Serum albumin is one of abundant serum proteins which block the expression other important biomarkers. The objective of this study is to remove serum albumin effectively by using aqueous two-phase system in microfluidic devices.
Aqueous two-phase extraction is biocompatible and widely used for separation of biomolecules. Partitioning of BSA was observed in aqueous two-phase system by changing molecular weight of polyethylene glycol (PEG) and pH.
Microfluidic devices have several advantages over conventional ones: small consumption of sample, low Reynolds number, fast response time, high aspect ratio area to volume and potential for integration with other devices. These characteristics are suitable for biological researches in which precise control is needed for dealing with limited and expensive samples. In this study, aqueous two-phase system was applied to the microfluidic device for protein separation. Microfluidic devices were fabricated by softlithography and PDMS molding process. Effects of width, baffle, flow rates and electric field were considered for the better BSA extraction efficiency.
본 논문은 혈청 단백질 그 중 다량으로 존재하는 알부민의 효과적인 추출에 관한 연구이다. 각종 바이오 물질들의 추출에 사용되는 수상 이성분계를 택하여 알부민의 분포 특성을 살펴 본 후 이를 마이크로 시스템에 적용하였다.
수성 이상분계 중 비교적 상 분리가 빨리 일어나고, pH 조절이 용이하고 계면장력의 차이가 적은 PEG/potassium phosphate 시스템이 사용되었다. 우선 PEG의 분자량과 pH의 변화에 따른 알부민의 분포 특성을 살펴본 결과, PEG 분자량이 높은 경우, 배제효과의 증가로 인하여 대부분의 알부민은 아래 상에 분포함을 알 수 있었다. 그러나 낮은 분자량을 가지는 PEG의 경우 이러한 배제효과가 미비하며, 알부민과 복합체를 형성하여 대부분의 알부민이 위 상에 분포하였다. 그리고 몇몇 바이오 물질들은 이러한 수성 이상분계에서 시간에 따라 분포 특성이 달라지는 특성을 지닌다. 하지만 BSA의 분포는 시간에 독립적임을 알 수 있었다.
이러한 알부민 분포 특성을 바탕으로 pH 7.0의 PEG 600의 수상 이성분계를 택하여 마이크로 플루이딕 장치에 추출 시스템을 구현하였다. 우선 마이크로 채널의 너비에 따른 추출 효율을 살펴보았다. 너비의 효과만을 고려하기 위해서 머무름 시간은 일정하게 유지되었다. 그 결과 200 μm 에서 가장 좋은 효율을 보였다. 채널 벽에 배플을 제작하여 그 효과를 살펴보았다. 채널 벽에 배플이 있는 경우, 계면의 모양이 물결 모양으로 바뀌었으며 이로 인하여 배플이 없는 경우와 비교할 때 머무름 시간은 동일한 반면, 접촉 시간이 더 길어짐을 알 수 있었다. 또한 배플로 인하여 채널 내의 유속 및 농도 분포가 달라질 것으로 예상되며, 그 결과 추출 효율 또한 증가함을 알 수 있었다.
마지막으로 전기장에 대한 효과를 살펴보았다. 수성 이상분계에 전기장을 걸어 줄 경우 일정 전압 이상에서 물의 전기분해로 인하여 공기 방울이 형성됨을 관찰할 수 있었다. 아래 상에 많이 존재하는 인산 염들이 양극 쪽으로 이동하면서 상대적으로 아래 상이 양극 쪽으로 끌리는 현상 및 높은 전압에서는 상이 매우 불안정해지는 현상도 관찰할 수 있었다. BSA 의 pI 값은 4.7이므로 pH 7.0에서는 음 전하를 띄게 된다. 그 결과 전기장을 걸어주게 되면 BSA의 제거 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 또한 전기장으로 인해 BSA가 계면을 통과하여 위상으로 넘어가게 되면 전기장이 사라지더라도 BSA는 다시 아래상으로 확산되지 않는다. 이러한 특성들을 바탕으로, 마이크로 채널에 전기장을 걸어주어 BSA의 제거 효율을 높일 수 있었다.