모세관력에 의한 유체교환 미소유체제어소자를 이용한 생체촉매반응 분석
Bioanalytical Application of Microfluidic Device Accomplishing Self-wash and Fluid Replacement by Natural Capillary Force
- 주제(키워드) Microfluidics , 모세관력 , 생체촉매반응
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 윤현철
- 발행년도 2008
- 학위수여년월 2008. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 연구에서는 모세관력에 의해 자가세척 및 유체 교환이 가능한 미소유체제어소자를 생체촉매반응 분석에 적용하였다. 이 연구에서 사용된 소자는 현장 진단용 센서로 적용이 가능하도록 소자내의 샘플들이 모세관력에 의해 자동적으로 이동, 교환되도록 설계되었다. 이 미소유체제어소자는 고분자 복제 기술로 만들어 졌으며, 내부에는 직경이 수 마이크로미터인 polystyrene 재질의 비드들이 생체물질들을 고정화하기 위하여 사용되었다. 효소반응을 적용하기 위해 horseradish peroxidase (HRP) 에 의한 4-chloro-1-naphtol (4CN) 침전반응이 사용되었다. Polystyrene 비드에 고정화된 HRP 효소는 소자 내부 reaction chamber에 채워진 4CN과 반응하여 푸른색의 침전물을 형성하였다. 효소 반응은 수 초 내에 확인되었고 이를 기초로 면역센서로의 적용 가능성을 확인하였다. 생체인식반응 중 항원-항체 반응을 소자 내에서 실현하기 위해서 형광 검출법을 이용한 dinitrophenyl (DNP)와 fluorescein이 고정화된 anti-DNP 항체를 이용하였다. DNP가 고정화 된 비드를 reaction chamber에 고정화 시키고 fluorescein이 수식화된 항체와 반응 하도록 유도하였다. DNP에 의해 비드에 결합된 항체들은 형광현미경을 통해 확인 되었으며, 미반응된 항체들은 유체교환 단계를 통해 제거 되었다. Anti-DNP 항체의 농도 경향성을 파악하기 위해 7개의 다른 농도의 항체 샘플들을 소자에서 구동하여 고정화된 형광물질의 밝기를 수치화하여 그래프로 나타내었다. Biotin-streptavidin 구성을 기존 실험에 추가하여 다중검출에 대한 가능성을 타진하였다. Polystyrene 비드에 DNP와 biotin을 각각 고정화하여 reaction chamber 내부에 고정하고 phycoerythrin이 수식화된 streptavidin과 fluorescein이 수식화된 anti-DNP 항체를 이용하여 소자를 구동하였다. 설계된 위치에 선택적으로 고정화된 생체물질들을 형광현미경을 통해 확인하였으며, streptavidin과 anti-DNP 항체의 비율을 달리하여 각각 비드의 농도 경향성을 파악하였다. 본 연구에서 제시된 자가구동 미소유체제어소자의 생체촉매반응 분석 시스템은 여러 생물학적, 화학적 분석에 적용가능하며, 실질적인 현장 진단용 센서로서 적용될 수 있다.
more초록/요약
An application of a novel polymer microfluidic chip for sample exchange via natural capillary forces for immuno-analysis is described. The microfluidic device was designed to achieve sample replacement by capillary force only, which would therefore be suitable for point-ofcare- testing. Complete and automatic replacement of the sample in the reaction chamber with another one makes the chip able to mimic affinity chromatography and immunoassay processes. The microfluidic chip was made using polymer replication techniques, which were suitable for fast and cheap fabrication. Micrometer-sized polystyrene beads were used for the functionalization of biomolecules. In order for the chip to be utilized in an enzymatic analysis, horseradish peroxidase (HRP) catalyzed 4- chloro-1-naphtol (4CN) precipitation reaction was used. HRP immobilized polystyrene beads were placed in the reaction chamber to react with soluble 4CN molecules to produce blue precipitate. Dinitrophenyl (DNP) and anti-DNP antibody coordination was employed on the chip for fluorescence analysis of antigen-antibody interaction. DNP was immobilized on the polymer beads via a pre-adsorbed dendrimer layer and the beads were placed in the reaction chamber. Fluorescein tagged anti-DNP was successfully observed by a fluorescence microscope after the completion of the entire flow sequence. A calibration curve was registered based on the anti-DNP concentration. A multiplex sensing was accomplished by adding biotin/streptavidin coordination to the system. DNP and biotin conjugated beads were placed in the reaction chamber in an ordered fashion and biospecific bindings of anti-DNP antibody and streptavidin were observed at their expected sites. A ratiometric analysis was carried out with different concentration ratios of anti- DNP/streptavidin. The microfluidic chip described in this work could be applied to various biological and chemical analyses using integrated washing steps or fluid replacement steps with minimum sample handling.
more목차
국문요약 = i
List of Figures = v
1. Introduction = 1
1.1. BioMEMS/Lab-on-a-chip = 1
1.2. The Self-Washing Chip = 3
1.3. 연구의 목적 = 12
2. 실험의 재료 및 방법 = 13
2.1. 시약 = 13
2.2. 효소에 의한 생체촉매반응 검출 = 14
2.2.1. HRP 효소에 의한 침전반응 = 14
2.2.2. 효소가 흡착된 비드를 이용한 침전반응 = 14
2.3. 면역반응 검출 = 15
2.3.1. 면역반응을 위한 DNP 비드의 합성 = 15
2.3.2. 면역반응에 의한 형광 검출 = 17
2.3.3. Anti-DNP 농도에 따른 형광분석 = 17
2.4. Application to Mutiplex Sensing = 18
3. 결과 및 고찰 = 20
3.1. Enzymatic Reaction = 20
3.1.1. HRP 효소에 의한 침전반응 = 20
3.1.2. HRP-Microbead Conjugate에 의한 침전반응 = 21
3.2. Immuno-sensing = 24
3.2.1. DNP 비드 고정화 및 target 항체 검출 = 24
3.2.2. Anti-DNP Concentration Dependence = 27
3.3. Multiplex Sensing “Traffic Light Concept” = 31
4. 결론 = 36
5. References = 37
6. Abstract = 40
