KR100691528B1 - Instrument of scanning surface plasmon microscope for the analysis of protein arrays - Google Patents

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KR100691528B1 KR1020050049094A KR20050049094A KR100691528B1 KR 100691528 B1 KR100691528 B1 KR 100691528B1 KR 1020050049094 A KR1020050049094 A KR 1020050049094A KR 20050049094 A KR20050049094 A KR 20050049094A KR 100691528 B1 KR100691528 B1 KR 100691528B1
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Abstract

본 발명은 단백질 칩의 초고속 분석을 위한 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따라 신속하게 대량으로 단백질 칩을 분석하는 장치는 광을 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 나온 빛을 p-편광시키기 위한 편광기와, 상기 편광기에 의하여 p-편광된 빛을 조사시키기 위한 프리즘과, 상기 프리즘에 의해 조사된 빛이 입사되도록 상기 프리즘의 밑면에 접하여 위치하는 다수 개의 단백질 스팟을 일정하게 종횡으로 배열한 단백질 칩과, 그 위에 상기 프리즘 및 단백질 칩이 얹어져 설치되고 상기 단백질 칩 중 특정 범위의 스팟들을 포함하는 부분에 상기 프리즘을 통과한 빛이 조사되도록 GPIB 통신을 사용하는 구동수단에 의하여 순차적으로 이동되는 x-y 스테이지와, 상기 단백질 칩으로부터 반사되어 나오는 빛을 순차적으로 촬상하여 이미지를 얻기 위한 CCD 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an apparatus for ultra-fast analysis of protein chips, and according to the present invention, an apparatus for rapidly analyzing a protein chip in large quantities comprises a light source for irradiating light and a polarizer for p-polarizing light emitted from the light source. And a prism for irradiating p-polarized light by the polarizer, a protein chip having a plurality of protein spots arranged in constant and horizontal direction in contact with a bottom surface of the prism so that the light irradiated by the prism is incident; And the xy stage which is installed on the prism and the protein chip thereon and is sequentially moved by a driving means using GPIB communication so that light passing through the prism is irradiated to a portion including spots of a specific range of the protein chip. And sequentially photographing light reflected from the protein chip to obtain an image. It characterized in that it comprises a CCD camera.

단백질 칩, 단백질 어레이, SPR, CCD 카메라, x-y 스테이지 Protein Chip, Protein Array, SPR, CCD Camera, x-y Stage

Description

단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치 {Instrument of scanning surface plasmon microscope for the analysis of protein arrays}Instrument of scanning surface plasmon microscope for the analysis of protein arrays}

도 1은 본 발명에 따른 백색광 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치의 개략적인 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a white light surface plasmon scanning microscope device according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따라 얻게 되는 표면 플라즈몬 공명 이미지의 원리를 나타낸 그래프,2 is a graph showing the principle of the surface plasmon resonance image obtained according to the present invention,

도 3은 본 발명에 따른 단백질 칩의 픽셀화를 나타낸 그림,3 is a diagram showing the pixelation of the protein chip according to the present invention,

도 4a는 본 발명에 따른 분석 장치를 이용하여 다양한 종류의 단백질을 얹은 단백질 칩을 정성적으로 분석한 결과를 나타낸 그림,Figure 4a is a diagram showing the results of the qualitative analysis of protein chips loaded with various types of proteins using the analysis device according to the present invention,

도 4b는 도 4a의 분석 결과를 이용한 정량적인 분석 결과를 나타낸 그래프,4B is a graph showing a quantitative analysis result using the analysis result of FIG. 4A;

도 5a는 본 발명에 따른 분석 장치를 이용하여 한 종류의 단백질을 얹은 단백질 칩을 단백질의 농도 구배에 따라 정성적으로 분석한 결과를 나타낸 그림,Figure 5a is a diagram showing the results of qualitatively analyzing the protein chip on one type of protein by using the analysis device according to the concentration gradient of the protein,

도 5b는 도 5a의 분석 결과를 이용한 정량적인 분석 결과를 나타낸 그래프.5B is a graph showing a quantitative analysis result using the analysis result of FIG. 5A.

도 6은 본 발명에 따른 분석 장치 중 x-y 스테이지의 위치 제어 흐름도.6 is a flow chart of the position control of the x-y stage of the analysis device according to the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 백색광 광원 2 : 조리개1: white light source 2: aperture

3 : 볼록렌즈 4 : 편광기3: convex lens 4: polarizer

5,6 : 거울 7 : x-y 스테이지5,6 mirror 7: x-y stage

8 : 단백질 칩 9 : 프리즘8: protein chip 9: prism

10 : 필터 11 : CCD 카메라10 filter 11: CCD camera

12 : 스팟 13 : 슬라이드유리 12: spot 13: slide glass

본 발명은 단백질 칩의 초고속 분석 장치에 관한 것으로, 특히 백색광 광원에서 나오는 빛을 단백질 칩에 입사시켜 유전체와 금속박막 사이의 경계면에서 반사되는 빛을 촬상소자 (charge coupled device; 이하 'CCD'라 한다) 카메라를 사용하여 표면 플라즈마 공명(Surface Plasma Resonance, 이하 간단히 'SPR'이라 한다) 이미지를 측정 분석함으로써 단백질, 탄수화물, 핵산 등 생체 고분자물질의 상호작용 및 생체 반응을 초고속으로 대량 분석하는 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrafast analysis device of a protein chip. In particular, light reflected from an interface between a dielectric and a metal thin film by injecting light from a white light source into a protein chip is referred to as a charge coupled device (CCD). ) A device for analyzing a large amount of interactions and biological reactions of biopolymers such as proteins, carbohydrates, nucleic acids, and the like at high speed by measuring and analyzing surface plasma resonance (SPR) images using a camera. will be.

단백질 칩은 작은 기판이나 슬라이드에 수십 내지 수백 개의 단백질을 고정한 후 동시 다발적으로 단백질의 결합을 분석하는데 이용된다. 단백질 칩은 단백질의 발현 및 기능연구, 단백질의 상호작용연구 등 프로테오믹스 연구 분야와 신약개발 분야, 그리고 진단분야에서 광범위하게 이용될 수 있다.Protein chips are used to fix dozens or hundreds of proteins on small substrates or slides, and then simultaneously analyze the binding of proteins. Protein chips can be widely used in proteomics research, drug development, and diagnostics, such as protein expression and function studies, protein interaction studies.

단백질 칩의 분석 장치는 형광, 화학발광, 질량분석, SPR 등의 검출기술을 사용하고 이를 진단, 프로테옴 연구 등에 활용하고 있다. 단백질 칩을 이용하여 비교적 간단한 분석을 수행하는 경우 DNA 칩에서와 같이 형광물질로 단백질을 표지하 고 형광 스캐너로 분석하는 방법이 있지만, 모든 단백질을 형광물질로 균일하게 표지해야 하는 문제점이 있고 질량분석 기술의 경우 미지 시료를 분석할 수 있다는 장점이 있으나 다수의 시료를 초고속으로 분석하기 어렵다는 단점이 지적되고 있다. Analysis equipment for protein chips uses detection techniques such as fluorescence, chemiluminescence, mass spectrometry, and SPR, and uses them for diagnosis and proteome research. When performing a relatively simple analysis using a protein chip, there is a method of labeling a protein with a fluorescent material and analyzing it with a fluorescence scanner like a DNA chip, but there is a problem in that all proteins are uniformly labeled with a fluorescent material and mass spectrometry is performed. The technology has the advantage of analyzing unknown samples, but it is pointed out that it is difficult to analyze a large number of samples at high speed.

이에 비해 SPR 현상을 이용한 단백질 칩은 금속박막의 표면근처에서 일어나는 물리, 화학적 변화에 공명각도나 파장의 변화로서 매우 민감하게 영향을 받기 때문에 금속박막의 표면처리를 통해 다양한 분야에 응용이 가능하고, 다른 방법에 비해 계측할 때 시료에 손상이나 변형을 주지 않고 방사성 물질이나 형광물질을 이용한 별도의 표식 없이 실시간으로 생체고분자 물질의 상호작용 검출이 가능하다는 장점이 있어서 단백질의 상호작용 연구하기 위한 바이오센서 분야의 유용한 기술로 평가되고 있다.On the other hand, the protein chip using SPR phenomenon is very sensitive to the physical and chemical changes occurring near the surface of the metal thin film as the change of the resonance angle or the wavelength, so that it can be applied to various fields through the surface treatment of the metal thin film. Compared to other methods, biosensor for the study of protein interactions has the advantage of detecting the interaction of biopolymers in real time without any damage or modification to the sample and without the use of radioactive or fluorescent markers. It is evaluated as a useful technique in the field.

일반적으로 빛이 고굴절율의 매질에서 저굴절율 매질로 진행할 때 입사각이 임계각 이상이면 전반사가 일어나는데, 진행하는 빛이 특히 p-편광이고, 저굴절율 매질이 금속박막으로 된 광학계에서 전반사가 일어날 때 생기는 소산파에 의해 금속 표면에 표면 플라즈몬을 여기 시키는 현상을 SPR 현상이라 한다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금, 은, 알루미늄 등과 같은 금속들이 주로 사용되는데, 그 중에서 가장 예리한 SPR 공명 피크를 보이는 은과 외부 환경 변화에 우수한 표면 안정성을 나타내는 금이 보편적으로 이용되고 있다.In general, when light travels from a high refractive index medium to a low refractive index medium, total reflection occurs when the incident angle is greater than or equal to the critical angle. The phenomenon of exciting surface plasmon on a metal surface by waves is called SPR phenomenon. Metals such as gold, silver, aluminum, and the like are mainly used. Among them, silver, which has the sharpest SPR resonance peak, and gold, which exhibits excellent surface stability against external environmental changes, are commonly used.

기존 단백질 칩 분석용 SPR 센서는 한 번에 분석할 수 있는 채널 수가 제한되어 있다는 문제점이 있으므로 대량으로 수십 내지 수천 종 이상의 단백질을 분석 하고자 하는 기술에 대한 필요성이 제기되어 왔다. 특히 SPR 센서에 어레이 형태의 개념을 도입하여 다수의 감지기능을 부여할 경우, 동시에 여러 물질을 분석할 수 있다. The existing SPR sensor for protein chip analysis has a problem in that the number of channels that can be analyzed at a time is limited. Therefore, there has been a need for a technique for analyzing a large number of proteins of several tens or thousands. In particular, when the SPR sensor adopts the concept of an array type, and provides a plurality of sensing functions, it is possible to analyze several materials at the same time.

상기한 것과 같은 단백질 칩의 일반적인 분석방법은 입사광부에서 발생되는 입사광을 광학렌즈를 통해서 균일한 세기의 평행빔으로 만든 후, 프리즘을 통과시켜 칩 표면에 입사시키며, 입사된 빔은 칩 표면에서 반사되고 이를 수광부에서 측정하는 것이다.The general method of analyzing a protein chip as described above is to make incident light generated from an incident light part into a parallel beam of uniform intensity through an optical lens, and then pass through a prism to enter the chip surface, and the incident beam is reflected from the chip surface. This is measured by the light receiver.

상기 수광부는 금속박막 표면으로부터 반사된 광의 세기를 측정하는 부분으로서, 대한민국 특허 제404071호 "백색광 SPR을 이용한 단백질 칩 분석장치"에서는 수광부가 단백질 칩에서 반사되어 나오는 빛을 광파이버를 통하여 집광하여 평면 결상으로 분광하는 분광기와, 상기 분광된 빛을 검출하는 광 배열검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고 있다. 그러나 이와 같은 측정방법에 의하여 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 단백질 칩의 각 스팟 중앙 부분만 측정하지 않고 스팟의 전체 면적을 100 um 간격 이하로 정밀하게 측정하는 과정이 필요한데, 이는 오랜 시간이 걸리고 대용량의 데이터를 저장해야 한다는 문제점이 있다.The light receiver is a part for measuring the intensity of light reflected from the surface of the metal thin film. In the Republic of Korea Patent No. 404071, “A Protein Chip Analysis Device Using White Light SPR,” the light receiver collects light reflected from the protein chip through an optical fiber to form a plane image. And an optical array detector for detecting the spectroscopic light. However, in order to obtain a reliable result by such a measuring method, it is necessary to measure the entire area of the spot precisely within 100 um intervals, instead of measuring the center of each spot of the protein chip, which takes a long time and a large amount of data. There is a problem that needs to be stored.

또한, 단백질 칩에서 반사되어 나오는 빛을 곧바로 CCD 등의 이미징 기구들을 이용하여 이미지를 얻는 방법도 있으나, 종래의 CCD 카메라에 의한 방법은 단백질 칩 중 일부 제한적인 면적의 범위만 측정이 가능하여 대(大)면적에 분포된 수십 내지 수천 종 이상의 단백질을 신속하게 대량분석하고자 하는 기술에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. 이는 단백질 칩의 전체 면적이 하나의 영상에 들어오도록 CCD 카메라로 촬상하기 위해서는 단백질 칩과 CCD 카메라 사이의 간격이 더 벌어져야 하는데 이렇게 할 때에는 넓은 면적의 평행한 p-편광 빛을 만들어 단백질 칩에 조사 시켜야하고, 분석하고자 하는 단백질 칩의 스팟 이미지 해상도가 급격히 떨어져 분석이 어렵다는 제약 조건이 있다. 또한 넓은 면적의 평행한 p-편광 빛을 만들어 단백질 칩에 조사시키기 위해서는 상대적으로 광학계가 복잡해져야 하는데 이는 경제성과 실용성 면에서 많은 문제점이 있다. In addition, there is a method of obtaining an image of the light reflected from the protein chip directly by using imaging devices such as CCD, but the conventional CCD camera method can measure only a limited area of the protein chip. There is a problem that it is difficult to apply to a technique for rapidly mass analysis of tens or thousands of proteins distributed in a large area. In order to capture with a CCD camera so that the entire area of the protein chip is in one image, the distance between the protein chip and the CCD camera needs to be increased. In this case, a large area of parallel p-polarized light is produced to irradiate the protein chip. There is a constraint that the spot image resolution of the protein chip to be analyzed is sharp and difficult to analyze. In addition, in order to make a large area of parallel p-polarized light and irradiate the protein chip, the optical system has to be relatively complicated, which has many problems in terms of economy and practicality.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은CCD 카메라로 단백질 칩의 이미지를 얻는 데 있어서, 단백질 칩의 크기의 제한 없이 대(大)면적의 단백질 칩을 분석할 수 있도록 하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problems of the prior art, the present invention is to obtain a protein chip image with a CCD camera, it is possible to analyze a large area of the protein chip without limiting the size of the protein chip The purpose is to provide a device.

이와 같은 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 주사 현미경에 의해 단백질 칩을 분석하는 장치는 광을 조사하기 위한 광원과, 상기 광원으로부터 나온 빛을 p-편광시키기 위한 편광기와, 상기 편광기에 의하여 p-편광된 빛을 조사시키기 위한 프리즘과, 상기 프리즘에 의해 조사된 빛이 입사되도록 상기 프리즘의 밑면에 접하여 위치하는 다수 개의 단백질 스팟을 일정하게 종횡으로 배열한 단백질 칩과, 그 위에 상기 프리즘 및 단백질 칩이 얹어져 설치되고 상기 단백질 칩 중 특정 범위의 스팟들을 포함하는 부분에 상기 프리즘을 통과한 빛이 조사되도록 GPIB(General-Purpose Interface Bus: 이하 'GPIB'라 한다) 통신을 사용하는 구동수단에 의하여 순차적으로 이동되는 x-y스테이지와, 상기 단백질 칩으로부터 반사되어 나오는 빛을 순차적으로 촬상하여 이미지를 얻기 위한 CCD 카메라를 포함한다.An apparatus for analyzing protein chips by a surface plasmon scanning microscope according to the present invention for achieving the above object is a light source for irradiating light, a polarizer for p-polarized light from the light source, the polarizer A prism for irradiating p-polarized light by the light source, a protein chip having a plurality of protein spots constantly arranged in a horizontal direction in contact with a bottom surface of the prism such that the light irradiated by the prism is incident thereon; It uses GPIB (General-Purpose Interface Bus) communication so that the prism and the protein chip are installed on top of each other, and the light passing through the prism is irradiated to the part including the specific range of spots of the protein chip. The xy stage which is sequentially moved by the driving means, and the light reflected from the protein chip sequentially By imaging by the camera comprises a CCD to obtain image.

또한, 상기 광원으로부터 나오는 빛은 백색광이고, 상기 단백질 칩으로부터 반사되어 나오는 빛이 필터를 거쳐 상기 CCD 카메라로 입사되도록 상기 단백질 칩과 상기 CCD 카메라 사이에 필터를 설치하는 것이 바람직하다.In addition, the light emitted from the light source is white light, it is preferable to provide a filter between the protein chip and the CCD camera so that the light reflected from the protein chip is incident to the CCD camera through the filter.

또한, 상기 CCD 카메라를 통해 얻은 이미지로부터 정량적으로 분석하는 장치를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to further include a device for quantitative analysis from the image obtained by the CCD camera.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 개략적인 구성을 도시한 개념도이다. 본 발명에 따른 단백질 칩 분석 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 광원(1), 조리개(2), 볼록렌즈(3), 편광기(4), 거울(5,6), x-y 스테이지(7), 단백질 칩(8), 프리즘(9), 필터(10), CCD 카메라(11) 등을 포함한다. 1 is a conceptual diagram showing a schematic configuration of the present invention. As shown in FIG. 1, the protein chip analyzing apparatus according to the present invention includes a light source 1, an aperture 2, a convex lens 3, a polarizer 4, a mirror 5, 6, and an xy stage 7. , A protein chip 8, a prism 9, a filter 10, a CCD camera 11, and the like.

광원(1)은 자외선 파장에서 근적외선 파장 영역을 가지는 텅스텐 램프, 텅스텐 할로겐 램프, 제논 램프 등과 같은 백색광을 사용하는데 이는 백색광이 빛의 세기가 일정해서 안정적인 출력을 제공하고 넓은 면적의 빛을 얻을 수 있기 때문이다. 볼록렌즈(3)는 광원(1)에서 방사된 빛을 균일하게 모이게 하기 위해서 사용하며 여러 개를 조합시켜 사용할 수 있다. 조리개(2)는 빛의 양을 조절할 수 있는 기능과 평형빔을 만드는 기능을 가진다. 표면 공명 플라즈몬 공명을 생성하기 위해서 는 TM(transverse magnetic) 모드의 빛을 만들어 주는 편광기(4)가 필요하다. 또한, 편광된 빛이 전반사가 일어나는 임계각(표면 플라즈몬 공명각;θ sp) 이상이 도록 두개의 거울(5,6)을 사용한다. 편광된 빛이 전반사가 일어나는 임계각 이상으로 단백질 칩(8)에 입사되더라도 프리즘(9)을 거치지 않으면 표면 플라즈몬을 생성시킬 수 없다. 왜냐하면, 입사된 빛의 운동량이 금속 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬의 운동량과 결합될 수 없기 때문이다.The light source 1 uses white light such as tungsten lamp, tungsten halogen lamp, and xenon lamp having a near infrared wavelength range in the ultraviolet wavelength, so that the white light has a constant light intensity to provide a stable output and obtain a large area of light. Because. The convex lens 3 is used to uniformly collect the light emitted from the light source 1 and can be used in combination of several. The aperture 2 has a function of adjusting the amount of light and a function of making a balanced beam. In order to generate surface resonance plasmon resonance, a polarizer 4 is required which produces light in a transverse magnetic (TM) mode. In addition, two mirrors 5 and 6 are used so that the polarized light is above the critical angle at which total reflection occurs (surface plasmon resonance angle; θ sp ). Even if the polarized light is incident on the protein chip 8 above the critical angle at which total reflection occurs, surface plasmons cannot be generated without passing through the prism 9. This is because the momentum of incident light cannot be combined with the momentum of the surface plasmon occurring at the metal surface.

표면 플라즈몬을 발생시키기 위해서 프리즘(9)을 이용한 크레츠만(Kretchmann) 방식의 ATR (Attenuated Total Reflectance) 커플러를 사용한다. 상기 프리즘(9)을 통하여 p-편광을 받는 단백질 칩(8)은 x-y 스테이지(7) 위에 위치하는데, 단백질 칩(8)은 직경이 2 mm의 스팟(12)들이 슬라이드 유리(13)와 같은 유전체의 평면상에 적어도 2열 이상의 복수 행렬로 배열되는 금속박막이 증착된 구성의 소형 다중행렬 배열칩이다. 본 실시 예에서의 금속박막의 재료는 금(Au)이다. 프리즘(9)과 슬라이드유리(13) 사이의 굴절률 차이를 줄이기 위해서 증류수 또는 상용화된 이멀젼 오일로 밀폐시키도록 한다. 단백질 칩(8)을 얹어 지지하는 x-y 스테이지(7)는 구동장치(미도시)에 의해 전후 또는 좌우 방향으로 이동 가능하며 구동장치는 GPIB 통신으로 구동되는 스텝 모터로 구성될 수 있다. In order to generate surface plasmons, a Kretchmann type ATR (Attenuated Total Reflectance) coupler using a prism 9 is used. The protein chip 8, which is p-polarized through the prism 9, is located on the xy stage 7, where the protein chip 8 has a diameter of 2 mm with a diameter of 12 mm like a slide glass 13. It is a small multi-matrix array chip in which a metal thin film arranged in a plurality of matrices or more arranged on a plane of a dielectric is deposited. The material of the metal thin film in this embodiment is gold (Au). In order to reduce the refractive index difference between the prism 9 and the slide glass 13, it is sealed with distilled water or a commercially available emulsion oil. The x-y stage 7 on which the protein chip 8 is mounted can be moved back and forth or left and right by a driving device (not shown), and the driving device can be configured as a step motor driven by GPIB communication.

단백질 칩(9)에서 반사되어 나오는 빛은 필터(10)를 통과하는데 백색광을 광원으로 사용하므로 필터(10) 설치가 필요하다. 필터(10)를 통과한 빛을 CCD 카메라(11)가 촬상함으로써 반사된 빛의 세기가 측정된다. 상기 CCD 카메라(11)에서 검출 된 각 스팟의 이미지 데이터는 컴퓨터에서 이미징 소프트웨어를 통하여 분석되어 그 결과가 모니터를 통하여 표시된다.Since the light reflected from the protein chip 9 passes through the filter 10, white light is used as a light source, and thus, the filter 10 needs to be installed. The intensity of the reflected light is measured by the CCD camera 11 imaging the light passing through the filter 10. The image data of each spot detected by the CCD camera 11 is analyzed by imaging software in a computer and the result is displayed on a monitor.

도 2는 SPR 스펙트럼과 측정하고자 하는 공명위치 부근에서의 빛 세기(intensity)와의 관계를 나타낸 것이다. SPR 스펙트럼이 오른쪽으로 이동할수록 측정되는 빛의 세기가 커져서 스팟(12)의 밝기가 밝아지며, 일반적으로 단백질 칩 상에 붙은 단백질의 양이 많을수록 SPR 스펙트럼이 우측으로 이동되며, 이때 측정되는 빛의 세기도 크다(도 5참조). 도 2는 표면 플라즈몬 공명 신호의 그래프로서, 곡선 중간의 오목한 부분이 공명 파장이 발생되는 부분이며, SPR 공명 파장의 값이 커질 때 곡선을 가로지르는 수직선과 곡선이 만나는 지점의 y축 값인 빛의 세기가 어떻게 변하느냐를 검출함으로써 정성적인 분석 결과를 얻는다. Figure 2 shows the relationship between the SPR spectrum and the light intensity (intensity) in the vicinity of the resonance position to be measured. As the SPR spectrum moves to the right, the intensity of light to be measured increases, so that the brightness of the spot 12 is brighter. In general, the greater the amount of protein attached to the protein chip, the SPR spectrum is shifted to the right. (See FIG. 5). Figure 2 is a graph of the surface plasmon resonance signal, the concave portion in the middle of the curve is the portion where the resonance wavelength is generated, the light intensity which is the y-axis value of the point where the curve meets the vertical line across the curve when the value of the SPR resonance wavelength increases Qualitative analysis results are obtained by detecting how is changed.

도 3에서 가로선과 세로선으로 둘러싸이는 일정한 부분이 하나의 픽셀을 이루는데 모든 픽셀이 순서대로 측정된다. 도 3에서는 4개의 스팟(12)이 하나의 픽셀을 이루도록 설정되어 있다. 픽셀의 측정 순서는 x-y 스테이지(7)의 이동방향에 따라 결정되며, 하나의 픽셀이 촬상된 후 새로운 픽셀이 빛을 조사받도록 GPIB 통신으로 x-y 스테이지(7)가 이동되고 나서 다시 촬상되는 과정을 반복한다. x-y 스테이지(7)의 모션 콘트롤, 데이타 수집 및 분석 그리고 디스플레이는 랩뷰(LabVIEW) 소프트웨어를 기초로 해서 독자 개발한 프로그램을 통해 이루어진다. 도 6은 x-y 스테이지(7)의 위치 제어 흐름도를 나타낸 것으로 x-y 스테이지(7)가 이동하였을 때 목표 위치와 현재 위치가 허용 오차 범위 안에 있는지를 판단하여 재이동을 하거나 멈추도록 프로그램한다. In FIG. 3, a constant portion surrounded by horizontal and vertical lines forms one pixel, and all pixels are measured in order. In FIG. 3, four spots 12 are set to form one pixel. The order of measurement of the pixels is determined according to the moving direction of the xy stage 7. The process of repeating the imaging after the xy stage 7 is moved by GPIB communication so that a new pixel is irradiated with light after one pixel is imaged do. Motion control, data acquisition and analysis, and display of the x-y stage 7 is accomplished through a proprietary program based on LabVIEW software. FIG. 6 shows a position control flowchart of the x-y stage 7. When the x-y stage 7 moves, it is determined whether the target position and the current position are within an allowable error range, and the program is moved or stopped again.

도 4a는 CCD 카메라(11)에 의해 촬상된 이미지를 정성적으로 분석한 결과를 나타낸 그래프인데, 윗 줄은 Rac1 단백질에 관한 결과이고, 아랫줄은 RhoA 단백질에 관한 결과이다. 또한 맨 왼쪽 열은 금속박막 위에 항체나 항원 없이 글루타싸이온(GSH)을 입힌 상태로 측정했을 때의 결과인데 이 때의 측정값을 공명 이미지 변화를 판단하기 위한 기준값으로 삼기 위한 것이다. 그 오른쪽 열은 GSH 위에 항원을 반응 시켰을 때 측정한 결과이며, 맨 오른쪽 열은 항원 위에 항체를 반응 시킨 후 측정했을 때의 결과이다. 단백질 칩에서 GSH 표면 위에 항원을 반응하지 않았을 때, 항원을 반응했을 때, 항원위에 항체까지 반응시켰을 때의 각 스팟의 명암 차이를 보면 단백질 칩에서 단백질의 상호작용을 한 눈에 파악할 수 있다. Figure 4a is a graph showing the results of qualitative analysis of the image captured by the CCD camera 11, the upper row is the result for Rac1 protein, the lower row is the result for RhoA protein. In addition, the leftmost column is a result obtained by measuring glutathione (GSH) coated on the metal thin film without antibodies or antigens, and is used as a reference value for determining resonance image change. The right column is the result when the antigen is reacted on the GSH, and the right column is the result when the antibody is reacted on the antigen. The contrast between each spot when the protein chip does not react on the surface of the GSH, when the antigen is reacted, or when the antibody reacts on the antigen can be seen at a glance.

한편, 도 4b는 정량인 분석 결과를 나타낸 그래프로서, 데이터 처리(data processing)를 통해 도 4a로부터 이미지의 명암 대비를 정량적으로 산출하여 막대 그래프로 나타낸 것이다. 왼쪽의 세 개의 막대는 Rac1 단백질의 항원-항체 반응에 관한 결과로서 왼쪽부터 각각 항원과 항체 반응을 분석하기 위한 기준 값으로 GSH 이미지 표면의 평균 세기, GSH 표면 위에 항원만 반응했을 때의 평균 세기, 항원-항체 반응이 되었을 때의 평균 세기를 나타내며, 오른쪽 세 개의 막대는 RhoA 단백질에 관한 결과로서, 각각 항원과 항체 반응을 분석하기 위한 기준 값으로 GSH 표면 이미지의 평균 세기, GSH 표면 위에 항원만 반응했을 때의 평균 세기, 항원-항체 반응이 되었을 때의 평균 세기를 나타낸다. 여기서 각 막대의 y축 값은 하나의 스팟에 있어서의 평균 값이며, 막대 상단에 그려진 수직한 선분의 길이는 표준편차를 나타낸다.Meanwhile, FIG. 4B is a graph showing a quantitative analysis result, which is a bar graph showing quantitatively calculating the contrast of an image from FIG. 4A through data processing. The three bars on the left are the results of the antigen-antibody response of the Rac1 protein, which are the reference values for analyzing the antigen and antibody responses from the left, respectively. The mean intensity at the time of antigen-antibody reaction, and the three bars on the right are the results for RhoA protein, the mean intensity of the GSH surface image, and only the antigen on the GSH surface as reference values for analyzing the antigen and antibody response, respectively. The average intensity at the time of use and the average intensity at the time of antigen-antibody reaction are shown. Here, the y-axis value of each bar is the average value at one spot, and the length of the vertical line drawn at the top of the bar represents the standard deviation.

도 5a는 본 발명에 따른 분석 장치를 사용하여 단백질 칩 위에 단백질의 농도를 달리하여 적용하였을 때의 분석한 이미지를 나타낸 것이다. 도 5a에서 맨 왼쪽은 단백질이 얼마나 붙었는지를 모니터링하기 위한 기준 스팟이며, 스팟이 오른쪽으로 갈수록 단백질의 농도가 커지는데 단백질 농도가 증가함에 따라 스팟의 밝기가 기준 스팟에 비해 밝게 변화하다 포화되는 것을 알 수 있다. Figure 5a shows the analyzed image when the application of different concentrations of protein on the protein chip using the analysis device according to the present invention. In FIG. 5A, the leftmost spot is a reference spot for monitoring how much protein is attached. As the spot increases to the right, the concentration of the protein increases. As the protein concentration increases, the brightness of the spot changes brighter than that of the reference spot. Able to know.

도 5b는 도 5a의 각각의 스팟 이미지로부터 각 스팟의 명암 크기를 정량화한 것을 표시한 그래프로서, 이 실시 예에서는 PAK 단백질 항원을 단백질 칩에 붙인 후 측정하여 분석한 것이다. 본 결과를 보면 단백질의 농도가 일정 수치 이상이 되면 포화가 되어 빛의 세기에 거의 변동이 없게 됨을 알 수 있다. 그래프의 꺾은 점을 지나는 수직한 선분도 도 4b와 마찬가지로 각 스팟에서 측정한 세기의 표준편차를 나타낸다.FIG. 5B is a graph showing the quantification of the intensity of each spot from each spot image of FIG. 5A. In this example, the PAK protein antigen was attached to a protein chip, and then measured and analyzed. The results show that when the protein concentration is above a certain level, it becomes saturated and there is almost no change in the light intensity. The vertical line through the broken point of the graph also shows the standard deviation of the intensity measured at each spot as in FIG. 4B.

이상에서와 같이, 종전에는 CCD 카메라를 통해 한 번에 획득할 수 있는 단백질 칩의 스팟의 수를 늘리기 위해서는 CCD 카메라를 보다 원거리에 두어야 하는데 CCD 카메라의 해상도로 인해 스팟의 수를 늘리는 데 한계가 있을 뿐 아니라 CCD 카메라를 먼 거리에 둘수록 촬상되는 스팟의 크기도 함께 작아져서 균일한 측정 결과를 얻을 수 없기 때문에 종래의 CCD 카메라를 수광부로 사용하는 분석장치는 넓은 면적의 단백질 칩을 분석하는데 있어서 적합하지 못하나, 본 발명에 의한 단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치에 의하면 CCD 카메라가 단백질 칩과 먼 거리에 위치되지 않으며, 대면적의 단백질 칩을 조사하기 위해 복잡한 광학계를 사 용하지 않고 GPIB 통신을 이용하여 단백질 칩을 순차적으로 이동해가며 이미지를 측정할 수 있게 되므로 아무리 큰 면적의 단백질 칩도 짧은 시간에 분석을 끝마칠 수 있어서, 본 발명에 따른 기술은 단백질을 신속하게 대량으로 분석하는 데 이용되는 기술로서 대단히 유용한 기술이라 하겠다.As mentioned above, in order to increase the number of spots of protein chips that can be acquired at one time through a CCD camera, the CCD camera should be placed at a far distance. However, the resolution of the CCD camera may limit the number of spots. In addition, the longer the CCD camera is located, the smaller the spot size will be and the uniform measurement results cannot be obtained. Therefore, an analyzer using a conventional CCD camera as a light receiver is suitable for analyzing a large area of protein chips. However, according to the surface plasmon scanning microscope apparatus for protein chip analysis according to the present invention, the CCD camera is not located far from the protein chip, and GPIB communication is performed without using a complicated optical system to examine a large area protein chip. To measure the image by moving the protein chip sequentially. Protein chips with a large area can also be analyzed in a short time, so that the technique according to the present invention is a very useful technique to be used for rapid and mass analysis of proteins.

Claims (3)

광을 조사하기 위한 광원;A light source for irradiating light; 상기 광원으로부터 나온 빛을 p-편광시키기 위한 편광기;A polarizer for p-polarizing light emitted from the light source; 상기 편광기에 의하여 p-편광된 빛을 조사시키기 위한 프리즘;A prism for irradiating p-polarized light by the polarizer; 상기 프리즘에 의해 조사된 빛이 입사되도록 상기 프리즘의 밑면에 접하여 위치하는, 다수 개의 단백질 스팟을 일정하게 종횡으로 배열한 단백질 칩;A protein chip in which a plurality of protein spots are arranged in a vertical and horizontal manner in contact with a bottom surface of the prism such that light irradiated by the prism is incident; 그 위에 상기 프리즘 및 단백질 칩이 얹어져 설치되고, 상기 단백질 칩 중 특정 범위의 스팟들을 포함하는 부분에 상기 프리즘을 통과한 빛이 조사되도록 GPIB 통신을 사용하는 구동수단에 의하여 순차적으로 이동되는 x-y 스테이지;The prism and the protein chip are installed thereon, and the xy stage sequentially moved by the driving means using GPIB communication so that the light passing through the prism is irradiated to the part including the specific range of spots of the protein chip. ; 상기 단백질 칩으로부터 반사되어 나오는 빛을 순차적으로 촬상하여 이미지를 얻기 위한 CCD 카메라;A CCD camera for sequentially photographing light reflected from the protein chip to obtain an image; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치.Surface plasmon scanning microscope device for protein chip analysis, comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원으로부터 나오는 빛은 백색광이고, 상기 단백질 칩으로부터 반사되어 나오는 빛이 필터를 거쳐 상기 CCD 카메라로 입사되도록 상기 단백질 칩과 상기 CCD 카메라 사이에 필터를 설치하는 것을 특징으로 하는 단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치.The light emitted from the light source is white light, and the surface of the protein chip analysis plasmon characterized in that the filter is installed between the protein chip and the CCD camera so that the light reflected from the protein chip is incident to the CCD camera through the filter. Scanning microscope device. 제1항 또는 제2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 CCD 카메라를 통해 얻은 이미지로부터 정량적으로 분석하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단백질 칩 분석용 표면 플라즈몬 주사 현미경 장치.Surface plasmon scanning microscope device for protein chip analysis, characterized in that it further comprises a device for quantitative analysis from the image obtained by the CCD camera.
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