작품번호

3705

제51회 전국과학전람회

학생작품지도논문대회

분석용 LAB-on-chip 개발에 관한

연구지도

출품부문 산업/에너지

2005. 7. 21

시․도 학 교

(소속)

학 년

(직 위)성 명

경남 경남과학고등학교 교 사 정 시 화

지도학생 경남과학고등학교 2학년성 상 현

(화학사랑반 4명)

- 1 -

<차 례>

Ⅰ. 지도 동기 및 목적 4

1. 지도 동기 4

2. 지도 목적 5

Ⅱ. 탐구활동 지도 과정 6

1. 지도 기간 및 과정 6

2. 세부적인 지도과정 7

가. 작품 주제의 선정 지도 7

나. 이론적 연구 배경 8

1) 랩 온어 칩(Lab-on-a-chip) 이란? 8

2) 랩 온어 칩의 제작물질 9

다. 이론적 배경에 대한 이해 지도 12

1) 분리분석에 안정성을 보여주는 물질에 대한 연구지도 12

2) 유리 및 고분자 물질의 물리 화학적 성질에 대한 연구지도 12

3) 화합물의 화학적 분리에 관한 연구지도 12

Ⅲ. 탐구활동 지도 내용 13

1. 고분자 물질을 이용한 랩 온어 칩 제작지도 13

2. 고분자 물질에 대한 물리 화학적 성질 연구지도 15

가. 전기 삼투흐름 측정(Electroosmotic Flow Measurement) 15

나. 접촉각 측정(Contact Angle measurement) 18

다. 주사전자현미경 촬영(scanning elecron microscope; SEM )18

- 2 -

3. 레이저 유발형광법을 이용한 화합물 분석에 관한 연구지도 19

Ⅳ. 탐구활동 결과 21

1. Curing Agent와 PDMS의 비율에 따른 차이 21

2. Chip 표면의 SEM 촬영 22

3. CTAB 코팅 有/無에 따른 속도와 이동도 차이 23

4. CTAB코팅 有/無에 따른 아미노산 분리의 차이 24

5. 전기장에 따른 아미노산 분리 25

6. Lab-on-a chip에서의 분리효율 26

7. 질병관련 아미노산 분리 27

Ⅴ. 결론 및 제언 29

□ 참고 문헌 31

- 3 -

•표 목차

<표1> 지도기간 및 과정 6

<표2> 유체이동의 원리와 종류 및 특성 9

<표3> Lab-on-a-chip의 재료 및 특징 11

<표4> PDMS와 Curing Agent의 비율에 따른 이동도 22

<표5> CTAB 코팅 여부에 따른 이동도 23

•그림 목차

<그림1> Lab-on-a-chip에서의 물질 분리 및 검출 원리 9

<그림2> Cross-linking reaction of PDMS 14

<그림3> Fabrication of lab on a chip 15

<그림4> Representation of EOF in a chip 16

<그림5> 전기 삼투압적 흐름의 모식도 17

<그림6> Schematic design of current monitoring system for EOF

measurement 18

<그림7> Principle of contact angle measurement 18

<그림8> Schematic design of lab on a chip system 20

<그림9> SEM으로 촬영한 채널 내부 모습 22

<그림10> 코팅 후 예상되는 채널 내벽의 상태 23

•수식 목차

<수식1> 전기삼투압 적 이동도 17

<수식2> 이론단수 27

•그래프 목차

<그래프1> PDMS와 Curing Agent의 비율에 따른 Current mornitoring 21

<그래프2> CTAB 코팅 여부에 따른 Current mornitoring 23

<그래프3> CTAB 코팅 여부에 따른 아미노산 분리도 25

<그래프4> 전기장에 따른 아미노산 분리도 26

<그래프5> Gaussian mode를 이용한 이론단수 26

<그래프6> 여러 가지 아미노산의 분리도 28

<그래프7> 아미노산 혼합물의 분리도 29

- 4 -

Ⅰ. 지도 동기 및 목적

1. 지도 동기

과학전람회는 과학의 대중화에 공헌할 수 있으며 학생과 교사의 흥미는

물론 대중의 관심까지도 끌어들일 수 있으며 이를 통해 학생들은 과제를 심도

있게 연구하며, 그 결과에 관하여 심층토론 할 수 있게 하는 역할도 한다.

학생들은 과학전람회에 출품하기 위해 부단한 연구를 수행함으로써 평소에는

시간, 공간, 기자재 등의 제한으로 수행할 수 없었던 과제를 조사할 기회를 가

지게 된다. 또한 학생들은 과학전람회를 통하여 더욱 깊이 있는 과학 지식을

획득할 수 있고 과학적 방법을 숙달할 수 있으며, 과학적 탐구에 필수적인 기

능과 기술을 습득할 수 있다고 할 수 있다. 본 교사가 지도한 학생들은 평소

과학, 특히 바이오 분석 화학에 대한 관심이 많은 화학사랑 반 멤버들이며 호기심

이 풍부하고 창의력이 뛰어나며 과제집착력이 우수한 과학영재 학생들로 각종 화

학경시대회, 화학올림피아드에서 우수한 입상실적을 지닌 학생들로 일반화학, 유

기화학, 분석화학, 분광학 등 고등학생 수준 이상의 화학적 지식을 많이 습득해

왔을 뿐만 아니라, 화학 실험에도 상당한 수준의 기능과 능력을 지니고 있는 학생

들이다. 화학사랑 반 지도교사로 활동하면서 화학적 지식뿐만 아니라 21세기 첨

단 과학 시대를 이끌고 있는 NT, BT, IT등의 산업에 있어서 화학이 과학 기술

발전의 성장 동력임과 동시에 기초학문임을 인식시키고자 많은 자료를 조사하여

발표하는 시간을 갖도록 노력하였다.

그러던 중 최근 유전자와 단백질이 관련된 바이오 분야와 환경 분석 및

신약 개발 분야가 사회적으로 커다란 관심을 불러일으키고 있다는 보고서를

읽고 토론하는 시간을 갖게 되었다. 예를 들어 환경관련 분석의 경우 오염지

역에서 실시간으로 측정이 요구되는 휴대용 분석기기의 랩온어칩 활용이 기대

된다. 또한, 신약 개발의 경우 많은 화합물들을 실시간 및 고속으로 스크리닝

하는 과정이 필요한데 랩온어칩을 이용한다면 소형화 및 자동화가 가능하다는

점에서 이점을 가지며 앞으로 그 역할이 계속 커질 것으로 전망된다.

현재 바이오 물질들에 대하여 많이 사용되고 있는 기존의 분리 분석 장치로

는 크로마토그래피(Chromatography)나 슬랩 젤 전기영동(Slab Gel

Electrophoresis)이 있으며 높은 분리 효율과 빠른 분석 시간을 보여주는 모

세관 전기영동(Capillary Electrophoresis)이 최근 국내에 소개되어 분석 연구

에 활용되어 지고 있다. 그러나, 이러한 장점들에도 불구하고 여러 분석 장치

가 직면하고 있는 고비용의 문제와 장치의 부피 측면에 있어서 소형이며 휴대

용이 가능한 이상적인 분석 장비와는 거리감이 존재한다.

최근에는 손바닥 위에 올려놓을 수 있을 만큼 간편하고 비교적 작은 분석용

칩이 개발되고 있다. 이 작은 분석 장치는 MEMS(Micro Electro Mechanical

- 5 -

Systems) 가공기술, 표면식각기술, 모세관 전기영동 기술, 단일 분자 검출 기

술등 여러 가지 필수적인 기술 요소를 필요로 하며 시료의 희석, 혼합, 반응,

분리, 정량 등의 분석이 하나의 칩 위에서 연속적으로 수행 가능하도록 연구

가 진행되고 있다.

평소 화학공학분야로 진로를 모색하고 있던 화학사랑반 멤버인 성상현, 손민혁,

문재윤, 김태광 학생이 유전자와 단백질이 관련된 바이오 분야와 환경 분석 및

신약 개발 분야에 사용할 수 있는 Chip 개발에 도전해보자는 제안을 하였다. 처

음에는 학생들 제안에 어려움을 느꼈지만 본 연구주제가 차세대 첨단 산업에서

학문으로서 화학의 중요성을 인식시키고 학생들의 과학적 탐구능력과 창의적인

문제 해결 능력을 신장시키는데 좋은 계기가 될 것으로 보아 본 연구를 지도하게

되었다.

2. 지도 목적

본 연구를 통하여 화학과 생물분야에 다 같이 사용할 수 있는 Chip의 개발을

목표로 하여 학생들에게 연구 분야에 관한 충분한 호기심과 동기를 유발시키고

학생들과의 심도 있는 토론에서 지금까지 과학자들이 보고해왔던 연구 논문에서

가설을 세우고 이에 대한 토론을 수행함으로서 Lab-on-a-chip에 대한 이론

을 정립하고 실험을 통한 검증을 하는 과정에서 일반화학, 유기화학, 물리화

학, 전기화학, 분석화학, 생화학 등의 화학 분야와 생명 분야와의 관련성을 이해함

으로써 개념과 지식을 습득하여 간 학문적인 연구 개념을 도입하고자 하였다.

따라서 본 연구의 지도 목적은

첫째, 랩 온어 칩의 소재로 알맞은 유리 및 고분자 물질을 이용한 칩 제작

방법에 대한 기술 습득의 중요성을 학생 스스로 깨우치도록 유도한다.

둘째, 랩 온어 칩으로서 효용성을 판단하기 위한 유리 및 고분자물질의 물리

화학적 성질에 관한 특성을 조사하는 연구 과정을 통해 학생들이 주도적으로 문

제를 해결해 나가도록 지도하여 학생들의 과학적 탐구 능력과 창의적인 문제해결

능력을 신장시켜 지적 호기심을 충족시킨다.

셋째, 칩 채널 내벽의 표면 처리 과정을 통한 여러 가지 화합물 분리에 관한

연구를 통해 개발한 소재가 기존의 재료들보다 뛰어난 특성을 보일 가능성이 있

으므로 새로운 재료의 실용화와 이를 통해 학생들의 성취감을 고취시킨다.

넷째, 칩 채널에 양전하가 강하게 흡착되는 CTAB(Cethyltrimethylammonium

bromide)을 물리적 흡착제로 응용하여 PDMS 칩 내벽을 일시적으로 coating

한 후 혈관성 질환과 관계있는 호모시스테인 및 기타 아미노산을 분리하여

의학자로의 경험을 제공한다.

- 6 -

Ⅱ. 탐구 활동 지도과정

1. 지도 기간 및 과정

2004년 8월부터 2005년 7월까지 약 1년에 걸쳐 지도하였던 내용들의 개요를

다음 표에 나타내었다.

기 간 지 도 내 용

2004. 8.1-8.31

주제 선정 및 기초 조사지도

랩 온어 칩에 대한 기본 개념 및 원리 지도

실험에 사용할 칩 시스템들에 대해 기본적인 작동 법 지도

2004.

9.1-10.30

․ 이론적 배경 탐색지도

․ 선행연구 고찰 지도

- 선행연구 논문 검색

2004.

11.1-11.31

Lab-on-a-chip 제작 및 시약 분석물질 조제지도

고분자(poly(dimethylsiloxane) ; PDMS)물질을 이용하여 직접

랩 온어 칩 제작 및 응용

실험에 필요한 농도 물질 조제/완충 용액 직접 조제

랩 온어 칩의 채널 내부의 최적화

- 제작된 Chip에 대한 문제점 분석

2004. 12.01

～2005. 3.31

전기삼투흐름(EOF)에 대한 학습지도

전기삼투흐름(EOF)에 대해 학습

current monitoring을 위한 장치구상/제작

data acquisition을 위한 labview program 기본 작동 법.

주사전자현미경(SEM)촬영 기법 지도

랩 온어 칩을 제작하여 채널 부분을 잘라낸 후 분석에 적합하게

채널이 형성 되었는지 와 표면 오염여부를 확인하기 위해 주사전

자현미경(SEM)촬영을 통해 칩의 3차원적 입체 영상을 관찰.

접촉각을 측정하여 표면의 소수성 여부 확인지도-분석의 적합성

분석은 대부분 수용성 환경에서 이루어지므로 분석에 적합한지

접촉각을 측정하여 표면의 소수성 여부를 알아보고 문제점이 발생

할시 랩 온어 칩으로 효용성을 위해 해결책 모색.

2005. 4.1-5.30

아미노산 분리 지도

레이저 유발 형광법과 아미노산 유도체가 형성되는 과정을 지도

하고 실험에 갖춰져 있는 532nm의 레이저와 아미노산에 적합한

형광물질을 선택하여 아미노산에 labeling시키는 방법 습득지도.

자체 제작한 랩 온어 칩을 이용하여 생화학적 물질인 다양한 아

미노산을 분리해보고 분석시 필요한 최적화를 위해 감도와 분해능

을 높일 수 있는 방법 모색.

2005. 6.1-7.20 최종 보고서 작성 지도

<표1> 지도기간 및 과정

- 7 -

2. 세부적인 지도 과정

가. 작품 주제의 선정 지도

최근 유전자와 단백질이 관련된 바이오 분야와 환경 분석 및 신약 개발 분

야가 사회적으로 커다란 관심을 불러일으키고 있다는 보고서를 읽고 토론하는

시간을 갖게 되었다. 예를 들어 환경관련 분석의 경우 오염지역에서 실시간으

로 측정이 요구되는 휴대용 분석기기의 랩 온어 칩 활용이 기대되며 또한, 신

약 개발의 경우 많은 화합물들을 실시간 및 고속으로 스크리닝 하는 과정이

필요한데 랩 온어 칩을 이용한다면 소형화 및 자동화가 가능하다는 점에서 이

점을 가지며 앞으로 그 역할이 계속 커질 것으로 전망되고 있고 현재 바이오

물질들에 대하여 많이 사용되고 있는 기존의 분리 분석 장치로는 크로마토그

래피(Chromatography)나 슬랩 젤 전기영동(Slab Gel Electrophoresis)이

있으며 높은 분리 효율과 빠른 분석 시간을 보여주는 모세관 전기영동

(Capillary Electrophoresis)이 최근 국내에 소개되어 분석 연구에 활용되어지

고 있다. 그러나, 이러한 장점들에도 불구하고 여러 분석 장치가 직면하고 있

는 고비용의 문제와 장치의 부피 측면에 있어서 소형이며 휴대용이 가능한 이

상적인 분석 장비와는 거리감이 존재한다.

최근에는 손바닥 위에 올려놓을 수 있을 만큼 간편하고 비교적 작은 분석용

칩이 개발되고 있다. 이 작은 분석 장치는 MEMS(Micro Electro Mechanical

Systems) 가공기술, 표면식각기술, 모세관 전기영동 기술, 단일 분자 검출 기

술등 여러 가지 필수적인 기술 요소를 필요로 하며 시료의 희석, 혼합, 반응,

분리, 정량 등의 분석이 하나의 칩 위에서 연속적으로 수행 가능하도록 연구

가 진행되고 있다. 이것이 미국과 영국 등지에서 연구개발 경쟁이 벌어지고

있는 첨단연구 분야 중의 하나임을 강조하고 있음을 알고는 평소 화학에 관심

이 많은 지도 학생들이 바이오분석에 대해 알고 싶어 하였다.

하지만 바이오분석에 대해 배경지식이 부족하고 학교 기자재로는 본 연구를

수행함에 많은 문제가 있다고 판단되어 국내 바이오분석에 대한 연구 기관 및

연구자를 찾아 학생들의 연구방향에 대한 조언이 필요하기에 국내 바이오분석

분야 연구자를 검색한 결과 마침 인근 경남대학교 화학과 김용성 교수님께서

바이오분석분야에 권위자임을 알게 되어 지도학생들의 연구의욕을 말씀드렸더

니 21세기 과학기술 선진국 진입의 토대가 될 창조적 고급 과학기술 인력의

확보 차원에서 우리 지역의 과학 영재들을 위해 많은 도움을 주신다기에 힘을

얻어 어렵지만 도전해보기로 하였다.

- 8 -

나. 이론적 연구 배경

1) 랩 온어 칩(Lab-on-a-chip) 이란?

최근 인간 게놈 프로젝트의 성공과 조합 화학의 발전에 의해 화학, 생물 분

야에서 질병 진단 및 생명과학과 관련된 연구가 심도 있게 진행되고 있다. 이

런 흐름에 발맞추어 최근 분석화학 분야에서의 소형화는 여러 학자들에게 많

은 관심을 불러 일으켰다. 그리하여 분석 실험 시 필요한 많은 시료와 시약들

을 작은 단위로 처리하며 동시에 분석이 가능한 초소형 장치의 개발이 많이

이루어지고 있다. 현재까지 이상적인 소형화 장치로는 실험실에서 일어나는 일

련의 반응들 즉, 시료의 전처리, 반응, 분리 분석 까지 모두 통합한 형태이다.

이러한 것을 소형 화학 마이크로프로세서로서 “랩온어칩”(Lab-on-a-chip) 이

라 불리고 있다. 이 랩온어칩(Lab-on-a-chip)은 생물 또는 화학분석을 필요로

하는 모든 분야에 적용될 수 있는 분석 장치로 그 응용 분야는 공정분석, 환경

독성시험, 질병의 진단, 신약개발, 약리, 세포배양, DNA 분석, 프로테오믹스

연구 등 무궁무진하다. 예를 들어 DNA 분석을 위해서 고효율 스크리닝 시스

템과 다양한 반응을 순서적으로 또는 동시에 수행할 수 있는 다 기능성 시스

템의 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이 개발되고 있는 추세이다. 또한, 랩온어칩

(Lab-on-a-chip)을 이용한 질병진단과 신약 개발은 특히 커다란 잠재적 가능

성과 시장성을 내포하고 있다. 질병 진단을 위해서는 분석해야 하는 생화학물

질을 추출하고 처리하는 과정을 거치게 되는데, 이러한 전 처리 과정은 상당히

복잡하여 분석하려는 물질의 변성 등으로 인한 심각한 분석 오류가 유발될 수

있다. 따라서 검체로부터 여러 가지 질병을 진단하기 위해서는 간편성과 정확

성이 요구되기 때문에 복잡한 과정을 자동화하고 소형화하려는 노력의 일환으

로 임상진단용 랩온어칩(Lab-on-a-chip)이 개발되고 있으며 질병 진단을 위

해 일회용으로 집적된 키트 등의 개발이 이루어지고 있다. 더불어 신약을 개발

하기 위해서는 많은 화합물 시료들을 신속하게 스크리닝 하여 후보물질을 찾

아내야 하는데, 신속한 스크리닝을 위해 소형화와 자동화가 가능한 랩온어칩

(Lab-on-a-chip) 시스템이 개발되고 있다.

랩온어칩 기술은 기존의 전통적인 분석 시스템에 비해 많은 장점을 지니고

있다. 먼저 미세 채널을 통해 수행되는 시스템이므로 시료나 시약 그리고 이동

상 등의 소모량을 극소량으로 줄일 수 있었으며 수시간(hour) 또는 분(min)단

위로 수행되었던 실험의 시간을 수초(sec) 이내로 줄일 수 있으며 실험자가 수

행하고자 하는 다양한 형태의 미세 채널을 만들어서 여러 시료를 동시에 검출

할 수도 있다.* 또한 작은 칩 하나로 즉시 또는 실시간으로 분석이 가능하며

그에 따라서 휴대용으로도 사용할 수 있다. 그리고 필요하면 한번 쓰고 버리는

일회용성 사용도 가능한 장점을 지니고 있다.*

- 9 -

랩온어 칩의 미세채널 안에서 유체의 흐름은 압력(Pressure), 전기장(Electric

Field), 표면 장력(Surface Tension Gradients)등의 여러 가지 방법으로 조절할

수 있으며 현재 완전 유체 조절을 위해 다양한 종류의 초소형 파이프(Pipes), 펌프

(Pumps), 밸브(Valves)등의 부속품들이 이와 더불어 개발되어지고 있다. 아래 표는 유

체 이동의 원리와 종류 및 특성을 설명하였다.

유체이동원리 유체의 종류 비 고

압력(Pressure) 수용액/비수용액용액조성에 무관

점도, 채널 형태에 영향 받음

Electroosmotic

Flow;EOF

대체로 수용액(드물게 비수

용액의 경우가 보고됨)

완충액 조성(이온세기, pH등)에 따

라 크게 변함

초음파 수용액/비수용액 복잡한 통합구조를 필요로 함

모세관 작용

(표면장력)수용액/비수용액

수동적 채널이 채워진 후 액체의 이

동이 없음

<표 2>유체 이동의 원리와 종류 및 특성

그리고 검출 방법의 경우 형광 유발용 레이저, 신호감지용 현미경 렌즈와

PMT(Photomultiplier tube)를 이용하는 형광 검출법이 많이 이용되고 있으며

현재는 장비의 소형화를 위해 LED(blue-light emitting diodes)와 실리콘 광

센서(silicon photodiode)를 이용한 방법도 개발되어지고 있으며* 아래 그림은

Lab-on-a-chip에서의 물질 분리 및 검출 원리를 나타낸 모식도이다.

Separation Buffer

1. Sampleinput

2. Dilution Buffer 3 Chemical reaction Reaction Chamber

Sample wasteBuffer waste

Separation channel

Detection

Separation Buffer

1. Sampleinput

2. Dilution Buffer 3 Chemical reaction Reaction Chamber

Sample wasteBuffer waste

Separation channel

Detection

<그림 1>Lab-on-a-chip에서의 물질 분리 및 검출 원리

2) 랩 온어 칩의 제작물질

랩 온어 칩을 제작하는 물질로는 다양한 것들이 주를 이루고 있다. 초기에는

- 10 -

glass나 quartz등을 사용하여 반도체 식각공정이나 화학 etching 기술이 사용

되었다.* glass 재질의 경우 광학 투과성이 좋고 채널의 표면 특성이 널리 잘

알려져 있으며 일반적으로 모세관 전기영동 기술을 그대로 사용할 수 있는 장

점이 있기 때문에 주로 사용되어져 왔다.* 그러나 glass 칩의 사용은 여러 가지

단점들을 가지고 있다. 예를 들면, 제작공정 과정이 느리고 값 비싼 clean

room 사용이 요구 되어 진다. 그리고 칩의 etching 후에 cover plate와의 접합이

용이 하지 않은 단점이 있다.

최근에는 이러한 단점들을 보완하여 실리콘 계열의 고분자 물질이나 플라스틱

계열의 칩들이 많이 선보여 지고 있다.*

그중에서 Polydimethylsiloxane(PDMS)라는 물질은 기존의 제작공정의 틀을

깨고 칩 제작을 용이하게 할 수 있는 측면에서 학계에서 많이 선호 하고 있는

칩 재질 중의 하나이다. 특히 생 물질을 다루는 일에 있어서 고분자 물질은 실

리콘이나 유리가 가지고 있지 못한 생체 물질에 대한 친화성으로 인하여 그 중

요성이 커지고 있다. 특히 PDMS는 탄력성을 가지는 elastomer로서 접촉하는

표면의 모양에 대하여 상대적으로 넓은 면적에 걸쳐 동일한 패턴을 형성 시킬

수 있다. 또한 화학적으로 매우 안정해 접촉한 다른 물질과 서로 반응 하지 않

는다. 광학적 성질도 우수하여 300nm의 빛에 대한 투과성을 가지는 것으로 알

려져 있다. 따라서 자외선/가시광선 영역의 검출도 가능하다. 또한 미세패턴을

제작하였을 때의 기계적 강도 또한 우수하여 PDMS를 이용해 stamp를 제작할

경우 수개월 동안 안정적으로 사용할 수 있다. 마지막으로 산소 조건에서 플라

즈마를 이용해 표면 처리 하였을 경우 PDMS의 표면이 산화되는 현상이 일어

나는데 이러한 성질을 이용하여 PDMS 끼리의 접합을 할 수 있고* 또한 이와

유사한 corona 방전을 통해서도 접합이 이루어지게 된다.

PDMS는 oligomer(n=～60)와 cross linker(n=～10) 그리고 금속 촉매에

의해 가교 결합을 이룬다.(그림 8) 실제 oligomer와 cross linker 사이의 화학

반응은 cross linker의 R-group 중 약 30% 정도를 차지하는 수소와 oligomer

의 이중 결합 사이에서 일어난다. 최근 이러한 다양한 성질을 이용하여 PDMS

를 이용한 여러 가지 응용 방법이 제안되고 있으며 DNA fragment 분석 등을

수행한 예가 보고 되어 지고 있다. 그렇지만 아직 아미노산을 분리, 분석 하는

부분에는 많은 연구가 이루어진 바가 없어 우리는 Homocysteine이라는 아미노산

분리에 총력을 기울였다.

그러나, PDMS는 몇 가지의 단점을 가지고 있다. 그 중의 하나는 PDMS 칩

채널 내벽의 표면 상태가 비극성 소수성 종들에 의하여 분석물질의 흡착이 잘

되는 것이다. 그리고 유기 용매와 칩 채널의 상호작용에 의하여 몇 가지 알코올

류 이외의 유기 용매 buffer의 사용이 제한되어 있다는 것이다. 또한 PDMS는 칩

채널의 surface가 시간이 지남에 따라서 hydrophobic 해지며 표면 환경에 민

감한 EOF(Electroosmotic Flow)의 변화가 야기되고 그로 인해 때때로 분리 효

- 11 -

율을 떨어뜨린다.* 이와 같은 문제점들을 보완하기 위하여 칩 채널의 내벽을 공

유적 결합 또는 물리적 흡착(dynamic coating)을 사용하기도 하였다. 이 중에

서도 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide)나 아릴 펜타 플루오릴기(aryl

pentafluoryl group) 혹은 다당체(polysaccharide)와 같은 다양한 물질로 채널

의 내벽을 영구적으로 변형 시킨 방법도 보고되어 지고 있다. 그런데 실록산

(silioxane) 결합(Si-O-Si)이 가수분해 되면 오랜 기간 사용 할수 없다는 문제

점이 있다. 그러나, 완충액에 변형제를 첨가하여 채널을 변형 시키는 물리적 흡

착 법은 공유결합을 이용하는 영구적 coating 방법과는 달리 완충액에 녹여 간

단히 만들 수 있기 때문에 사용하기에 편리하고 최적화가 쉽다는 이점이 있다. 또

한 이 방법은 영구적인 coating이 아니므로 칩의 표면을 anionic, neutral,

cationic등 특성에 맞는 전하를 바꿀 수 있으며, 쉽게 EOF를 control 할 수

있는 장점이 있다.

재 료

특 징실리콘 유리 고분자

제작방법 전사, 에칭 전사, 에칭 엠보싱, 사출, 캐스팅

투광도 불투명 투명 투명

전기삼투 펌핑 나쁨 우수 우수

비용 높음 중간 낮음

제작과정 어려움 어려움 쉬움

제작 소요기간 3~4일 3~4일 수 시간

<표 3>Lab-on-a-chip의 재료 및 특징

위 표에서 알 수 있듯이, PDMS는 매우 경제적이며, 효율적인 Lab-on-a-chip

의 재료이다. 특히 제작과정의 간단함과 제작 소요기간이 짧다는 것은 기존의

제작 방법에 비해 매우 획기적이라는 것을 말해 준다고 할 수 있다.

- 12 -

다. 이론적 배경에 대한 이해 지도

지도 대상 학생들에게 칩에 관한 자료 및 정보를 조사하게 하고 칩이 갖추

어야 할 조건과 유의사항을 주지시킨 후 현재까지 알려진 이론을 바탕으로 재

료의 장점과 단점을 파악하여 학생 스스로가 최적의 유용한 칩을 만들어 볼

수 있도록 지도하였다.

1) 분리분석에 안정성을 보여주는 물질에 대한 연구지도

초기의 칩들은 모세관 전기영동 법에서 잘 알려진 표면 성질과 전기 영동적

적합성 그리고 적절한 광학적 성질 때문에 유리나 quartz가 이용되었으며 유

리를 소재로 한 lass master나 silicone master는 채널을 새기는 틀로써 현재

까지 광범위하게 사용되고 있는 실정이다. 최근에는 고분자 물질을 소재로 이

용한 칩이 연구 및 개발되고 있다. 고분자 물질의 경우 구조의 작은 변화에도

성능이 달라지는 칩의 특성에 맞게 빠른 구조변경이 이루어질 수 있으며 유리

나 석영에서 볼 수 있는 광학성질이나 화학적 안정성으로 인해 현재 칩의 소

재로써 각광 받고 있다.1 따라서, 칩의 소재로서 큰 부분을 차지하는 유리 재

질 및 고분자 물질을 이용한 랩 온어 칩을 제작하여 분리분석에 대한 적합성

을 연구 해볼 필요가 있다.

2) 유리 및 고분자 물질의 물리 화학적 성질에 대한 연구지도

유리나 석영과 같은 소재는 표면이 친수성일 뿐 아니라 silanol group이 균

일하게 분포 되어있어 칩에서 행해지는 미세 유체의 흐름에 이점을 지니지만

고비용 및 제작과정이 복잡한 단점을 가진다. 이에 반해 고분자물질의 경우

저비용에 간단한 공정으로도 원하는 채널 패턴을 지닌 칩을 만들 수 있다. 하

지만 이들이 지니는 소수성 표면은 칩 제작에 방해 요인으로 작용하며 코로나

방전등을 통해 친수화를 진행한다 해도 불균일한 표면을 얻게 된다. 균일하지

못한 표면은 유체의 흐름을 변화시킴으로 시간에 따라 데이터를 얻는 분리분

석에서 치명적이다. 또한, 대부분의 물질 분리가 수용성 환경에서 진행됨으로

고분자 물질의 표면 친수화는 필요한 조건이다.2 따라서 물질 분석을 위한 최

적의 실험 조건을 찾기 위해 물리화학적 성질에 대한 연구가 필요하다.

3) 화합물의 화학적 분리에 관한 연구지도

생화학적 물질의 대부분은 전하를 띄고 있다. 예를 들어 유전물질인 DNA의

- 13 -

경우 각각의 인산 골격(phosphate backbone)에서 음의 전하를 가진다. 또한,

단백질의 단위체인 아미노산의 경우 완충용액의 pH에 따라 양이나 음의 전하

를 띄는 양쪽성 물질이다. 하지만, 분석물질이 전하를 띄게 되면 칩 채널의 내

벽과 상호작용하여 흡착되기 때문에 재현성 없는 데이터나 신호의 끌림 현상

(peak tailing)을 유발시키는 등 심각한 문제를 일으킨다. 이러한 문제점을 해

결하기 위해서는 알맞은 고분자 물질(폴리비닐알코올, 폴리에틸렌옥사이드덱

스트란, 폴리아크릴아마이드...)이나 계면활성제(양이온성, 음이온성, 비이온성,

양쪽성)를 선택하여 채널 내벽 코팅에 대한 연구가 필요하다.3

생화학적 물질을 분석할 때 주어지는 실제시료(real sample)는 대부분 극미

량이다. 따라서 적은양의 시료를 가지고 높은 감도로 분석물을 검출하는 일은

매우 중요하다. 레이저 유발 형광검출법의 경우10-9M정도로 감도가 뛰어나고

채널에 주입되는 극미량의 시료만으로 높은 검출한계를 가지므로 이 경우에

적당하다. 하지만 형광물질의 경우 많은 분석물에 공통적으로 적용시키기 어

렵고 고비용이므로 분석시 적당한 형광물질을 선택하여 분석물의 유도체를 얻

어내는 것이 필요하다.

Ⅲ. 탐구활동 지도내용

지도 학생들에게 랩 온어 칩에 대한 기본 개념 및 원리와 분석시 필요한 기

초지식을 학습할 수 있도록 지도하며 실험에 사용할 칩 시스템들에 대해 기본

적인 작동 법을 익힌다. 고분자(poly(dimethylsiloxane);PDMS)물질을 이용하

여 직접 랩 온어 칩을 제작해 보고 제작 과정 중 얻은 지식으로 새로운 부분

에 응용할 수 있도록 사고력과 창의력을 기르며. 실험에 필요한 농도의 물질

을 조제할 수 있도록 물질량에 대한 지식의 학습과 증류수, NaOH, HCl, 완충

용액 등을 직접 조제할 수 있는 능력과 실험기법을 숙련 시킬 수 있도록 지도

하였다. 학생들의 후일 담 중에 이러한 태도의 함양이 과학에의 흥미와 자신

의 진로 선택에 많은 도움과 메리트로 다가왔다는 이야기를 듣고 지도교사로

서 기쁨을 감출 수가 없었다.

1. 고분자 물질을 이용한 랩 온어 칩 제작지도

최근에는 고분자 물질들을 이용한 제작 방법들에 관한 연구가 활발히 진행

중에 있으며 PDMS( poly(dimethylsiloxane) )칩이 대표적인 예이다.4,5,6,7 이

고분자 물질은 광학적 성질이 우수하며 glass와 같이 전기영동에 필요한 높

- 14 -

은 전기장의 적용이 적합한 것으로 알려져 있다. PDMS Chip은 미세구조의

특성상 분리효율을 저해하는 Joule heat을 줄일 수 있어 열적 적합성도 가진

다. 또한, PDMS는 탄성물질로 각각의 실험에 필요한 미세구조를 재현하기

쉬우며 생명물질에 친화적이어서 현재 각광을 받고 있다. Glass나 quartz가

chip으로 제작될 때 600℃정도가 요구되는데 반해 고분자물질은 훨씬 낮은

온도가 필요한 것은 이점으로 작용할 수 있으며 제작 공정상 glass에 비해

저렴하게 제작이 가능한 것 또한 큰 장점이다. 8,9

PDMS를 이용한 랩 온어 칩 제작은 다음과 같은 과정을 거칠 것이다. 칩의

구조물을 찍어내기 위해서는 master를 만들기 위하여 SU-8을 Si-wafer위에

원하는 높이까지 코팅한다. 다음으로 본 연구실에서 직접 디자인한 칩의 미세

채널 모양을 powerpoint아 CAD(computer-aided design)를 이용해 디자인한

후 20배 확대하여 마일라(mylar)필름에 그리고 다시 20배 축소된 패턴이 에

멀젼 마스크에 촬영한다. 위 과정으로 얻어진 포토 마스크를 코팅된 Si-wafer에

덮어 자외선에 노광하면 패턴이 위로 올라온 양각 틀이 얻어지는데 양각 패턴

을 제외한 나머지부분을 에칭하고 나면 일정 패턴이 새겨진 틀을 얻을 수 있

다. 이 양각 틀을 master라고 한다. PDMS oligomer(n=～60)는 점성이 높은

액체이다. 여기에 cross linker(n=～10)인 curing agent를 첨가하면 이들 분

자사이에 수많은 가교 결합이 형성되는데 고체 형태의 칩이 생성되도록 도와

주는 역할을 하게 된다.

<그림 2> Cross-linking reaction of PDMS

master 위에 PDMS를 붙고 75℃로 가열한 뒤 떼어내면 음각 채널의 틀을

얻을 수 있으며, 코로나 방전 후 이를 유리나 PDMS와 붙이고 시료를 담을 수

있는 용기를 원하는 위치에 붙여 랩 온어 칩을 제작할 수 있도록 지도하였다.10,11,12

- 15 -

<그림 3> Fabrication of lab on a chip

2. 고분자 물질에 대한 물리 화학적 성질 연구지도

전기삼투흐름(EOF)에 대해 학습하여 current monitoring을 위한 장치를 스

스로 구상하여 제작해 보고 data acquisition을 위한 labview program 기본

작동 법을 익힌 후 유리재질과 고분자물질로 만들어진 랩 온어 칩에 대해

EOF test를 실시하여 화학적 성질을 비교해보고 각 칩의 장단점을 판단한 후

소재의 중요성에 대해 서로 자료를 조사하여 심층 토론을 할 수 있도록 하였

다. 그리고 분석은 대부분 수용성 환경에서 이루어지므로 분석에 적합한지 접

촉각을 측정하여 표면의 소수성 여부를 알아보고 문제점이 발생할시 랩 온어

칩으로 효용성을 위해 해결책을 모색하도록 지도하였으며 랩 온어 칩을 제작

하여 채널 부분을 잘라낸 후 분석에 적합하게 채널이 형성 되었는지, 또 표면

오염 여부를 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM)촬영을 통해 칩의 3차원적

입체 영상을 관찰하여 전문가 및 김용성 교수님의 지도로 상호 토론을 거쳐

더욱 창의적인 방법을 찾아 효율적인 칩을 만드는 방법을 찾아갈 수 있도록

지도하였다.

가. 전기 삼투흐름 측정(Electroosmotic Flow Measurement)

랩 온어 칩에 이용되는 유리 재질이나 고분자 물질의 경우 일반적으로 표면에

silanol group(Si-OH)이나 수산화기(-OH)를 가지고 있다. 이들 작용기들은

pH가 약 3이상으로 조절된 완충 용액으로 채널 내부를 채우게 되면 칩 채널

- 16 -

내벽에서 양이온들에 의해 고정층(fixed layer)과 이동층(mobile layer)으로

이루어진 확산 이중층(diffuse double layer)을 형성하게 된다. 전기장이 작용

할 때 내벽으로부터 보다 멀리 있는 이동층은 음극으로 이동하게 되는데 완충

용액에 용해되어있는 상황으로 용액을 이끌고 함께 이동하게 된다. 이러한 채

널내부에 완충용액의 흐름을 전기 삼투흐름(electroosmotic flow; EOF)이라고

하며 모세관이나 칩 채널 내부에서 용질 속도의 차이를 이용한 분리 메커니즘

을 기본으로 하는 경우 매우 중요한 역할을 한다. 분석물질 중 양이온은 음극

(cathode)방향으로, 음이온은 양극(anode) 방향으로 이동하며 중성 물질은 전

기 삼투흐름(electroosmotic flow; EOF)과 동일한 방향과 속도로 움직이게 되

는데 일반적으로 전기 삼투흐름은 상당히 크기 때문에 음이온조차 음극 쪽(검

출기 방향)으로 이동시킨다. 따라서, 용질의 검출 시간을 데이터로 얻는 본 실

험의 경우 일정한 전기 삼투흐름이 상당히 중요하다.

<그림 4> Representation of EOF in a chip

EOF의 이동도를 측정하기 위한 방법으로는 완충용액과 동일한 속도로 이동하

는 중성물질(pyridine, benzene, phenol, methanol...)을 이용하여 이들이 검출

되는 시간을 확인하여 계산하는 방법이 있으며,13,14,15,16 모세관이나 칩에서 단

- 17 -

+ -

Electroosmotic Flow (EOF )

++

+

+

-

+ + + + ++ + +

+ + + + ++ + +

---

+

++

+- - --

- - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - -

+ -

Electroosmotic Flow (EOF )

++

+

+

-

+ + + + ++ + +

+ + + + ++ + +

---

+

++

+- - --

- - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - -- - - - - - - - - - -

위시간당 용출되는 완충용액의 무게를 재어 측정하는 방법이 있다. 본 실험에

서는 current monitoring을 통해서 전기 삼투흐름을 측정할 것이다.17 current

monitoring이란 농도가 일정한 용액이 채널내부에 채워져 있을 때, 다른 농도의 용

액이 그 채널을 흘러가는 것에 따라 발생하는 전류의 변화를 측정하는 과정이며 모식

도로 나타내면 그림과 같으며, 또한, EOF의 측정방법은 다음과 같다.

<그림 5>전기 삼투압적 흐름의 모식도

Chip내부 세척을 위해 H2O, NaOH, H2O로 각각 5min, 20min, 5min간 채널

을 최적화 시켜준 후 1x TBE 완충용액으로 reservior와 채널 내부를 채워

주고 전류의 변화가 없을 때까지 전압을 걸어줄 것이다. 다음으로 0.5x TBE

완충용액으로 교체한 후 전압을 걸어주면 전류의 변화가 일정해질 때까지의 시

간을 얻을 수 있다. 얻은 데이터를 아래공식에 대입하면 이동도를 구할 수 있

다.

: Electroosmotic mobility

L : Separation channel length,

V : Applied voltage

<수식1> 전기삼투압 적 이동도 t : Current change time

이 실험의 데이터로 계산된 고분자 칩의 는 유리나 석영 칩 의 와

비교할 수 있어 채널의 균일성이나 채널 내부 상황을 예측하는데 쓰일 수

있으며 또한, 실제로 완충용액을 주입하여 진행했기 때문에 사실적인 실험

데이터를 바탕으로 실제 응용될 수 있는 실험들의 재현성 등을 추정하는데

유용하였다. 고분자물질로 만든 칩의 전기삼투흐름 측정은 일정한 시간 간격과

동일 실험방법으로 진행하여 전기 삼투흐름이 확연하게 차이 날 때까지 수행

하였다. 그 결과 동일한 고분자 칩에서 전기삼투흐름이 달라지는 것은 채널내

부가 변하였으며 이것은 화학적 안정성이 떨어진다는 의미이고 칩의 수명이

다되었음을 알려주는 신호로 해석 할 수 있을 것이다. 따라서 일정 기간 동안

실험을 수행하여 어느 정도의 기간까지 표면이 안정한가를 파악하여 칩의

- 18 -

수명도 예측 할 수 있었다.

<그림 6> Schematic design of current monitoring system for EOF

measurement

나. 접촉각 측정(Contact Angle measurement)

앞서 설명한 바와 같이 고분자 물질의 소수성은 칩의 제작이나 분석에 방해

요인으로 작용하였으며 이 부분에서 알맞은 연구가 더욱 많이 이루어져야 할

것이다. 그리고 접촉각 측정방법은 표면의 오염조절, 점착력, 표면처리, 폴리

머 층 수식등과 같은 여러 분야에 사용되고 있는 기술이다. 또한, 고분자물질

(폴리머)의 친수성 혹은 소수성 정도를 파악하기 위해 접촉각 측정이 필요

하였다.

<그림 7> Principle of contact angle measurement

다. 주사전자현미경 촬영(scanning elecron microscope; SEM )

- 19 -

랩 온어 칩의 채널 패턴을 디자인한 후 제작을 완료하였을 때 유체가 흐르는

채널이나 표면의 미세한 부분은 직접 눈으로 관찰하기 어려웠다. 따라서

먼지에 의한 칩 표면의 오염 여부나 분석물이 이동할 채널이 적합하게 형성

되었는지에 대한 사실을 일차적으로 알 수 없고 잘못 제작된 칩으로 연구를

수행할 수밖에 없는 문제점이 발생 하였다. 그래서 주사 전자현미경(SEM)과

같은 최근에 개발된 장비를 이용하여 사람의 눈으로 감지하기 어려운 물질의

미세한 부분까지 촬영을 하였다. 이것은 대략 1-100nm정도의 미세한 전자

선(electron beam)을 시료 위에 주사시켜서 시료로부터 튀어나온 2차 전자

를 모아 영상화시키는 원리인데, 이러한 주사전자현미경의 특징은 초점이 높

은 심도를 이용해서 비교적 큰 표본을 3차원적인 입체상으로 관찰할 수 있다

는 것이다. 따라서, 우리는 SEM촬영을 통해 직접 제작한 칩의 표면을 관찰

하여 분리분석에 적합하게 설계 되었는지 판단하여 사용할 수 있었으며 지도

학생들에게 SEM 촬영 기법과 원리를 지도하였다.

3. 레이저 유발형광법을 이용한 화합물 분석에 관한 연구지도

지도 학생들을 대상으로 레이저 유발형광법과 아미노산 유도체가 형성되는

과정을 학습하고 실험에 갖춰져 있는 532nm의 레이저와 아미노산에 적합한

형광물질을 선택하여 아미노산에 labeling시키는 방법을 습득할 수 있도록 지

도한 후 자체 제작한 랩 온어 칩을 이용하여 생화학적 물질인 다양한 아미노

산을 분리해보고 분석시 필요한 최적화를 위해 감도와 분해능을 높일 수 있는

방법을 모색해 볼 수 있도록 지도하였다.

랩 온어 칩이 제작된 후 채널내부가 분석에 적합한 전기영동 적 환경을

갖춘다면 실제 실험에 적합한지 물질들을 분리해볼 필요가 있다. 미세 가공

기술을 이용하여 만들어진 칩은 DNA, Protein, Amino acids, Cell등을 포함

한 극미량의 다양한 생화학물질들을 빠르게 분리할 수 있다.18,19,20,21,22,23 분리

된 물질들은 일정지점에서 검출되는데 흡광, 전기화학, 유발형광, 화학발광 등

을 이용한 검출방법들이 시료의 특성에 맞게 적용되고 있다. 하지만 생화학적

분석물질에서 흡광 검출법은 칩에 적용하기 어렵다. 미세 채널에 주입되는 적

은 양의 시료만으로 높은 검출한계를 가지기 위해서는 형광검출법의 적용이

적당한데 흡광 검출법은10-5M로 검출 감도가 좋지 않은 편이지만, 레이저 유

발 형광 검출법의 경우10-9M정도로 단일분자의 검출에 사용될 정도로 감도가

뛰어나기 때문이다. 지도 학생들의 연구에서는 He-Ne레이저를 사용하여 레

이저 유발형광법을 이용, 형광물질인 RITC(rhodamine isothiocianate)아미노

산에 붙인 후 그 유도체를 TBE 완충 용액 상 에서 분리함으로써 생체의 구

성분이며 각종 호르몬으로 작용하는 단백질의 기본 단위체인 다양한 아미노산

들을 분석할 수 있었다.

- 20 -

Layout of Lab-on-a-chipLayout of Lab-on-a-chip

40mm

1: buffer reservoir2: sample reservoir3: sample waste reservoir4: buffer waste reservoir

1: buffer reservoir2: sample reservoir3: sample waste reservoir4: buffer waste reservoir

1

2

410mm

10mm 10mm

3

Detection point

Wide : 80㎛

Deep : 20㎛

DPSS Laser

Vacuum pump

10X Objective lens

Red filterPinhole

Data processing with system control by LabView

PMT

532nm

DBHVDBHV--100100Digital Bio TechnologyDigital Bio Technology R

Detection system (laser-induced fluorescence)107~109(LOD)

LabLab--onon--a chipa chip

HVELABLE

HV1 HV2 HV3

HV4 HV5 HV6

Layout of Lab-on-a-chipLayout of Lab-on-a-chip

40mm

1: buffer reservoir2: sample reservoir3: sample waste reservoir4: buffer waste reservoir

1: buffer reservoir2: sample reservoir3: sample waste reservoir4: buffer waste reservoir

1

2

410mm

10mm 10mm

3

Detection point

1

2

410mm

10mm 10mm

3

Detection point

Wide : 80㎛

Deep : 20㎛

DPSS Laser

Vacuum pump

10X Objective lens

Red filterPinhole

Data processing with system control by LabView

PMT

532nm

DBHVDBHV--100100Digital Bio TechnologyDigital Bio Technology R

Detection system (laser-induced fluorescence)107~109(LOD)

LabLab--onon--a chipa chip

HVELABLE

HV1 HV2 HV3

HV4 HV5 HV6HV

ELABLE

HV1 HV2 HV3

HV4 HV5 HV6

532nm laser

Power supplyelectrode Lab-on-a-chip

PMT power supply

Detection system

532nm laser

Power supplyelectrode Lab-on-a-chip

PMT power supply

Detection system

<그림 8>Schematic design of lab on a chip system

- 21 -

Ⅳ. 탐구활동 결과

1. Curing Agent와 PDMS의 비율에 따른 차이

기존의 실험은 PDMS : Curing Agent의 비율을 10 : 1로 해서 만든 Chip

을 사용해서 수행했으나 그 수치에 대한 이론적 바탕이 있는 것은 아니었다.

다만, Curing agent에 의한 가교 결합이 지나치게 형성되어 Chip이 Master

에 들러붙어 제작이 불가능하거나, 결합이 거의 이루어지지 않아 Polymer가 제

대로 형성되지 않는 상황만 아니라면 괜찮았다. 즉 적당한 상태의 Chip 제작

이 가능하기만 하면 되므로, 10 : 1이라는 비율에 따라 Chip을 제작했다.

그러나 구성 비율이 달라짐에 따라 채널내의 용액의 속도와 이동도가 달라지

는지, 만약 달라지면 또 어떻게 달라지는지 정확히 알지 못했었다.

그래서 Lab on a chip의 성능을 높이기 위한 연구의 일환으로, Chip의 구성

물질의 비율에 따른 분리도를 비교해보고자 이 실험을 설계했다.

<그래프 1>PDMS와 Curing Agent의 비율에 따른 Current mornitoring

- 22 -

구분

비율속도 이동도

10 : 1 7.5×10-2 (7.23±0.93)×10-4

10 : 2 3.8×10-2 (4.56±0.88)×10-4

10 : 4 3.3×10-2 (3.98±0.25)×10-4

10 : 6 5.1×10-2 (6.13±0.66)×10-4

속도의 단위는 cm*s1이고 이동도의 단위는 cm2*V­1 s­1

<표 4>PDMS와 Curing Agent의 비율에 따른 이동도

우리가 실험한 결과는 위의 표와 같이 나왔다. EOF 변화는 10배 이상 차이

가 나지 않으면 실질적으로 거의 차이가 없는 것으로 볼 수 있다. 따라서

PDMS와 Curing Agent의 비율에 따른 Chip 내부의 구성비율의 차이는 채널

내의 상태나 용액의 속도, 이동도 등에는 크게 영향을 미치지 않는다고 할 수

있다.

2. Chip 표면의 SEM 촬영

cross channel double-T

channel 음각 칩 채널의 종단면

<그림 9>SEM으로 촬영한 채널 내부 모습

- 23 -

SEM촬영은 최대 50만 배까지 확대가 가능하기 때문에 Lab-on-a-chip의

미세한 채널이나 채널의 종단면 등을 관찰 할 수 있었다. PDMS를 접합시키기

전에 sample을 만들어 채널의 모양을 관찰하고, 완성된 칩을 절단하여 그 단

면을 관찰하였다.

3. CTAB 코팅 有/無에 따른 속도와 이동도 차이

<그래프 2>CTAB 코팅 여부에 따른 Current mornitoring

구분

코팅유무속도 이동도

Coated 2.8×10-2 (2.7± 0.23)10-4

Uncoated 7.5×10-2 (7.23± 0.93)10-4

<표 5>CTAB 코팅 여부에 따른 이동도

<그림 10>코팅 후 예상되는 채널 내벽의 상태

- 24 -

위의 두 그래프를 이용하여 전류가 증가하는 부분과 일정해지는 부분에 대

해 각각의 수식을 구하고 두 부분의 교점을 구해 안정화 되는데 까지 걸리는

시간을 구하였다. 얻어진 시간을 이용하여 속도와 이동도를 계산해 낸 것이

표에 나타나있다. EOF는 3배 정도 감소했는데 10배 이내의 차이이기 때문에

분리에 큰 영향을 미치지는 않는다. EOF가 감소한 것은 CTAB용액이 채널

내에 코팅되어 양의 전하를 띠는 두꺼워진 내벽 때문이다.

CTAB은 분자구조 내에 양전하를 띠는 부분이 있다. 원래 채널 내벽은

Silanol group이 산화되어 음전하를 띠고 있다. 채널 내벽에 양전하를 띠는

CTAB이 흡착되면 양전하를 띠는 고정 층이 생기는 효과가 생기게 된다. 즉,

양전하의 채널 내벽이 형성되는 것이다. 용액이 채워지게 되면 코팅하지 않았

을 때와는 반대로 음전하를 띠는 이동 층이 형성된다. 음전하의 이동 층은 양

극으로 끌리게 되므로 EOF의 흐름은 반대가 된다.

이 실험만으로는 코팅의 긍정적 효과를 예측하기 어렵다. 다음 실험 결과가

코팅의 효과를 설명해준다.

4. CTAB코팅 有/無에 따른 아미노산 분리의 차이

아래 두 그래프는 코팅을 했느냐 안했느냐에 따른 아미노산 분리의 차이를

극명하게 드러내준다. 같은 아미노산(Cystein)용액을 분석을 했는데, 코팅을

하지 않은 Chip에는 아래 첫 번째 그래프에서 보이듯이 분리가 이루어지지

않았고, 코팅을 한 Chip에서는 두 번째 그래프에서 보이듯이 아미노산이 분리

가 되었다. 여기서 코팅의 효과를 확인할 수 있다. 코팅을 하게 되면 분석물질

이 채널 내벽에 직접 흡착하는 것을 막아 끌림 현상에 의해 시료가 분리되지

않는 것을 막을 수 있다. 또한, 균일하지 않은 채널 내벽을 비교적 균일하게

코팅시켜 안정적인 상황을 만들어준다.

- 25 -

<그래프 3>CTAB 코팅 여부에 따른 아미노산 분리도

5. 전기장에 따른 아미노산 분리

아래의 세 그래프는 전압의 세기, 즉 전기장의 세기를 달리 해 주었을 때

아미노산 분리의 정도는 어떠한 차이가 나는 지를 비교해 본 실험이었다.

- 26 -

<그래프 4> 전기장에 따른 아미노산 분리도

위 그래프에서 볼 수 있듯이 300V/cm의 전기장을 걸어주었을 때에는

Homocystein과 RITC를 분리해 낼 수 없었으나, 230V/cm의 전기장의 세기

를 걸어주었더니 서서히 분리되기 시작하는 것을 볼 수 있었고, 마침내

180V/cm의 전기장에서 Homocystein과 RITC를 확실히 분리해 낼 수 있었

다. 이를 통해, 전기장의 세기가 낮아질수록 물질의 분리도가 높아진다는 것을

알 수 있다. 이것은 전기장의 세기가 큰 경우에는 짧은 채널을 물질이 너무

빠르게 이동하면서 분리가 될 시간을 충분히 갖지 못하기 때문으로, 같은 맥

락에서 전기장의 세기를 낮추어줄수록 분리하고자 하는 물질이 끌려가는 속도

가 느리기 때문에 분리되는 시간이 더욱 길어져서 분리도가 높아지는 것으로

- 27 -

43 44 45 46 47

time(s)

RITC

inte

nsity

43 44 45 46 47

time(s)

RITC

inte

nsity

Model: GaussEquation:y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)Weighting: y No weighting

Chi^2/DoF = 0.0001R^2 = 0.97085

y0 0.13525 0.00292xc 45.57434 0.01801w 0.72835 0.04084A 0.14275 0.00833

Model: GaussEquation:y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)Weighting: y No weighting

Chi^2/DoF = 0.0001R^2 = 0.97085

y0 0.13525 0.00292xc 45.57434 0.01801w 0.72835 0.04084A 0.14275 0.00833

보인다. 하지만, 이러한 이유로 인해 전기장의 세기를 낮추면 분석에 소요되는

시간도 길어질 수밖에 없다. 1분, 1초를 절약해야 하는 현대, 혹은 미래 사회

에서 분리도를 높이기 위해 분석 시간이 무한정 길어진다면 랩온어칩이 분석

기기로써 경쟁력을 갖추기는 힘들어진다. 따라서, 물질마다 분리도와 분석 소

요시간을 감안하여 적절한 전기장을 걸어줘야 한다.

6. Lab-on-a chip에서의 분리효율

<그래프 5>Gaussian mode를 이용한 이론 단수

일반적으로 분석에서의 분리효율은 이론단수로써 구해지는데, 이론단수란

분리의 효율을 나타내는 척도로서 분리관의 길이를 단 높이로 나눈 값이다.

단 높이란 이름은 단이라고 부른 불연속 단계를 고려한 분리방법에서 따왔다.

실제 분리에서 “단”이 있는 것은 아니다. 단 높이는 단순히 띠의 나비를 띠가

관을 통해 이동한 거리와 관련시킨 양이다. 단 높이가 낮으면 낮을수록 띠 나

비는 더 좁아진다. 즉 단 높이가 낮다는 말은 일정한 길이에 들어가는 단의

수가 많다는 말이다. 이는 분리효율이 커짐을 의미한다. 분리효율이 좋으면 분

리 그래프에서 봉우리가 좁게 나타난다. 기체크로마토그래피의 경우 100cm의

분리 관을 기준으로 했을 때 이론단수는 약 3000정도인데, 본 연구에서

Lab-on-a chip의 이론단수를 구해본 결과 63,000으로 높았다. 이는 기존의

여러 가지 분석 장치보다 매우 높은 분리 효율을 보여주는 것이다. 이론단수

를 구하는 방법은 다음과 같다.

N : 이론단수,

w : peak의 너비,

t : peak의 검출시간

<수식 2> 이론단수

이 실험에서는 orgin program의 gauss 모델을 사용해 peak의 너비와 검출

시간을 알 수 있었다.

- 28 -

0 20 40 60 80 100

Time(s)

Hcy RITC

0 20 40 60 80

Met

RITC

Time(s)

0 20 40 60 80 100 120 140

Cys

RITC

TIme(s)

7. 질병관련 아미노산 분리

아래의 3개의 그래프는 각각의 아미노산과 형광물질인 RITC가 분리되는 것을

보여준다.

<그래프 6>여러 가지 아미노산 혼합물의 분리도

- 29 -

첫 번째 그래프는 Homocystein, 두 번째 그래프는 Metionine, 세 번째 그

래프는 Cystein이 분리된 것을 보여주며 고분자 Lab-on-a-chip에 CTAB을

코팅하여 분리한 것이다. 따라서, 고분자 랩온어칩은 코팅과정을 통해 내벽이

안정화되어 전기 영동적 성질이 잘 알려진 glass칩과 비교했을 때 고분자 랩

온어칩(Lab-on-a-chip)의 가능성을 보여주고 있다. 위의 Peak로 코팅과정을

통해 고분자 랩온어칩(Lab-on-a-chip)을 실생활에 적용하여 다른 물질들도

분리 및 분석해 내는 것이 가능할 것이라고 유추할 수 있다.

그리고 다음의 그래프는 메티오닌, 시스테인, 호모시스테인, RITC를 분리해

낸 그래프로써 혼합시료에서 호모시스테인이 분리됨을 보여주고 있다.

0 20 40 60 80 100 120 140 160Time(s)

1st peak ; Cys2nd peak ; Hcy3rd peak : Met4th peak : RITC

180V/cm

<그래프 7>아미노산 혼합물의 분리도

호모시스테인은 혈관성 질환과 관련된 아미노산으로, 혼합시료에서의 호모

시스테인 분리는 이들 물질의 정량과 정성이 가능해짐을 의미하고 랩온어칩

(Lab-on-a-chip)의 질병관련 진단용 칩으로서의 가능성을 보여주고 있다. 앞

으로 계속 연구가 진행되어 랩온어칩이 더욱 소형화되고, 휴대가 간편해지고,

분리 소요시간을 줄이며 또한 호모시스테인 이외에 극미량만으로 인체에 유해

한 물질들에 대한 데이터베이스를 구축한다면 집, 학교 등 어디에서나 인체

유해 물질의 양을 확인함으로써 그러한 물질들에 의한 질병을 예방 할 수 있

을 것이다.

- 30 -

Ⅴ. 결론 및 제언

1. 결론

가. 고분자 랩온어칩(Lab-on-a-chip)을 직접 제작하여 방법 및 원리를 이해하였다.

나. PDMS : Curing Agent의 비율을 다르게 하여 Chip의 구성 비율을 다르게 할

지라도 채널 내 용액의 속도와 이동도가 오차의 범위 이내인 것을 확인하였다.

따라서, 구성 비율이 Chip내부의 EOF변화에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수

있었다.

다. CTAB으로 Chip내벽, 즉 채널을 코팅하여 Chip이 더 안정화되었음을 알

수 있었고 분리효율이 코팅을 하지 않은 Chip에 비해 상대적으로 높아져 여

러 아미노산을 분석할 수 있었다.

라. 전기장(전압)의 세기를 조절하여 분리 효율을 확인하였으며 전기장의 세기

가 작을수록 분리도가 높아지나 분석소요시간이 오래 걸림을 알 수 있었다.

마. 혼합시료에서 호모시스테인의 빠른 분석을 통해 진단용 랩온어칩

(Lab-on-a-chip)으로서 역할을 확인하였다.

바. 여러 가지 실험을 통해 접근해 본 고분자 Lab-on-a-chip은 다른 분석

장비보다 효율적이고 휴대가 간편한 Chip으로 개발되고 이상적인 분석 장비

로의 역할이 기대된다.

2. 제언

가. 교육적 측면에서의 기여

지난 1년간 탐구활동을 전개해 가면서 지도교사가 크게 느낀 점이 있다면

학생들에게 탐구를 할 수 있는 여건만 만들어 주고 난관에 봉착했을 때 약간

의 조언만 해준다면 훌륭한 연구자의 업적도 낼 수 있겠구나 하는 것이었다.

본 연구를 통하여 학생들에게 차세대에 꼭 필요한 역할을 하는 학문으로서

화학과 생물의 중요성을 인식시키는 계기가 되었으며 lab-on-a-chip을 개발

하여 단백질의 단위체인 아미노산을 분리해가는 과정을 통해 지도 학생들이

연구자의 입장에서 자기 주도적으로 문제를 해결해가고 창의적인 사고를 할

- 31 -

수 있도록 지도함으로서 학생들의 탐구능력을 신장시켰을 것이라고 확신한다.

또한 연구 내용인 유용한 칩을 개발하여 물질을 분리 분석해 봄으로서 학생들

의 성취 욕구를 고취시켜 자아만족감과 연구자의 생활을 이해하는 계기가 되

었으며 자신의 진로선택에 상당한 영향을 끼칠 수 있을 것으로 기대된다.

나. 학문적 측면에서의 기여

시료의 전처리 및 분석을 칩에서 모두 수행할 수 있도록 하는 랩온어칩이

도입된 것은 최근 일이지만 단 기간임에도 불구하고 현재 환경물질, 제약, 생

체물질 분석에 대해 랩 온어 칩을 이용한 많은 연구가 이루어지고 있다. 고분

자물질은 다루기가 용이하다는 점과 저 비용이라는 측면에 있어서 보다 많은

연구 기회를 제공할 수 있다. 또한, 생체 물질에 대한 친화성 등은 고분자물질이

이들 분야의 연구에서 적합함을 보여준다. 따라서 랩 온어 칩을 이용한 이들

연구로 부터 환경 및 제약, 분자 생물학 등 여러 분야에 대한 활발한 연구를

기대해볼 수 있고 각각의 많은 연구 결과들은 각 분야의 학문적 발전을 가져올

것이다. 또한, 칩의 제작에서 물질 분석까지 모든 연구 분야가 기계공학, 재료

공학, 화학공학, 생화학, 분자생물학, 화학 등 여러 전문 인력과 전문지식을

융합하는 영역이기에 고분자물질의 랩 온어 칩을 제작한다면 이들 각 분야에

있어 학문적으로 커다란 성취가 있을 것이다.

다. 사회적 측면에서의 기여

단백질, 유전자, 신약개발, 범죄수사, 환경 분석에 걸쳐 다양한 분야에서 칩을

이용한 연구 및 응용이 진행되고 있으며 몇몇 분야에서는 이미 상품화되었다.

아직 여러 부분에서 해결해야할 것들이 많지만 일단 필요한 부분이 개선되어

상용화된다면 일상생활을 보다 이롭게 해줄 것이다. 특히, 고분자 물질을 소재로

칩이 제작된다면 소비자는 저 비용으로 필요한 칩을 구입하여 사용할 수 있을

것으로 기대된다. 예를 들어 칩으로 보편적인 유전적 질환이나 후천적 질환을

판단할 수 있다면 기존의 방법보다 훨씬 저렴한 비용으로 검진이 가능하게 되고

지속적인 관심으로 인해 질병 예방에 탁월한 효과를 가질 것이다. 따라서 칩

은 현대 필수품 중 하나로써 사회의 중심에서 그 영향력이 증대될 것으로 보여

진다.

- 32 -

□ 참고 문헌

1. Fan, Z. H.; Harrison, J.D. Anal. Chem. 1994, 66, 177-184

2. Liu, Y.; Fanguy, J., C.; Bledsoe, J., M.; Henry, C., S. Anal. Chem. 2000, 72, 5939

3. Wang, S. C.; Perso, C. E.; Morris, M. D. Anal. Chem. 2000, 72,

1704-1760

4. Becker, H.; Gartner, C. Electrophoresis 2000, 21, 12-26.

5. Unger, M. A.; Chou, H. P.; Thorsen, T.; Scherer, A.; Quake, S. R.

Science 2000, 288, 113-116.

6. McDonald, J. C.; Duffy, D. C.; Anderson, J. R.; Chiu, D. T.; Wu, H.;

Schueller, O. J. A.; Whitsides, G. M. Electrophoresis 2000, 21, 27-40.

7. Whitesides, G. M.; Ostuni, E.; Takayama, S.; Jiang, X.; Ingber, D. E.

Annu. Rev. Biomed. Eng. 2001, 3, 335-373.

8. Duffy. D.C.; McDonand. J. C.; Schueller. O. J. A.; Whitesides. G.M.

Anal. Chem. 1998, 70, 4974-4984

9. Hongkai Wu, Teri W. Odom, Daniel T. Chiu, and George M.

Whitesides. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 554-559

10. Ocvirk, G.; Munroe, M.; Tang, T.; Oleschuk, R.; Westra, K.;

Harrison, D. J. Electrophoresis 2000, 21, 107-115.

11. Martin, R. S.; Gawron, A. J.; Lunte, S. M.; Henry, C. S. Anal. Chem.

2000, 72, 3196-3202.

12. Ross, D.; Johnson, T. J.; Locascio, L. E. Anal. Chem. 2001, 73,

2509-2515.

13. Takao Tsuda, Kazuhiro Nomura, Genkichi Nakagawa, J. Chromatog.

248(1982), 241-247

14. Mark A. Hayes, Indu Kheterpal, and Andrew G. Ewing, Anal. Chem.

65(1993), 2010-2013

15. K. D. Lukacs and J. W. Jorgenson, J. High Res. Chromatog 8.(1985), 407-411

16. Ann Wainright, J. Microcol. Sep. 2 (1990), 166-175

17. Xiaohua Huang, Manuel J. Jordan, and Richard N. Zare, Anal. Chem.

60(1988), 1837-1838

18. Woolley, A. T., Hadley, D., Lander, J. P., Demello, A. J., Mathies, R.

A., Northrup M., A., Anal Chem.1996, 68, 4081-4086

19. Woolley, A. T., Northrup M., A., Mathies, R. A., Abst. Paper Amer.

- 33 -

Chem. Soc. 1996, 212, 155.

20. Snders, J. C., Breadmore, M. C., Kwok, Y. C., Horsman K. M.,

Landers, J. P. Anal, Chem, 2003, 75, 986-994

21. Youssouf Badal, M., Wong M., Chiem, N., Salimi Moosavi, H.,

Harrison, D. J., J. Chromatogr. A. 2002, 974, 277-286

22. Ceriotti, L., Shibata, T., Folmer, B., Weiller, B. H., Robers, Matthew,

A., deROOil, N., Verpoorte, E., Electrophoresis, 2002, 23, 3615-3622

23. Pasas, S. A., Lacher,N. A., Davies, M. L., Lunte, S. M., ectrophoresis,

2002, 23, 759-766