Separation of Biomolecules through Porous Alumina Membrane

Abstract

본 논문은 칩 형태의 마이크로 유체 플랫폼과 결합된 나노 다공성 박막의 제작과 이를 이용한 DNA 분리 실험에 관하여 보고한다. 기존의 접근 방식은 분리된 양극 산화 알루미늄 박막을 사용하였기에 하나의 랩온어칩 시스템을 만들지 못하였으며, 다공성 실리콘 박막은 나노세공의 밀도가 낮고 크기가 균일하지 못한 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 500 nm 두께의 양극 산화 알루미늄 박막을 MEMS 공정을 이용하여 실리콘 웨이퍼 위에 직접 증착 함으로써 제작하였다. 제작된 평균 지름 39.78 nm의 다공성 박막은 고가의 나노 리소그라피(Lithography) 장치의 도움 없이 대량으로 제작이 가능하다는 장점을 가지고 있으며 나노세공 확장 프로세스 또는 루테늄(Ruthenium)의 원자층 증착(ALD: Atomic Layer Deposition)에 의하여 평균지름을 최소 13 nm에서 85 nm까지 제어가 가능하다. 이 장치는 분자 수준의 감지와 정제에 다양하게 응용이 가능하며 DNA와 같은 생체분자의 이종(二種) 분리 실험을 성공적으로 수행 하였다. 제작된 나노 다공성 박막을 이용하여 유전영동에 의해 통과하는 DNA의 특성에 관하여 연구하였다. 15 mer의 단가닥 DNA의 분리는 나노세공의 물리적인 크기 이외에 완충용액의 이온 농도에 따른 전기 이중층(Electrical Double Layer)의 크기에 영향을 받으며 실제 세공의 크기는 전기 이중층의 두께만큼 줄어드는 것을 확인하였다. 또한 박막의 양단에 인가한 전기장의 크기가 크고 DNA의 농도가 높을수록 분리 속도가 빨라지는 것을 확인하였다. 이종 분리 실험을 위해 thrombin 단백질과 이에 결합하는 thrombin DNA 압타머를 사용하였으며 thrombin 압타머는 나노 다공성 박막을 잘 통과하는 반면 압타머 thrombin 복합체는 그 물리적 크기로 인해 박막을 통과하지 못하는 것을 확인하였다.

This paper reports a porous alumina membrane device integrated with an on-chip microfluidic platform that can separate biomolecules based on their sizes. The platform offers a thin (500 nm) porous anodized aluminum oxide (AAO) membrane directly fabricated and suspended on a silicon substrate which is assembled into a compact microfluidic device. The AAO nano-porous membrane structure was fabricated by MEMS techniques. Average pore diameter is controllable using pore widening process or atomic layer deposition (ALD) of ruthenium. With this device, it was successfully demonstrated that the transport of DNA through the porous alumina membrane under various conditions. Molecular movement through the porous alumina membrane was affected by applied voltage and ionic concentration of buffer. Size exclusive biomolecular separation was verified using the complex of thrombin and thrombin aptamer. Transport of the aptamer-protein complex was significantly hampered by the size and electrical charges. This result can be used for binary separation and detection of a molecular reaction as a result of specific recognition.