In other words, fast molecules have long lines, and slower molecules have shorter lines. In this specification, the measured lengths of the two types of λ-DNA molecules vary linearly with exposure time (see FIG. 5). Native DNA molecules are spherical at the shortest exposure time of 10 ms. They are not distorted by the flow. However, Figure 5 shows that YOYO labeled DNA molecules extend longer than native DNA molecules. This can be explained by the fact that dye insertion extends the length of the chain and makes the molecule more linear.

상기 도 5는 10.2 V/cm의 전기장 하에서 각각의 DNA 분자의 선의 길이를 도시한 것이다. 샘플은 20 pM λ-DNA 분자이고, 흑색 원은 네이티브 λ-DNA 분자이며, 백색 삼각형은 YOYO-1로 표지된 λ-DNA 분자이다. 다른 조건은 도 3에서의 조건과 동일하다.5 shows the length of the line of each DNA molecule under an electric field of 10.2 V / cm. The sample is a 20 pM λ-DNA molecule, the black circle is a native λ-DNA molecule, and the white triangle is a λ-DNA molecule labeled YOYO-1. Other conditions are the same as those in FIG.

도 6은 10 ms 노출시간(백색 원) 및 300 ms 노출시간(흑색 원)에서 네이티브 λ-DNA 분자의 길이에 대한 pH의 효과를 도시한 것이다. pH 7.0 이상에서 유리 표면은 음전하를 띠는 실라노에이트(SiO-) 기를 갖는다. 정전기적 척력은 마이크로채널의 표면 및 DNA 분자 사이의 상호작용을 압도한다. DNA 분자는 상기 표면 위에 서 자유로이 움직이고, 긴 노출 시간 동안 선형을 형성할 수 있다.FIG. 6 shows the effect of pH on the length of native λ-DNA molecules at 10 ms exposure time (white circle) and 300 ms exposure time (black circle). Above pH 7.0, the glass surface has a negatively charged silanoate (SiO ) group. Electrostatic repulsive forces overwhelm the interaction between the surface of the microchannel and the DNA molecules. DNA molecules can move freely on the surface and form linear for long exposure times.

pH 6.9 이하에서는 마이크로채널 및 DNA 분자 사이의 소수성 상호작용이 정전기력보다 강하다. PDMS 표면은 유리 표면(SiO-)과는 상이한 화학적 조성(Si(CH3)2-O-Si(CH3)2)-O-Si(CH3)2)-O-Si(CH 3)2)-O)을 갖기 때문에, pH 효과는 이전에 문헌[Kang, S. H.; Shortreed, M. R.; Yeung, E. S. Anal. Chem . 2001, 73 , 1091-1099]에서 보고된 것과 상이하다. 따라서, DNA 분자는 소수성 상호작용에 의하여 마이크로채널의 PDMS 표면에 흡착된다.Below pH 6.9, hydrophobic interactions between microchannels and DNA molecules are stronger than electrostatic forces. The PDMS surface has a different chemical composition than the glass surface (SiO-) (Si (CH 3 ) 2 -O-Si (CH 3 ) 2 ) -O-Si (CH 3 ) 2 ) -O-Si (CH 3 ) 2 PH) has previously been described by Kang, SH; Shortreed, MR; Yeung, ES Anal. Chem . 2001 , 73 , 1091-1099. Thus, DNA molecules are adsorbed onto the PDMS surface of the microchannels by hydrophobic interactions.

pH가 6.5로 감소함에 따라, λ-DNA 분자는 PDMS 표면에 고정된다. 따라서, DNA 분자의 운동과 관련있는 선의 길이는 장시간의 노출 시간(도 6의 흑색 원)에서도 감소한다.As the pH decreases to 6.5, λ-DNA molecules are immobilized on the PDMS surface. Thus, the length of the lines associated with the motion of the DNA molecules decreases even with long exposure times (black circles in FIG. 6).

pH 6.5 이하에서, DNA 분자는 PDMS 표면에 강하게 흡착되고, DNA 분자는 PDMS/유리 마이크로채널을 통하여 용출되지 못한다. 이러한 결과는, 정전기적 상호작용 및 소수성 상호작용이 모두 흡착과 관련이 있어도, 마이크로칩의 액체-고체 계면에서 정전기적 상호작용보다는 소수성 상호작용이 DNA 흡착의 주된 구동력임을 나타낸다.Below pH 6.5, DNA molecules are strongly adsorbed on the PDMS surface and DNA molecules are not eluted through the PDMS / free microchannels. These results indicate that even though both electrostatic and hydrophobic interactions are related to adsorption, hydrophobic interactions rather than electrostatic interactions at the liquid-solid interface of the microchip are the main driving force of DNA adsorption.

상기 도 6은 상이한 pH에서 네이티브 λ-DNA 분자(10pM)의 선 길이를 도시한 것이다. 전기장은 10.2 V/cm이고, 러닝 버퍼는 2 mM 아세트산나트륨/아세트산(pH 6.5-7.5), 10 mM Gly-Gly/0.1M 수산화나트륨(pH 8.2), 25 mM CHES/0.1M 수산화나트륨(pH 9.0-10.0)이고, 백색 원은 10 ms 노출시간이며, 흑색 원은 300 ms 노출시간 이다.6 shows the line lengths of native λ-DNA molecules (10 pM) at different pHs. The electric field is 10.2 V / cm, the running buffer is 2 mM sodium acetate / acetic acid (pH 6.5-7.5), 10 mM Gly-Gly / 0.1M sodium hydroxide (pH 8.2), 25 mM CHES / 0.1M sodium hydroxide (pH 9.0) -10.0), the white circle is 10 ms exposure time and the black circle is 300 ms exposure time.

각각의 λ-DNA 분자는 pH 8.2에서 유체 흐름 방향에서 동일한 움직임 및 형상을 나타내지 않는다. λ-DNA 분자를 포함하는 용액이 동전기적으로 이동하는 반면, 일부 DNA 분자는 표면에 흡착되기 시작한다. 벌크 흐름 하에서 DNA 분자의 말단의 흡착은 DNA 분자의 길이를 연장시킨다는 것이 보고된 바 있다[문헌 Kang, S. H.; Shortreed, M. R.; Yeung, E. S. Anal. Chem . 2001, 73, 1091-1099 참조]. 그러나, 채널 표면에서 영구적인 고정은 관찰되지 않았다. 이는 염기성 pH에서의 DNA 분자의 흡착/탈착(adsorption/desorption) 행동이 PDMS 표면 및 DNA 분자 사이의 강한 소수성 상호작용 및 약한 정전기적 척력에 의하여 야기될 수 있기 때문이다.Each λ-DNA molecule does not exhibit the same movement and shape in the fluid flow direction at pH 8.2. Solutions containing λ-DNA molecules migrate electrokinically, while some DNA molecules begin to adsorb to the surface. Adsorption of the ends of DNA molecules under bulk flow has been reported to extend the length of DNA molecules [Kang, SH; Shortreed, MR; Yeung, ES Anal. Chem . 2001 , 73 , 1091-1099]. However, no permanent fixation was observed at the channel surface. This is because the adsorption / desorption behavior of DNA molecules at basic pH can be caused by strong hydrophobic interactions and weak electrostatic repulsion between the PDMS surface and the DNA molecules.

25 mM 아세트산나트륨 완충액(pH 6.0) 중의 λ-DNA 분자가 PDMS 표면에 강하게 흡착되지만, 마이크로채널을 통하여 용출되지 아니함을 확인하였다. 따라서, 마이크로채널의 말단에서 DNA 분자를 관찰할 수 없었다(도 7의 A 참조). 이는 DNA 분자를 관찰할 수 있으나, 다른 형태의 분자는 관찰되지 아니함을 의미한다.It was confirmed that λ-DNA molecules in 25 mM sodium acetate buffer (pH 6.0) strongly adsorbed to the PDMS surface, but did not elute through the microchannel. Therefore, DNA molecules could not be observed at the ends of the microchannels (see FIG. 7A). This means that DNA molecules can be observed, but no other types of molecules are observed.

그러나, 0.3% 폴리비닐피롤리돈(PVP, Mr 1,000,000)을 함유하는 동일한 pH 완충액에서는, 상기 폴리머가 마이크로채널의 표면을 동적으로 코팅하며, 각각의 DNA 분자는 동전기적으로 구동되지 아니한다(도 7의 B 참조). 이러한 결과는, PVP가 전기삼투 흐름을 억제하고, DNA가 PDMS 뿐만 아니라 모세관 전기영동에서 융합된 실리카 표면 및 액체-고체 계면에 흡착되는 것을 PVP가 막아준다는 사실과 부합한다.However, in the same pH buffer containing 0.3% polyvinylpyrrolidone (PVP, Mr 1,000,000), the polymer dynamically coats the surface of the microchannels and each DNA molecule is not electrokinetic (FIG. 7). B). These results are consistent with the fact that PVP inhibits electroosmotic flow and PVP prevents DNA from adsorbing to the fused silica surface and liquid-solid interface in PDMS as well as capillary electrophoresis.

도 7은 PDMA/유리 마이크로채널에서 λ-DNA 분자의 흡착에 미치는 PVP의 효과를 나타내는 실시간 DIC 영상이다. 전기장은 10.2 V/cm이고, CCD 노출시간은 10 ms이며, 샘플은 10 pM 네이티브 λ-DNA 분자이다. 러닝 완충액은 25 mM 아세트산나트륨/아세트산 완충액(pH 6.0) 중 (A)가 0% PVP이고, (B)가 0.3% PVP(Mr 1,000,000)이다. 흡착으로 인하여, 분자는 (B)에서 채널을 따라 움직이는 것으로 보이지만, (A)에서는 그러하지 아니하다.7 is a real-time DIC image showing the effect of PVP on the adsorption of λ-DNA molecules in PDMA / free microchannels. The electric field is 10.2 V / cm, the CCD exposure time is 10 ms, and the sample is 10 pM native λ-DNA molecules. The running buffer is (A) 0% PVP and (B) 0.3% PVP (Mr 1,000,000) in 25 mM sodium acetate / acetic acid buffer (pH 6.0). Due to the adsorption, the molecule appears to move along the channel in (B), but not in (A).

본 발명에 따라 DIC 현미경으로 PDMS/유리 마이크로칩에서 검출가능한 최소 크기는 1-kb DNA 분자이다(약 85 nm, 도 8의 A 참조). 그러나, 선형 DNA의 경우 50bp DNA 분자의 검출도 가능하다. 또한, 어떠한 전처리 과정을 거치지 아니하여도, 50nm 마이크로스피어를 관찰할 수 있다. 도 8의 B는 500nm 마이크로스피어를 관찰한 것이다.The minimum size detectable in PDMS / glass microchips by DIC microscopy according to the invention is 1-kb DNA molecules (about 85 nm, see A in FIG. 8). However, for linear DNA, detection of 50bp DNA molecules is also possible. In addition, 50 nm microspheres can be observed without any pretreatment. 8B is an observation of 500 nm microspheres.

도 8은 PDMS/유리 마이크로칩에서 (A) 네이티브 1-kb DNA 분자 및 (B) 500 nm 카복실화 변형된 마이크로스피어의 DIC 영상이다. 전기장은 10.2 V/cm이고, CCD 노출시간은 10 ms이며, 러닝 완충액은 10 mM Gly-Gly 완충액(pH 8.2, 0.1M NaOH 포함)이다. 도 8에서 화살표는 본래 상태 그대로의 1-kb DNA 분자를 지시한다.FIG. 8 is a DIC image of (A) native 1-kb DNA molecule and (B) 500 nm carboxylated modified microspheres in PDMS / glass microchip. The electric field is 10.2 V / cm, the CCD exposure time is 10 ms, and the running buffer is 10 mM Gly-Gly buffer (pH 8.2 with 0.1 M NaOH). Arrows in FIG. 8 indicate 1-kb DNA molecules intact.

도 9는 유리/유리 마이크로칩에서 10 pM의 (A) 네이트브 1-kb DNA 분자 및 (B) 네이트브 48-kb DNA 분자의 DIC 영상이다. 전기장은 20 V/cm이고, CCD 노출시간은 10 ms이며, 러닝 완충액은 0.3 % PVP와 10 mM Gly-Gly 완충액(pH 8.2)이다. 9 is a DIC image of 10 pM of (A) Nateb 1-kb DNA molecule and (B) Nateb 48-kb DNA molecule in glass / glass microchip. The electric field is 20 V / cm, the CCD exposure time is 10 ms, and the running buffer is 0.3% PVP and 10 mM Gly-Gly buffer (pH 8.2).

형광 염료로 표지하지 않으면서, DIC 현미경을 사용함으로써 마이크로채널에서의 네이티브 단일-DNA 분자의 움직임을 용액 내에서 실시간으로 직접 관찰할 수 있다. DIC의 기본 원리는 시료의 광학적 두께의 국소적 차이에 기인한다. 따라서, 단일-DNA 분자의 광학적 경로 차이의 기울기가 채널 내에서 볼 수 있게 한다. 그러나, λ-DNA 분자의 영상은 2 mm이하의 두께를 갖는 마이크로채널 내에서만 볼 수 있다(도 1의 B 및 C 참조). 이는 DIC 물체의 거리와 DIC렌즈의 작업거리(Working Distance, W.D.) 에 기인한다. PDMS/유리 표면에서의 λ-DNA 분자의 실시간 운동은 DNA 분자 및 마이크로 채널 표면 사이의 흡착/탈착 균형 및 인가된 전기장에 기인한 이동에 의하여 영향을 받는다. 삽입 염료 YOYO-1은 네이티브 단일 DNA 분자에 영향을 미쳐서, λ-DNA 분자가 YOYO-DNA 분자보다 항상 더 빠르게 이동함을 확인할 수 있다. Without labeling with fluorescent dyes, the use of DIC microscopy allows direct observation of the movement of native single-DNA molecules in microchannels in solution in real time. The basic principle of the DIC is due to the local difference in the optical thickness of the sample. Thus, the slope of the optical path difference of the single-DNA molecules makes it visible in the channel. However, images of λ-DNA molecules can only be seen within microchannels with a thickness of 2 mm or less (see B and C in FIG. 1). This is due to the distance of the DIC object and the working distance (W.D.) of the DIC lens. The real-time motion of the λ-DNA molecules on the PDMS / glass surface is affected by the adsorption / desorption balance between the DNA molecules and the microchannel surface and the shift due to the applied electric field. The insertion dye YOYO-1 affects native single DNA molecules, confirming that λ-DNA molecules always move faster than YOYO-DNA molecules.

본 발명에 따른 검출 방법에 의하면, DNA를 형광 염료로 염색하지 않기 때문에, DNA 자체의 움직임을 보다 정확하게 관찰할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 DIC 현미경을 이용한 단일분자 검출기술(SMD)은 마이크로칩 연구 및 실온에서 액체 중의 DNA 생물물리학 연구에 다양하게 적용할 수 있다.According to the detection method according to the present invention, since the DNA is not stained with a fluorescent dye, the movement of the DNA itself can be observed more accurately. Therefore, the single molecule detection technique (SMD) using the DIC microscope according to the present invention can be applied to a variety of microchip studies and DNA biophysics studies in liquid at room temperature.

Claims (15)

용액 중에 생체분자를 포함하는 시료를 마이크로칩 내의 마이크로채널에 투입하는 단계;Injecting a sample containing a biomolecule in a solution into a microchannel in the microchip; 상기 마이크로채널 양단에 전기장을 인가하는 단계;Applying an electric field across the microchannel; 상기 마이크로채널 내의 영상을 미분간섭 현미경(DIC 현미경)으로 확대하는 단계; 및Enlarging the image in the microchannel with a differential interference microscope (DIC microscope); And 상기 확대된 영상을 영상촬영수단으로 촬영하여, 상기 마이크로채널 중의 생체분자를 관찰하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, DIC 현미경을 사용하여 생체분자를 관찰하는 방법.And capturing the enlarged image by an image photographing means to observe biomolecules in the microchannels. 제 1 항에 있어서, 상기 생체분자는 DNA이고, 50 bp 이상의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the biomolecule is DNA, characterized in that 50 bp or more in size. 제 1 항에 있어서, 상기 생체분자는 단백질이고, 50 nm 이상의 크기인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the biomolecule is a protein and is at least 50 nm in size. 제 1 항에 있어서, 상기 용액은 pH가 2 내지 12인 완충액인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the solution is a buffer having a pH of 2 to 12. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로채널의 두께는 1 ㎛ 내지 200 ㎛인 것을 특 징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the microchannels have a thickness of 1 μm to 200 μm. 제 5 항에 있어서, 인가된 전기장의 세기는 0.1 내지 1000 V/cm인 것을 특징으로 하는 방법.6. The method of claim 5 wherein the intensity of the applied electric field is between 0.1 and 1000 V / cm. 제 6 항에 있어서, 상기 영상촬영수단은 CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 방법.7. The method according to claim 6, wherein the image capturing means is a CCD camera. 제 7 항에 있어서, 상기 확대된 영상을 상기 CCD 카메라로 촬영하는 단계에서 노출시간은 1 ms 내지 500 ms인 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the exposure time in the step of photographing the enlarged image with the CCD camera is 1 ms to 500 ms. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 생체분자는 DNA 또는 단백질이고,The biomolecule is DNA or protein, 상기 용액은 pH가 2 내지 12인 완충액이며,The solution is a buffer of pH 2 to 12, 상기 마이크로채널의 두께는 1 내지 200㎛이고,The thickness of the microchannel is 1 to 200㎛, 인가된 전기장의 세기는 1 내지 1000 V/cm이며,The intensity of the applied electric field is 1 to 1000 V / cm, 상기 영상촬영수단은 CCD 카메라이고,The image photographing means is a CCD camera, 상기 확대된 영상을 상기 CCD 카메라로 촬영하는 단계에서 노출시간은 1 내지 500 ms인 것을 특징으로 하는 방법.The exposure time in the step of capturing the magnified image with the CCD camera, characterized in that 1 to 500 ms. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,The method according to claim 1 or 9, 상기 마이크로 칩은 유리 또는 투광성 폴리머 재질의 상부기판 및 하부기판을 포함하되,The microchip includes an upper substrate and a lower substrate of glass or a transparent polymer material, 상기 상부기판 및 하부기판 중 어느 하나의 기판에는 마이크로채널이 음각으로 형성되어 있으며,One of the upper substrate and the lower substrate is formed with a microchannel intaglio, 상기 상부기판 및 하부기판 중, 상기 DIC 현미경의 대물렌즈와 접하는 측의 기판 두께는 1 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 방법.The substrate thickness of the upper substrate and the lower substrate in contact with the objective lens of the DIC microscope is 1 to 500㎛. 삭제delete 제 1 항에 따른 생체분자 관찰 방법에 사용되는 마이크로 칩으로서,A microchip used in the biomolecule observation method according to claim 1, 유리 또는 투광성 폴리머 재질의 상부기판 및 하부기판을 포함하되,Including an upper substrate and a lower substrate of glass or a transparent polymer material, 상기 상부기판 및 하부기판 중 어느 하나의 기판에는 마이크로채널이 음각으로 형성되어 있으며,One of the upper substrate and the lower substrate is formed with a microchannel intaglio, 상기 상부기판 및 하부기판 중, DIC 현미경의 대물렌즈와 접하는 측의 기판 두께는 1 내지 500㎛이고,The substrate thickness of the upper substrate and the lower substrate in contact with the objective lens of the DIC microscope is 1 to 500㎛, 상기 마이크로채널의 높이는 1 ㎛ 내지 200㎛이고, 폭은 1 ㎛ 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 칩.The microchannel has a height of 1 μm to 200 μm and a width of 1 μm to 1000 μm. 삭제delete 제 12 항에 있어서, 상기 상부기판의 상부에는 홀이 형성된 리저버가 구비되어 있는, 유리 또는 투광성 폴리머 재질의 기판 또는 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 칩.The microchip of claim 12, further comprising a substrate or a tube made of glass or a light-transmitting polymer having a reservoir formed with a hole in an upper portion of the upper substrate. 용액 중에 생체분자를 포함하는 시료를 마이크로칩 내의 마이크로채널에 투입하는 단계;Injecting a sample containing a biomolecule in a solution into a microchannel in the microchip; 상기 마이크로채널 양단에 전기장을 인가하는 단계;Applying an electric field across the microchannel; 상기 마이크로채널 내의 영상을 굴절 미분간섭 현미경(굴절 DIC 현미경)으로 확대하는 단계; 및Enlarging the image in the microchannel with a refractive differential microscope (refractive DIC microscope); And 상기 확대된 영상을 영상촬영수단으로 촬영하여, 상기 마이크로채널 중의 생체분자를 관찰하는 단계를 포함하되,Photographing the enlarged image by an image photographing means, and observing a biomolecule in the microchannel, 상기 마이크로 칩은 상부기판 및 하부기판을 포함하고,The microchip includes an upper substrate and a lower substrate, 상기 상부기판 및 하부기판 중 어느 하나의 기판은 유리 또는 투광성 폴리머 재질로 이루어지고, 다른 하나의 기판은 실리콘으로 이루어지며,One of the upper substrate and the lower substrate is made of glass or a transparent polymer material, the other substrate is made of silicon, 상기 상부기판 및 하부기판 중 어느 하나의 기판에는 마이크로채널이 음각으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 굴절 DIC 현미경을 사용하여 생체분자를 관찰하는 방법.The method of observing biomolecules using a refraction DIC microscope, characterized in that the microchannel is intaglio formed on any one of the upper substrate and the lower substrate.
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