KR101333482B1 - 표면 플라즈몬 산란 및 공명 검출에 기반한 생체 물질 측정 시스템 - Google Patents

표면 플라즈몬 산란 및 공명 검출에 기반한 생체 물질 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간으로 동시 검출된 LSPR 및 SERS를 기반으로 단일 또는 다중의 생체 물질을 측정하는 시스템에 관한 것으로서, 외부로 빛을 조사하거나 또는 외부에서 발생한 빛을 감지하는 광섬유를 하나 이상 구비하는 센서부; 상기 센서부의 광섬유에 외부로 조사되는 빛을 제공하는 광원; 상기 센서부의 광섬유에 의해 외부로부터 받아들인 빛을 수렴하는 커플러; 상기 커플러에 의해 수렴된 빛 중 특정 파장의 빛은 반사시키고 나머지 파장의 빛은 투과시켜 분리하는 광필터; 상기 광필터에 의하여 반사된 빛으로부터 LSPR을 측정하는 제1 검출부; 및 상기 광필터에 의하여 투과된 빛으로부터 SERS를 측정하는 제2 검출부를 포함하는 생체 물질 측정 시스템을 제공한다. 본 발명의 생체 물질 측정 시스템 및 방법은 단일 또는 다중의 생체 물질을 실시간으로 정량 및 정성 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 인 비트로 측정(in vitro measuring) 및 인 비보 측정(in vivo measuring)을 비롯하여 세포 내 측정(intracelluar measuring)까지도 수행할 수 있는 효과가 있는 바, 의료 진단 장비 또는 신약 스크리닝 장비 등에 유용하게 이용될 수 있다.

Description

표면 플라즈몬 산란 및 공명 검출에 기반한 생체 물질 측정 시스템{Measuring system for biological materials based on Surface Plasmon Scattering and Resonance}
본 발명은 생체 물질 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실시간으로 동시 검출된 LSPR 및 SERS를 기반으로 단일 또는 다중의 생체 물질을 측정하는 시스템에 관한 것이다.
분자 생물학 및 생화학의 발전에 따라, 생체 물질의 화학적 작용에 근거한 생명 현상의 해석을 위하여 생체 물질의 검출 및 분석을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 복잡한 생명 현상이 다양한 생체 물질들 간의 상호 작용에 의하여 일어난다는 점에서 여러 생체 물질을 다중으로 검출 및 분석하는 기술이 주목을 받고 있다. 상기와 같은 생체 물질의 다중 검출 및 분석을 위해, 종래 형광분석법이 가장 널리 이용되고 있다. 그러나, 상기 형광분석법은 동일 수준의 연속적인 영상을 얻기가 어려워, 생체 물질의 동역학(kinetics)을 정확히 분석하기 어려운 문제가 있고, 각 생체 물질마다 다른 동역학로 인하여 다중 검출이 어려운 문제점이 있다.
종래 기술의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 생체 물질을 측정하는데 분광학적 기법을 적용하는 라만 산란법(Raman Scattering)과 표면 플라즈몬 공명법(surface Plasmon Resonance)이 주목을 받고 있다. 특히, 라만 산란법 중 한 분야인 표면 증강 라만 산란법(Surface Enhanced Raman Scattering; 이하 SERS라 한다.)과 표면 플라즈몬 공명법 중의 하나인 국소화 표면 플라즈몬 공명법(Localized Surface Plasmon Resonance; 이하 LSPR이라 한다.)은 생체 물질 측정에의 적용이 활발히 시도되고 있다.
라만 산란법이란 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지 빛을 분자에 조사하여, 이에 대한 산란광을 관찰하는 방법을 말한다. 상기 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지의 빛이 조사될 때 상기 분자와 상호작용을 함으로써, 상기 산란광은 상기 입사광보다 분자 진동 에너지만큼 에너지를 잃거나 얻게 된다. 이러한 현상은 상기 분자의 진동 에너지가 고유한 것이기 때문에 가능한 것이다. 상기 SERS란 분자가 금속 나노 구조의 주변에 존재할 경우, 그 분자의 라만 산란 신호가 크게 증가하는 현상을 의미한다. 이러한 SERS 현상이 발견된 후, 이를 다양한 물질의 정성 분석에 응용하고 있다.
한편, 표면 플라즈몬 공명법에 있어서, 표면 플라즈몬이란 금속 박막과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파를 의미하며, 상기 표면 플라즈몬 공명 현상은 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 의미한다. 이러한 표면 플라즈몬 공명법은 상술한 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측하거나 반응의 진행상황을 실시간 측정하는데 이용될 수 있다. 상기 표면 플라즈몬 공명법 중의 한 분야인 LSPR은 금속 나노 입자에 전자가 구속되어 집단적인 진동을 일으키는 것을 의미하는데, 상기 LSPR은 금속 나노 입자의 종류에 따라서, 표면 플라즈몬 흡수 밴드의 세기와 파장이 달라지며, 금속 나노 입자가 어떤 물질과 상호작용하는지 여부에 따라 표면 플라즈몬 파장이 달라지는 특성이 있다. 이러한 LSPR 역시 다양한 물질의 정량 분석에 응용하고 있다.
상기와 같은 SERS와 LSPR은 금속 나노 입자에서 동시에 발생시킬 수 있는 현상으로서 생체 물질의 분석에 있어 점차 그 적용 범위가 확대되고 있음에도 불구하고, 아직까지 개별적으로 측정하여 생체 물질을 분석하고 있을 뿐, 양 현상을 동시에 실시간으로 측정하는 시스템은 아직 구현되지 못하고 있다. 또한, 다중의 표지체를 이용한 생체 물질의 다중 검출 및 측정을 위한 시스템 역시 개발이 필요한 상황이다.
본 발명의 목적은 다중의 생체 물질로부터 발생하는 LSPR 및 SERS를 실시간으로 함께 측정하여, 다중의 생체 물질을 빠르게 정량 및 정성 분석할 수 있는 생체 물질 측정 시스템, 및 이를 이용한 생체 물질 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 외부로 빛을 조사하거나 또는 외부에서 발생한 빛을 감지하는 광섬유를 하나 이상 구비하는 센서부; 상기 센서부의 광섬유에 외부로 조사되는 빛을 제공하는 광원; 상기 센서부의 광섬유에 의해 외부로부터 받아들인 빛을 수렴하는 커플러; 상기 커플러에 의해 수렴된 빛 중 특정 파장의 빛은 반사시키고 나머지 파장의 빛은 투과시켜 분리하는 광필터; 상기 광필터에 의하여 반사된 빛으로부터 LSPR을 측정하는 제1 검출부; 및 상기 광필터에 의하여 투과된 빛으로부터 SERS를 측정하는 제2 검출부를 포함하는 생체 물질 측정 시스템을 제공한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 다른 측면은 금속 나노 입자가 부착된 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계; 상기 시료에 입사광을 조사하는 단계; 상기 조사된 입사광이 상기 시료와 반응하여 발생되는 출력광을 수렴하는 단계; 상기 수렴된 출력광 중 상기 입사광의 중심 파장에 대응되는 중심 파장 성분은 반사시키고, 상기 중심 파장 성분을 제외한 나머지 산란광 성분은 투과시켜 분리하는 단계; 및 상기 반사된 빛과 투과된 빛으로부터 각각 LSPR 및 SERS를 실시간으로 동시에 측정하는 단계를 포함하는 생체 물질 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 생체 물질 측정 시스템 및 방법은 단일 또는 다중의 생체 물질을 실시간으로 정량 및 정성 분석할 수 있을 뿐만 아니라, 인 비트로 측정(in vitro measuring) 및 인 비보 측정(in vivo measuring)을 비롯하여 세포 내 측정(intracelluar measuring)까지도 수행할 수 있는 효과가 있는 바, 의료 진단 장비 또는 신약 스크리닝 장비 등에 유용하게 이용될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 물질 측정 시스템을 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 물질 측정 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 시스템이 피검 생체 물질을 다중 검출하는 원리를 설명한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 물질의 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명 시스템의 센서부 말단에 형성된 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질을 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 6의 (a)는 기판 상에 고정된 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질의 반응을 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개념도이고, 도 6의 (b)는 상기 기판 상에 고정된 표지체를 이용하여 LSPR과 SERS를 동시에 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
도 7은 고정되지 않고 부유하는 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질의 반응을 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개념도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 한정되지 아니하고, 다른 균등물 또는 대체물을 포함할 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타내며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
1. 생체 물질 측정 시스템
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 물질 측정 시스템을 모식적으로 나타낸 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 시스템은 센서부(100), 광원(200), 커플러(300), 광필터(400), 제1 검출부(500) 및 제2 검출부(600)를 포함하고, 상기 센서부(100), 커플러(300) 및 광원(200)은 서로가 순차적으로 연결된다. 상기 센서부(100)는 표지체에 빛을 입사하거나 또는 표지체로부터 발생한 빛을 받아들인다. 또한, 상기 광원(200)은 상기 센서부(100)에서 외부의 표지체를 향해 입사될 빛을 제공하고, 상기 커플러(300)는 상기 센서부(100)에 의해 받아들인 표지체 유래의 빛을 수렴하여 상기 광필터(400)에 전달한다. 또한, 상기 광필터(400)는 상기 커플러(300)에 의해 수렴된 빛 중 특정 일부 파장의 빛은 반사시키고 나머지 파장의 빛은 투과시켜 분리한다. 또한, 상기 제1 검출부(500)는 상기 광필터(400)에 의하여 반사된 빛으로부터 국소화 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance; 이하, LSPR이라 한다.)을 측정하고, 상기 제2 검출부(600)는 상기 광필터(400)에 의하여 투과된 빛으로부터 표면 향상 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering; 이하, SERS라 한다.)을 측정한다. 상기 제1 및 제2 검출부에 의하여 독립적으로 측정된 LSPR 및 SERS은 생체 물질의 정량 및 정성 분석에 이용된다.
상기 센서부(100)는 하나 이상의 광섬유를 구비하고, 상기 광섬유의 일단은 금속 나노 입자가 부착된 표지체 및 상기 표지체에 특이적으로 결합되는 피검 생체 물질이 존재하는 외부 환경에 노출된다. 상기 센서부(100)는 상기 광섬유를 통하여 외부 환경의 표지체로 빛을 조사하고, 상기 광섬유를 통하여 외부 환경의 표지체로부터 발생되는 빛을 받아들인다. 상기 표지체에 부착된 금속 나노 입자는 그 성분 및 구조가 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 증강 라만 산란이 일어나는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 특히, 상기 금속 나노 입자는 금 또는 은으로 구성된 구형의 입자일 수 있다.
먼저, 상기 센서부(100)는 상기 표지체에 빛을 입사시킨다. 상기 '센서부(100)에서 표지체로 입사되는 빛(이하, 입사광이라 한다.)'은 광원(200)에서 제공되며, 상기 광원(200)에서 제공되는 빛은 센서부(100)의 광섬유를 통하여 외부 환경의 표지체로 입사된다. 상기 광원(200)에서 제공된 빛은 상기 광섬유의 일단으로 입사되고, 상기 광섬유의 일단으로 입사된 빛은 전반사되어 상기 광섬유의 타단으로 전달되며, 최종적으로 외부 환경에 존재하는 표지체를 향하여 입사된다.
상기 입사광은 상기 표지체에 부착된 금속 나노 입자와 반응하여 새로운 빛(출력광)을 발생시킨다. 상기 표지체에 부착된 금속 나노 입자는 상기 표지체의 상태에 따라, 입사광의 파장 또는 세기(intensity)를 변화시켜 새로운 형태의 빛(출력광)을 발생시킨다. 상기 출력광은 ①상기 표지체에 피검 생체 물질이 결합하였는지 여부에 따라, ②상기 표지체에 어떤 피검 생체 물질이 결합하였는지 여부에 따라, 또는 ③상기 표지체에 얼마나 많은 양의 피검 생체 물질이 결합하였는지 여부에 따라 달라진다. 즉, 상기 출력광은 상기 입사광이 상기 표지체에 부착된 금속 나노 입자와의 반응을 통해 흡수 및 산란된 결과를 반영하는 것이고, 따라서 상기 출력광에는 상기 표지체에 결합된 피검 생체 물질에 대한 정보가 담겨있는 것이다. 상기와 같이 피검 생체 물질에 대한 정보가 담겨져 있는 출력광은 다시 센서부(100)로 입사된다.
마지막으로, 상기 센서부(100)는 광섬유를 통하여 상기와 같이 출력광을 받아들인다. 상기 출력광은 상기 센서부(100)의 광섬유로 입사된 후, 전반사되어 상기 커플러(300)로 전달된다. 상기 출력광이 입사되는 광섬유는 상기 입사광을 입사시킨 광섬유와 동일한 광섬유일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 아니하고, 상기 센서부(100)에 복수 개의 광섬유가 구비되는 경우에는 상기 입사광을 입사시킨 광섬유와 상기 출력광이 입사되는 광섬유가 서로 다른 광섬유일 수도 있다. 상기와 같이 센서부(100)의 광섬유 내로 입사된 출력광은 전반사를 통하여 상기 커플러(300)로 전달된다.
상기 광원(200)은 상기 센서부(100)를 향하여 입사광을 제공하는 것으로서, 상기 커플러(300)를 거쳐 센서부(100)에 연결되고, 상기 광원(200)과 커플러(300) 및 상기 커플러(300)와 센서부(100)는 각각 제1 광도파관(700) 및 제2 광도파관(800)에 의하여 연결된다. 상기 광원(200)에서 제공된 빛은 제1 광도파관(700)을 통하여 커플러(300)로 전달되고, 다시 제2 광도파관(800)을 통하여 상기 센서부(100)로 전달된다.
상기 광원(200)은 단색의 빛을 제공하는 것이 바람직하다. 상기 광원(200)은 중심 파장을 중심으로 파장 폭이 좁은 형태를 지니는 종류의 광이면 제한되지 않고 적용될 수 있고, 그 일 예로서 상기 광원(200)은 레이저 광일 수 있다. 상기 중심 파장이란 상기 센서부(100)로 제공되는 입사광의 색을 결정하는 파장을 의미할 수 있다. 일 예로서, Ar 레이저의 경우 중심 파장이 514.5 ㎚인 녹색광의 레이저광, 또는 Nd:YAG 레이저의 경우 중심 파장이 532 ㎚인 녹색광인 레이저 광을 들 수 있으며, 상기 레이저들의 녹색광은 상기 중심 파장으로부터의 좌우 폭이 0.5 ㎚ 이내이다. 이 외에도 가시광선 영역의 다양한 중심 파장을 갖는 레이저 광이 목적에 따라 당업자의 선택에 의하여 적절하게 이용될 수 있다.
상기 제1 광도파관(700)은 상기 광원(200)과 상기 커플러(300) 사이에서 광원(200)에서 제공된 빛을 상기 커플러(300)로 전달하는 역할을 하는 것으로서, 광섬유와 같이 빛을 전달할 수 있는 재질의 물질이면 제한되지 않고 이용될 수 있다.
상기 제2 광도파관(800)은 상기 커플러(300)와 센서부(100) 사이에서 입사광 및 출력광을 전달하는 역할을 하는 것으로서, 상기 제1 광도파관(700)과 마찬가지로 광섬유와 같이 빛을 전달할 수 있는 모든 재질의 물질을 이용될 수 있다. 상기 제2 광도파관(800)은 광원(200)으로부터 제공된 입사광을 커플러(300)에서 센서부(100)로 전달하거나, 센서부(100)에 받아들인 출력광을 센서부(100)에서 커플러(300)로 전달하는 역할을 한다. 빛을 광원(200)과 커플러(300) 사이에서 단방향으로 전달하는 상기 제1 광도파관(700)과는 달리, 상기 제2 광도파관(800)은 커플러(300)와 광원(200) 사이에서 빛을 단방향이 아닌 쌍방향으로 전달한다. 상기 제2 광도파관(800)을 통하여 광원(200)으로부터 제공된 빛이 상기 커플러(300)에서 상기 센서부(100)로 전달됨에, 상기 커플러(300)는 상기 광원(200) 유래의 빛에 아무런 영향을 미치지 아니하고, 제공받은 그대로의 빛을 상기 센서부(100)에 전달한다.
상기 커플러(300)는 상기 제2 광도파관(800)을 통하여 상기 센서부(100)의 광섬유와 연결되고, 센서부(100)의 광섬유를 통해 받아들여진 복수 개의 출력광을 하나의 광신호로 수렴하여 상기 광필터(400)에 전달한다. 상기 커플러(300)는 복수 개의 출력광을 하나의 광신호로 수렴할 수 있는 광학 장치라면 제한되지 않고 이용될 수 있으나, 특히, 상기 커플러(300)는 광섬유 커플러(300) 또는 빔 스플리터(beam splitter) 등 일 수 있다. 따라서, 상기 커플러(300)로서 광섬유 커플러(300)가 이용되는 경우, 상기 광섬유 커플러(300)는 n × 1 광섬유 커플러(n은 2 이상의 정수)인 것이 바람직하다. 상기 커플러(300)는 수렴된 광신호를 다시 상기 광필터(400)로 전달한다.
상기 광필터(400)는 상기 커플러(300)에서 수렴된 광신호를 전달 받아 상기 광신호 중 특정 일부 파장의 빛은 반사시키고 나머지 파장의 빛은 투과시켜 분리한다. 상기 광필터(400)는 상기 입사광의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)은 반사시키고, 상기 대응되는 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 산란광 성분은 투과시킬 수 있다. 특히, 상기 광필터(400)는 선폭이 매우 좁은 라만 산란광과 같은 광의 신호를 효과적으로 얻기 위해 컷 오프 단(cut-off edge)이 가파르고 투과/반사 비가 매우 큰 라만 산란 분광용 에지(Edge) 필터 또는 노치(Notch) 필터일 수 있다. 상기 출력광 중에서 중심 파장 성분(λ1)은 표지체에 부착된 금속 나노 입자와의 반응으로 생성될 수 있고, 상기 출력광 중에서 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 성분은 상기 표지체에 결합되는 피검 생체 물질과 금속 나노 입자의 상호작용에 의하여 생성되는 산란광일 수 있다. 상기 출력광 중 상기 광필터(400)에 의하여 반사된, 입사광의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)은 LSPR 분석에 적용된다. 동시에, 상기 출력광 중 상기 광필터(400)에 의하여 투과된, 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 산란광 성분은 SERS 분석에 적용된다.
상기 제1 검출부(500)는 상기 출력광 중 상기 광필터(400)에 의하여 반사되는 파장 성분을 받아들인다. 즉, 상기 제1 검출부(500)는 상기 출력광 중에서 입사광의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)을 받아들이게 되는 것이다. 따라서, 상기 제1 검출부(500)에서 받아들이는 출력광의 중심 파장 성분(λ1)은 LSPR 정량분석에 이용된다.
상기 제2 검출부(600)는 상기 출력광 중 상기 광필터(400)에 의하여 투과되는 파장 성분을 받아들인다. 즉, 상기 제2 검출부(600)는 상기 출력광 중에서 입사광의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 파장 성분을 받아들이게 되는 것이다. 따라서, 상기 제2 검출부(600)에서 받아들이는 출력광의 중심 파장 성분(λ1) 외의 파장 성분은 SERS 정성 분석에 이용된다.
또한, 상기 시스템은 표시부를 더 포함할 수 있다. 상기 표시부는 상기 제1 및 제2 검출부에 의하여 측정된 LSPR 및 SERS, 또는 상기 측정된 LSPR 및 SERS를 분석하여 얻은 생체물질에 대한 정보를 나타내는 수단이다. 상기 표시부는 모니터, 프린터 등일 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 물질 측정 시스템의 경우, ①입사광의 중심 파장 성분(λ0)에 대응하는 출력광의 중심 파장 성분(λ1)은 광필터(400)에 의하여 반사되고 제1 검출부(500)에 의하여 검출됨으로써 상기 중심 파장 성분 λ1을 가지는 출력광의 세기가 측정될 수 있다. 그리고, LSPR 측정 결과에 의해 나타나는 입사광의 중심 파장 성분 대비 출력광의 중심 파장 성분의 세기(intensity)의 변화(λ0 대비 λ1의 세기 변화)를 측정함으로써, 표지체와 피검 생체 물질 간의 반응을 정량적으로 분석할 수 있다. 한편, ②상기 출력광 중에서 입사광의 중심 파장 성분(λ0)에 대응되는 파장 성분을 제외한 산란광 성분은 광필터(400)를 통과하여 제2 검출부(600)에 의하여 검출될 수 있다. 그리고 SERS 측정 결과에 의해 나타나는 입사광의 파장 성분 대비 출력광의 파장 성분의 파장 변화(λ2, λ3, λ4 등의 변화)를 측정함으로써, 표지체와 피검 생체 물질 간의 반응을 정성적으로 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 물질 측정 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 시스템은 LSPR 분석과 SERS 분석을 동시에 실시할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 분석을 실시간으로 수행할 수 있다. 도 2의 (a)는 소정의 세기를 가지고, 중심 파장이 λ0인 입사광을 나타낸다. 도 2의 (b)는 센서부(100)에서 받아들인 출력광의 일 예를 나타낸 것으로서, 입사광의 중심 파장 λ0에 대응되며, 중심 파장이 λ1인 성분을 가진다. 또한, 상기 출력광에는 λ1과는 별도로 λ2 내지 λ4의 파장의 라만 산란광 성분도 포함될 수 있다. 상기 도 2의 (b)에서 도시되는 λ2, λ3 및 λ4는 일 예로서, 3 가지의 서로 다른 피검 생체 물질에 대응되는 SERS 표지 스펙트럼을 대표하는 것일 수 있으며, 실제는 하나의 밴드가 아니라 여러 밴드로 이루어진 스펙트럼이 서로 구별되는 형태임을 의미한다. 도 2의 (c)는 광필터(400)에 의하여 상기 출력광의 중심 파장 성분 및 상기 라만 산란광 성분이 분리됨을 모식적으로 표현하고 있다. 도 2의 (c-1)은 상기 광필터(400)를 통과하는 상기 산란광 성분을, 도 2의 (c-2)는 상기 광필터(400)에서 반사되는 상기 중심 파장 성분을 각각 모식적으로 나타내고 있다. 도 2의 (d)는 상기 출력광으로부터 분리된 상기 중심 파장 성분 및 상기 라만 산란광 성분을 분석에 사용하는 예를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 2의 (d-1)은 상기 라만 산란광 성분을 이용하여 피검 생체 물질의 출현 및 성분을 분석하는 정성 분석이 수행된다. 즉, λ2, λ3 및 λ4의 파장을 가지는 산란광 성분의 파장 변이(shift) 및 세기(intensity)의 변화를 분석한다. 도 2의 (d-2)는 상기 중심 파장 성분을 이용하여 피검 생체 물질의 존부에 따른 플라즈몬 공명 파장 변화, 반사광의 세기 변화 등을 분석함으로써 피검 생체 물질의 양을 분석하는 정량 분석이 수행된다. 또한, 상기 표면 플라즈몬 공명 의 파장이나 세기의 변화를 시간에 따른 변화로서 관찰할 수 있으며, 도 2의 (d-2)에 도시된 센소그램(sensogram)의 형태로 도시될 수 있다. 상기 센소그램을 통해, 표지체에 피검 생체 물질이 결합하는지 여부를 실시간으로 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 시스템이 피검 생체 물질을 다중 검출하는 원리를 설명한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 시스템은 복수 개의 서로 다른 표지체를 이용하여 복수 개의 피검 생체 물질을 동시에 측정할 수 있다. 도 2에서와 같이 2 종류의 서로 다른 생체 물질을 측정하기 위하여 서로 다른 2 종류의 표지체를 이용하는 경우, 상기 2 종류의 서로 다른 표지체는 단색의 입력광에 대하여 LSPR 현상에 따른 일정한 세기의 중심 파장 성분(λ1)과 SERS 현상에 따른 서로 다른 중심 파장 성분(λ2 및 λ3 : 피검 생체 물질이 결합되지 않은 표지체로부터 발생되는 각각의 출력광의 중심 파장 성분)을 갖는 기초 출력광을 나타낸다. 그러나, 상기 각각의 표지체가 서로의 대상 피검 생체 물질과 결합하게 되면, 각각의 표지체에 결합된 대상 피검 생체 물질의 양에 의하여 LSPR 현상에 따른 출력광의 중심 파장 성분(λ1)의 파장 및 세기가 변화하게 되고, 표지체에 결합된 대상 피검 생체 물질의 종류에 의하여 SERS 현상에 따른 출력광의 서로 다른 파장 성분이 각각 변화하게 된다(λ2' 및 λ3' : 피검 생체 물질이 결합된 표지체로부터 발생되는 SERS에 따른 출력광). 상기와 같이 각각의 표지체에 대하여 변화된 출력광의 정보를 측정함으로써, 2 종류의 서로 다른 피검 생체 물질을 측정할 수 있는 것이다. 도 2에서는 본 발명의 다중 검출 원리를 보다 간단하게 설명하기 위하여 단 2 종류의 표지체를 예로 들어 설명하고 있으나, 세 종류 이상의 표지체를 이용하는 경우에도 상기에서 설명한 것과 동일한 원리로 다중 검출이 가능하다. 상기와 같이 복수 개의 표지체로부터 발생되는 복수 개의 출력광은 커플러(300)에 의하여 수렴된 후, 상기 도 2에서 설명한 바와 같이 각각 LSPR 분석 및 SERS 분석에 이용된다.
2. 생체 물질 측정 방법
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 물질의 측정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 방법은 1)금속 나노 입자가 부착된 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계, 2)상기 단계 1)의 시료에 입사광을 조사하는 단계, 3)상기 단계 2)에서 조사된 입사광이 상기 시료와 반응하여 발생되는 출력광을 수렴하는 단계; 4)상기 단계 3)에서 수렴된 출력광 중 상기 입사광의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)은 반사시키고, 상기 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 산란광 성분은 투과시켜 분리하는 단계; 및 5) 상기 단계 4)의 반사된 빛과 투과된 빛으로부터 각각 LSPR 및 SERS를 실시간으로 동시에 측정하는 단계를 포함한다.
상기 단계 1)의 표지체는 측정 대상이 되는 피검 생체 물질과 특이적 및 선택적으로 결합하는 물질이면 제한되지 않고 이용될 수 있으나, 특히, 프로브, 항체 또는 앱타머 등일 수 있다.
상기 프로브(probe)는 상보적인 폴리뉴클레오타이드 서열에 특이적으로 혼성화할 수 있는 폴리뉴클레오티드를 의미하는 것으로서, 상기 측정 대상 생체 물질이 핵산인 경우에 본 발명의 표지체로서 이용될 수 있다. 상기 프로브는 자연적으로 존재하거나 또는 인위적으로 합성된 것일 수 있다. 상기 프로브가 자연적으로 존재하는 것인 경우 상기 프로브는 디옥시리보뉴클레오티드 또는 리보뉴클레오티드로 구설될 수 있고, 상기 프로브가 인위적으로 합성된 것인 경우 상기 프로브는 펩타이드 핵산(PNA)(M. Egholm et al., Nature, 365:566-568(1993)), 포스포로티오에이트 DNA, 포스포로디티오에이트 DNA, 포스포로아미데이트 DNA, 아마이드-연결된 DNA, MMI-연결된 DNA, 2'-O-메틸 RNA, 알파-DNA 및 메틸포스포네이트 DNA, 당 변형된 뉴클레오타이드 예컨대, 2'-O-메틸 RNA, 2'-플루오로 RNA, 2'-아미노 RNA, 2'-O-알킬 DNA, 2'-O-알릴 DNA, 2'-O-알카이닐 DNA, 헥소스 DNA, 피라노실 RNA 및 안히드로헥시톨 DNA, 및 염기 변형을 갖는 뉴클레오타이드 예컨대, C-5 치환된 피리미딘(치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 에티틸-, 프로피닐-, 알카이닐-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜- 포함), C-7 치환기를 갖는 7-데아자퓨린 (치환기는 플루오로-, 브로모-, 클로로-, 아이오도-, 메틸-, 에틸-, 비닐-, 포르밀-, 알카이닐-, 알켄일-, 티아조릴-, 이미다조릴-, 피리딜-), 이노신 또는 디아미노퓨린 등으로 구성될 수 있다.
상기 항체는 항원의 일부 또는 전부를 항원성 부위로 인지하여, 상기 항원성 부위에 특이적이고 직접적으로 결합하는 것을 의미하며, 폴리클로날(polyclonal) 항체 또는 모노클로날(monoclonal) 항체를 모두 포함한다. 상기 항체는 측정 대상이 되는 피검 생체 물질의 종류에 따라 당업자에게 알려진 공지의 방법으로 제작될 수 있다. 즉, 상기 단일클론 항체는 당업계에 널리 공지된 융합 방법(fusion method)(Kohler 및 Milstein (1976) European Jounral of Immunology, 6:511-519 참조), 재조합 DNA 방법 또는 파지 항체 라이브러리(Clackson et al., Nature, 352:624-628, 1991; Marks et al., J. Mol. Biol., 222:58, 1-597, 1991) 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 상기 폴리클로날 항체는 피검 생체 물질을 마우스, 래트, 양, 토끼와 같은 포유동물을 포함하는 외부 숙주에 주사함으로써 제조될 수 있다. 상기 항원은 근내, 복강내 또는 피하 주사방법으로 주사되며, 일반적으로 항원성을 증가시키기 위한 보조제(adjuvant)와 함께 투여될 수 있고, 외부 숙주로부터 정기적으로 혈액을 채취하여 형상된 역가 및 항원에 대한 특이성을 보이는 혈청을 수거하여 항체를 분리함으로써 수득 및 이용될 수 있다. 또한, 상기 항체는 상업적으로 알려진, 피검 생체 물질에 대한 항체를 구입하여 이용할 수 있다.
상기 앱타머(aptamer)는 단일 사슬 DNA 또는 RNA 분자로서, SELEX(systematic evolution of ligands by exponential enrichment)라 불리는 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide) 라이브러리를 이용한 진화적인 방법에 의해 특정 화학 분자나 생물학적 분자에 높은 친화력과 선별력을 갖고 결합하는 올리고머를 분리하여 수득할 수 있다(C. Tuerand L. Gold, Science 249, 505 - 510, 2005; A. D. Ellington and J. W. Szostak, Nature 346, 818 - 822, 1990; M. Famulok, et. al., Acc. Chem. Res. 33, 591 - 599, 2000; D. S. Wilson and Szostak, Annu. Rev. Biochem. 68, 611 - 647, 1999). 앱타머는 표적에 특이적으로 결합하고 표적의 활성을 조정할 수 있는데, 예컨대, 결합을 통하여 표적이 기능하는 능력을 차단할 수 있다. 본 발명의 경우, SELEX를 이용하여 진화적인 방법으로 측정 대상이 되는 피검 생체 물질에 높은 친화력 및 선별력을 갖는 앱타머를 수득하여 이용할 수 있다.
상기 단계 1)의 표지체는 금속 나노 입자가 부착된 것이 바람직하다. 상기 금속 나노 입자는 표지체에 결합되는 피검 생체 물질과의 상호작용을 통하여, 상기 표지체에 입사되는 입사광에 대하여 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 증강 라만 산란을 일으킨다. 상기 표지체에 부착된 금속 나노 입자는 그 성분 및 구조가 표면 플라즈몬 공명 또는 표면 증강 라만 산란이 일어나는 것이면 특별히 제한되지 않으나, 특히, 상기 금속 나노 입자는 금 또는 은으로 구성된 구형의 입자일 수 있다.
상기 단계 1)의 시료는 측정 대상인 피검 생체 물질을 포함하고 있는 것으로서, 피검체의 폐세척액, 생검, 혈액, 림프액, 타액 또는 소변 등일 수 있다. 특히, 상기 시료는 피검체에서 분리된 것일 수도 있고, 피검체 내에 존재하는 것일 수도 있다. 따라서, 상기 단계 1)의 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 인 비트로(in vitro) 또는 인 비보(in vivo) 상태에서 수행될 수 있다. 즉, 상기 시료가 피검체로부터 분리된 것이면 상기 단계 1)의 반응은 인 비트로(in vitro) 상태에서 진행되는 것이고, 상기 시료가 피검체 내에 존재하는 것이면 상기 단계 1)의 반응은 인 비보(in vivo) 상태에서 진행되는 것이다.
상기 단계 2) 내지 단계 5)의 과정은 본 발명의 생체 물질 측정 시스템에 의하여 수행될 수 있다. 상기 단계 2) 내지 단계 5)의 과정이 상기 생체 물질 측정 시스템에 의하여 수행되는 경우, 상기 단계 2)의 입사광 조사 및 단계 3)의 출력광 수렴은 본 발명 시스템의 센서부(100), 광원(200) 및 커플러(300)에 의하여 수행되고, 상기 단계 4)의 출력광 분리는 광필터(400)에 의하여, 상기 단계 5)의 LSPR 및 SERS의 측정은 본 제1 및 제2 검출부에 의하여 각각 수행된다. 본 발명 시스템에 의하여 상기 단계 2) 내지 단계 5)의 과정이 수행되는 원리는 상기 시스템에 관한 설명을 원용하고, 상세한 설명은 생략하도록 한다. 이하에서는 본 발명의 시스템을 생체 물질의 측정에 이용하는 방법에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
도 5 내지 7은 본 발명의 생체 물질 측정 시스템을 생체 물질의 측정에 이용하는 방법을 예시적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 본 발명 시스템의 센서부(100) 말단에 형성된 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질을 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명 시스템과 분리된 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질을 측정하는 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이다. 특히 도 6은 기판 상에 고정된 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질의 반응을 측정하는 방법을 나타낸 것이고, 도 7은 고정되지 않고 부유하는 표지체를 이용하여 외부 환경에 존재하는 피검 생체 물질의 반응을 측정하는 방법을 나타낸 것이다.
상기 도 5를 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 방법은 상기 시스템의 센서부(100)의 일측 말단에 형성된 표지체를 이용함으로써, 생체 물질의 인 비트로(in vitro) 또는 인 비보(in vivo) 측정이 가능하다. 본 발명의 상기 시스템은 센서부(100)의 일측 말단에 금속 나노 입자가 부착된 표지체가 형성될 수 있다. 특히, 상기 금속 나노 입자가 부착된 표지체는 상기 센서부(100)의 광섬유의 말단 표면에 직접 형성될 수 있다. 상기와 같이 표지체가 광섬유 말단에 직접 형성되는 경우, 상기 표지체는 자기조립단분자층(self-assembled monolayer: SAM)을 통해 화학적으로 고정되거나, MEMS(micro electro mechanical systems) 공정을 통해서 고정될 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 본 발명 시스템의 센서부(100)는 하나 또는 둘 이상의 광섬유를 구비할 수 있다. 상기 센서부(100)가 하나의 광섬유로 구성되는 경우, 상기 광섬유의 일측 말단에는 한 종류의 표지체가 형성될 수도 있고, 복수 개 종류의 서로 다른 표지체가 형성될 수도 있다. 상기 센서부(100)가 둘 이상의 광섬유로 구성되는 경우, 개별 광섬유의 일측 말단에는 한 종류 또는 복수 개 종류의 서로 다른 표지체가 형성될 수 있다. 또한, 상기 각각의 광섬유에는 서로 다른 표지체가 형성될 수도 있다.
상기와 같이 금속 나노 입자가 부착된 표지체가 센서부(100)에 형성된 경우, 상기 센서부(100) 자체를 외부 환경에 노출시켜 피검 생체 물질과의 결합을 유도한 다음, 센서부(100)에 부착된 표지체로 입사광을 입사시켜 피검 생체 물질을 측정하는 것이다. 이 같은 경우, 피검체로부터 분리된 시료에 상기 센서부(100)를 노출시켜 인 비트로(in vitro) 환경에서 생체 물질을 측정할 수도 있고, 피검체 내로 상기 센서부(100)를 도입하여 인 비보(in vivo) 환경에서 피검 생체 물질을 측정할 수도 있다.
상기 도 6의 (a)을 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 방법은 도 5와는 달리 본 발명의 생체 물질 측정 시스템 외부의 기판에 고정된 표지체를 이용하여 피검 생체 물질을 측정할 수 있다. 즉, 상기 생체 물질 측정 방법에 있어서, 상기 단계 1)의 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체가 고정된 기판 상에 상기 시료를 처리함으로써 수행될 수 있다는 것이다. 상기 기판에는 동일한 피검 물질에 대한 표지체가 고정될 수도 있고, 서로 다른 종류의 피검 물질에 대한 표지체가 고정될 수도 있다. 특히, 상기 기판에 서로 다른 종류의 피검 생체 물질에 대한 표지체가 고정되는 경우, 한 번에 여러 종류의 피검 생체 물질을 측정할 수 있게 된다.
상기 피검 생체 물질을 기판 상에 고정된 표지체와 결합시킨 후, 본 발명의 생체 물질 측정 시스템을 이용하여 기판 상에서 발생하는 LSPR 및 SERS를 동시에 측정이 가능하다. 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 시스템의 센서부(100)를 기판의 X 축 또는 Y 축으로 이동시키면서 상기 기판 상에서 발생하는 출력광을 스캔함으로써, 상기 표지체와 피검 생체 물질의 결합에 의한 LSPR 및 SERS를 측정 및 분석할 수 있다.
상기 도 7을 참조하면, 본 발명의 생체 물질 측정 방법은 본 발명의 시스템이나 기판의 어디에도 고정되지 않은 표지체를 이용하여 피검 생체 물질을 측정할 수 있다.
상기와 같이 고정되지 않은 표지체를 이용하여 생체 물질을 측정하는 방법의 경우, 상기 단계 1)의 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체를 피검체에 투여함으로써 수행될 수 있다. 이와 같은 표지체의 투여에 의하여 상기 표지체는 피검체 내에 존재하는 피검 생체 물질과 결합하게 되고, 상기의 피검체로 입사광을 입사시켜 피검체 내부의 피검 생체 물질을 측정하는 것이다. 상기와 같은 방법에 의하여, 비침습적으로 피검체 내부의 생체 물질, 즉 인 비보(in vivo) 상태의 생체 물질을 측정할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같이 고정되지 않은 표지체를 이용하여 생체 물질을 측정 방법의 경우, 상기 단계 1)의 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체를 세포 내부로 도입시킴으로써 수행될 수 있다. 상기와 같이 표지체의 세포 내 도입에 의하여 상기 표지체는 세포 내부에 존재하는 피검 생체 물질과 결합하게 되고, 상기 세포로 입사광을 입사시켜 세포 내부의 피검 생체 물질을 측정하는 것이다. 상기와 같은 방법에 의하여 세포를 파괴하지 아니하면서, 세포 내부의 생체 물질을 측정할 수 있게 되는 것이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 상기와 같은 특정 실시예에만 한정되지 아니하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
Figure 112012018998811-pat00001

Claims (15)

  1. 외부로 빛을 조사하거나 또는 외부에서 발생한 빛을 감지하는 광섬유를 하나 이상 구비하는 센서부;
    상기 센서부의 광섬유에 외부로 조사되는 빛을 제공하는 광원;
    상기 센서부의 광섬유에 의해 외부로부터 받아들인 빛을 수렴하는 커플러;
    상기 커플러에 의해 수렴된 빛 중 특정 파장의 빛은 반사시키고 나머지 파장의 빛은 투과시켜 분리하는 광필터;
    상기 광필터에 의하여 반사된 빛으로부터 LSPR을 측정하는 제1 검출부; 및
    상기 광필터에 의하여 투과된 빛으로부터 SERS를 측정하는 제2 검출부를 포함하는 생체 물질 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원에 의하여 상기 센서부의 광섬유로 제공되는 빛은 단색광인 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광필터는 노치 필터 또는 에지 필터인 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광필터는 상기 커플러에 의해 수렴된 빛 중 상기 광원으로부터 제공되는 빛의 중심 파장(λ0)에 대응되는 중심 파장 성분(λ1)은 반사시키고, 상기 대응되는 중심 파장 성분(λ1)을 제외한 나머지 산란광 성분은 투과시키는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 LSPR과 상기 SERS는 실시간으로 측정되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제1 검출부 및 제2 검출부에 의하여 측정된 LSPR 및 SERS를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서부의 개별 광섬유는 외부로 향하는 말단에 서로 다른 피검 생체 물질에 대한 표지체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 시스템.
  8. 광섬유를 사용하는 생체 물질 측정 방법에 있어서,
    금속 나노 입자가 부착된 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계;
    상기 시료에 입사광을 조사하는 단계;
    상기 조사된 입사광이 상기 시료와 반응하여 발생되는 출력광을 수렴하는 단계;
    상기 수렴된 출력광 중 상기 입사광의 중심 파장에 대응되는 중심 파장 성분은 반사시키고, 상기 중심 파장 성분을 제외한 나머지 산란광 성분은 투과시켜 분리하는 단계; 및
    상기 반사된 빛과 투과된 빛으로부터 각각 LSPR 및 SERS를 실시간으로 동시에 측정하는 단계를 포함하는 생체 물질 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 표지체는 프로브, 항체 및 앱타머로 구성된 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 시료는 피검체로부터 유래된 폐세척액, 생검, 혈액, 림프액, 타액 또는 소변인 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 인 비트로(in vitro) 또는 인 비보(in vivo) 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 시료에 입사광을 조사하는 단계 내지 상기 LSPR 및 SERS를 실시간으로 동시에 측정하는 단계는 제1항의 생체 물질 측정 시스템에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체가 고정된 기판 상에 상기 시료를 처리함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체를 세포 내부로 도입시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 표지체와 피검 생체 물질이 포함된 시료를 반응시키는 단계는 상기 표지체를 피검체에 투여함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 생체 물질 측정 방법.
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