KR102449073B1

KR102449073B1 - TiO2 나노구조 기반 핵산 검출장치 및 롤투롤 공정을 이용한 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102449073B1
Application number: KR1020200109719A
Authority: KR
Inventors: 리 루크; 조규진
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: KR20210142516A

Abstract

본 발명은 시료에 존재하는 타겟 핵산(DNA, RNA)을 검출할 수 있는 분자진단 장치와 이를 R2R 공정으로 제조하는 기술에 관한 것으로, 시료를 검출장치에 주입하면 시료로부터 핵산의 분리 및 증폭반응이 연속적으로 일어나, 시료로부터 핵산을 분리하기 위한 추가적인 과정이 필요하지 않다. 이에 따라, 본 발명의 핵산 검출장치를 사용하면 간편하게 타겟 핵산을 검출할 수 있는바, 병원성 세균, 바이러스 등의 현장에서의 검출 및 진단(Point-of-care testing)에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Description

TiO2 나노구조 기반 핵산 검출장치 및 롤투롤 공정을 이용한 이의 제조방법{Apparatus for detecting nucleic acid based on TiO2 Nano-structure and method for fabricating the same using Roll-to-Roll processing}

본 발명은 시료 내 핵산의 분리 및 증폭에 필요한 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매층을 구비하는 핵산 검출장치 및 롤투롤 공정을 이용하여 상기 핵산 검출장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.

인간을 포함한 모든 온혈동물의 장 내에는 박테리아, 바이러스 등과 같은 다양한 병원체가 서식하는데 매우 좋은 환경이 제공되고 있다. 병원체는 주변 환경에서 널리 분포되어 있는 바, 구체적으로 박테리아 병원체는 흙, 동물 장기, 동물의 변에 의하여 오염된 물 등에서 발견되고 있다. 인체 역시 평균적으로 인체 내외에 걸쳐 150 타입 이상의 박테리아를 갖고 있으며, 이중 많은 미생물들이 인체에 무해하기는 하나, 몇몇 종류는 식중독(botulism), 콜레라(cholera), 설사(diarrhea), 구토(emesis), 폐렴(pneumonia), 장티푸스(typhoid) 등을 포함하는 다양한 감염성 질환을 유발한다. 특히, 200 종류 이상의 질병이 음식 및 음용수 단독을 통하여 전염될 수 있다.

병원체는 오염된 토양, 그리고 수질 환경을 통해 쉽게 인간에게 감염될 수 있다. 통상의 조건 하에서 병원체의 번식속도는 매우 빠르기 때문에 아무리 적은 수의 병원체라도 일단 인체 내에 침입할 경우, 이의 생장환경에 매우 적합한 장 속에서 빠르게 성장하여 인간의 건강을 위협할 수 있는 수준까지 이르게 된다. 따라서, 오염된 환경으로부터 빠르고 간편하게 병원체(특히, 바이러스)의 유무를 검출할 수 있는 진단 기술이 요구되고 있다.

이처럼, 유전학적 분석을 기반으로 하는 임상 진단 기술은 통상적으로 박테리아, 균류(fungus) 또는 바이러스로부터 핵산을 회수하여 증폭 반응을 수행한 다음, 다양한 검출 수단(예를 들면, 광학적, 전기화학적 또는 기계적 바이오센서 디바이스)을 이용하여 앰플리콘(amplicon)을 분석하는 방식을 이용한다. 이는 혈액과 같은 생물학적 시료나 식수, 음식물 등의 환경 시료에는 검출 대상인 박테리아 또는 바이러스가 미량으로 존재하는 경우가 일반적이기 때문이다.

한편, 일반적으로 롤투롤(Roll-to-Roll, R2R) 공정 장치는 롤(roll) 형태의 필름(film) 또는 웹(web)에 다양한 종류의 공정을 수행하는 장치를 의미한다. 이러한 롤투롤 공정 장치는 롤 형태로 권취된 필름을 풀어주는 언와인더(unwinder), 필름에 인쇄 공정 등 다양한 공정을 수행하는 공정 유닛들, 필름을 다시 롤 형태로 감아주는 리와인더(rewinder)를 포함하며, 이들 사이에서 필름을 이송하기 위한 다양한 이송 유닛들을 구비할 수 있다.

롤투롤 공정 장치의 일 예로, 피공정물인 필름의 표면에 다양한 패턴을 형성하는 롤투롤 인쇄 장치를 들 수 있다. 최근의 롤투롤 인쇄 장치는 전자 회로, 센서, 플렉서블 디스플레이(flexible display) 등의 다양한 전자 부품의 제조에 다양하게 활용되고 있다.

미국 등록특허 US 9,970,423B2

본 발명자들은 생물학적 분자(핵산) 검출을 위한 장치(예컨대, PCR칩, 미세유체칩, 바이오센서 등)를 보다 효율적으로 단시간 내에 저렴한 비용(low-cost)으로 대량 생산하기 위한 기술을 개발하고자 노력하여, 시료 내에 존재하는 세포 또는 바이러스로부터 핵산을 짧은 시간 내에 분리 및 증폭하기 위한 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매층을 구비하는 핵산 검출장치를 롤투롤(R2R) 공정으로 제조함으로써, 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 TiO₂ 나노구조가 광촉매로 작용하면서 동시에 광결정으로 제조되어 핵산을 민감하게 검출할 수 있는 핵산 검출장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 롤투롤 공정을 이용하여 상기 핵산 검출장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기판 상에 마련된 시료가 주입되는 시료 주입구; 상기 시료 주입구로 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널; 및 상기 미세유체 채널에 연통되어 시료를 전달받아 시료 내 핵산(nucleic acid)을 분리 및 검출하는 핵산 검출부를 포함하는 핵산 검출장치로서, 상기 핵산 검출부는, 복수 개의 이산화티타늄(TiO₂) 나노구조 기반 광촉매 단위체가 형성한 광촉매층; 및 상기 광촉매층의 하단에 마련된 고분자막(polymer membrane)을 포함하고, 상기 광촉매 단위체는 금속 나노입자가 도핑된 이산화티타늄 나노물질(nanomaterial)을 포함하며, 상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체에 빛이 조사되면 시료 내의 세포(예컨대, 적혈구, 백혈구, 박테리아 등) 또는 바이러스가 용해(lysis)되고, 세포 또는 바이러스 용해물 내에 존재하는 핵산은 상기 광촉매 단위체에 흡착되고, 상기 흡착된 핵산은 광촉매층에 조사된 빛에 의한 광 PCR(photonic polymerase chain reaction)을 통하여 핵산 증폭반응이 일어나는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 기판의 일 단면에 시료가 주입되는 시료 주입구와, 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널을 임프린팅 하는 단계; 상기 미세유체 채널의 일 말단에서부터 고분자막을 라미네이션 하는 단계; 상기 고분자막 위에 티타늄박(titanium foil)을 라미네이션 하고, 롤투롤 양극 산화(anodization)를 수행하여 이산화티타늄 나노구조 단위체를 형성시키는 단계; 및 상기 이산화티타늄 나노구조 단위체 상에 금속 나노입자를 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함하는, 롤투롤 장치를 이용하여 상기 핵산 검출장치를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 상기 생물학적 분자 검출장치는 분자진단에 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 있어서, 상기 핵산 검출장치는 롤투롤 공정으로 제조될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체의 이산화티타늄 나노물질은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형 및 팔각형으로 이루어진 군으로부터 선택된 다각형의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 이산화티타늄 나노물질은 육각형의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조(hexagonal TiO₂ nanostructure)일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체의 금속 나노입자는 은 나노입자, 금 나노입자 및 구리 나노입자로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 고분자막은 PVDF 막(polyvinylidene difluoride membrane)일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 핵산 검출장치는 상기 광촉매층에 빛을 조사하기 위한 광원(light source)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 핵산 검출장치는 핵산 분자의 온도를 모니터링 하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 핵산 검출장치는 상기 광원 및 온도 센서에 결합된 컨트롤러(controller)를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 온도 센서로부터 하나 이상의 데이터 획득 및 상기 광원의 작동을 제어할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 광촉매층에는 타겟 핵산 분자에 상보적인 염기서열을 갖는 프라이머, 4종의 dNTP 분자 및 중합효소가 놓여지며, 상기 타겟 핵산 분자와 4종의 dNTP 분자의 결합에 의하여 변화되는 광촉매층의 광자결정(photonic crystal)의 밴드갭(photonic bandgap) 변화를 감지하여 타겟 핵산 분자를 검출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 밴드갭의 변화는 흡수 분광법 또는 형광분석법으로 감지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 있어서, 상기 세포 또는 바이러스 용해물의 핵산을 제외한 부산물은 상기 광촉매층의 미세공극을 통하여 고분자막을 통해 배출되어 제거될 수 있다.

본 발명은 시료에 존재하는 타겟 핵산(DNA, RNA)을 검출할 수 있는 분자진단 장치에 관한 것으로, 시료를 검출장치에 주입하면 시료로부터 핵산의 분리 및 증폭반응이 연속적으로 일어나, 시료로부터 핵산을 분리하기 위한 추가적인 과정이 필요하지 않다. 이에 따라, 본 발명의 핵산 검출장치를 사용하면 간편하게 타겟 핵산을 검출할 수 있는바, 병원성 세균, 바이러스 등의 현장에서의 검출 및 진단(Point-of-care testing)에 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

또한, 본 발명의 핵산 검출장치는 롤투롤 공정을 통하여 단시간 내에 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치의 단면을 개략적으로 도시한 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치의 구조를 보여주는 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치를 롤투롤 장치를 이용하여 제조하는 방법에 대한 순서도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장되게 도시된 부분도 있다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도면을 참조하여 설명할 때 동일 하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치의 단면을 개략적으로 도시한 도이고, 도 2는 상기 핵산 검출장치의 구조를 보여주는 예시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치(100)는 기판(10) 상에 마련된 시료가 주입되는 시료 주입구(20), 시료 주입구(20)로 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널(30), 및 미세유체 채널(30)에 연통되어 시료를 전달받아 시료 내 핵산을 분리 및 검출하는 핵산 검출부(40)를 포함한다.

상기 기판(10)의 재질은 크게 제한되지 않으며, 바이오센서, 바이오칩, 미세유체칩 등 생체분자의 검출을 위한 장치 제조에 통상적으로 사용되는 소재(예컨대, 플라스틱, 유리 등)를 제한 없이 사용할 수 있다. 후술한 바와 같이, 본 발명의 핵산 검출장치(100)는 광촉매층(41)을 구비하므로, 검출장치의 외부에서 광촉매층(41)으로 빛을 조사하는 경우에는 반투명 또는 투명한 소재(예컨대, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA))의 기판으로 제조될 수 있다.

상기 시료 주입구(20)를 통하여 검출장치(100) 내로 유입된 시료는 미세유체 채널(30)을 통과하여 핵산 검출부(40)로 이동하게 된다. 상기 미세유체 채널(30)은 시료(예컨대, 혈액)의 전처리를 위하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 미세유체 채널(30)의 각 채널을 단차가 있도록 일방향으로 갈수록 더 높게 설계함으로써, 시료에 포함된 불순물(예컨대, 적혈구 등)을 중력에 의하여 점차적으로 제거할 수 있다.

상기 핵산검출부(40)는 미세유체 채널(30)로부터 전달받은 시료 내의 핵산을 분리하고, 핵산 증폭반응을 수행하는 공간으로, 이를 위한 광촉매층(41) 및 상기 광촉매층(41)의 하단에 마련된 고분자막(42)을 포함한다.

상기 광촉매층(41)은 복수 개의 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체(M)로 구성되며, 상기 광촉매 단위체(M)는 금속 나노입자가 도핑된 이산화티타늄 나노물질(nanomaterial) 일 수 있다.

상기 광촉매 단위체(M)의 이산화티타늄 나노물질은 다각형(예컨대, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형 및 팔각형 등)의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조일 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화티타늄 나노물질은 육각형의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조(hexagonal TiO₂ nanostructure), 예를 들어 육각형 표면을 갖는 이산화티타늄 나노튜브(hexagonal TiO₂ nanotube)일 수 있다.

상기 육각형의 이산화티타늄은 티타늄박(titanium foil)에 롤투롤(Roll-to-Roll) 양극 산화(anodization)를 수행하여 광촉매층(41)에 형성시킬 수 있다. 이후 상기 이산화티타늄 나노구조 상에 금속 나노입자를 롤투롤 인쇄(도핑)하여 금속 나노입자가 도핑된 이산화티타늄 패턴을 제조할 수 있다.

상기 광촉매 단위체(M)의 금속 나노입자로는 은 나노입자, 금 나노입자, 구리 나노입자 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 이산화티타늄(TiO₂) 반도체 소재는 3.0 eV 이상의 밴드갭 에너지를 가지므로 자외선(UV) 영역의 빛을 제외한 넓은 파장 영역대의 가시광 흡수도에 있어서 한계가 있는데, 나노 사이즈의 금속을 도핑하면 광흡수도를 높이고 전자-홀 쌍의 재결합속도를 감소시킴으로써 광촉매 기능의 향상을 이룰 수 있다. 이산화티타늄 나노물질 표면에 자체 항균성이 있는 Ag을 나노 사이즈로 도핑하면 광기능성 및 용해(lysis) 효과를 증진시킬 수 있다.

상기 고분자막(42)은 광촉매층(41)의 하단에 배치되어 지지층과 분리막으로서의 역할을 하며, 세포 또는 바이러스 용해물 중 광촉매 단위체(M)에 흡착된 핵산(DNA, RNA)을 제외한 불순물(부산물)은 고분자막(42)을 통하여 배출되어 제거된다. 예를 들어, 상기 고분자막(42)으로는 PVDF 막(polyvinylidene difluoride membrane)을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치는 고분자막(42)의 하단에 고분자막(42)을 통과한 불순물을 수용하는 미세유체 채널(60)을 포함할 수 있다. 상기 미세유체 채널(60)의 일 말단은 불순물 저장소(waste reservoir, 70)에 연통되어 있어, 고분자막(42)을 통과한 불순물은 미세유체 채널(60)을 통하여 불순물 저장소(70)에 저장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치를 이용하여 타겟 핵산을 검출하는 과정은 다음과 같다.

상기 광촉매층(41)의 이산화티타늄과 금속(예컨대, 은, 금) 나노입자는 광자결정(photonic crystal)으로 작용하여 광밴드갭(photonic bandgap, PBG)에 맞추어 빛(예컨대, UV, 가시광선)을 조사하면, 전자 전이가 일어나면서 광촉매 활성(photocatalytic activity)이 나타나게 된다. 광자결정이란 광밴드갭을 가지는 구조로서 유전율의 주기적인 반복 구조를 가지는 물질을 의미한다. 광자결정은 일반적으로 수백 나노미터에서 수 마이크로미터 크기의 주기를 갖는 서로 다른 물질이 1차원, 2차원 혹은 3차원으로 배열되어 있는 특징을 가지고 있으며, 일정한 파장 영역을 갖는 빛이 광자결정 구조를 만나게 되면 일부는 투과되고 일부는 반사되는데, 이때 광자결정을 투과하지 못하고 반사되어 나오는 빛의 파장 영역을 광밴드갭이라고 한다.

시료 주입구(20)로 주입된 시료는 미세유체 채널(30)을 통하여 핵산 검출부(40)에 도달하게 되고, 도달된 시료 내에 포함되어 있는 바이러스나 박테리아는 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매층(41)에 농축된다. 광촉매층(41)에 바이러스나 박테리아가 농축된 후 광촉매층(41)에 빛이 조사되면, 빛 조사에 의하여 유도된 광촉매 활성에 의하여 바이러스나 박테리아 등의 파괴(용해)가 일어나게 되며, 용해물에 함유된 핵산은 광촉매층(주로 이산화티타늄)에 흡착되고, 흡착되지 않은 나머지 불순물(부산물)들은 광촉매층(41)의 미세공극(예컨대, 광촉매 단위체(M) 안의 미세공극)을 통하여 광촉매층(41) 하단에 마련되어 있는 고분자막(42)으로 분리 배출된다. 예를 들어, 상기와 같이 시료 내 바이러스나 박테리아 등의 용해가 일어난 후 시료 주입구(20)를 통하여 세척 용액을 주입하면, 광촉매층(41)에 흡착되지 않은 부산물이 고분자막(42)을 통해 씻겨져 나가 제거될 수 있다.

이후 상기 광촉매층(41)에 흡착된 핵산은 광 PCR(photonic PCR)을 통하여 핵산 증폭이 이루어진다. 이때 상기 핵산 증폭이 일어나기 전에 흡착된 핵산의 pH를 핵산 증폭반응에 적절하게 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 광촉매층(41)에는 타겟 핵산 분자에 상보적인 염기서열을 갖는 프라이머, 4종의 dNTP 분자 및 중합효소 등의 PCR을 위한 시료 용액이 놓여지며, pH를 조절(예컨대, pH 6-7로)한 후에 광촉매층(41)에 빛이 조사되면 광열 변환(light-to-heat conversion)에 의하여 열이 발생하여 광촉매층(41)에 위치하는 핵산 및 PCR 시료 용액의 히팅과 쿨링이 빠른 사이클로 일어나게 되어 핵산 증폭반응이 신속하게 일어나게 된다. 이때 핵산 증폭을 위한 온도 조절은 빛의 조사를 조절하여 이루어질 수 있다.

핵산 증폭반응이 개시됨에 따라 타겟 핵산 분자(예컨대, RNA 또는 ssDNA)의 염기에 dNTP가 하나씩 페어링 하면서 프로톤이 발생하게 되며, 발생하는 프로톤이 광촉매층(41)의 광자결정의 광밴드갭의 변화가 초래된다. 이러한 광밴드갭의 변화를 감지함으로써 목적하는 타겟 핵산을 검출할 수 있다.

상기 광촉매층(41)의 광밴드갭의 변화는 광밴드갭 변화를 감지할 수 있는 당해 분야에 알려진 기술을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 흡수 분광법 또는 형광분석법에 의하여 감지할 수 있다.

이와 같은 광촉매 활성 및 광 PCR을 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치는 광촉매층(41)에 빛을 조사하기 위한 광원(light source)을 더 포함할 수 있다. 상기 광원은 검출장치(100)의 내부에 위치할 수도 있고, 장치의 외부에 위치할 수도 있다.

상기 광원은 LED, 다이오드 레이저(diode lasers), 다이오드 레이저 어레이(diode laser array), 양자 웰(수직)-공동 레이저(quantum well(vertical)-cavity laser) 등으로 구현될 수 있다. 또한, 광원의 방출 파장은 자외선(UV), 가시광선 또는 적외선(IR) 등 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치는 핵산 증폭을 위한 PCR 시료 용액의 온도를 모니터링 하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 상기 온도 센서는 시료의 온도를 측정하는 플랫폼에 결합되거나 플랫폼을 향할 수 있다. 이러한 온도 센서는 플랫폼을 향하는 열전대(thermocouple) 또는 카메라(예를 들어, IR 카메라)와 같이 다수의 센서 타입을 포함할 수 있다.

또한, PCR 시스템이 시료 용액의 핵산 및/또는 형광 신호를 실시간으로 검출하는 디지털 카메라, 포토다이오드(photodiode), 분광 광도계(spectrophotometer) 또는 유사한 촬상 장치(imaging device)와 같은 진단 장치와 통합되거나 호환될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 상기 카메라는 스마트폰 카메라 일 수 있으며, 상기 스마트폰은 시료 용액을 분석하는 어플리케이션 소프트웨어를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 센서 및 광원은 센서 데이터의 획득 및 광원의 제어를 위한 컴퓨팅 장치(computing unit)에 결합할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨팅 장치는 프로세서 및 광원을 구동하기 위한(예를 들어, LED 타이밍, 강도/주입 전류 등을 제어하기 위한) 프로세서로 실행 가능한 어플리케이션 소프트웨어에 저장되는 메모리를 포함하여, 센서로부터 데이터를 획득하고 및/또는 핵산 및/또는 샘플 용액의 형광 신호의 디지털 카메라 실시간 검출과 같이 진단 장치로부터 데이터를 처리할 수 있다. 컴퓨팅 장치는 별개의 컴퓨터 또는 장치를 포함할 수 있거나, 나머지 구성 요소들을 가지는 마이크로컨트롤러 모듈(microcontroller module)에 통합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치는 주입된 시료를 미세유체 채널(30)을 통하여 핵산 검출부(40)로 이동시키기 위한 진공 배터리(50)를 구비할 수 있다. 상기 진공 배터리(50)를 구비하면, 별도의 미세유체 펌프(microfluidic pumping) 없이도 유체 흐름을 유도할 수 있어 검출장치의 경량화, 소형화에 유리하다. 상기 진공 배터리(50)에 대한 상세한 내용은, 예를 들어 미국 등록특허 제9,970,423호를 참조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치를 롤투롤 장치를 이용하여 제조하는 방법에 대한 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치의 제조방법은, 롤투롤 장치를 이용하여 실시되며, 기판의 일 단면에 시료가 주입되는 시료 주입구와 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널을 임프린팅 하는 단계(S100), 미세유체 채널의 일 말단에서부터 고분자막을 라미네이션 하는 단계(S200), 고분자막 위에 티타늄박(titanium foil)을 라미네이션 하고, 롤투롤 양극 산화(anodization)를 수행하여 이산화티타늄 나노구조 단위체를 형성시키는 단계(S300) 및 이산화티타늄 나노구조 단위체 상에 금속 나노입자를 롤투롤 인쇄하는 단계(S400)를 포함한다.

이하, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 핵산 검출장치의 제조방법을 설명한다.

S100에서는 시료 주입구(20)와 미세유체 채널(30)을 롤투롤 공정으로 임프린팅 하여 기판에 형성시킨다. 상기 미세유체 채널(30)은 PDMS와 같은 미세유체 채널을 제조에 사용되는 소재를 제한 없이 사용할 수 있다. 임프린팅은 필요로 하는 미세유체 채널(30)의 깊이와 폭에 맞추어 양각 롤을 제조하여, UV 아크릴 레진이나 에폭시 레진으로 그래핀 위를 다시 코팅하고 양각된 롤을 통해 임프린팅하면서 UV로 경화하여 미세유체 채널(30)을 인쇄할 수 있다.

다음으로, 미세유체 채널(30)의 일 말단에서부터 고분자막(42)을 라미네이션하고(S200), 곧바로 고분자막(42) 위에 티타늄박을 라미네이션 하고, 롤투롤 양극 산화(anodization)를 수행하여 이산화티타늄 나노구조 단위체(M)를 형성시킨다(S300).

S400에서는 이산화티타늄 나노구조 단위체(M) 상에 금속 나노입자를 롤투롤 인쇄하여 금속 나노입자가 도핑된 이산화티타늄 나노물질을 형성시켜 광촉매층(41)을 제조한다.

롤투롤 코팅 시의 코팅 속도는 적절히 조절할 수 있으며, 예를 들어, 분당 1 m에서 6 m까지 제어하여 코팅할 수 있으며, 이때 코팅 방법은 그라비아 코터나, 콤마 코터 또는 슬롯다이를 이용하여 롤투롤로 연속 코팅할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 기판
20: 시료 주입구
30: 미세유체 채널
40: 핵산 검출부
41: 광촉매층
42: 고분자막
50: 진공 배터리
60: 미세유체 채널
70: 불순물 저장소

Claims

기판 상에 마련된 시료가 주입되는 시료 주입구;
상기 시료 주입구로 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널; 및
상기 미세유체 채널에 연통되어 시료를 전달받아 시료 내 핵산(nucleic acid)을 분리 및 검출하는 핵산 검출부를 포함하는 핵산 검출장치로서,
상기 핵산 검출부는, 복수 개의 이산화티타늄(TiO₂) 나노구조 기반 광촉매 단위체가 형성한 광촉매층; 및 상기 광촉매층의 하단에 마련된 고분자막(polymer membrane)을 포함하고,
상기 광촉매 단위체는 금속 나노입자가 도핑된 이산화티타늄 나노물질(nanomaterial)을 포함하며,
상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체에 빛이 조사되면 시료 내의 세포 또는 바이러스가 용해(lysis)되고, 세포 또는 바이러스 용해물 내에 존재하는 핵산은 상기 광촉매 단위체에 흡착되고,
상기 흡착된 핵산은 광촉매층에 조사된 빛에 의한 광 PCR(photonic polymerase chain reaction)을 통하여 핵산 증폭반응이 일어나는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 핵산 검출장치는 롤투롤(roll-to-roll) 공정으로 제조된 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체의 이산화티타늄 나노물질은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형 및 팔각형으로 이루어진 군으로부터 선택된 다각형의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조인 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제3항에 있어서,
상기 이산화티타늄 나노물질은 육각형의 표면을 갖는 이산화티타늄 나노구조(hexagonal TiO₂ nanostructure)인 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 TiO₂ 나노구조 기반 광촉매 단위체의 금속 나노입자는 은 나노입자, 금 나노입자 및 구리 나노입자로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 고분자막은 PVDF 막(polyvinylidene difluoride membrane)인 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 핵산 검출장치는 상기 광촉매층에 빛을 조사하기 위한 광원(light source)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제7항에 있어서,
상기 핵산 검출장치는 핵산 분자의 온도를 모니터링 하는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제8항에 있어서,
상기 핵산 검출장치는 상기 광원 및 온도 센서에 결합된 컨트롤러(controller)를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 상기 온도 센서로부터 하나 이상의 데이터 획득 및 상기 광원의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 광촉매층에는 타겟 핵산 분자에 상보적인 염기서열을 갖는 프라이머, 4종의 dNTP 분자 및 중합효소가 놓여지며, 상기 타겟 핵산 분자와 4종의 dNTP 분자의 결합에 의하여 변화되는 광촉매층의 광자결정(photonic crystal)의 밴드갭(photonic bandgap) 변화를 감지하여 타겟 핵산 분자를 검출하는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 세포 또는 바이러스 용해물의 핵산을 제외한 부산물은 상기 광촉매층의 미세공극을 통하여 고분자막을 통해 배출되어 제거되는 것을 특징으로 하는, 핵산 검출장치.
기판의 일 단면에 시료가 주입되는 시료 주입구와, 주입된 시료가 이동하는 미세유체 채널을 임프린팅 하는 단계;
상기 미세유체 채널의 일 말단에서부터 고분자막을 라미네이션 하는 단계;
상기 고분자막 위에 티타늄박(titanium foil)을 라미네이션 하고, 롤투롤(Roll-to-Roll) 양극 산화(anodization)를 수행하여 이산화티타늄 나노구조 단위체를 형성시키는 단계; 및
상기 이산화티타늄 나노구조 단위체 상에 금속 나노입자를 롤투롤 인쇄하는 단계를 포함하는, 롤투롤 장치를 이용하여 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 핵산 검출장치를 제조하는 방법.