In this thesis, a new DNA sample preparation microfluidic chip for Nucleic Acid (NA) probe assay has been proposed and fabricated using photosensitive glass and PDMS. The proposed microfluidic chip is composed of a mixer and a DNA purification chip. We have demonstrated that the fabricated mixer can achieve the mixing successfully for low Reynolds numbers below 50. At a flow rate of 1ml/min, mixing time on 120msec has been demonstrated. The fabricated DNA purification chip has shown a binding capacity of 15ng/㎠ and a minimum extractable input concentration of 100copies/200μL. We have demonstrated that the fabricated microfluidic system can extract and purify DNAs from the sample solution with comparable results to a conventional commercial kit. These characteristics have demonstrated that the proposed microfluidic chip can be applied for low-cost and disposable microsystems for the sample preparation of nucleic acid probe assays.
The NA probe assays typically include PCR to amplify the number of copies of DNA to a detectable level. The PCR technique requires a relatively pure DNA sample in aqueous solution, free of inhibitors during the PCR process. Therefore, the extraction and purification of nucleic acids from biological samples are the critical steps that should be carefully handled in the NA assays. In this thesis, we have proposed a new microfluidic chip to address this sample preparation process for NA probe assays.
The proposed microfluidic system is composed of a micromixer and a DNA purification chip. In the mixer, the biological sample is mixed with lysis reagents to release the DNA into the solution and the lysed solution is mixed with chaotropic salt. In the DNA purification chip, the DNAs in the solution will bind to the exposed $SiO^{2}$ surface at a high concentration of chaotropic salt. Photosensitive glass has been chosen as a binding substrate because its process is simple and inexpensive compare to other alternative technologies such as silicon deep RIE technique.
The proposed mixer has a two-way separated serpentine flow path in order to increase the chaotic advection as well as has the repeated segments to increase the interfacial area by lamination. The micromixer has been fabricated using PDMS. We have tested the mixer by mixing two flows of NaOH and phenolphthalein solution. Phenolphthalein is a pH indicator that changes its color from transparent to red for pH values higher than 8. For the test of three-dimensional mixing, we have used a confocal laser microscope with fluorescence dye (FITC). Confocal laser microscope results are consistent with those of the phenolphthalein test. After five or six mixing sections, two streams were fully mixed.
A DNA purification chip has been designed to maximize the DNA binding surface area on a photosensitive glass substrate. The fabricated glass surface consists of a number of pillars with a height of 200μm. The chip has a total internal surface area of about 2㎠ which will be effectively used as DNA binding sites. We have tested two experiments: high concentration inputs (600ng/200μL) and low concentration inputs (100copies/200μL). For the high concentration sample, the presence of the target DNA can be detected without PCR. For the low concentration input test, PCR must be performed to first amplify a target sequence in order to detect the presence of the target DNA. The binding capacity of the chip is about 15ng/㎠ The fabricated purification chip can extract the DNA from low concentration inputs at (100copies/200μL).
We have fabricated the prototype microfluidic system integrated with a mixer and a DNA purification chip. The Mixer is connected in series with the DNA purification chip by using a silicone tube. We have demonstrated that the fabricated chip can extract and purify DNAs from the sample solution with comparable results to the commercial kit. These characteristics have demonstrated that the proposed microfluidic chip can be applied for low-cost and disposable microsystems for the DNA sample preparation of nucleic acid probe assays.
본 논문에서 유전자 분석방법의 첫번째 단계인 시료 전처리를 위한 새로운 수동 미소 유체칩을 제안하고 제작하였다. 제안한 수동 미소 유체칩은 미소유체 혼합기와 DNA 정제 칩으로 구성되어있으며, 광반응성 유리 (photosensitive glass)와 PDMS를 이용하여 제작하였다. 제안한 수동 미소 유체 칩이 유전자 분석기의 일회용 시료 전처리기에 응용가능함을 보였다.
유전자 분석기는DNA의 농도를 감지기에서 감지 가능할 정도의 농도로 증폭 하기 위해 연쇄중합반응 (PCR) 과정을 일반적으로 포함하고 있다. PCR 공정은 증폭을 저해하는 오염물질이 없어야 하므로 순수한 DNA 시료를 필요로 한다. 그러므로 유전자 분석에 있어서 생물학적 시료로부터 유전자를 추출하고 정제하는 과정은 매우 중요한 과정이라고 할 수 있으며, 유전자 분석기를 하나의 칩으로 구현하기 위해선 꼭 필요한 부분이다. 본 논문에서는 유전자분석기에 있어서 이러한 시료 전처리를 할 수 있는 미세 유체칩을 제안하였다.
제안한 미소 유체칩은 미세유체 혼합기와 DNA 정제칩으로 이루어져있다. 미세 유체 혼합기는 생물학적 샘플에서 DNA를 추출하기 위해 화학적인 방법으로 DNA를 감싸고 있는 막을 파괴하기 위해 사용한다. 혼합기에서 시료 샘플과 lysis 용액을 혼합함으로써 막 내부에 있는DNA가 용액속으로 노출되게 되며, 그 용액은 후속 공정을 위해 chaotropic salt와 혼합을 하게된다. DNA 정제칩에서는 용액내에 존재하는 DNA를 고농도의 chaotropic salt 조건하에서 $SiO^{2}$ 표면에 결합시키고, 나머지 불필요한 물질은 에탄올을 이용하여 세척하게 된다.
제안한 미소유체 혼합기는 두 층으로 형성된 채널로 이루어져 있으며, 유체의 혼합을 향상 시키기 위해 두 가지 과정을 거치게 된다. 우선 첫번째 과정에서 두개의 서로 다른 용액이 대류에 의해 혼합이 되고, 두번째 과정에서는 두 유체의 경계면에서 서로 다른 용액속으로 확산을 이루어 혼합이 이루어진다. 그림과 같이, 제안된 미소 유체 혼합기는 혼동 이류(chaotic advection)가 잘 발생할 수 있도록 두 층으로 분리된 구불구불한 유체 채널을 가지고 있으며, 이러한 분리된 유체 채널이 다시 만나게 되는 구조를 반복함으로써 두 유체간의 경계면의 면적을 증가 시킴으로써 유체의 확산에 의한 혼합을 향상 시킬 수 있게 하였다. 제안한 미소 유체 혼합기는 polydimethysiloxane(PDMS)을 이용해서 제작하였다.
제작된 미소 유체 혼합기의 혼합 성능 실험을 위해 정확한 유량이 조절되는 주사기 펌프를 사용하였으며, 혼합 실험에 사용한 용액은 pH값이 변하면 색깔의 변화를 보이는 phenolphthalein과 NaOH용액이었다. 제작한 미소 유체 혼합기의 3차원적인 혼합성능을 측정하기위해 공초점 레이져 주사 현미경과 형광염료를 이용하였다. 측정결과 pH 지시약을 사용한 실험결과와 일관성있는 결과를 얻었으며, 이러한 실험결과 제작된 유체 혼합기에서 5단 이상이 되면 두 유체가 거의 혼합이 됨을 확인하였다.
DNA를 $SiO^{2}$ 표면에 결합시킴으로써 DNA를 추출하기 위해선 채널내에 DNA가 결합할 수 있는 표면적을 크게 하는 것이 필요한데, 본 논문에서는 DNA를 포함한 용액이 통과하는 채널내에 기둥을 세워서 표면적을 증가시키는 구조를 갖는 DNA 정체칩을 설계하였다. 이러한 구조체를 제작하기위해 photosensitive glass를 사용하였다. photosensitive glass 공정은 3차원 구조물을 제작하는데 일반적으로 사용하는 Deep RIE 공정에 비해 간단한 공정으로 저가의 일회용 소자를 제작하는데 적합하다고 할 수 있다. 커버는 PDMS를 이용하여 제작하였다.
제작된 칩의 테스트는 미세유량조절이 가능한 주사펌프기와 실리콘 관을 사용하였으며, 시약은 실리콘 관에 DNA/salt 혼합액, 세척액, elution 용액 순으로 로딩하였고 각각의 용액 사이는 공기를 채워서 혼합되는 것을 방지하였다. 제작된 칩의 테스트는 시료의 DNA의 농도를 고농도의 경우(600ng/200μL)와 저농도의 경우(100copies/200μL)의 두 가지 조건에 대해 수행하였으며, 저농도의 경우에는 gel electrophoresis 전에 연쇄중합반응(PCR)을 통해 증폭을 실시하였다. 실험결과 제작된 칩의 DNA 결합 용량(binding capacity)은 15ng/㎠ 의 결과를 얻었으며, 제작된 DNA 정제칩을 이용하여 시료의 초기 농도가 100copies/200μL (5pg/200μL) 정도의 낮은 레벨까지 DNA를 정제해 낼 수 있었다.
제작된 미소 유체 혼합기와 DNA 정제칩을 실리콘 관으로 연결한 미소유체칩을 제작하여 DNA 추출과 정제과정을 테스트하였다. 제작된 칩으로 DNA와 그 이외의 물질이 포함된 시료에서 성공적으로 DNA를 정제할 수 있음을 확인하였으며, 상용 칩과 비교하여 비슷한 수준의 성능을 보임을 확인하였다. 이러한 특성들은 제안한 미소 유체 칩이 유전자 분석을 위한 저가이며 일회용 DNA 시료 전처리용 시스템으로 응용 가능함을 보여준다고 할 수 있다.
