탄소나노튜브를 이용한 나노필터의 제작 및 이를 응용한 미세유동칩 상의 시료전처리

Abstract

본 논문은 탄소나노튜브를 이용하여 나노 스케일의 포어(pore)를 가지는 시료전처리용 필터를 만들고, 이를 미세유동칩에 이식하여 시료전처리칩을 제작하는 방법에 대해 기술하였다. 1960년대 반도체 기술에서 파생된 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술은 생화학, 분석화학 등의 분야로 그 영역을 넓혀 바이오칩이라는 새로운 분야를 만들었다. 바이오칩의 한 분야인 미세유동칩(랩온어칩)에 대한 많은 연구들은 분석화학이나 생화학의 시료 분석 실험을 소형화·자동화시켰다. 하지만 이들 실험 중 시료의 분리 및 정제, 농축, 추출 등의 기술로 이루어진 시료전처리 과정은 칩의 단계에서 수행하기가 힘들기 때문에 아직까지도 실제 실험실에서 수행되고 있다. 특히, Dialysis은 전통적인 분석화학이나 생화학 실험에서 가장 빈번하게 사용되는 시료전처리 방법 중에 하나이다. 탄소나노튜브는 1991년 일본 과학자 Iijima에 의해 처음 발견된 이후로, 그것의 역학적, 전기적, 구조적, 화학적인 독특한 특성으로 인해 현재 전 세계적으로 가장 활발히 연구되고 있는 대표적인 나노 물질 중에 하나이다. 만약 시료전처리용 필터가 탄소나노튜브에 의해 효과적으로 구현된다면, 성공적인 시료전처리칩이 만들어질 수 있다. 본 연구에서 만들어진 탄소나노튜브 필터는 미세유동칩에 이식되고, 연속적인 counter-flow dialysis 방식의 필터로 사용된다. 탄소나노튜브 필터를 만드는 과정은 탄소나노튜브의 산화, 2단계 diimide-activated amidation, PDMS 필름 몰딩의 세 단계로 나뉜다. 탄소나노튜브의 산화는 정제된 탄소나노튜브를 유도화 시켜 후속 화학 반응에 대한 기초 작업 역할을 한다. 2단계 diimide-activated amidation은 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC)과 N-hydroxysuccinimide (NHS)를 이용하여 탄소나노튜브가 BSA를 매개체로 서로 공유결합 할 수 있도록 한다. 탄소나노튜브 필터의 형상은 본 논문에서 제시한 PDMS 필름 몰드와 필터링 시스템을 이용하여 결정할 수 있다. 필터링 시스템에서 사용하는 진공은 탄소나노튜브 필터가 균질(homogeneous)하도록 도와준다. 시료전처리칩은 PDMS prepolymer를 접착제로 사용하여 탄소나노튜브 필터를 PDMS substrate 사이에 샌드위치 형태로 bonding하여 완성한다. PDMS substrate는 각각 미세채널을 가지고 있어 연속적인 counter-flow dialysis이 가능하다. dialysis은 시료가 탄소나노튜브 필터 위의 미세채널을 지나다가 필터의 포어보다 작은 분자들은 필터 아래의 미세채널로 확산됨으로서 이루어진다. 한편, 탄소나노튜브 필터가 가지는 포어의 크기는 탄소나노튜브의 밀도와 길이를 변화시킴으로써 조절이 가능하다.; This paper describes the fabrication method of a nanoporous filter using carbon nanotubes (CNTs), and presents a sample pretreatment chip using the CNT filter. Numerous studies on a microfluidic chip (or lab-on-a-chip) have enabled miniaturization of biochemical analysis processes. However, sample pretreatment consisting of separation, purification and extraction is still performed off chips due to difficulties in chip-level integration of devices. Dialysis is one of most frequently used sample pretreatment methods in conventional biochemical analysis. CNTs are actively studied because they have extraordinary mechanical, electrical, structural and chemical properties. A successful sample pretreatment chip can be fabricated if a dialysis membrane is produced with CNTs. In this study, a membrane type of a CNT filter is fabricated and is located in a microfluidic chip. The membrane is used as a dialysis membrane in a continuous counter-flow system. Fabrication processes of a CNT filter are categorized into CNTs oxidation, two-step diimide-activated amidation, and PDMS film molding. The CNTs oxidation help the raw CNTs are turned into functionalized CNTs. The two-step diimide-activated amidation uses 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and N-hydroxysuccinimide (NHS) and enables CNTs to covalently bond each other. The shaping of a CNT filter is accomplished using a PDMS film-mold and a vacuum filtering. The vacuum filtering helps the filter homogeneous. Then, the filter is sandwiched between PDMS substrates and is bonded together using PDMS prepolymer to make a sample pretreatment chip. Both PDMS substrates have a microchannel to perform a continuous-flow microdialysis. While a sample liquid flows through a microchannel, smaller molecules in the flow than the pores of the filter are diffused into a perfusion channel across the CNT filter. The pore size of the filter can be controlled by varying the CNT density and length.