KR20220133563A - 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예는 고품위값의 공명모드 또는 예외점 모드가 발진하는 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서로서, 센서 카트리지; 상기 센서 카트리지 상에 배치되는 다수 개의 마이크로 디스크; 상기 센서 카트리지의 노출된 상면 및 상기 마이크로 디스크의 상면에 코팅되는 바인딩 방지층; 상기 마이크로 디스크의 측면에 형성되는 아민화 단분자막; 및 상기 아민화 단분자막 상에 형성되고 생물학적 탐침(probe)을 포함하는 프로브 고분자막을 포함할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 타겟 바이오 분자가 센서 카트리지 바닥이나 마이크로 디스크의 상부 또는 마이크로 디스크 레이저 상부와 바인딩하지 않고, 마이크로 디스크의 측면 또는 마이크로 디스크 레이저의 측면에만 바인딩되어 타겟 바이오 분자의 손실 없이 효율적으로 검출이 가능하다.

Description

마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법{Bio sensor comprising microdisk and method for manufacturing the same}
본 발명의 다양한 실시예는 마이크로 디스크 또는 마이크로 디스크 레이저를 포함하는 바이오 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하게는, 마이크로 디스크 또는 마이크로 디스크 레이저의 측면부에만 타겟 바이오 분자가 바인딩(binding)되어 검출 효율이 극대화된 바이오 센서 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 급성 전염병인 코로나 바이러스의 감염을 검출하기 위해 PCR (polymerase chain reaction) 방법이 이용되고 있다. PCR의 경우 검진의 정확성을 높이기 위해 많은 시간이 요구된다. 신속 PCR을 이용한다고 해도 3~6시간의 시간이 필요하다. 최근 real time PCR은 타액에서의 코로나 바이러스를 검출하는 것을 목표로 개발 중인데 약 1시간의 검출시간과 5~10%의 오차가 있다. 이런 오차로 인해 한계가 있을 뿐 아니라, PCR에 이용되는 화합물, 재료 등과 전문가 투입 등으로 인해 한번의 검사에 투입되는 비용이 상당하다.
한편, 최근 whispering gallery mode (WGM)을 이용한 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저를 이용한 바이오 센서가 개발되고 있고, 마이크로 디스크 혹은 마이크로 디스크 레이저에서 발생하는 EP (exceptional point)를 이용한 바이오 센서들이 개발되고 있다. 이러한 새로운 바이오 센서는 민감도가 극도로 높아 PCR 없이 극미량의 바이오 분자들을 검출할 수 있어 미래의 극민감도 바이오 센서로 각광받고 있다.
그러나 이런 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저를 이용한 바이오센서는 센서 카트리지 위에 바이오 분자를 검출할 수 있는 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저가 탑재되어 있는데 실용화를 위해서는 미세유체칩 (microfluidic)을 통해 바이오 분자를 용액과 함께 흘러주어야 한다. 이 경우 센서 카트리지 위를 바이오 분자가 포함된 유체가 흘러가게 되는데, 바이오 분자가 센서 카트리지의 바닥이나 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저의 상부면에 바인딩되면 측정할 수 있는 바이오 분자량이 급격히 줄어 센서로서 문제가 발생한다.
한편, 바이오 분자의 검출을 위해서는 표면을 아민화(amination)시켜야 하는데 아민화는 전체 카트리지에 시킬 수는 있으나 센서 부위에만 국부적으로 아민화시키는 것은 불가능하다. 만약 센서 근처에 국부적으로 아민화시킨다 하더라도 그 영역이 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저 센서의 범위를 크게 넘어가 바이오 분자의 손실이 불가피하고 SiO2 혹은 TiO2와 같은 산화물 상태의 물질은 바이오 분자와 결합을 일으키기도 한다. 따라서, 바이오 분자의 손실을 최소화 시키지 않으면 극고감도 바이오 센서를 구현하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 타겟 바이오 분자가 센서 카트리지 바닥이나 마이크로 디스크의 상부 또는 마이크로 디스크 레이저 상부와 바인딩하지 않고, 마이크로 디스크의 측면 또는 마이크로 디스크 레이저의 측면에만 바인딩되어 타겟 바이오 분자의 손실 없이 효율적으로 검출이 가능한 극고감도 바이오 센서 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다양한 실시예는 고품위값의 공명모드 또는 예외점 모드가 발진하는 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서로서, 센서 카트리지; 상기 센서 카트리지 상에 배치되는 다수 개의 마이크로 디스크; 상기 센서 카트리지의 노출된 상면 및 상기 마이크로 디스크의 상면에 코팅되는 바인딩 방지층; 상기 마이크로 디스크의 측면에 형성되는 아민화 단분자막; 및 상기 아민화 단분자막 상에 형성되고 생물학적 탐침(probe)을 포함하는 프로브 고분자막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 바인딩 방지층은 아민화되지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 바인딩 방지층은 질화물 및 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 마이크로 디스크가 산화물을 포함하지 않는 경우, 상기 마이크로 디스크의 측면에 산화물 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 아민화 단분자막 상에 형성되고, 프로브를 고정화하기 위한 링커를 포함하는 링커층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서의 제조 방법은, 다수 개의 마이크로 디스크가 탑재된 센서 카트리지를 준비하는 단계; 상기 센서 카트리지의 노출된 상면 및 상기 마이크로 디스크의 상면에 바인딩 방지층을 코팅하는 단계; 상기 마이크로 디스크의 측면을 아민화하여 아민화 단분자막을 형성하는 단계; 및 상기 아민화 단분자막 상에 생물학적 탐침을 포함하는 프로브 고분자막을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 바인딩 방지층을 코팅하는 단계는, 질화물 및 금속 중 적어도 어느 하나를 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 파형 레이저 증착법 및 분자 빔 에피탁시로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법으로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 프로브 고분자막을 형성하는 단계는, 아민화 단분자막 상에 프로브를 UV 가교(UV-cross linking)로 결합하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 프로브 고분자막을 형성하는 단계는, 상기 아민화 단분자막 상에 프로브를 링커를 이용하여 고정화하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서 및 이의 제조 방법을 통해, 타겟 바이오 분자가 센서 카트리지 바닥이나 마이크로 디스크의 상부 또는 마이크로 디스크 레이저 상부와 바인딩하지 않고, 마이크로 디스크의 측면 또는 마이크로 디스크 레이저의 측면에만 바인딩되므로 타겟 바이오 분자의 손실 없이 효율적으로 검출이 가능하다. 따라서, 극미량의 타겟 바이오 분자를 검출할 수 있어 극고감도 바이오 센서를 구현할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서는 코로나 바이러스와 같은 급성 바이러스의 검출이 실시간 가능해질 뿐만 아니라 최근에 개발되고 혈액을 채취하여 질병을 진단하는 액체 생검(liquid biopsy)에서도 유용하게 사용될 수 있다. 혈액 내에는 검출 해야 할 표적 분자의 양이 아주 적은데, (예를 들면, 혈액 속에 있는 순환 암 세포의 경우 7.5 mL(밀리 리터)당 10 개 이내이다.) 이런 적은 양 때문에 혈액을 채취해도 표적 바이오 분자의 손실이 발생하면 때에 따라서는 검출을 못할 수도 있다는 문제가 있으나, 본 발명의 바이오 센서를 이용할 경우 타겟 바이오 분자의 손실이 최소화되므로 효율적이고 정밀한 검출이 가능하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서 및 이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서의 동작방법을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바이오 센서는, 센서 카트리지(200), 마이크로 디스크(100), 바인딩 방지층(300, 400), 아민화 단분자막(120) 및 프로브 고분자막(140)을 포함할 수 있다. 한편, 이하 설명에서 “마이크로 디스크”는 “마이크로 디스크 또는 마이크로 디스크 레이저”를 모두 포함하는 개념으로 설명한다.
센서 카트리지(200)는 다수 개의 마이크로 디스크(100)가 탑재되는 기재이다.
이러한 센서 카트리지(200) 상에 다수 개의 마이크로 디스크(100)가 배치될 수 있다. 마이크로 디스크(100)는 고품위값의 휘스퍼링 갤러리 모드, 주기궤도의 공명모드를 가지거나, 또는 복수개의 공명모드가 융합된 예외점(Exceptional Point) 모드를 가질 수 있다.
예를 들면, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박된 휘스퍼링 갤러리 모드는 고 품위값을 가질 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 일면에 광 또는 전류가 공급되어 마이크로 디스크(100)가 여기됨에 따라, 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드가 마이크로 디스크(100)의 가장자리를 따라 형성될 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 가장자리에 속박되는 휘스퍼링 갤러리 모드의 품위값인 Q 값은 104 이상으로, 높은 품위값을 가질 수 있다.
마이크로 디스크(100)는, 예를 들면, 변형된 원형, 4개의 원호로 이루어진 형상, 3개의 원과 하나의 직선으로 이루어진 형상, 달걀형 등의 타원 형상, 심장형과 원호가 결합된 형상, 찌그러진 타원 등 적분 불가능한 형상을 가질 수 있다. 상기 적분 불가능한 형상은 2차원에서 헬름홀츠(Helmholtz) 식을 변수 분리하여, 해석적으로 내부의 파동 함수를 구할 수 없는 형상을 의미한다. 상기 전술한 형상을 가지는 마이크로 디스크(100)를 이용한 마이크로 디스크 레이저는, 공명모드를 발진시킬 수 있으며, 상기 형상을 가지는 마이크로 디스크(100)는 복수개의 공명모드가 융합하여 예외점 모드가 발진될 수 있다.
한편, 센서 카트리지(200)에서 노출된 상면 및 마이크로 디스크(100)의 상면 각각은 바인딩 방지층(300, 400)으로 코팅될 수 있다. 즉, 센서 카트리지(200)에서 노출된 상면은 제1 바인딩 방지층(300)으로 코팅되고, 마이크로 디스크(100)의 상면은 제2 바인딩 방지층(400)으로 코팅될 수 있다. 바인딩 방지층(300, 400)은 아민화되지 않을 수 있다. 이를 통해 바인딩 방지층(300, 400)에는 타겟 바이오 분자가 바인딩(binding)되지 않을 수 있다.
구체적으로, 바인딩 방지층(300, 400)은 질화물 및 금속 중 적어도 어느 하나를 포함함으로써, 아민화가 불가능할 수 있고, 타겟 바이오 분자와는 반응하지 않을 수 있다. 예를 들면, 바인딩 방지층(300, 400)이 질화물을 포함할 경우, Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
바인딩 방지층(300, 400)은 질화물 또는 금속을 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 파형 레이저 증착법 또는 분자 빔 에피탁시법으로 코팅하여 형성될 수 있다. 바람직하게는, 바인딩 방지층(300, 400)은 질화물 또는 금속을 스퍼터링 또는 파형 레이저 증착법으로 증착하여 형성될 수 있다. 이때, 질화물 또는 금속 분자가 비상하거나 이동할 때 분자의 이동 방향과 수직인 면은 증착이 쉽게 되나, 분자의 이동 방향과 수평인 면은 증착이 쉽게 되지 않는다. 두껍게 증착할 경우 분자의 이동 방향과 수평인 면도 증착이 일부 일어날 수 있으나, 얇은 박막으로 증착할 경우 분자의 이동 방향에 수평인 면은 증착이 거의 일어나지 않는다. 따라서, 분자의 이동 방향과 수직인 면을 500 nm 이하의 두께로 증착시키면 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저의 측면은 증착이 일어나지 않는다. 따라서, 이러한 측면에 산화물의 아민화를 통해 다양한 생물학적 탐침(probe, 프로브)을 고정화할 수 있다. 한편, 바인딩 방지층(300, 400)이 질화물을 포함할 경우, 질화물의 특성으로 인하여 타겟 바이오 분자가 질화물과는 반응하지 않으므로 타겟 바이오 분자의 손실을 극소화시킬 수 있다.
마이크로 디스크(100)의 측면에는 아민화 단분자막(120)이 배치될 수 있다. 이때, 마이크로 디스크(100)는 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 측면은 이러한 산화물이 아민화(amination)되어 아민화 단분자막(120)이 형성될 수 있다.
이때, 마이크로 디스크(100) 측면의 산화물을 아민계 화합물을 이용하여 아민화시킬 수 있다. 예를 들면, 아민계 화합물은 APTES((3-Aminopropyl)triethoxysilane) 또는 AEAPMDMS(N(beta-aminoethyl)gamma-aminopropylmethyldimethoxysilane)일수 있다. 이러한 아민계 화합물을 포함하는 용액을 이용하여 마이크로 디스크(100) 측면의 표면을 아민기로 개질할 수 있다.
이러한 아민화 단분자막(120) 상에 프로브 고분자막(140)이 형성될 수 있다. 프로브 고분자막(140)에는 검출하고자 하는 타겟 바이오 분자가 바인딩될 수 있다. 즉, 센서 카트리지(200)에서 노출된 상면 및 마이크로 디스크(100)의 상면에는 타겟 바이오 분자가 바인딩되지 않고, 마이크로 디스크(100)의 측면에만 타겟 바이오 분자가 바인딩 됨으로써, 타겟 바이오 분자의 손실을 최소화할 수 있고, 검출 효율을 높일 수 있으며 극고감도 바이오 센서를 구현할 수 있다.
프로브 고분자막(140)은 다양한 생물학적 탐침(probe)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 생물학적 탐침은 DNA, RNA, 뉴클레오티드, 뉴클레오시드, 단백질, 폴리펩티드, 펩티드, 아미노산, 탄수화물, 효소, 항체, 항원, 수용체, 바이러스, 기질, 리간드 및 멤브레인 또는 그의 조합일 수 있다. 즉, 아민화 단분자막(120)에 이러한 생물학적 탐침이 형성될 수 있다. 한편, 타겟 바이오 분자는 검출 대상 물질로서, 생물학적 탐침과 특이적으로 결합하는 물질일 수 있다. 타겟 바이오 분자는 예를 들면, 펩티드(예를 들어, 호르몬)와 같은 항원, 햅텐, 탄수화물, 단백질(예를 들어, 효소), 약물, 농약, 미생물, 항체, 및 상보적인 서열과 서열 특이적 혼성화 반응에 참여할 수 있는 핵산 또는 그의 조합일 수 있다. 예를 들면, 프로브 고분자막(140)이 항체를 포함할 경우, 바이러스 또는 세균의 항원이 항체와 결합하게 되어 이를 검출할 수 있다. 프로브 고분자막(140)이 핵산을 포함할 경우, 바이러스 또는 세균의 핵산과 결합하게 되어 이를 검출할 수 있다.
프로브 고분자막(140)은 아민화 단분자막(120) 상에 물리적으로 흡착되거나 화학적으로 결합되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 프로브 고분자막(140)은 아민화 단분자막(120)에 UV 가교(UV-cross linking)의 방법을 통해 형성될 수 있다. 즉, 생물학적 탐침은 아민화 단분자막(120)에 UV-cross linking의 방법을 통해 고정화될 수 있다. 예를 들면, 자외선을 조사하여 핵산을 아민화 단분자막(120)에 결합시킬 수 있다. 또는, 프로브 고분자막(140)은 생물학적 탐침을 포함하는 용액을 아민화 단분자막(120) 상에 스핀 코팅, 딥 코팅, 또는 스프레이 코팅 방식으로 코팅함으로써 형성될 수 있다.
이러한 바이오 센서는 바이오 센서를 구성하는 단일 방향 발진 고품위값 마이크로 디스크의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 소정의 물질을 검출(또는 감지)할 수 있다. 이때 파장의 변화는 파장의 이동 혹은 파장의 분리를 측정한다. 구체적으로, 마이크로 디스크의 측면에 검출 대상인 타겟 바이오 분자가 항체 또는 핵산과 결합 시 일어나는 파장의 변이를 측정함으로써, 타겟 바이오 분자를 검출할 수 있다.
예를 들면, 항체를 고정화한 후의 파장의 값을 알고 있으면 항원이 항체와 결합할 때 파장의 변이를 측정함으로써 이를 검출할 수 있다. 구체적으로, 유체에 항원이 없을 때의 파장을 측정한 후 항원-항체 반응이 일어날 때 발생하는 파장의 변이를 측정한다. 이러한 측정은 모든 마이크로 디스크 레이저에서 측정하며, 항원-항체 반응이 없는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생하지 않지만, 항원-항체 반응이 일어나는 마이크로 디스크 레이저는 파장의 변이가 발생될 수 있다. 다시 말해서, 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이를 측정함으로써 특정의 예컨대, 검출 대상 질병을 진단(감지)할 수 있다. 항원과 항체는 선택성이 있으므로 다양한 종류의 항체를 붙인 후 각각의 항체와 결합할 때의 파장의 변이를 측정하면 항원이 결합했는지 여부를 확인할 수 있으므로 질병 등을 정확하게 진단할 수 있다.
또한 핵산을 고정화한 후의 파장의 값을 알고 있으면 핵산끼리 결합할 때 파장의 변이를 측정함으로써 이를 검출할 수 있다. 구체적으로, 인공적으로 합성한 특정 세균 혹은 바이러스의 고유 서열의 핵산을 고정화한 후 레이저 발진 파장을 측정하고 이 후 바이러스 혹은 세균의 핵산이 상기 인공적으로 합성한 복수개의 핵산에서 어느 특정한 핵산에 대하여 파장 변이가 생기면 바이러스 혹은 세균이 존재하는 것이므로 이러한 파장 변이 등을 이용하여 질병을 진단할 수 있다. 다시 말해서, 핵산의 염기는 서로 상응하는 염기(예컨대, A는 T, G는 C)와 수소 결합을 형성하기 때문에 상보적인 핵산 서열만 반응하여 결합하게 되고, 이에 따라 결합된 핵산들에서만 파장의 변이가 발생한다.
이러한 마이크로 디스크를 통하여 발진하는 파장 값의 변화를 또 다른 마이크로 디스크에서 발진하는 파장, 또는 또 다른 고품위값 레이저에서 발진하는 파장과의 광 비팅을 통하여 측정할 수 있다.
바이오 센서의 마이크로 디스크는 여기 장치를 가지고 있어 방향성을 갖는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드를 발진시키고, 바이오 센서에는 이러한 마이크로 디스크를 이용한 마이크로 디스크 레이저가 포함될 수 있다.
마이크로 디스크 레이저는 공진기 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역을 광 또는 전류로 여기될 수 있다.
한편, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 항체가 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 항원-항체 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 항원인 소정의 타겟 바이오 분자가 검출될 수 있다.
또한, 바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들에는 각각 상이한 핵산이 부착되어 있으며, 각각의 마이크로 디스크에서의 핵산 간 반응 시의 파장의 변이 정도에 기초하여 검출 대상 핵산인 소정의 타겟 바이오 분자가 검출될 수 있다.
소정의 타겟 바이오 분자는 각각 상이한 항체와의 반응에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다.
또한, 소정의 타겟 바이오 분자는 각각 상이한 핵산에 검출 대상 핵산이 부착되는 정도에 따른 파장의 변이 정도를 나타낸 룩업 테이블(lookup table)이 이용되어 검출될 수 있다.
바이오 센서에는 복수개의 마이크로 디스크들이 포함될 수 있고, 복수개의 마이크로 디스크들의 일부에는 항체가 부착되어 있고, 나머지에는 핵산이 부착될 수 있다. 따라서, 항원-항체 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 항체에 항원이 결합되었는지 여부가 감지되고, 핵산간 반응에 의한 마이크로 디스크에서의 파장의 변화에 따라 핵산에 검출 대상 핵산이 결합되었는지 여부가 감지될 수 있다. 이를 통해, 항원의 결합 여부 및 핵산의 결합 여부가 동시에 감지될 수 있다.
또한, 마이크로 디스크에 부착된 항체와의 항원-항체 반응에 의한 파장의 변이 정도 또는 마이크로 디스크에 부착된 핵산과의 핵산간 반응에 의한 파장의 변이 정도에 대한 미리 결정된 데이터에 기초하여 검출 대상 바이오 물질이 검출될 수 있고, 이러한 데이터는 함수 또는 그래프 형태일 수 있다.
마이크로 디스크는 혼돈 공진기에서 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 높은 품위값을 가지는 마이크로 디스크일 수 있다. 이러한 마이크로 디스크는 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드가 한쪽 방향의 발진의 세기가 다른 쪽 방향의 발진보다도 더 강한 단일 방향성을 가지고 발진하는 마이크로 디스크일 수 있다.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 빛의 입사각에 sine 함수를 취한 값이 0.6 보다 큰 경계면에 속박된 형태의 모드일 수 있다.
또한, 휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 임계 불안정 궤도(mariginally unstable periodic orbit)에 속박된 모드일 수 있다.
휘스퍼링 갤러리 형태의 모드는, 마이크로 디스크 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 안정 궤도에 속박된 모드이거나, 공진기의 내부에서 빛의 진행이 혼돈을 보이는 Birkhoff 좌표계에서 공진기의 경계면의 입사각이 임계각 보다 큰 영역에 존재하는 불안정 궤도에 속박된 모드일 수 있다.
이상 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서는 코로나 바이러스와 같은 급성 바이러스의 검출이 실시간 가능해질 뿐만 아니라 최근에 개발되고 혈액을 채취하여 질병을 진단하는 액체 생검(liquid biopsy)에서도 유용하게 사용될 수 있다. 혈액 내에는 검출 해야 할 표적 분자의 양이 아주 적은데, (예를 들면, 혈액 속에 있는 순환 암 세포의 경우 7.5 mL(밀리 리터)당 10 개 이내이다.) 이런 적은 양 때문에 혈액을 채취해도 표적 바이오 분자의 손실이 발생하면 때에 따라서는 검출을 못할 수도 있다는 문제가 있으나, 본 발명의 바이오 센서를 이용할 경우 타겟 바이오 분자의 손실이 최소화되므로 효율적인 검출이 가능하다.
도 2는 다른 실시예에 따른 바이오 센서의 모식도이다. 앞서 설명한 내용과 동일 또는 유사한 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2를 참고하면, 마이크로 디스크(100)는 산화물이 아닌 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 마이크로 디스크(100)는 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 반도체는 III-V족의 반도체 물질일 수 있으며, III-V족의 반도체 물질은 GaAs계열, InGaAsP, GaN계열 등일 수 있다. 또한, 고체 매질은 Nd:YAG, Nd:Glass, NdYVO4, Sapphire에 불순물이 도핑된 매질, 루비 등 다양한 고체 레이저 매질 등일 수 있다. 색소가 첨가된 고분자는, 예를 들면, Rhodamine 6G, Rhodamine B 등 수많은 색소를 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 등 수많은 고분자에 첨가하여 만들어진 고분자일 수 있다. 다만, 전술한 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류는 설명을 위한 예시일 뿐, 반도체, 고체 매질 또는 색소가 첨가된 고분자의 종류를 한정하기 위한 것은 아니다.
이때, 마이크로 디스크(100)의 측면은 산화물 코팅층(110)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 마이크로 디스크(100)의 측면에 이러한 산화물을 패시베이션 (passivation)하여 코팅할 수 있다.
이러한 산화물 코팅층(110)의 산화물이 아민화(amination)되어 아민화 단분자막(120)이 형성될 수 있다. 이후, 아민화 단분자막(120) 상에 프로브 고분자막(140)이 고정화될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 바이오 센서의 모식도이다. 앞서 설명한 내용과 동일 또는 유사한 내용에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 3을 참고하면, 바이오 센서는 아민화 단분자막(120) 상에 링커층(130)을 더 포함할 수 있다. 링커층(130)은 생물학적 탐침을 고정시키기 위한 링커를 포함할 수 있다. 구체적으로, 링커는 생물학적 탐침을 마이크로 디스크(100)의 측면에 고정화시킬 수 있다. 즉, 링커를 통해 항체 또는 핵산 등의 생물학적 탐침이 마이크로 디스크(100)의 측면에 화학적 또는 물리적으로 결합을 형성할 수 있다. 예를 들면, 링커는 비오틴, 아비딘, 스트렙트아비딘, 탄수화물, 폴리 L-리신, 수산화기, 티올기, 아민기, 알코올기, 카르복실기, 아미노기, 설퍼기, 알데히드기, 카르보닐기, 숙신이미드기, 말레이미드기, 에폭시기, 및 이소티오시아네이트기를 갖는 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 바이오 센서의 동작방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 바이오 센서에 타겟 바이오 분자(T)를 포함하는 유체를 흘려줄 경우 바인딩 방지층(300, 400)이 형성된 센서 카트리지(200)의 상면 및 마이크로 디스크(100)의 상면에는 타겟 바이오 분자(T)가 바인딩되지 않고, 마이크로 디스크(100)의 측면에만 타겟 바이오 분자(T)가 바인딩될 수 있다. 즉, 마이크로 디스크(100) 측면의 생물학적 탐침에 타겟 바이오 분자(T)가 선택적으로 결합됨에 따라, 마이크로 디스크, 마이크로 디스크 레이저의 공명모드에서 발생되는 파장의 변화를 측정함으로써 이러한 타겟 바이오 분자(T)를 감지해낼 수 있다.
따라서, 저농도의 시료에서도 타겟 바이오 분자(T)를 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 타겟 바이오 분자(T)의 종류 및 농도를 정밀하게 측정할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 마이크로 디스크
200: 센서 카트리지
300, 400: 바인딩 방지층
120: 아민화 단분자막
140: 프로브 고분자막
110: 산화물 코팅층
130: 링커층

Claims (11)

  1. 고품위값의 공명모드 또는 예외점 모드가 발진하는 마이크로 디스크를 포함하는 바이오 센서로서,
    센서 카트리지;
    상기 센서 카트리지 상에 배치되는 다수 개의 마이크로 디스크;
    상기 센서 카트리지의 노출된 상면 및 상기 마이크로 디스크의 상면에 코팅되는 바인딩 방지층;
    상기 마이크로 디스크의 측면에 형성되는 아민화 단분자막; 및
    상기 아민화 단분자막 상에 형성되고 생물학적 탐침(probe)을 포함하는 프로브 고분자막을 포함하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바인딩 방지층은 아민화되지 않는 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바인딩 방지층은 질화물 및 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 질화물은 Li3N, Na3N, K3N, Mg3N2, Be3N2, Ca3N2, Sr3N2, ScN, Fe2N, Cu3N, Zn3N2, (CN)2. S4N4, Se4N4 , GaN 및 SiN로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 디스크가 산화물을 포함하지 않는 경우,
    상기 마이크로 디스크의 측면에 산화물 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화물은 TiO2, MgO, K2O, Al2O3, Li2O, Na2O, Rb2O, Cs2O, BeO, CaO, SrO, BaO, B2O3, Ga2O3, In2O3, Ti2O3, SiO2, GeO2, SnO2, PbO2, P4O10, As2O5, Sb2O5, Bi2O5, SeO3, TeO3, PoO3, I2O7 및 At2O7 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 아민화 단분자막 상에 형성되고, 프로브를 고정화하기 위한 링커를 포함하는 링커층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 디스크를 이용한 바이오 센서.
  8. 다수 개의 마이크로 디스크가 탑재된 센서 카트리지를 준비하는 단계;
    상기 센서 카트리지의 노출된 상면 및 상기 마이크로 디스크의 상면에 바인딩 방지층을 코팅하는 단계;
    상기 마이크로 디스크의 측면을 아민화하여 아민화 단분자막을 형성하는 단계; 및
    상기 아민화 단분자막 상에 생물학적 탐침을 포함하는 프로브 고분자막을 형성하는 단계를 포함하는 바이오 센서의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바인딩 방지층을 코팅하는 단계는,
    질화물 및 금속 중 적어도 어느 하나를 스퍼터링, 화학 기상 증착법, 파형 레이저 증착법 및 분자 빔 에피탁시로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 방법으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 프로브 고분자막을 형성하는 단계는, 상기 아민화 단분자막 상에 프로브를 UV 가교(UV-cross linking)로 결합하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 프로브 고분자막을 형성하는 단계는, 상기 아민화 단분자막 상에 프로브를 링커를 이용하여 고정화하는 것을 특징으로 하는 바이오 센서의 제조 방법.
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