생체 물질 다중 검출을 위한 자기영동 기반 마이크로 유체 칩의 설계 및 제작 응용에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 자기 영동(magnetophoresis) 기반 마이크로 유체 칩을 이용하여 생체 물질 다중 분리 및 검출이 가능한 고효율 시스템을 구현하였다. 높은 효율을 가지는 생체 물질 다중 분리 및 검출 시스템을 구현하기 위하여 강자성체(ferromagnetic) 물질인 니켈(Ni)을 이용하여 마이크로 유체 채널 바닥에 니켈 와이어 구조물을 설치하였다. 니켈 와이어가 채널 속에 만드는 국부적으로 높은 자기 포텐셜 때문에 자성 입자의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있었다. 서로 다른 표적 생체 물질을 포획하여 동시에 분리 및 검출하기 위하여 서로 다른 크기의 자성 입자(magnetic particle)를 사용하였다. 칩 바닥에 도입된 니켈 와이어의 기하학적 구조를 이용하여 기존의 외부 자석에 의한 편향보다 훨씬 더 좁은 편향 폭을 가진 채로 자성 입자들이 채널 속을 유동하게 되었다. 본 마이크로 유체 칩을 활용하면 공간적인 정밀도가 크게 향상되어 검출 정확도를 높이고 채널 폭을 크게 줄일 수 있어 적은 양의 시료로도 분석이 가능하다는 장점을 보였다. 니켈 와이어가 만들어 내는 높은 자기 포텐셜을 이론적으로 계산하여 마이크로 유체 채널 안에서 자성 입자가 받는 자기력을 계산하였다. 또한, 각각의 표적 생체 물질을 포획하여 분리할 수 있도록 니켈 와이어의 기하학적 구조를 설계하여 시뮬레이션을 시도하였다. 제작된 칩의 성능을 검증하기 위하여 2.29 μm 직경의 자성 입자 1과 4.96 μm 직경의 자성 입자 2를 동시에 분리 및 검출하였다. 0.55 ml/h 의 속도로 95.79 % 순도의 분리 효율을 보였다. 마지막으로 제작된 칩을 이용하여 자기 영동 기반 생체 물질 다중 검출 실험을 진행하였다. 표적 생체 물질인 biotin과 IgG를 동시에 분리 및 검출하였다. 각각의 표적 생체 물질을 포획하기 위하여 streptavidin이 표면 처리된 2.5 μm 직경의 자성 입자와 Protein A가 표면 처리된 4.5 μm 직경의 자성 입자를 사용하였다. 다중 생체 물질 분리 및 검출 효율은 94.48 % 순도이며 1시간에 10^7 개의 세포를 처리할 수 있었다.