KR100294678B1 - 전기전도도 측정식 면역센서 - Google Patents

Abstract

항원-항체의 면역 반응 결과를 전기전도도 측정을 통하여 감지하는 전기전도도 측정식 면역센서에 관한 것으로, 기판상에 형성되는 제 1, 제 2 IDA(Interdigitated array) 전극과, 제 1, 제 2 IDA 전극상에 고정되는 항체층과, 항체층 이외의 영역에 형성되는 절연층으로 구성되고, 박막의 IDA 전극 또는 후막 제작된 IDA 전극으로 이루어진 이전극계(2-electrode system)를 사용하여 전도도를 측정하며, 면역분석법의 표지 물질(label)로 가격이 저렴한 유리에이즈(uriase) 또는 굴루코스 산화효소(glucose acid oxidase)를 사용함으로써, 기존과 같이 기준전극의 불안정에 의한 신호의 불안정 문제를 해결할 수 있어 정확한 분석이 가능하고, 가격이 저렴하다.

Description

전기전도도 측정식 면역센서{Conductometric Immunosensor}

본 발명은 면역센서에 관한 것으로, 특히 항원-항체의 면역 반응 결과를 전기전도도 측정을 통하여 감지하는 전기전도도 측정식 면역센서에 관한 것이다.

최근에 임상학적으로 중요한 물질 및 유해 환경 물질을 측정하기 위한 면역분석법에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.

항원-항체(antigen-antibody) 반응을 이용하는 면역분석법은 감지반응이 고도의 특이성(specificity)과 강한 결합력으로 이루어지는 항원-항체 결합 반응에 기초하고 있어 매우 낮은 농도로 존재하는 생리 활성 물질을 분석하는데 있어 여타의 분석 방법들보다 훨씬 선택성과 감도가 우수한 특성을 가지고 있다.

가장 많이 사용되고 있는 기존의 면역 분석법인 효소면역측정법(Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay ; ELISA)은 대부분의 경우 항원-항체 결합 반응을 발색 반응을 통해 분광학적인 기기를 이용하여 검출한다.

그러나, 이러한 방법은 분광학적인 방법을 사용하므로 측정시스템이 복잡하고 그에 소요되는 비용이 비싼 단점이 있다(Anderson, G.P.et al., IEEE Trans. Biomed. Eng., 1994, 41, 578-584).

또한, 압전 소자 위에 항체를 고정하고 이것이 대상 물질(항원)과 결합될 때, 유발되는 질량변화를 전기적 신호로 바꾸는 방법(Konig.B.et al., Anal.Chem., 1994, 66, 341-344)이 있으나 이들은 수용액에서 측정대상 물질이 아닌 비특성(non-specific) 물질에 대해서도 신호가 나타날 가능성이 있는 등 신호간섭 문제를 지니고 있다.

금속과 액체 계면에서 발생하는 표면 플라즈마 공명(surface plasmon resonance)현상이 금속 위에 고정된 항체와 분석대상 물질(항원)의 결합에 의해 변화되는 것을 감지하는 방법(Severs, A.M. et al., Biosensors & Bioelectronics, 1993,8. 365-370)도 또한 시스템이 복잡하고 분석비용이 비싼 단점이 있다.

최근 많은 개발이 이루어지고 있는 전기화학적 방법을 이용한 면역분석법은 분광학적방법등 여타 방법에 비해 시스템이 간단하여 저렴한 가격으로 센서와 시스템을 제작할 수 있다(Sadik, O.A.et al., Biosensors & Bioelectronics, 1996, 11. i-xi).

이러한 전기화학적 면역분석법의 대부분은 전압전류법(voltammetry)을 이용하는데, 이에는 3전극계 시스템(3-electrode system)이 요구되며 특히 안정화된 기준전극(reference electrode)이 필요하다.

그러나, 기준전극은 쉽게 불안정해지는 문제점을 지니고 있어 전압의 변화로 인한 신호의 변화가 일어날 수 있다.

따라서 기준전극이 필요 없는 전기화학식 면역센서의 개발이 요망된다.

또한, 전기화학식 면역센서에서 주로 사용하는 알카린 포스파타아제(alkaline phosphatase)의 경우 효소의 가격이 매우 비싸므로 이보다 더 저렴한 효소를 표지물질로 사용할 수 있는 면역센서의 개발이 요망된다.

본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위한 것으로, 항원-항체의 면역 반응 결과를 전기 전도도 측정을 통해 신속하고 정확하게 분석이 가능한 전기전도도측정식 면역센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 전기전도도 측정식 면역센서를 보여주는 평면도 및 사시도

도 3은 본 발명의 패키지된 면역센서를 보여주는 도면

도 4는 본 발명에 따른 면역센서를 사용한 전기전도도 측정장치를 보여주는 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1,11 : 기판 2,12,24 : 연결패드

3,13 : IDA 전극 4,14 : 항체층

5,15 : 절연층

22 : 은 페이스트 23 : 플라스틱회로기판

31 : 면역센서 32 : 측정 용기

33 : 포스페이트 완충용액 34 : 자석 교반용 막대

35 : 자석 교반기 36 : 전도도 측정기

37 : 컴퓨터

본 발명에 따른 전기전도도 측정식 면역센서의 특징은 기판과, 기판상에 형성되는 제 1, 제 2 IDA(Interdigitated array) 전극과, 제 1, 제 2 IDA 전극상에 고정되는 항체층과, 항체층 이외의 영역에 형성되는 절연층으로 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 특징은 박막(thin-film)의 인터디지테이티드 어레이(Interdigitated array ; IDA) 전극 또는 후막(thick-film) 제작된 IDA 전극으로 이루어진 이전극계(2-electrode system)를 사용하여 전도도를 측정하는데 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 면역분석법의 표지 물질(label)로 가격이 저렴한 유리에이즈(uriase) 또는 글루코스 산화효소(glucose acid oxidase)를 사용하는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 전기전도도 측정식 면역센서 및 이를 이용한 면역 분석의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 면역센서의 전도도 측정에 사용한 인터디지테이티드 어레이 전극(Interdigitated array electrode, IDA)의 평면도로서, 일반적인 박막 제조 공정을 이용하여 제작한 것이다.

박막 제작된 IDA 전극의 기판(1)으로는 실리콘 웨이퍼(silicon wafer) 또는 보로실리케이트(borosilicate) 유리기판을 이용한다.

이 기판(1)위에 상압 화학증착법(chemical vapor deposition ; CVD)을 이용하여 절연층인 포스포실리케이트(phosphosilicate)를 약 6000Å두께로 증착시킨다.

그리고, 전자빔(electron beam)을 이용하여 금(gold) 또는 백금(platinum)을 약 1000Å두께로 증착시키고 패터닝하여 도 1과 같은 모양으로 IDA 전극(3)을 제작한다.

이렇게 제작된 면역센서는 도 1에 도시된 바와 같이 금 또는 백금으로 증착된 연결 패드(Connection pad)(2)와, IDA 전극(3)의 제 1 전극으로 연결 패드(2)의 한쪽 말단 부분에 연결된 50개의 밴드 전극 어레이(band electrode array)와, IDA 전극(3)의 제 2 전극으로 다른 한쪽 연결 패드(2)의 한쪽 말단 부분에 연결된 또 다른 50개의 밴드 전극 어레이와, 이 IDA 전극(3) 위에 고정된 항체층(immoblilized antibody layer)(4)과, 그리고 항체층(4) 이외의 나머지 부분을 절연물질인 에폭시 레진(epoxy resin)으로 도포한 절연층(5) 등으로 구성되어 있다.

이 때, 이들 50쌍의 밴드 전극의 선폭은 10㎛이며 전극간의 거리 또한 10㎛이다.

그리고, 도 2는 면역센서의 전도도 측정에 사용한 인터디지테이티드 어레이 전극(Interdigitated array electrode ; IDA)의 평면도로서 스크린 프린터를 사용한 일반적인 후막공정을 이용하여 제작한 것이다.

후막 제작된 IDA 전극의 기판(11)으로는 폴리에스테르(polyester), PVC(polyvinylchloride), 폴리카보네이트(polycarbonate)와 같은 고분자로된 절연성 기판을 이용한다.

이 면역센서는 도 2에 도시된 바와 같이 기판(11) 위에 백금(platinum) 페이스트로 인쇄된 IDA 전극(13)과, 전극(13) 위에 고정된 항체층(immoblibized antibody layer)(14)과, 항체층(14) 이외의 나머지 부분을 절연물질로 인쇄한 절연층(15) 등으로 구성된다.

IDA 전극(13)은 한쪽 전극에 10개의 밴드(band) 전극을 가지고 있고, 다른 한쪽 전극에도 역시 10개의 밴드 전극을 가지고 있다.

이들 밴드 전극의 선폭은 모두 300㎛ 이며, 밴드 전극간의 간격 또한 300㎛로 제작되었다.

일반적으로 전극 제조용 물질로는 백금(platinum) 이외에도 탄소, 금, 루테니움다이옥사이드(ruthenium dioxide) 등을 사용할 수 있다.

한편, 전극 제작시 분석하고자 하는 대상 시료(analyte)에 대해 특이적인 결합반응을 하는 항체(antibody)를 고정화하여야 하는데, 이에는 일반적으로 잘 알려진 글루타알데히드(gultaraldehyde)를 이용하는 방법 또는 졸-겔(sol-gel) 방법을 이용하여 고정화시킬 수 있다.

이와 같이 제작된 IDA 전극은 도 1과 도 2에서 보듯이 기존의 지시전극(working electrode), 대전극(counter electrode) 및 기준전극(reference electrode)으로 구성된 삼전극계(3-electrode system)와는 달리 기준전극이 없는 이전극계(2-electrode system)로 구성되어 있는 특징이 있으며, 제작된 IDA 전극은 도 3과 같이 플라스틱회로기판(PCB)(23)에 전도선 은(silver) 페이스트(22)를 이용하여 도선을 연결함으로써 최종 완성된다.

본 발명에서 제작한 면역센서를 이용하면 기존의 항원-항체 반응과 같은 리간드-리셉터(ligand-recepter)간의 친화력을 이용하는 모든 면역학적 분석방법에 그 응용이 가능하다.

이러한 응용의 한 예로서 B형 간염균의 보균 유무를 판정하는데 지표가 되는 간염 바이러스의 표면항원(HBsAg)을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.

일실시예로 간염 바이러스의 표면항원(HBsAg)을 측정하기 위해 먼저 도 1 내지 도 3과 같은 전극을 제작한다.

그리고, 항체의 고정화를 위해 글루타알데히드(gultaraldehyde) 또는 졸-겔(sol-gel) 방법을 이용한다.

이 때 고정화시키는 항체로는 HBsAb를 사용한다.

글루타알데히드 고정화 방법은 약 4㎎의 항체를 10%의 BSA(bovine serum albumin) 용액에 녹인 후, 약 5μL의 글루타알데히드(gultaraldehyde) 용액을 가한다.

이어, 이 용액을 20μL 취하여 파이페트(pippette)를 이용하여 전극에 가한 후 공기중에서 건조시킨다.

한편, 졸겔(sol-gel) 고정화 방법은 TEOS(tetraethylorthosilicate)용액 1.2mL, 에탄올 약 9mL, 물 2mL, 진한 황산 약 0.3mL를 혼합한 후, 혼합 용액을 약 2시간 가량 강하게 교반시키면서 실리카 졸(silica sol)을 형성시킨다.

이 실리카졸은 냉장고에서 보관하고, 항체는 pH 7.4의 포스페이트 완충용액(phosphate buffer)에 녹인 후 역시 냉장고에 보관한다.

그리고, 다른 항체 용액 10μL와 실리카졸 용액 10μL를 잘 혼합하여 전극 위에 파이페트(pippette)를 이용하여 가한 후 공기 중에서 건조시킨다.

이와 같이 항체를 고정화시킨 후, 분석하고자 하는 시료인 HBsAg에 표지물질(label)로 유리에이즈(urease) 또는 아미노산 산화효소(amino acid oxidase)를 화학 결합시켜 제조한 HBsAg 용액을 넣은 후 일정량의 HBsAg-효소 결합체를 첨가한다.

이후 면역센서를 용기에 넣은 후, 일정 시간동안 방치하면 전극 위의 고정화된 일정한 숫자의 항체 결합자리에 대해 시료인 HBsAg와 HBsAg-효소 결합체들 사이에 경쟁적인 결합반응이 일어난다.

이 때 시료의 양이 많아질수록 시료가 항체에 고정화될 확률이 많아지고 따라서 HBsAg-효소 결합체가 항체에 결합될 확률은 그만큼 줄어든다.

이러한 경쟁반응 후 전극을 세척하여 결합되지 않고 남은 시료 및 시료-표지 물질등을 제거한다.

다음 도 4에 도시된 바와 같이 면역센서(31)를 약 0.1 mM의 pH 7.4의 포스페이트 완충용액(phosphate buffer)(33)이 담겨있는 30 mL의 측정용기(32)에 넣은 후, IDA 전극 위에 고정화 되어있는 HBsAb 항체와 결합된 시료-표지 물질을 정량하기 위하여 표지물질인 효소에 의해 선택적으로 반응을 일으키는 특정기질(substrate)을 첨가한다.

즉, 표지 물질로 유리에이즈(urease)를 사용한 경우는 요소(Urea)를 첨가하고 글루코스 산화효소(glucose acid oxidase)를 사용한 경우는 글루코스를 기질로첨가한다.

이 때 기질들은 하기 반응식1 및 2 같이 효소 반응 초기에 비해 효소 반응 후, 전하를 띤 물질들이 증가하여 용액의 전도도(conductance)가 증가되게 된다.

유리에이즈

H₂NCONH₂+ 3H₂O --------------→ HCO₃ ^-+ 2NH₄ ⁺+ OH^-

D-글루코스 산화효소

D-글루코스 + O₂+ H₂O -------------------→ 글루코닉산 + H⁺

상기 반응식 1은 유리에이즈를 이용한 요소(urea)의 가수분해 반응식이고, 반응식 2는 글루코스 산화효소를 이용한 글루코스의 산화 반응식이다.

이러한 효소 반응 전후의 전도도 측정을 위해 IDA 전극의 제 1 전극과 제 2 전극간에 약 0.1 볼트의 교류전압을 10 ㎑의 주파수로 인가하면서 이 때 변화하는 전도도를 전도도 측정기(36)에서 측정한다.

이 때 전도도의 측정신호는 인터페이스보드(GPIB)로 연결된 컴퓨터(37)에 의해 기록된다.

종합하면 시료의 양이 증가할수록 전극위에 고정화 되어 있는 HBsAb 항체와 결합하는 시료-표지 물질의 양이 감소하고, 이는 다시 용액의 전도도를 감소시키게 된다.

즉, 시료의 양과 용액의 전도도는 반비례의 관계를 갖게 되는 것이다.

따라서, 이러한 원리를 이용하여 시료의 정량 분석이 가능하게 된다.

이와 같은 본 발명을 적용하면 기존의 항원-항체 반응과 같이 리간드-리셉터(ligand-receptor) 간의 친화력을 이용하는 모든 면역학적 분석방법에 그 응용이 가능하다.

예로서 바이오틴-에비딘(biotine-avidin), 면역글로블린 G-단백질 A(immunoglobulin G-protein A), 호르몬-호르몬 리셉터(hormone-hormone receptor), DNA-DNA 리셉터(DNA-DNA receptor), RNA-RNA 리셉터(RNA-RNA receptor), 약물-약물 리셉터(drug-drug receptor) 등이 있다.

즉 간염 바이러스(Hepatitis virus), AIDS 바이러스(HIV virus) 등의 바이러스, 살로넬라(salmonella), 레지오넬라(legionella), 리스테리아(listeria) 등과 같은 병원성 미생물, 면역글로블린과 같은 단백질, HDL, LDL과 같은 지질단백질(lipoprotein), 인간성장 호르몬(human growth hormone), 갑상선 자극 호르몬(TSH)과 같은 호르몬, 젠타마이신(Gentamicin), 토브라마이신(Tobramicin) 등의 항생제, 다이곡신(Digoxin), 씨오필린(Theophylline)과 같은 약물(drug) 등을 측정할 수 있는 면역센서 및 다성분을 동시에 측정할 수 있는 복합 면역 바이오센서도 센서를 병렬 연결함으로써 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 전기전도도 측정식 면역센서에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 기준 전극이 필요 없는 이전극계를 사용하므로 기존과 같이 기준전극의 불안정에 의한 신호의 불안정 문제를 해결할 수 있어 정확한 분석이 가능하다.

또한, 전기화학적 면역분석법의 표지 물질을 유리에이즈 또는 글루코스 산화효소를 사용하므로 가격이 저렴하다.

Claims (4)

1. 기판;

   상기 기판상에 형성되는 제 1, 제 2 IDA(Interdigitated array) 전극;

   상기 제 1, 제 2 IDA 전극상에 고정되는 항체층;

   상기 항체층 이외의 영역에 형성되는 절연층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정식 면역센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 IDA 전극은 금, 백금, 카본 페이스트 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정식 면역센서.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 항체층은 졸-겔(sol-gel) 방법에 의해 고정화된 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정식 면역센서.
4. 제 1 항에 있어서, 항원-항체 반응의 표지 물질로는 유리에이즈 또는 글루코스 산화효소를 이용하는 것을 특징으로 하는 전기전도도 측정식 면역센서.