KR100728152B1

KR100728152B1 - 표적 물질의 검출 또는 정량 방법, 그 방법에 사용되는전극 기판, 장치, 및 키트

Info

Publication number: KR100728152B1
Application number: KR1020060044653A
Authority: KR
Inventors: 시노부 요코카와; 히로시 다키구치; 히토시 후쿠시마
Original assignee: 세이코 엡슨 가부시키가이샤
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2007-06-13
Also published as: US20070039834A1; KR20060120459A; EP1724573A1; JP4232108B2; JP2006322864A

Abstract

본 발명은 시료 용액 중의 표적 분자를 간이하면서 동시에 고감도로 검출 또는 정량(定量)할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 시료 용액(A) 중의 표적 물질(18)을 검출 또는 정량하는 방법으로서, 전극 기판(10) 위에, 표적 물질 모델(14)을 포함하는 금속 산화물 박막(12)을 형성하는 제 1 공정과, 금속 산화물 박막(12)으로부터 표적 물질 모델(14)을 제거함으로써, 금속 산화물 박막(12)에 상기 표적 물질(18)이 끼워맞춤 가능한 오목부(16)를 형성하는 제 2 공정과, 시료 용액(A)과, 오목부(16)가 형성된 금속 산화물 박막을 접촉시키는 제 3 공정과, 제 3 공정의 전후에 걸쳐서, 전극 기판(10) 표면 근방에서의 전자 수수를 전기 화학적으로 검출하는 제 4 공정을 포함하는 방법을 제공하는 것이다.

표적 물질 모델, 카운터 전극, 참조 전극

Description

표적 물질의 검출 또는 정량 방법, 그 방법에 사용되는 전극 기판, 장치, 및 키트{METHOD FOR DETECTING OR ASSAYING TARGET MATERIAL, AND ELECTRODE SUBSTRATE, DEVICE, AND KIT USED FOR THE SAME}

도 1은 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량 방법의 개략을 나타내는 공정도.

도 2는 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량을 위한 장치를 나타내는 개략 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량을 위한 장치를 나타내는 개략 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량을 위한 시스템의 개략 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 방법에 의해 표적 물질로서 올리고펩티드를 검출한 측정 결과.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 전극 기판 12 : 금속 산화물 박막

14 : 표적 물질 모델 16 : 오목부

18 : 표적 물질 20, 150 : 장치

22 : 카운터 전극 24 : 참조 전극

100 : 검출 장치 120 : 검출 회로

본 발명은 시료 용액 중의 표적 물질을 전기 화학적으로 검출 또는 정량하는 방법, 및 그 방법에 사용되는 전극 기판, 검출 장치 및 키트 등에 관한 것이다.

종래, 표적 분자에 특이적인 친화성을 갖는 분자를 프로브(probe) 분자로서 고상(固相) 표면에 고정하고, 시료 용액과 그 고상 표면을 접촉시켜서, 프로브 분자에 결합하는 분자를 검출·정량(定量)함으로써, 시료 용액 중의 표적 분자의 유무나 농도를 조사하는 각종 바이오 센서가 널리 개발되어 있다. 서로 특이적 친화성을 갖는 생체 분자의 조합으로서, 예를 들면, 효소-기질, 항원-항체, 핵산-핵산, 수용체-리간드 등을 들 수 있다. 상기 바이오 센서에서 이들의 분자간 상호 작용을 검출하는 검지 소자로서, 산소 전극, 과산화 수소수 전극, 이온 전극, ISFET, 광 파이버, 서미스터 등이 제안되고 있고, 또한 최근에는 나노그램 오더 정도의 질량 변화를 검지할 수 있는 수정 진동자나 표면 플라스몬(plasmon) 공명 소자 등도 사용되고 있다.

이러한 바이오 센서의 제작에서는, 프로브 분자를 고상 표면에 고정화하는 방법의 선택이 매우 중요하다. 상술한 분자간 상호 작용은 각 분자에서의 특정한 결합 부위나 관능기에서 발생한다. 따라서, 이들의 결합 부위나 관능기가 표적 분 자로부터 인식되어, 상호 작용하는 것이 가능한 상태로 고정되지 않으면 안된다. 그래서, 결합능이 유지되도록 고상 표면의 종류에 따라서 관능기나 스페이서 등을 선택하고, 그 관능기나 스페이서를 통하여 고상 표면에 결합시키는 방법이 많이 제안되고 있다.

한편, 생체 물질을 포함하는 박막의 제조 방법의 하나로서, 단백질이나 핵산, 당, 지질, 바이러스 등의 수용액 또는 물 분산액을 하이드로겔 위에 전개하여, 이것을 고체 표면에 전사하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1). 이 방법에 의하면, 단백질 등은 하이드로겔 표면에 배열화되므로, 그 겔 표면에 평활한 고체 기판을 접촉시켜서 고체 표면에 전사함으로써, 그들 생체 분자를 포함하는 초박막이 상기 고체 표면에 형성된다.

또한, 기재로서 유기/금속 알콕시드기를 갖는 화합물을 사용한 비정질형 금속 산화물을 사용한 시스템도 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 2). 이 기술의 기반이 되는 표면 졸-겔(sol-gel)법(예를 들면, 비특허 문헌 1)은 표면에 수산기를 갖는 고상 기판과 금속 알콕시드 화합물을 화학적으로 흡착시켜서, 이것을 가수 분해함으로써 금속 산화물의 초박막을 제작하는 방법이다. 특허 문헌 2에는 우선 고체 기재 위에 리소그래피법에 의해 주형을 형성하여, 형성된 주형 위에 금속 산화물 박막을 형성하고, 형성된 주형을 제거하여 금속 산화물 나노 구조체를 형성하는 방법이 개시되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본국 공개특허 평11-90214호 공보

[특허 문헌 2] 일본국 공개특허 2004-351608호 공보

[비특허 문헌 1] 미래 재료 제 3 권 제 8 호 20페이지∼27페이지

생체 분자를 고상 표면에 고정화할 경우, 스페이서 등을 통해서도 생체 분자의 결합능이 유지되도록 그 위치나 방향을 제어해서 고정화하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 고정화된 생체 분자는 액상 중에서 구조가 변화되거나, 분해되거나 할 우려도 있으며, 이러한 경우에도 결합능이 상실될 수가 있다. 이러한 경우, 시료 중에 표적 물질이 존재했다고 해도 프로브 분자와 결합할 수 없어, 검출을 행할 수 없다는 문제가 있다.

그래서, 본 발명은 시료 용액 중의 표적 분자를 간이하면서 동시에 고감도로 검출 또는 정량할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 표적 물질의 검출 또는 정량 방법은 시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하는 방법으로서, 전극 기판 위에 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 형성하는 제 1 공정과, 상기 금속 산화물 박막으로부터 상기 표적 물질 모델을 제거함으로써, 상기 금속 산화물 박막에 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부를 형성하는 제 2 공정과, 산화 환원 반응 분자를 첨가한 상기 시료 용액과, 상기 오목부가 형성된 상기 금속 산화물 박막을 접촉시키는 제 3 공정과, 상기 제 3 공정의 전후에 걸쳐서, 상기 전극 기판 표면 근방에서의 산화 환원 반응 분자의 전자 수수(授受)의 변화를 전기 화학적으로 검출하는 제 4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 사용되는 「표적 물질 모델」이란, 검출 또는 정량하고자 하는 표적 물질과 동일 또는 거의 동일한 형상을 갖는 물질이며, 바람직하게는, 표적 물질과 동일한 물질이다. 따라서, 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막으로부터 그 표적 물질 모델을 제거하면, 표적 물질과 동일 또는 거의 동일한 형상을 한 오목부가 형성된다. 그래서, 이 금속 산화물 박막에 시료 용액을 접촉시키면, 시료 중에 표적 물질이 존재한다면, 상기 표적 물질은 상기 오목부에 수용체와 리간드의 관계와 같이 특이적으로 끼워맞춤된다. 이에 따라, 전극 기판 표면 근방에서의 산화 환원 반응 분자와의 전자 수수의 상태에 변화가 생기기 때문에, 이 변화를 전기 화학적으로 검출함으로써, 표적 물질의 유무를 간이하면서 동시에 고감도로 확인할 수 있다. 전자 수수의 상태를 정량적으로 측정할 수 있으면, 시료 용액 중에서의 표적 물질의 농도의 추정도 가능하다.

또한, 본 발명에서 시료 용액이란, 표적 물질을 검출·정량하는 대상이 되는 액체를 의미하며, 표적 물질이 용해되어 있는 상태에서 포함되는 것인지, 분산되어 있는 상태에서 포함되는 것인지를 불문한다.

본 발명에 사용되는 「산화 환원 반응 분자」는 가역적으로 산화 환원 반응하는 것이면 특히 한정되지 않고, 여러가지 화합물을 사용할 수 있다. 이러한 화합물로서는, 예를 들면, 페리시안화 칼륨(K₃Fe(CN)₆)이나 페로센 구조를 갖는 화합물군을 들 수 있다. 이들 화합물에 포함되는 철은 2가 이온으로 되어 있지만, 전자를 방출하여(산화되어) 3가 이온 상태로 변화된다. 이 가역적 산화 환원 반응에 의해서, 전위를 걸므로써 화합물의 양에 비례한 전류를 취출할 수 있다.

본 발명에 따른 표적 물질의 검출 또는 정량 방법에서는, 표적 물질이 유기 분자, 생체 분자, 세포, 미생물 및 바이러스로 이루어지는 군에서 선택되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 종래 생물학적 특이성에 의거하여 검출된 이들 물질을 보존성이 높은 금속 산화물 박막에 의한 주형으로 간이하면서 동시에 고감도로 검출할 수 있다.

또한, 상기 제 2 공정에서는, 금속 산화물 박막을 표적 물질이 1층만 포함되는 막 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 금속 산화물 박막이 너무 두꺼우면, 표적 물질 모델이 금속 산화물 박막 중에 깊게 묻혀버려, 상기 표적 물질 모델을 제거해도 오목부가 박막 표면에 나타나지 않아, 표적 물질이 상기 오목부에 끼워맞춤될 수 없기 때문이다.

또한, 상기 제 2 공정에서는, 금속 산화물 박막을 금속 알콕시드 화합물을 사용한 표면 졸-겔법에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 표면 졸-겔법에 의하면, 금속 산화물 박막의 막 두께를 나노미터 단위로 제어하는 것이 가능하여, 표적 물질이 1층만 포함되는 막 두께도 용이하게 형성할 수 있다.

또한, 상기 제 2 공정에서, 표적 물질 모델의 제거를 산소 플라스마 처리, 오존 산화 처리, 용출(溶出) 처리, 및 소성 처리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 처리에 의해 행하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해서, 금속 산화물 박막 중에서 표적 물질 모델만을 제거하여, 표적 물질 모델이 있던 장소에 표적 물질이 특이적으로 끼워맞춤될 수 있는 오목부를 형성할 수 있다.

또한, 상기 제 4 공정에서의 검출은 CV 측정, 정전위 측정, 정전류 측정, 및 임피던스 측정으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 측정 방법에 의해서 행해지는 것이 바람직하다. 이들 방법에 의하면, 전극 표면 근방에서의 산화 환원 반응 분자의 전자 수수를 전기 화학적으로 검출하여, 표적 물질의 검출·정량을 행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량 방법에서는, 상기 제 4 공정에서 상기 기판 표면 근방에서의 전자 수수가 감소한 경우에, 상기 시료 용액 중에 표적 물질이 존재한 것으로 판단하는 것이 바람직하다. 표적 물질이 금속 산화물 박막의 오목부에 끼워짐으로써, 산화 환원 반응 분자의 이동 사이트가 블록되므로, 표적 물질이 시료 용액 중에 존재하면, 기판 표면 근방에서의 전자 수수가 감소하기 때문이다.

본 발명은 또한 시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 전극 기판으로서 그 표면에 금속 산화물로 이루어지는 박막이 형성되고, 상기 박막에 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부가 형성되어 있는 전극 기판을 제공한다. 이러한 구성에 의해, 시료 용액 중에 표적 물질이 존재하면, 금속 산화물 박막의 오목부에 끼워맞춤되고, 그것에 의해서 전극 기판 표면 근방의 전자 수수의 상태가 변화된다. 그래서, 이 변화를 검출함으로써, 시료 용액 중의 표적 물질의 유무를 검출·정량할 수 있다.

또한, 상기 오목부는 전극 기판 표면에 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 형성하고, 상기 금속 산화물 박막으로부터 상기 표적 물질 모델을 제 거함으로써 형성된 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 표적 물질이 상기 오목부에 특이적으로 끼워맞춤되게 된다.

또한, 본 발명은 시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 장치로서, 상술한 전극 기판과, 상기 전극 기판에 대한 카운터 전극과, 참조 전극을 구비하는 검출 장치를 제공한다. 이러한 구성에 의해, 전극 기판 표면의 전자 수수의 변화를 간이하면서 동시에 고감도로 검출할 수 있다.

이 검출 장치에는, 전극 기판과 카운터 전극과, 참조 전극을 개별적으로 전기적으로 접속한 검출 회로가 더 구비되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 전극 기판 표면의 전자 수수의 변화를 상기 검출 장치에 의해 간이하면서 동시에 고감도로 검출할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 키트로서, 전극 기판과, 상기 전극 기판에 박막을 형성하기 위한 금속 산화물을 포함하는 재료와, 산화 환원 반응 분자를 포함하는 키트를 제공한다. 이러한 키트에 의하면, 사용자로서는 임의의 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 형성하고, 상기 표적 물질 모델을 제거하여, 원하는 표적 물질을 검출하기 위한 전극 기판을 제작할 수 있다. 이 전극 기판을 사용하면 상술한 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량 방법을 적합하게 실시하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명은 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 키트로서, 상술한 본 발명에 따른 장치와, 산화 환원 반응 분자를 포함하는 키트를 제공한다. 이러한 구성에 의하면, 사용자로서는 표적 물질 모델이나 측정에 필요한 시약을 준비하지 않고, 소정의 표적 물질을 간이하면서 동시에 고감도로 검출할 수 있다.

이하에, 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명을 이 실시예에만 한정하는 것은 아니다. 본 발명은 그 요지를 일탈하지 않는 한, 각종 변경을 가하여 실시할 수 있다(제 1 실시예).

도 1은 본 발명에 따른 표적 물질의 검출 또는 정량 방법의 개략을 나타내는 공정도이다.

<제 1 공정 : 금속 산화물 박막의 형성>

우선, 도 1의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이, 전극 기판(10) 위에 표적 물질 모델(14)을 포함하는 금속 산화물 박막(12)을 형성한다. 이 초박막의 형성은 금속 알콕시드 화합물을 재료로서 사용하는 표면 졸-겔법에 의한 것이 바람직하다.

여기서, 표면 졸-겔법이란, 전극 기판(10) 표면의 수산기 등과, 금속 알콕시드 화합물을 화학적으로 흡착시켜서, 이것을 가수 분해함으로써 공유 결합적으로 기판 표면에 고정화된 금속 산화물 단분자막 및 그 다층막을 형성하는 방법이다. 더 구체적으로는, 우선 수산기 등의 금속 알콕시드와 반응 가능한 관능기를 갖는 전극 기판을 금속 알콕시드 용액에 수 분간 침지시킨다. 이어서, 기판을 소정의 유기 용매로 세정하여 물리 흡착한 금속 알콕시드를 제거하고, 이온 교환수에 침지함으로써 금속 알콕시드의 가수 분해와 면 내의 중축합 반응이 촉진된다. 또한, 최외층의 알콕시드기의 가수 분해에 의해 생기는 새로운 수산기는 재차, 금속 알콕시드 화합물의 화학 흡착에 이용할 수 있다. 이 때문에, 흡착과 가수 분해 조작을 반복함으로써 1층당 나노미터 단위의 막 두께를 갖는 금속 산화물의 다층막을 제작하는 것이 가능하다.

표적 물질 모델(14)을 포함하는 금속 산화물 박막(12)을 표면 졸-겔법으로 제작하는 경우에는, 예를 들면, 표적 물질 모델(14)과, 금속 알콕시드 화합물을 교대로 표면 흡착시킴으로써, 표적 물질 모델(14)을 층간에 포함하는 금속 산화물의 다층막을 형성할 수 있다. 또한, 활성 수산기를 갖는 표적 물질 모델(14)을 금속 알콕시드 화합물과 미리 반응시켜서, 양자의 복합체를 형성해 두고, 이것을 표면 졸-겔법에 의해 고체 표면에 순차적으로 흡착시키는 것에 의해서도, 유기 분자나 생체 분자를 포함하는 금속 산화물 박막을 형성할 수 있다. 또한, 표적 물질 모델(14)을 우선 정전적으로 전극 기판(10) 표면에 흡착시키고, 그 후, 표면 졸-겔법으로 표적 물질 모델(14)의 사이를 메우도록 금속 산화물 박막(12)을 적층 형성해도 좋다. 금속 산화물 박막(12)을 적층 형성하는 방법에 의하면, 나노미터 단위로 막 두께를 제어하여 형성할 수 있으므로, 표적 물질 모델(14)이 1층만 포함되는 정도의 막 두께로 형성하는 것이 가능하다.

여기서, 금속 산화물 박막(12)이 표적 물질 모델(14)이 1층만 포함되는 막 두께라는 것은, 예를 들면, 구형(球形)에 가까운 표적 물질 모델(14)인 경우, 금속 산화물 박막(12)의 막 두께가 그 직경과 거의 동일하거나 그 이하인 것을 의미하고, 표적 물질 모델(14)이 직선형인 경우에는, 금속 산화물 박막(12)의 막 두께가 그 길이와 거의 동일하거나 그 이하인 것을 의미한다. 금속 산화물 박막(12)의 막 두께가 너무 두꺼우면, 표적 물질 모델(14)이 표면에 나오지 않기 때문에, 이것을 제거해도 표적 물질을 끼워맞춤할 수 있는 오목부가 형성되지 않는다. 단, 금속 알콕시드보다도 비중이 작은 표적 물질 모델(14)을 사용하는 경우 등, 표적 물질 모델(14)이 표면에 나오도록 금속 산화물 박막(12)을 형성할 수 있는 경우에는, 반드시 막 두께의 제어가 필요하지는 않다.

또한, 기판 표면의 관능기는 수산기뿐만 아니라, 카르복실기 등, 금속 알콕시드에 대해서 반응 활성인 관능기를 갖는 것이면 좋다. 또한, 금속 산화물 박막은 금속 알콕시드 화합물로부터 합성할 수 있는 것이면 특히 한정되지 않고, 금속 알콕시드 화합물의 종류에 따라서 여러가지 금속 산화물 초박막을 제작할 수 있다.

또한, 표면 졸-겔법에 의하면, 용액 중에서의 금속 알콕시드 화합물의 흡착에 의거하여 박막이 형성되기 때문에, 기판의 형상에 의존하지 않고, 균일한 두께의 막을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 표면 졸-겔법에 의하면, 금속 알콕시드의 조성의 조정 및 반응 조건에 의한 포러스(porous) 구조 등의 도입에 의해서, 산화 환원 반응 분자의 전극으로의 이동도를 변화시킴으로써 제작되는 금속 산화물 박막의 절연성을 간편하게 제어할 수 있으므로, 전기 화학적 검출에 적합한 절연성으로 조절하는 것이 가능하다. 또한, 금속 알콕시드의 조성으로서는, 순 알콕시드뿐만 아니라 알킬 치환한 것이나, 게다가 비닐기, 페닐기, 이소시아네이트기 등을 도입한 화합물도 임의의 비로 혼합하여 사용하는 것이 가능하다.

다음에, 표적 물질 모델에 관하여 설명한다. 표적 물질 모델은 상술한 바와 같이, 검출 또는 정량하고자 하는 표적 물질과 동일 또는 거의 동일한 형상을 갖는 물질이며, 바람직하게는, 표적 물질과 동일한 물질이다. 표적 물질은 예를 들면, 유기 분자, 생체 분자, 세포, 미생물 등으로부터 선택되므로, 그것에 따라서 적절히 표적 물질을 선택한다. 여기서, 생체 분자란 생체에 유래하는 분자라면 특히 한정되지 않는데, 예를 들면, 단백질, 핵산, 당, 지질 등을 의미한다.

<제 2 공정 : 표적 물질 모델의 제거>

이어서, 도 1의 (c)에 나타낸 바와 같이, 금속 산화물 박막(12)으로부터 표적 물질 모델(14)을 제거하여, 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부(16)를 형성한다. 표적 물질 모델(14)의 제거 방법으로서는, 산소 플라스마 처리, 오존 산화 처리, 용출 처리, 및 소성 처리 등을 들 수 있는데, 그 중에서도 산소 플라스마 처리 및 용출 처리에 의한 것이 바람직하다. 산소 플라스마 처리에 의하면, 유기 분자 등만이 깨끗하게 소결(燒結) 제거되어, 금속 산화물 박막(12) 중에 표적 물질 모델의 형상인 오목부(16)를 정확하게 형성할 수 있다. 또한, 암모니아수 등의 알칼리성 수용액을 사용한 용출 처리를 행한 경우에도 표적 물질 모델을 깨끗하게 제거할 수 있다.

<제 3 공정 : 시료 용액과 금속 산화물 박막과의 접촉>

다음에, 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 시료 용액(A) 중에 기판(10)을 침지시켜서, 시료 용액(A)과 금속 산화물 박막(12)을 접촉시킨다. 이렇게 함으로써, 시료 용액 중에 표적 물질(18)이 존재하면, 표적 물질(18)은 오목부(16)에 끼워맞춤된다.

또한, 본 실시예에서는 기판(10) 전체를 시료 용액에 침지시켰지만, 예를 들 면, 시료 용액을 포함하는 액적을 금속 산화물 박막(12) 위에 배치해도 좋다.

<제 4 공정 : 전기 화학적 검출>

다음에, 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 장치(20)에 의해서 전극 기판(10) 표면 근방에서의 전자의 수수를 전기 화학적으로 검출한다. 전기 화학적 검출은 예를 들면, 사이클릭 볼트암메트리법(CV법), 정전위 측정법, 정전류 측정법, 임피던스 측정법 등에 의해 행할 수 있다. 본 실시예에서는 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 전극 기판(10)과, 그것에 대한 카운터 전극(22)과, 참조 전극(24)이 장치(20)에서 하나의 검출 회로에 접속되어 있고, 이것에 의해 전극 기판(10) 표면 근방의 전류를 검출하는 것이 가능하다.

여기서, 측정 원리의 개략을 설명한다. 도 1의 (d)에 나타낸 바와 같이, 전극 기판(10)을 침지시킨 시료 용액에는 전자의 이동을 보조하는 산화 환원 반응 분자(예를 들면, 페로센 등)가 용해되어 있다. 여기서, 전극 기판(10) 및 카운터 전극(22) 사이에 적당한 전압을 걸므로써, 산화 환원 반응 분자가 전자를 이동시킨다. 금속 산화물 박막(12)은 상술한 바와 같이 그 조성을 조정하여, 포러스 구조를 도입함으로써, 전극 표면에 대해서 산화 환원 반응 분자가 양호하게 전자의 수수를 행할 수 있다. 그러나, 오목부(16)에 표적 물질(18)이 끼워맞춤되면, 이 부분에서 전자의 수수를 표적 물질(18)이 블록하는 형상이 되어, 전자의 수수(전류량)의 저하가 검출된다.

따라서, 전자의 수수가 저하한 경우에는, 표적 물질(18)이 오목부(16)에 끼워맞춤된 것, 나아가서는, 표적 물질(18)이 시료 용액(A) 중에 존재한 것을 확인할 수 있다. 전류량의 저하를 정량적으로 측정하면, 표적 물질(18)의 시료 용액 중에서의 농도를 정량적으로 구하는 것도 가능하다. 한편, 전류량에 변화가 없으면, 오목부(16)에는 표적 물질이 끼워맞춤되지 않은 것이 되어, 시료 용액(A) 중에는 표적 물질(18)이 존재하지 않은 것으로 고려된다.

또한, 한 번 측정을 끝낸 후, 금속 산화물 박막(12)으로부터 표적 물질(18)을 산소 플라스마법 등에 의해 제거하면, 금속 산화물 박막(12)에는 재차 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부가 형성되므로, 재이용하는 것이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 검출·정량 방법에 의하면, 표면 졸-겔법을 이용하여, 금속 산화물 박막(12)에 표적 물질(18)이 끼워맞춤 가능한 오목부(16)를 형성함으로써, 시료 용액 중의 표적 물질의 유무를 검출하고, 또한, 정량하는 것이 가능하다.

상기 방법에서는, 생체 분자간의 특이적인 결합을 이용하는 것이 아니므로, 분자의 결합 부위나 특정한 관능기의 결합능을 유지하도록 고정할 필요가 없다. 또한, 최종적으로, 표적 물질 모델로서 사용된 생체 분자는 제거되고, 표적 물질을 포착하는 부분은 금속 산화물만으로 형성되어 있으므로, 그 결합 특성에 경시적(經時的) 변화가 거의 생기지 않는다. 그 때문에 보존성이 우수한 동시에, 상술한 바와 같이 재차 소결 처리하여 재이용하는 것도 가능하다.

또한, 전자 전달 물질이 표적 물질에 의해 블록되는 것을 측정함으로써, 표적 물질을 검출·정량하므로, 표적 물질에 형광 물질 등을 이용하여 라벨링할 필요도 없어, 비용적으로도 이점이 있다.

(제 2 실시예)

다음에, 본 발명의 제 2 실시예로서, 본 발명에 따른 전극 기판, 및 그 전극 기판을 구비하는 표적 물질을 검출·정량하기 위한 장치에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 전극 기판은 표면이 금속 산화물로 이루어지는 박막이 형성되고, 이 박막에 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 전극 기판은 도 1의 (c)에서, 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부(16)가 형성되어 있는 금속 산화물 박막(12)이 형성된 전극 기판(10)으로서 도시되어 있다. 이러한 기판(10)은 생체 물질을 고정화한 마이크로 어레이 등에 비교하여 보존 안정성이 우수해서, 독립하여 유통 가능한 것이다. 전극 기판(10)의 제조 방법은 제 1 실시예에서 이미 기술했기 때문에, 여기서는 설명을 생략한다.

이와 같이, 전극 기판(10)을 독립된 구성으로 하여, 카운터 전극이나 참조 전극을 각각 시료 용액(A)에 침지시켜서 전기 화학적 측정을 행해도 좋지만, 전극 기판(10)과, 카운터 전극(22)과 참조 전극(24)을 일체적으로 구비한 검출·정량 장치로 할 수 있다.

이러한 장치의 일례를 도 2에 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 전극 기판(10)과, 상기 전극 기판(10)에 대한 카운터 전극(22)과, 참조 전극(24)을 구비하는, 본 발명에 따른 검출 장치(100)의 개략 평면도를 나타낸다. 도 2에 나타내는 검출 장치(100)는 주요한 전극 구성만을 예시한다. 본 발명에 사용하는 카운터 전극(22)은 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 백금으로 구성된다. 또한, 본 발명에 사용하는 참조 전극(24)은 전극 기판(10)과 카운터 전극(22)의 전위의 기준이 되는 전극으로, 특히 한정되지 않지만, 염화은으로 구성된다.

전극 기판(10) 표면에는, 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부가 형성된 금속 산화물 박막이 형성되어 있다. 예를 들면, 시료 용액을 상기 카운터 전극(22)및 상기 참조 전극(24)과, 전극 기판(10)을 덮도록 적하하면, 본 발명에 의한 전극 기판(10) 표면 근방에서 전자의 수수가 발생한다. 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 상기 카운터 전극(22) 및 상기 참조 전극(24)과, 본 발명에 의한 전극 기판(10)을 개별적으로 검출 회로(120)와 전기적으로 접속함으로써, 발생한 전류를 검출 회로(120)에서 측정할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 검출 회로(120)의 구체예로서는, 특히 한정되지 않지만, 박막 트랜지스터 등을 들 수 있다. 또한, 전류의 측정은 전기 화학적인 측정으로 가능하며, 예를 들면, 사이클릭 볼트암메트리법, 디퍼렌셜 펄스 볼트암메트리법, 정전위 측정법, 정전류 측정법, 임피던스 측정법 등에 의해 행할 수도 있다.

도 3은 복수의 본 발명에 따른 검출 장치(100)와, 각 검출 장치(100)와 개별적으로 전기적으로 접속된 검출 회로(120)를 구비하는 장치(150)의 개략 평면도를 나타낸다. 또한, 검출 회로(120)와 검출 장치(100)의 전기적 접속은 검출 장치(100) 중, 본 발명에 따른 전극 기판(10), 카운터 전극(22) 및 참조 전극(24)의 각각으로부터 개별적으로 검출 회로(120)와 접속되어 있다. 검출 회로(120)로서 박막 트랜지스터를 사용한 경우, 본 발명에 의한 전극 기판(10)을 박막 트랜지스터의 드레인부에 접속하여, 전극 기판(10)에서 측정된 전류값을 받고, 또한 증폭시킬 수도 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 이러한 장치는 개별 검출 장치(100)마다, 동일 또는 다른 시료 용액과 접촉시키거나, 또는, 다른 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부를 갖는 금속 산화물 박막을 형성해 둠으로써, 동시에 동일 시료 또는 복수의 시료에서의 표적 물질의 검출·정량이 가능하게 된다. 또한, 동일한 시료라도, 표적 물질 모델의 도입량을 변경하여 오목부(16)의 수를 조정한 개별 검출 장치(100)와 접촉시킴으로써 측정 가능한 농도 범위를 넓힌 측정도 가능하다. 또한, 각 검출 장치(100)와 검출 회로(120)를 접속하는 회로는 특히 한정되지 않지만, 은 배선 등으로 접속되어 있다.

도 4는 도 3에 나타낸 장치(150)를 퍼스널 컴퓨터(이하, 간단히 「PC」라고 함)(160)에 접속하고, PC로 구동 가능하게 한 시스템(200)의 개략 사시도를 나타낸다. 또한, 장치(150)는 예를 들면, 플라스틱 등의 저렴한 재료로 씌워진 구성으로 되어 있어, 일회용품으로서 사용된다. 본 발명에서 사용하는 플라스틱 기판의 구체예로서는, 특히 한정되지 않지만, 아크릴 수지, 폴리카보네이트 수지 등을 들 수 있다. 일회용품으로 함으로써 미량의 표적 물질의 검출에 사용해도, 오염을 방지하는 것이 가능하게 된다. 특히, PC와의 접속에 의해, 검출 회로(120)로서 박막 트랜지스터를 통하여, 박막 트랜지스터에서 얻어진 정보를 USB 등의 인터페이스로 PC에 송신할 수 있고, 따라서 PC 구동에 의한 검출이 가능하게 된다. 또한, 장치(150)에 박막 트랜지스터와 접속한 RF 태그를 배치하여, 박막 트랜지스터에서 얻어진 정보를 무선 통신에 의해, PC로 송신할 수 있다. 시료를 검출할 때, 마이크 로 스포팅법이나 잉크젯법 등에 의해, 시료 용액의 액적을 본 발명에 의한 전극 기판(10)과 접촉시켜서 검출하는 것도 가능하다. 이러한 시스템(200)에 의해, 인비트로(in vitro)로, 리얼 타임으로 검출 가능한 센서 시스템(200)이 제공된다.

(제 3 실시예)

다음에, 본 발명의 제 3 실시예로서, 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량을 위한 키트에 관하여 설명한다.

본 발명에 따른 키트는 적어도 전극 기판과, 상기 전극 기판에 박막을 형성하기 위한 금속 알콕시드 화합물을 포함하는 재료와, 산화 환원 반응 분자를 포함한다. 이러한 키트에 의하면, 사용자는 임의의 표적 물질을 선택하여, 금속 알콕시드 화합물에 의해 상기 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 전극 기판 표면에 형성할 수 있다. 그리고, 이러한 전극 기판을 사용하여 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량 방법을 적합하게 행할 수 있다. 또한, 전극 기판은 도 1에 나타낸 바와 같이, 카운터 전극(22) 및 참조 전극(24)을 구비한 장치(100)로서 키트에 구비되어 있는 것도 바람직하고, 또한 이러한 장치를 복수개 구비한 시스템(200)으로서 키트에 구비되어 있는 것도 바람직하다.

상기 키트에는 그 밖에, 금속 산화물 박막의 형성에 사용되는 시약이나, 검출·정량 공정에서 사용되는 시약 등을 첨가해도 좋고, 또한 필요에 따라 취급 설명서 등을 구비하고 있어도 좋다.

이하에 나타내는 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 더 상세하게 설명하겠지만, 이들은 예시적인 것이며, 본 발명은 이하의 구체예에 제한되는 것은 아니다. 당업자는 이하에 나타내는 실시예에 각종 변경을 가하여 본 발명을 실시 할 수 있고, 이러한 변경은 본원 특허 청구의 범위에 포함된다.

[실시예 1]

<금속 산화물 박막의 형성>

우선, 측정에 사용하는 전극으로서, 실리콘 기판 위에 금을 증착한 것을 오존 세정하고, 메르캅토 프로판산의 1mM 에탄올 용액에 12시간 침지하여, 표면에 수산기를 도입했다. 이어서, 상기 기판을 에탄올로 세정 후, 질소 가스를 뿌려서 충분히 건조시켰다. 이 기판의 표면은 마이너스로 대전되어 있으므로, 플러스로 대전되어 있는 표적 물질을 사용하는 경우에는, 이 기판을 그대로 사용하여 표적 물질을 흡착시킬 수 있다. 그러나, 본 실시예에서는 마이너스로 대전되어 있는 올리고펩티드를 표적 물질 및 표적 물질 모델로서 사용했기 때문에, 전극 기판을 폴리디알릴 디메틸암모늄 클로라이드의 1mg/mL의 수용액에 침지하여, 표면을 플러스로 했다. 또한, 여기서는 Ala-Ala-Ala-Ala, Val-Val-Val-Val, Ala-Ala-Val-Ala 3종류의 올리고펩티드를 사용했다. 여기서. Ala는 알라닌, Val은 발린을 나타낸다.

다음에, 전극 기판을 표적 물질 모델로서 올리고펩티드의 0.1mg/mL의 인산 버퍼 용액(pH7.2)에 약 10분 침지시켜서, 정전적으로 표면 흡착시키고, 게다가, 이 기판을 이온 교환수로 세정하고, 질소 가스를 뿌려서 충분히 건조시켰다.

다음에, 표면 졸-겔 공정으로서, 이 기판을 티타늄 이소프로폭시드(Ti(O-iPr)₄)의 100mM 에탄올 용액에 1분간 침지하고, 이온 교환수로 세정한 후, 질소 가 스를 뿌려서 충분히 건조시켰다. 이 표면 졸-겔 공정을 3회 반복하여, 티타니아의 다층막을 형성했다.

이어서, 얻어진 표적 물질 모델로서 상술한 올리고펩티드를 함유하는 금속 산화물 박막을 산소 플라스마 발생 장치의 시료실에 넣어, 산소 분압 176mTorr, 고주파 출력 10W의 조건하, 실온에서 20분간 산소 플라스마를 조사하고, 다시, 산소 분압 176mTorr, 고주파 출력 20W의 조건하, 실온에서 40분간 플라스마 조사하여, 막 중의 표적 물질 모델을 제거했다. 또한, 산소 플라스마 처리에 의해, 표적 물질 모델로서의 올리고펩티드가 제거되고 있는 상태는 반사형 적외 흡수 측정에 의해서 평가했다.

이어서, 전기 화학 측정용의 용액 10mL(용액 조성 ; 페리시안화 칼륨 : 5mM, NaCl : 20mM, 인산 버퍼(pH 7.2) : 10mM)에 작성한 기판을 침지하고, 다시 올리고펩티드 용액(0.1∼10㎍/mL)을 1mL 첨가하여, 그 첨가 전후에서 전기 화학 측정을 행하였다. 도 5에 그 CV 측정의 결과를 나타낸다. 표적 물질(Ala-Ala-Ala-Ala)이 오목부에 끼워맞춤되기 전의 결과를 실선으로, 표적 물질 모델과 동일한 아미노 배열을 갖는 올리고펩티드가 오목부에 끼워맞춤된 경우의 결과를 점선으로, 표적 물질 모델과 일부의 아미노 배열이 다른 올리고펩티드(Ala-Ala-Val-Ala)가 오목부에 끼워맞춤된 경우의 결과를 일점쇄선으로 나타낸다.

표적 물질 모델과 동일한 아미노 배열을 갖는 올리고펩티드가 완전히 끼워맞춤됨으로써, 전극 기판 표면 근방에서의 전자의 수수가 저해되어, 검출되는 산화 환원 반응 물질 유래의 전류값은 크게 감소했다. 또한, 표적 물질 모델과 일부의 아미노 배열만 다른 올리고펩티드가 오목부에 끼워맞춤된 경우, 전류값의 큰 감소는 볼 수 없었지만, 약간의 감소가 확인되어, 불완전하지만 끼워맞춤된 것으로 고려되었다.

이 결과로부터, 본 발명에 따른 표적 물질의 검출·정량 방법에 의하면, 아미노 배열의 근소한 차이도 인식하여, 검출할 수 있는 것이 확인되었다.

본 발명에 의하면, 시료 용액 중의 표적 분자를 간이하면서 동시에 고감도로 검출 또는 정량할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.

Claims

시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량(定量)하는 방법으로서,

전극 기판 위에, 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 형성하는 제 1 공정과,

상기 금속 산화물 박막으로부터 상기 표적 물질 모델을 제거함으로써, 상기 금속 산화물 박막에 상기 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부를 형성하는 제 2 공정과,

산화 환원 반응 분자를 첨가한 상기 시료 용액과, 상기 오목부가 형성된 상기 금속 산화물 박막을 접촉시키는 제 3 공정과,

상기 제 3 공정의 전후에 걸쳐서, 상기 전극 기판 표면 근방에서의 산화 환원 반응 분자와의 전자 수수(授受)의 변화를 전기 화학적으로 검출하는 제 4 공정을 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 표적 물질이 유기 분자, 생체 분자, 세포, 미생물 및 바이러스로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 제 2 공정에서, 상기 금속 산화물 박막을 상기 표적 물질 모델이 1층만 포함되는 막 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 공정에서, 상기 금속 산화물 박막을 금속 알콕시드 화합물을 사용한 표면 졸-겔법에 의해서 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 공정에서, 표적 물질 모델의 제거를 산소 플라스마 처리, 오존 산화 처리, 용출 처리, 및 소성 처리로 이루어지는 군으로부터 선택되는 처리에 의해서 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 4 공정에서의 검출이 CV 측정, 정전위 측정, 정전류 측정, 및 임피던스 측정으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 측정 방법에 의해서 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 제 4 공정에서, 시료 용액 중에 용해된 산화 환원 반응 분자와의 상기 기판 표면 근방에서의 전자 수수가 감소한 경우에, 상기 시료 용액 중에 표적 물질이 존재한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 전극 기판으로서,

그 표면에 금속 산화물로 이루어지는 박막이 형성되고,

상기 박막에 표적 물질이 끼워맞춤 가능한 오목부가 형성되어 있는 전극 기판.
제 8 항에 있어서,

상기 오목부가, 상기 전극 기판 표면에 표적 물질 모델을 포함하는 금속 산화물 박막을 형성하고, 상기 금속 산화물 박막으로부터 상기 표적 물질 모델을 제거함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 기판.
시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 장치로서,

제 8 항 또는 제 9 항에 기재된 전극 기판과,

상기 전극 기판에 대한 카운터 전극과,

참조 전극을 구비하는 장치.
제 10 항에 있어서,

상기 전극 기판과, 상기 카운터 전극과, 상기 참조 전극을 개별적으로 전기적으로 접속한 검출 회로를 더 구비하는 장치.
시료 용액 중의 표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 키트로서,

전극 기판과,

상기 전극 기판에 박막을 형성하기 위한 금속 알콕시드 화합물을 포함하는 재료와,

기판 근방에서 전자 수수하는 산화 환원 반응 분자를 포함하는 키트.
표적 물질을 검출 또는 정량하기 위한 키트로서,

제 10 항에 기재된 장치와,

기판 근방에서 전자 수수하는 산화 환원 반응 분자를 포함하는 키트.