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유전자 분석 마이크로 통합 시스템 개발 DOI: 10.3938/PhiT.22.

1 유전자 분석 마이크로 통합 시스템 개발 DOI: /PhiT 박 병 현 정 재환 김용태 서 태 석 Development of a Fully Integrated Genetic Analysis 짐승들의 공격과, 기후환경의 변화와 같은 외부의 물리적 위협 Microsystem 이 주였던 반면, 인간이 진화 및 발전함에 따라 바이러스 및 박 Byung Hyun PARK, Jae Hwan JUNG, Yong Tae KIM and 특히 2009년 미국에서 발발하여 전 세계적으로 큰 경제, 사회 Tae Seok SEO 적 피해를 끼친 신종 인플루엔자 A 바이러스(H1N1)가 바로 그 테리아 감염과 같은 화학적, 생물학적 위협으로 변화하고 있다. 예이다. 이들은 치사율이 높으면서도 호흡기를 통한 전염성이 A fully-integrated genetic analysis microsystem incorporates 매우 높기 때문에 이를 조기에 진단하여 추가적 전염 및 피해 all the processing steps including sample pretreatment, pol- 를 예방하는 것이 중요하다.[1] ymerase chain reaction, and optical/electrochemical de- 현재 바이러스 검출을 위해 주로 사용되는 방법은 분자진단 tection in a single wafer by using lab-on-a-chip technology. 방법(Molecular diagnostics)으로 질병의 원인이 되는 Bacteria, Such a fully integrated system can perform a portable DNA Virus 등의 핵산(Nucleic acid: DNA와 RNA 또는 그들의 변형 and RNA analysis with high speed, reproducibility, and sim- 체)을 검출하여 병의 원인 및 감염 여부를 검출하는 방법이다. plicity and can be applied for human forensic identification, 분자 진단 방법은 체액으로부터 샘플을 채취, 채취된 샘플의 pathogen detection, food safety testing, and pollutant envi- 유전자 추출, 중합효소연쇄반응(Polymerase Chain Reaction: ronmental screening. PCR)을 이용한 유전자의 증폭 및 분석에 이르는 4가지 단계로 구성된다. 분자진단법은 유전자 증폭과정을 거치기 때문에 극 서 론 미량의 병원체에 대해서도 매우 높은 민감도 및 특이성을 갖 는 정확한 진단이 가능하다. 하지만, 기존의 진단법의 수행을 원시시대에서 오늘날에 이르기까지 인류는 300만 년이라는 위해서는 PCR 및 전기영동 등 고가의 분석 장비 및 시약을 긴 시간 동안 그들의 주변에 도사리는 생존의 위협을 극복하며 사용하기 때문에 비용이 많이 들고, 복잡하고 전문적인 기술이 진화를 이룩하였다. 초창기에 인류의 생존을 위협했던 요인에는 필요하기 때문에 숙련된 기술자에 의해서만 수행이 가능하다. 또한 분석 장비의 거대함으로 인해 각 생물 반응 단계의 통합 저자약력 박병현 학생은 한국과학기술원 석박사통합과정으로서 2011년부터 한국과학 기술원에 재학 중으로 통합형 유전자 분석 마이크로시스템 기술 개발에 참 여하고 있다. (ilypbh@kaist.ac.kr) 정재환 학생은 한국과학기술원 석박사통합과정으로서 2008년부터 한국과학 기술원에 재학 중으로 통합형 유전자 분석 마이크로시스템 기술 개발에 참 여하고 있다. (jjaehwan@kaist.ac.kr) 김용태 학생은 한국과학기술원 박사과정으로서 2011년부터 한국과학기술원 에 재학 중으로 통합형 유전자 분석 마이크로시스템 기술 개발에 참여하고 있다. (surpass7@kaist.ac.kr) 서태석 교수는 미국 Columbia University 공학 박사(2004)로서 University of California, Berkely에서 박사후 연구원( )을 거쳐, 2007년 부터 현재까지 한국과학기술원 생명화학공학과 부교수로 재직 중이다. (seots@kaist.ac.kr) 2 이 어려워 분자 진단 과정에 샘플 오염의 가능성을 항상 내포 하고 있으며, 분석 시간이 오래 걸리기 때문에 현장에서 유전 자 진단을 하는 데 있어 한계를 보이고 있다. 따라서 기존의 유전자 진단 기법의 단점을 극복하고 현장에 서 유전자 진단이 가능한 고효율, 고감도의 새로운 병원체 유전 자 분석 시스템이 요구되고 있으며 그 대안으로 랩온어칩 (Lab-on-a-chip: LOC) 기술이 각광을 받고 있다. 랩온어칩 기 술은 NT, IT, BT의 융합기술의 대표적 예로 MEMS(Micro electro [1] C. Lee et al., J. Korean Med. Assoc. 53, 43 (2010).

2 mechanical system)나 NEMS(Nano electro mechanical system)와 같은 기술을 이용하여 시료의 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 시료의 모든 전처리 및 분석 단계를 하나의 칩 위에서 수행하도록 하는 기술을 말한다. 이처럼 손바닥만한 칩 위에서 모든 반응을 자동화시키고, 빠르게 수행할 수 있다는 특징 때문 에, 샘플 전처리, PCR, 분석 시스템을 소형화시킨 연구들이 다 년간 많이 진행되어 왔고, 이를 통합시킨 유전자 분석 시스템에 대한 연구도 상당히 진행되어 왔다. 이에 본 특집 기사에서는 랩온어칩 기술 기반의 통합 유전 자 분석 시스템 연구에 대해서 살펴보고자 한다. 첫째로는, 분 자진단에 있어 필수적인 샘플 전처리, PCR 및 검출을 수행하 는 마이크로 디바이스에 대해 살펴보고, 최종적으로 3가지 기 술이 집적된 통합형 유전자 분석 마이크로 시스템 개발의 연 Fig. 1. Schematic illustrations of a microfluidic PCR chip. (A) Static PCR system. (B) Flow-through PCR system.[3] (C) Rotary PCR system.[4] 구 수준 및 동향에 대해서 기술하고자 한다. 등과 같은 고분자 재료들이 저렴한 가격과 제작의 용이성 때 문에 각광받고 있다. 그 중에서 PDMS는 소프트 리소그래피 마이크로 PCR 연구동향 (Soft lithography)를 통해 제작을 손쉽게 할 수 있고, 투명한 유전자 분석에 있어 PCR을 통한 DNA의 증폭은 극미량의 광학 특성, 열 안정성으로 인해 PCR 칩의 적합한 재료로서 주 샘플로부터 유전자를 증폭시켜 높은 민감도 및 특이성을 갖게 목받고 있다.[3] 제작된 PCR 칩은 크게 세 가지 온도에서 PCR 하기 때문에 핵산 분석에 필수적이다. PCR은 효소를 기반으로 을 수행하는 thermal cycling법과 한 가지 온도에서 수행하는 하는 반응으로 표적 DNA의 염기 서열 중 특정 구간을 반복적 등온 PCR(isothermal PCR) 방법으로 유전자를 증폭하게 된다. 으로 증폭하여 수백만 가닥의 동일한 유전 물질을 생성하는 반응으로 서로 다른 온도 구간을 반복하여 순환함으로써 진행 된다. 기존의 PCR 수행을 위해서는 펠티에 효과(Peltier effect)1) 나 금속 블록 기반의 PCR 시스템을 사용하는데, 큰 부피의 반 응량, 느린 가열 냉각율로 인해 고비용, 장시간의 문제점을 내 재하고 있다. 이 같은 문제점을 극복하기 위해 MEMS 기술을 통한 소형화된 PCR 칩의 개발과 응용이 연구되고 있다. 소형 화된 PCR 칩은 짧은 분석시간, 적은 시약사용, 빠른 가열 냉 각율을 지닐 뿐만 아니라 여러 요소기술의 통합이 가능하며 장비 구동을 위한 동력 소모 또한 적은 장점을 지닌다.[2] 소형 화된 PCR 칩은 일회용 칩으로 개발됨으로써 교차오염 또는 생화학적 위험을 줄일 수 있다. 일회용의 소형화된 PCR 칩을 제작하기 위해서는 우선 가격적인 측면과 PCR 성능을 고려하 여 칩의 재료를 선택해야 할 필요가 있다. 실리콘과 유리 기판 은 MEMS 기술을 가장 잘 응용할 수 있는 재료로 소형화된 PCR 칩을 개발하는 데 있어 많이 이용되어 왔으나 재료값이 비싸고 미세제작 공정의 고비용으로 인해 일회용의 용도로는 사용하기 어렵다는 단점이 있다. 최근 Polydimethylsiloxane (PDMS), Polymethylmethacrylate(PMMA), Polycarbonate(PC) 1. Thermal cycling PCR 소형화된 PCR 칩에서 thermal cycling을 통한 유전자 증폭 은 크게 비유동 PCR과 연속흐름 PCR의 방법으로 구분된다. 비유동 PCR 방식은 PCR 반응이 일어날 수 있는 고정화된 마 이크로 챔버와 이 챔버의 온도를 조절할 수 있는 소형화된 온 도 가열부를 칩 내에 집적시켜 유전자를 증폭할 수 있다. 이 소형화된 온도 장치는 PCR의 변성, 접합, 신장 3단계에 필요 한 온도를 제공하고, 나노리터 단위의 반응 챔버부에서 적은 양의 샘플로 PCR을 수행하기 때문에, 신속하고 효과적인 유전 자 증폭이 가능하다. 한편, 연속흐름 PCR 방식은 PCR 용액을 고정된 3가지 온도 영역에 흘려주면서 DNA를 증폭하는 방식 으로 비유동 방식과 비교하여 빠른 온도 조절이 가능하며, 각 각의 온도 영역에서의 반응 시간은 미세유체 채널의 길이를 조절하거나 유속을 제어함으로써 통제가 가능하다. 최근에는, 위의 두 가지 PCR 방식을 결합한 로터리 PCR 장 치가 소개되었는데 이는 PDMS를 이용하여 비유동 방식의 PCR 칩을 제작 후에, 제작된 칩을 PCR 수행을 위한 온도가 1) Peltier effect: 1834년 J. C. A. 펠티에가 발견하였으며 두 종류의 금속 을 접속하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 열전현상을 말한다. [2] C. Zhang et al., Nucleic Acids Research 13, 4223 (2007). [3] S. Park et al., Biotechnology Advances 29, 830 (2011). [4] J. H. Jung et al., Lab Chip 12, 1598 (2012). 3

온도구배가 필요없기 때문에 칩과 단순한 온도제어 시스 템만으로 휴대성이 높은 시스템을 구축할 수 있다. Thermal cycling PCR법은 변성, 접합, 신장의 세 가지의 온 샘플 전처리 마이크로소자 연구동향 도 단계를 정확하게 맞춰 이루어지는 일련의 반응이기 때문에 정확한 온도 구배를 위해서는 고가의 장비가 필요하다.

3 Fig. 2. Micro isothermal amplification system (NASBA).[7] 설정되어 있는 가열판 위를 순차적으로 회전시킴으로써 특정 유전자를 증폭시키는 기술이다. (그림 1)[3,4] 2. Isothermal PCR Fig. 3. Centrifugal microdevice for sample pretreatment based on a solid phase extraction.[9] 증폭이 일어나며 많은 연구자들에 의해 마이크로 칩 상에서 구 현되었다. 그림 2는 NASBA를 이용한 마이크로 등온 PCR 시스 템이다. 온도구배가 필요없기 때문에 칩과 단순한 온도제어 시스 템만으로 휴대성이 높은 시스템을 구축할 수 있다. Thermal cycling PCR법은 변성, 접합, 신장의 세 가지의 온 샘플 전처리 마이크로소자 연구동향 도 단계를 정확하게 맞춰 이루어지는 일련의 반응이기 때문에 정확한 온도 구배를 위해서는 고가의 장비가 필요하다. 이를 극 복하기 위해 등온 PCR법이 개발되었는데, 등온 PCR법은 위에 효과적인 유전자 진단을 위해서는 사람이나 동물의 세포에서 서 설명한 thermal cycling법과 달리 일정한 온도에서 변성, 접 부터 DNA/RNA를 추출하는 과정, 즉 샘플 전처리 과정이 필 합, 신장이 가능하기 때문에 thermal cycling법보다 증폭시간을 요하다. 채취한 샘플 내에는 표적으로 하는 DNA/RNA 외에도 단축할 수 있으며, 등온 유지가 가능한 저가의 장비에서도 수행 유전자 증폭을 방해하는 여러 요소들이 존재하므로 성공적인 할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서, 장비의 소형화에 유 진단을 위해서는 순수한 DNA/RNA 추출 과정이 필수적이다. 리하며 연구실이나 검출 현장 등의 장소에 구애 받지 않고 적 샘플 전처리는 DNA/RNA와 포획수단과의 결합, 정제, 그리고 [5,6] 용될 수 있다. 추출의 세 가지 단계를 거쳐야 하며, DNA/RNA 추출 수율, 최근 랩온어칩(LOC) 또는 미세종합분석시스템(micro-total- 순도나 오염 등과 같은 문제를 고려해서 진행해야 한다. 대표 analysis-system: µtas) 기술로 등온 PCR을 마이크로 칩상에 적인 샘플 전처리 방법으로 실리카겔(silica gel)이나 자성 입자 서 구현하려는 연구들이 많이 진행되고 있다. 마이크로 칩 기 (magnetic bead)를 이용한 고상추출(Solid phase extraction) 반의 등온 PCR은 나노리터 수준의 시료의 양을 사용하기 때 방법이 있으며 이를 기반으로 한 샘플 전처리 키트들이 많이 문에 기존의 등온 PCR법보다 경제적이며 빠르고 간편하게 유 출시되어 있다. 하지만 그동안 샘플 전처리 기술은 마이크로 전자 분석을 수행할 수 있다. 또한 여러 개의 샘플을 동시에 시스템에서의 연구가 활발히 이루어지지 않아 통합형 유전자 분석이 가능할 뿐만 아니라, 온도구배에 민감하지 않으므로 다 진단 시스템의 개발에 걸림돌이 되어왔지만, 최근 랩온어칩 기 양한 칩 재질을 선택할 수 있다. 따라서 등온 PCR법은 유전자 술을 기반으로 한 샘플 전처리 기술이 많이 연구되고 있으며 분석의 현장검사(POC test: point-of-care)에 가장 적합한 방법 이를 기반으로 한 통합형 유전자 진단 시스템의 개발도 활발 이라고 할 수 있다. 히 이루어지고 있다.[8] 등온 PCR법에는 nucleic acid sequence based amplification(nasba), Loop-mediated isothermal amplification(lamp), Rolling circle amplification(rca), helicase-dependent amplifi- [5] [6] [7] [8] [9] cation(hda), 그리고 stand displacement amplification(sda) 등의 방법이 있다.[7] 각 방법은 사용되는 효소나 증폭되는 온도 조건들이 다르지만, 각기 최적화된 하나의 온도에서 효과적으로 4 N. Notomi, et al., Nucleic Acids Res. 28, E63 (2000). R. Suzuki, et al., J. Viro. Methods. 132, 216 (2006). P. J. Asiello, et al., Lab Chip 11, 1420 (2011). O. Lazcka, et al., Biosens. Bioelectrons. 22, 1205 (2007). B. H. Park, et al., Lab Chip 11, 1420 (2011).

Fig. 5. (A) Overall layout of the 96-lane DNA sequencing microchannel plate (MCP). (B) Vertical cut-away of the MCP. (C) Expanded view of the injector.

The arm from the sample to the separation channel is 85 μm wide, and the arm from the waste to the separation channel is 300 μm wide.

The turns are symmetrically tapered with a tapering length of 100 μm, a turn channel width of 65 μm, and a radius of curvature of 250 μm.

A schematic view (top) and a photo image (bottom). 검출용 마이크로 소자 연구동향 현장에서 사용가능한 통합 유전자 분석 시스템을 구축하기 1.

4 Fig. 5. (A) Overall layout of the 96-lane DNA sequencing microchannel plate (MCP). (B) Vertical cut-away of the MCP. (C) Expanded view of the injector. Each doublet features two sample reservoirs and common cathode and waste reservoirs. The arm from the sample to the separation channel is 85 μm wide, and the arm from the waste to the separation channel is 300 μm wide. The separation channel connecting the central anode and cathode is 200 μm wide. (D) Expanded view of the hyperturn region. The turns are symmetrically tapered with a tapering length of 100 μm, a turn channel width of 65 μm, and a radius of curvature of 250 μm.[11] 정제 및 추출이 통합된 자동화 전처리 시스템으로 샘플의 오염 가 능성이 적고 빠른 시간 안에 샘플 전처리가 가능하다.[10] Fig. 4. Sample preatreatment microdevice based on a solid phase extraction using magnetic nanoparticles. A schematic view (top) and a photo image (bottom). 검출용 마이크로 소자 연구동향 현장에서 사용가능한 통합 유전자 분석 시스템을 구축하기 1. 졸겔 법(sol-gel process) 위해선 샘플 전처리와 PCR을 통해 얻어진 증폭된 유전자를 그림 3은 마이크로 칩 안에 졸겔 법(sol-gel process)을 이용 최종적으로 검출하는 시스템이 필요하다. 기존의 검출부는 레 하여 실리카 마이크로 입자를 형성시키고 회전력에 따라 용액 이저를 통한 형광 검출 및 Agarose gel에 전압을 가하는 전기 들을 실리카 입자로 흐르게 하였다. 마이크로 채널의 넓이와 영동법과 같이 거대하고 복잡한 시스템을 사용했기 때문에, 마 깊이에 따라 용액이 흐르게 되는 회전력이 달라지므로 이를 이크로 칩에 검출부를 통합시키는 것은 쉽지 않은 일이었다. 조절하여 RNA 샘플 용액, 정제 용액, 추출 용액을 순서대로 하지만, 최근 모세관 전기영동, 마이크로 어레이, 면역크로마토 흘려 샘플 전처리를 실시하였다. 모든 용액을 마이크로 칩 위 그래픽 스트립과 같이 증폭된 유전자를 소형화된 시스템에서 에 주입한 후 단순히 회전력만을 제어함으로써 순수한 바이러 검출할 수 있는 방법들이 고안되었고, 이를 마이크로 칩 내부 스 RNA을 추출할 수 있으며, 5분만에 고속으로 샘플 전처리 로 소형화시킨 연구들이 등장하기 시작했다. 과정을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 1. 모세관 전기영동(Capillary electrophoresis) 2. 자성 입자(magnetic bead) 기반 샘플 전처리 미세제조(microfabrication) 기술의 발전에 따라 기존의 전기 샘플 전처리에 있어서 가장 손쉽게 사용되는 방법 중 하나로 영동분석 기술이 소형화되어 마이크로 칩에 적용할 수 있게 되 자성 입자를 이용한 방법이 있다. 보통 자성입자에 실리카 물질을 었다. 모세관 전기영동법은 형광염료가 표지된 DNA를 겔이 채 처리하여 DNA/RNA가 붙을 수 있게 환경을 조성한 뒤 외부의 자 워진 모세관에 주입한 뒤 전기장을 걸어줄 때, 모세관을 따라 석을 이용하여 세포로부터 DNA/RNA만 손쉽게 분리하는 방식으 DNA의 이동속도를 이용한 분석방법이다. 각기 다른 크기의 로 이루어진다. 그림 4는 자성입자를 이용한 샘플 전처리 시스템 을 보여준다. 자성입자는 용해액에 의해 분리된 DNA와 결합하여 흐르다가, 자석에 의해 정제 용액과 추출 용액의 흐름을 차례대로 [10] M. Karle, et al., Lab Chip 10, 3284 (2010). [11] B. M. Paegel et al., PNAS 99, 574 (2002). 지나게 되면서 최종적으로 샘플 전처리가 이루어진다. 이는 DNA 5

Fig. 6. (A) The layout of the arraying machine. (B) Two-color fluorescent scan of a 1.8-cm 1.8-cm yeast array of l clones of yeast genomic DNA.

모세관전기영동칩은보통십자모양 ( ) 으로되어있으며일반적인전기영동법에비해분리채널의길이가짧아빠른샘플분석이가능하고모세관의넓이가좁아나노리터단위의양의샘플로도높은증폭산물분리효율의장점을갖는다. 2.

마이크로어레이칩은다수의형광패턴을형성하여다중검출을필요로하는분야에유용한기술이나검출시혼성화가이루어지는시간이길고고감도의형광스캐너와분석법을필요로하는단점을지니고있다. 3.

testing) 등에널리쓰이고있다. 이기술은다공성종이또는소결된고분자내에모세혈관상 (capillary bed) 을따라유체가전달되는현상을응용하여개발되었다.

로이동하게되는데이결합패드에는 PCR에의해증폭된 DNA가반응할수있는나노입자 ( 주로항체가결합되어있는금나노입자를사용 ) 들이존재하여증폭된 DNA와결합을 Fig. 7.

(B) Detection sensitivity of the immunochromatographic strip by using the serially diluted viral RNA templates from 1.72 ng to 17.2 fg. [13] 하게된다.

5 Fig. 6. (A) The layout of the arraying machine. (B) Two-color fluorescent scan of a 1.8-cm 1.8-cm yeast array of l clones of yeast genomic DNA. DNA는각자의분자량에따라다른속도로모세관을흐르게되어크기가다른 DNA가서로분리된다. 이렇게분리된 DNA는모세관의말단부분에서형광신호를공초점현미경을통해검출하게된다. 모세관전기영동칩은보통십자모양 ( ) 으로되어있으며일반적인전기영동법에비해분리채널의길이가짧아빠른샘플분석이가능하고모세관의넓이가좁아나노리터단위의양의샘플로도높은증폭산물분리효율의장점을갖는다. 2. 마이크로어레이 (Microarray) 마이크로어레이는 DNA의혼성화를이용하여병원균의유전자를검출하는방법으로미세제조기술을통해다수의특정병원균에상보적인 DNA 염기순서를갖는올리고핵산탐침을좁은면적의칩위에집적시켜, 다량의병원균검출을가능하도록하는기술이다. 마이크로어레이칩은다수의형광패턴을형성하여다중검출을필요로하는분야에유용한기술이나검출시혼성화가이루어지는시간이길고고감도의형광스캐너와분석법을필요로하는단점을지니고있다. 3. 면역크로마토그래픽스트립면역크로마토그래픽스트립을이용한검출방법은특별한검출기기나값비싼장비가필요없이타겟유전자를발색검출하는방법으로, 일반적으로의학적진단 (medical diagnosis) 이나현장진단 (Point-of-care testing), 자가진단 (home testing) 등에널리쓰이고있다. 이기술은다공성종이또는소결된고분자내에모세혈관상 (capillary bed) 을따라유체가전달되는현상을응용하여개발되었다. 면역크로마토그래픽스트립은자연스럽게유체를전달할수있는용량을지니고있는데첫번째구성요소인완충액주입패드 (buffer loading pad) 는스폰지와같이많은양의완충액을함유할수있으며흡수된완충액은조금씩두번째구성요소인결합패드 (conjugation pad) 로이동하게되는데이결합패드에는 PCR에의해증폭된 DNA가반응할수있는나노입자 ( 주로항체가결합되어있는금나노입자를사용 ) 들이존재하여증폭된 DNA와결합을 Fig. 7. (A) The structure and reaction mechanism of an immunochromatographic strip. (B) Detection sensitivity of the immunochromatographic strip by using the serially diluted viral RNA templates from 1.72 ng to 17.2 fg. [13] 하게된다. 이후검출을위해나노입자와결합된 DNA는생체분자가고정화되어있는다공성종이막으로흘러들어가포획됨으로써발색검출이가능하다. 또한면역크로마토그래픽스트립의정상작동여부를확인하기위해결합패드의나노입자와특이적인반응을하는물질을다공성종이막에고정화하여컨트롤실험을수행할수있다. [12] 통합형유전자분석마이크로시스템연구동향 이번장에서는앞에서살펴본 PCR, 샘플전처리, 검출의 3 가지요소기술을모두결합시킨통합형유전자분석마이크로시스템의연구동향에대해서기술하고자한다. 통합형유전자분석시스템연구의목적은현장에서얻은생체샘플의유전자분석을제한된마이크로공간에서수행을하는데있다. 이와같이제한된공간에서의유전자분석은샘플을처리하는과정에서염려되는샘플의오염을방지할수있고, 본래샘플의생물학적상태및특정유전자발현등을정확히파악할수있다. 현재통합형유전자분석마이크로시스템연구는 [12] D. Shalon et al., Genome Res. 6, 639 (1996). [13] Y. T. Kim et al., Biosens. Bioelectron 32, 88 (2012). 6 물리학과첨단기술 SEPTEMBER 2013

6 크로 디바이스를 만드는 데 있어 매우 효과적이다. 그림 8에서 PDMS에 압력을 가하여 구동시키는 microvalve를 통해 샘플의 운반을 제어하고, 각각의 요소 기술을 통합시킨 마이크로 디바 이스를 확인할 수 있다. 특히 Landers 그룹[14]은 syringe pump와 PDMS 기반의 microvalve를 이용하여 샘플 전처리, PCR, 검출에 이르는 전 과정을 30분 이내에 수행하는 것이 가능함을 보였다. 그러나 압력 구동 통합형 유전자 분석 마이 크로 시스템의 구축을 위해서는, 압력을 줄 수 있는 외부의 pump, microvalve 구성을 위한 다층형 칩 제작 및 복잡한 tube 라인들이 필요하고 이를 제어할 수 있는 컴퓨터가 요구 된다. 이는 고가 및 복잡한 칩 제작 공정을 요구하게 되고, 데 이터의 재현성을 떨어뜨릴 가능성이 있으며, 현장에서 사용가 능한 유전자 진단 시스템을 구축함에 있어 극복해야 할 문제 로 남아 있다. Fig. 8. Images of a microfluidic genetic analysis system. (a) Domains for DNA extraction (yellow), PCR amplification (red), injection (green), and separation (blue). (b) Schematic of a flow control region. Valves are shown as open rectangles. V1 separates the SPE and PCR domains. V2 and V5 are the inlet valves for the pumping injection, V3 is the diaphragm valve, and V4 is an outlet valve. (c) Device loaded into the manifold. (d) Images of the domain for DNA extraction. (e) PCR chamber. (f) the capillary electrophoretic separation channel.[14] 2. 전기력 구동 통합형 유전자 분석 마이크로 시스템 전기력 구동 기반 시스템의 가장 큰 특징은 외부의 기계적 펌프 없이 전기력만으로 유체를 운송시킬 수 있다는 점이다. 또한 전기력에 의한 유체의 이동은 기존의 압력에 의한 유체 의 이동에서 생기는 속도 구배 현상 없이 동일한 속도로 유체 를 이동시킬 수 있으며, 이는 운송시 발생할 수 있는 유체의 손실을 방지할 수 있다. 이런 전기력 구동 기반 시스템은 앞서 샘플 전처리-PCR 통합 시스템, PCR-검출 통합 시스템의 단계 언급한 장점과 간단하고 소형화된 전극만 있으면 작동될 수 별 통합에 대한 연구로부터 시작되어 샘플 전처리-PCR-검출이 있다는 장점 때문에 마이크로 채널 내에서 DNA/RNA를 검출 모두 통합된 유전자 분석 마이크로 시스템에 대한 연구로 확 하는 모세관 전기영동 시스템과 같은 검출 시스템 개발이 보 장되고 있다. 이들의 온전한 통합을 위해서는 샘플을 각각의 고되어 왔다. 최근에는 모세관 전기영동 시스템뿐만 아니라, 단계 사이에서 운송시키는 구동력이 매우 중요한데, 크게 압력 샘플 전처리부터 PCR 및 검출 시스템이 통합된 유전자 분석 (pressure), 전기력(electric force), 원심력(centrifugal force)의 3가 마이크로 시스템이 보고되고 있다.[15] Haswell 그룹은 전극을 지 구동력에 의해서 수행되는 통합형 유전자 분석 시스템들이 마이크로 칩 내부에 제작하고 프로그램화된 전압을 가하여 샘 보고되고 있다. 따라서 구동력에 따른 각각의 통합 유전자 분석 플을 이동시켜 샘플 전처리, PCR 및 모세관 전기영동을 하나 마이크로 시스템에 대해서 살펴보고 특징을 기술하고자 한다. 의 시스템에서 수행했다. 그러나 값 비싼 전극 제작 비용 및 고전압에 의한 마이크로 버블의 발생은 유체의 흐름을 방해할 1. 압력 구동 통합형 유전자 분석 마이크로 시스템 압력 구동 통합형 유전자 분석 시스템은 샘플 전처리-PCR 및 PCR-검출 통합 시스템에서, 샘플 전처리-PCR-검출 통합 시스템[14]에 이르기까지 앞서 소개한 요소 기술들을 다양한 형 태로 결합시켜 왔다. 압력 구동 방식의 장점은 신축성 있는 PDMS에 압력을 가하여 microvalve, pump 및 mixer 기능을 수 있다. 또한 전압의 인가 시간 동안 유체의 ph 변화로 인한 조성 변화, 휴대용 장치에서 고전압을 줄 수 없다는 점은 극복 해야 할 문제로 남아 있다. 3. 원심력 구동 통합형 유전자 분석 마이크로 시스템 원심력 구동 기반 시스템은 앞서 설명한 구동력과는 다르게 갖는 다양한 구조물을 형성할 수 있기 때문에 샘플의 수송 및 운반을 정확하게 조절하는 것이 가능하고, 외부의 컴퓨터로 가 압 세기 및 시간을 프로그램화시켜 자동 제어가 가능하기 때 [14] C. J. Easley et al., PNAS 103, (2006). [15] K. J. Shaw et al., Lab Chip 11, 443 (2011). 문에 이는 샘플 전처리부, PCR부, 검출부를 통합시키는 마이 7

샘플전처리를위해실리카입자가패킹된샘플전처리부, PCR을수행할수있는 PCR부그리고광학신호를검출할수있는검출센서를회전시스템에통합시켜회전을통한원심력으로모든반응을순차적으로제어하였고유전자분석의모든반응을 30 분이내에수행하는데성공하였다.

7 PCR chamber containing reagents in gel DNA extraction chamber Wash channel Elution channel Waste channel Fig. 9. Photograph of the integrated genetic analysis system composed of the microfluidic device, a Peltier element, an electrical connections and touchscreen control panel. [15] 검출이모두통합된유전자분석시스템을나타낸것이다. 샘플전처리를위해실리카입자가패킹된샘플전처리부, PCR을수행할수있는 PCR부그리고광학신호를검출할수있는검출센서를회전시스템에통합시켜회전을통한원심력으로모든반응을순차적으로제어하였고유전자분석의모든반응을 30 분이내에수행하는데성공하였다. [16] 현장응용을극대화하기위해다중분석시스템으로의확장이진행되고있으며, 앞서언급한등온 PCR 기술과결합한다면, 보다간소하고고효율의유전자분석시스템으로발전할수있을것으로기대하고있다. 결 론 Fig. 10. a) Image of the fully integrated Rotary Genetic Analyzer. b) A disposable plastic PCR microchip. c) A Rotary stage. d) A servo-motor. e) A fluorescence detector. f) A thermal block; top view (top), RTD(middle), film heater (bottom). [16] 복잡한 tube 라인및값비싼외부장치없이, 회전시킬수있는모터와플라스틱재질의원형마이크로디바이스만으로손쉽게구축할수있다. 최근에는 Micro-milling 기술과같은마이크로제작기술의발달로인해플라스틱에유체운송채널, valve 시스템을손쉽게구축할수있고, 회전력의속도및방향과마이크로채널디자인을통해유체의혼합, 분배, 이동을제어할수있다. 또한원형의디스크내에대칭형으로동일한디자인을갖는마이크로채널들을제작할수있어, 한번에동일한반응을동시수행할수있다는장점이있다. 이처럼별도의복잡한장비없이회전력과마이크로채널의디자인을통해서유체의움직임을제어하는원심력구동방식은많은연구진들에게서휴대용현장진단통합유전자분석마이크로시스템을구현하는적합한시스템으로주목을받고있다. 본연구팀에서는이런원심력구동기반시스템을바탕으로현장응답형통합유전자분석시스템을개발해왔다. 그림 10은본연구팀에서개발한원심력기반의샘플전처리, PCR 및광학 앞서살펴본바와같이, 많은연구자들은랩온어칩기술을이용해샘플전처리, PCR, 검출부가하나의칩안에통합된유전자분석마이크로시스템제작에심혈을기울여왔다. 분자진단의요소기술을마이크로시스템에구현시키는것으로부터시작해모든요소기술을통합시키는유전자분석시스템에이르기까지많은연구결과물이보고되었고, 실제로압력, 전기력, 원심력과같은구동력기반의통합형유전자분석시스템은샘플로부터유전자분석을 30분이내에성공적으로수행하였다. 현재이연구분야는성숙기에접어들어미국을중심으로상용화제품이출시되고있으며, 향후더많은제품들이유전자진단분야에주도권을차지하기위한경쟁에돌입할것으로예상된다. 보다진일보된마이크로칩제작의경제성확보, 구동기기의소형화및이동성, 유전자분석의재현성향상을이룬다면, 통합형유전자현장분석시스템시장에서경쟁력우위를확보할수있을것이며, 이러한차세대유전자분석시스템을이용한바이러스조기진단, 헬스자가진단, 법의학, 친자확인, 특용작물분석, 농수산물이력추적등새롭게변화될우리사회의미래상을상상해본다. [16] J. H. Jung et al., in Proceedings 16th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences (μtas 2012), Okinawa, Japan (2012), pp 물리학과첨단기술 SEPTEMBER 2013

Vertical Probe Card Technology Pin Technology 1) Probe Pin Testable Pitch:03 (Matrix) Minimum Pin Length:2.67 High Speed Test Application:Test Socket

Vertical Probe Card for Wafer Test Vertical Probe Card Technology Pin Technology 1) Probe Pin Testable Pitch:03 (Matrix) Minimum Pin Length:2.67 High Speed Test Application:Test Socket Life Time: 500000